徐慶華，李 由

(湖北理工學(xué)院 機電工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

0 引言

環(huán)境溫濕度的控制在各個行業(yè)中都是十分常見和必需的。隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求越來越高。無論是在持久封閉的辦公環(huán)境，還是陽光溫馨的家庭環(huán)境，保持令人舒適的溫濕度對人體健康非常重要。在農(nóng)業(yè)種植方面，只有在最合適的溫濕度環(huán)境中，植物才能以最快的速度和最好的長勢生長，所以調(diào)控好溫室大棚的溫濕度[1-4]，有利于提高作物產(chǎn)量，獲得更大的經(jīng)濟收益。在工業(yè)生產(chǎn)方面，所有精密的生產(chǎn)儀器設(shè)備都不能長期暴露在溫度或者濕度過高的環(huán)境中，否則不僅會降低儀器精度，還可能會造成設(shè)備故障，影響工業(yè)生產(chǎn)進度和產(chǎn)品質(zhì)量。因此設(shè)計一個合理的溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)對于提高生產(chǎn)生活質(zhì)量至關(guān)重要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

小型溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)主要由硬件和軟件2個部分組成。硬件部分的設(shè)計核心主要有溫濕度傳感器模塊設(shè)計、單片機模塊設(shè)計以及電路設(shè)計；軟件部分主要是主程序及溫濕度讀取子程序的設(shè)計。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫濕度的數(shù)據(jù)采集、中央控制、報警和控制指令發(fā)送等功能。小型溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 小型溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

小型溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)采用DHT11新型數(shù)字溫濕度傳感器來采集所處環(huán)境的溫度和濕度，將采集到的溫濕度數(shù)字信號處理轉(zhuǎn)化后發(fā)送給微處理器。微處理器將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)，與設(shè)置的最大閾值和最小閾值進行比較，如果監(jiān)測到的數(shù)據(jù)不在這個閾值區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)將發(fā)送報警信號啟動蜂鳴器發(fā)出警報，同時系統(tǒng)向外部設(shè)備發(fā)送溫濕度調(diào)節(jié)指令，控制加熱器或加濕器進行環(huán)境溫濕度的調(diào)節(jié)；傳感器將監(jiān)測到的調(diào)節(jié)后溫濕度數(shù)據(jù)再次反饋至微處理器進行判斷，若監(jiān)測數(shù)據(jù)在設(shè)定的閾值區(qū)間內(nèi)則解除警報，從而實現(xiàn)對溫濕度的監(jiān)測與調(diào)控。

2 硬件設(shè)計

2.1 溫濕度傳感器模塊設(shè)計

DHT11數(shù)字型溫濕度傳感器具有自動校準(zhǔn)數(shù)值信號的功能，是一種將多種功能復(fù)合在一起的新型傳感器，具有功能多樣、品質(zhì)高、運轉(zhuǎn)響應(yīng)迅速和抗干擾能力強的特點[5]。該傳感器運用了最新的溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)，內(nèi)部含有專門的處理芯片，使傳感器可以長期保持穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。DHT11傳感器內(nèi)部由2個監(jiān)測設(shè)備組成，包含1個濕度測量元器件和1個溫度測量元器件，并與1個高性能微型處理器連接在一起。

DHT11數(shù)字型溫濕度傳感器采用四腳管腳，具有體積小的特點，內(nèi)部連接電路十分小巧簡單，通過1個簡單的接口連接上位機和下位機。DHT11溫濕度傳感器數(shù)據(jù)處理格式運用單引腳傳輸端口進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)包由5 Byte(40 Bit)組成，運用單線數(shù)據(jù)格式實現(xiàn)DATA 和微處理器與 DHT11內(nèi)部的數(shù)據(jù)交流。DHT11數(shù)字型溫濕度傳感器電路如圖2所示，其中，1號引腳接VCC電源正極，3～5.5 V；2號引腳接Dout單線，進行數(shù)據(jù)的輸入和輸出；3號引腳接NC 空腳，擴展未用；4號引腳接GND。

圖2 DHT11數(shù)字型溫濕度傳感器電路

2.2 單片機模塊設(shè)計

溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)在通信過程中需要實時傳遞命令。然而，從通信模塊返回的信息通常十分復(fù)雜，且通信模塊是不間斷地反饋監(jiān)測信號，容易產(chǎn)生干擾信號，導(dǎo)致通信過程出現(xiàn)錯誤[6-8]。因此，為了提高系統(tǒng)監(jiān)測精度，系統(tǒng)微處理器采用升級版的STC89C52RC型號單片機。該單片機是宏晶科技推出的一種性能極高的集成電路芯片，自帶有8 000 Bit的用戶應(yīng)用程序空間，指令代碼能夠完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，并在8051單片機的基礎(chǔ)上擴展了內(nèi)部存儲器和定時器，具有高速、低功耗、超強抗干擾的特點。

2.3 電路設(shè)計

2.3.1電源電路設(shè)計

電源是監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。因DHT11溫濕度傳感器所接電壓為5 V，因此需要采用變壓器和整流器將220 V交流電壓進行變壓和整流，再通過三極管穩(wěn)壓調(diào)節(jié)之后才能供電路中元器件使用。經(jīng)過處理之后的電源電壓穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強。

2.3.2復(fù)位電路設(shè)計

單片機的第9個引腳一般為復(fù)位引腳，通過輸入不同的高低電平改變通斷狀態(tài)。當(dāng)引腳輸入端輸入的高電平多于2個機器周期，就馬上會產(chǎn)生復(fù)位。例如，輸入1個12 MHz的時鐘脈沖，每個脈沖有1 μs，2個機器周期就有12 μs。將1個大于12 μs的高電平脈沖附加到第9引腳，就會發(fā)生復(fù)位。復(fù)位電路如圖3所示。

