基于單片機(jī)的溫濕度檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

葉 檸，孫宇舸，張 寧

（東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

為了保障人們的日常健康生活，提高生活質(zhì)量，以及滿足生產(chǎn)生活的需求，常常需要對(duì)人們所生活或工作的環(huán)境展開(kāi)監(jiān)督。但是人類自身對(duì)外界環(huán)境的感知是感性的，也是模糊的，無(wú)法單純通過(guò)人類自身的感知能力而量化出實(shí)際的環(huán)境參數(shù)，而且人們所感受到的環(huán)境狀況是結(jié)合了多個(gè)變量參數(shù)與自身身體情況交織而成的復(fù)雜狀態(tài)。因此，單憑人類自身的感知能力，在很多情況下是不足以滿足需求的，依靠人類自身的感知能力感受環(huán)境，在很多情況下不足以克服生產(chǎn)生活中的很多難題。即便在依靠人類感知能力足以應(yīng)對(duì)困難的環(huán)境中，也會(huì)消耗大量精力去感知和解決問(wèn)題。為了解決這些難題，需要準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)各個(gè)特殊環(huán)境的傳感設(shè)備，以供在需要的情況下進(jìn)行應(yīng)用。

溫度與濕度是環(huán)境參數(shù)的重要部分，針對(duì)溫濕度的檢測(cè)是判斷環(huán)境是否滿足生活需求的重要組成部分。文章設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫濕度參數(shù)的系統(tǒng)，使用Keil 開(kāi)發(fā)環(huán)境，以dht11 溫濕度傳感器為傳感器件，以STC89C52 為核心的HC6800-MS 開(kāi)發(fā)板作為數(shù)據(jù)采集與處理裝置，并使用LCD1602 將測(cè)量的數(shù)據(jù)以直觀的方式展現(xiàn)出來(lái)，以方便于使用者進(jìn)行觀察。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計(jì)的主要目的是通過(guò)使用電子系統(tǒng)來(lái)代替人體完成外界溫度濕度狀態(tài)的感知任務(wù)。因此，需要有相應(yīng)的溫濕度傳感器進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)闇貪穸葌鞲衅鞯膫鬏敂?shù)據(jù)和傳輸方式缺少顯示部分，人類很難進(jìn)行直觀的檢測(cè)，本設(shè)計(jì)還需要完成一個(gè)顯示部分，將表示溫濕度傳感器的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為人類易于觀察的形式，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)方案

1.1 傳感器部分

由于生產(chǎn)生活中的廣泛需求，如今溫度測(cè)量已經(jīng)具備眾多較為成熟的方法。主要有熱敏電阻測(cè)溫、熱電偶測(cè)溫膨脹測(cè)溫、定壓氣體溫度計(jì)、定容氣體溫度計(jì)、壓力測(cè)溫法、磁學(xué)測(cè)溫法、聲學(xué)測(cè)溫法、頻率測(cè)溫法實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量[1]。在濕度測(cè)量方面，目前成熟應(yīng)用的測(cè)量元件包含電子濕度傳感器、聲濕傳感器、光濕傳感器，其中電子濕度傳感器以電阻式濕度傳感器與電容式濕度傳感器為主[2]。

dht11 溫濕度傳感器是一種響應(yīng)較快，穩(wěn)定性強(qiáng)，精確度較高且價(jià)格低廉的傳感器[3]。內(nèi)部包含一個(gè)電阻式感濕元件，以及一個(gè)NTC 測(cè)溫元件，其工作電壓為3-5.5V，配有4 個(gè)引腳，引腳Vdd 接電源電壓，引腳Gnd 接地，引腳NC 懸空，引腳Data 用于傳輸數(shù)據(jù)[4]。dht11 采用單總線數(shù)據(jù)格式，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，首先由對(duì)方發(fā)送信號(hào)開(kāi)啟數(shù)據(jù)傳輸，隨后dht11 接收到信號(hào)后回發(fā)一個(gè)標(biāo)志信號(hào)，標(biāo)志信號(hào)結(jié)束后，dht11 回發(fā)4 組8 位信號(hào)，分別表示溫濕度的整數(shù)部分與小數(shù)部分，最后發(fā)送一組檢驗(yàn)標(biāo)志位，當(dāng)檢驗(yàn)信號(hào)與溫濕度的末尾信號(hào)之和相等時(shí)，證明信號(hào)無(wú)誤。

