溫濕度傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李政庭 吳偉雄 吳俊超 溫志凱

【摘? 要】本文以Arduino UNO為控制單元，以基于I2C總線的HDC1080為溫濕度測(cè)量單元，并通過1602顯示模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，設(shè)計(jì)了一款數(shù)字式溫濕度計(jì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度信息的數(shù)字化采集，文章給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案和原理框圖，并從硬件和軟件兩方面對(duì)溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)說明。該溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)精度高、功耗低、體積小、成本低。

【關(guān)鍵詞】Arduino UNO;I2C總線;HDC1080;溫濕度

溫度與濕度與人們的生活息息相關(guān)。尤其是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、科研等部門，必須精確的對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)的干濕球溫度計(jì)的顯示方法，不僅復(fù)雜，測(cè)量精度也不高，響應(yīng)速度慢，已不能滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們生活需求。而選用單片機(jī)和專用溫濕度數(shù)字芯片對(duì)溫濕度進(jìn)行檢測(cè)，可以大大提高溫濕度檢測(cè)的精度。用顯示屏顯示溫度和濕度值，看起來也更直觀。本文設(shè)計(jì)了一種基于I2C總線數(shù)字式溫濕度芯片的溫濕度計(jì)。該溫濕度計(jì)采用一種新型的數(shù)字式溫濕度傳感器HDC1080，對(duì)溫濕度信號(hào)進(jìn)行采集，并采用單片機(jī)Arduino UNO和1602液晶顯示屏組成電路，不需要復(fù)雜的A/D轉(zhuǎn)換電路就能直接完成數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)方便、精度高，可根據(jù)不同需要應(yīng)用于各種場(chǎng)合。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)系統(tǒng)模塊、數(shù)字式溫濕度采集芯片、LCD顯示模塊、報(bào)警模塊、電源模塊、通信模塊以及上位機(jī)系統(tǒng)組成。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理方框圖如圖1所示，由傳感器HDC1080與單片機(jī)Arduino UNO通過I2C總線連接組成測(cè)量電路，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)周圍環(huán)境的溫度和濕度，并把采集數(shù)據(jù)顯示在LCD1602液晶顯示屏上，當(dāng)檢測(cè)溫度或濕度超過所設(shè)定的數(shù)值時(shí)報(bào)警模塊報(bào)警。同時(shí)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存及發(fā)布。

2.I2C總線工作原理

I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL構(gòu)成可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的串行總線，SCL時(shí)鐘線用于控制數(shù)據(jù)傳輸速率，SDA用于收發(fā)數(shù)據(jù)及尋址，可進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率可達(dá)400kbps。所有被控電路均并聯(lián)在總線上，每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址，需要通過SDA發(fā)送的地址信號(hào)尋址。根據(jù)I2C串行總線規(guī)范，本文中HDC1080溫濕度傳感器的地址碼為0x40，LCD1604 I2C模塊的地址碼為0x27。

在時(shí)鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA上的電平被拉低（即負(fù)跳變），定義為I2C總線總線的開始信號(hào)，它標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始。在時(shí)鐘線SCL保持高電平期間，數(shù)據(jù)線SDA被釋放，使得SDA返回高電平（即正跳變），稱為I2C總線的結(jié)束信號(hào)，它標(biāo)志著一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K止。I2C總線上的所有數(shù)據(jù)都是以8位字節(jié)傳送的，發(fā)送器每發(fā)送一個(gè)字節(jié)，就在時(shí)鐘脈沖9期間釋放數(shù)據(jù)線，由接收器反饋一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。應(yīng)答信號(hào)為低電平時(shí)，規(guī)定為有效應(yīng)答位，表示接收器已經(jīng)成功地接收了該字節(jié);應(yīng)答信號(hào)為高電平時(shí)，規(guī)定為非應(yīng)答位，一般表示接收器接收該字節(jié)沒有成功。起始和停止信號(hào)圖如圖2所示。

