摘 要： 針對(duì)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室無(wú)法實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量、數(shù)據(jù)傳遞不方便等缺點(diǎn)，以數(shù)字式溫濕度傳感器和通用單片機(jī)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了實(shí)驗(yàn)室溫濕度測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為主芯片，數(shù)字式溫濕度傳感器SHT21為主要傳感器，完成了測(cè)量系統(tǒng)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，并且設(shè)計(jì)了能夠傳遞給上位機(jī)數(shù)據(jù)的通信程序。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫濕度測(cè)量，并且可以傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)給上位機(jī)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)有著積極的作用。
關(guān)鍵詞： 溫濕度；測(cè)量；實(shí)驗(yàn)室；數(shù)據(jù)傳遞
0 引言
溫濕度是重要的環(huán)境參數(shù)[1-3]，特別是對(duì)于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，溫濕度需要出現(xiàn)在許多的檢測(cè)報(bào)告中。而目前實(shí)驗(yàn)室常用的是濕度計(jì)和溫度表，基本原理是采用水銀溫度濕度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，缺點(diǎn)是在需要記錄數(shù)據(jù)的時(shí)候要先讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，非常不方便；同時(shí)還無(wú)法實(shí)現(xiàn)溫濕度的實(shí)時(shí)測(cè)量。
目前應(yīng)用較為廣泛的溫濕度傳感器主要是熱電偶[4-5]、熱電阻[6-8]及濕度等模擬傳感器，該類型的傳感器輸出為模擬信號(hào)。為了能夠測(cè)量該數(shù)據(jù)需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在使用過(guò)程中較為繁瑣。而數(shù)字溫濕度傳感器將溫濕度信息直接用數(shù)字量輸出，能夠直接輸出給測(cè)量系統(tǒng)，因此數(shù)字式溫濕度傳感器在溫濕度監(jiān)測(cè)中應(yīng)用更為方便[9]。
為此，擬以成本較低的AT89S52單片機(jī)為控制芯片[10]、以低功耗的新型數(shù)字式SHT21作為測(cè)量溫度、濕度的傳感器[11]和FYD12864液晶模塊[12]，開(kāi)發(fā)用于實(shí)驗(yàn)室的溫濕度顯示及報(bào)警系統(tǒng)。
1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
整個(gè)控制系統(tǒng)包括傳感器、微處理器、顯示模塊和電源模塊，如圖1所示。其中，傳感器為SHT21溫濕度傳感器，該傳感器除了配有電容式相對(duì)濕度傳感器和能隙溫度傳感器外，還包含一個(gè)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、OTP內(nèi)存和數(shù)字處理單元，能夠非常方便地測(cè)量溫度和濕度信號(hào)[9]；ECU是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，選用ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89S52，能夠接受輸入信號(hào)和輸出控制信號(hào)，同時(shí)還包含與上位機(jī)的接口，用于程序下載和數(shù)據(jù)通信；顯示模塊采用FYD12864液晶模塊，用于顯示溫度和濕度值；報(bào)警模塊采用蜂鳴器，如果當(dāng)前溫度或者濕度大于設(shè)定值就會(huì)發(fā)出報(bào)警；通信模塊用于與采集系統(tǒng)進(jìn)行通信，該通信采用串口通信，用于把溫濕度信息傳遞給采集系統(tǒng)。
2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 溫濕度信號(hào)處理
溫濕度傳感器SHT21的管腳定義如表1所示，該傳感器的供電范圍為2.1~3.6 V，推薦電壓為3.0 V，為了保證傳感器的正常運(yùn)行，在電源（VDD）和接地（VSS）之間須連接一個(gè)0.1 μF的電容，且電容的位置應(yīng)盡可能靠近傳感器。SCL用于微處理器與傳感器之間的通信同步，SDA引腳用于傳感器的數(shù)據(jù)輸入和輸出，當(dāng)向傳感器發(fā)送命令時(shí)，SDA在串行時(shí)鐘（SCL）的上升沿有效，在SCL下降沿之后，SDA值可被改變；當(dāng)從傳感器讀取數(shù)據(jù)時(shí)，SDA在SCL變低以后有效，且維持到下一個(gè)SCL的下降沿。為避免信號(hào)沖突，通常在SDA端口需要一個(gè)外部的上拉電阻（如10 kΩ）將信號(hào)提拉至高電平。
在本電路圖中，VSS接地，VDD接電源+3 V，NC保持不連接，SDA接單片機(jī)P1.6口，SCL接單片機(jī)P1.7口，并接兩個(gè)上拉電阻R3，R4，其大小都為10 kΩ，在VDD與VSS之間接一個(gè)0.1 μF的去耦電容，其連接電路圖如圖2所示。
2.2 報(bào)警電路
蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中作為發(fā)聲器件。而在單片機(jī)應(yīng)用的設(shè)計(jì)上，大部分都會(huì)使用蜂鳴器來(lái)作提示或報(bào)警，為此本設(shè)計(jì)中也采用蜂鳴器作為報(bào)警提示。蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路一般都包含以下幾個(gè)部分：一個(gè)三極管、一個(gè)蜂鳴器、一個(gè)續(xù)流二極管和一個(gè)電源濾波電容。本設(shè)計(jì)采用如圖3所示的電路驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，R5阻值為2 kΩ，蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)的P3.3口連接；蜂鳴器的額電流小于等于30 mA，對(duì)于AT89S51單片機(jī)來(lái)說(shuō)，P3.3口的灌電流是15 mA，很明顯可以看出僅僅依靠P3.3口的電流是驅(qū)動(dòng)不了該蜂鳴器的，這就需要使用晶體管放大電路，所以本設(shè)計(jì)選用PNP型晶體管。
當(dāng)外部的溫度或者濕度超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，基極變?yōu)榈碗娖?，蜂鳴器導(dǎo)通發(fā)出報(bào)警。
2.3 顯示電路
本設(shè)計(jì)中所采用的FYD12864液晶顯示模塊是128×64點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，可顯示各種字符及圖形，具有8位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線、6條控制線及電源線。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該模塊的控制，采用P0和P2口控制，由于51單片機(jī)P0口沒(méi)有內(nèi)部上拉電阻，為此需要外部增加上拉電阻，本設(shè)計(jì)增加的外部上拉電阻為10 kΩ；對(duì)于FYD12864液晶顯示模塊來(lái)說(shuō)，第三引腳VO是對(duì)比度電位引腳，本設(shè)計(jì)中采用10 kΩ的可變電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)比電壓的調(diào)整，如圖4所示。
2.4 通信模塊
由于單片機(jī)輸出是TTL電平，而PC輸出是-12 V~ +12 V電平，所以需要一個(gè)MAX232串口通信模塊芯片構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)通信時(shí)電平信號(hào)的匹配，其連接電路如圖5所示，其中C1-和C2-表示連接點(diǎn)，分別連接電容的一端。
2.5 電源模塊
本設(shè)計(jì)中的大部分電路都需用5 V的電壓，而溫濕度傳感器需要用3 V電壓，為了能夠同時(shí)滿足兩者的需求，本設(shè)計(jì)采用三端穩(wěn)壓集成電路LM7805。其電路圖如圖6所示，在輸出5 V電壓的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加3個(gè)1N4007使輸出的電壓變?yōu)?.9 V，能夠?yàn)闇貪穸葌鞲衅鞴╇姟?/p>
2.6 單片機(jī)最小系統(tǒng)
單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)、復(fù)位電路和時(shí)鐘電路構(gòu)成，如圖7所示。所選用的8位單片機(jī)AT89C52具有8 KB的可編程Flash、256 B的RAM、32個(gè)I/O口、5個(gè)中斷源、2個(gè)16位定時(shí)器，完全滿足控制需求；復(fù)位電路采用上電復(fù)位方式；時(shí)鐘電路晶振11.059 2 MHz，完全滿足系統(tǒng)的要求。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1主程序流程圖
主程序主要完成硬件的初始化、子程序的調(diào)用等功能。在主程序中，首先進(jìn)行SHT21和FYD12864的初始化，然后調(diào)用溫濕度采集子程序，接著調(diào)用溫濕度處理子程序，讀取成功后，將讀取成功的溫濕度數(shù)據(jù)與所設(shè)定的數(shù)據(jù)相比較，如果超過(guò)所設(shè)定的溫濕度數(shù)據(jù)，蜂鳴器導(dǎo)通鳴叫，起到報(bào)警作用，如果沒(méi)有超過(guò)所設(shè)定的溫濕度數(shù)據(jù)，就會(huì)直接在FYD12864顯示器上顯示出來(lái)。之后判斷是否需要向上位機(jī)傳遞數(shù)據(jù)，如果需要傳遞則調(diào)用相應(yīng)的子程序；如果不需要?jiǎng)t重復(fù)采集溫度和濕度數(shù)值，進(jìn)行循環(huán)。其流程圖如圖8所示。
3.2 串口通信
為便于后續(xù)數(shù)據(jù)的分析及處理，編寫了串口通信程序，使用RS232串口，將單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。
上位機(jī)和下位機(jī)通信分為上位機(jī)串口初始化和下位機(jī)串口初始化，其中上位機(jī)串口初始化程序如下：
Private Sub Form_Load（）
MSComm1.CommPort=1//使用Com1口
MSComm1.Settings="9600，n，8，1"
//設(shè)置通信參數(shù)，波特率9 600，無(wú)校驗(yàn)位，發(fā)送8位，1個(gè)停止位
′MSComm1.PortOpen=True//開(kāi)串口
End Sub
下位機(jī)串口初始化程序如下：
/********串口初始化函數(shù)**********/
void Serial_Init（void）//串口通信初始設(shè)定
{
SCON=0x50；//UART為模式1，8位數(shù)據(jù)，允許接收
TMOD=0x20；//定時(shí)器1為模式2，8位自動(dòng)重裝
PCON=0x00；//波特率9 600
TH1=0xfd； //定時(shí)器賦初值
TL1=0xfd；
TR1=1；//啟動(dòng)定時(shí)器TH1
ES=1；//允許串口中斷
EA=1；//開(kāi)中斷總開(kāi)關(guān)
}
在實(shí)際工程中，下位機(jī)根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的不同數(shù)據(jù)請(qǐng)求分別發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，下位機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送程序如下：