dht11 的工作過(guò)程中，需要一個(gè)穩(wěn)定的供電器件，并需要一個(gè)端口用于和Data 端間的連接。dht11 的工作范圍為20%-90%的濕度與0-50℃的溫度?？梢杂糜谌粘Ｉ钪械臏貪穸葴y(cè)量。同時(shí)，它的體積較小，利于攜帶與安裝，在實(shí)際連接時(shí)難度較小。

本系統(tǒng)選擇溫濕度傳感器dht11 作為環(huán)境檢測(cè)裝置。dht11 具備體積小，價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，并且它可以同時(shí)檢測(cè)溫度濕度兩種參數(shù)，非常適合大規(guī)模使用。同時(shí)，由于它體積小，輕便可攜帶的特點(diǎn)，可以用于各種非極端環(huán)境下的環(huán)境參數(shù)檢測(cè)之中。

1.2 處理器部分

單片機(jī)作為單片微型計(jì)算機(jī)SCMC，其芯片內(nèi)部集成了包括CPU、ROM、RAM、中斷、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等多個(gè)應(yīng)用模塊，具備體積小、功耗小、可靠性高等多個(gè)特點(diǎn)。

STC85C51RC/RD+系列單片機(jī)是由STC 公司生產(chǎn)的增強(qiáng)型8051 單片機(jī)，其性能穩(wěn)定，應(yīng)用廣泛，具備低功耗、高速、抗干擾等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)[5]，其中5V 單片機(jī)可以在3.4-5.5V 的電壓下正常工作。STC89C52 可以通過(guò)Keil 軟件進(jìn)行編譯。

HC6800-MS 是以STC89C52 單片機(jī)為核心的開(kāi)發(fā)板，在HC6800-MS 中，以STC89C52 為核心配備了多種外設(shè)及接口，包括數(shù)碼管、3.3V 電源接口、流水燈，以及獨(dú)立按鍵等。其中包含LCD1602 的預(yù)留插口，增強(qiáng)了HC6800-MS 與LCD1602 連接的安全性與穩(wěn)定性。HC6800-MS 可以通過(guò)普中科技專用的PZ-ISP 程序燒錄軟件完成Keil 程序的錄入與運(yùn)行，簡(jiǎn)化了實(shí)物操作。

本系統(tǒng)選擇以STC89C52 為核心的HC6800-MS為開(kāi)發(fā)板。STC89C52 作為一種穩(wěn)定的單片機(jī)種類，在成本低廉的同時(shí)，足以應(yīng)對(duì)一般條件下的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，能夠應(yīng)對(duì)在本次實(shí)驗(yàn)中所需的信號(hào)接收與處理問(wèn)題。HC6800-MS 有面對(duì)LCD1602 的預(yù)設(shè)插口，在減輕了LCD1602 連線問(wèn)題壓力的同時(shí)提高了連接的穩(wěn)定性，可以為實(shí)驗(yàn)起到輔助作用。

1.3 顯示部分

顯示技術(shù)作為信息化有關(guān)產(chǎn)業(yè)的組成部分之一，在如今各行各業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)與居家生活之中扮演了重要角色。

LCD1602 液晶顯示器作為一種穩(wěn)定的顯示裝置活躍在生產(chǎn)生活中。它具有16*2 個(gè)字符的顯示容量[6]，4.5-5.5V 的工作電壓，2.0mA 的工作電流。其共有16個(gè)引腳，分別為2 個(gè)電源端，1 個(gè)偏壓信號(hào)端，1 個(gè)使能端，2 個(gè)讀寫(xiě)端，2 個(gè)背光源端口以及8 個(gè)數(shù)據(jù)端。通過(guò)控制讀寫(xiě)端與使能端的輸入，能夠調(diào)整LCD 的輸入狀態(tài)，完成地址到字符的切換。通過(guò)控制數(shù)據(jù)端的輸入，能夠調(diào)整具體的輸入數(shù)據(jù)，選中所需的地址或控制當(dāng)前地址下的字符輸出。

