基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計研究

王子亮

摘? ?要：溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是環(huán)境管理體系中的重要組成部分，在環(huán)境穩(wěn)定性、安全性、舒適性、可靠性、適宜性的保障上發(fā)揮著至關重要的作用。立足溫濕度監(jiān)控需求，將單片機作為系統(tǒng)微處理器芯片，在數(shù)據(jù)采集技術、視頻顯示技術、傳感器技術等結合應用下，設計了一種基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)對環(huán)境中溫濕度的實時監(jiān)測與遠程控制，并為相關研究提供有益指導。

關鍵詞：單片機;溫濕度監(jiān)控;監(jiān)控系統(tǒng);系統(tǒng)設計

溫濕度在環(huán)境管理中的重要性決定了其監(jiān)測管控的必要性，尤其在對環(huán)境具有較高要求的場所中，如溫室培養(yǎng)、食品運輸、藥品存儲、檔案管理、裝備儲存、住宅供暖等。對此，加強溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設計與研發(fā)，在保證溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)基本功能的基礎上，降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、可靠性、安全性，提升系統(tǒng)工作質量與效率，勢在必行。以下是筆者在研究過程中提出的一種基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計，意在拋磚引玉。

1? ? 基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計需求分析

溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是基于環(huán)境建設與管理要求形成的一種以空氣溫度、空氣濕度為監(jiān)控對象，以計算機網(wǎng)絡技術、通信技術、傳感技術、顯示技術、視頻監(jiān)控技術等結合應用為支撐的環(huán)境自動化、智能化管控系統(tǒng)，其設計與開發(fā)目的在于滿足各領域、各行業(yè)（紡織、醫(yī)藥、食品、武器裝備、檔案管理、植物栽培、畜牧養(yǎng)殖、建筑工程等）對環(huán)境變化的要求。因此，基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)基本功能需求如下：（1）系統(tǒng)能夠代替人工對空氣溫度、濕度進行檢測，實現(xiàn)溫濕度各項參數(shù)的收集、整理與分析。（2）系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境實際情況與溫濕度控制要求，對溫濕度進行自動調節(jié)，實現(xiàn)溫濕度智能化控制。（3）系統(tǒng)用戶界面具有較強交互性，且操作簡單，可根據(jù)用戶需求進行相關信息的直觀、快速、準確顯示。（4）系統(tǒng)具備遠程監(jiān)控、歷史信息查詢、登錄終端自由切換、網(wǎng)絡安全問題自主性預防等特殊功能。（5）系統(tǒng)存在可拓展性，可根據(jù)用戶個性化需求實現(xiàn)具體情境的具體設定，保證系統(tǒng)可持續(xù)應用與大范圍推廣[1]。

2? ? 基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計思路分析

根據(jù)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計的基本功能需求，在進行系統(tǒng)開發(fā)時，本設計利用溫濕度傳感器進行空氣溫濕度信息的有效采集。本設計選用功耗低、成本小、反應快、性價比高、抗干擾能力強的STC89C52單片機作為系統(tǒng)核心，滿足溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)嵌入式設計需求。設計配置數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)存儲，既能斷電保存，也能歷史回顧。本設計利用液晶顯示器進行溫濕度監(jiān)測值實時顯示，并配置告警模塊，當溫濕度值超出設置范圍時，將進行自動告警與自動調節(jié)。本設計在藍牙技術、移動通信技術等結合應用下，實現(xiàn)溫濕度系統(tǒng)遠程監(jiān)控。溫濕度系統(tǒng)測溫范圍在-10～50 ℃，測濕范圍在5%～90% RH，溫度測量誤差控制在2 ℃以內，濕度測量誤差控制在5%以內，能夠在多場景進行應用，如室內、車內、倉庫等，采用溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)組織架構[2]。

3? ? 基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)關鍵技術分析

在溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計與開發(fā)過程中，為保證其設計思路的實現(xiàn)與設計基本功能的發(fā)揮，應以先進科學技術為支撐。就本系統(tǒng)而言，應用到的科學技術相對較多，其中單片機技術、數(shù)據(jù)采集技術、通信技術等是較為關鍵的技術。

