基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王子亮

摘? ?要：溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是環(huán)境管理體系中的重要組成部分，在環(huán)境穩(wěn)定性、安全性、舒適性、可靠性、適宜性的保障上發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。立足溫濕度監(jiān)控需求，將單片機(jī)作為系統(tǒng)微處理器芯片，在數(shù)據(jù)采集技術(shù)、視頻顯示技術(shù)、傳感器技術(shù)等結(jié)合應(yīng)用下，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制，并為相關(guān)研究提供有益指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);溫濕度監(jiān)控;監(jiān)控系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫濕度在環(huán)境管理中的重要性決定了其監(jiān)測(cè)管控的必要性，尤其在對(duì)環(huán)境具有較高要求的場(chǎng)所中，如溫室培養(yǎng)、食品運(yùn)輸、藥品存儲(chǔ)、檔案管理、裝備儲(chǔ)存、住宅供暖等。對(duì)此，加強(qiáng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)，在保證溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)基本功能的基礎(chǔ)上，降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性、安全性，提升系統(tǒng)工作質(zhì)量與效率，勢(shì)在必行。以下是筆者在研究過(guò)程中提出的一種基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，意在拋磚引玉。

1? ? 基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)是基于環(huán)境建設(shè)與管理要求形成的一種以空氣溫度、空氣濕度為監(jiān)控對(duì)象，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)等結(jié)合應(yīng)用為支撐的環(huán)境自動(dòng)化、智能化管控系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)目的在于滿(mǎn)足各領(lǐng)域、各行業(yè)（紡織、醫(yī)藥、食品、武器裝備、檔案管理、植物栽培、畜牧養(yǎng)殖、建筑工程等）對(duì)環(huán)境變化的要求。因此，基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)基本功能需求如下：（1）系統(tǒng)能夠代替人工對(duì)空氣溫度、濕度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)溫濕度各項(xiàng)參數(shù)的收集、整理與分析。（2）系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境實(shí)際情況與溫濕度控制要求，對(duì)溫濕度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)溫濕度智能化控制。（3）系統(tǒng)用戶(hù)界面具有較強(qiáng)交互性，且操作簡(jiǎn)單，可根據(jù)用戶(hù)需求進(jìn)行相關(guān)信息的直觀、快速、準(zhǔn)確顯示。（4）系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控、歷史信息查詢(xún)、登錄終端自由切換、網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題自主性預(yù)防等特殊功能。（5）系統(tǒng)存在可拓展性，可根據(jù)用戶(hù)個(gè)性化需求實(shí)現(xiàn)具體情境的具體設(shè)定，保證系統(tǒng)可持續(xù)應(yīng)用與大范圍推廣[1]。

2? ? 基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路分析

根據(jù)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本功能需求，在進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)，本設(shè)計(jì)利用溫濕度傳感器進(jìn)行空氣溫濕度信息的有效采集。本設(shè)計(jì)選用功耗低、成本小、反應(yīng)快、性?xún)r(jià)比高、抗干擾能力強(qiáng)的STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)核心，滿(mǎn)足溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)嵌入式設(shè)計(jì)需求。設(shè)計(jì)配置數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，既能斷電保存，也能歷史回顧。本設(shè)計(jì)利用液晶顯示器進(jìn)行溫濕度監(jiān)測(cè)值實(shí)時(shí)顯示，并配置告警模塊，當(dāng)溫濕度值超出設(shè)置范圍時(shí)，將進(jìn)行自動(dòng)告警與自動(dòng)調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)在藍(lán)牙技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)等結(jié)合應(yīng)用下，實(shí)現(xiàn)溫濕度系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。溫濕度系統(tǒng)測(cè)溫范圍在-10～50 ℃，測(cè)濕范圍在5%～90% RH，溫度測(cè)量誤差控制在2 ℃以?xún)?nèi)，濕度測(cè)量誤差控制在5%以?xún)?nèi)，能夠在多場(chǎng)景進(jìn)行應(yīng)用，如室內(nèi)、車(chē)內(nèi)、倉(cāng)庫(kù)等，采用溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)組織架構(gòu)[2]。

3? ? 基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

在溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為保證其設(shè)計(jì)思路的實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)基本功能的發(fā)揮，應(yīng)以先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為支撐。就本系統(tǒng)而言，應(yīng)用到的科學(xué)技術(shù)相對(duì)較多，其中單片機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、通信技術(shù)等是較為關(guān)鍵的技術(shù)。