LCD1602 的運(yùn)行需要外接16 個(gè)端口，并需要對(duì)其中的控制端（2），使能端（1），數(shù)據(jù)端（8）進(jìn)行實(shí)時(shí)變換，可以與單片機(jī)進(jìn)行連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成數(shù)據(jù)接收的任務(wù)。LCD1602 適用于表達(dá)數(shù)據(jù)較少的場(chǎng)合，在本設(shè)計(jì)中涉及到的需要顯示的數(shù)據(jù)分別是溫度與濕度的代指字符與溫度濕度的數(shù)值兩部分，其中用RH 代指濕度（兩個(gè)字符），TEMP 代指溫度（四個(gè)字符），%為濕度單位（一個(gè)字符），C 為溫度單位（一個(gè)字符），兩組數(shù)據(jù)（每組兩個(gè)字符表示數(shù)據(jù)整數(shù)，共四個(gè)字符）。共計(jì)占用14 個(gè)字符，而LCD 總共能夠同時(shí)顯示32 個(gè)字符的數(shù)據(jù)。因此LCD 的功能足以支撐此設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)顯示任務(wù)。

在HC6800-MS 開(kāi)發(fā)板中，存在單片機(jī)與LCD1602 間的預(yù)留接口，使開(kāi)發(fā)板到LCD1602 的應(yīng)用更為便捷，也增強(qiáng)了連線的安全性與穩(wěn)定性，令LCD1602 在本次設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)更為便攜可靠。

綜上所述，本系統(tǒng)選擇LCD1602 液晶顯示屏作為顯示器完成數(shù)據(jù)表達(dá)任務(wù)。LCD 的成本低廉，其功能足以完成環(huán)境參數(shù)表達(dá)任務(wù)。并且由于LCD1602 和HC6800-MS 間的適配特點(diǎn)，使用LCD1602 可以減輕連線方面的壓力，增加硬件連接的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52 為核心，并采用了普中科技的開(kāi)發(fā)板HC6800-MS，為了便于程序的編譯與燒錄，此次選擇了在Keil 上進(jìn)行單片機(jī)程序的編寫(xiě)，并通過(guò)普中科技特有的燒寫(xiě)程序PZ-ISP 將預(yù)定程序燒錄到單片機(jī)中。

本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)能夠使傳感器正常工作并轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)到顯示器件的系統(tǒng)。由于傳感器自身的信號(hào)在未經(jīng)加工的條件下不能被顯示器件識(shí)別，因此本設(shè)計(jì)中需要應(yīng)用單片機(jī)，通過(guò)合適的編程方式使傳感器測(cè)量的信號(hào)轉(zhuǎn)變成能夠被顯示器件應(yīng)用的信號(hào)。

本次設(shè)計(jì)以日常生活中的溫濕度檢測(cè)任務(wù)為目標(biāo)，因此選擇的器件應(yīng)該滿足系統(tǒng)穩(wěn)定、器件大小適中、低耗能、價(jià)格低廉等要求。

最終，本系統(tǒng)選擇以dht11 溫濕度傳感器作為環(huán)境參數(shù)檢測(cè)裝置，以HC6800-MS 開(kāi)發(fā)板為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、傳輸部分，通過(guò)LCD1602 液晶顯示屏來(lái)展示獲得的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的主要工作有硬件選用與連接，軟件編譯兩部分。

2.1 硬件部分

硬件連接需要兼顧軟件編寫(xiě)方面的問(wèn)題。由于LCD1602 與HC6800 間存在預(yù)設(shè)的接口，因此，在采用LCD 與開(kāi)發(fā)板間的備用接口的情況下，dht11 和HC6800-MS 間的連接會(huì)受到限制，即部分引腳包括P0，P2^5，P2^6，P2^7 等，均被LCD1602 占用。因此，本系統(tǒng)最終采用LCD 預(yù)設(shè)接口，dht11 數(shù)據(jù)傳導(dǎo)接口與P2^4 相連的硬件連接方式，其原理圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

