楊力，孟令亞

（鹽城三新供電服務有限公司，江蘇鹽城，224600）

0 引言

時代不斷發(fā)展，人們對環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高，對便攜式環(huán)境監(jiān)測設備的需求變大，傳統(tǒng)的溫濕度計僅可以顯示溫度濕度時間等。嵌入式技術不斷發(fā)展，家居也越來越智能化。本文設計了一款基于Arduino的智能化的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時顯示溫濕度信息在LCD液晶屏上，還可以通過無線通信模塊將信息發(fā)送給手機APP，方便人們遠程查看溫濕度信息。整個系統(tǒng)具有功耗低、精度高、可靠性強等優(yōu)點，極大地便利了人們的生活。

1 系統(tǒng)方案設計

1.1 整體方案設計

總體設計方案包括：微處理器、顯示模塊、溫濕度傳感器和無線通信模塊[1]。

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 各模塊方案

1.2.1 微處理器方案選擇

采用Arduino微處理器作為MCU。Arduino微處理器價格便宜、性能強大、拓展性好、抗干擾能力強，采用C語言開發(fā)。IDE配置簡單，無需配置復雜的驅(qū)動程序、寄存器與庫函數(shù)。

1.2.2 顯示模塊方案選擇

LCD1602是一款字符型液晶顯示屏，可顯示字母數(shù)字符號。LCD1602液晶工作溫度為0℃～+55℃，工作電壓為-4.5～+5.5V，能夠同時顯示16字符2行的字母或數(shù)字。成本低廉，編程容易，符合本設計的需求。

1.2.3 傳感器模塊方案選擇

采用DHT11溫濕度傳感器作為溫濕度采集模塊。DHT11溫濕度傳感器工作電壓為3.3～5V，采用4針單排直插的封裝工藝，精度在±2℃，量程范圍是0℃～50℃。編程簡單，成本較低，適合本設計使用。

1.2.4 無線通信模塊方案選擇

采用ESP8266為核心的開發(fā)板WiFiduino進行數(shù)據(jù)傳輸。WiFi具有信號強度高、傳輸距離遠、功耗低、安全性極高、性價比高等特點。集成了ESP8266模塊的WiFiduino開發(fā)板為物聯(lián)網(wǎng)提供了簡單便捷的實現(xiàn)方式，手機端下載WiFiduino官網(wǎng)提供的BLINKER APP。BLINKER是一個物聯(lián)網(wǎng)接入項目，IOS、安卓、鴻蒙都支持，本地、遠程都支持，藍牙、WiFi都支持。WiFiduino開發(fā)板可以實現(xiàn)與DHT11相連接采集溫濕度信息，并且發(fā)送給手機端的BLINKER，符合本文的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的使用場景。

2 電路設計

硬件電路部分包括Arduino微處理器、WiFiduino模塊、DHT11溫濕度傳感器和LCD1602液晶顯示模塊的電路設計及連接[2]。

2.1 電路連接示意圖

電路連接示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 Arduino連接示意圖

圖3 WiFiduino連接示意圖

2.2 LCD1602液晶模塊

LCD1602原理圖如圖4所示。液晶顯示屏與Arduino的AD12、AD11、AD10、AD9、AD8、AD7這六個I/O引腳連接，其中AD12、AD11號引腳是控制線，也就是說傳輸“我要寫”之類的握手信號。AD10、AD9、AD8、AD7是數(shù)據(jù)傳輸口。LCD的VSS接GND，VDD接5V，AO號接用于調(diào)節(jié)背光的電阻，RS接Arduino 12號引腳，RW號接GND，E引腳接Arduino 11號引腳，D0，D1，D2，D3不接，D4接Arduino 10號引腳，D5接Arduino 9號引腳，D6接Arduino 8號引腳，D7接Arduino7號引腳，A接5V，K接GND。

圖4 LCD1602原理圖

2.3 DHT11溫濕度傳感器模塊

DHT11溫濕度傳感器封裝后實物示意圖和引腳功能說明如圖5所示。

圖5 DHT11實物示意圖

電路連接示意圖如圖6所示。

圖6 DHT11電路連接示意圖

3號引腳懸空不接線，接線時只要將1號引腳接到5V的VDD上，4號引腳接到Arduino GND上，2號引腳引腳接Arduino的AD4引腳，接WiFiduino的WD1引腳。

DATA引腳需要接出一個5kΩ的上拉電阻。因為單片機在復位以后，I/O引腳處于浮空狀態(tài)，跳變輸出高低電平信號，無法正常工作，因此需要一個4.7kΩ左右的電阻將電位鉗制在高電平，又不影響電平信號的正常輸出，用以保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。

3 程序設計

3.1 程序設計目標

通過調(diào)用DHT11的庫函數(shù)，實現(xiàn)DHT11的溫濕度采集和發(fā)送給Arduino主控制器功能。給Arduino編寫主函數(shù)，實現(xiàn)從DHT11接收溫濕度數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)發(fā)送給LCD1602液晶屏顯示的功能。對WiFiduino模塊進行編程，接收DHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，同時發(fā)送給手機APP[3]。

