基于單片機(jī)的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)-正文

1引言現(xiàn)代的生產(chǎn)生活中，環(huán)境因素是主要影響因素之一，尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開環(huán)境控制，其中的溫度、濕度是環(huán)境的兩項(xiàng)主要指標(biāo)。目前我國(guó)農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向以優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效益為目標(biāo)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的新階段[1]。因此，溫濕度測(cè)量控制技術(shù)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)速生、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的手段，也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志[2]。溫濕度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)和貯存環(huán)節(jié)都是十分重要的。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，溫室大棚現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用，但我國(guó)溫室環(huán)境控制目前仍靠人工經(jīng)驗(yàn)來管理，嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率，阻礙了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的開展，因此，采用先進(jìn)的人工智能技術(shù)，科學(xué)、合理、有效地控制影響作物的環(huán)境因子，通過微型計(jì)算機(jī)控制設(shè)備進(jìn)行環(huán)境控制，以便給農(nóng)作物生長(zhǎng)提供一個(gè)最正確的環(huán)境，做到既提高產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益，同時(shí)盡量降低生產(chǎn)本錢，這對(duì)溫室環(huán)境施行自動(dòng)檢測(cè)和控制是非常必要的。溫室檢測(cè)控制設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)是溫濕度控制[3]。在貯存環(huán)節(jié)中，糧庫(kù)糧食平安儲(chǔ)藏的主要參數(shù)是糧庫(kù)的溫度和濕度，但大局部糧庫(kù)目前還是采取人工測(cè)溫的方法，這不僅使糧庫(kù)工作人員工作量增大，且工作效率低，尤其是大型糧庫(kù)的溫度檢測(cè)任務(wù)如不能及時(shí)徹底完成，那么有可能會(huì)造成糧食大面積變質(zhì)。因此，一套完善的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)是十分必要的[4][5]。此次設(shè)計(jì)的是基于單片機(jī)的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，此系統(tǒng)是以MCS-51系列單片機(jī)為核心構(gòu)成的溫濕度精確檢測(cè)，并能實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警及實(shí)時(shí)顯示功能。本系統(tǒng)還設(shè)有串口數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，供技術(shù)人員記錄處理。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與分析2.1總體方案根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求，系統(tǒng)可分如下局部：溫度監(jiān)控：對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量，并通過單片機(jī)處理實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫度。濕度監(jiān)控：對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行測(cè)量，并通過單片機(jī)處理實(shí)時(shí)顯示環(huán)境濕度。報(bào)警處理：當(dāng)溫度、濕度越限時(shí)，發(fā)出報(bào)警提示信號(hào)。顯示：LCD實(shí)時(shí)顯示溫濕度及時(shí)鐘日期。鍵盤控制：調(diào)整溫濕度上下限、時(shí)鐘。串口通信：將采集的數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送給PC機(jī)。2.2系統(tǒng)方案論證當(dāng)將單片機(jī)用作測(cè)控系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)總要有被測(cè)信號(hào)通過輸入通道，由單片機(jī)拾取必要的輸入信息。對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)而言[6]，如何準(zhǔn)確獲得被測(cè)信號(hào)是其核心任務(wù)；而對(duì)測(cè)控系統(tǒng)來講，除對(duì)被控對(duì)象狀態(tài)的信號(hào)測(cè)試外，還要將測(cè)試數(shù)據(jù)與控制條件比照并實(shí)時(shí)控制相應(yīng)執(zhí)行設(shè)備。傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳感器對(duì)原始被測(cè)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的測(cè)量和控制都將無法實(shí)現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化測(cè)量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測(cè)和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)行在最正確狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量[7]。