一种温湿度数据采集设备的设计与仿真

郑晨曦　吴次南

摘要：当前常见的温湿度采集设备普遍较大，使用比较麻烦。因此，针对一些特定环境对温湿度采集设备小型化、精度要求高、使用方便的需要，设计了一种使用单片机为控制芯片，具有高精度的温湿度采集方案，并在Protues软件中进行了功能仿真。本文从整体设计、单片机、温湿度传感器等方面进行了阐述。

关键词：温湿度；采集；小型；设计；仿真

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）08-0262-03

温湿度是环境中最基本的参数变量，与人们生产生活息息相关。一款小型的温湿度的采集设备，可以准确又方便地获知温湿度数据具有一定现实意义。国外的温湿度监控系统相对比较先进，无论是传感器的测量精度、反应速度、稳定性、功能多样性，还是使用环境方面技术都比较领先。普通的温湿度采集系统中的温湿度测量均采纳热敏电阻与湿敏电容，这种传统的模拟式温湿度传感器一般都必须设计信号调理电路并通过繁琐的校准和标定过程，因而测量精度很难确保，且在线性度、重复性、互换性等方面也存在问题。

环境的监测应用广泛，在当今使用最广泛的MCU就是单片机了，AT89C51使用广泛，价格低廉，在常见的仪器、工业控制等领域的发挥着极其重要的作用，用其作为温湿度检测控制系统的实例也很多。使用A T89C51作为温湿度采集设备的处理单元可以对环境的温度金额湿度进行自动检测，而且AT89C51单片机目前使用多，专注于51单片机的研究人员多，具有相对较多的文献资料参考，对于本设计来说AT89C51单片机有超小尺寸的封装，适合做成小型的温湿度采集设备。使用该型号单片机设的系统，可以及时、精确的反映环境内温度以及湿度的变化趋势，结果直观。在软件设计过程中也可以设置到一定温度范围内报警提示，在湿度控制方面也是如此。将此系统应用到对温湿度有要求的环境中无疑可以节省不少人力物力。

系统实现的功能主要有对环境温湿度进行循环检测，通过采集的温湿度与设定值作对比，及时通过报警装置进行报警。

1系统总体设计

采用温湿度测量、控制技术等技术，使用应用广泛的单片机作为控制核心，用传感器测量外界温湿度，构成温湿度测量监控系统。系统硬件方面主要有测量电路、显示模块、报警电路。根据系统要求选用的器件主要有：AT89C51单片机、温湿度传感器SHT11、AMPIRE128x64显示模块、报警装置蜂鸣器等。

在系统工作时，SHT11温湿度传感器采集的环境温湿度数字信号会在芯片内部直接转换成数字信号，该信号直接传输给单片机经由单片机进行处理，再把处理过的数据显示在LCD上；当单片机得到的数值符合设定的范围时，蜂鸣报警器发出报警声，单片机编程语言很多，C语言被大部分研发人员所采用。

本系统的核心为温湿度数据的采集，单片机作为控制装置，负责中心运算和控制，协调系统各个模块的工作。

2系统硬件设计

2.1温湿度传感器

SHT11是瑞士Sensirion公司生产的数字式温湿度传感器，其中温度传感器由能隙材料制成的温度敏感元件，湿度传感器采用电容性聚合体湿度敏感元件。传感器的校准系数存储在芯片内部的OTP内存中。经校准的相对温湿度传感器与一个14位的高精度ADC相连接，可直接将处理过的数字温湿度二进制信号送给，2c总线器件，最后将信号转换为满足12C总线协议的串行数字信号。

因为传感器与电路结合在一起，因而该传感器具备比其他类型的湿度传感器更为优越的性能。一个是传感器信号的强度增加，这会增大了传感器的抗干扰性，保证了传感器的长期稳定工作，而A/D数模转换的同时完成，降低了传感器对干扰噪声信号的敏感度。传感器可直接通过12C总线与A T89C51单片机系统连接。

SHT11需要2.4-5.5V范围内的电压供电以保证正常运行，所以在本设计中采用容易得到的3.3V供电电压。为了得到一个纯净且幅度相对稳定的电源，在VDD与GND引脚之间接一个100nF的电容，用来去耦滤波。SHT11的串行接口在很多方面做了处理和优化，在传感器信号读取和电源损耗方面表现突出。SHT11与微处理器的连接见图1。

SCK用于微处理器控制SHT11的工作频率。DATA引脚为三态结构，用于单片机和SHT11之间数据的传输。当传感器接收到相关指令后时，SCK上升沿时DATA有效，DATA在SCK下降沿之后改变田，在SCK高电平时一直保持稳定。

2.2AT89C51单片机

AT89C51可通过编程设置成省电模式。比如在空闲模式下，MCU暂停工作，定時计数器、RAM、串行口、中断系统则继续工作。在掉电模式时冻结振荡器从而保存只读存储器的数据，停止芯片其他功能直至外中断激活或硬件复位，以保证数据不会丢失。本系统中选用价格较低、工作稳定、使用广泛的AT89C51单片机作为整个系统的控制器，并且还可以做小采集设备的尺寸，使用中方便。

