基于单片机的温湿度监控系统设计研究

王子亮

摘   要：温湿度监控系统是环境管理体系中的重要组成部分，在环境稳定性、安全性、舒适性、可靠性、适宜性的保障上发挥着至关重要的作用。立足温湿度监控需求，将单片机作为系统微处理器芯片，在数据采集技术、视频显示技术、传感器技术等结合应用下，设计了一种基于单片机的温湿度监控系统，以实现对环境中温湿度的实时监测与远程控制，并为相关研究提供有益指导。

关键词：单片机;温湿度监控;监控系统;系统设计

温湿度在环境管理中的重要性决定了其监测管控的必要性，尤其在对环境具有较高要求的场所中，如温室培养、食品运输、药品存储、档案管理、装备储存、住宅供暖等。对此，加强温湿度监控系统的设计与研发，在保证温湿度监控系统基本功能的基础上，降低系统成本，提高系统运行稳定性、可靠性、安全性，提升系统工作质量与效率，势在必行。以下是笔者在研究过程中提出的一种基于单片机的温湿度监控系统设计，意在抛砖引玉。

1    基于单片机的温湿度监控系统设计需求分析

温湿度监控系统是基于环境建设与管理要求形成的一种以空气温度、空气湿度为监控对象，以计算机网络技术、通信技术、传感技术、显示技术、视频监控技术等结合应用为支撑的环境自动化、智能化管控系统，其设计与开发目的在于满足各领域、各行业（纺织、医药、食品、武器装备、档案管理、植物栽培、畜牧养殖、建筑工程等）对环境变化的要求。因此，基于单片机的温湿度监控系统基本功能需求如下：（1）系统能够代替人工对空气温度、湿度进行检测，实现温湿度各项参数的收集、整理与分析。（2）系统能够根据环境实际情况与温湿度控制要求，对温湿度进行自动调节，实现温湿度智能化控制。（3）系统用户界面具有较强交互性，且操作简单，可根据用户需求进行相关信息的直观、快速、准确显示。（4）系统具备远程监控、历史信息查询、登录终端自由切换、网络安全问题自主性预防等特殊功能。（5）系统存在可拓展性，可根据用户个性化需求实现具体情境的具体设定，保证系统可持续应用与大范围推广[1]。

2    基于单片机的温湿度监控系统设计思路分析

根据温湿度监控系统设计的基本功能需求，在进行系统开发时，本设计利用温湿度传感器进行空气温湿度信息的有效采集。本设计选用功耗低、成本小、反应快、性价比高、抗干扰能力强的STC89C52单片机作为系统核心，满足温湿度监控系统嵌入式设计需求。设计配置数据库实现温湿度数据存储，既能断电保存，也能历史回顾。本设计利用液晶显示器进行温湿度监测值实时显示，并配置告警模块，当温湿度值超出设置范围时，将进行自动告警与自动调节。本设计在蓝牙技术、移动通信技术等结合应用下，实现温湿度系统远程监控。温湿度系统测温范围在-10～50 ℃，测湿范围在5%～90% RH，温度测量误差控制在2 ℃以内，湿度测量误差控制在5%以内，能够在多场景进行应用，如室内、车内、仓库等，采用温湿度监控系统组织架构[2]。

3    基于单片机的温湿度监控系统关键技术分析

在温湿度监控系统设计与开发过程中，为保证其设计思路的实现与设计基本功能的发挥，应以先进科學技术为支撑。就本系统而言，应用到的科学技术相对较多，其中单片机技术、数据采集技术、通信技术等是较为关键的技术。

3.1  单片机技术

单片机是单片微型计算机的简称，又被称为“微控制器”，是一种具有高度集成性的电路芯片。在通常情况下，单片机能够将中央处理器（Central Processing Unit，CPU）、随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）、只读存储器（Read Only Memory image，ROM）、定时器/计算器、A/D转换器、I/O口等集成，构成一个微型计算机系统。单片机普遍具有可靠性高、处理速度快、功耗低、控制能力强、适用性强等优势，能够满足多数控制系统的需求，实现系统模块化发展[3]。因此，在本系统设计研发过程中，选用STC89C52单片机作为系统主控芯片，进行检测数据及相关信息的有效管控。

3.2  数据采集技术

在构建基于单片机的温湿度监控系统时，其温湿度数据收集、处理与分析能力直接影响系统运行质量与效率。对此，基于单片机的温湿度监控系统需配置数据采集模块、数据存储模块，用于对温湿度信息进行及时采集与处理。在此过程中，借助温湿度传感器的温湿度检测功能，能够完成温度与湿度的信息采集，并进行数字信号与电信号的有效转换，实现信息在系统中的传输、分析、存储与利用。

3.3  通信技术

温湿度监控系统进行信息传输、信息处理、信息利用等离不开通信技术的支持。通信技术作为综合性技术，涉及的内容相对较多，包括数据交换、电路基础、电子线路、通信网络等。本研究系统涉及的核心电路组有温度传感器接口电路、调试电路、电源电路、复位电路、单片机电路、蓝牙通信接口电路等，在各电路的有效连接下，实现系统内外部通信协调。

