刍议单片机在温湿测控技术中的应用研究

马巍

摘要：部分领域对于温度、湿度要求较高，在使用以往技术时经常出现温湿测控结果不精准现象，长期如此，很可能造成一定程度的经济损失。为了切实解决这一问题，可以将单片机应用于温湿测控技术之中，利用单片机特性强化测控效果。基于此，以单片机为核心，提出其在温湿检测技术中的应用系统结构，继而指明温度测控硬件与软件设计 。

关键词：单片机  温湿测控  技术应用  系统设计

Discuss on Applied Research on Microcontrollers in Temperature and Humidity Measurement and Control Technology

MA Wei

（Changzhou Technician College， Jiangsu Province，Changzhou， Jiangsu Province， 213032 China）

Abstract： Some fields have high requirements for temperature and humidity， and the measurement and control results of temperature and humidity are often inaccurate when using previous technologies， which is likely to cause a certain degree of economic losses in the long run. In order to effectively solve this problem， the microcontroller can be apply to temperature and humidity measurement and control technology to use the characteristics of microcontrollers to strengthen the measurement and control effect. Based on this， this paper takes the microcontroller as the core， puts forward its application system structure in temperature and humidity detection technology， and then points out the hardware and software design of temperature measurement and control.

Key Words：Microcontroller; Temperature and humidity measurement and control; Technology application; Systematic design

近年來，许多机会要求检测环境温度和湿度，对测量精度的要求也逐渐提高，单片机的使用大大自动化了温度和湿度测量并将其数字化。高精度数字温湿度传感器和显示模块与单片机相连，无线模块温湿度测量系统和输出报警模块具有数据读取方便、测量精度准确、性能稳定等特点，其优点远远优于传统的手动测量仪器。因此，数字温湿度测量技术相继应用于对温湿度精度要求极高的行业。

1 系统结构

1.1 系统总体结构

无线局域网模块HM-WF826B负责实时传输检测到的温度、湿度和系统状态。顶级管理服务器。信号输出模块由两部分组成：声学和光学信号电路。基于采集的8通道温湿度数据，实时显示网络控制状态。如果超过极限值，则根据情况输出声音和灯光信号。整个机器作为温度和湿度控制中心。实时的环境检测和及时的数据收集使环境温度和湿度能够根据历史记录进行调整，以更好地控制环境。

1.2 温湿度传感器

SHTLL提高了温度并降低了相对湿度，与加热前测得的值略有不同。单片机与温湿度传感器的通信采用两线SCK和连续数据接口，SCK是时间线，data是数据线。硬件接口非常简单。需要注意的是，数据线需要外接电压电阻，而SCK时钟线用于同步微处理器和SHTL之间的通信。由于此接口的静态逻辑，SCKZUI是不必要的。SCKZUI频率在工作电压大于4.5 V时为10 MHz，工作电压低于4.5 V时为1 MHz。虚拟时钟线，扩展端数据库10kom接电阻，接VDD和GNDmm紧凑型电容F^[1]。

2 基于单片机测控系统的特点

单片机是测控系统的关键部件，具有强大的数据处理能力，可以最大限度地减小测控系统中可能出现的系统误差和随机误差。需注意这一过程和测量都会受到随机、不可预测和不确定的振幅和符号误差的影响。经过长时间的实际测量，也发现了随机测量误差的统计模式。概率论和统计学的应用表明，在自主测控系统中，随机误差通常是分布的。当多个测量协同工作时，随机误差具有一定程度的补偿和对称性。因此，使用统计平均值来消除这种随机误差。随着错误数量的增加，平均值必须与真实值保持中立。因此，在系统每次测量后，必须根据平均样本值对样本测量数据进行多次分析。此外，自动校准方法提供了自动校准以避免系统误差。该方法主要用于模拟信号输入通道。在微控制器发送指令后，从A/D读取的参考源电压被输入校准开关，校准开关将其用作测量系统的每个臂的参考标准，并使用校准参考标准，这种校准方法基于微控制器的存储和计算功能，具有较高的校准效率和方便的用户校准程序。另外，微控制器不仅可以处理计算机测量数据，还可以校准系统中的非线性和线性数据，通过串行和并行通信接口，可以实现对系统独立测控和信息传输的远程控制，方便了分布式数据采集和远程测量以及网络数据管理。