本系統(tǒng)中，我們選擇SHT11來作為本設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器。SHT11單芯片傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專利的工業(yè)COMS過程微加工技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)能隙式測(cè)溫元件，并與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接曰電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫連接。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)草越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)[8]。每個(gè)SHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)[9]。兩線制串行接口和內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最正確選那么[10]。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件包括：溫濕度采集轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)及附屬電路、鍵盤控制、LCD顯示、時(shí)鐘模塊、報(bào)警電路、RS232串口通信模塊等局部的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體電路框圖如圖3.1所示。ATMELATMEL89C51單片機(jī)溫濕度采集轉(zhuǎn)換模塊鍵盤控制RS232串口通信模塊LCD顯示報(bào)警電路時(shí)鐘模塊圖3.1系統(tǒng)整體電路框圖3.1溫濕度采集轉(zhuǎn)換模塊硬件設(shè)計(jì)3.1.1SHT11介紹SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于COMSensTM技術(shù)的新型溫濕度傳感器。該傳感器將COMS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來，從而發(fā)揮出它們強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用。SHT11溫濕度傳感器的主要特性如下：將溫濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一芯片〔COMSensTM技術(shù)〕；可給出全校準(zhǔn)相對(duì)濕度及溫度值輸出；帶有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線數(shù)字輸出接口；具有露點(diǎn)值計(jì)算輸出功能；具有卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為12位和8位；小體積〔7.65×5.08×23.5mm〕，可外表貼裝；具有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能；片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)系數(shù)可保證100%互換性；電源電壓范圍為2.4～5.5V；電流消耗,測(cè)量時(shí)為550uA，平均為28uA，休眠時(shí)為3uA。SHT11溫濕度傳感器采用SMD(LCC)外表貼片封裝形式，管腳排列如圖3.2所示，其引腳說明如下[11]：(1)GND：接地端；(2)DATA：雙向串行數(shù)據(jù)線；DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA必須保持穩(wěn)定。為防止信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA在低電平。需要一個(gè)外部的上拉電阻將信號(hào)提拉至高電平。上拉電阻通常已包含在微處理器的I/O電路中。(3)SCK：串行時(shí)鐘輸入；SCK用于微處理器與SHT11之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小SCK頻率。(4)VDD電源端：0.4～5.5V電源端；SHT11的供電電壓為2.4～5.5V。傳感器上電后，要等待11ms以越過“體眠〞狀態(tài)。在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳(VDD,GND)之間可增加一個(gè)100nF的電容，用以去藕濾波[12]。(5)NC：空管腳。3.1.2工作原理SHT11的濕度檢測(cè)運(yùn)用電容式結(jié)構(gòu)，并采用具有不同保護(hù)的“微型結(jié)構(gòu)〞檢測(cè)電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層來組成傳感器芯片的電容，除保持電容式濕敏器件的原有特性外，還可抵御來自外界的影響。由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起而構(gòu)成了一個(gè)單一的個(gè)體，因而測(cè)量精度較高且可精確得出露點(diǎn)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化引起的誤差。CMOSensTM技術(shù)不僅將溫濕度傳感器結(jié)合在一起，而且還將信號(hào)放大器、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、標(biāo)準(zhǔn)I2C總線等電路全部集成在一個(gè)芯片內(nèi)。SHT11傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3.3所示[13]。SHT11的每一個(gè)傳感器都是在極為精確的濕度室中校準(zhǔn)的。SHT11傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)預(yù)先存在OTP內(nèi)存中。經(jīng)校準(zhǔn)的相對(duì)濕度和溫度傳感器與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器相連，可將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字溫濕度值送給二線I2C總線器件，從而將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合I2C總線協(xié)議的串行數(shù)字信號(hào)[14]。由于將傳感器與電路局部結(jié)合在一起，因此，該傳感器具有比其它類型的濕度傳感器優(yōu)越得多的性能。