單片機開發(fā)
智能溫濕度控制系統(tǒng)
基于單片機技術(shù)的智能溫濕度控制系統(tǒng)
在測量的對象領(lǐng)域內(nèi)，溫度和濕度是非常重要的。無論是人類的生存，還是生活環(huán)境，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，軍事，氣象觀測，溫度的測量和控制以及濕度的測量和控制都是很重要的環(huán)節(jié)。隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器和傳感器材料技術(shù)的進(jìn)步，溫度和濕度檢測都取得了跨越式發(fā)展。對溫度和濕度的測量與監(jiān)控也是十分有意義的。
通過對智能溫濕度傳感器特性的研究,設(shè)計出合理的硬件電路,編寫高效的處理器軟件，顯示溫濕度信息，然后根據(jù)溫濕度信息控制加熱換氣裝置。溫濕度信息由傳感器的敏感元件獲得，其輸出經(jīng)過信號調(diào)理電路放大、線性化、去除干擾等并獲得與A/D轉(zhuǎn)換器相適配的模擬信號，此信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為微處理器可接受的數(shù)字信號。以單片機為核心的軟硬件處理電路對采集到的信號進(jìn)行編程處理后輸出到顯示模塊，實時反映溫濕度值。瑞士Sensiri-on公司生產(chǎn)的SHT11是具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對溫度和濕度傳感器。它將傳感器技術(shù)與CMOS芯片技術(shù)相融合，可用來測量零點、相對溫度、相對濕度等參數(shù)，具有數(shù)字式輸出、免標(biāo)定、免外圍電路、免調(diào)試及全互換的特點，最終為開發(fā)高精度、高可靠性、高集成度的溫濕度測控系統(tǒng)提供了解決方案。
一、智能溫濕度控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.1硬件總體設(shè)計
本設(shè)計以AT89C52單片機系統(tǒng)為核心，首先通過SHT11溫濕度傳感器采集現(xiàn)場的溫濕度數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過SHT11溫濕度傳感器自身的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字代碼；再通過51單片機利用LCD1602顯示當(dāng)前現(xiàn)場的溫濕度值,同時設(shè)置上下限；當(dāng)前溫濕度超過預(yù)設(shè)最高上限時，報警并且燈亮，同時啟動加熱換氣裝置工作；當(dāng)溫濕度低于預(yù)設(shè)最低下限時，報警并且燈亮，同時啟動加熱換氣裝置工作?？梢愿鶕?jù)不同的要求設(shè)置不同的越限值從而使其寬廣的測溫濕度范圍能夠廣泛地應(yīng)用到溫濕度監(jiān)測當(dāng)中去。
1.2溫濕度采集
（1）SHT11簡介：瑞士Scnsirion公司推出的SHT11是一款集溫度傳感器和濕度傳感器于一體的數(shù)字溫濕度傳感器芯片。因此在進(jìn)行溫濕度實時監(jiān)測的系統(tǒng)采用SHT11傳感器，就具備成本低、體積小、精度高、接口簡單等特點。而且SHT11芯片的抗干擾能力也比同類芯片高，因為該芯片內(nèi)部集成了14位A/D轉(zhuǎn)換器，且采用了數(shù)字信號輸出。
（2）SHT11與單片機的接口電路：MCU（單片機）和SHT11傳感器通信采用串行二線接口DATA和SCK,其中DATA為數(shù)據(jù)線，SCK則為時鐘線，然而I2C協(xié)議與該二線串行通信協(xié)議是不兼容的。在程序開始時，MCU需要用一組“啟動傳輸”時序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?。如圖2-3所示，當(dāng)SCK時鐘為高電平時，DATA翻轉(zhuǎn)為低電平；緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后又變?yōu)楦唠娖剑辉赟CK時鐘為高電平時，DATA再次翻轉(zhuǎn)為高電平。
如圖2-4所示，為SHT11傳感器與單片機的接口電路。SHT11只有二個引腳，一個數(shù)字串行引腳接單片機P1.0口，SCK引腳接單片機P1.1口。電源與數(shù)字串行引腳間要接一個4K的電阻R2。R2是上拉電阻，因為單片機的P1口驅(qū)動能力有限，目的是為了使傳感器接收的數(shù)據(jù)能夠可靠的進(jìn)行。
二、智能溫濕度控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1軟件整體設(shè)計
