秦迎春，秦 瑞

（1.廣東白云學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510450；2.新澤西理工 美國新澤西州 紐瓦克 07103）

溫濕度控制在日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的運用非常廣泛，本系統(tǒng)采用SHT11溫濕度復(fù)合傳感器是瑞士Sensirion公司推出的一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出，其外形尺寸僅為7.65×5.08×23.5 mm，體積與火柴頭相近，SHT11采用串行接口，它的分辨率可以根據(jù)對現(xiàn)場的采集速率而進行調(diào)整，一般情況下默認(rèn)的測量分辨率分別為 14 bit（溫度）、12 bit（濕度），如果在高速采集中就可分別降至12 bit和8 bit，對溫度的量程范圍：-40～123.8℃， 濕度的量程范圍：0～100%RH，采用該芯片使本系統(tǒng)構(gòu)成更趨于簡單化同時本系統(tǒng)還使用單片機控制TC35（廉價的GSM模塊）發(fā)送、接收GSM短信實現(xiàn)溫濕度的遠程監(jiān)控。

1 控制原理

本系統(tǒng)主要由控制器、測量、通信、顯示、鍵盤5部分組成，單片機控制芯片內(nèi)部定時器每隔一定的時間對溫濕度進行一次采樣，產(chǎn)生一次中斷并對采樣的溫濕度值進行計算，然后系統(tǒng)利用單片機串口與GSM模塊以通用異步收發(fā)器形式通信，完成溫濕度值通過手機短消息的方式，發(fā)送到集中監(jiān)控中心或工作人員的手機終端，從而實現(xiàn)了遠程監(jiān)控溫濕度的變化，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 控制模塊采用AT89C2051單片機

單片機控制模塊是本系統(tǒng)的核心，通過外圍電路對溫濕度采集和向GSM模塊寫入相關(guān)程序，控制部分要實現(xiàn)能夠控制GSM模塊短消息的接收和發(fā)送、接收溫濕度值并進行計算、設(shè)置相關(guān)的工作模式等各項參數(shù)的功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

AT89C2051是ATMEL公司生產(chǎn)的廉價高性能8位單片機，采用80C31內(nèi)核指令系統(tǒng)，與MCS－51完全兼容，內(nèi)含2k字節(jié)的Flash可作為用戶程序存貯器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），采用20引腳封裝，縮小了體積，并內(nèi)含2個程序加密位，可防止程序的非法讀出，安全性能好。它的低電壓、高性能CMOS的8位機與MCS—51指令和輸出腳兼容，可以構(gòu)成一個最小的測量系統(tǒng)。但它只有20個引腳，15個雙向輸入/輸出（I/O）端口，其中P1是一個完整的8位雙向I/O口，兩個外中斷口，兩個16位可編程定時計數(shù)器，兩個全雙工串行通信口，一個模擬比較放大器，同時AT89C2051的時鐘頻率可以為零，即具備可用軟件設(shè)置的睡眠省電功能，系統(tǒng)的喚醒方式有RAM、定時/計數(shù)器、串行口和外中斷口，系統(tǒng)喚醒后即進入繼續(xù)工作狀態(tài)。省電模式中，片內(nèi)RAM將被凍結(jié)，時鐘停止振蕩，所有功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復(fù)位方可繼續(xù)運行。

1.2 采用SHT11完成溫度、濕度測量

SHT11溫濕傳感器[1]包括一個電容式聚合體測濕元件和一個用能隙材料制成的測溫元件，它操作比較簡單，只需用一組“啟動傳輸”時序，就能實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟瑫r，在測量和通信結(jié)束后，SHT11會自動轉(zhuǎn)入休眠模式，這大大的減少了功耗，SHT11的主要特點是：

1）將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一芯片（CMOSensTM技術(shù)）；

2）可給出全校準(zhǔn)相對濕度及溫度值輸出；

3）帶有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線數(shù)字輸出接口；

4）具有露點值計算輸出功能；

5）具有卓越的長期穩(wěn)定性；

6）濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為12位和8位；

7）小體積（7.65×5.08×23.5 mm），可表面貼裝；

8）具有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗功能；

9）片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)系數(shù)可保證100%互換性；

10）電源電壓范圍為 2.4～5.5 V；

11）電流消耗，測量時為 550μA，平均為28μA，休眠時為 3μA。

SHT11的濕度檢測運用電容式結(jié)構(gòu)，并采用具有不同保護的“微型結(jié)構(gòu)”檢測電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層來組成傳感器芯片的電容，除保持電容式濕敏器件的原有特性外，還可抵御來自外界的影響。由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起而構(gòu)成了一個單一的個體，既提高了傳感器的性能，又降低了成本、減少了體積，同時也非常便于和單片機連接，因而測量精度較高且可精確得出露點，同時不會產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化引起的誤差，SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。