时钟电路是给单片机工作时提供所必须的时钟方波信号，其实单片机的本身就是一个复杂的时序电路。为实现各种工作方式，A T89C51在CLK信号的控制下严格地按时序执行指令进行工作，时钟信号的质量能严重影响系统的工作稳定性。因为时钟频率负责控制单片机的运行秩序，所以单片机速度也在一定程度上受时钟信号影响。设计一个稳定的时钟电路对系统的正常稳定运行至关重要。A T89C51单片机XTAL1引脚与XTAL2引脚的内部有一个用于构成振荡的高增益反相放大器。这两个引脚跨接石英振荡器和微调电容可以构成一个稳定的振荡器。外部提供时钟的工作时，外部时钟源直接接到XTAL1接口，而XTAL2端直接悬空即可，本设计采用在XTAL1与XTAL2之间跨接石英振荡器的方式提供时钟信号（如图2）。

电路中C1、C2电容值为30PF，电容值若太小直接影响振荡频率的稳定和快速性。晶振频率一般选择2MHZ到12MHZ，在一定范围内晶振频率越高单片机的速度就越快，但同时对存储器速度也就提出了更高的要求。从系统稳定性方面考虑，采用稳定性相对更好的NPO电容，晶振频率为12MHZ。

单片机的初始化操作就是复位，在给单片机的RST引脚（复位引脚）上加大于2个机器周期或者24个振荡周期的高电平信号就可使51单片机复位。在一般的设计中复位电路有采用自动复位或者按钮复位两种方式。上电复位是通过外部电路给电容充放电的原理给RST引脚一个短的高电平信号（如图3所示），次信号随着电源对1uF的电容进行充电而逐渐从高电平回落，实际上电容的充电时间决定RST引脚上高电平持续的时间。为保证单片机能可靠地复位，RST引脚上的高电平必须维持足够长的时间，也就是选择一个相对容量较大的电容。

2.3液晶显示模块设计

本设计是利用AT89C51单片机的串行口与显示器I/O接口相连。LCD的显示原理是利用液晶通过电压对其显示区域进行控制的物理特性，有电压的区域就显示，而通过控制通断电就可以显示出不同的图形或者字符。AMPIRE128*64显示器整个屏幕分左、右两个屏，每个半屏右8页，每页有8行，数据是竖行排列。显示一个字要16*16点，全屏有128*64个点，故可显示32个中文汉字。每两页显示一行汉字，可显示4行汉字，每行8个汉字，共32个汉字。而显示数据则要16*8个点，显示数据是汉字的两倍。显示电路的连接如图3-7所示。也即单片机的P0.0，P0.1，P0.2，P0.3，P0.4，P0.5，P0.6，P0.7，P2.0，P2.1，P2.2，P2.3，P2.4，分别与显示器的DB0，DB1，DB2，DB3，DB4，DBS，DB6，DB7，CS2，CS1，EN，RVV，RS端口连接（如图4所示）。

2.4报警电路

在一些特殊的应用场景，对温湿度有一定的要求，本设计是为在温湿度监测过程中如果温湿度的超出设定值的范围而提示報警，蜂鸣器与单片机的P1.5口相连，通过控制P1.5口的电平高低实现报警。比如温湿度过限时，P1.5口被置1，报警系统开始工作；相反若P1.5口处于低电位，则蜂鸣器不工作也就是不报警。

3软件设计

系统软件部分主要有系统初始化模块，传感器监测模块，LCD显示模块，报警模块，报警值判断与控制模块几个部分组成。

单片机主程序的设计过程中应该重视如下几个问题：1）温湿度显示；2）温湿度值转换；3）越限报警和处理。

SHT11传感器的转换公式如下：

温度转换公式：T=d1+d2*SOt

公式中的参数dl=-40，d2=0.01

相对湿度转换公式：

RHline=C1+C2*SOrh+C3*SOrh*SOrhr（检测数据的线性化SOrh为单片机接收到的数据）

RHtrue=（T-25）*（tl+t2*SOrh）+RHline

公式中的参数：C1=-4，C2=0，0405，C3=-0.0000028，t1=0.01，t2=0.00008（适用于12位测量精度）

4系统仿真

PROTUES是单片机设计中使用非常广泛的EDA工具（仿真软件），由英国的Labcenter公司开发。PRO-TUES软件在做单片机设计中使用方便，它可以满足从原理图布置、单片机代码调试、外围电路协同仿真等过程直接切换到PCB设计，做到了从概念设计到仿真验证再到实物电路设计的一键切换。PROTUES软件中包含有混合模式的仿真器以及VSM嵌入式仿真器，提供了许多的仿真设备和一些经常使用的大量元器件，其内部有各种型号单片机、各种逻辑电路、调试工具，比如各种电子测试仪器：逻辑分析仪、串口终端、示波器、信号发生器等。以及各种显示设备，如模拟仪表、数字仪表、噪声与失真信号显示器等，另外还有各种调试信号，直流、交流、脉冲及各种变化信号，它使得PROTUES可以同时仿真模拟数字电路多种系列单片机。

系统仿真使用C语言编程，在PROTUES仿真软件设置关联程序，能在虚拟的LCD准确显示温度和湿度值如图5，在温湿度超过设定值能实时报警。

5结束语

为顺应当今温湿度数据采集设备小型化、功能简单、性能可靠的趋势，使用51单片机和成熟的SHT11温湿度传感器芯片设计一种可以小型化的温湿度数据采集设备，用C语言编程通过PROTUES软件仿真，实现了温湿度数据采集的功能。51单片机价格低廉、应用广泛，因此该设计方案具有明显优势，在实际应用中具有良好的参考和应用价值。