張東東

　?。ㄌK州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

　　摘要：在現(xiàn)代生產(chǎn)領(lǐng)域，溫濕度的監(jiān)測與控制應(yīng)用廣泛，對于監(jiān)測技術(shù)的研究也越顯重要。鑒于國內(nèi)外溫濕度測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，基于AT89C51單片機和DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器設(shè)計實現(xiàn)了一個溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。硬件電路包括微控制器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、顯示電路、報警電路以及按鍵設(shè)置5個部分，用戶可通過按鍵設(shè)定溫濕度上下限，當(dāng)測得的數(shù)據(jù)超出所設(shè)定的范圍時發(fā)出報警信號（蜂鳴器蜂鳴）。軟件部分由主程序和各部分子程序構(gòu)成。系統(tǒng)精確度較好，在日常環(huán)境監(jiān)測以及生產(chǎn)活動中都有一定的應(yīng)用價值。

　　關(guān)鍵詞：溫度測量；濕度測量；AT89C51；DHT11;

0引言

　　隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展與通信技術(shù)的進步，溫濕度測量系統(tǒng)的整體性能及其優(yōu)越性也取得了很大突破，對于溫濕度傳感器的應(yīng)用和開發(fā)也越來越智能化。

　　國外很早就開始了對于溫濕度測量技術(shù)的研究，且一些技術(shù)已趨于成熟，集成化的監(jiān)測設(shè)計、傳感器的應(yīng)用、智能測試系統(tǒng)等技術(shù)早已研發(fā)出來并得以應(yīng)用，這是國際傳感器領(lǐng)域的重大突破。

　　目前，雖然國內(nèi)外對于此技術(shù)的研究已較為成熟，但科技探索是永無止境的，未來生產(chǎn)領(lǐng)域必然會提出更高的要求，一種完全智能化甚至完全無人化的潮流正悄然興起，這是不可避免的發(fā)展趨勢［1］。

1設(shè)計任務(wù)及方案論證

　　1.1設(shè)計要求

　　基于微控制器的溫濕度測量系統(tǒng)設(shè)計要求如下［2］：

　　(1)對所處環(huán)境的溫濕度進行檢測，要求溫度檢測范圍為0℃~50℃，測溫精度為±2℃； 濕度檢測范圍為20%~90%RH，測濕精度為±5％RH。

　　(2)能夠通過按鍵設(shè)定閾值。

　　(3)當(dāng)檢測數(shù)據(jù)超出閾值蜂鳴報警。

　　(4)系統(tǒng)使用4位LCD顯示。

　　1.2設(shè)計方案

　　對溫濕度進行實時監(jiān)測并LCD顯示，可自主設(shè)定溫濕度閾值，當(dāng)傳感器所測得數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍，蜂鳴器報警。為達到本次設(shè)計的要求，系統(tǒng)需包含以下功能模塊［3］：溫濕度傳感器模塊、主控制模塊、按鍵和顯示模塊、報警電路。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2硬件設(shè)計

　　2.1主控制模塊

　　AT89C51是一種帶4 KB移序存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，其內(nèi)部包含下列幾個部件［45］：一個8位CPU；一個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路；4 KB程序存儲器，128 B數(shù)據(jù)存儲器；兩個定時器，也可用作計數(shù)功能；一個可編程全雙工串行口；4個8位可編程并行I/O端口；5個中斷源和兩個優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu)。

　　以上各部分通過內(nèi)部總線相連接。另外，除了8位CPU外，MCS-51內(nèi)部還有一個微處理器，它實際上是一個完整的一位字長的計算機。

　　AT89C51單片機引腳排列圖如圖2所示。

　　DHT11的DATA口與單片機AT89C51的P3.0口連接。LCD1602顯示電路就是將各引腳依次與單片機的P0口相連，蜂鳴器超限蜂鳴。

　　2.2主要功能模塊

　　2.2.1晶振與復(fù)位電路

　　XTAL1和XTAL2分別是單片機內(nèi)用于構(gòu)成振蕩器的放大器的輸入端和輸出端。在XTAL1和XTAL2的引腳上接一個石英晶體和兩個電容，便能使內(nèi)部振蕩器自激振蕩。與石英晶體振蕩器并聯(lián)的兩個電容的大小對振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調(diào)作用。石英晶振的電容可以在20~40 pF之間選擇，本文選擇22 pF。

　　單片機復(fù)位電路也是必不可少的部分。當(dāng)程序執(zhí)行出現(xiàn)問題時，復(fù)位操作使單片機的程序重新運行，復(fù)位操作至少要兩個機器周期以上的高電平位于RST引腳。本設(shè)計采用的是上電復(fù)位。

　　2.2.2溫濕度傳感器電路

　　溫濕度采集是完成環(huán)境與微處理器數(shù)據(jù)溝通的前端部分，采用DHT11來完成設(shè)計［6］。

　　（1）DATA單總線通信［7］

　　DATA接口用于數(shù)據(jù)通信,傳送的數(shù)據(jù)由小數(shù)部分和整數(shù)部分組成。主機等待DHT11響應(yīng)時，總線處于高電平狀態(tài)，當(dāng)傳感器接收到開始信號時，就會發(fā)送一個響應(yīng)信號，使總線處于低電平狀態(tài)，信號長80 μs,如果讀取高電平響應(yīng)信號，但DHT11并無響應(yīng)，則說明線路連接可能表1DHT11性能指標(biāo)測量范圍測量精度分辨力0℃~50℃，

