基于单片机的博物馆室内光强、温度、湿度的测量

苏冠楠+姚乐+易小龙+王晋+钟沁耘

【摘 要】温度、湿度、光照是文物保护的基本因素，传统的测量方法费事费力，效率低，且随机性大，本文通过设计基于STC12C5A60S2单片机，综合利用传感器技术、数字电子技术和LCD显示等知识知识的测量系统达到自动检测室内环境温度、湿度及光强的目的，并在超过阈值时进行报警，并行性高，且能够处理多点温湿度，光强等信息。

【关键词】单片机；光强；温度；湿度；测量

0 前言

温度、湿度、光照度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是博物馆文物保护中最常见最基本的参数，例如不同的温度可能会造成珍贵文物的过早氧化，而湿度的大小也同样对于文物的保护有着重要的意义，还有光的强度也会对文物的材质有着很大的影响，所以对温度、湿度及光照度的检测及控制就非常有必要了。传统的方法是用温度表、双金属式测量计、等手段，通过人工进行检测，对不符合温度、湿度、光照度要求的环境进行通风、去湿、降温、采光等工作。随着生产的发展，一个低成本和具有较高精度的环境测量仪在许多领域会代替人工操作。为此，本设计开发了一种能够同时测量多点，并实时性高、精度高，能够综合处理多点温湿度、光照度信息的设计方案。

1 单片机的选择

基于性价比的考虑，在电子设计中8位单片机仍是首选。在8位单片机中又以MCS-51系列单片机及其兼容机所占的份额最大。通过内部资源比较，单片机芯片我们选择STC12C5A60S2，STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），针对电机控制，强干扰场合。

2 传感器的选择

2.1 光强传感器

2.1.1 TSL2561简介

TSL2561是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片。

2.1.2 TSL2561的引脚功能

TSL2561有2种封装形式：6LEAD CHIPSCALE和6LEAD TMB。封装形式不同，相应的光照度计算公式也不同。

各引脚的功能如下：

脚1和脚3：分别是电源引脚和信号地。其工作电压范围是2.7～3.5V。

脚2：器件访问地址选择引脚。由于该引脚电平不同，该器件有3个不同的访问地址。

脚4和脚6：I2C或SMBus总线的时钟信号线和数据线。

脚5：中断信号输出引脚。当光强度超过用户编程配置的上或下阈值时，器件会输出一个中断信号。

2.1.3 TSL2561的内部结构和工作原理

TSL2561是第二代周围环境光强度传感器。通道0和通道1是两个光敏二极管，其中通道0对可见光和红外线都敏感，而通道1仅对红外线敏感。积分式A/D转换器对流过光敏二极管的电流进行积分，并转换为数字量，在转换结束后将转换结果存入芯片内部通道0和通道1各自的寄存器中。当一个积分周期完成之后，积分式A/D转换器将自动开始下一个积分转换过程。微控制器和TSL2561可通过标准的SMBus（System Management Bus）V1.1或V2.0实现，TSL2561则可通过I2C总线协议访问。

2.1.4 硬件设计

TSL2561能够通过I2C总线访问，所以硬件接口电路很简单。假如所选用的微控制器带有I2C总线控制器，则将该总线的时钟线和数据线直接和TSL2561的I2C总线的SCL和SDA分别相连；假如微控制器内部没有上拉电阻，则还需要再用2个上拉电阻接到总线上。假如微控制器不带I2C总线控制器，则将TSL2561的I2C总线的SCL和SDA和普通I/O口连接即可[6]；但编程时需要模拟I2C总线的时序来访问TSL2561，INT引脚接微控制器的外部中断。

2.2 温度传感器

2.2.1 DS18B20功能特点

1）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

2）测温范围 -55℃～+125℃，固有测温误差1℃。

3）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

4）工作电源： 3.0～5.5V/DC （可以数据线寄生电源）。

5）在使用中不需要任何外围元件。

6）测量结果以9～12位数字量方式串行传送。

7）用户可定义的非易失性温度报警设置。

2.2.2 DS18B20结构和工作原理

64位只读存储器储存器件的唯一片序列号。高速暂存器含有两个字节的温度寄存器，这两个寄存器用来存储温度传感器输出的数据。除此之外，高速暂存器提供一个直接的温度报警值寄存器（TH和TL），和一个字节的的配置寄存器。配置寄存器允许用户将温度的精度设定为9，10，11或12位。TH，TL和配置寄存器是非易失性的可擦除程序寄存器（EEPROM），所以存储的数据在器件掉电时不会消失。DS18B20通过达拉斯公司独有的单总线协议依靠一个单线端口通讯。当全部器件经由一个3态端口或者漏极开路端口（DQ引脚在DS18B20上的情况下）与总线连接的时候，控制线需要连接一个弱上拉电阻。在这个总线系统中，微控制器（主器件）依靠每个器件独有的64位片序列号辨认总线上的器件和记录总线上的器件地址。由于每个装置有一个独特的片序列码，总线可以连接的器件数目事实上是无限的。

