基于单片机技术的智能温湿度控制系统

张海红,史丹青,武建卫,郭夕琴

（南京机电职业技术学院,江苏南京,211135）

1 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

在测量的对象领域内，温度和湿度是非常重要的。无论是人类的生存，还是生活环境，工农业生产，军事，气象观测，温度的测量和控制以及湿度的测量和控制都是很重要的环节。随着计算机技术、通信技术、电子技术、传感器和传感器材料技术的进步，温度和湿度检测都取得了跨越式发展。对温度和湿度的测量与监控也是十分有意义的。

1.2 课题研究的目标与方案

通过对智能温湿度传感器特性的研究,设计出合理的硬件电路,编写高效的处理器软件，显示温湿度信息，然后根据温湿度信息控制加热换气装置。温湿度信息由传感器的敏感元件获得，其输出经过信号调理电路放大、线性化、去除干扰等并获得与A/D转换器相适配的模拟信号，此信号通过A/D转换器转换为微处理器可接受的数字信号。以单片机为核心的软硬件处理电路对采集到的信号进行编程处理后输出到显示模块，实时反映温湿度值。瑞士Sensiri-on公司生产的SHT11是具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对温度和湿度传感器。它将传感器技术与CMOS芯片技术相融合，可用来测量零点、相对温度、相对湿度等参数，具有数字式输出、免标定、免外围电路、免调试及全互换的特点，最终为开发高精度、高可靠性、高集成度的温湿度测控系统提供了解决方案。

2 硬件系统设计

2.1 硬件总体设计

本设计以AT89C52单片机系统为核心，首先通过SHT11温湿度传感器采集现场的温湿度数据，然后经过SHT11温湿度传感器自身的A/ D转换器转换为数字代码；再通过51单片机利用LCD1602显示当前现场的温湿度值,同时设置上下限；当前温湿度超过预设最高上限时，报警并且灯亮，同时启动加热换气装置工作；当温湿度低于预设最低下限时，报警并且灯亮，同时启动加热换气装置工作。可以根据不同的要求设置不同的越限值从而使其宽广的测温湿度范围能够广泛地应用到温湿度监测当中去。

2.2 温湿度采集

2.2.1 SHT11简介

瑞士Scnsirion 公司推出的SHT11是一款集温度传感器和湿度传感器于一体的数字温湿度传感器芯片。因此在进行温湿度实时监测的系统采用SHT11传感器，就具备成本低、体积小、精度高、接口简单等特点。而且SHT11芯片的抗干扰能力也比同类芯片高，因为该芯片内部集成了14位A/D转换器，且采用了数字信号输出。

2.2.2 SHT11与单片机的接口电路

MCU（单片机）和SHT11传感器通信采用串行二线接口DATA和SCK,其中DATA为数据线，SCK则为时钟线，然而I2C协议与该二线串行通信协议是不兼容的。在程序开始时，MCU需要用一组“启动传输”时序表示数据传输的启动。如图2-3所示，当SCK时钟为高电平时，DATA翻转为低电平；紧接着SCK变为低电平，随后又变为高电平；在SCK时钟为高电平时，DATA再次翻转为高电平。

图2-3 数据传输启动时序

如图2-4所示，为SHT11传感器与单片机的接口电路。SHT11只有二个引脚，一个数字串行引脚接单片机P1.0口，SCK引脚接单片机P1.1口。电源与数字串行引脚间要接一个4K的电阻R2。R2是上拉电阻，因为单片机的P1口驱动能力有限，目的是为了使传感器接收的数据能够可靠的进行。

图2-4 SHT11与单片机接口电路

3 软件系统设计

3.1 软件整体设计

软件设计是在硬件设计的基础上进行的，良好的软件设计是实现系统功能的重要环节。系统能否正常运行，除了硬件的合理设计外，很大程度上取决于功能完善、算法先进的软件设计。本系统是以AT89C52为硬件设计系统的核心，系统软件部分主要包括数据采集模块、数据显示模块、报警模块，其中数据采集模块包括温湿度的采集、数据处理A/D转换，报警模块包括报警指示和报警处理。数据采集模块将接收到的传感器发出的模拟信号采集到单片机。数据处理模块通过对接收到的采样信号进行实时处理转换、最后实现数据通信、驱动显示等，软件系统框图如下图所示：

这些程序相互独立，在主程序中依次被调用。单片机处理的是数字信号，对接受的数据进行采集即可得到数字信号；数据处理模块由单片机实现，对采样信号进行实时控制、数据通信、驱动显示、驱动运行等；显示部分主要用LCD显示，LCD由单片机驱动。

