基于單片機(jī)的機(jī)房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)

賈春剛

（青島海信網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司，山東青島，266071）

1 系統(tǒng)總體設(shè)計架構(gòu)

根據(jù)設(shè)計方案架構(gòu)圖1可以看出，系統(tǒng)由微處理器模塊、OLED液晶顯示模塊、DHT11傳感器模塊、報警模塊和無線通訊模塊組成。方案設(shè)計遵循簡潔的原則，因此，所有的外圍模塊采用串行方式與微處理器模塊連接。該設(shè)計控制核心是STM32F103c8t6單片機(jī)，實現(xiàn)傳輸和處理數(shù)據(jù)的基本功能，其他五大模塊圍繞單片機(jī)展開。在設(shè)計系統(tǒng)時，采用模塊設(shè)計法，通過單獨設(shè)計各個功能模塊，達(dá)到系統(tǒng)架構(gòu)清晰明確的效果。

圖1 系統(tǒng)方案架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)硬件為6個分模塊與1個總模塊連接。DHT11溫濕度模塊DATA引腳與單片機(jī)IO口PC14連接傳輸數(shù)據(jù)，VCC接電源，GND與NC并聯(lián)接地。單片機(jī)的USART連接無線通訊模塊GSM800C實現(xiàn)異步通訊功能。OLED模塊3、4、5、6引腳與單片機(jī)PB1、PB0、PA7、PA6引腳的IO口連接傳輸數(shù)據(jù)。報警部分由單片機(jī)IO口PC14連接報警模塊三極管的基極，集電極連接蜂鳴器和PB14，PA10連接報警模塊的LED燈共同組成。報警時LED和蜂鳴器一起運作達(dá)到報警效果。調(diào)節(jié)部分單片機(jī)引腳PB4連接三極管，利用單片機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和三極管的特性對繼電器進(jìn)行操作。系統(tǒng)電路原理圖如上圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路原理圖

2.2 溫濕度采集模塊設(shè)計與實現(xiàn)

2.2.1 溫濕度數(shù)字采集電路

如圖3所示的DHT11電路原理圖，溫濕度傳感器DATA與單片機(jī)IO端口PC14單總線傳輸，收發(fā)串行數(shù)據(jù)，Pin3、4并聯(lián)接地，其中NC為空腳，可接可不接，VCC引腳連接電源。使用3.3V的電源供電時，要注意電路中的走線長短，以避免供電不足產(chǎn)生的偏差。傳感器讀取的數(shù)據(jù)為上一次測量結(jié)果，本系統(tǒng)通過連續(xù)兩次的讀取數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的采集。

圖3 DHT11電路原理圖

2.2.2 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器

DHT11溫濕度傳感器是使用DATA這個可傳輸數(shù)據(jù)的引腳進(jìn)行單總線協(xié)議通信的，單片機(jī)通過復(fù)位電路發(fā)送一次復(fù)位信號后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，同時拉高總線準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分為濕度數(shù)據(jù)16bit部分、溫度數(shù)據(jù)16bit部分和校驗位8bit。

數(shù)據(jù)時序圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)時序圖

STM32F103c8t6對傳感器發(fā)出傳輸開始信號,傳感器接收信號后采集系統(tǒng),采集系統(tǒng)響應(yīng)后發(fā)出數(shù)據(jù)的同時再進(jìn)行一次信號采集。如果沒有接收到主機(jī)的響應(yīng)信號，數(shù)據(jù)采集模塊轉(zhuǎn)變?yōu)榈凸哪Ｊ?，不動作?/p>

微處理器讀取步驟:

（1）傳感器通電后，測量并記錄環(huán)境中的溫度、濕度數(shù)據(jù)，然后通過上拉電阻使DATA數(shù)據(jù)線保持為高電平，等待信號。

（2）STM32F103c8t6的 I/O輸出低電平發(fā)送信號，設(shè)置時間大于18ms小于30ms，然后單片機(jī)的I/O設(shè)置變?yōu)檩斎肽Ｊ健Ｓ捎谏侠娮璧年P(guān)系，電平回到高電平，同時等待DHT11做出回答信號，發(fā)送信號如圖5所示。

圖5 主機(jī)發(fā)送起始信號

（3）當(dāng)DHT11接收到STM32F103c8t6發(fā)出的信號時，DHT11傳輸引腳發(fā)出回應(yīng)信號，信號時長為83微秒，回應(yīng)信號為低電平，然后輸出高電平87us回應(yīng)單片機(jī)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，工作過程如圖6所示。