首先是傳感器信號(hào)強(qiáng)度的增加增強(qiáng)了傳感器的抗干擾性能，保證了傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，而A/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)完成，那么降低了傳感器對(duì)干擾噪聲的敏感程度。其次在傳感器芯片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保證了每一只濕度傳感器都具有相同的功能，即具有100%的互換性。最后，傳感器可直接通過I2C總線與任何類型的微處理器、微控制器系統(tǒng)連接，從而減少了接口電路的硬件本錢，簡(jiǎn)化了接口方式[15]。輸出特性(1)濕度值輸出SHT11可通過I2C總線直接輸出數(shù)字量濕度值，其相對(duì)濕度數(shù)字輸出特性曲線如圖3.4所示。由圖3.4可看出，SHT11的輸出特性呈一定的非線性，為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性，可按如下公式修正濕度值：Rhlinear=C1+C2SORH+C3SORH2式中，SORH為傳感器相對(duì)濕度測(cè)量值，系數(shù)取值如下：12位：SORH：C1=－4，C2＝0.0405，C3＝－2.8×10－68位：SORH：C1＝－4，C2＝0.648，C3＝－7.2×10－4(2)溫度值輸出由于SHT11溫度傳感器的線性非常好，故可用以下公式將溫度數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值：T=d1+d2SOT當(dāng)電源電壓為5V，且溫度傳感器的分辨率為14位時(shí)，d1＝－40，d2＝0.01，當(dāng)溫度傳感器的分辨率為12位時(shí)，d1＝－40，d2＝0.04。(3)露點(diǎn)計(jì)算[17]空氣的露點(diǎn)值可根據(jù)相對(duì)濕度和溫度值來得出，具體的計(jì)算公式如下：LogEW=(0.6607+5T/(237.3+T)+[log10(RH)－2]Dp=[(0.66077－logEW)×237.3]/(logEW－8.16077)存放器配置SHT11傳感器中的一些高級(jí)功能是通過狀態(tài)存放器來實(shí)現(xiàn)的，存放器各位的類型及說明見表1所列[18]。下面對(duì)存放器相關(guān)位的功能說明：(1)加熱使芯片中的加熱開關(guān)接通后，傳感器溫度大約增加5℃，從而使功耗增加至8mA*5v。加熱用途如下：●通過對(duì)啟動(dòng)加熱器前后的溫、濕度進(jìn)行比擬，可以正確地區(qū)別傳感器的功能；●在相對(duì)濕度較高的環(huán)境下，傳感器可通過加熱來防止冷凝。(2)低電壓檢測(cè)SHT11工作時(shí)可以自行檢測(cè)VDD電壓是否低于2.45V，準(zhǔn)確度為±0.1V。(3)下載校準(zhǔn)系數(shù)為了節(jié)省能量并提高速度，OTP在每次測(cè)量前都要重新下載校準(zhǔn)系數(shù)，從而使每一次測(cè)量節(jié)省8.2ms的時(shí)間。(4)測(cè)量分辨率設(shè)定將測(cè)量分辨率從14位〔溫度〕和12位〔濕度〕分別減到12位和8位可應(yīng)用于高速或低功耗場(chǎng)合。表1SHT11狀態(tài)存放器類型及說明位類型說明默認(rèn)值7保存06讀工檢限〔低電壓檢查〕X5保存04保存03只用于試驗(yàn)，不可以使用02讀/寫加熱0關(guān)1讀/寫不從OTP重下載0重下載0讀/寫'1'=8位相對(duì)濕度，12位溫度分辨率。'0'=12位相對(duì)濕度，14位濕度分辨率012位相對(duì)濕度，14位濕度接口電路AT89C51與SHT11的接口電路如圖3.5所示。圖中，SHT11的DATA端口通過一個(gè)10K的外部上拉電阻與單片機(jī)連接。由于P2口內(nèi)部已有上拉電阻，所以本次設(shè)計(jì)DATA端口連接單片機(jī)的P2.7口時(shí)不需要上拉電阻。圖3.5AT89C51與SHT11的接口電路3.2單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中，我們采用美國(guó)ATMEL〔愛特梅爾〕公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)作為主控芯片[19]。AT89C51單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用ATMEL公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)8051產(chǎn)品指令和引腳完全兼容[20]。AT89C51具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash，128字節(jié)RAM，32位I/O口線，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，可編程串行通道，5個(gè)中斷源，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。圖3.6所示為AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖[21]。圖3.6AT89C51最小系統(tǒng)圖3.7串口通信模塊電路圖3.6AT89C51最小系統(tǒng)圖3.7串口通信模塊電路3.3RS232串口通信模塊硬件設(shè)計(jì)AT89C51有一個(gè)全雙工的串行通訊口，所以單片機(jī)和電腦之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿足一定的條件，比方電腦的串口是RS232電平的，而單片機(jī)的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，我們采用了專用芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換[22]。采用三線制連接串口，也就是說單片機(jī)和電腦的9針串口只連接其中的4根線：第5腳的GND、第2腳的RXD、第3腳的TXD與第4腳。具體電路圖如圖3.7所示。3.4LCD顯示硬件設(shè)計(jì)圖3.81602引腳圖由于本次設(shè)計(jì)要求實(shí)時(shí)顯示時(shí)鐘、溫濕度和鍵盤調(diào)整提示信息，所以傳統(tǒng)的LED數(shù)碼管遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，在這里我們采用1602工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16X02即32個(gè)字符?！?6列2行〕如圖3.8所示圖3.81602引腳圖1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣，如表2〔引腳說明〕表3〔存放器選擇控制〕所示：表21602引腳說明引腳符號(hào)功能說明1VSS一般接地2VDD接電源〔+5V〕3V0液晶顯示器比照度調(diào)整端，接正電源時(shí)比照度最弱，接地電源時(shí)比照度最高〔比照度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影〞，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整比照度〕。