3.1? 單片機(jī)技術(shù)

單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)，又被稱(chēng)為“微控制器”，是一種具有高度集成性的電路芯片。在通常情況下，單片機(jī)能夠?qū)⒅醒胩幚砥鳎–entral Processing Unit，CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Random Access Memory，RAM）、只讀存儲(chǔ)器（Read Only Memory image，ROM）、定時(shí)器/計(jì)算器、A/D轉(zhuǎn)換器、I/O口等集成，構(gòu)成一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)普遍具有可靠性高、處理速度快、功耗低、控制能力強(qiáng)、適用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，能夠滿(mǎn)足多數(shù)控制系統(tǒng)的需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊化發(fā)展[3]。因此，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，選用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)主控芯片，進(jìn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)信息的有效管控。

3.2? 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

在構(gòu)建基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，其溫濕度數(shù)據(jù)收集、處理與分析能力直接影響系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量與效率。對(duì)此，基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)需配置數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，用于對(duì)溫濕度信息進(jìn)行及時(shí)采集與處理。在此過(guò)程中，借助溫濕度傳感器的溫濕度檢測(cè)功能，能夠完成溫度與濕度的信息采集，并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)與電信號(hào)的有效轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)信息在系統(tǒng)中的傳輸、分析、存儲(chǔ)與利用。

3.3? 通信技術(shù)

溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行信息傳輸、信息處理、信息利用等離不開(kāi)通信技術(shù)的支持。通信技術(shù)作為綜合性技術(shù)，涉及的內(nèi)容相對(duì)較多，包括數(shù)據(jù)交換、電路基礎(chǔ)、電子線(xiàn)路、通信網(wǎng)絡(luò)等。本研究系統(tǒng)涉及的核心電路組有溫度傳感器接口電路、調(diào)試電路、電源電路、復(fù)位電路、單片機(jī)電路、藍(lán)牙通信接口電路等，在各電路的有效連接下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)外部通信協(xié)調(diào)。

4? ? 基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)分析

4.1? 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，其硬件設(shè)計(jì)主要包括以下幾部分：

（1）系統(tǒng)電源模塊設(shè)計(jì)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)電源模塊運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性、可靠性、有效性直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定、安全與可靠。因此，在基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，需做好電源模塊設(shè)計(jì)工作。本研究的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)所采用的單片機(jī)為STC89C52單片機(jī)，溫濕度傳感器為DHT11溫濕度傳感器。根據(jù)單片機(jī)、溫度傳感器以及其他系統(tǒng)模塊對(duì)電流、電壓的要求，需對(duì)220 V交流電壓做降壓處理，使其在橋式整流電路作用下，由220 V交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?2 V直流電壓、5 V直流電壓、3 V直流電壓，為單片機(jī)、溫濕度傳感器以及其他電路供壓。與此同時(shí)，為進(jìn)一步提高電流、電壓穩(wěn)定性，可利用濾波技術(shù)消除雜質(zhì)，降低諧波、脈動(dòng)的不利影響，讓系統(tǒng)供電始終處于安全、可靠狀態(tài)。

（2）溫濕度采集模塊設(shè)計(jì)。由于溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)督、管控的是環(huán)境中溫濕度變化情況。需要對(duì)溫濕度及其變化信息進(jìn)行采集，并通過(guò)數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)之間的有效轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)傳輸至溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)主控平臺(tái)—STC89C52單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、處理與利用。溫濕度采集模塊須具備溫濕度參數(shù)采集功能、溫濕度參數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，因此，選用DHT11溫濕度傳感器布設(shè)溫濕度采集模塊。DHT11溫濕度傳感器屬?gòu)?fù)合型傳感器，具備電阻式感濕元件、負(fù)溫度系數(shù)（Negative Temperature Coefficient，NTC）測(cè)溫元件，能夠與STC89C52單片機(jī)進(jìn)行有效連接[4]。與此同時(shí)，DHT11溫濕度傳感器體量相對(duì)較小，且信號(hào)傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)（20 m以上），在溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中的適用性更強(qiáng)。此外，DHT11溫濕度傳感器也具備功耗低、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)字信號(hào)輸出準(zhǔn)確等優(yōu)勢(shì)，可有效提升溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的整體性能，提高溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用有效性。