2.2.3 硬件设计

DS18B20可以通过从VDD引脚接入一个外部电源供电，或者可以工作于寄生电源模式，该模式允许DS18B20工作于无外部电源需求状态。当总线为高电平时，寄生电源由单总线通过VDD引脚。这个电路会在总线处于高电平时偷能量，部分汲取的能量存储在寄生电源储能电容内，在总线处于低电平时释放能量以提供给器件能量]。用漏极开路把I/O直接拉到电源上就可以实现DS18B20有充足的供电。在发出温度转换指令或拷贝暂存器指令之后，必须在至多10us之内把单总线转换到强上拉，并且在温度转换时序或拷贝数据时序必须一直保持为强上拉状态。对DS18B20供电的另一种传统办法是从VDD引脚接入一个外部电源。这样做的好处是单总线上不需要强上拉。而且总线不用在温度转换期间总保持高电平。温度高于100℃时，不推荐使用寄生电源，因为DS18B20在这种温度下表现出的漏电流比较大。

2.3 湿度传感器

2.3.1 DHT11引脚说明及工作原理

引脚说明

数字湿温度传感器采用单总线数据格式。即单个数据引脚端口完成输入输出双向传输。其数据包由5Byte（40Bit）组成。一次通讯时间最大3ms，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明。DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，当前小数部分用于以后扩展，现读出为0。操作流程如下：

一次完整的数据传输为40bit，高位先出。

数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据 +8bit温度整数数据+8bit温度小数数据 +8bit校验和，校验和数据为前四个字节相加。

2.3.2 DHT11与单片机连接的设计

DHT11数字湿温度传感器连接电路简单，只需要占用控制器一个I/O口即可完成上下位的连接[8]。另外，建议连接线长度短于20时用5K上拉电阻，大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。

3 其他硬件模块的设计

3.1 复位电路

单片机复位的原理是在时钟电路开始工作后，在单片机的RST引脚施加24个时钟振荡脉冲（即两个机器周期）以上的高电平，单片机便可以实现复位。在复位期间，单片机的ALE引脚和＼P＼S＼E＼N引脚均输出高电平。当RST引脚从高电平跳变为低电平后，单片机便从0000H单元开始执行程序。

在实际应用中，一般采用既可以手动复位，又可以上电复位的电路，这样可以人工复位单片机系统。上电复位电路部分的原理也是RC电路的充放电效应。除了系统上电的时候可以给RST引脚一个短暂的高电平信号外，当按下按键开关的时候，VCC通过一个高电阻连接到RST引脚，给RST一个高电平，按键松开的时候，RST引脚恢复为低电平，复位完成。

3.2 晶振电路

时钟电路是用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号，STC89C52单片机内部包含有一个振荡器，可以用于CPU的时钟源。另外也可以采用外部振荡器，由外部振荡器产生的时钟信号来供内部CPU运行使用。

3.3 显示模块

在单片机应用系统设计中，一般都是把键盘和显示器放在一起考虑。显示器作为输出部件，可以将系统的运行结果、状态等信息直观地显示出来供操作者了解系统的运行情况和程序的执行结果，本次设计的温湿度、光照度实时信息采用LCD12864来显示。

3.4 报警电路

压电式蜂鸣器约10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，在此选用一个三极管来做驱动。P2.5接三极管输入端，当P2.5输出低电平时，三极管导通，压电式蜂鸣器两端获得+5V电压而发出报警，当P2.5输出为高电平时，三极管截止，蜂鸣器[12]停止工作。

4 整体设计

本方案以STC89C51单片机系统为核心来对温度、湿度、光照度进行实时检测。各检测单元能独立完成各自功能。单片机负责发送控制指令，并控制各个检测模块进行数据采集，收集测量数据，同时对测量结果进行整理和显示。通过软件编程设定报警值，一旦检测数据超过阈值，蜂鸣器实现报警。整体包括单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、光照度检测、报警电路、系统软件等部分的设计。

[责任编辑：杨玉洁]