基于STC15单片机的温湿度计设计

2020-12-16吕小兵

山西电子技术 2020年6期

吕小兵

(厦门紫光展锐科技有限公司，福建厦门 361000)

0 引言

温度和湿度是两个基本的环境参数，在日常生活、环境保护、农业、化工等领域，经常需要对周围环境的温度和湿度进行监测[1]。目前，温湿度的测量方法有很多种，传统的温湿度计，精度不高，不易读数。单片机集成度高、功耗低、可靠性高，本文以STC15单片机和热敏电阻测量温度、湿敏电容HS1101测量湿度为基础，进行温湿度计的设计，并将温湿度的数值显示在数码管上。

1 温湿度计的硬件设计

该温湿度系统采用STC15W4K32S4单片机作为微控制单元，MF52热敏电阻模块组成温度测量电路，并通过数码管进行温湿度的显示。通过按键来实现温湿度、时间、温湿度上限值显示的切换，通过按键也可以实现对温湿度上限值的调整。当前温度或湿度超过温湿度上限值时，通过蜂鸣器进行报警。其中，时钟模块用于记录实时时钟，采用PCF8563来实现。

图1 温湿度计系统框图

1.1 单片机模块

STC15W4K32S4是宏晶科技生产的单机器周期的单片机，是宽电压、低功耗、超强抗干扰的新一代的8051单片机。内部集成高精度R/C时钟，ISP编程时5 MHz～35 MHz宽范围可设置，可省掉外部的晶振；内置4k字节SRAM,32k字节片内程序存储器，8路高速10位A/D转换器，共7个定时器[2]。

1.2 温度模块

温度的测量方法有多种，热敏电阻因其体积小、反应灵敏和低成本的特点而被大量应用于温度测量中。在本设计中，采用了MF52型热敏电阻。MF52型热敏电阻器是采用新材料、新工艺生产的小体积的树脂包封型NTC热敏电阻器，具有高精度和快速反应等优点[3]。

图2所示为温度模块电路，采用常规的串联分压电路，其中R31为10k,RT为MF52型B值为3950的热敏电阻。TEMP_AN与单片机STC15W4K32S4的高速ADC输入口P16相连。此处的P16IO口需设为高阻输入模式，测出的AD的数值才会准确，如若设为默认的准双向口，则实际测出的AD的数值比真实值小。

图2 温度模块电路

根据电路RT两端的电压为：

VRT=VCC×RT/(RTR31)

(1)

式中，VCC为电源电压，为3.3V；R31为分压电阻，为10kΩ。

“科技之光照亮了中国印刷业前进的道路。而重视科技进步是中国印工协与生俱来的基因、始终不渝的追求”，徐建国理事长总结道。产业不同发展阶段，协会面临的使命和挑战也有所不同。他认为，对协会来讲，当前的一个重要任务是，要积极探索在市场经济条件下如何推进自身建设，不能办成“二政府”，且因为环境使然也很难像国外同业协会那样完全市场化运作。“协会据此提出一个思路：“企业家办会，开放式办会”，目的是，立足市场、深植企业，在服务企业、服务产业中体现协会的价值。而今，通过几年的实践，成效显著，良性互动的产业协作氛围已然形成。

由于STC15W4K32S4的ADC为10位，故有如下式(2)

VRT/VCC=AD/1024

(2)

从而得到式(3)

AD=1024×RT/(RT+R31)

(3)

AD即为STC15W4K32S4的10位ADC采到的数值。

1.3 湿度模块

湿度模块主要选用了湿度传感器HS1101,它是一种将湿度变化转化为电容变化的传感器。HS1101具有湿度测量范围宽、温漂效应较小、平均灵敏度较高和反应快速等优点[4]。

温度模块电路如图3所示，采用的是HS1101的典型电路。HS1101与NE555搭建成多谐振荡电路,其输出为方波信号。输出信号F_OUT与STC15单片机的P32(INT0)相连接。HS1101的一脚连接着555的TH与TRIG,另一脚连接着GND。R2,R1,HS1101构成了充电回路；R1,HS1101构成了放电回路。电路充放电的时间由R1,R2的阻值及HS1101的电容值来决定。

图3 湿度模块电路

T充电=CHS1101*(R1+R2)*ln2.