3 温度测控硬件与软件设计

3.1 硬件结构

单片机的硬件结构是通过一个封闭的温度和湿度检测系统来实现的。数据采集卡捕捉温度和湿度变化，通过单片机将其传输到控制电路，并通过键盘将其输入单片机。传输的信号由D/a转换器转换，D/a转換器在频率调制期间驱动电机。电机使用速度传感器将信号转换为a/D，最后通过LED电路显示实际的温度和湿度变化。单片机的硬件结构将检测值保持在固定范围内。如果外部环境没有变化，设备的结构也没有变化，因此可以及时记录环境温度和湿度的变化。通过观察温度和湿度的变化，农业生产者可以推广他们的生产方法，从而提高他们在变化的条件下使用技术的能力，以促进农业生产并实现长期发展目标。

3.2 硬件设计

3.2.1 独特的AT89C51集成系统

集成系统AT89C51是一个低电压、高性能的8通道微处理器系统。当进入系统数据时，微控制器具有清除闪存的能力，这是由高精度工业数据存储系统Atmel实现。将多芯片系统集成在单片机的控制下，增加了系统的灵活性。AT89C51集成宏处理器系统兼容MCS-51系统，具有4K字节的可编程闪存，最高可清理数千次。它可以独立编程并重复使用。这个数据可以保存十年。典型的静态操作是0～24 Hz，带记忆锁的三层程序。内部RAM是一个32位可编程控制器，具有32位I/O总线和两个固定的16位I/O总线。它是一个时间机器和五个中断源。可以通过串行编程、低负载模式和关闭来实现控制^[2]。

3.2.2 DS18B20数字温度传感器的探究

基于DS18B20抗干扰集成系统升级，ROM功能码第八位一行编码，后48位顺序编码。在56位数据中找到最后一个8位CRC。内置的DS18B20系统具有64位存储和临时RAM功能，但内部数据存储和数据存储功能在故障后容易丢失。目前每个字节包含9位随机存取存储器，其中3位和4位用于温控值复位后更新的温度转换数据位。第5位是EEPROM映像，第6位、第7位、第8位是计数器寄存器。温度数据决定了用户更改和添加的系数，即温度控制的内部变化。DS18B20温控IS系统采用RAM进行图像处理，提供高存储容量不丢失数据，EEPROM存储高低温及相关数据。测量湿度的方法有很多种。其基本原理是分析空气中的物质，根据数据确定吸附水的分子量，间接分析湿度对吸附物质控制的影响。电容式、电阻式和湿度传感器是湿度计的3种类型。HS1101传感器系统不需要校准，因其具有较高的长期稳定性和较高的可靠性，它可以在适当的时间内作出快速反应，并封装辅助数据。用于生产线的电压输出和功率控制，以及生产线数据的自动采集。电容式传感器HS1101的相对湿度单位为零到零，误差小于2%PF。有效响应时间为5 s，温度相关系数为0.04。电容式传感器系统HS1101作为电路中的电容器附件而存在。随着工厂容量的增加，湿度传感器可以用来测量湿度。湿度传感器可用于测量充电和放电。正弦波电压信号由振荡电路组成，数字信号经过放大和转换后形成。

3.3 软件设计

3.3.1 数据收集

温度数据的采集是分析温湿度变化的重要指标，也是系统软件功能的实现。在DS18B20系统中执行独特的功能处理后，系统对收集的数据进行分类，并识别影响温度变化的因素。种植作物可以更好地控制农业生产。在数字音量自动转换过程中，基于设计系统的数据采集功能，实现了单片机的数据处理功能。在湿度监测和控制过程中，系统软件根据计算机识别的结果进行模拟实验，以确定各种因素的影响程度。根据土壤水分信号的各种变化，信号变化传感器在检测过程中接收检测结果，使信号变化形式更适合实际环境条件。直流信号通过A/D转换器从模拟信号转换为数字信号。数字信号传输到单片机后，系统软件根据数据类型创建数据处理系统，使用PID算法计算数据并比较所选控制变量的控制效果。