4RSRS為存放器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)存放器、低電平0時(shí)選擇指令存放器。5R/WR/W為讀寫信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫操作。6EE(或EN)端為使能(enable)端，下降沿使能。7DB0低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線0位〔最低位〕8-10DB1-3低4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線1-3位11-13DB4-6高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線4-6位14DB7高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線7位〔最高位〕〔也是busyflag〕15BLA背光電源正極16BLK背光電源負(fù)極表3存放器選擇控制RSR/W操作說明00寫入指令存放器〔去除屏等〕01讀busyflag〔DB7〕，以及讀取位址計(jì)數(shù)器〔DB0~DB6〕值10寫入數(shù)據(jù)存放器〔顯示各字型等〕11從數(shù)據(jù)存放器讀取數(shù)據(jù)注：關(guān)于E=H脈沖——開始時(shí)初始化E為0，然后置E為1，再清0.busyflag〔DB7〕：在此位為被去除為0時(shí)，LCD將無法再處理其他的指令要求[23]。3.5鍵盤控制模塊硬件設(shè)計(jì)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，按接口形式上分鍵盤分兩大類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤是由硬件邏輯電路完成必要的鍵識(shí)別工作與可靠性措施。每按一次鍵，鍵盤自動(dòng)提供被按鍵的讀數(shù)，同時(shí)產(chǎn)生一選通脈沖通知微處理器，一般還具有反彈跳和同時(shí)按鍵保護(hù)功能。這種鍵盤易于使用，但硬件比擬復(fù)雜，對(duì)于主機(jī)任務(wù)也很繁重。非編碼鍵盤主要有獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)和矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)[24]。矩陣式鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上，節(jié)省I/O口。獨(dú)立式按鍵就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每根I/O口線的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵被按下了。具有電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合。圖3.9鍵盤控制模塊由于本次設(shè)計(jì)只用到5個(gè)鍵，所以采用獨(dú)立式鍵盤，在程序設(shè)計(jì)中采用查詢的方式來識(shí)別按鍵。本次設(shè)計(jì)共5個(gè)鍵，分別為時(shí)鐘調(diào)整鍵〔S5〕、加一鍵〔S4〕、減一鍵〔S3〕、上下溫度設(shè)置〔S2〕、上下濕度設(shè)置〔S1〕。如圖3.9所示。圖3.9鍵盤控制模塊注：由于鍵盤使用的是單片機(jī)的P0口，所以必須上拉電阻。3.6報(bào)警接口模塊硬件設(shè)計(jì)在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了平安生產(chǎn)有緊急狀態(tài)報(bào)警系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)或通過計(jì)以便提醒操作人員注意對(duì)于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)或采取緊急措施。其方法就是把計(jì)算機(jī)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進(jìn)行比擬，如果高于上限值(或低于下限值)那么進(jìn)行報(bào)警，否那么就作為采樣的正常進(jìn)行顯示和控制[24]。本設(shè)計(jì)采用蜂鳴器和發(fā)光二極管報(bào)警電路。蜂鳴器報(bào)警接口電路的設(shè)計(jì)只需購(gòu)置市售的壓電式蜂，然后通過AT89C51的1根口線經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需l0mA的驅(qū)動(dòng)電流，可以用一個(gè)晶體三極管驅(qū)動(dòng)，利用單片機(jī)軟件延時(shí)使單片機(jī)產(chǎn)生間斷的報(bào)警時(shí)，同時(shí)相應(yīng)的發(fā)光二極管點(diǎn)亮。如圖3.10所示。圖3.10報(bào)警電路3.7時(shí)鐘模塊硬件設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的時(shí)鐘模塊選用美國(guó)DALLAS公司推出DS1302，它具有涓細(xì)電流充電能力的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路結(jié)構(gòu)、工作原理及其在實(shí)時(shí)顯示時(shí)間中的應(yīng)用。它可以對(duì)年、月、日、周、日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM存放器。DS1302是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。DS1302的引腳排列,其中VCC1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由Vcc1或VCC2兩者中的較大者供電。當(dāng)VCC2大于VCC1+0.2V時(shí)，VCC2給DS1302供電。