　　20%~90%RH±2℃±5%RH1出現(xiàn)問題。

　　(2) DHT11各項性能指數(shù)如表1、表2、表3所示。

    （3）DHT11典型應(yīng)用如圖3所示。

　　2.2.3報警電路

　　基于微型計算機所設(shè)計的控制系統(tǒng)中，通常都設(shè)定有緊急狀態(tài)報警系統(tǒng)，以便采取應(yīng)對措施。本次設(shè)計如果測值超出此設(shè)定范圍則進行報警，即蜂鳴器持續(xù)鳴叫［8］。報警電路如圖4所示。

　　2.2.4LCD顯示電路

　　顯示模塊選用LCD1602液晶顯示屏，它是目前工控系統(tǒng)中使用最廣泛的液晶屏之一，顯示質(zhì)量高。1602字符型液晶模塊是點陣型液晶，驅(qū)動方便，經(jīng)過編程后顯示內(nèi)容多樣化［9］。

　　LCD1602參數(shù)如表4、表5所示。表4LCD1602液晶屏的主要參數(shù)內(nèi)容參數(shù)工作電壓/V4.5~5.5容量/字符16×2最佳工作電壓/V5工作電流/mA2.0字符尺寸/mm2.95×4.35表5LCD1602引腳定義引腳號符號引腳說明1VDD正極2VSS地3VL液晶顯示偏壓4RS數(shù)據(jù)/命令5R/W讀/寫6EN使能信號7~14D0~D7數(shù)據(jù)15BLA背光源正極16BLK背光源負(fù)極將LCD1602的7~14腳依次與單片機的P0端口相連。

3軟件設(shè)計

　　3.1編程思想

　　本文設(shè)計的溫濕度測量系統(tǒng)，其主要功能是對當(dāng)前環(huán)境的溫濕度進行實時監(jiān)測，并在LCD1602上進行顯示，當(dāng)所測數(shù)據(jù)超出所設(shè)定的閾值范圍時，蜂鳴器蜂鳴報警。軟件設(shè)計：首先將LCD初始化，LCD1602采用5×7點陣并分兩行顯示，然后讀取溫濕度值進行處理和按鍵檢測，判斷數(shù)值是否超出預(yù)設(shè)范圍，超出則蜂鳴器報警。第一次按鍵單片機復(fù)位，進入設(shè)定界面分別完成，3個設(shè)定按鍵設(shè)定數(shù)據(jù)切換、數(shù)據(jù)加、數(shù)據(jù)減等功能。

     3.2軟件流程圖

　　本設(shè)計采用按鍵復(fù)位與閾值設(shè)置操作，第一個按鍵可切換至閾值設(shè)置界面，按2次鍵可選擇設(shè)置參數(shù)；第二與第三個按鍵分別完成參量加減操作，按鍵檢測軟件流程如圖5所示。

　　整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖如圖6所示，上電啟動系統(tǒng)，蜂鳴器蜂鳴，圖6軟件設(shè)計流程圖然后將LCD1602初始化，微控制器讀取溫濕度值，經(jīng)檢測后與預(yù)設(shè)值進行比較，若超出閾值范圍，則蜂鳴器蜂鳴，并模擬啟動控制設(shè)備，直至溫濕度處于預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)，若未超出，則溫濕度值正常顯示［10］。

4系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果

　　4.1仿真分析

　　Proteus仿真運行結(jié)果如圖7所示［11］。

　　4.2測試結(jié)果

　?。?）在上電之后，電源指示燈工作，系統(tǒng)正常運行，圖8為溫濕度正常顯示界面。

　?。?）第一次按下按鍵1，系統(tǒng)進入閾值設(shè)置界面，再次按下可選擇要設(shè)置的參數(shù)，第二個與第三個按鍵分別執(zhí)行參量加與減操作。

　?。?）若當(dāng)前溫濕度超出預(yù)設(shè)范圍，報警指示燈亮，蜂鳴器持續(xù)鳴叫。

5結(jié)論

　　本設(shè)計是基于51單片機與DHT11的一個溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，是對實際生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)的一個模擬，通過DHT11溫濕度傳感器與單片機完成實時監(jiān)測，按鍵與LCD實現(xiàn)人機交互，可自主設(shè)置溫濕度閾值，實時顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)，并帶有超限報警功能，在實際生產(chǎn)中，可以啟動相應(yīng)設(shè)備調(diào)整環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

　　通過實驗仿真與系統(tǒng)實測，系統(tǒng)可以達到預(yù)期目標(biāo)，這樣的一個系統(tǒng)可以經(jīng)過更加精準(zhǔn)的優(yōu)化改進投入到實際應(yīng)用中。

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