圖6 從機(jī)響應(yīng)信號

2.3 報警電路模塊的設(shè)計

本系統(tǒng)選用帶有振蕩電路的有源蜂鳴器PNP三極管S8550。通過STM32F103c8t6發(fā)出電平給蜂鳴器即可發(fā)出報警信號。蜂鳴器接在三極管的集電極，驅(qū)動信號為3.3V的電平，基極接在單片機(jī)I/O口的PC14。單片機(jī)IO口默認(rèn)為高電平，系統(tǒng)通電時，蜂鳴器是不發(fā)聲的，當(dāng)單片機(jī)檢驗溫度或者濕度超過上下限時，單片機(jī)傳輸?shù)碗娖?，三極管被導(dǎo)通，蜂鳴器響起達(dá)到報警功能。蜂鳴器發(fā)出的聲音大小可根據(jù)PWM驅(qū)動信號頻率調(diào)節(jié)，有源蜂鳴器電路原理圖如圖7所示。

圖7 有源蜂鳴器電路原理圖

2.4 GSM800C短信模塊

GSM 800C是一款四頻GSM/GPRS模塊，分別GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz頻率。該設(shè)備作為本系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)視的核心，在監(jiān)控模塊中，產(chǎn)品利用高電平通電，低電平斷電自動開機(jī)，時刻等待接收單片機(jī)傳輸?shù)膱缶盘?，信號一旦接收，即刻發(fā)送通知，這樣達(dá)到真正意義上的無人監(jiān)視。該模塊利用TTL串口與單片機(jī)、電腦連接，實現(xiàn)通訊功能；支持短、彩信，支持錄音功能，支持藍(lán)牙，支持TTS等功能。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

根據(jù)功能需求設(shè)計系統(tǒng)流程圖如圖8。在工作時無需手動開機(jī)，通電后自動初始化系統(tǒng)各個模塊。待模塊初始化完畢后，傳感器讀取溫度、濕度數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)后傳輸給單片機(jī)處理計算，再轉(zhuǎn)化為數(shù)字字符顯示在OLED顯示屏上。讀取溫濕度的同時系統(tǒng)調(diào)用功能函數(shù)，并將讀取的數(shù)值與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較。若大于或小于設(shè)置的溫濕度閾值，單片機(jī)發(fā)送報警信號給報警模塊。蜂鳴器收到信號后，響應(yīng)信號，同時LED亮起，短信模塊接收信號后發(fā)出信息，水泵繼電器收到信號后開始運行。讀取數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)還會實時緩存數(shù)據(jù)，方便計算機(jī)讀取，以達(dá)到實時監(jiān)控的效果。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 溫濕度采集系統(tǒng)程序設(shè)計

溫濕度傳感器開機(jī)進(jìn)行初始化，做好等待信號準(zhǔn)備，得到單片機(jī)的指令后，開始對外部環(huán)境的溫度與濕度進(jìn)行采集數(shù)據(jù)。通過對比數(shù)據(jù)是否正確，決定是否發(fā)出數(shù)據(jù)。正確發(fā)出數(shù)據(jù)，反之重新采集。

3.3 通訊模塊軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用GSM無線通訊模塊的TEXT模式，在溫度或者濕度超過閾值時采用發(fā)送信息到用戶手機(jī)的方式提示用戶。在初始化時，通訊模塊進(jìn)入TEXT模式，一旦收到命令，短信模塊把字符串拼接進(jìn)入函數(shù)，發(fā)送短信。10s后如果還是收到單片機(jī)命令，繼續(xù)發(fā)送短信，發(fā)送3次后不再發(fā)送。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

關(guān)于溫濕度恒定數(shù)值檢測：

（1）利用空調(diào)的恒溫系統(tǒng)檢測溫度穩(wěn)定性，開啟儀器后1分鐘，溫度數(shù)值不變。把房間空調(diào)設(shè)定在25度，在儀器穩(wěn)定后放入空調(diào)房，每隔5分鐘進(jìn)行溫度檢測。檢測結(jié)果如表1所示。

表1 溫度檢測結(jié)果值

結(jié)論：檢測溫度正常。

（2）在濕度為70%RH的環(huán)境下，檢測其穩(wěn)定性，每隔5分鐘檢測環(huán)境濕度，檢測結(jié)果如表2所示。

表2 濕度檢測結(jié)果值

結(jié)論：檢測濕度正常。

通過實驗數(shù)據(jù)觀察，溫度和濕度測定值都趨向于穩(wěn)定，由于硬件的原因，溫度存在1-2℃的誤差，濕度存在1-4%RH的誤差，總體來說儀器較為完善，可以使用。

5 結(jié)論

在本次系統(tǒng)設(shè)計的器件選擇上，選擇了計算功能強(qiáng)大STM32F103c8t6處理器、溫濕度檢測功能較為完善的DHT11溫濕度傳感器、顯示屏OLED和無線通信GSM800c。利用四者的結(jié)合，打造了一個包含收集-分析-顯示-監(jiān)控功能的機(jī)房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。