當(dāng)VCC2小于VCC1時(shí)，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位存放器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì)DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，那么會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在VCC>2.0V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時(shí)，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)。SCLK為時(shí)鐘輸入端[25]。DS1302有12個(gè)存放器，其中有7個(gè)存放器與日歷、時(shí)鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式。此外，DS1302還有年份存放器、控制存放器、充電存放器、時(shí)鐘突發(fā)存放器及與RAM相關(guān)的存放器等。時(shí)鐘突發(fā)存放器可一次性順序讀寫除充電存放器外的所有存放器內(nèi)容。DS1302與RAM相關(guān)的存放器分為兩類：一類是單個(gè)RAM單元，共31個(gè)，每個(gè)單元組態(tài)為一個(gè)8位的字節(jié)，其命令控制字為C0H～FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM存放器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個(gè)字節(jié)，命令控制字為FEH(寫)、FFH(讀)。如圖3.11所示：圖3.11時(shí)鐘模塊電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)主要包括：溫濕度采集轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤控制模塊、LCD顯示模塊、串口通信模塊等。4.1系統(tǒng)整體框架介紹系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化溫濕度數(shù)據(jù)采集處理LCD顯示按鍵處理時(shí)鐘顯示報(bào)警處理利用T1定時(shí)，每隔1分鐘向PC機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)圖4.1系統(tǒng)整體的工作方式流程圖當(dāng)單片機(jī)上電復(fù)位后，蜂鳴器會(huì)發(fā)出“滴〞一聲說明系統(tǒng)開始運(yùn)行程序，時(shí)間日期和溫濕度會(huì)實(shí)時(shí)顯示的液晶顯示器上，按下相應(yīng)的功能鍵可以隨時(shí)更改設(shè)置溫濕度上下限和調(diào)整顯示時(shí)間。當(dāng)按下溫度或濕度調(diào)整功能鍵時(shí)，LCD顯示器上會(huì)有相應(yīng)提示，繼續(xù)按下直至正常顯示溫濕度表示退出設(shè)置，方便工作人員操作。當(dāng)按下時(shí)鐘調(diào)整功能鍵時(shí)，相應(yīng)的被調(diào)整項(xiàng)伴有閃爍，繼續(xù)按下會(huì)跳到下一項(xiàng)直至退出。按下系統(tǒng)運(yùn)行后，每隔一分鐘向PC機(jī)發(fā)送一次當(dāng)前時(shí)間和溫濕度數(shù)據(jù)，以便工作人員記錄處理。當(dāng)溫濕度越限時(shí)，蜂鳴器會(huì)以500HZ的頻率響起間斷的報(bào)警聲，相應(yīng)的指示燈亮起。系統(tǒng)整體的工作方式如圖4.1所示4.2溫濕度采集轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計(jì)SHT11傳感器共有5條用戶命令，具體命令格式見表4所列。下面介紹一下具體的命令順序及命令時(shí)序。表4SHT11傳感器命令列表命

令編

碼說

明測(cè)量溫度00011溫度測(cè)量測(cè)量濕度00101濕度測(cè)量讀存放器狀態(tài)00111“讀〞狀態(tài)存放器寫存放器狀態(tài)00110“寫〞狀態(tài)存放器軟啟動(dòng)11110重啟芯片，去除狀態(tài)記錄器的錯(cuò)誤記錄11毫秒后進(jìn)入下一個(gè)命令(1)傳輸開始初始化傳輸時(shí)，應(yīng)首先發(fā)出“傳輸開始〞命令，該命令可在SCK為高時(shí)使DATA由高電平變?yōu)榈碗娖?，并在下一個(gè)SCK為高時(shí)將DATA升高。接下來的命令順序包含三個(gè)地址位〔目前只支持“000〞〕和5個(gè)命令位，當(dāng)DATA腳的ACK位處于低電位時(shí)，表示SHT11正確收到命令。(2)連接復(fù)位順序如果與SHT11傳感器的通訊中斷，以下信號(hào)順序會(huì)使串口復(fù)位：即當(dāng)DATA線處于高電平時(shí)，觸發(fā)SCK9次以上〔含9次〕，此后應(yīng)接著發(fā)一個(gè)“傳輸開始〞命令。(3)溫濕度測(cè)量時(shí)序當(dāng)發(fā)出了溫〔濕〕度測(cè)量命令后，控制器就要等到測(cè)量完成。使用8/12/14位的分辨率測(cè)量分別需要大約11/55/210ms的時(shí)間。為說明測(cè)量完成，SHT11會(huì)使數(shù)據(jù)線為低，此時(shí)控制器必須重新啟動(dòng)SCK，然后傳送兩字節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)與1字節(jié)CRC校驗(yàn)和?？刂破鞅仨毻ㄟ^使DATA為低來確認(rèn)每一個(gè)字節(jié)，所有的量均從右算，MSB列于第一位。通訊在確認(rèn)CRC數(shù)據(jù)位后停止。如果沒有用CRC－8校驗(yàn)和，那么控制器就會(huì)在測(cè)量數(shù)據(jù)LSB后保持ACK為高來停止通訊，SHT11在測(cè)量和通訊完成后會(huì)自動(dòng)返回睡眠模式。需要注意的是：為使SHT11的溫升低于0.1℃此時(shí)的工作頻率不能大于標(biāo)定值的15%〔如：12位精確度時(shí)，每秒最多進(jìn)行3次測(cè)量〕。SHT11程序流程如圖4.2所示復(fù)位復(fù)位啟動(dòng)計(jì)算濕度值并顯示NNY寫入測(cè)濕命令讀出濕度數(shù)據(jù)計(jì)算溫度值并顯示N寫入測(cè)溫命令讀出溫度數(shù)據(jù)圖4.2SH11程序流程圖4.3鍵盤控制模塊軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用獨(dú)立式鍵盤，采用查詢的方式來識(shí)別按鍵。五個(gè)鍵分別為：時(shí)鐘調(diào)整鍵〔S5〕功能：依次按下可調(diào)節(jié)月、日、時(shí)和分，被選中的工程會(huì)伴有閃爍。上下溫度設(shè)置〔S2〕功能：當(dāng)?shù)谝淮伟聪聲r(shí)，LCD第二行會(huì)有“SETHighT=〞的提示，表示設(shè)置溫度上限，再按下時(shí)會(huì)有“SETLowT=〞提示，表示設(shè)置溫度下限。