实验室温湿度测量系统设计

　　摘  要： 针对当前实验室无法实现温湿度数据实时测量、数据传递不方便等缺点，以数字式温湿度传感器和通用单片机为基础，开发了实验室温湿度测量系统。该系统以AT89S52单片机为主芯片，数字式温湿度传感器SHT21为主要传感器，完成了测量系统硬件系统和软件系统的开发，并且设计了能够传递给上位机数据的通信程序。该系统可以实现温湿度测量，并且可以传递相关数据给上位机，对于实验室数据监测有着积极的作用。

　　关键词： 温湿度；测量；实验室；数据传递

0 引言

　　温湿度是重要的环境参数[1-3]，特别是对于实验室环境，温湿度需要出现在许多的检测报告中。而目前实验室常用的是湿度计和温度表，基本原理是采用水银温度湿度计进行检测，缺点是在需要记录数据的时候要先读取相关数据，非常不方便；同时还无法实现温湿度的实时测量。

　　目前应用较为广泛的温湿度传感器主要是热电偶[4-5]、热电阻[6-8]及湿度等模拟传感器，该类型的传感器输出为模拟信号。为了能够测量该数据需要进行模数转换，在使用过程中较为繁琐。而数字温湿度传感器将温湿度信息直接用数字量输出，能够直接输出给测量系统，因此数字式温湿度传感器在温湿度监测中应用更为方便[9]。

　　为此，拟以成本较低的AT89S52单片机为控制芯片[10]、以低功耗的新型数字式SHT21作为测量温度、湿度的传感器[11]和FYD12864液晶模块[12]，开发用于实验室的温湿度显示及报警系统。

1 控制系统总体结构

　　整个控制系统包括传感器、微处理器、显示模块和电源模块，如图1所示。其中，传感器为SHT21温湿度传感器，该传感器除了配有电容式相对湿度传感器和能隙温度传感器外，还包含一个放大器、A/D转换器、OTP内存和数字处理单元，能够非常方便地测量温度和湿度信号[9]；ECU是整个控制系统的核心，选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52，能够接受输入信号和输出控制信号，同时还包含与上位机的接口，用于程序下载和数据通信；显示模块采用FYD12864液晶模块，用于显示温度和湿度值；报警模块采用蜂鸣器，如果当前温度或者湿度大于设定值就会发出报警；通信模块用于与采集系统进行通信，该通信采用串口通信，用于把温湿度信息传递给采集系统。

2 控制系统硬件设计

　　2.1 温湿度信号处理

　　温湿度传感器SHT21的管脚定义如表1所示，该传感器的供电范围为2.1~3.6 V，推荐电压为3.0 V，为了保证传感器的正常运行，在电源（VDD）和接地（VSS）之间须连接一个0.1 μF的电容，且电容的位置应尽可能靠近传感器。SCL用于微处理器与传感器之间的通信同步，SDA引脚用于传感器的数据输入和输出，当向传感器发送命令时，SDA在串行时钟（SCL）的上升沿有效，在SCL下降沿之后，SDA值可被改变；当从传感器读取数据时，SDA在SCL变低以后有效，且维持到下一个SCL的下降沿。为避免信号冲突，通常在SDA端口需要一个外部的上拉电阻（如10 kΩ）将信号提拉至高电平。

　　在本电路图中，VSS接地，VDD接电源+3 V，NC保持不连接，SDA接单片机P1.6口，SCL接单片机P1.7口，并接两个上拉电阻R3，R4，其大小都为10 kΩ，在VDD与VSS之间接一个0.1 μF的去耦电容，其连接电路图如图2所示。

　　2.2 报警电路

　　蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于各种电子产品中作为发声器件。而在单片机应用的设计上，大部分都会使用蜂鸣器来作提示或报警，为此本设计中也采用蜂鸣器作为报警提示。蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分：一个三极管、一个蜂鸣器、一个续流二极管和一个电源滤波电容。本设计采用如图3所示的电路驱动蜂鸣器，R5阻值为2 kΩ，蜂鸣器驱动电路与单片机的P3.3口连接；蜂鸣器的额电流小于等于30 mA，对于AT89S51单片机来说，P3.3口的灌电流是15 mA，很明显可以看出仅仅依靠P3.3口的电流是驱动不了该蜂鸣器的，这就需要使用晶体管放大电路，所以本设计选用PNP型晶体管。

　　当外部的温度或者湿度超过设定的阈值时，基极变为低电平，蜂鸣器导通发出报警。

　　2.3 显示电路

　　本设计中所采用的FYD12864液晶显示模块是128×64点阵型液晶显示模块，可显示各种字符及图形，具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线。为了能够实现对该模块的控制，采用P0和P2口控制，由于51单片机P0口没有内部上拉电阻，为此需要外部增加上拉电阻，本设计增加的外部上拉电阻为10 kΩ；对于FYD12864液晶显示模块来说，第三引脚VO是对比度电位引脚，本设计中采用10 kΩ的可变电阻来实现对比电压的调整，如图4所示。

