小型温湿度监测系统设计与调试

徐庆华，李 由

(湖北理工学院 机电工程学院，湖北 黄石 435003)

0 引言

环境温湿度的控制在各个行业中都是十分常见和必需的。随着科学技术快速发展，人们对生活质量的要求越来越高。无论是在持久封闭的办公环境，还是阳光温馨的家庭环境，保持令人舒适的温湿度对人体健康非常重要。在农业种植方面，只有在最合适的温湿度环境中，植物才能以最快的速度和最好的长势生长，所以调控好温室大棚的温湿度[1-4]，有利于提高作物产量，获得更大的经济收益。在工业生产方面，所有精密的生产仪器设备都不能长期暴露在温度或者湿度过高的环境中，否则不仅会降低仪器精度，还可能会造成设备故障，影响工业生产进度和产品质量。因此设计一个合理的温度湿度监测系统对于提高生产生活质量至关重要。

1 系统总体设计

小型温湿度监测系统主要由硬件和软件2个部分组成。硬件部分的设计核心主要有温湿度传感器模块设计、单片机模块设计以及电路设计；软件部分主要是主程序及温湿度读取子程序的设计。该系统可以实现温湿度的数据采集、中央控制、报警和控制指令发送等功能。小型温湿度监测系统结构图如图1所示。

图1 小型温湿度监测系统结构图

小型温湿度监测系统采用DHT11新型数字温湿度传感器来采集所处环境的温度和湿度，将采集到的温湿度数字信号处理转化后发送给微处理器。微处理器将采集到的温湿度数据，与设置的最大阈值和最小阈值进行比较，如果监测到的数据不在这个阈值区间内，系统将发送报警信号启动蜂鸣器发出警报，同时系统向外部设备发送温湿度调节指令，控制加热器或加湿器进行环境温湿度的调节；传感器将监测到的调节后温湿度数据再次反馈至微处理器进行判断，若监测数据在设定的阈值区间内则解除警报，从而实现对温湿度的监测与调控。

2 硬件设计

2.1 温湿度传感器模块设计

DHT11数字型温湿度传感器具有自动校准数值信号的功能，是一种将多种功能复合在一起的新型传感器，具有功能多样、品质高、运转响应迅速和抗干扰能力强的特点[5]。该传感器运用了最新的温湿度传感技术和数字模块采集技术，内部含有专门的处理芯片，使传感器可以长期保持稳定运转。DHT11传感器内部由2个监测设备组成，包含1个湿度测量元器件和1个温度测量元器件，并与1个高性能微型处理器连接在一起。

DHT11数字型温湿度传感器采用四脚管脚，具有体积小的特点，内部连接电路十分小巧简单，通过1个简单的接口连接上位机和下位机。DHT11温湿度传感器数据处理格式运用单引脚传输端口进行数据传输，数据包由5 Byte(40 Bit)组成，运用单线数据格式实现DATA 和微处理器与 DHT11内部的数据交流。DHT11数字型温湿度传感器电路如图2所示，其中，1号引脚接VCC电源正极，3～5.5 V；2号引脚接Dout单线，进行数据的输入和输出；3号引脚接NC 空脚，扩展未用；4号引脚接GND。

图2 DHT11数字型温湿度传感器电路

2.2 单片机模块设计

温湿度监测系统在通信过程中需要实时传递命令。然而，从通信模块返回的信息通常十分复杂，且通信模块是不间断地反馈监测信号，容易产生干扰信号，导致通信过程出现错误[6-8]。因此，为了提高系统监测精度，系统微处理器采用升级版的STC89C52RC型号单片机。该单片机是宏晶科技推出的一种性能极高的集成电路芯片，自带有8 000 Bit的用户应用程序空间，指令代码能够完全兼容传统8051单片机，并在8051单片机的基础上扩展了内部存储器和定时器，具有高速、低功耗、超强抗干扰的特点。

2.3 电路设计

2.3.1电源电路设计

电源是监测系统的重要组成部分。因DHT11温湿度传感器所接电压为5 V，因此需要采用变压器和整流器将220 V交流电压进行变压和整流，再通过三极管稳压调节之后才能供电路中元器件使用。经过处理之后的电源电压稳定可靠、抗干扰能力强。

