何淑賢

（晉中學(xué)院信息技術(shù)與工程學(xué)院，山西晉中 030600）

0 引言

隨著電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，單片機(jī)及溫度傳感器濕度傳感器等成本降低，單片機(jī)分析控制溫度濕度的技術(shù)逐漸成熟.

本研究用單片機(jī)控制進(jìn)行溫度和濕度信息的采集、分析及控制信號的輸出.系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52平臺(tái)為基礎(chǔ)，搭建對溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器HR31以及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0804的控制電路，然后設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)具體的信息采集和分析，并輸出控制信號，最終實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的智能調(diào)節(jié).

1 相關(guān)技術(shù)及設(shè)計(jì)思路

針對溫度和濕度兩種非電信號量，需要先利用傳感器將其轉(zhuǎn)換為電信號，再由集成電路分析處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度和濕度調(diào)節(jié)；然后通過增加屏幕顯示和按鍵控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自由控制室內(nèi)溫度和濕度.

以STC89C52單片機(jī)為核心，對單片機(jī)設(shè)計(jì)算法以實(shí)現(xiàn)對溫度和濕度數(shù)據(jù)的分析及調(diào)節(jié)控制，采用按鍵控制設(shè)備運(yùn)行，采用顯示屏輸出運(yùn)行結(jié)果.為實(shí)現(xiàn)溫度濕度控制功能，需圍繞單片機(jī)構(gòu)建溫度采集模塊采集溫度信息，構(gòu)建濕度采集模塊采集濕度信息，這兩種信息作為單片機(jī)分析和控制的依據(jù)，另外還需構(gòu)建顯示輸出模塊，用以顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，構(gòu)建鍵盤輸入模塊控制系統(tǒng)狀態(tài)的運(yùn)行，最后提供控制結(jié)果的輸出端口用來直接控制設(shè)備調(diào)節(jié)溫度和濕度，設(shè)計(jì)框架如圖1所示.

圖1 設(shè)計(jì)框架圖

2 控制模塊設(shè)計(jì)

2.1 可運(yùn)行單片機(jī)系統(tǒng)模塊

設(shè)計(jì)以8051系列單片機(jī)為核心，對單片機(jī)設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)對溫度濕度數(shù)據(jù)的分析和調(diào)節(jié)控制[1].由于單片機(jī)P0口是接在兩個(gè)三極管之間（與P1、P2、P3口不同），只有下拉能力，高電平輸出沒有電流，在高電平時(shí)表現(xiàn)為高阻態(tài)，需要加上上拉電阻達(dá)到能輸出高電平和低電平的狀態(tài)，若利用P0口需要加上拉電阻.

系統(tǒng)工作過程中實(shí)時(shí)檢測按鍵事件和溫度濕度的值，并且分析檢測到的信息及輸出顯示信息和控制信息，然后分別調(diào)用溫度和濕度信息控制模塊達(dá)到分析并且控制溫度和濕度的目的.

2.2 溫度采集模塊

溫度采集模塊需要把溫度量轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號.溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶型、熱敏電阻型、電阻溫度檢測器（RTD）和IC溫度傳感器.相比IC溫度傳感器前三者結(jié)構(gòu)簡單，只能通過外圍電路輸出模擬信號，而IC溫度傳感器是一塊可以測量溫度的集成電路芯片，部分芯片直接集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，可以不經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出數(shù)字信號.考慮到電阻溫度檢測器需要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換才能輸出數(shù)字信號，而部分IC溫度傳感器可以直接輸出數(shù)字信號，可省去模數(shù)轉(zhuǎn)換，所以采用IC溫度傳感器.

采用的IC溫度傳感器是DS18B20數(shù)字溫度傳感器.DS18B20的測量范圍是-55℃到+125℃，測量誤差為0.5℃，足夠室內(nèi)溫度檢測的使用[2].其工作電壓為3 v到5.5 v，與單片機(jī)供電電壓相符合.

DS18B20的電路有三種：寄生電源供電方式、寄生電源強(qiáng)上拉供電方式和DS18B20的外部電源供電方式，第一種會(huì)有寄生供電電量不足增大誤差的可能，第二種會(huì)多占用一個(gè)I/O口，故采用第三種的外部電源供電方式.

DS18B20溫度采集電路與單片機(jī)P2.2口直接以單總線方式連接，單片機(jī)控制P2.2口的電平時(shí)序變化與DS18B20交互，硬件由讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)和初始化方法操作實(shí)現(xiàn)控制.讀數(shù)據(jù)的方法為先拉低總線大約4 us再釋放總線，然后延時(shí)8 us開始讀數(shù)據(jù)，最后再延時(shí)60 us讀取下一位數(shù)據(jù)，這樣總共讀取8次.寫數(shù)據(jù)的方法為先拉低總線4 us，再發(fā)送1位數(shù)據(jù)，延時(shí)60 us后釋放總線，接著再發(fā)送下一位數(shù)據(jù)，如此發(fā)送8次.初始化通過寫數(shù)據(jù)操作發(fā)送命令設(shè)置傳感器具體工作參數(shù)[3].