3.3.2 数字滤波

数字过滤是数据比较过程的结果，该过程使用计算机过滤功能来管理数据并更好地了解环境温度和湿度的变化。技术人员需要彻底分析样本数据。在过滤了影响因素后，数据可以输入与系统计算方法相匹配的计算机软件系统中。这确保了所获得的统计数据更准确地反映了环境条件，并且减少了误差的数量。过滤掉位置影响的能力可以通过处理第一次收集的数据来提高软件系统的效率。使用介质筛选器显示数字筛选器结果。通常，通过比较收集的样本值并将中值转移到固定位置来收集3个样本^[3]。

3.3.3 防篡改

有很多方法可以防止入侵者，例如设计软件陷阱和添加硬件控件。当一个不受控制的程序进入“无限循环”时，通常会使用“看门狗”技术将程序从“无穷循环”中断开。如果连续程序循环时间检测确定程序循环时间超过了最大循环时间，则认为系统已进入“无休止循环”，需要进行错误处理。“看门狗”技术显著提高了系统的可靠性，而传统的“看门狗”则确保了系统运行更加稳定可靠。

3.3.4 PID控制的计算

控制算法是控制系统的主要组成部分，是控制系统稳定性和质量的关键。该系统由闭环单片机（DDC）直接控制。其工作原理是根据给定的采样时间T选择控制变量（温度、湿度），并使用控制算法计算控制变量。控制变量用作输出控制驱动器，以实现对受控对象的控制。自动控制由一个以单片机为核心的控制器组成。温湿度控制软件由E偏差和EC偏差变化率、数据量化算法和增量PID控制算法等软件模块组成。单片机首先读取实际数字速度，并将其与指定速度进行比较以获得差值。然后单片机根据差值调用PID程序，计算并输出模拟电压来控制变频器，调整受控对象的电机速度，并找到改变PID参数的最佳条件。

3.3.5 温度和湿度处理

单片机和温度湿度传感器使用与I2C协议不兼容的连续双线SCK和DATA接口。由于使用双线串行接口，SHTL的操作严格按顺序进行，只有五个用户命令，即温度测量命令（03h）、湿度测量命令（05h）、寄存器读取命令（07h）、注册表写入命令（06h）和软启动命令（1eh）。单片机发送一个启动命令，随后是一个由3位地址位（芯片配置为地址000）和5位命令位组成的8位命令代码。发送命令代码后，将数据总线设置为输入状态，并等待SHTL响应。在接收到上述地址和命令代码后，SHTL将在第八时钟下载数据，直到ACK达到芯片的低电平；第九次下降后，芯片释放数据总线（返回高电平）；松开轮胎后，开始测量当前的湿度。测量完成后，数据总线再次被拉下。单片机检测到数据总线已被删除，表明湿度测量完成，并发送SCK时钟信号；当时钟第八次下降时，芯片首先输出高字节的数据；当时钟第九次出现故障时，单片机关闭数据总线作为ACK信号，然后释放数据总线。在接下来的8-SCK周期中，芯片发送低字节数据。当下一个SCK下降时，MCU再次关闭数据总线以接收数据作为ACK信号；在处理之后，8-SCK芯片沿着CRC发送数据以进行验证。如果MCU没有响应（NACK），则表示测量结束。SHTLL自动切换到睡眠模式^[4-5]。