在I2C總線上傳送的每一位數(shù)據(jù)都有一個(gè)時(shí)鐘脈沖相對(duì)應(yīng)，即在SCL串行時(shí)鐘的配合下，在SDA上逐位地串行傳送每一位數(shù)據(jù)。進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，在SCL呈現(xiàn)高電平期間，SDA上的電平必須保持穩(wěn)定，低電平為數(shù)據(jù)0，高電平為數(shù)據(jù)1。只有在SCL為低電平期間，才允許SDA上的電平改變狀態(tài)。邏輯0的電平為低電壓，而邏輯1的電平取決于器件本身的正電源電壓VDD（當(dāng)使用獨(dú)立電源時(shí)）。數(shù)據(jù)位的傳輸是邊沿觸發(fā)。時(shí)序圖如圖3所示。

采用I2C總線傳輸?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程容易，通信速率高，易于實(shí)現(xiàn)用戶系統(tǒng)軟硬件的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化?；贗2C總線的優(yōu)點(diǎn)，本文采用I2C總線的元器件對(duì)溫濕度值進(jìn)行讀取及顯示，并且該設(shè)計(jì)方案可在I2C總線上掛多只傳感器，便于組網(wǎng)應(yīng)用。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫濕度測(cè)量電路

單片機(jī)是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的核心，它可以接收傳感器采集到的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)與程序中設(shè)定的溫濕度的范圍進(jìn)行比較，得出溫濕度值。如果在這個(gè)范圍內(nèi)，則會(huì)顯示環(huán)境中的溫濕度值，方便使用用戶進(jìn)行觀測(cè);但是，如果超出其安全范圍，則會(huì)觸發(fā)報(bào)警電路，告知用戶采取有效措施降低環(huán)境中溫濕度，保持環(huán)境中溫濕度的穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)采用Arduino UNO單片機(jī)作為控制器。Arduino單片機(jī)具有豐富的接口，有數(shù)字I/O口，模擬I/O口，同時(shí)支持I2C串口通信。并且能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，具有簡(jiǎn)便的編程環(huán)境IDE，極大的自由度，可拓展性能也非常高。

溫濕度測(cè)量模塊采用HDC1080傳感器。HDC1080是一款使用I2C協(xié)議的數(shù)字式溫濕度傳感器，該傳感器將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。HDC1080中的兩個(gè)敏感元件分別將溫度和濕度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)首先進(jìn)入信號(hào)放大器進(jìn)行放大，然后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，最后經(jīng)過二線串行總線接口輸出數(shù)字信號(hào)。此外，校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在寄存器中，在測(cè)量過程中，校準(zhǔn)系數(shù)會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)來自傳感器的信號(hào)。

該傳感器不需要其他外加電路，直接輸出數(shù)字量，可直接與Arduino單片機(jī)連接，具有線路簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、體積小的特點(diǎn)。并且該傳感器擁有±2%的典型濕度測(cè)量精度和±0.2℃的典型溫度測(cè)量精度，支持較寬的工作電源電壓范圍，以超低功耗提供出色的測(cè)量精度，具有低成本和低功耗的優(yōu)勢(shì)。溫濕度傳感器HDC1080的I2C總線串行數(shù)據(jù)接口線SDA和串行時(shí)鐘接口線SCL是由單片機(jī)進(jìn)行控制，以單片機(jī)作為主機(jī)，HDC1080作為從機(jī)并支持I2C總線協(xié)議的讀/寫操作命令。一條I2C總線可連接多個(gè)HDC1080，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的溫度測(cè)量系統(tǒng)。由于Arduino UNO單片機(jī)接口較少，可連接擴(kuò)展板增加接口。

3.2 LCD顯示電路

目前，常見的顯示器分別為L(zhǎng)ED數(shù)碼管和LCD液晶顯示器。相比LCD顯示質(zhì)量高，功耗低。因此，本設(shè)計(jì)采用液晶顯示器?？紤]到該款數(shù)字式溫濕度計(jì)涉及溫度和濕度兩類數(shù)據(jù)，故本設(shè)計(jì)采用雙行顯示的1602字符型LCD。