（3）液晶顯示模塊設(shè)計(jì)。液晶顯示器在基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中的有效運(yùn)用是提升溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)交互性、體驗(yàn)性、操作性的重要手段，能夠?qū)貪穸刃畔⒁晕淖?、?shù)值、圖形等形式直觀顯示，便于用戶(hù)對(duì)溫濕度變化情況進(jìn)行分析與掌握。與此同時(shí)，液晶顯示模塊能夠?qū)⑾到y(tǒng)核心功能集中、具體顯示，指導(dǎo)用戶(hù)系統(tǒng)操作行為，讓系統(tǒng)應(yīng)用更具簡(jiǎn)便性、實(shí)用性。例如，用戶(hù)登錄客戶(hù)端之后，進(jìn)入溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)液晶顯示器顯示信息輸入命令;單片機(jī)接受到命令后，依據(jù)系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)執(zhí)行命令，滿(mǎn)足用戶(hù)使用需求。

4.2? 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)核心所在，在保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的有效實(shí)現(xiàn)上有重要作用。就本研究的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)而言，軟件設(shè)計(jì)主要包括溫濕度數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)、系統(tǒng)主函數(shù)設(shè)計(jì)、手機(jī)智能終端程序設(shè)計(jì)、報(bào)警程序設(shè)計(jì)、液晶顯示程序設(shè)計(jì)等。以溫濕度數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)為例，系統(tǒng)在進(jìn)行初始溫濕度信息采集時(shí)需復(fù)位，以免系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)報(bào)問(wèn)題;根據(jù)溫濕度監(jiān)控需求，合理配置溫濕度信息采集時(shí)間，通常情況下采集頻率以1 s為基準(zhǔn);溫濕度數(shù)據(jù)采集程序應(yīng)具備精簡(jiǎn)化特征，以免程序過(guò)于復(fù)雜而影響系統(tǒng)運(yùn)行效率;合理設(shè)置STC89C52單片機(jī)與DHT11溫濕度傳感器之間的數(shù)據(jù)傳輸方式，保證數(shù)據(jù)交換具備較強(qiáng)時(shí)效性，單總線(xiàn)傳輸方式存在信息交換時(shí)序長(zhǎng)的問(wèn)題，可通過(guò)控制其他程序運(yùn)行的方法，提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。以手機(jī)智能終端程序設(shè)計(jì)為例，堅(jiān)持“以人為本”設(shè)計(jì)原則，立足系統(tǒng)實(shí)用性、交互性要求，確保操作界面簡(jiǎn)單、便利、高效。在通常情況下，可利用Eclipse軟件進(jìn)行基于溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的手機(jī)智能終端平臺(tái)開(kāi)發(fā)，完成登錄界面、系統(tǒng)操作界面、信息顯示界面等的設(shè)計(jì)。

5? ? 基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)性能測(cè)試分析

在完成基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建之后，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，以保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本功能的有效實(shí)現(xiàn)，確保系統(tǒng)具有較好的市場(chǎng)推廣前景。在通常情況下，在對(duì)基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試內(nèi)容主要包括性能測(cè)試（如穩(wěn)定性、可靠性、安全性、功能性）、硬件平臺(tái)測(cè)試、模塊測(cè)試（如數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊、服務(wù)器模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊）、代表性界面交互操作測(cè)試（如用戶(hù)登錄、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、監(jiān)控時(shí)段管控、監(jiān)控量調(diào)整）等。通過(guò)上述測(cè)試，本研究的系統(tǒng)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

6? ? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，在溫濕度傳感模塊、告警模塊、視頻顯示模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊等結(jié)合作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)用環(huán)境中溫濕度參數(shù)的有效收集，完成溫濕度檢測(cè)、報(bào)警、遠(yuǎn)程控制、可視化顯示等功能，滿(mǎn)足溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控與遠(yuǎn)程管理需求，讓環(huán)境管理更具簡(jiǎn)單性、便捷性、靈活性、科學(xué)性、時(shí)效性。因此，面對(duì)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景，系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研發(fā)須立足實(shí)際需求，加強(qiáng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的針對(duì)性設(shè)計(jì)，讓溫濕度測(cè)量更精準(zhǔn)、功能更全面、應(yīng)用更實(shí)效。

[參考文獻(xiàn)]

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