2.3 濕度采集模塊

濕度采集模塊需要完成濕度模擬信號向數(shù)字電信號的轉(zhuǎn)換.限于濕度對物體的影響集中體現(xiàn)在表面的特點(diǎn)，濕度傳感器有電容式、電阻式等類型.本文采用含濕敏電阻HR31的濕度傳感器檢測模塊，模塊提供四個(gè)接口，包括供電端、接地端、TTL信號輸出端和模擬信號輸出端，模塊使用5V供電，帶靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕，方便進(jìn)行濕度校正.

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用ADC0804芯片，HR31濕度傳感器檢測模塊由接地端和模擬信號輸出端兩腳提供的模擬信號，信號從ADIN輸入，經(jīng)ADC0804轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后從輸出到單片機(jī).

ADC0804主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換方法和讀轉(zhuǎn)換結(jié)果的方法控制操作，通過這兩個(gè)操作將HR31濕度模塊采集到的模擬電壓量轉(zhuǎn)換為八位二進(jìn)制的數(shù)字量[4].具體設(shè)計(jì)為：首先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，方法是先置片選腳CS為低電平使芯片工作，再使AD轉(zhuǎn)換起動(dòng)控制腳WR由高電平轉(zhuǎn)為低電平，再轉(zhuǎn)為高電平啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，延遲一段時(shí)間后置片選CS腳為高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束.其次進(jìn)行讀轉(zhuǎn)換結(jié)果的操作，方法是置片選腳CS和讀數(shù)據(jù)控制腳RD為低電平，數(shù)據(jù)輸出口輸出的數(shù)據(jù)即為轉(zhuǎn)換結(jié)果，把此結(jié)果存入一個(gè)變量，置片選腳CS和讀數(shù)據(jù)控制腳RD為高電平停止讀取，最后把得到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù).因?yàn)榈玫降氖M(jìn)制數(shù)與ADC0804模擬信號輸入口電壓成線性關(guān)系，而濕度傳感器輸出電壓值與濕度物理量在適用范圍內(nèi)也近似成線性關(guān)系，所以所得的十進(jìn)制值與濕度物理量可視為線性關(guān)系，關(guān)系函數(shù)通過參照標(biāo)準(zhǔn)濕度值進(jìn)行校正求得.

2.4 溫度、濕度處理與輸出控制模塊

本模塊包含溫度分析模塊、濕度分析模塊、溫度控制模塊、濕度控制模塊.

通過比較當(dāng)前溫度（濕度）值與標(biāo)準(zhǔn)溫度（濕度）值的關(guān)系輸出控制信息，進(jìn)而控制制冷、產(chǎn)熱設(shè)備調(diào)節(jié)溫度接近標(biāo)準(zhǔn)溫度，或控制加濕、除濕設(shè)備調(diào)節(jié)濕度接近設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)濕度，當(dāng)調(diào)節(jié)環(huán)境到標(biāo)準(zhǔn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)濕度時(shí)關(guān)閉輸出控制信號，此時(shí)溫度和濕度會(huì)逐漸偏離標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)而觸發(fā)系統(tǒng)重新打開輸出控制信號繼續(xù)調(diào)節(jié)溫度和濕度.假若設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)溫度（濕度）值是個(gè)數(shù)值而非區(qū)間，這會(huì)使得溫度和濕度值在標(biāo)準(zhǔn)值附近頻繁變化，制冷、產(chǎn)熱設(shè)備或加濕、除濕設(shè)備也會(huì)頻繁啟動(dòng)和關(guān)閉，這對設(shè)備有害.因此將標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為以其為中心的區(qū)間，使得溫度（濕度）在一個(gè)較小的區(qū)間里變化時(shí)不會(huì)改變制冷、產(chǎn)熱設(shè)備（或加濕、除濕設(shè)備）的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而延長設(shè)備壽命.

具體設(shè)計(jì)算法如下：

初始化變量now，var，std，X，ctrlOut

maxStd=std+X

minStd=std-X

ifnow>maxStd then

ctrlOut=2

elseifnow>std and now<=maxStd then

IfctrlOut==1 then

ctrlOut=0

endif

elseifnow=minStd then

IfctrlOut==2 then

ctrlOut=0

endif

else ctrlOut=1

endif

其中now、std在調(diào)用此模塊時(shí)取得參數(shù)，輸出結(jié)果為ctrlOut.根據(jù)mark和ctrlOut最終控制相應(yīng)設(shè)備調(diào)節(jié)環(huán)境.