第三次按下是確定并退出設(shè)置。上下濕度設(shè)置〔S1〕功能：與上下溫度設(shè)置〔S2〕功能類似。加一功能鍵〔S3〕：顯示的數(shù)字加一并顯示。減一功能鍵〔S4〕：顯示的數(shù)字減一并顯示。4.4LCD顯示模塊軟件設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)顯示模塊采用1602液晶屏，對(duì)它的操作主要是將一些固定的字符寫入1602的存放器中，當(dāng)需要顯示時(shí)調(diào)用即可，以到達(dá)在液晶上顯示的效果。程序流程圖如圖4.3所示LCD初始化LCD初始化允許寫數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)顯示結(jié)束判斷LCD忙NY圖4.3LCD顯示流程圖4.5串口通信模塊軟件設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中，串口設(shè)置利用定時(shí)器0產(chǎn)生波特率為2400bps，波特率不倍增，設(shè)定工作方式2。程序流程圖如圖4.4所示串口初始化串口初始化啟動(dòng)定時(shí)器1發(fā)送數(shù)據(jù)等待發(fā)送數(shù)據(jù)去除數(shù)據(jù)傳送標(biāo)志關(guān)閉定時(shí)器1圖4.4串口通信模塊流程圖5電路仿真圖5.1整體仿真圖圖5.2溫度上限報(bào)警仿真圖圖5.3溫度上限設(shè)置仿真圖圖5.4實(shí)物仿真圖本次設(shè)計(jì)采用Preteus7.5繪制原理圖[26][27]，KeilC51編輯編譯程序。仿真如圖5.1所示，VirtualTerminal窗口顯示單片機(jī)發(fā)送給PC機(jī)的數(shù)據(jù)，每隔一分鐘發(fā)送一次。溫度上限報(bào)警如圖5.2所示，蜂鳴器報(bào)警，D3發(fā)光二極管點(diǎn)亮。溫度上限設(shè)置，如圖5.3所示所做的實(shí)物是在51開發(fā)板的根底之上，加上SHT11傳感器。仿真如圖5.4所示6總結(jié)單片機(jī)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用，尤其MCS-51系列單片機(jī)，迅速占領(lǐng)了工業(yè)測(cè)控和自動(dòng)化工程應(yīng)用的主要市場(chǎng)，并取得了令人矚目的成果，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景?；趩纹瑱C(jī)的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，采用AT89C51單片機(jī)和SHT11溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫濕度的自動(dòng)測(cè)量和報(bào)警，8051單片機(jī)因其指令系統(tǒng)豐富、小巧、低價(jià)、靈活易擴(kuò)展等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在所設(shè)計(jì)的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)中使整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比得以大幅度的提高。將8051單片機(jī)成功應(yīng)用于溫濕度測(cè)控系統(tǒng)，所研發(fā)產(chǎn)品可靠性和擴(kuò)充性較強(qiáng)，能廣泛應(yīng)用于糧庫(kù)、物流倉(cāng)儲(chǔ)、檔案館、農(nóng)業(yè)大棚等對(duì)溫濕度要求較高的場(chǎng)所，具有較大的市場(chǎng)推廣前景。當(dāng)然此設(shè)計(jì)也存在缺乏之處，軟件仿真時(shí)鐘正?！惨雅懦鼶S1302直接調(diào)用PC機(jī)時(shí)間的問題〕，實(shí)物仿真就不能正常顯示。通過設(shè)計(jì)使我對(duì)單片機(jī)有了更深刻的了解，尤其是讓我學(xué)會(huì)了如何使用一個(gè)完全陌生的元件，通過查閱各種資料，對(duì)新元件從陌生到熟悉直至靈活應(yīng)用，這種自學(xué)的方法會(huì)使我終生受益。附錄A電路原理圖附錄B局部程序//********************************************// 啟動(dòng)SHT11//********************************************voidstart_sht11(void){DATA=1;SCK=0;//數(shù)據(jù)為1，SCK=0_nop_();SCK=1;//第一個(gè)脈沖_nop_();DATA=0;//數(shù)據(jù)跌落_nop_();SCK=0;//完成一個(gè)脈沖_nop_();_nop_();_nop_();SCK=1;//再一個(gè)脈沖_nop_();DATA=1;//數(shù)據(jù)變?yōu)? _nop_();SCK=0;//完成該脈沖 }//********************************************// 復(fù)位 SHT11//********************************************voidsht_rest(void){uchari;DATA=1;SCK=0;//數(shù)據(jù)為1時(shí)鐘為0for(i=0;i<9;i++)//9個(gè)脈沖為復(fù)位{SCK=1;SCK=0;}start_sht11();//啟動(dòng)}//********************************************//測(cè)量溫度或者是溫度，返回校驗(yàn)值//*******************************************text_a(ucharml) { uinti; start_sht11(); //啟動(dòng) write(ml); //寫入測(cè)溫度 if(ack==1) { sht_rest(); //復(fù)位write(ml); //寫入測(cè)溫度}for(i=0;i<65535;i++)if(DATA==0)break; //判斷是否處于忙 