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(cè)與控制應(yīng)用廣泛，對(duì)于監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究也越顯重要。鑒于國(guó)內(nèi)外溫濕度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，基于AT89C51單片機(jī)和DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)溫濕度監(jiān)測(cè)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(bào)警電路以及按鍵設(shè)置5個(gè)部分，用戶可通過(guò)按鍵設(shè)定溫濕度上下限，當(dāng)測(cè)得的數(shù)據(jù)超出所設(shè)定的范圍時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)（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(cè)以及生產(chǎn)活動(dòng)中都有一定的應(yīng)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：溫度測(cè)量；濕度測(cè)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(jìn)步，溫濕度測(cè)量系統(tǒng)的整體性能及其優(yōu)越性也取得了很大突破，對(duì)于溫濕度傳感器的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)也越來(lái)越智能化。

　　國(guó)外很早就開(kāi)始了對(duì)于溫濕度測(cè)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(cè)設(shè)計(jì)、傳感器的應(yīng)用、智能測(cè)試系統(tǒng)等技術(shù)早已研發(fā)出來(lái)并得以應(yīng)用，這是國(guó)際傳感器領(lǐng)域的重大突破。

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

1設(shè)計(jì)任務(wù)及方案論證

　　1.1設(shè)計(jì)要求

　　基于微控制器的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下［2］：

　　(1)對(duì)所處環(huán)境的溫濕度進(jìn)行檢測(cè)，要求溫度檢測(cè)范圍為0℃~50℃，測(cè)溫精度為±2℃； 濕度檢測(cè)范圍為20%~90%RH，測(cè)濕精度為±5％RH。

　　(2)能夠通過(guò)按鍵設(shè)定閾值。

　　(3)當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)超出閾值蜂鳴報(bào)警。

　　(4)系統(tǒng)使用4位LCD顯示。

　　1.2設(shè)計(jì)方案

　　對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并LCD顯示，可自主設(shè)定溫濕度閾值，當(dāng)傳感器所測(cè)得數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍，蜂鳴器報(bào)警。為達(dá)到本次設(shè)計(jì)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(bào)警電路。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2硬件設(shè)計(jì)

　　2.1主控制模塊

　　AT89C51是一種帶4 KB移序存儲(chǔ)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(gè)部件［45］：一個(gè)8位CPU；一個(gè)片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路；4 KB程序存儲(chǔ)器，128 B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；兩個(gè)定時(shí)器，也可用作計(jì)數(shù)功能；一個(gè)可編程全雙工串行口；4個(gè)8位可編程并行I/O端口；5個(gè)中斷源和兩個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)。

　　以上各部分通過(guò)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(gè)微處理器，它實(shí)際上是一個(gè)完整的一位字長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)。

　　AT89C51單片機(jī)引腳排列圖如圖2所示。

　　DHT11的DATA口與單片機(jī)AT89C51的P3.0口連接。LCD1602顯示電路就是將各引腳依次與單片機(jī)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(jī)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(gè)石英晶體和兩個(gè)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(gè)電容的大小對(duì)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(jī)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(wèn)題時(shí)，復(fù)位操作使單片機(jī)的程序重新運(yùn)行，復(fù)位操作至少要兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平位于RST引腳。本設(shè)計(jì)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(lái)完成設(shè)計(jì)［6］。

　?。?）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(jī)等待DHT11響應(yīng)時(shí)，總線處于高電平狀態(tài)，當(dāng)傳感器接收到開(kāi)始信號(hào)時(shí)，就會(huì)發(fā)送一個(gè)響應(yīng)信號(hào)，使總線處于低電平狀態(tài)，信號(hào)長(zhǎng)80 μs,如果讀取高電平響應(yīng)信號(hào)，但DHT11并無(wú)響應(yīng)，則說(shuō)明線路連接可能表1DHT11性能指標(biāo)測(cè)量范圍測(cè)量精度分辨力0℃~50℃，

　　20%~90%RH±2℃±5%RH1出現(xiàn)問(wèn)題。

　　(2) DHT11各項(xiàng)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(bào)警電路

　　基于微型計(jì)算機(jī)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中，通常都設(shè)定有緊急狀態(tài)報(bào)警系統(tǒng)，以便采取應(yīng)對(duì)措施。本次設(shè)計(jì)如果測(cè)值超出此設(shè)定范圍則進(jìn)行報(bào)警，即蜂鳴器持續(xù)鳴叫［8］。報(bào)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(diǎn)陣型液晶，驅(qū)動(dòng)方便，經(jīng)過(guò)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(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VDD正極2VSS地3VL液晶顯示偏壓4RS數(shù)據(jù)/命令5R/W讀/寫(xiě)6EN使能信號(hào)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(jī)的P0端口相連。

3軟件設(shè)計(jì)

　　3.1編程思想

　　本文設(shè)計(jì)的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，其主要功能是對(duì)當(dāng)前環(huán)境的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在LCD1602上進(jìn)行顯示，當(dāng)所測(cè)數(shù)據(jù)超出所設(shè)定的閾值范圍時(shí)，蜂鳴器蜂鳴報(bào)警。軟件設(shè)計(jì)：首先將LCD初始化，LCD1602采用5×7點(diǎn)陣并分兩行顯示，然后讀取溫濕度值進(jìn)行處理和按鍵檢測(cè)，判斷數(shù)值是否超出預(yù)設(shè)范圍，超出則蜂鳴器報(bào)警。第一次按鍵單片機(jī)復(fù)位，進(jìn)入設(shè)定界面分別完成，3個(gè)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(jì)采用按鍵復(fù)位與閾值設(shè)置操作，第一個(gè)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(gè)按鍵分別完成參量加減操作，按鍵檢測(cè)軟件流程如圖5所示。

　　整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示，上電啟動(dòng)系統(tǒng)，蜂鳴器蜂鳴，圖6軟件設(shè)計(jì)流程圖然后將LCD1602初始化，微控制器讀取溫濕度值，經(jīng)檢測(cè)后與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，若超出閾值范圍，則蜂鳴器蜂鳴，并模擬啟動(dòng)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(cè)試結(jié)果

　　4.1仿真分析

　　Proteus仿真運(yùn)行結(jié)果如圖7所示［11］。

　　4.2測(cè)試結(jié)果

　?。?）在上電之后，電源指示燈工作，系統(tǒng)正常運(yùn)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(jìn)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(gè)與第三個(gè)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(bào)警指示燈亮，蜂鳴器持續(xù)鳴叫。

5結(jié)論

　　本設(shè)計(jì)是基于51單片機(jī)與DHT11的一個(gè)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是對(duì)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)的一個(gè)模擬，通過(guò)DHT11溫濕度傳感器與單片機(jī)完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，按鍵與LCD實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可自主設(shè)置溫濕度閾值，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)，并帶有超限報(bào)警功能，在實(shí)際生產(chǎn)中，可以啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備調(diào)整環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真與系統(tǒng)實(shí)測(cè)，系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，這樣的一個(gè)系統(tǒng)可以經(jīng)過(guò)更加精準(zhǔn)的優(yōu)化改進(jìn)投入到實(shí)際應(yīng)用中。

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