臥室溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安徽省蚌埠學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院 芮旺勝 吳章洋 儲(chǔ) 燁

人們的日常生活與溫度、濕度兩個(gè)影響人體正常生活的自然因素息息相關(guān)，它們能夠影響人們的正常生活，所以監(jiān)測(cè)這兩個(gè)重要因素極其重要。本設(shè)計(jì)采用51單片機(jī)STC89C51為核心處理器，由空氣溫濕度DS18B20為傳感器將所測(cè)數(shù)據(jù)送入單片機(jī)，進(jìn)行運(yùn)算處理，最終在LCD1602液晶屏幕上顯示測(cè)量結(jié)果。系統(tǒng)將基于模塊化設(shè)計(jì)來(lái)確定各模塊單元，并選擇相應(yīng)的電子元器件，進(jìn)而進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件電路主要由單片機(jī)電路、傳感器電路、電源電路、液晶顯示電路等組成。

溫度、濕度這兩個(gè)因素影響人們的正常生活，尤其在我們生活中占有時(shí)間較多的居住環(huán)境，所以實(shí)施對(duì)臥室居住環(huán)境的溫、濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)很有必要。臥室溫度、濕度過(guò)高過(guò)或過(guò)低，會(huì)影響人們的身體健康。此款溫濕度采集系統(tǒng)在溫度、濕度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)提供燈光報(bào)警，提醒人們注意調(diào)節(jié)自己所處的環(huán)境溫度、濕度。實(shí)現(xiàn)了對(duì)臥室的溫度、濕度實(shí)時(shí)檢測(cè)。

以STC89C51單片機(jī)為核心處理器，通過(guò)對(duì)空氣溫濕度測(cè)量?jī)x的模塊化，選擇出對(duì)于居住環(huán)境最優(yōu)的類型，根據(jù)元器件類型的型號(hào)進(jìn)行各個(gè)模塊的軟件編寫(xiě)，進(jìn)行本次設(shè)計(jì)的電路硬件和軟件的校核，最終提供對(duì)于臥室溫濕度的準(zhǔn)確數(shù)值，提醒用戶自己的居住環(huán)境中的實(shí)時(shí)溫度、濕度環(huán)境。

選用Altium Designer軟件對(duì)設(shè)計(jì)選用的電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，適用于臥室溫濕度采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

我們的采集系統(tǒng)選取STC89C51單片機(jī)為核心，選用DS18B20實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的溫度以及濕度的采集系統(tǒng)。使用外接晶振，通過(guò)電子調(diào)整頻率的方法保持同步。復(fù)位電路利用它把電路恢復(fù)到起始狀態(tài)，就像計(jì)算器的清零按鈕的作用一樣，以便回到原始狀態(tài)，重新進(jìn)行計(jì)算。

DS18B20傳感器其輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有體積小、硬件開(kāi)銷(xiāo)低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)。DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，與單片機(jī)連接時(shí)，通過(guò)一條口線即可實(shí)現(xiàn)STC89C51與DS18B20的雙向通訊。通過(guò)LCD1602液晶顯示實(shí)驗(yàn)程序產(chǎn)生的溫度、濕度、時(shí)間，顯示程序的正確性。聲光報(bào)警系統(tǒng)，在溫度或者濕度超過(guò)或低于某個(gè)設(shè)定的數(shù)值，提供聲光報(bào)警，提醒用戶溫濕度傳感器已經(jīng)不在適宜的范圍中。如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)作為我們的控制模塊的核心內(nèi)容,也是屬于我們整個(gè)系統(tǒng)的核心，是可以直接影響到系統(tǒng)的整體性能、總體價(jià)位、開(kāi)發(fā)難度等，綜合考慮后選擇STC89C51單片機(jī)。單片機(jī)運(yùn)用比較廣泛，它的處理速度能夠滿足本次設(shè)計(jì)的總體需求，由于STC89C51單片機(jī)接口較多，數(shù)量也能夠滿足。STC89C51是單時(shí)鐘機(jī)器周期的單片機(jī)，全雙工，擁有4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器，配合PC端的控制程序，可將用戶的程序代碼通過(guò)軟件下載進(jìn)入STC89C51單片機(jī)內(nèi)部，而且速度更快。

圖1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案

電路的溫濕度采集系統(tǒng)選擇DS18B20傳感器，它具有的優(yōu)點(diǎn)是體積小、硬件開(kāi)銷(xiāo)低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高，主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀，可用于各種各樣的極限溫度場(chǎng)合，也適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件以及它的轉(zhuǎn)換電路集成在類似于一只三極管的集成電路內(nèi)，使用方便。如圖2所示。