read(); //讀溫度}//********************************************//讀一個(gè)字節(jié)返回應(yīng)答信號(hào)//********************************************charread(){uchari,val=0;temp_l=0;temp_h=0;////高8位/////////////////////////////DATA=1;//釋放數(shù)據(jù)總線for(i=0x80;i>0;i/=2)//位移8位{SCK=1;//上升沿讀入if(DATA)val=(val|i);//確定值SCK=0; }DATA=0;//讀應(yīng)答信號(hào)，有應(yīng)答為1，為應(yīng)答為0通過CPU下拉為應(yīng)答SCK=1;//第9個(gè)脈沖_nop_();_nop_();_nop_();//pulswithapprox.5usSCK=0; DATA=1;//釋放數(shù)據(jù)總線temp_h=val;val=0;////低8位/////////////////////////////DATA=1;//釋放數(shù)據(jù)總線for(i=0x80;i>0;i/=2)//位移8位{SCK=1;//上升沿讀入if(DATA)val=(val|i);//確定值SCK=0; }DATA=1;//0;//不需要應(yīng)答通過CPU下拉為應(yīng)答SCK=1;//第9個(gè)脈沖_nop_();_nop_();_nop_();//pulswithapprox.5usSCK=0; DATA=1;//釋放數(shù)據(jù)總線temp_l=val;}//********************************************//寫一個(gè)字節(jié)返回應(yīng)答信號(hào)//********************************************charwrite(ucharvalue){uchari;ack=0;for(i=0x80;i>0;i/=2)//釋放數(shù)據(jù)總線{ if(i&value)DATA=1;//寫入值elseDATA=0;SCK=1;//上升沿寫入_nop_();_nop_();_nop_();//延時(shí) SCK=0;}DATA=1;//釋放數(shù)據(jù)總線SCK=1;//第9個(gè)脈沖if(DATA==1)ack=1;//讀應(yīng)答信號(hào)SCK=0;returnack;//error=1表示沒有應(yīng)答}//********************************************//計(jì)算溫度//********************************************text_jishuan_temp(){floataa=0,bb=0,temp_zi; aa=(float)temp_h*256+(float)temp_l; temp_zi=0.01*aa-40; if(temp_zi<0){ temp_zi=0;}temp_zi=temp_zi*10;xianzhi_t=(int)temp_zi+1;//給顯示值}//********************************************//計(jì)算濕度//********************************************text_jishuan_humi(){floataa=0,bb=0,humi_zi; aa=(float)temp_h*256+(float)temp_l; bb=aa*aa*2.8/1000000; aa=0.0405*aa; aa=aa-6-bb; humi_zi=aa; humi_zi=humi_zi*10;xianzhi_h=(int)humi_zi; //給顯示值}//********************************************//溫濕度處理//********************************************text_jishuan_temp11(){ error=0; ack=0;sht_rest();//復(fù)位 text_a(TEMP_ML); text_jishuan_temp();//計(jì)算溫度值 text_a(HUMI_ML); text_jishuan_humi();//計(jì)算濕度值}//********************************************// 延時(shí)程序//********************************************delay(inti){while(--i);}//********************************************//判斷LCD忙 //********************************************voidcheck_busy(void){ while(1) { P1=0xff; E=0; _nop_(); RS=0; _nop_(); _nop_(); RW=1; _nop_(); _nop_(); E=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); if((P1&0x80)==0)break; E=0; }}//******************************************//將數(shù)據(jù)碼寫入LCD數(shù)據(jù)存放器//******************************************voidwrite_command(uchartempdata){E=0; _nop_(); _nop_(); RS=0; _nop_(); _nop_(); RW=0; P1=tempdata; _nop_(); _nop_(); E=1; _nop_(); _nop_(); E=0; _nop_(); check_busy();}//*******************************************//寫LCD1602使能程序//*******************************************voidwrite_data(uchartempdata){E=0; _nop_(); _nop_(); RS=1; _nop_(); _nop_(); RW=0; P1=tempdata; _nop_(); _nop_(); E=1; _nop_(); _nop_(); E=0; _nop_(); check_busy();}//********************************************//初始化LCD1602//********************************************voidinit(){write_command(0x01); //去除屏幕write_command(0x38); //功能設(shè)定〔8位，2行，5*7點(diǎn)矩陣)write_command(0x0C); //顯示器ON，光標(biāo)OFF，閃爍OFFwrite_command(0x06); //加1}//********************************************//顯示子程序//********************************************voiddisplay_T(void){uchari;display[2]=LCDData[xianzhi_t/100];display[3]=LCDData[(xianzhi_t%100)/10];display[10]=LCDData[xianzhi_h/100];display[11]=LCDData[(xianzhi_h%100)/10];write_command(0xc0);for(i=0;i<13;i++){write_data(display[i]);}}//************************************//1302時(shí)鐘主程序//************************************voidshizhong(){uchartemp;write1302(0x8e,0x00); //允許寫1302write1302(0x90,0xa6); //1302充電，充電電流1.1mA