2.3.2复位电路设计

单片机的第9个引脚一般为复位引脚，通过输入不同的高低电平改变通断状态。当引脚输入端输入的高电平多于2个机器周期，就马上会产生复位。例如，输入1个12 MHz的时钟脉冲，每个脉冲有1 μs，2个机器周期就有12 μs。将1个大于12 μs的高电平脉冲附加到第9引脚，就会发生复位。复位电路如图3所示。

图3 复位电路

2.3.3晶振电路设计

晶体振荡器将脉冲信号发送到单个芯片，为集成电路和其他设备提供参考频率。晶振电路如图4所示。其中，XTAL1和 XTAL2分别是时钟电路逆向放大工作时的输入端子和输出端子。

图4 晶振电路

2.3.4控制电路设计

温湿度监测系统控制电路如图5所示。监测系统对温湿度的监测与调控主要是通过控制电路中的电磁继电器来实现的[9-10]。电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁和回位弹簧组成。当线圈通电以后，铁芯被磁化产生足够大的电磁力，衔铁在电磁力的作用下被吸引到铁芯上，从而闭合开关接通电路，驱动加热器或加湿器运转，调节温度和湿度。当线圈断电后，电磁吸力消失，回位弹簧带动衔铁复位。利用继电器衔铁的吸合和释放，实现电路的导通和切断，达到控制电路的目的。例如，当温湿度传感器监测到的温度值高于预先设定的阈值时，通过热敏电阻增大电路电流，衔铁被吸附，闭合开关，接线端子电路导通，风扇运转带动室内空气流动，进而降低室内温度。

图5 控制电路

2.3.5按键电路设计

监测系统采用的是简单便捷的轻触按键，与电子开关相对应。监测系统中共用到4个轻触按钮，即S1，S2，S3和S4，其中，S1为系统设置键，可以预先对用户需要的温度、湿度进行设置，S2为加键，S3为减键，S4为确定键。按键电路如图6所示。

图6 按键电路

3 软件设计

3.1 主程序设计

温湿度监测系统软件部分利用C语言进行编程，采用程序模块化的设计思想，将系统分为显示器模块、按键输入模块、单片机串行通信模块、温湿度测量模块和整体程序模块[11-12]，分别进行设计、编码和测试，增强程序的可移植性。主程序流程图如图7所示。

图7 主程序流程图

3.2 温湿度读取子程序

温湿度读取子程序流程图如图8所示。由图8可知，DHT11温湿度传感器的数据采集过程可分为以下几步。

图8 温湿度读取子程序流程图

1)是主机给传感器控制芯片一个低位电平并下拉18 ms，传感器接收到电平，获取主机需要监测的数据类型。

2)串口信号将上拉电阻拉高，延时40 μs后判断主机是否为低电平。如果不是低电平则结束，如果是低电平就延时等待。

3)判断是否为高电平，如果不是高电平则结束，如果是高电平就分别读取第1字节、第2字节、第3字节、第4字节、第5字节的数据进行校验，如果校验成功便将采集到的数据存入数据储存器，中断串行通信；如果校验不成功则直接中断通信，结束程序。

4 系统功能调试

监测系统接通电源后，系统将会实时监测室内的温度和湿度，并将监测到的数据显示在LCD 1602液晶显示屏上。如果温湿度监测数据在预设的阈值范围内，系统继续监测；若超出预设的极限阈值范围，对应的指示灯就会点亮，系统将自动进行温湿度调节。工作人员可以观察到系统的整个工作过程，及时纠正各种影响因素，使用方便。

对本系统的温湿度监测和断电保存这2个功能进行如下2种测试，测试结果如图9所示。

图9 测试结果

1)分别测试在设定值温度为19 ℃、湿度为28%时系统的工作情况。由图9可知，监控温度的灯被点亮，监控湿度的灯不亮，说明系统所处环境室内温度偏高，湿度正常，该系统对温湿度的监测功能能够正常实现。

2)将系统放在一个提前设置好温度和湿度值的环境中，确认保存后，重启系统，发现系统设定的温湿度值依旧可以正常显示，说明该系统可以进行断电保存。

5 结论

所设计的小型温湿度监测系统可以实现温湿度采集、集中控制、信息处理、警报提示和自行控制调节温湿度等功能。该系统操控简单、成本较低、调控安全可靠、精度较高，但在使用过程中仍存在一些不足。由于温度和湿度是伴生关系，如果对温度进行调节，湿度也会随之改变，调节便会出现误差，因此后续要继续在对温度湿度同时调节方向进行研究，提高监测与调控精度，增强产品的市场竞争力。