圖2 溫濕度采集系統(tǒng)工作原理

2.2 LCD1602液晶顯示

系統(tǒng)通過(guò)STC89C51單片機(jī)與溫濕度傳感器DS18B20電路相連接，使用LCD1602液晶顯示屏來(lái)顯示對(duì)于系統(tǒng)產(chǎn)生的傳感數(shù)據(jù)。LCD1602能夠產(chǎn)生32位字符顯示，1602表示每行顯示16個(gè)字符，一共可以顯示兩行。這類液晶通常稱為字符型液晶，只能顯示ASCII碼字符，系統(tǒng)能夠產(chǎn)生我們所需要的字符型液晶顯示，所以使用LCD1602就可以讓液晶顯示，我們就可以通過(guò)LCD1602液晶使溫度、濕度顯示出來(lái)。

2.3 復(fù)位電路與聲光報(bào)警系統(tǒng)

通過(guò)溫濕度傳感器對(duì)我們居住環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，用來(lái)保證我們的身體健康。溫度、濕度超過(guò)平常數(shù)值常會(huì)對(duì)人體造成危害。室內(nèi)濕度也不宜過(guò)高或過(guò)低，室內(nèi)濕度過(guò)高，人體散熱就比較困難。室內(nèi)濕度過(guò)低，空氣干燥，人的呼吸道會(huì)干澀難受。室內(nèi)溫度不宜過(guò)高也不宜過(guò)低，室溫過(guò)高會(huì)使人感到悶熱難受。當(dāng)溫度或者濕度在正常范圍內(nèi)產(chǎn)生變化的時(shí)候，不會(huì)產(chǎn)生影響。

復(fù)位電路的作用：在上電或復(fù)位過(guò)程中，控制CPU的復(fù)位狀態(tài)，在這段時(shí)間控制讓CPU保持復(fù)位狀態(tài)，擁有一個(gè)緩存時(shí)間，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止STC89C51單片機(jī)發(fā)出錯(cuò)誤的指令，使其執(zhí)行錯(cuò)誤操作，通過(guò)復(fù)位電路，可以增加容錯(cuò)率，減少錯(cuò)誤的發(fā)生。如圖3所示。

圖5 系統(tǒng)整體原理圖

在溫濕度傳感器的使用過(guò)程中，需要復(fù)位電路將電路恢復(fù)到起始狀態(tài)防止臥室溫濕度采集系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤而導(dǎo)致不能使用，復(fù)位重新啟動(dòng)，可以繼續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臥室溫度、濕度。

圖3 復(fù)位電路控制系統(tǒng)模塊圖

圖4 聲光報(bào)警系統(tǒng)模塊圖

溫度或者濕度在正常范圍內(nèi)產(chǎn)生變化的時(shí)候，不會(huì)產(chǎn)生影響。但是在超過(guò)或者低于我們?cè)O(shè)定的數(shù)值時(shí)，就可以產(chǎn)生燈光報(bào)警，用戶根據(jù)顯示系統(tǒng)就可以知道我們居住環(huán)境所需要的溫度、濕度，從而準(zhǔn)確的給自己的居住環(huán)境通過(guò)其它方式，帶來(lái)最舒適的環(huán)境。如圖4所示。

2.4 人機(jī)交互系統(tǒng)

通過(guò)溫濕度傳感器，系統(tǒng)由液晶顯示與聲光報(bào)警兩個(gè)部分組成。液晶顯示通過(guò)LCD1602液晶顯示屏，通過(guò)ACSII的字符顯示出溫度、濕度、時(shí)間等數(shù)據(jù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，并且及時(shí)告訴使用者溫度或者濕度是否在正常的范圍內(nèi)。聲光報(bào)警器，在設(shè)定好我們對(duì)于溫濕度傳感器的數(shù)值時(shí)，超過(guò)或者低于我們所設(shè)定的正常數(shù)值，系統(tǒng)將會(huì)提供報(bào)警功能，提醒使用者在不適合的生活環(huán)境之中。如圖5所示。

圖6 軟件顯示框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)使用keil4和stc-isp兩個(gè)軟件，通過(guò)keil來(lái)設(shè)計(jì)和編程C語(yǔ)言，軟件需要對(duì)程序進(jìn)行初始化、溫濕度監(jiān)測(cè)、是否在正常數(shù)值以內(nèi)、設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)時(shí)間等。如圖6所示。

結(jié)論：系統(tǒng)通過(guò)溫濕度傳感器的芯片DS18B20實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)房間內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，將所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過(guò)STC89C51單片機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)復(fù)位電路和LCD1602顯示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掌握，當(dāng)溫度或者濕度不在我們的正常范圍之內(nèi)時(shí)，我們可以通過(guò)聲光報(bào)警系統(tǒng)，再通過(guò)系統(tǒng)得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，提醒用戶未在我們所設(shè)定好的溫度、濕度范圍內(nèi)。