輸出控制采用單片機(jī)控制繼電器，以繼電器為開關(guān)由單片機(jī)控制相應(yīng)設(shè)備調(diào)節(jié)溫度濕度.

2.5 按鍵信息采集模塊

按鍵使用獨(dú)立鍵盤，按動(dòng)后會(huì)引起對應(yīng)線路（單片機(jī)I/O口）的電位變化，對這種變化進(jìn)行檢測即可實(shí)現(xiàn)按鍵信息的采集.對按鍵狀態(tài)掃描時(shí)，因?yàn)橛锌赡苄盘柛蓴_，所以當(dāng)掃描到某個(gè)按鍵按下后和再延遲10ms重新判斷此按鍵是否按下，若結(jié)果還是按下，則置按鍵狀態(tài)為此按鍵編號，將按鍵信息由此值傳送.

按鍵有編碼式和非編碼式之分，計(jì)算機(jī)鍵盤的按鍵屬于編碼式按鍵，其內(nèi)部通過微處理器將按鍵信息轉(zhuǎn)換為一定的編碼值實(shí)現(xiàn)按鍵功能，適用于按鍵數(shù)量多信號線少時(shí)，非編碼按鍵則是簡單地通過按鍵改變信號線電平，結(jié)構(gòu)簡單[5].本系統(tǒng)按鍵需要4個(gè)，即復(fù)位鍵RST、設(shè)置鍵SET、增加鍵+和減少鍵-.復(fù)位鍵在單片機(jī)的復(fù)位電路里給出，這里不予考慮，剩下三個(gè)按鍵采用非編碼式.非編碼式按鍵分為獨(dú)立式和陣列式，這里只有三個(gè)按鍵，采用獨(dú)立式按鍵方式.

對三個(gè)信號線設(shè)置高電平，通過按動(dòng)按鍵使其接通低電平，實(shí)現(xiàn)電平改變，對單片機(jī)設(shè)計(jì)算法檢測這種電平變化，實(shí)現(xiàn)按鍵信息的輸入.

2.6 顯示輸出模塊

顯示屏采用LCD1602字符型液晶屏，LCD1602屏幕直接與單片機(jī)的P3.4、P3.5及P0口相連，單片機(jī)控制這幾個(gè)腳的電平按一定時(shí)序變化實(shí)現(xiàn)屏幕顯示，在P0連接的數(shù)據(jù)口輸入數(shù)據(jù)，然后讓使能端由高電平變?yōu)榈碗娖?，?dāng)P3.5連接的寄存器選擇腳為高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)寫數(shù)據(jù)操作，為低電平時(shí)實(shí)現(xiàn)寫命令操作.LCD1602是通過寫數(shù)據(jù)和寫命令兩個(gè)操作把數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)寄存器實(shí)現(xiàn)顯示的，由這兩個(gè)操作即可在屏幕上共兩行32個(gè)位置上顯示字符.

3 性能分析

采用軟件和硬件相結(jié)合的方法，以測試性能.前期測試以在仿真軟件環(huán)境下測試為主，后期測試則主要在單片機(jī)硬件環(huán)境下進(jìn)行.

仿真軟件采用Proteus7 Professional.在Proteus測試程序能正確運(yùn)行后將程序下載入單片機(jī)，接通單片機(jī)電源進(jìn)行硬件環(huán)境的測試.測試結(jié)果如表1和表2所示.

由表1和表2可知，溫度和濕度基本能正確顯示，當(dāng)超出設(shè)定溫度和濕度范圍時(shí)能啟動(dòng)制冷/產(chǎn)熱的設(shè)備或加濕/除濕的設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié).在測試過程中發(fā)現(xiàn)需在時(shí)間延遲的設(shè)計(jì)上作調(diào)整，以解決系統(tǒng)反應(yīng)速度問題.

表1 系統(tǒng)溫度部分測試

表2 系統(tǒng)濕度部分測試

4 結(jié)束語

本研究設(shè)計(jì)建立了以單片機(jī)為核心的溫度和濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng).其中溫度采集電路和濕度采集電路，能夠分別向單片機(jī)提供溫度和濕度信息，而對收集到的溫度和濕度信息的在單片機(jī)核心上成功地完成了分析和控制信號的輸出，另外通過按鍵調(diào)控與自動(dòng)控制相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了溫濕度智能調(diào)控.

［1］吳永.基于網(wǎng)絡(luò)的單片機(jī)多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2010，18（4）：959～960.

［2］呂俊亞.一種基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2012，29（7）：230～233.

［3］李麗娜，柳洪義，許時(shí)揚(yáng).基于虛擬儀器的PCR芯片智能溫控系統(tǒng)開發(fā)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30（5）：1223～1228.

［4］戴衛(wèi)軍，唐燕妮.基于DSP恒溫水浴溫度復(fù)合智能控制方法［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2009（3）：501～503.