/********串口接收中斷函數(shù)**********/
void Serial_Recieve_Inter（） interrupt 4 using 3
{
if（RI）
{
RI=0；
if（SBUF==0） //收到發(fā)送溫度數(shù)據(jù)請(qǐng)求
{
AT24C64_RD（0xa1，AT24C64_Inter_Address_Read_Temp）；
AT24C64_Inter_Address_Read_Temp++；
//讀溫度地址加1
SBUF=Temp_Val；//向串口發(fā)送溫度數(shù)據(jù)
while（TI==0）；//等待發(fā)送，直到8位數(shù)據(jù)發(fā)送完畢
TI=0； //TI清零
}
if（SBUF==1） //收到發(fā)送濕度數(shù)據(jù)請(qǐng)求
{
AT24C64_RD（0xa3，AT24C64_Inter_Address_Read_Pres）；
AT24C64_Inter_Address_Read_Pres++；//讀濕度地址加1
if（SBUF==3） //收到發(fā)送操作數(shù)據(jù)請(qǐng)求
{
AT24C64_RD（0xa3，AT24C64_Inter_Address_Read_Pres）；
AT24C64_Inter_Address_Read_Pres++；//讀操作地址加1
SBUF=Proc_Val；//向串口發(fā)送操作數(shù)據(jù)
while（TI==0）；//等待發(fā)送，直到8位數(shù)據(jù)發(fā)送完畢
TI=0；//TI清零
}
}
}
上位機(jī)界面采用VB6.0編寫，添加其自帶的MSComm控件，可以很方便地實(shí)現(xiàn)串口通信。上位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)以*.text格式存儲(chǔ)，便于其他軟件的調(diào)用分析。
4 實(shí)物圖
為了對(duì)所設(shè)計(jì)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，利用普通萬(wàn)用板進(jìn)行制作，其實(shí)物如圖9所示。此時(shí)，顯示模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)和串口通信模塊分開(kāi)布局，便于各自調(diào)試。
經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)試，該系統(tǒng)可以正常顯示溫濕度數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以利用自編的上位機(jī)程序讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。
5 結(jié)論
本文介紹了實(shí)驗(yàn)室溫濕度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，分別從控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，并且利用萬(wàn)用板實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室溫濕度檢測(cè)有著積極作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 范滿紅，馬勝前，陳彥，等.基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].壓電與聲光，2012，34（3）：459-462，465.
[2] 鐘曉偉，宋蟄存.基于單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)室溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2010，38（1）：39-42.
[3] 劉明波，顧夏華，周琳琦.基于FPGA的遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（11）：2619-2622.
[4] 劉慶赟，焦斌亮，劉永富.倉(cāng)庫(kù)溫濕度監(jiān)測(cè)與nRF905無(wú)線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（5）：101-103.
[5] 劉希明.熱電偶線性溫度測(cè)量裝置[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2007（S1）：53-59.
[6] 許卓，楊雷，何志偉.多通道熱電阻精密測(cè)量中溫度漂移的補(bǔ)償法[J].化工自動(dòng)化及儀表，2011，38（8）：32-36.
[7] 才智，范長(zhǎng)勝，楊冬霞.PT100鉑熱電阻溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（20）：172-174，177.
[8] 譚長(zhǎng)森.基于PT100型鉑熱電阻的測(cè)溫裝置設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2012，38（3）：89-91.
[9] 劉洋，金太東.基于CAN總線的智能型溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（1）：126-128.
[10] 遲欽河，趙仲生，喬桂芳，等.89C51單片機(jī)在多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2000，21（6）：33-35，39.
[11] 鮑愛(ài)達(dá)，張慶志，郭濤，等.基于FPGA和SHT21傳感器的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2012，20（11）：2885-2887.
[12] 范春輝，何廣平.DAC7714和中文液晶模塊與單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表，2005，42（12）：62-64，61.