摘 要： 針對當前實驗室無法實現溫濕度數據實時測量、數據傳遞不方便等缺點，以數字式溫濕度傳感器和通用單片機為基礎，開發了實驗室溫濕度測量系統。該系統以AT89S52單片機為主芯片，數字式溫濕度傳感器SHT21為主要傳感器，完成了測量系統硬件系統和軟件系統的開發，并且設計了能夠傳遞給上位機數據的通信程序。該系統可以實現溫濕度測量，并且可以傳遞相關數據給上位機，對于實驗室數據監測有著積極的作用。
關鍵詞： 溫濕度；測量；實驗室；數據傳遞
0 引言
溫濕度是重要的環境參數[1-3]，特別是對于實驗室環境，溫濕度需要出現在許多的檢測報告中。而目前實驗室常用的是濕度計和溫度表，基本原理是采用水銀溫度濕度計進行檢測，缺點是在需要記錄數據的時候要先讀取相關數據，非常不方便；同時還無法實現溫濕度的實時測量。
目前應用較為廣泛的溫濕度傳感器主要是熱電偶[4-5]、熱電阻[6-8]及濕度等模擬傳感器，該類型的傳感器輸出為模擬信號。為了能夠測量該數據需要進行模數轉換，在使用過程中較為繁瑣。而數字溫濕度傳感器將溫濕度信息直接用數字量輸出，能夠直接輸出給測量系統，因此數字式溫濕度傳感器在溫濕度監測中應用更為方便[9]。
為此，擬以成本較低的AT89S52單片機為控制芯片[10]、以低功耗的新型數字式SHT21作為測量溫度、濕度的傳感器[11]和FYD12864液晶模塊[12]，開發用于實驗室的溫濕度顯示及報警系統。
1 控制系統總體結構
整個控制系統包括傳感器、微處理器、顯示模塊和電源模塊，如圖1所示。其中，傳感器為SHT21溫濕度傳感器，該傳感器除了配有電容式相對濕度傳感器和能隙溫度傳感器外，還包含一個放大器、A/D轉換器、OTP內存和數字處理單元，能夠非常方便地測量溫度和濕度信號[9]；ECU是整個控制系統的核心，選用ATMEL公司的8位單片機AT89S52，能夠接受輸入信號和輸出控制信號，同時還包含與上位機的接口，用于程序下載和數據通信；顯示模塊采用FYD12864液晶模塊，用于顯示溫度和濕度值；報警模塊采用蜂鳴器，如果當前溫度或者濕度大于設定值就會發出報警；通信模塊用于與采集系統進行通信，該通信采用串口通信，用于把溫濕度信息傳遞給采集系統。
2 控制系統硬件設計
2.1 溫濕度信號處理
溫濕度傳感器SHT21的管腳定義如表1所示，該傳感器的供電范圍為2.1~3.6 V，推薦電壓為3.0 V，為了保證傳感器的正常運行，在電源（VDD）和接地（VSS）之間須連接一個0.1 μF的電容，且電容的位置應盡可能靠近傳感器。SCL用于微處理器與傳感器之間的通信同步，SDA引腳用于傳感器的數據輸入和輸出，當向傳感器發送命令時，SDA在串行時鐘（SCL）的上升沿有效，在SCL下降沿之后，SDA值可被改變；當從傳感器讀取數據時，SDA在SCL變低以后有效，且維持到下一個SCL的下降沿。為避免信號沖突，通常在SDA端口需要一個外部的上拉電阻（如10 kΩ）將信號提拉至高電平。
在本電路圖中，VSS接地，VDD接電源+3 V，NC保持不連接，SDA接單片機P1.6口，SCL接單片機P1.7口，并接兩個上拉電阻R3，R4，其大小都為10 kΩ，在VDD與VSS之間接一個0.1 μF的去耦電容，其連接電路圖如圖2所示。
2.2 報警電路
蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于各種電子產品中作為發聲器件。而在單片機應用的設計上，大部分都會使用蜂鳴器來作提示或報警，為此本設計中也采用蜂鳴器作為報警提示。蜂鳴器驅動電路一般都包含以下幾個部分：一個三極管、一個蜂鳴器、一個續流二極管和一個電源濾波電容。本設計采用如圖3所示的電路驅動蜂鳴器，R5阻值為2 kΩ，蜂鳴器驅動電路與單片機的P3.3口連接；蜂鳴器的額電流小于等于30 mA，對于AT89S51單片機來說，P3.3口的灌電流是15 mA，很明顯可以看出僅僅依靠P3.3口的電流是驅動不了該蜂鳴器的，這就需要使用晶體管放大電路，所以本設計選用PNP型晶體管。
當外部的溫度或者濕度超過設定的閾值時，基極變為低電平，蜂鳴器導通發出報警。
2.3 顯示電路
本設計中所采用的FYD12864液晶顯示模塊是128×64點陣型液晶顯示模塊，可顯示各種字符及圖形，具有8位標準數據總線、6條控制線及電源線。為了能夠實現對該模塊的控制，采用P0和P2口控制，由于51單片機P0口沒有內部上拉電阻，為此需要外部增加上拉電阻，本設計增加的外部上拉電阻為10 kΩ；對于FYD12864液晶顯示模塊來說，第三引腳VO是對比度電位引腳，本設計中采用10 kΩ的可變電阻來實現對比電壓的調整，如圖4所示。
2.4 通信模塊
由于單片機輸出是TTL電平，而PC輸出是-12 V~ +12 V電平，所以需要一個MAX232串口通信模塊芯片構成電平轉換電路，實現通信時電平信號的匹配，其連接電路如圖5所示，其中C1-和C2-表示連接點，分別連接電容的一端。
