基于立创EDA的室内温湿度检测仪的研制

张东辉 刘春东

(河北建筑工程学院机械工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

无论在实际生产还是人们日常生活中，都经常会遇到进行温湿度检测的场合，比如：研究表明粮仓需要维持一定的温湿度才能确保粮食的品质，室内家居需要维持一定的温湿度，人们才会感觉更舒适.由此可见，快速有效的对温湿度进行监测对实际生产生活具有重要意义.因此，本文设计并开发了一款使用方便、价格合适的室内温湿度检测仪.

1 总体方案设计

1.1 方案设计

该检测仪要能够采集实际环境的温度和湿度，并能通过LCD1602液晶显示屏进行实时显示.环境的温度和湿度可以通过传感器DHT11进行采集，DHT11是全数字型温湿度传感器，DHT11摄氏温度测量范围：0～50 ℃，摄氏温度测量精度:±1～±2 ℃，其湿度测量范围在20%RH—95%RH[1]，它可以满足一般环境温湿度监测的需求.温湿度的显示采用LCD1602，该显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点[2].DHT11传感器是单总线器件，其数据不能直接送往LCD1602进行显示，需要通过单片机对传感器送来的数据进行计算处理，而且LCD1602的显示也需要单片机进行初始化、显示控制等.因此，该检测仪以单片机为核心，由于STC89C52RC单片机具有较高的性价比，所以采用STC89C52RC单片机作为温湿度检测仪的主控芯片，供电方式采用USB供电.具体所需要的所有元件见表1所示.

1.2 温湿度检测仪总体框图

温湿度检测仪由STC89C52RC单片机及最小系统、温湿度传感器电路、显示电路及供电电路等主要部分组成.温湿度检测采用DHT11传感器，单片机在软件程序控制下读取DHT11的温湿度数据，并且对数据进行计算处理得到实际温度和湿度，送往LCD1602液晶屏进行显示.温湿度检测仪的系统整体框图如图1所示.

表1 温湿度检测仪所需元件清单

图1 系统整体框图

2 基于立创EDA的PCB设计

2.1 基于立创EDA的电路原理图设计

立创EDA是一个基于云端平台的电路设计工具，联网即用，2019年7月推出离线版，立创EDA的设计操作界面简洁，操作步骤简单[3].图2为基于立创EDA设计的温湿度检测仪的电路原理图.电路原理图采用模块化设计，包括八个模块，分别用M1、M2、…M8表示，采用模块化设计使得电路更简洁，其中M1模块为晶振电路，为单片机提供工作所需要的时钟；M2模块为复位电路，当单片机上电瞬间，通过对电容充电在RST引脚上产生高电平使单片机复位，在单片机启动之后可以通过按键K4对单片机进行复位；M3模块为主控芯片单片机，STC89C52RC单片机共有40根引脚，其中电源引脚2根，分别为VCC和GND；控制引脚4根，使用片内ROM，因此EA引脚接高电平；IO引脚共32根，用于单片机的输入和输出；；M4模块LCD1602显示模块，LCD1602的引脚有16根，对温湿度信息进行显示；M5为温湿度传感器模块，DHT11有4根引脚，分别是VCC、GND、IO和NC，NC悬空即可，I/O需要外接5k的上拉电阻，M6为供电接口，SW1为电源开关；M7为电源指示灯，接通电源即SW1按下时，LED1点亮，M8为单片机程序下载接口，通过下载器与J1端子相连，在STC-ISP软件配合下，将Hex文件烧录到单片机.

图2 温湿度检测仪电路原理图

2.2 基于立创EDA的PCB设计

在已经完成电路图的基础上，将电路图转PCB，在转PCB之前需要进行原理图检查，通过原理图转PCB会把元件导入到PCB中，然后调整元件位置，合理布局，最后进行布线，立创EDA可以进行手动布线，也可以进行自动布线.该PCB采用先自动布线再手动局部调整的方式布线，布线完成之后会出现一个布线完成对话框，显示布线完成如图3所示，布线失败数为0，说明布线成功，自动布线之后LCD1602液晶显示器与单片机引脚的连线间距过小，可以进行手动调整，结果如图4所示，接下来对VCC和GND网络进行敷铜.

图3 布线完成对话框图 图4 PCB自动布线手动调整

立创EDA软件支持PCB的2D预览与3D模型预览，设计完成PCB后，可以通过2D预览查看PCB图样，通过3D模型直观的观察所设计产品的元件布局及外型，通过观察其3D模型，可以发现PCB设计中存在的一些问题，比如元器件的布局是否合理等.

2.3 导出生产文件

Gerber文件是一种符合EIA标准的，有GerberScientific公司定义为用于驱动光绘机的文件.PCB打样厂用Gerber文件制作PCB.PCB设计好之后生成Gerber文件，即可交由工厂生产PCB电路板，可以在PCB板上加上自己的LOGO或标注.

3 软件设计

温湿度检测仪中的DHT11和LCD1602液晶显示器是需要一定的时序才能进行读取温湿度和显示的，因此需要根据各器件的时序编写其单片机程序，采用多文件的编程方式，包括主程序main.c、DHT11_LCD1602.c和头文件DTH11_LCD1602.h，便于程序调试寻找错误和后期移植.在主程序main.c中，通过文件包含将所采用的单片机的头文件和自定义头文件包含进来，定义LCD1602的显示数组，LCD1602_Init()、LCD_Delay()、DHT11_delay_ms()、DHT11_Receive_All()、LCD1602_Display()为自定义函数调用，函数具体实现在DHT11_L CD1602.c中.主程序如下：

#include"reg52.h"

#include"DTH11_LCD1602.h"

unchar code LcdData[10]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x39};

void main()

{

LCD1602_Init(); //初始化LCD

LCD_Delay(10);

while(1)

{

DHT11_delay_ms(1500); //DHT11上电后要等待1S以越过不稳定状态

DHT11_Receive_All();

LCD1602_Display();

}

}

程序采用C51语言进行编写程序，通过Keil进行程序编写及调试，然后生成单片机需要的Hex文件，如图5所示，Keil编译显示0错误、生成hex文件.

图5 Keil编译无错误界面

4 实物制作

首先进行实物焊接，根据电路原理图和元器件清单将元器件焊接在PCB电路板上，然后通过下载器和PCB板上的下载电路，将Keil生成的Hex文件下载到单片机里，观察显示结果.经过反复调试和修改程序，最终得到正确的显示效果，如图6所示.LCD1602第一行显示湿度，第二行显示温度.如果改变环境的温湿度，LCD1602显示也会随着发生改变，进行实时显示.

图6 温湿度显示

在调试过程中遇到两个问题，一个是LCD不显示，经过改变可调电阻的值，使得液晶屏的亮度发生变化，从而能够进行显示；另一个问题是只显示第一行，通过调整程序当中LCD1602的初始化过程，完美解决了在调试过程中出现的问题.

5 总 结

经过方案设计、电路原理图设计及PCB打板、焊接、编程等过程，开发出一款性价比较高的温湿度检测仪，能够进行常规的检测，适用于一般需求，和市面上现有产品相比具有体积小、检测方便等有点，但成本造价有些偏高.该检测仪仍有以下需要改进和完善的地方：(1)元件位置的布置和LCD162配套的可调电阻的位置如果不被LCD1602遮挡，那么调整LCD1602的亮度会方便；(2)单片机若是横着摆放，会节省一定的空间，可以进一步降低PCB的成本，同时产品体积更小.(3)不便于扩展：该检测仪没有预留出接口，单片机的IO口还有多个空闲，在PCB设计的时候没有引出来，对于后续扩展带来不便.