3.1? 單片機技術

單片機是單片微型計算機的簡稱，又被稱為“微控制器”，是一種具有高度集成性的電路芯片。在通常情況下，單片機能夠將中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、隨機存取存儲器（Random Access Memory，RAM）、只讀存儲器（Read Only Memory image，ROM）、定時器/計算器、A/D轉換器、I/O口等集成，構成一個微型計算機系統(tǒng)。單片機普遍具有可靠性高、處理速度快、功耗低、控制能力強、適用性強等優(yōu)勢，能夠滿足多數(shù)控制系統(tǒng)的需求，實現(xiàn)系統(tǒng)模塊化發(fā)展[3]。因此，在本系統(tǒng)設計研發(fā)過程中，選用STC89C52單片機作為系統(tǒng)主控芯片，進行檢測數(shù)據(jù)及相關信息的有效管控。

3.2? 數(shù)據(jù)采集技術

在構建基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)時，其溫濕度數(shù)據(jù)收集、處理與分析能力直接影響系統(tǒng)運行質量與效率。對此，基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)需配置數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊，用于對溫濕度信息進行及時采集與處理。在此過程中，借助溫濕度傳感器的溫濕度檢測功能，能夠完成溫度與濕度的信息采集，并進行數(shù)字信號與電信號的有效轉換，實現(xiàn)信息在系統(tǒng)中的傳輸、分析、存儲與利用。

3.3? 通信技術

溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)進行信息傳輸、信息處理、信息利用等離不開通信技術的支持。通信技術作為綜合性技術，涉及的內容相對較多，包括數(shù)據(jù)交換、電路基礎、電子線路、通信網(wǎng)絡等。本研究系統(tǒng)涉及的核心電路組有溫度傳感器接口電路、調試電路、電源電路、復位電路、單片機電路、藍牙通信接口電路等，在各電路的有效連接下，實現(xiàn)系統(tǒng)內外部通信協(xié)調。

4? ? 基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計實現(xiàn)分析

4.1? 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，其硬件設計主要包括以下幾部分：

（1）系統(tǒng)電源模塊設計。在實際運行過程中，基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)電源模塊運行的安全性、穩(wěn)定性、可靠性、有效性直接影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定、安全與可靠。因此，在基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計過程中，需做好電源模塊設計工作。本研究的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)所采用的單片機為STC89C52單片機，溫濕度傳感器為DHT11溫濕度傳感器。根據(jù)單片機、溫度傳感器以及其他系統(tǒng)模塊對電流、電壓的要求，需對220 V交流電壓做降壓處理，使其在橋式整流電路作用下，由220 V交流電壓轉變?yōu)?2 V直流電壓、5 V直流電壓、3 V直流電壓，為單片機、溫濕度傳感器以及其他電路供壓。與此同時，為進一步提高電流、電壓穩(wěn)定性，可利用濾波技術消除雜質，降低諧波、脈動的不利影響，讓系統(tǒng)供電始終處于安全、可靠狀態(tài)。

（2）溫濕度采集模塊設計。由于溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)督、管控的是環(huán)境中溫濕度變化情況。需要對溫濕度及其變化信息進行采集，并通過數(shù)字信號與模擬信號之間的有效轉換，將數(shù)據(jù)傳輸至溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)主控平臺—STC89C52單片機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理與利用。溫濕度采集模塊須具備溫濕度參數(shù)采集功能、溫濕度參數(shù)數(shù)模轉換功能，因此，選用DHT11溫濕度傳感器布設溫濕度采集模塊。DHT11溫濕度傳感器屬復合型傳感器，具備電阻式感濕元件、負溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient，NTC）測溫元件，能夠與STC89C52單片機進行有效連接[4]。與此同時，DHT11溫濕度傳感器體量相對較小，且信號傳輸距離相對較遠（20 m以上），在溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中的適用性更強。此外，DHT11溫濕度傳感器也具備功耗低、響應快、抗干擾能力強、數(shù)字信號輸出準確等優(yōu)勢，可有效提升溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的整體性能，提高溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的應用有效性。