3.2 主函數(shù)設計

3.2.1 主函數(shù)流程圖

主函數(shù)流程圖如圖7所示。

圖7 主函數(shù)流程圖

3.2.2 核心代碼及分析

程序分析：首先引入liquidcrystal和dht的庫函數(shù)，定義連接Arduino開發(fā)板上的引腳編號為12、11、10、9、8、7。引入DHT11和BLINKER庫函數(shù)，定義DHT11的DATA數(shù)據(jù)線連接WiFiduino的引腳編號設置波特率為115200，如果波特率設置錯誤，會導致COM6端口監(jiān)視器出現(xiàn)humi和temp顯示的亂碼錯誤，在串口通過print語句輸出濕度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)。

程序分析：在lcd第一行顯示"Humidity(%)"，第二行顯示"Temperature(C)"這里的lcd.setCursor的功能是將光標移動到指定位置。BLINKER_LOG語句為開啟調(diào)試輸出(Debug) 后可以使用BLINKER_LOG()打印輸出調(diào)試信息，這里是為了顯示出濕度信息h，和溫度信息t。在Blinker.print這條語句中，如果基于MQTT協(xié)議傳輸時，中間的dealy必須大于1000ms否則會發(fā)生只顯示第一條語句的錯誤，然后系統(tǒng)delay 5000ms，也就是每5s向APP發(fā)送一次溫度濕度信息。

3.3 DHT11函數(shù)設計

3.3.1 DHT11函數(shù)流程圖

DHT11函數(shù)流程圖如圖8所示。

圖8 DHT11函數(shù)流程圖

3.3.2 DHT11模塊核心代碼及分析

程序分析：設置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，定義5個八位的數(shù)組40位數(shù)據(jù)，用來存儲數(shù)據(jù)采集的結果。cnt給每一個數(shù)據(jù)的每一位輸入值時計數(shù)用。idx給5個數(shù)組計數(shù)用。清空數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，首先把5個八位的數(shù)組全部填0，也就是初始值為0。將引腳定義為輸出，由Arduino給DHT11寫數(shù)據(jù)。啟動DHT11先發(fā)送18ms的低電平，再發(fā)送20～40μs的高電平[4]，收到這樣的電平信號，引腳定義為輸入引腳，傳感器開始采集數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)先要讀取80μs的低電平信號，要設置一個超時程序，若超過了等待時長，返回一個異常信息。在80μs的低電平信號之后是80μs的高電平信號，也要設置一個超時程序。設置for循環(huán)來讀取40位的數(shù)據(jù)。對于每一位數(shù)據(jù)，都是由一個低電平和一個高電平組成，區(qū)分這該位數(shù)據(jù)是1還是0取決于高電平的時常，如果高電平的時常為70μs則表示1，如果高電平的時常為26～28μs則表示0，因此讀取每一位數(shù)據(jù)時，都是先等待至50μs的低電平信號結束，再判斷高電平信號的時常，根據(jù)這個時常來判斷該位數(shù)據(jù)是1還是0。40位數(shù)據(jù)第1個8位是濕度的整數(shù)部分，第3個8位是溫度的整數(shù)部分，以上兩句代碼將數(shù)據(jù)分別放在這兩個變量中，再校驗數(shù)據(jù)是否正確[5]。

3.4 LiquidCrystal函數(shù)設計

如圖9所示，LiquidCrystal庫函數(shù)程序先進行初始化，再定義給用戶使用的高級指令，用戶使用的指令由子函數(shù)COMMOND構成，COMMOND函數(shù)由data push子函數(shù)構成，最后定義data push底層函數(shù)功能。即可實現(xiàn)用戶定義指令功能。

圖9 LiquidCrystal函數(shù)流程圖

WiFiduino中定義的高級控制命令如表1所示。

表1

4 調(diào)試

DHT11置于面包板上與Arduino連接，WiFiduino接相同電位的三根線相連接，DHT11采集周圍環(huán)境的溫度濕度數(shù)據(jù)。Arduino和WiFiduino可以同時接收到DHT11采集到的溫度和濕度信息，Arduino與LCD1602顯示屏相連接，用于顯示采集到的溫度濕度信息。WiFiduino 是集成了ESP8266 WiFi模塊的高度集成的開發(fā)板，可以將采集到的溫度濕度信息通過WiFi或者MQTT協(xié)議來向手機發(fā)送溫濕度信息，同時在手機端下載BLINKER APP，可以看到溫濕度信息，PC端可以通過Arduino或者WiFiduino的串口在PC上顯示溫濕度信息。

測試結果如圖10、圖11、圖12所示。圖10中LCD 1602可以顯示當前環(huán)境的溫濕度，圖11為BLINKER APP上顯示的由WiFiduino發(fā)送的溫濕度信息，圖12為系統(tǒng)整體照片。

圖10 溫濕度液晶顯示

圖11 APP端截圖

圖12 系統(tǒng)整體圖片

5 總結

在本設計實驗過程中也遇到了一些問題，比如WiFiduino和BLINKER比較新穎，IDE存在BUG，在使用Arduino IDE過程中，編譯WiFi_BUTTON函數(shù)時出現(xiàn)了報錯，通過聯(lián)系編譯器開發(fā)者得以解決。在燒寫程序到WiFiduino時會占用引腳，導致下載失敗，重新插拔即可下載完成。在連接LCD1602時最好連接一個10kΩ大小的電阻，可以幫助LCD1602調(diào)節(jié)到合適的對比度，在實驗中一開始沒有接，導致背光太亮無法觀察溫濕度。經(jīng)過測試，本設計電路與軟件皆可以正常運行，實現(xiàn)全部預設的功能，且運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)精確，后續(xù)可以將面包板改進為PCB，將各個模塊焊接，有利于批量生產(chǎn)使用。