閆俊強(qiáng) 喬志偉 陳泳安

【摘要】51單片機(jī)是常用于控制的芯片，在智能儀器儀表、工業(yè)檢測(cè)控制、機(jī)電一體化等方面取得了令人矚目的成果。使用51單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度全程的自動(dòng)控制，而且易于學(xué)習(xí)、掌握，性價(jià)比高。使用單片機(jī)設(shè)計(jì)溫濕度控制系統(tǒng)，可以及時(shí)、精確的反映室內(nèi)的溫度及濕度的變化，完成諸如升溫到特定溫度、降溫到特定溫度、在溫度上下限范圍內(nèi)保持溫等多種控制方式，在濕度控制方面也是如此。 ? ?本文利用51單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)溫室的溫濕度控制系統(tǒng)，對(duì)給定的溫濕度進(jìn)行控制并實(shí)時(shí)顯示，其中溫濕度信號(hào)各有四路，系統(tǒng)采用一定的算法對(duì)信號(hào)處理以確定采取某種控制手段，在本系統(tǒng)中采用溫度優(yōu)先模式，循環(huán)處理。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);溫濕度;LCD顯示;ADC0809

引言

溫濕度的檢測(cè)與控制是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中比較典型的應(yīng)用之一，在生產(chǎn)中，溫濕度的高低對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量影響很大。國(guó)內(nèi)外對(duì)溫濕度檢測(cè)的研究，從復(fù)雜模擬量檢測(cè)到現(xiàn)在的數(shù)字智能化檢測(cè)越發(fā)的成熟，隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)在對(duì)于溫濕度研究，檢測(cè)系統(tǒng)向著智能化、小型化、低功耗的方向發(fā)展。

AT89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容[1]。本設(shè)計(jì)以此為出發(fā)點(diǎn)，用新型的智能集成溫溫度傳感器SHT10主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度的檢測(cè)，將溫度濕度信號(hào)通過(guò)傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再運(yùn)用單片機(jī)AT89C51進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，為顯示和報(bào)警電路提供信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的控制報(bào)警。根據(jù)工作環(huán)境要求設(shè)定系統(tǒng)的溫濕度閾值，利用1602液晶顯示屏實(shí)時(shí)地測(cè)量顯示環(huán)境的溫濕度值，實(shí)現(xiàn)溫濕度自動(dòng)控制，使其在較寬的溫度范圍內(nèi)具有較高的測(cè)試精度，同時(shí)還可以根據(jù)預(yù)設(shè)定報(bào)警閾值報(bào)警，一旦發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫濕度超限，立即報(bào)警。

1.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

用新型的智能集成溫溫度傳感器SHT10主要實(shí)現(xiàn)檢測(cè)溫度、濕度的檢測(cè)，將溫度濕度信號(hào)通過(guò)傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再運(yùn)用單片機(jī)AT89C51進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，為顯示和報(bào)警電路提供信號(hào)。設(shè)定模塊主要為設(shè)定溫濕度報(bào)警的閾值[2]。如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)模塊圖

1.2 方案選擇

1.2.1 溫濕度傳感器的選擇

采用數(shù)字式傳感器，起初選擇DS18B20和SHT10作為溫度和濕度測(cè)量元件，但是SHT10包含相對(duì)濕度傳感器、溫度傳感器，所以把SHT10作為溫濕度檢測(cè)的一個(gè)整體。SHT10作為典型的溫濕度傳感器，在測(cè)量過(guò)程中可對(duì)相對(duì)溫濕度進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)，準(zhǔn)確的測(cè)量溫濕度。產(chǎn)品互換性好，相應(yīng)速度快，抗干擾性強(qiáng)，不需要外部參考源和外部器件[3]。

綜上所述，SHT10與溫濕敏元件的溫濕度測(cè)量以及模擬測(cè)量的元器件相比，起數(shù)字溫濕度傳感器低成本，內(nèi)部集成復(fù)雜，測(cè)量準(zhǔn)確，而且能夠提供數(shù)字輸出，簡(jiǎn)化外部測(cè)量電路，精度高，適用廣泛的測(cè)量范圍，并且本設(shè)計(jì)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)相適合。因此，選擇溫度濕度傳感器SHT10作為此次設(shè)計(jì)中的測(cè)量元件。