3.4 抗干扰技术

3.4.1 硬件抗干扰技术

所谓干扰源特别是指强迫干扰。一般来说，这主要是由于雷击或大型设备造成的低电压或高电压，以及波浪和瀑布等各种形式的干扰。在这种情况下，根据干扰源的不同，可以使用以下两种方法。首先，变阻器可以连接到交流网络的输入端，有效地避免干扰。这不仅提供了雷电保护，而且还有效地吸收了波浪的压力。其次，功率扰动的主要原因是高次谐波，因此有必要结合低通滤波器来抵抗干扰^[6]。其中，50 Hz城市电气采用低通滤波器滤除高次谐波，可以有效改善电力波形。然而，当通过低电压和高电流滤波器时，必须使用主要由小电感器和大电容器组成的屏蔽。如果滤波器在高压下工作，则应使用由小电容器和最大允许电感组成的滤波器网络。当信号通道通过传输线连接到外部设备时，由于传输介质主要由传输线和I/O通道信号组成，无论是模拟信号还是数字信号，不可避免地会发生进入通道的干扰。因此，应采取积极措施防止这种情况的发生。首先，电线应尽可能远离高性能设备，使用屏蔽线以防止长电力线的干扰，并应积极采用光通信方法以确保长电力线完全漂浮。其次，数字抗干扰设计继电器必须采用光电绝缘和绝缘方式。其中，光电绝缘可以有效抑制峰值脉冲和各种干扰影响，而继电器绝缘主要针对小负载和停机情况设计。如果设备没有高的速度要求，实际效果要高于光伏绝缘^[7]。

3.4.2 软件抗干扰技术

单片机在温湿测控中的抗干扰技术，其中之一就是媒体过滤，确保在连续采集n个样本并按大小排序，然后选择平均值作为有效样本。这种方法的主要优点是可以克服随机因素引起的波动干扰，但也有一些缺点，尤其是在速度变化快的参数测量中。有限过滤法。该方法根据个人经验确定两个样本之间的最大允许偏差^[8]。如果当前值与先前值之间的差值未超过每次新测量的最大偏差，则当前值被视为有效。否则，它将无效，必须保存并替换为以前的值。这种方法的主要优点是可以消除由随机因素引起的脉冲干扰。然而，最大的缺点是难以控制周期性扰动和较差的数据流。一旦CPU被破坏，操作数就会作为命令执行，从而导致程序混乱。许多单片机语句的大小不超过3字节，这使得单字节语句更加常见。这意味着必须在关键点添加单独的字节语句，以确保弹出窗口能够在短时间内返回到正确的控制区域。一旦程序被破坏，它将进入非程序区域，因此随机飞行拦截程序必须导入重置区域进入位置才能获得应用指令。在这一点上，还安排将程序移動到错误处理程序中，以便系统能够正常地满足程序的要求^[9-10]。

3.4.3 其他抗干扰技术

随着自动微控制器控制系统抗干扰能力的提高，除了硬件的改进，软件也可以用来提高抗干扰能力。（1）数字滤波软件技术。在自动微控制器中，输入通信中存在许多干扰源。在软件中使用数字滤波技术可以有效地滤除一些误差信号，提高信号传输的准确性。其应用原理是利用软件的数字滤波技术，将输入信号操纵到数字输出电流存储设备中，从而控制输出误差信号。（2）软件陷阱技术。软件陷阱技术主要是指拦截、拦截和处理一些错误信号和程序，以提高系统的免疫力。例如：软件陷阱技术可以用于ROM区域、程序中间等。已安装，将接收到的非受控程序转换为容错处理技术中的程序，以确保输出信号的质量。（3）自我控制。如果微控制器的自动控制系统有缺陷，也可以使用以下方法进行修复。首先，重新读取信号，如果外部信号中断，可能会发生干扰；如果编辑没有及时完成，程序可能会中断。因此，可以通过重新读取信号来防止不正确的中断语句的执行。其次，可以及时关闭未使用的空间。当外部信号被切断时，可以及时关闭未使用的空间，并及时控制故障程序和信号，以提高系统的免疫力。

4 结语

总而言之，随着单片机逐渐渗透到生活的不同领域，合适的数字温湿度测量技术的优势越来越明显。它最突出的特点是易于阅读，测量范围大，精度高。可在特殊条件下精确测量，同时确保其性能的稳定性。因此，学习机器温湿度的数字化测量技术是非常重要的。本文采用AT89C51单片机、DS18B20，具有工作效率高、温度转换方便的特点。整个闭环控制系统根据PID设定的参数自动调节温湿度控制器并启动，以满足现场要求。同时，通过数字显示器可以清楚地观察温度和湿度值，并用于处理阈值信号。该设备始终可用且可靠。

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