圖3 復(fù)位電路

2.3.3晶振電路設(shè)計

晶體振蕩器將脈沖信號發(fā)送到單個芯片，為集成電路和其他設(shè)備提供參考頻率。晶振電路如圖4所示。其中，XTAL1和 XTAL2分別是時鐘電路逆向放大工作時的輸入端子和輸出端子。

圖4 晶振電路

2.3.4控制電路設(shè)計

溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)控制電路如圖5所示。監(jiān)測系統(tǒng)對溫濕度的監(jiān)測與調(diào)控主要是通過控制電路中的電磁繼電器來實現(xiàn)的[9-10]。電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵和回位彈簧組成。當(dāng)線圈通電以后，鐵芯被磁化產(chǎn)生足夠大的電磁力，銜鐵在電磁力的作用下被吸引到鐵芯上，從而閉合開關(guān)接通電路，驅(qū)動加熱器或加濕器運轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)溫度和濕度。當(dāng)線圈斷電后，電磁吸力消失，回位彈簧帶動銜鐵復(fù)位。利用繼電器銜鐵的吸合和釋放，實現(xiàn)電路的導(dǎo)通和切斷，達到控制電路的目的。例如，當(dāng)溫濕度傳感器監(jiān)測到的溫度值高于預(yù)先設(shè)定的閾值時，通過熱敏電阻增大電路電流，銜鐵被吸附，閉合開關(guān)，接線端子電路導(dǎo)通，風(fēng)扇運轉(zhuǎn)帶動室內(nèi)空氣流動，進而降低室內(nèi)溫度。

圖5 控制電路

2.3.5按鍵電路設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)采用的是簡單便捷的輕觸按鍵，與電子開關(guān)相對應(yīng)。監(jiān)測系統(tǒng)中共用到4個輕觸按鈕，即S1，S2，S3和S4，其中，S1為系統(tǒng)設(shè)置鍵，可以預(yù)先對用戶需要的溫度、濕度進行設(shè)置，S2為加鍵，S3為減鍵，S4為確定鍵。按鍵電路如圖6所示。

圖6 按鍵電路

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分利用C語言進行編程，采用程序模塊化的設(shè)計思想，將系統(tǒng)分為顯示器模塊、按鍵輸入模塊、單片機串行通信模塊、溫濕度測量模塊和整體程序模塊[11-12]，分別進行設(shè)計、編碼和測試，增強程序的可移植性。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

3.2 溫濕度讀取子程序

溫濕度讀取子程序流程圖如圖8所示。由圖8可知，DHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集過程可分為以下幾步。

圖8 溫濕度讀取子程序流程圖

1)是主機給傳感器控制芯片一個低位電平并下拉18 ms，傳感器接收到電平，獲取主機需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)類型。

2)串口信號將上拉電阻拉高，延時40 μs后判斷主機是否為低電平。如果不是低電平則結(jié)束，如果是低電平就延時等待。

3)判斷是否為高電平，如果不是高電平則結(jié)束，如果是高電平就分別讀取第1字節(jié)、第2字節(jié)、第3字節(jié)、第4字節(jié)、第5字節(jié)的數(shù)據(jù)進行校驗，如果校驗成功便將采集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)儲存器，中斷串行通信；如果校驗不成功則直接中斷通信，結(jié)束程序。

4 系統(tǒng)功能調(diào)試

監(jiān)測系統(tǒng)接通電源后，系統(tǒng)將會實時監(jiān)測室內(nèi)的溫度和濕度，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)顯示在LCD 1602液晶顯示屏上。如果溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)在預(yù)設(shè)的閾值范圍內(nèi)，系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)測；若超出預(yù)設(shè)的極限閾值范圍，對應(yīng)的指示燈就會點亮，系統(tǒng)將自動進行溫濕度調(diào)節(jié)。工作人員可以觀察到系統(tǒng)的整個工作過程，及時糾正各種影響因素，使用方便。

對本系統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測和斷電保存這2個功能進行如下2種測試，測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 測試結(jié)果

1)分別測試在設(shè)定值溫度為19 ℃、濕度為28%時系統(tǒng)的工作情況。由圖9可知，監(jiān)控溫度的燈被點亮，監(jiān)控濕度的燈不亮，說明系統(tǒng)所處環(huán)境室內(nèi)溫度偏高，濕度正常，該系統(tǒng)對溫濕度的監(jiān)測功能能夠正常實現(xiàn)。

2)將系統(tǒng)放在一個提前設(shè)置好溫度和濕度值的環(huán)境中，確認(rèn)保存后，重啟系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)定的溫濕度值依舊可以正常顯示，說明該系統(tǒng)可以進行斷電保存。

5 結(jié)論

所設(shè)計的小型溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)溫濕度采集、集中控制、信息處理、警報提示和自行控制調(diào)節(jié)溫濕度等功能。該系統(tǒng)操控簡單、成本較低、調(diào)控安全可靠、精度較高，但在使用過程中仍存在一些不足。由于溫度和濕度是伴生關(guān)系，如果對溫度進行調(diào)節(jié)，濕度也會隨之改變，調(diào)節(jié)便會出現(xiàn)誤差，因此后續(xù)要繼續(xù)在對溫度濕度同時調(diào)節(jié)方向進行研究，提高監(jiān)測與調(diào)控精度，增強產(chǎn)品的市場競爭力。