基于單片機的溫濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)分析

孫學智

(吉林工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院電氣與信息技術(shù)學院，吉林 吉林132000)

對溫濕度檢測系統(tǒng)的合理利用，能夠為溫室大棚中的植物生長、倉儲商品質(zhì)量形成良好的保障作用。工作人員可以通過對溫濕度范圍的科學設(shè)定，結(jié)合溫濕度檢測系統(tǒng)自動監(jiān)控與控制室內(nèi)溫濕度。然而，如何以單片機為依托，對溫濕度檢測系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，促進系統(tǒng)功能的最優(yōu)化展現(xiàn)，值得廣大科研人員更為深入地探索。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

環(huán)境監(jiān)測和控制在工農(nóng)業(yè)及國防事業(yè)等諸多方面能夠呈現(xiàn)出良好的應用效果。而AT89C51 單片機屬于最常用的控制芯片，在各領(lǐng)域獲得了良好的應用效果，將其融入溫濕度檢測系統(tǒng)能夠呈現(xiàn)出更好的控制效果。AT89C51 單片機不僅可以實現(xiàn)對溫濕度的實時化、自動化檢測和控制，還易于工作人員學習和掌握，性價比相對較高。

1.1 功能設(shè)計

該系統(tǒng)所要達成的設(shè)計功能主要包括：①針對被測空間內(nèi)部溫濕度參數(shù)進行實時采集，利用單片機對所獲溫濕度數(shù)值加以循環(huán)檢測、處理以及顯示，繼而實現(xiàn)對溫濕度的實時化、智能化檢測；②針對越限數(shù)據(jù)進行及時報警，同時啟動相應的控制系統(tǒng)，以達到良好的控溫、控濕效果；③檢測設(shè)備需要具有良好的靈敏度、抗干擾度以及可靠度。溫度檢測范圍：0℃-60℃；溫度檢測精度±0.5℃；濕度檢測范圍0-100%RH；濕度檢測精度±2.5%RH。

1.2 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要以單片機作為其控制核心，同時配以溫濕度測量技術(shù)、控制技術(shù)以及通信技術(shù)等，將溫濕度傳感器當作基本測量單元，組成溫濕度智能測量與控制系統(tǒng)。其基本組成包括溫濕度測量電路、控制電路、顯示電路以及報警電路。主要應用的器件包括AT89C51 單片機、1602 顯示模塊、溫濕度傳感器AM2301、升降溫及增濕除潮器、LED 燈以及報警裝置等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機

在AT89C51 單片機中配置有振蕩頻率，同時可以通過軟件設(shè)置完成省電模式。在空閑狀態(tài)下，系統(tǒng)CPU 暫時停止工作，定時計數(shù)器、外中斷系統(tǒng)以及串行口等則繼續(xù)保持工作狀態(tài)，以掉電模式實現(xiàn)對振蕩器的凍結(jié)以保存RAM數(shù)據(jù)，暫停芯片的其他功能，直到外中斷激活或者硬件復位。依據(jù)實際應用需求，需要充分考量設(shè)計成本與系統(tǒng)整體精巧性，所以此系統(tǒng)主要應用價格相對較低，且工作性能較為穩(wěn)定的AT89C51 單片機作為系統(tǒng)控制器。

2.2 時鐘電路

AT89C51 型單片機內(nèi)部各種功能部件在運行過程中都將時鐘信號作為標準，所以時鐘頻率會對單片機速度形成直接的影響，其電路質(zhì)量關(guān)乎系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。單片機內(nèi)部配置有高增益反相放大器，其輸入及輸出端分別為芯片引腳XTAL1 和XTAL2。它們會與石英晶體及微調(diào)電容之間實現(xiàn)跨接，繼而構(gòu)成具有較好穩(wěn)定性的振蕩器。

2.3 復位電路

復位屬于對單片機進行的初始化操作，只需要給單片機復位引腳RST 添加大于兩個機械周期的高平，便能實現(xiàn)復位。通常情況下，復位電路可以采取自動復位或按鈕復位方式。上電復位主要是利用外部復位電路對電容進行充電，在RST 引腳位置添加高電平信號，使此信號隨VCC 對電容充電過程漸漸回落。所以，為了確保系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有效復位，要求EST 引腳中的高電平保持足夠長時間。

2.4 傳感器

系統(tǒng)采用AM2301 傳感器，融合數(shù)字模塊采集與溫濕度傳感等新型技術(shù)，保證產(chǎn)品具備良好的可靠性與穩(wěn)定性。傳感器中主要包含一個NTC 測溫元件與電容式感濕元件，使之與8 位單片機之間進行連接。所以，此產(chǎn)品具備品質(zhì)良好、響應速度快、抗干擾能力強以及性價比高等諸多優(yōu)勢。標準系數(shù)主要以程序的形式在OTP 內(nèi)存中存儲，在傳感器檢測信號過程中需要對這部分校準系數(shù)進行調(diào)用。采用單線制串行接口形式，因此系統(tǒng)集成更為簡單而快捷。體積較小、功耗較低，其信號傳輸距離能夠達到20 米以上，適用于多種苛刻應用環(huán)境。

2.5 報警系統(tǒng)