圖2 SHT11內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure diagram of SHT11

SHT11引腳說明：VDD－電源引腳其工作電壓是2.4～5.5 V，DATA—串行數(shù)據(jù)引腳；SCK—串行時鐘輸入，GND－接地端。SHT11測量過程[3]包括啟動傳輸、發(fā)送測量命令、等待測量完成和讀取測量數(shù)據(jù)。

1.3 GSM模塊采用TC35

TC35[4]是Siemens公司推出的無線通信GSM模塊自帶RS232通訊接口，可以方便地與PC機、單片機連機通訊。TC35模塊的工作電壓為3.3～5.5 V，可以工作在900 MHz和1 800 MHz兩個頻段，所在頻段功耗分別為2W（900 MHz）和1 W（1 800 MHz）。模塊有豐富的AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三組的二類傳真、以及2.4 k，4.8 k，9.6 k的非透明模式。

TC35模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口6部分組成。作為TC35的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。

TC35模塊有40個引腳[5]，通過ZIF連接器引出。這40個引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。IGT端是TC35模塊的啟動端，系統(tǒng)加電后為使TC35進入工作狀態(tài)，必須給IGT加一個大于100 ms的低脈沖，電平下降持續(xù)時間不能超過100 ms，啟動后IGT應(yīng)保持高電平（3.3 V）。同時還要考慮TC35作為數(shù)據(jù)通信設(shè)備來連接，它的RXD0引腳與單片機的RXD引腳連接，它的TXD0與單片機的TXD引腳連接才能進行數(shù)據(jù)交換，此外，單片機的串口是TTL電平，而TC35是采用CMOS電平，應(yīng)接電平轉(zhuǎn)換器件MAX232，實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及串口通信功能，系統(tǒng)硬件主要連接如圖3所示[6]。

圖3 系統(tǒng)硬件連接Fig.3 System hardware connection

使用TC35收發(fā)短信息，采用用戶識別模塊SIM，用戶必須準(zhǔn)備一張已開通短信息服務(wù)SIM卡，SIM卡上包含了所有的用戶信息。個人識別碼PIN可以防止SIN卡未經(jīng)授權(quán)而使用，每當(dāng)移動用戶開機時，GSM系統(tǒng)先要自動鑒別用戶的合法性，只有在系統(tǒng)認(rèn)可之后，才為該移動用戶提供服務(wù)。TC35使用外接SIM卡座，SIM卡座上有6個引腳分別接到T35的模塊 SIM 的 CCVCC、CCRST、CCCLK、CCGND、CCIO，ZIF 連接座的CCIN引腳用來檢測SIM卡是否插好，如果連接正確，則CCIN引腳輸出高電平，否則為低電平。

TC35I模塊的通訊全部采用AT+XXX指令完成，可以用AT指令切換操作模式，可以使它處于數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)和傳真。

單片機可以通過正確的AT指令對TC35模塊進行初始化，例如單片機向TC35發(fā)送AT回車后，檢測TC35的返回值：若是“OK”則連接正確，若是“ERROR”則是連接錯誤。然后才能進行短消息的接收和發(fā)送。本模塊采用PDU支持中文模式，所以本系統(tǒng)使用PDU模式進行短消息的接收和發(fā)送[6]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要采用模塊結(jié)構(gòu)，溫濕度的整個測控過程及遠程監(jiān)控由主程序、短消息收發(fā)的子程序、溫濕度測量子程序、定時中斷子程序、顯示子程序等完成。各功能模塊只有一個入口和出口，各模塊間相對獨立，避免某功能模塊出現(xiàn)異常而導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓的故障發(fā)生。AT89C2051單片機對TC35模塊進行通信，其中初始化的工作包括設(shè)置波特率、網(wǎng)絡(luò)登錄、設(shè)置發(fā)送短消息的模式為PDU。然后單片機通過向TC35寫入不同的AT指令，能完成多種功能，如網(wǎng)絡(luò)注冊、讀取SIM卡上電話號碼、發(fā)送短信息、接收短信息、刪除短消息等。這里只給出主程序流程、短消息收發(fā)子程序的流程、溫濕度測量子程序，如圖4～圖6所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

圖5 短消息收發(fā)子程序的流程Fig.5 Short message transceiving program flow

圖6 溫濕度測量子程序Fig.6 Temperature and humidity measurement subroutine

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)適用于無人值守的溫濕度的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)能對溫度和濕度進行數(shù)據(jù)采集工作，測濕精度為±3.0%RH，在溫度為25℃時測溫精度為±0.4℃，靈敏度高，具有極高的安全性、可靠性和長期穩(wěn)定性，又由于SHT11傳感器直接輸出數(shù)字信號，系統(tǒng)硬件設(shè)計簡單。

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