邵陽(yáng)學(xué)院電氣工程系 陳雪梅 雷振新 李海娜

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基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邵陽(yáng)學(xué)院電氣工程系 陳雪梅 雷振新 李海娜

【摘要】設(shè)計(jì)了一種基于AVR系列單片機(jī)中的Atmegal16和低成本的數(shù)字溫濕度傳感器DHT11溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由下位機(jī)溫濕度采集器和上位PC機(jī)組成，上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)串口RS232通訊實(shí)現(xiàn)溫濕度監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；DHT11；RS232

引言

溫度和濕度是飲食建工、溫室培養(yǎng)、檔案管理、藥品保存、動(dòng)物養(yǎng)殖、煙草行業(yè)、工控行業(yè)等過(guò)程中基本的測(cè)量參數(shù)，甚至在人們的居家飲食、駕車出行等過(guò)程中都有重要意義，如果能被準(zhǔn)確的測(cè)量，將會(huì)對(duì)生產(chǎn)科研以及生活有著不可磨滅的意義。這里設(shè)計(jì)一款溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)就是為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)而設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)是自動(dòng)化程度高，可以顯示溫度和濕度數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)串行端口與主機(jī)進(jìn)行通信，并且對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)處理和分析。系統(tǒng)采用51系列單片機(jī)進(jìn)行控制，具有處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)、工作作速率快、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。穩(wěn)定性強(qiáng)，可靠性高，簡(jiǎn)單實(shí)用，具有很好的延伸推廣價(jià)值。采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)溫濕度進(jìn)行檢測(cè)、顯示數(shù)據(jù)、信息保存以及實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制，對(duì)于提高工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源、甚至是居家生活等都有重要的作用［1，2］。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)溫濕度數(shù)據(jù)采集端組成。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

上位機(jī)與下位機(jī)之間通過(guò)串口RS232通信。其中下位機(jī)溫濕度數(shù)據(jù)采集端由單片機(jī)、溫濕度傳感器模塊、液晶顯示模塊和報(bào)警模塊組成。

1.1各部分功能

（1）上位機(jī)：負(fù)責(zé)溫濕度數(shù)據(jù)管理；設(shè)置溫濕度報(bào)警上限；用戶通過(guò)上位機(jī)下發(fā)溫濕度采集命令。（2）下位機(jī)溫濕度數(shù)據(jù)采集端：接收上位機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)采集命令，采集溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)，同時(shí)在液晶顯示模塊上顯示溫濕度值。根據(jù)上位機(jī)設(shè)置的溫濕度報(bào)警上限，當(dāng)溫濕度超過(guò)溫濕度報(bào)警值時(shí)進(jìn)行報(bào)警

1.2工作過(guò)程

下位機(jī)溫濕度數(shù)據(jù)采集端直接安裝在溫濕度采集點(diǎn)，負(fù)責(zé)溫濕度數(shù)據(jù)采集。上位機(jī)負(fù)責(zé)下發(fā)數(shù)據(jù)采集命令，并將命令數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議打包通過(guò)RS232發(fā)送給無(wú)線收發(fā)器。溫濕度數(shù)據(jù)采集方式分兩種：方式一、上位機(jī)自動(dòng)循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，系統(tǒng)溫濕度節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。方式二、用戶通過(guò)上位機(jī)下達(dá)指定采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集命令。下位機(jī)收到數(shù)據(jù)采集命令后將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)驗(yàn)證正確后存儲(chǔ)以供分析處理。下位機(jī)在未收到上位機(jī)的命令時(shí)自動(dòng)循環(huán)采集溫濕度數(shù)據(jù)并與溫濕度報(bào)警值進(jìn)行對(duì)比，超過(guò)報(bào)警值通過(guò)報(bào)警電路報(bào)警。液晶顯示模塊在下位機(jī)工作過(guò)程中都將實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)［3，4］。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1下位機(jī)溫濕度數(shù)據(jù)采集端硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)溫濕度數(shù)據(jù)采集端采用溫濕度傳感器DHT11、AVR單片機(jī)Atmegal16、RS232串口電平匹配芯片MAX3232E和液晶顯示芯片LCD1602等功能芯片。電路圖如圖2所示：圖2中1為電源電路，采用9V電池供電，經(jīng)LM1117-3.3V電源電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)需要的3.3V電壓。圖2中2為單片機(jī)ATmegal16與LCD1602芯片、RS232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232E，以及溫濕度傳感器DHT11的連接電路。ATmegal16的PB0-PB7分別與LCD1602的數(shù)據(jù)接口DB0-DB7相連，LCD1602的功能引腳RS、RW、CE引腳分別與ATmegal16的PA、PA2、PA3引腳相連；ATmegal16的串口TXD與RXD經(jīng)MAX3232E電平轉(zhuǎn)換后經(jīng)過(guò)DB9與上位機(jī)相連。ATmegal16的PA0口控制報(bào)警電路。報(bào)警模塊采用蜂鳴器。考慮到本設(shè)計(jì)的真實(shí)需要，只需用PNP三極管起到放大作用來(lái)控制蜂鳴器發(fā)聲即可，具體電路如圖3所示。