軟件設(shè)計是在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，良好的軟件設(shè)計是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要環(huán)節(jié)。系統(tǒng)能否正常運行，除了硬件的合理設(shè)計外，很大程度上取決于功能完善、算法先進(jìn)的軟件設(shè)計。本系統(tǒng)是以AT89C52為硬件設(shè)計系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)軟件部分主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、報警模塊，其中數(shù)據(jù)采集模塊包括溫濕度的采集、數(shù)據(jù)處理A/D轉(zhuǎn)換，報警模塊包括報警指示和報警處理。數(shù)據(jù)采集模塊將接收到的傳感器發(fā)出的模擬信號采集到單片機。數(shù)據(jù)處理模塊通過對接收到的采樣信號進(jìn)行實時處理轉(zhuǎn)換、最后實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、驅(qū)動顯示等，軟件系統(tǒng)框圖如下圖所示：這些程序相互獨立，在主程序中依次被調(diào)用。單片機處理的是數(shù)字信號，對接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集即可得到數(shù)字信號；數(shù)據(jù)處理模塊由單片機實現(xiàn)，對采樣信號進(jìn)行實時控制、數(shù)據(jù)通信、驅(qū)動顯示、驅(qū)動運行等；顯示部分主要用LCD顯示，LCD由單片機驅(qū)動。
2.2軟件設(shè)計程序流程圖
（1）主程序流程圖：主程序是設(shè)計的主體，是由功能不同的子程序組成。本系統(tǒng)主程序的運行如下操作：串口初始化，完成初始化操作后，循環(huán)掃描鍵盤，當(dāng)有相應(yīng)按鍵時對應(yīng)不同的功能，SHT11開始采集溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)LCD1602數(shù)碼管顯示讀數(shù)，判斷溫濕度是否超出設(shè)定范圍，如若超出則報警，并且報警指示燈亮，蜂鳴器報警，同時啟動加熱換氣電路。主程序流程圖如圖3-2所示。
（2）報警電路程序流程圖：報警模塊具備兩項功能，即為報警燈和聲音報警。聲音報警是從聽覺上提醒用戶，而報警燈則是從視覺上提醒用戶。當(dāng)讀取的溫度值超過上下限時，紅燈亮并且報警，當(dāng)濕度值超過上下限時，黃燈亮并且報警。流程圖如圖3-3所示。
（3）SHT11讀取溫濕度程序流程圖：單片機與SHT11進(jìn)行通信是采用的二線串行數(shù)字接口，需要用單片機的I/0口模擬通信時序，因為該通信協(xié)議與通用的I2C總線協(xié)議是不兼容的。對于SHT11的控制，MCU是通過5個六位命令代碼實現(xiàn)的，命令代碼的含義分別是：00101：測量濕度；00011：測量溫度；00110：寫內(nèi)部狀態(tài)寄存器；00111：讀內(nèi)部狀態(tài)寄存器；11110：復(fù)位命令，使內(nèi)部狀態(tài)寄存器恢復(fù)默認(rèn)值；其他的來設(shè)置分辨率。
程序開始首先對溫濕度傳感器SHT11進(jìn)行初始化，檢測是否正常工作，然后單片機發(fā)出指令與SHT11連接測量溫濕度，接著溫濕度傳感器SHT11進(jìn)行溫濕度計算以及A/D轉(zhuǎn)換，再發(fā)送給主機，并反復(fù)調(diào)用復(fù)位、寫入及讀取數(shù)據(jù)子程序，之后再經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，由數(shù)碼管顯示出來，不斷循環(huán)。
程序首先對LCD1602初始化，檢查是否忙碌，如果不忙碌則主機發(fā)送模式設(shè)置指令或顯示指令寫入LCD1602中，然后指定字符顯示的實際地址，將數(shù)據(jù)寫入LCD1602中，顯示溫濕度。
三、智能溫濕度控制系統(tǒng)仿真調(diào)試
本設(shè)計的硬件仿真由Protues軟件實現(xiàn)，軟件調(diào)試由KeilC51軟件實現(xiàn)，通過軟硬件的結(jié)合實現(xiàn)總體設(shè)計的仿真。
總結(jié)
由于該系統(tǒng)采用的核心是高效單片機，主要的采集與測量系統(tǒng)是集溫度傳感器和濕度傳感器于一體的SHT11，自帶A/D轉(zhuǎn)換器，從而該溫濕度控制儀具有體積小、成本低、精度高、接口簡單及良好抗干擾能力等優(yōu)點，再加上優(yōu)化程序，一定意義上本系統(tǒng)具有了很高的實用性。
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