2.5 電源模塊
本設計中的大部分電路都需用5 V的電壓，而溫濕度傳感器需要用3 V電壓，為了能夠同時滿足兩者的需求，本設計采用三端穩壓集成電路LM7805。其電路圖如圖6所示，在輸出5 V電壓的基礎上，通過增加3個1N4007使輸出的電壓變為2.9 V，能夠為溫濕度傳感器供電。
2.6 單片機最小系統
單片機最小系統由單片機、復位電路和時鐘電路構成，如圖7所示。所選用的8位單片機AT89C52具有8 KB的可編程Flash、256 B的RAM、32個I/O口、5個中斷源、2個16位定時器，完全滿足控制需求；復位電路采用上電復位方式；時鐘電路晶振11.059 2 MHz，完全滿足系統的要求。
3 控制系統軟件設計
3.1主程序流程圖
主程序主要完成硬件的初始化、子程序的調用等功能。在主程序中，首先進行SHT21和FYD12864的初始化，然后調用溫濕度采集子程序，接著調用溫濕度處理子程序，讀取成功后，將讀取成功的溫濕度數據與所設定的數據相比較，如果超過所設定的溫濕度數據，蜂鳴器導通鳴叫，起到報警作用，如果沒有超過所設定的溫濕度數據，就會直接在FYD12864顯示器上顯示出來。之后判斷是否需要向上位機傳遞數據，如果需要傳遞則調用相應的子程序；如果不需要則重復采集溫度和濕度數值，進行循環。其流程圖如圖8所示。
3.2 串口通信
為便于后續數據的分析及處理，編寫了串口通信程序，使用RS232串口，將單片機采集到的數據上傳到上位機。
上位機和下位機通信分為上位機串口初始化和下位機串口初始化，其中上位機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"
//設置通信參數，波特率9 600，無校驗位，發送8位，1個停止位
′MSComm1.PortOpen=True//開串口
End Sub
下位機串口初始化程序如下：
/********串口初始化函數**********/
void Serial_Init（void）//串口通信初始設定
{
SCON=0x50；//UART為模式1，8位數據，允許接收
TMOD=0x20；//定時器1為模式2，8位自動重裝
PCON=0x00；//波特率9 600
TH1=0xfd； //定時器賦初值
TL1=0xfd；
TR1=1；//啟動定時器TH1
ES=1；//允許串口中斷
EA=1；//開中斷總開關
}
在實際工程中，下位機根據上位機發送的不同數據請求分別發送相應的數據，下位機數據發送程序如下：
/********串口接收中斷函數**********/
void Serial_Recieve_Inter（） interrupt 4 using 3
{
if（RI）
{
RI=0；
if（SBUF==0） //收到發送溫度數據請求
{
AT24C64_RD（0xa1，AT24C64_Inter_Address_Read_Temp）；
AT24C64_Inter_Address_Read_Temp++；
//讀溫度地址加1
SBUF=Temp_Val；//向串口發送溫度數據
while（TI==0）；//等待發送，直到8位數據發送完畢
TI=0； //TI清零
}
if（SBUF==1） //收到發送濕度數據請求
{
AT24C64_RD（0xa3，AT24C64_Inter_Address_Read_Pres）；
AT24C64_Inter_Address_Read_Pres++；//讀濕度地址加1
if（SBUF==3） //收到發送操作數據請求
{
AT24C64_RD（0xa3，AT24C64_Inter_Address_Read_Pres）；
AT24C64_Inter_Address_Read_Pres++；//讀操作地址加1
SBUF=Proc_Val；//向串口發送操作數據
while（TI==0）；//等待發送，直到8位數據發送完畢
TI=0；//TI清零
}
}
}
上位機界面采用VB6.0編寫，添加其自帶的MSComm控件，可以很方便地實現串口通信。上位機采集到的數據以*.text格式存儲，便于其他軟件的調用分析。
4 實物圖
為了對所設計的溫濕度監控系統進行測試，利用普通萬用板進行制作，其實物如圖9所示。此時，顯示模塊、單片機最小系統和串口通信模塊分開布局，便于各自調試。
經過實際調試，該系統可以正常顯示溫濕度數據，同時也可以利用自編的上位機程序讀取相關數據。
5 結論
本文介紹了實驗室溫濕度測量系統的設計過程，分別從控制系統的總體結構、硬件系統和軟件系統進行了介紹，并且利用萬用板實現了該系統。該系統結構簡單、應用方便，對于實驗室溫濕度檢測有著積極作用。
參考文獻
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