(4)

T放电=CHS1101*R1*ln2.

(5)

可得输出方波的频率为：

f=1/(T充电+T放电)=

1/(CHS1101*(2R1+R2)*ln2).

(6)

空气湿度的变化，引起了HS1101的电容值变化，进而使得555电路的输出信号频率发生变化。信号的频率与相对湿度之间的关系如表1所示。

表1 输出信号频率与相对湿度之间的关系

1.4 数码管和蜂鸣器

图4所示为数码管驱动电路。采用了8个共阳极的数码管，通过两片74HC595实现对单片机IO的扩展并对数码管的驱动。74HC595芯片是一种硅结构的CMOS器件，可实现8位串行输入并行输出，在使用成本、驱动能力、操作便捷度等方面具备良好的性能优势[5]。由于人眼的视觉暂留效应，通过定时器进行动态扫描，能使数码管稳定显示。在此设计中，将定时器设为0.2 ms,每隔0.2 ms切换显示8个数码管中的一个。

图4 数码管电路

本设计采用的是有源蜂鸣器，通过单片机的IO来控制三极管S8550的通断，从而控制蜂鸣器的开关。

1.5 时钟模块

时钟模块主要采用了PCF8563芯片。PCF8563是PHILIPS公司推出的一款工业级内含I2C总线接口功能的，具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片[6]。STC15单片机通过I2C接口控制PCF8563芯片以获取时间信息。

1.6 按键电路

该电路共有4个独立按键，分别为SW1、SW2、SW3、SW4。其中SW1相当于主菜单键，用来切换显示温湿度值、时间、温湿度阈值；SW2相当于次级菜单键，当前若处于时间显示时，用来选择时钟、分钟或秒钟的调整，当前若处于温湿度阈值，则用来选择温度或湿度阈值的调整；SW3、SW4则分别对当前正在调整的数值进行加或者减操作。

2 温湿度计的软件设计

2.1 主程序设计

本系统共有三组显示界面，分别是温湿度值的显示、时分秒显示，温湿度阈值的显示。可以通过按键来调整时分秒和温湿度阈值的数值。当前的温湿度值超过阈值时，单片机会控制蜂鸣器发出“嘀-嘀-嘀-”的报警声。

本系统使用了STC15中的一个定时器进行系统时钟的控制。定时器进行1 ms的设定，在定时器中断函数时，对100 ms、1 s的标志位进行置1，在main函数的循环里，根据需要，将不同的任务放在不同的时间间隔来处理，并且当检测到这些时间标志为1时会对这些时间标志进行置0。

图5所示为主程序的流程图，在系统初始化里实现了对各个模块的初始化，当检测到100 ms时间到了以后，进行按键处理、数码管缓冲区填充、蜂鸣器时间控制、时间读取；当检测到1 s时间到了以后，进行温度采集、湿度计算、报警处理。

图5 主程序流程图

2.2 温度计算程序设计

STC15W4K32S4的10位ADC采到的数值可以反映温度的数值。此次设计采用的是B值为3950的NTC热敏电阻，通过查阅资料，选取部分R-T数据，如表2所示。

表2 R-T关系

根据式(3)可以推得部分AD的数值与温度之间的关系如表3所示。

表3 AD-T关系

在STC15单片机程序中，通过查AD-T的表格，就可以计算出具体的温度的数值。

2.3 湿度计算程序设计

湿度模块的频率信号与STC15单片机的P32(INT0)相连。将单片机的外部中断0的工作方式设为下降沿有效，并开启外部中断0。对于外部中断0的中断服务程序，每一次外部中断0响应时，shidu_cnt++,每当系统时间过去1 s,则令freq_value=shidu_cnt,shidu_cnt=0。此处的freq_value则为湿度模块的频率信号的频率值。

根据表1就能算出当前的湿度所处的区间值，再通过双线性插值的方法，就可以算出具体的湿度值。假设当前的Freq值处在表1中的Freq1与Freq2之间，Freq1对应的湿度值为RH1,Freq2对应的湿度值为RH2,并且RH2-RH1=10,则可以根据式(7)算出当前湿度的数值。

RH=RH1+10*(Freq1-Freq)/(Freq1-Freq2)

(7)