3.2 软件设计程序流程图

3.2.1 主程序流程图

主程序是设计的主体，是由功能不同的子程序组成。本系统主程序的运行如下操作：串口初始化，完成初始化操作后，循环扫描键盘，当有相应按键时对应不同的功能，SHT11开始采集温湿度数据，经LCD1602数码管显示读数，判断温湿度是否超出设定范围，如若超出则报警，并且报警指示灯亮，蜂鸣器报警，同时启动加热换气电路。主程序流程图如图3-2所示。

图3-2 主程序流程图

图3-3 报警电路程序流程图

3.2.2 报警电路程序流程图

报警模块具备两项功能，即为报警灯和声音报警。声音报警是从听觉上提醒用户，而报警灯则是从视觉上提醒用户。当读取的温度值超过上下限时，红灯亮并且报警，当湿度值超过上下限时，黄灯亮并且报警。流程图如图3-3所示。

3.2.3 SHT11读取温湿度程序流程图

单片机与SHT11进行通信是采用的二线串行数字接口，需要用单片机的I/0口模拟通信时序，因为该通信协议与通用的I2C总线协议是不兼容的。对于SHT11的控制，MCU是通过5个六位命令代码实现的，命令代码的含义分别是：00101：测量湿度；00011：测量温度；00110：写内部状态寄存器；00111：读内部状态寄存器；11110：复位命令，使内部状态寄存器恢复默认值；其他的来设置分辨率。

程序开始首先对温湿度传感器SHT11进行初始化，检测是否正常工作，然后单片机发出指令与SHT11连接测量温湿度，接着温湿度传感器SHT11进行温湿度计算以及A/D转换，再发送给主机，并反复调用复位、写入及读取数据子程序，之后再经数据转换，由数码管显示出来，不断循环。流程图如图3-4所示

图3-4 SHT11读取温湿度程序流程图 图3-5 LCD1602显示温湿度程序流程图

3.2.4 LCD1602显示温湿度程序流程图

图4-2 对话框

程序首先对LCD1602初始化，检查是否忙碌，如果不忙碌则主机发送模式设置指令或显示指令写入LCD1602中，然后指定字符显示的实际地址，将数据写入LCD1602中，显示温湿度。流程图如图3-5所示

4 系统仿真调试

本设计的硬件仿真由Protues软件实现，软件调试由Keil C51软件实现，通过软硬件的结合实现总体设计的仿真。

4.1 硬件设计仿真结果图

4.1.1 系统仿真

（1）在Protues仿真软件中，分布好元器件，连接好电路图，电路图如图4-1所示。

（2）运用Keil uVision4编程软件进行C语言编程，运用模块化的程序设计思路对不同功能模块的程序进行分别编程，以便移植或调用，这样使软件层次结构清晰，有利于软件的调试修改。编程完成之后，选择Project——Build target，编译程序，编译结果如图19所示

（3）在Protues选中单片机芯片，在弹出的对话框中选中Program File的文件夹图标。对话框如图4-2所示。

（4）在弹出的对话框里选中刚刚生成的HEX文件，点击OK。即可将HEX文件加载到单片机芯片中。

4.1.2 仿真结果分析

仿真结果如图所示。LCD液晶显示分别显示、“Temp：****”、“Humi ：****”，其中“****”为测定的数据。按键一下，显示“温度上下限和测量值”，再次按键显示“湿度的上下限和测量值”。

温度在25℃-75℃之间属于正常情况，低于25℃高于75℃都不是正常情况。

湿度在25%RH-65%RH之间属于正常情况，低于25%RH高于65%RH都不是正常情况

（1）正常温湿度区间内：

图4-1 硬件设计仿真结果图

正常显示，没有报警

（2）超过正常温度和湿度上下限

超出预设温度上下限，红灯亮，蜂鸣器响，加热换气装置运转。

超过预设湿度上下限，黄灯亮，蜂鸣器响，加热换气装置运转。

（3）系统上下限显示

温度范围为25-75℃，湿度范围为20-65%RH量显示

图4-4 系统温度上下限及测量显示

图3-1 软件系统框图

5 结束语

由于该系统采用的核心是高效单片机，主要的采集与测量系统是集温度传感器和湿度传感器于一体的SHT11，自带A/D转换器，从而该温湿度控制仪具有体积小、成本低、精度高、接口简单及良好抗干扰能力等优点，再加上优化程序，一定意义上本系统具有了很高的实用性。

图4-3 正常时仿真结果图

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