2.2 軟件部分

本系統(tǒng)主要針對(duì)單片機(jī)STC89C52 進(jìn)行編譯，使用Keil 軟件編寫(xiě)程序。綜合設(shè)計(jì)程序主要分為兩部分，分別是單片機(jī)針對(duì)dht11 的信號(hào)接收程序與單片機(jī)針對(duì)LCD1602 的信號(hào)發(fā)送程序。

2.2.1 單片機(jī)針對(duì)dht11 的信號(hào)接收程序

首先，按照dht11 的初始化程序，由單片機(jī)向dht11 發(fā)送信號(hào)使dht11 進(jìn)入工作狀態(tài)，待dht11 進(jìn)入工作狀態(tài)后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需的測(cè)量頻率運(yùn)行dht11 的工作程序，收集五組8bits 反饋數(shù)據(jù)，按照順序分別為溫度整數(shù)，溫度小數(shù)，濕度整數(shù)，濕度小數(shù)，校驗(yàn)位數(shù)據(jù)。單片機(jī)將這幾位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，準(zhǔn)備下一階段的使用。若在初始化過(guò)程中，未獲得dht11 的反饋數(shù)據(jù)，則準(zhǔn)備將default 字符導(dǎo)入LCD 中。

2.2.2 單片機(jī)對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)程序

在數(shù)據(jù)接收完成后，單片機(jī)需要通過(guò)校驗(yàn)位檢測(cè)數(shù)據(jù)的正確性。若四組數(shù)據(jù)之和與校驗(yàn)位相同，則證明數(shù)據(jù)正確，將數(shù)據(jù)存入，以備后續(xù)。若四組數(shù)據(jù)之和與校驗(yàn)位不等，則數(shù)據(jù)有誤，不予留存，等待新的數(shù)據(jù)接收流程。

2.2.3 單片機(jī)對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)的處理程序

LCD1602 可以通過(guò)識(shí)別輸入字符，在預(yù)定地址顯示常用字符，因此，本設(shè)計(jì)需要對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為易于理解的十進(jìn)制字符顯示。由于本設(shè)計(jì)中溫濕度測(cè)量范圍均大于0 小于100，且只顯示整數(shù)部分，因此只需將兩組整數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后保存即可。

具體方法為取測(cè)量數(shù)據(jù)/10 為十位，測(cè)量數(shù)據(jù)%10為個(gè)位。

2.2.4 單片機(jī)針對(duì)LCD1602 的信號(hào)發(fā)送程序

在LCD1602 中，存有常用的字符顯示，本次實(shí)驗(yàn)無(wú)需通過(guò)特定方式編輯顯示符號(hào)。而LCD 展示的數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)采用“固定字符+可變字符”的顯示方式，固定字符表示數(shù)值種類，可變字符表示數(shù)值大小。本系統(tǒng)用“RH”代指濕度，“TEMP”代指溫度，“%”和“C”均為單位。

本實(shí)驗(yàn)取溫度與濕度整數(shù)部分進(jìn)行顯示，即取溫度高八位與濕度高八位，在經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后導(dǎo)入可變字符中，在LCD 上觀察到溫度和濕度為整數(shù)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，由于單片機(jī)和dht11 交互數(shù)據(jù)的過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，因此檢測(cè)到的溫度和濕度數(shù)據(jù)會(huì)隨時(shí)間不斷變化，如圖3 所示。

圖3 可變字符展示

綜上所述，本系統(tǒng)完成了一個(gè)從環(huán)境參數(shù)采集到LCD 屏幕顯示的過(guò)程，可以實(shí)時(shí)觀察到當(dāng)前環(huán)境下的溫濕度參數(shù)，如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)實(shí)物圖

3 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)單片機(jī)、傳感器與顯示設(shè)備的結(jié)合運(yùn)用，從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，完成了一種價(jià)格低廉，設(shè)備輕巧的環(huán)境檢測(cè)裝置，具備一定的實(shí)用價(jià)值。