month=read1302(0x89); //讀出月存放器 temp=month;display1[1]=LCDData[temp&0x0f]; //月別離,并找相應(yīng)的ASCALL碼值， //存入緩存數(shù)組中 temp=temp>>4; display1[0]=LCDData[temp&0x0f];day=read1302(0x87); //讀出日存放器 temp=day;display1[4]=LCDData[temp&0x0f]; //日別離,并找相應(yīng)的ASCALL碼值， //存入緩存數(shù)組中 temp=temp>>4; display1[3]=LCDData[temp&0x0f];hour=read1302(0x85); //讀出小時(shí)存放器 temp=hour;display1[7]=LCDData[temp&0x0f];//小時(shí)別離,并找相應(yīng)的ASCALL碼值， //存入緩存數(shù)組中temp=temp>>4;display1[6]=LCDData[temp&0x0f];mintue=read1302(0x83); //讀出分存放器 temp=mintue;display1[10]=LCDData[temp&0x0f];//分鐘別離,并找相應(yīng)的ASCALL碼值， //存入緩存數(shù)組中temp=temp>>4;display1[9]=LCDData[temp&0x0f];second=read1302(0x81); //讀出秒存放器 temp=second;display1[13]=LCDData[temp&0x0f]; //秒別離,并找相應(yīng)的ASCALL碼值， //存入緩存數(shù)組中temp=temp>>4;display1[12]=LCDData[temp&0x0f];display1302();}//********************************************//報(bào)警及處理//********************************************doing(){charxianzhi_mi;xianzhi_mi=xianzhi_t/10; //溫度if((xianzhi_mi<setzhi_T_h)&(xianzhi_t>setzhi_T_l)){motor=0;hot=0;speek=1;}if(xianzhi_mi>setzhi_T_h){motor=1;hot=0;speek=1;delay(3000);speek=0;delay(15000);}if(xianzhi_mi<setzhi_T_l){motor=0;hot=1;speek=0;delay(15000);speek=1;delay(3000);}xianzhi_mi=xianzhi_h/10; //濕度if((xianzhi_mi<setzhi_H_h)&(xianzhi_t>setzhi_H_l)){speek=1;HSX=0;HXX=0;}if(xianzhi_mi>setzhi_H_h){HSX=1;speek=0;delay(15000);speek=1;delay(3000);}if(xianzhi_mi<setzhi_H_l){HXX=1;speek=0;delay(15000);speek=1;delay(3000);}}//********************************************//溫濕度按鍵識(shí)別//********************************************key(){ while(setH==0) //是否按下濕度設(shè)置{delay(50);if(setH==1) //是否放開濕度設(shè)置消除抖動(dòng) { if(setkey==0){setkey=1;display_H_h(setzhi_H_h);} else{if(setkey==1){setkey=2;display_H_l(setzhi_H_l);} else{if(setkey==2){setkey=0;display_T();}} } }}while(setT==0) //是否按下溫度設(shè)置{delay(50);if(setT==1) //是否放開溫度設(shè)置消除抖動(dòng) { if(setkey==0){setkey=3;display_T_h(setzhi_T_h);} else{if(setkey==3){setkey=4;display_T_l(setzhi_T_l);} else{if(setkey==4){setkey=0;display_T();}} } }}if(setup==0) //是否按下+{if(setkey==1) {if(setzhi_H_h<=99)setzhi_H_h++;display_H_h(setzhi_H_h);} if(setkey==2) {if((setzhi_H_l<setzhi_H_h)&(setzhi_H_l<=99))setzhi_H_l++;display_H_l(setzhi_H_l);}if(setkey==3) {if(setzhi_T_h<=99)setzhi_T_h++;display_T_h(setzhi_T_h);} if(setkey==4) {if((setzhi_T_l<setzhi_T_h)&(setzhi_T_l<=99))setzhi_T_l++;display_T_l(setzhi_T_l);}} if(setdown==0) //是否按下-{ if(setkey==1) {if((setzhi_H_h>setzhi_H_l)&setzhi_H_h>=1)setzhi_H_h--;display_H_h(setzhi_H_h);} if(setkey==2) {if(setzhi_H_l>=1)setzhi_H_l--;display_H_l(setzhi_H_l);}if(setkey==3) {if((setzhi_T_h>setzhi_T_l)&setzhi_T_h>=1)setzhi_T_h--;display_T_h(setzhi_T_h);} if(setkey==4) {if(setzhi_T_l>=1)setzhi_T_l--;display_T_l(setzhi_T_l);}} }//********************************************//串口發(fā)送數(shù)據(jù)//********************************************voidsend_chuankou(void){uchari=0;SCON=0x50; //設(shè)定串