應用紅綠燈LED 構(gòu)成系統(tǒng)報警模塊，經(jīng)系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)符合設(shè)定范圍時，報警系統(tǒng)處于綠燈顯示狀態(tài)；而經(jīng)檢測數(shù)據(jù)無法符合設(shè)定范圍要求時，則轉(zhuǎn)變?yōu)榧t燈作為報警提示。此外，應用蜂鳴器完善報警系統(tǒng)配置，在發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)無法符合設(shè)定范圍要求時，蜂鳴器會進行報警提示。

2.6 溫濕度控制系統(tǒng)

此系統(tǒng)的主要組成部分包括單片機、報警模塊、風扇、升溫設(shè)備、噴霧設(shè)備及排潮設(shè)備。如果經(jīng)系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)無法符合設(shè)定要求，會及時啟動溫濕控制系統(tǒng)，以達到恒溫恒濕效果。風扇用于所監(jiān)測空間內(nèi)的降溫工作；加熱設(shè)備主要用于加溫；噴霧設(shè)備用于加濕；排潮設(shè)備用于降低濕度。報警模塊（即雙色燈）負責超限報警，在溫度大于工作人員所設(shè)置的界限時，系統(tǒng)會自動報警，而雙色燈能夠在單片機控制之下呈現(xiàn)出有規(guī)律的切換狀態(tài)，同時出現(xiàn)報警聲，起到對工作人員的提醒作用，以采取具有針對性的措施對環(huán)境溫濕度進行合理調(diào)節(jié)。

2.7 顯示模塊

液晶顯示的主要原理是結(jié)合液晶所具備的物理特性，利用電壓對其所顯示的區(qū)域加以控制，從而呈現(xiàn)出相應的圖形。與其他顯示模塊相比，液晶顯示器具備厚度較小、全彩色顯示以及大規(guī)模集成電路驅(qū)動等方面的優(yōu)勢。在針對顯示模塊進行初始化處理的過程中，需要先對其顯示模式進行設(shè)置，顯示字符過程中光標處于自動右移狀態(tài)，則不需要進行人工干預。在每一次將指令輸入時，都要分析顯示模塊處于忙碌狀態(tài)與否。相比之下，液晶顯示器功耗大部分來自于其內(nèi)部電極與驅(qū)動IC 工作，所以耗電量要明顯低于其他類型顯示器，節(jié)能效果良好。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 檢測模塊

此模塊的主要功能在于溫濕度測量，并將模擬量經(jīng)過轉(zhuǎn)換生成數(shù)字量，屬于系統(tǒng)中最重要的模塊。溫濕度傳感器將所檢測模擬量經(jīng)過轉(zhuǎn)化后傳送至單片機，通過單片機處理最終將溫濕度數(shù)值顯示于液晶屏之上。傳感器精度將會直接影響系統(tǒng)整體檢測和控制效果，所以本系統(tǒng)利用AM2301 型傳感器進行處理，以實現(xiàn)對溫濕度的有效采集。

3.1.1 主程序設(shè)計

在系統(tǒng)上電之后，單片機先要完成對串口和顯示模塊的初始化，隨后讀取溫濕度傳感器所獲取的數(shù)據(jù)信息。針對數(shù)據(jù)作校驗處理，倘若出現(xiàn)錯誤（即不在設(shè)定范圍內(nèi)）要進行重新讀取；倘若數(shù)據(jù)正確，便將數(shù)據(jù)存入到系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器，隨后經(jīng)過轉(zhuǎn)換使結(jié)果存入到數(shù)據(jù)顯示寄存區(qū)。利用顯示模塊對數(shù)據(jù)進行顯示，同時將此數(shù)據(jù)向串口發(fā)送，之后再開展下一輪的數(shù)據(jù)讀取與顯示過程。

3.1.2 溫濕度讀取程序設(shè)計

利用單總線實現(xiàn)對溫濕度傳感器的訪問。首先由主機發(fā)送開始信號，隨后主機處于等待接收信號狀態(tài)。在溫濕度傳感器發(fā)出信號之后，主機連續(xù)接收溫濕度傳感器傳送的40 位數(shù)據(jù)，經(jīng)過校驗最終存入系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存區(qū)。

3.2 判斷控制模塊

該模塊屬于系統(tǒng)中的核心模塊之一，針對溫室中實時溫濕度進行提取，并與給定溫濕度范圍之間進行比較，先判定后控制（控制模塊主要用于決定系統(tǒng)所開展的具體工作）。倘若溫度超過設(shè)定上限，便要進行降溫處理；小于下限則要升溫；濕度超過上限要降濕；濕度低于下限要增濕，同時啟動系統(tǒng)中的報警模塊。

結(jié)束語

經(jīng)實踐檢驗，本文所設(shè)計的溫濕度檢測系統(tǒng)能夠呈現(xiàn)出良好的應用效能，與傳統(tǒng)設(shè)計方式相比更具實用性。因此，出于單片機的各種優(yōu)勢，在溫濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計中要對其進行充分整合與利用，提高系統(tǒng)整體應用效果。作為一名系統(tǒng)設(shè)計人員，應該在日常工作中積極探索，對國外的一些先進設(shè)計理念和技術(shù)加以借鑒，繼而與我國各行業(yè)應用需求相結(jié)合，創(chuàng)建出一套更加符合我國國情的溫濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計與應用體系，在實現(xiàn)自我價值的同時，為國家經(jīng)濟建設(shè)注入源源不斷的活力。