1.2.2 顯示器的選擇

方案一：數(shù)碼管顯示，數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，其驅(qū)動(dòng)方式分別為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，靜態(tài)驅(qū)動(dòng)編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高但是占用I/O端口多，在十幾應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼器驅(qū)動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。動(dòng)態(tài)電路是最廣泛的顯示方式之一，其能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗低。針對(duì)數(shù)碼管，其顯示單調(diào)不具備數(shù)據(jù)的直觀性[4]。

方案二：LCD1602液晶顯示，具有字符發(fā)生器ROM可顯示192種字符（160個(gè)5?7點(diǎn)陣字符和32個(gè)5*10點(diǎn)陣字符）具有64個(gè)字節(jié)的自定義字符RAM，可自定義8個(gè)5?8點(diǎn)陣字符或四個(gè)5*11點(diǎn)陣字符。具有80個(gè)字節(jié)的RAM，標(biāo)準(zhǔn)的接口特性，適配M6800系列MPU的操作時(shí)序。模塊結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、裝配容易，像素尺寸小，分辨率高。

綜上，選擇LCD1602能夠把溫濕度很直觀的顯示出來(lái)，能夠在設(shè)定閾值時(shí)更能簡(jiǎn)潔明了，所以選擇LCD1602為顯示元件。

3.系統(tǒng)的硬件選擇及設(shè)計(jì)原理

3.1 溫濕度傳感器SHT10

SHT10的供電電壓范圍為2.4～5.5V， 建議供電電壓為3.3V。在電源引腳（VDD，GND）之間須加一個(gè)100nF的電容，用以去耦濾波。SHT10的串行接口，在傳感器信號(hào)的讀取及電源損耗方面，都做了優(yōu)化處理。傳感器不能按照I2C 協(xié)議編址，但是如果I2C 總線上沒(méi)有掛接別的元件，傳感器可以連接到I2C 總線上，但單片機(jī)必須按照傳感器的協(xié)議工作。SCK 用于微處理器與SHT10之間的通訊同步[5]。

3.2 單片機(jī)選擇與介紹

本系統(tǒng)控制電路的核心器件采用的是美國(guó)ATMEL生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)屬于MCS-51系列。

3.2.1 AT89C51芯片介紹

89C51是Intel公司于80年代初推出的8位嵌入式微控制器（內(nèi)部數(shù)據(jù)總線為8位，外部數(shù)據(jù)總線為8位），它與MCS-96系統(tǒng)中的其它芯片相比，具有性能高、功能全、售價(jià)低廉、使用方便（48PINDIP）等優(yōu)點(diǎn)。89C51在工業(yè)應(yīng)用方面有許多明顯的特點(diǎn)，它具有靈活方便的8位總線外圍支持器擴(kuò)展功能，而在數(shù)據(jù)處理方面又有8位微機(jī)的快速功能。由于大的高度集成化已把許多常駐用的輸入檢測(cè)輸出控制通道都制作在同一塊硅片上，大大地靈活了外部連線，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性并且速度快（時(shí)鐘12MHz），非常適合于工業(yè)環(huán)境下安裝使用。因此本系統(tǒng)CPU選用89C51芯片。

3.2.2 復(fù)位電路

RST引腳是單片機(jī)復(fù)位端，高電頻有效。在引腳端輸入至少連續(xù)兩個(gè)單片機(jī)周期的高電頻，單片機(jī)復(fù)位。使用時(shí)，在引腳與VSS引腳之間接一個(gè)10KΩ的下拉電阻，與VCC引腳之間接一個(gè)約10μF的電解電容，即可保證上電自動(dòng)復(fù)位。

3.2.3 晶振電路

在單片機(jī)電路中晶振的作用非常大，結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在晶振的基礎(chǔ)上。

晶振利用一種特殊的晶體，在電能和機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)化產(chǎn)生共振，提供穩(wěn)定精確的單頻震蕩，為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。

3.2.4 顯示電路

本設(shè)計(jì)顯示部分采用字符型TC1602液晶顯示所測(cè)溫濕度值并且顯示控制界面。TC1602實(shí)物圖如圖3.10所示。

LCD1602顯示器主要特點(diǎn)：

液晶顯示屏是以若干個(gè)5*8或5*11點(diǎn)陣塊組成的顯示字符群。每個(gè)點(diǎn)陣塊為一個(gè)字符位，字符間距和行距都為一個(gè)點(diǎn)的寬度。