4    基于单片机的温湿度监控系统设计实现分析

4.1  温湿度监控系统硬件设计

基于单片机的温湿度监控系统，其硬件设计主要包括以下几部分：

（1）系统电源模块设计。在实际运行过程中，基于单片机的温湿度监控系统电源模块运行的安全性、稳定性、可靠性、有效性直接影响系统运行的稳定、安全与可靠。因此，在基于单片机的温湿度监控系统硬件设计过程中，需做好电源模块设计工作。本研究的温湿度监控系统所采用的单片机为STC89C52单片机，温湿度传感器为DHT11温湿度传感器。根据单片机、温度传感器以及其他系统模块对电流、电压的要求，需对220 V交流电压做降压处理，使其在桥式整流电路作用下，由220 V交流电压转变为12 V直流电压、5 V直流电压、3 V直流电压，为单片机、温湿度传感器以及其他电路供压。与此同时，为进一步提高电流、电压稳定性，可利用滤波技术消除杂质，降低谐波、脉动的不利影响，让系统供电始终处于安全、可靠状态。

（2）温湿度采集模块设计。由于温湿度监控系统监督、管控的是环境中温湿度变化情况。需要对温湿度及其变化信息进行采集，并通过数字信号与模拟信号之间的有效转换，将数据传输至温湿度监控系统主控平台—STC89C52单片机，实现数据分析、处理与利用。温湿度采集模块须具备温湿度参数采集功能、温湿度参数数模转换功能，因此，选用DHT11温湿度传感器布设温湿度采集模块。DHT11温湿度传感器属复合型传感器，具备电阻式感湿元件、负温度系数（Negative Temperature Coefficient，NTC）测温元件，能够与STC89C52单片机进行有效连接[4]。与此同时，DHT11温湿度传感器体量相对较小，且信号传输距离相对较远（20 m以上），在温湿度监控系统中的适用性更强。此外，DHT11温湿度传感器也具备功耗低、响应快、抗干扰能力强、数字信号输出准确等优势，可有效提升温湿度监控系统的整体性能，提高温湿度监控系统的应用有效性。

（3）液晶显示模块设计。液晶显示器在基于单片机的温湿度监控系统中的有效运用是提升温湿度监控系统交互性、体验性、操作性的重要手段，能够将温湿度信息以文字、数值、图形等形式直观显示，便于用户对温湿度变化情况进行分析与掌握。与此同时，液晶显示模块能够将系统核心功能集中、具体显示，指导用户系统操作行为，让系统应用更具简便性、实用性。例如，用户登录客户端之后，进入温湿度监控系统，根据液晶显示器显示信息输入命令;单片机接受到命令后，依据系统软件程序设计执行命令，满足用户使用需求。

4.2  温湿度监控系统软件设计

软件设计是基于单片机的温湿度监控系统核心所在，在保证系统设计功能的有效实现上有重要作用。就本研究的温湿度监控系统而言，软件设计主要包括温湿度数据采集设计、系统主函数设计、手机智能终端程序设计、报警程序设计、液晶显示程序设计等。以温湿度数据采集设计为例，系统在进行初始温湿度信息采集时需复位，以免系统运行过程中出现数据错报问题;根据温湿度监控需求，合理配置温湿度信息采集时间，通常情况下采集频率以1 s为基准;温湿度数据采集程序应具备精简化特征，以免程序过于复杂而影响系统运行效率;合理设置STC89C52单片机与DHT11温湿度传感器之间的数据传输方式，保证数据交换具备较强时效性，单总线传输方式存在信息交换时序长的问题，可通过控制其他程序运行的方法，提升系统运行的稳定性。以手机智能终端程序设计为例，坚持“以人為本”设计原则，立足系统实用性、交互性要求，确保操作界面简单、便利、高效。在通常情况下，可利用Eclipse软件进行基于温湿度监控系统的手机智能终端平台开发，完成登录界面、系统操作界面、信息显示界面等的设计。

5    基于单片机的温湿度监控系统性能测试分析

在完成基于单片机的温湿度监控系统构建之后，需对系统进行测试，以保证系统设计基本功能的有效实现，确保系统具有较好的市场推广前景。在通常情况下，在对基于单片机的温湿度监控系统进行测试时，测试内容主要包括性能测试（如稳定性、可靠性、安全性、功能性）、硬件平台测试、模块测试（如数据采集模块、通信模块、服务器模块、数据存储模块）、代表性界面交互操作测试（如用户登录、历史数据查询、监控时段管控、监控量调整）等。通过上述测试，本研究的系统基本达到设计要求，能够安全、稳定、高效地运行。

6    结语

综上所述，基于单片机的温湿度监控系统，在温湿度传感模块、告警模块、视频显示模块、无线通信模块等结合作用下，能够实现系统运用环境中温湿度参数的有效收集，完成温湿度检测、报警、远程控制、可视化显示等功能，满足温湿度实时监控与远程管理需求，让环境管理更具简单性、便捷性、灵活性、科学性、时效性。因此，面对温湿度监控系统广阔的发展前景，系统设计与研发须立足实际需求，加强温湿度监控系统的针对性设计，让温湿度测量更精准、功能更全面、应用更实效。

[参考文献]

[1]姚  刚，司维超，顾佼佼，等.基于单片机的温湿度实时监控系统设计与实现[J].计算机时代，2019（8）：29-32，36.

[2]巩银苗，鲁西坤，景  旭，等.基于单片机的仓库温湿度监控系统的设计[J].电子制作，2018（7）：26-28.

[3]郑晓茜，马朝华，赵  方，等.基于MSP430和GSM技术的粮仓温湿度监控系统设计[J].粮食与油脂，2017，30（3）：87-90.

[4]陶  佳.基于VB和单片机的温湿度及火焰监控报警系统设计[J].电子测试，2017（2）：7-8.