　　2.4 通信模块

　　由于单片机输出是TTL电平，而PC输出是-12 V~  +12 V电平，所以需要一个MAX232串口通信模块芯片构成电平转换电路，实现通信时电平信号的匹配，其连接电路如图5所示，其中C1-和C2-表示连接点，分别连接电容的一端。

　　2.5 电源模块

　　本设计中的大部分电路都需用5 V的电压，而温湿度传感器需要用3 V电压，为了能够同时满足两者的需求，本设计采用三端稳压集成电路LM7805。其电路图如图6所示，在输出5 V电压的基础上，通过增加3个1N4007使输出的电压变为2.9 V，能够为温湿度传感器供电。

　　2.6 单片机最小系统

　　单片机最小系统由单片机、复位电路和时钟电路构成，如图7所示。所选用的8位单片机AT89C52具有8 KB的可编程Flash、256 B的RAM、32个I/O口、5个中断源、2个16位定时器，完全满足控制需求；复位电路采用上电复位方式；时钟电路晶振11.059 2 MHz，完全满足系统的要求。

3 控制系统软件设计

　　3.1主程序流程图

　　主程序主要完成硬件的初始化、子程序的调用等功能。在主程序中，首先进行SHT21和FYD12864的初始化，然后调用温湿度采集子程序，接着调用温湿度处理子程序，读取成功后，将读取成功的温湿度数据与所设定的数据相比较，如果超过所设定的温湿度数据，蜂鸣器导通鸣叫，起到报警作用，如果没有超过所设定的温湿度数据，就会直接在FYD12864显示器上显示出来。之后判断是否需要向上位机传递数据，如果需要传递则调用相应的子程序；如果不需要则重复采集温度和湿度数值，进行循环。其流程图如图8所示。

　　3.2 串口通信

　　为便于后续数据的分析及处理，编写了串口通信程序，使用RS232串口，将单片机采集到的数据上传到上位机。

　　上位机和下位机通信分为上位机串口初始化和下位机串口初始化，其中上位机串口初始化程序如下：

　　Private Sub Form_Load（）

　　MSComm1.CommPort=1//使用Com1口

　　MSComm1.Settings="9600，n，8，1"

　　//设置通信参数，波特率9 600，无校验位，发送8位，1个停止位

　　′MSComm1.PortOpen=True//开串口

　　End Sub

　　下位机串口初始化程序如下：

　　/********串口初始化函数**********/

　　void Serial_Init（void）//串口通信初始设定

　　{

　　SCON=0x50；//UART为模式1，8位数据，允许接收

　　TMOD=0x20；//定时器1为模式2，8位自动重装

　　PCON=0x00；//波特率9 600

　　TH1=0xfd； //定时器赋初值

　　TL1=0xfd；

　　TR1=1；//启动定时器TH1

　　ES=1；//允许串口中断

　　EA=1；//开中断总开关

　　}

　　在实际工程中，下位机根据上位机发送的不同数据请求分别发送相应的数据，下位机数据发送程序如下：

　　/********串口接收中断函数**********/

　　void Serial_Recieve_Inter（） interrupt 4 using 3

　　{

　　if（RI）

　　{

　　RI=0；

　　if（SBUF==0） //收到发送温度数据请求

　　{

　　AT24C64_RD（0xa1，AT24C64_Inter_Address_Read_Temp）；

　　AT24C64_Inter_Address_Read_Temp++；

　　//读温度地址加1

　　SBUF=Temp_Val；//向串口发送温度数据

　　while（TI==0）；//等待发送，直到8位数据发送完毕

　　TI=0； //TI清零

　　}

　　if（SBUF==1） //收到发送湿度数据请求

　　{

　　AT24C64_RD（0xa3，AT24C64_Inter_Address_Read_Pres）；

　　AT24C64_Inter_Address_Read_Pres++；//读湿度地址加1

　　if（SBUF==3） //收到发送操作数据请求

　　{

　　AT24C64_RD（0xa3，AT24C64_Inter_Address_Read_Pres）；

　　AT24C64_Inter_Address_Read_Pres++；//读操作地址加1

　　SBUF=Proc_Val；//向串口发送操作数据

　　while（TI==0）；//等待发送，直到8位数据发送完毕

　　TI=0；//TI清零

　　}

　　}

　　}

　　上位机界面采用VB6.0编写，添加其自带的MSComm控件，可以很方便地实现串口通信。上位机采集到的数据以*.text格式存储，便于其他软件的调用分析。

4 实物图

　　为了对所设计的温湿度监控系统进行测试，利用普通万用板进行制作，其实物如图9所示。此时，显示模块、单片机最小系统和串口通信模块分开布局，便于各自调试。

　　经过实际调试，该系统可以正常显示温湿度数据，同时也可以利用自编的上位机程序读取相关数据。

5 结论

　　本文介绍了实验室温湿度测量系统的设计过程，分别从控制系统的总体结构、硬件系统和软件系统进行了介绍，并且利用万用板实现了该系统。该系统结构简单、应用方便，对于实验室温湿度检测有着积极作用。

　　参考文献

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