圖2　下位機(jī)溫濕度數(shù)據(jù)采集端電路圖

圖3　報(bào)警電路圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)監(jiān)控管理軟件以及串口驅(qū)動(dòng)程序、LCD1602顯示程序、溫濕度傳感器的底層驅(qū)動(dòng)程序。

3.1上位機(jī)監(jiān)控管理軟件

上位機(jī)監(jiān)控管理軟件是用高級(jí)語(yǔ)言Visual C++9.0編程，主要完成上位機(jī)工作畫(huà)面編程、上位機(jī)與無(wú)線收發(fā)器的RS232串行口通信協(xié)議編程、數(shù)據(jù)分析處理、檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的生成、溫濕度數(shù)據(jù)曲線的生成、以及各種報(bào)表的生成與打印。

3.2底層驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

底層驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)采用AVR Studio 6編譯器。主要驅(qū)動(dòng)程序有：溫濕度傳感器中DHT11的驅(qū)動(dòng)程序、串口通信程序、LCD1602驅(qū)動(dòng)程序。其中各上位機(jī)與下位機(jī)的通信采用串口中斷接收。當(dāng)上位機(jī)無(wú)數(shù)據(jù)采集要求時(shí)，單片機(jī)定時(shí)循環(huán)讀取DH11的溫濕度數(shù)據(jù)，并與報(bào)警值對(duì)比，超限報(bào)警并通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)。

4　結(jié)論

該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高效率、低成本的溫濕度采集。上位機(jī)采用PC機(jī)，可以提供良好的人機(jī)界面，同時(shí)也提供了良好的人機(jī)界面，操作方便直觀，在國(guó)內(nèi)有廣闊的應(yīng)用前景。另外該系統(tǒng)可以通過(guò)Internet進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)溫濕度的遠(yuǎn)程監(jiān)控

參考文獻(xiàn)

［1］溫陽(yáng)東，張玉鳳，朱敏.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2011.37（7）：89-92.

［2］張娟，陸欣云.基于nRF24L01的短距離無(wú)線通信系統(tǒng)［J］.南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（01）：48-53.

［3］張冬林，李鑫，戴梅.基于DHT11的低成本蠶室溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010，（18）：14-15.

［4］薛玲，孫曼，張志會(huì)，夏莉麗，魏希文.基于單片機(jī)AT89S51的溫濕度控制儀［J］.2010，37.

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳一般項(xiàng)目（14C1014）；湖南省教育廳科研優(yōu)秀青年項(xiàng)目（15B214）；中科院天體結(jié)構(gòu)與重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（OP201302）。

作者簡(jiǎn)介：

陳雪梅（1983-），女，湖南邵陽(yáng)人，助教，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的研究與應(yīng)用。