具有80個(gè)字節(jié)的RAM，標(biāo)準(zhǔn)的接口特性，適配M6800系列MPU的操作時(shí)序。模塊結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、裝配容易，像素尺寸小，分辨率高。顏色分單色（黑白）、彩色兩種。

為便于夜間觀察，可采用由LED或ELD器件構(gòu)成的背景光源。液晶顯示器屬于被動(dòng)發(fā)光型顯示器件，它本身不發(fā)光，只能反射或透射外界光線，因此環(huán)境亮度越高，顯示越清晰。其亮暗對(duì)比度可達(dá)100：1。單+5V電源供電，采用交流驅(qū)動(dòng)方式[6]。

使用時(shí)，可將P0與LCD的數(shù)據(jù)線相連，P2口與LCD的控制線相連，其中，TC1602第4腳RS為寄存器選擇，第5腳RW為讀寫信號(hào)線，第6腳E為使能端。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

這里要注意的是，為了布線方便，單片機(jī)端的D0～D7是接到LCD/602的D1～D0，（下轉(zhuǎn)第24頁(yè)）（上接第22頁(yè)）正好相反，因此在編寫軟件時(shí)需要做處理，使讀取正確。

3.2.5 報(bào)警電路

本設(shè)計(jì)采用的是聲光報(bào)警，設(shè)定報(bào)警的上下限值實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，使用單片機(jī)的中斷系統(tǒng)。

根據(jù)單片機(jī)接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后與該參數(shù)設(shè)定的上下限進(jìn)行比較，高于上限值（或低于下限值）則進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)能進(jìn)行正常的顯示。

報(bào)警電路中，以紅色LED和蜂鳴器構(gòu)成，在輸入溫濕度的上下限后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并判斷測(cè)試溫濕度與輸入溫濕度之間的差異，當(dāng)檢測(cè)出的溫濕度在設(shè)定的溫濕度上下限外就會(huì)報(bào)警，即紅色LED亮，同時(shí)蜂鳴器響。

4.軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的功能是由硬件電路配合軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從軟件的功能不同，可以分為兩的類：一是主程序，它是整個(gè)軟件的核心，專門用來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)執(zhí)行模塊和操作者的聯(lián)系。二是子程序，它是用來(lái)完成各種實(shí)質(zhì)性的工作的，如測(cè)量、計(jì)算、顯示、通訊等，每一個(gè)執(zhí)行軟件就是一個(gè)小的執(zhí)行模塊。

主程序模塊：

主程序主要完成硬件初始化，子程序調(diào)用等功能。

在主程序中，對(duì)溫濕度傳感器，LCD1602液晶顯示器的初始化，同時(shí)調(diào)用傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯示，之后進(jìn)行閾值判斷并啟動(dòng)報(bào)警裝置。主程序執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2 主程序模塊

5.調(diào)試

軟件調(diào)試：

軟件調(diào)試主要使用Proteus軟件和Keil C51軟件。在軟件調(diào)試中，首先在繪制電路圖，并設(shè)置各元器件的參數(shù)。然后在Keil C51軟件編寫程序，并編譯后輸入PROTEUS中進(jìn)行仿真。

仿真結(jié)果如圖3所示。

6.小結(jié)

在設(shè)計(jì)中，主要是以AT89S51單片機(jī)為核心的，對(duì)溫度和濕度的檢測(cè)與控制智能化進(jìn)行了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)與闡述。對(duì)MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)的溫濕度檢測(cè)控制原理與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述。本次設(shè)計(jì)可以說(shuō)是軟硬結(jié)合，又以硬件為主，軟件程序?yàn)檩o。給出了檢測(cè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的各部分電路以及相對(duì)應(yīng)的程序。采用模塊化、層次化設(shè)計(jì)。用新型的智能集成溫溫度傳感器SHT10主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度的檢測(cè)，將溫度濕度信號(hào)通過(guò)傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再運(yùn)用單片機(jī)AT89S51進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，為顯示和報(bào)警電路提供信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的控制報(bào)警。報(bào)警系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定報(bào)警的上下限值實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，顯示部分采用字符型TC1602液晶顯示所測(cè)溫濕度值。實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫濕度精確控制，達(dá)到了相應(yīng)的效果，系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、集成度高、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、檢測(cè)精度高，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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