（3）液晶顯示模塊設計。液晶顯示器在基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中的有效運用是提升溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)交互性、體驗性、操作性的重要手段，能夠將溫濕度信息以文字、數(shù)值、圖形等形式直觀顯示，便于用戶對溫濕度變化情況進行分析與掌握。與此同時，液晶顯示模塊能夠將系統(tǒng)核心功能集中、具體顯示，指導用戶系統(tǒng)操作行為，讓系統(tǒng)應用更具簡便性、實用性。例如，用戶登錄客戶端之后，進入溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)液晶顯示器顯示信息輸入命令;單片機接受到命令后，依據(jù)系統(tǒng)軟件程序設計執(zhí)行命令，滿足用戶使用需求。

4.2? 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

軟件設計是基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)核心所在，在保證系統(tǒng)設計功能的有效實現(xiàn)上有重要作用。就本研究的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)而言，軟件設計主要包括溫濕度數(shù)據(jù)采集設計、系統(tǒng)主函數(shù)設計、手機智能終端程序設計、報警程序設計、液晶顯示程序設計等。以溫濕度數(shù)據(jù)采集設計為例，系統(tǒng)在進行初始溫濕度信息采集時需復位，以免系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯報問題;根據(jù)溫濕度監(jiān)控需求，合理配置溫濕度信息采集時間，通常情況下采集頻率以1 s為基準;溫濕度數(shù)據(jù)采集程序應具備精簡化特征，以免程序過于復雜而影響系統(tǒng)運行效率;合理設置STC89C52單片機與DHT11溫濕度傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸方式，保證數(shù)據(jù)交換具備較強時效性，單總線傳輸方式存在信息交換時序長的問題，可通過控制其他程序運行的方法，提升系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。以手機智能終端程序設計為例，堅持“以人為本”設計原則，立足系統(tǒng)實用性、交互性要求，確保操作界面簡單、便利、高效。在通常情況下，可利用Eclipse軟件進行基于溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的手機智能終端平臺開發(fā)，完成登錄界面、系統(tǒng)操作界面、信息顯示界面等的設計。

5? ? 基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)性能測試分析

在完成基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)構建之后，需對系統(tǒng)進行測試，以保證系統(tǒng)設計基本功能的有效實現(xiàn)，確保系統(tǒng)具有較好的市場推廣前景。在通常情況下，在對基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)進行測試時，測試內容主要包括性能測試（如穩(wěn)定性、可靠性、安全性、功能性）、硬件平臺測試、模塊測試（如數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、服務器模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊）、代表性界面交互操作測試（如用戶登錄、歷史數(shù)據(jù)查詢、監(jiān)控時段管控、監(jiān)控量調整）等。通過上述測試，本研究的系統(tǒng)基本達到設計要求，能夠安全、穩(wěn)定、高效地運行。

6? ? 結語

綜上所述，基于單片機的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，在溫濕度傳感模塊、告警模塊、視頻顯示模塊、無線通信模塊等結合作用下，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)運用環(huán)境中溫濕度參數(shù)的有效收集，完成溫濕度檢測、報警、遠程控制、可視化顯示等功能，滿足溫濕度實時監(jiān)控與遠程管理需求，讓環(huán)境管理更具簡單性、便捷性、靈活性、科學性、時效性。因此，面對溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景，系統(tǒng)設計與研發(fā)須立足實際需求，加強溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的針對性設計，讓溫濕度測量更精準、功能更全面、應用更實效。

[參考文獻]

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[2]鞏銀苗，魯西坤，景? 旭，等.基于單片機的倉庫溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].電子制作，2018（7）：26-28.

[3]鄭曉茜，馬朝華，趙? 方，等.基于MSP430和GSM技術的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].糧食與油脂，2017，30（3）：87-90.

[4]陶? 佳.基于VB和單片機的溫濕度及火焰監(jiān)控報警系統(tǒng)設計[J].電子測試，2017（2）：7-8.