3.3 報(bào)警電路

報(bào)警電路采用最簡(jiǎn)單的嗡鳴方式，構(gòu)造簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用性強(qiáng)，當(dāng)檢測(cè)數(shù)值超過設(shè)定的安全的范圍值時(shí)，報(bào)警電路就會(huì)啟動(dòng)，提醒用戶采取措施來調(diào)節(jié)溫濕度。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1主程序

首先，單片機(jī)通過I2C總線讀寫程序?qū)貪穸葦?shù)據(jù)從HDC1080中讀取出來。然后，根據(jù)溫濕度補(bǔ)償公式計(jì)算出當(dāng)前溫濕度值并送到LCD1602顯示。接著，單片機(jī)將溫濕度上下限與當(dāng)前溫濕度值進(jìn)行比較，若當(dāng)前溫濕度值超出限值，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器開始報(bào)警。

4.2溫濕度采集子程序

HDC1080上電時(shí)是無法主動(dòng)測(cè)量的，要先對(duì)HDC1080進(jìn)行初始化設(shè)置。設(shè)置HDC1080將先執(zhí)行溫度測(cè)量，后進(jìn)行濕度測(cè)量。首先，在寄存器地址0x02中配置采集參數(shù)，將位[12]設(shè)置為1，使采集模式設(shè)置為測(cè)量溫度和濕度，再設(shè)置所需的溫度和濕度測(cè)量分辨率。其次，通過執(zhí)行指針寫入事務(wù)并將地址指針設(shè)置為0x00來觸發(fā)測(cè)量，將地址指針設(shè)置為0x00進(jìn)行溫度測(cè)量，設(shè)置為0x01進(jìn)行濕度測(cè)量。根據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間等待測(cè)量完成，可讀取輸出數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)中單片機(jī)首先對(duì)連接在總線上的元器件進(jìn)行地址識(shí)別。如果地址匹配，單片機(jī)向HDC1080發(fā)出啟動(dòng)傳輸命令，然后通過寫總線子程序?qū)囟葴y(cè)量指令和濕度測(cè)量指令寫入HDC1080。HDC1080正確接收到溫濕度測(cè)量命令后，就會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。等到測(cè)量完成，HDC1080向單片機(jī)傳送兩字節(jié)測(cè)量數(shù)據(jù)（MSB和LSB），單片機(jī)則通過讀總線子程序?qū)貪穸葦?shù)據(jù)讀取出來。

4.3溫濕度顯示子程序

本設(shè)計(jì)采用1602液晶顯示溫濕度值，當(dāng)剛開始上電時(shí)1602液晶不顯示任何數(shù)據(jù)，等待HDC1080的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，雙行顯示在1602液晶上。第一行顯示：Temperature：--’C，第二行顯示：Humidity：-- %（子程序流程圖略）。

5.結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)所處環(huán)境中溫濕度的測(cè)量，經(jīng)過研究設(shè)計(jì)出了以Arduino單片機(jī)為中心處理系統(tǒng)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)與各個(gè)I2C接口元器件的數(shù)據(jù)傳輸，并給出了相應(yīng)的子程序。此系統(tǒng)以數(shù)字式溫濕度傳感器HDC1080為檢測(cè)器件，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，能夠準(zhǔn)確進(jìn)行溫濕度的測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高。由于單片機(jī)程序只要載入就可以一直工作下去，測(cè)量周期長(zhǎng)，使用壽命久，能夠一直實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的檢測(cè)。并且本設(shè)計(jì)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上可以根據(jù)用戶的需求在單片機(jī)模塊中增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、通信接口等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存和上位計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，作為智能儀表運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)和家用電器中，如洗衣機(jī)、烘干機(jī)等中。還可以連接Arduino擴(kuò)展板增加檢測(cè)傳感器，從而提高系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

李政庭（1998.11-），男，漢族，江蘇省泰州市人，嘉興學(xué)院南湖學(xué)院本科在讀，主要研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

基金項(xiàng)目：

嘉興學(xué)院南湖學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（編號(hào)：NH85179202）。

（作者單位：嘉興學(xué)院南湖學(xué)院）