基于單片機的機房溫濕度監控系統

賈春剛

（青島海信網絡科技股份有限公司，山東青島，266071）

1 系統總體設計架構

根據設計方案架構圖1可以看出，系統由微處理器模塊、OLED液晶顯示模塊、DHT11傳感器模塊、報警模塊和無線通訊模塊組成。方案設計遵循簡潔的原則，因此，所有的外圍模塊采用串行方式與微處理器模塊連接。該設計控制核心是STM32F103c8t6單片機，實現傳輸和處理數據的基本功能，其他五大模塊圍繞單片機展開。在設計系統時，采用模塊設計法，通過單獨設計各個功能模塊，達到系統架構清晰明確的效果。

圖1 系統方案架構圖

2 系統硬件設計

2.1 系統概述

系統硬件為6個分模塊與1個總模塊連接。DHT11溫濕度模塊DATA引腳與單片機IO口PC14連接傳輸數據，VCC接電源，GND與NC并聯接地。單片機的USART連接無線通訊模塊GSM800C實現異步通訊功能。OLED模塊3、4、5、6引腳與單片機PB1、PB0、PA7、PA6引腳的IO口連接傳輸數據。報警部分由單片機IO口PC14連接報警模塊三極管的基極，集電極連接蜂鳴器和PB14，PA10連接報警模塊的LED燈共同組成。報警時LED和蜂鳴器一起運作達到報警效果。調節部分單片機引腳PB4連接三極管，利用單片機傳輸的數據和三極管的特性對繼電器進行操作。系統電路原理圖如上圖2所示。

圖2 系統電路原理圖

2.2 溫濕度采集模塊設計與實現

2.2.1 溫濕度數字采集電路

如圖3所示的DHT11電路原理圖，溫濕度傳感器DATA與單片機IO端口PC14單總線傳輸，收發串行數據，Pin3、4并聯接地，其中NC為空腳，可接可不接，VCC引腳連接電源。使用3.3V的電源供電時，要注意電路中的走線長短，以避免供電不足產生的偏差。傳感器讀取的數據為上一次測量結果，本系統通過連續兩次的讀取數據實現實時數據的采集。

圖3 DHT11電路原理圖

2.2.2 DHT11數字溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器是使用DATA這個可傳輸數據的引腳進行單總線協議通信的，單片機通過復位電路發送一次復位信號后，DHT11發送響應信號，同時拉高總線準備傳輸數據。傳輸的數據分為濕度數據16bit部分、溫度數據16bit部分和校驗位8bit。

數據時序圖如圖4所示。

圖4 數據時序圖

STM32F103c8t6對傳感器發出傳輸開始信號,傳感器接收信號后采集系統,采集系統響應后發出數據的同時再進行一次信號采集。如果沒有接收到主機的響應信號，數據采集模塊轉變為低功耗模式，不動作。

微處理器讀取步驟:

（1）傳感器通電后，測量并記錄環境中的溫度、濕度數據，然后通過上拉電阻使DATA數據線保持為高電平，等待信號。

（2）STM32F103c8t6的 I/O輸出低電平發送信號，設置時間大于18ms小于30ms，然后單片機的I/O設置變為輸入模式。由于上拉電阻的關系，電平回到高電平，同時等待DHT11做出回答信號，發送信號如圖5所示。

圖5 主機發送起始信號

（3）當DHT11接收到STM32F103c8t6發出的信號時，DHT11傳輸引腳發出回應信號，信號時長為83微秒，回應信號為低電平，然后輸出高電平87us回應單片機準備接收數據，工作過程如圖6所示。

圖6 從機響應信號

2.3 報警電路模塊的設計

本系統選用帶有振蕩電路的有源蜂鳴器PNP三極管S8550。通過STM32F103c8t6發出電平給蜂鳴器即可發出報警信號。蜂鳴器接在三極管的集電極，驅動信號為3.3V的電平，基極接在單片機I/O口的PC14。單片機IO口默認為高電平，系統通電時，蜂鳴器是不發聲的，當單片機檢驗溫度或者濕度超過上下限時，單片機傳輸低電平，三極管被導通，蜂鳴器響起達到報警功能。蜂鳴器發出的聲音大小可根據PWM驅動信號頻率調節，有源蜂鳴器電路原理圖如圖7所示。

圖7 有源蜂鳴器電路原理圖

2.4 GSM800C短信模塊

GSM 800C是一款四頻GSM/GPRS模塊，分別GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz頻率。該設備作為本系統遠程監視的核心，在監控模塊中，產品利用高電平通電，低電平斷電自動開機，時刻等待接收單片機傳輸的報警信號，信號一旦接收，即刻發送通知，這樣達到真正意義上的無人監視。該模塊利用TTL串口與單片機、電腦連接，實現通訊功能；支持短、彩信，支持錄音功能，支持藍牙，支持TTS等功能。

3 系統軟件程序設計

3.1 系統主程序設計

根據功能需求設計系統流程圖如圖8。在工作時無需手動開機，通電后自動初始化系統各個模塊。待模塊初始化完畢后，傳感器讀取溫度、濕度數據，讀取數據后傳輸給單片機處理計算，再轉化為數字字符顯示在OLED顯示屏上。讀取溫濕度的同時系統調用功能函數，并將讀取的數值與設置的閾值進行比較。若大于或小于設置的溫濕度閾值，單片機發送報警信號給報警模塊。蜂鳴器收到信號后，響應信號，同時LED亮起，短信模塊接收信號后發出信息，水泵繼電器收到信號后開始運行。讀取數據時，系統還會實時緩存數據，方便計算機讀取，以達到實時監控的效果。

圖8 系統軟件流程圖

3.2 溫濕度采集系統程序設計

溫濕度傳感器開機進行初始化，做好等待信號準備，得到單片機的指令后，開始對外部環境的溫度與濕度進行采集數據。通過對比數據是否正確，決定是否發出數據。正確發出數據，反之重新采集。

3.3 通訊模塊軟件設計

本系統采用GSM無線通訊模塊的TEXT模式，在溫度或者濕度超過閾值時采用發送信息到用戶手機的方式提示用戶。在初始化時，通訊模塊進入TEXT模式，一旦收到命令，短信模塊把字符串拼接進入函數，發送短信。10s后如果還是收到單片機命令，繼續發送短信，發送3次后不再發送。

4 系統測試結果

關于溫濕度恒定數值檢測：

（1）利用空調的恒溫系統檢測溫度穩定性，開啟儀器后1分鐘，溫度數值不變。把房間空調設定在25度，在儀器穩定后放入空調房，每隔5分鐘進行溫度檢測。檢測結果如表1所示。

表1 溫度檢測結果值

結論：檢測溫度正常。

（2）在濕度為70%RH的環境下，檢測其穩定性，每隔5分鐘檢測環境濕度，檢測結果如表2所示。

表2 濕度檢測結果值

結論：檢測濕度正常。

通過實驗數據觀察，溫度和濕度測定值都趨向于穩定，由于硬件的原因，溫度存在1-2℃的誤差，濕度存在1-4%RH的誤差，總體來說儀器較為完善，可以使用。

5 結論

在本次系統設計的器件選擇上，選擇了計算功能強大STM32F103c8t6處理器、溫濕度檢測功能較為完善的DHT11溫濕度傳感器、顯示屏OLED和無線通信GSM800c。利用四者的結合，打造了一個包含收集-分析-顯示-監控功能的機房溫濕度監控系統。