全數(shù)字溫濕度儀的設(shè)計與實現(xiàn)

本文從實際應(yīng)用出發(fā)，較全面地介紹了全數(shù)字溫濕度儀的設(shè)計與實現(xiàn)。方案采用AT89S52單片機作為MCU，DS18B20作為數(shù)字溫度傳感器，奧松DHT11為數(shù)字濕度傳感器，1602液晶模塊為顯示部件，結(jié)合相關(guān)電路組成溫濕度計的硬件部分，嵌入式編程采用C51語言。

本文不僅包括器件選型方面的硬件知識，同時給出了傳感器驅(qū)動等典型程序段。實踐證明，本溫濕度儀具有測量數(shù)據(jù)準確、顯示直觀、反應(yīng)快、量程大、誤差小、免標定、報警溫度可設(shè)定等優(yōu)點，穩(wěn)定可靠，值得推廣。

0引言

溫濕度儀是日常生活、工礦企業(yè)、養(yǎng)殖等場所經(jīng)常使用的測量溫度、濕度的儀表，老式溫濕度儀存在反應(yīng)慢、精度低、量程小、標定繁瑣等缺點。近年來，隨著數(shù)字傳感器發(fā)展與普及，溫濕度儀也在朝著數(shù)字化、免標定、方便設(shè)置報警、實時監(jiān)控等方向發(fā)展。尤其以DS18B20、DHT11為代表的數(shù)字傳感器，屬于集成傳感器，可靠性很高，因此，采用微控制器結(jié)合數(shù)字傳感器，設(shè)計全數(shù)字的溫濕度儀，具有普遍的實際意義和社會價值。

1.功能結(jié)構(gòu)描述

本溫濕度儀以MCU為核心，利用最新數(shù)字化溫濕度傳感器作為測量器件，LCM為顯示部件，蜂鳴器為提示音和報警聲輸出，由于本儀表還具有其他功能，所以設(shè)置了三個按鍵作為輸入部分，以完成多個顯示界面切換及進行相關(guān)設(shè)置的功能。功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

2.硬件選型

2.1 溫度傳感器選型

以熱電偶、熱敏電阻等為主，輸出電壓、電流或頻率等模擬物理量的模擬傳感器，在需要數(shù)字信號的場合應(yīng)用不夠方便。近幾年涌現(xiàn)出一些數(shù)字溫度傳感器，如ADT7301、TMP205等，但經(jīng)過綜合比較，這里采用了美國Dallas公司出品的DS18B20[1],優(yōu)勢是反映快、精度高(可編程9-12位，最高0.0625℃)、體積小、誤差小(±0.5℃)、測溫范圍大(-55~125℃)、接口簡單，尤其值得稱道的是其“單總線”數(shù)據(jù)傳輸方式，與單片機交換信息僅需要一根I/O線。而且，可同一總線掛接多個傳感器，每一個都有自己唯一的64位序列號。實際應(yīng)用中，采用了DS18B20的外部電源供電方式。

2.2 濕度傳感器選型

近年來市面上典型數(shù)字濕度傳感器有瑞士SHT11等型號，精度高范圍大，但價格較高，這里最終選用奧松DHT11[2],該傳感器由一個電阻式感濕元件、NTC測溫元件和8位單片機組成，相比前者有較大價格優(yōu)勢，精度5%RH,誤差2%RH,濕度范圍20~95%RH.而且，該傳感器也是單線制串行接口，編程上與18B20有一定相似之處。該傳感器缺點是不如電容型精度高。由于該傳感器溫度測量的性能指標不及DS18B20,所以只用了其濕度測量功能。

2.3 MCU選型

鑒于溫濕度測量實時性要求不高，數(shù)字化溫度、濕度傳感器及液晶顯示模塊對M C U速度要求也不算高，以上器件加上鍵盤、蜂鳴器等硬件資源占用的引腳數(shù)也不多，所以采用經(jīng)典的51系列單片機是很好的選擇。尤其美國Atmel公司生產(chǎn)的AT89S5x系列單片機[3],質(zhì)優(yōu)價廉，完全滿足上述要求，而且具有ISP下載功能，可實現(xiàn)在對板載芯片進行程序升級，十分方便。最終C51程序經(jīng)編譯生成的HEX文件為15k大小，可下載到AT89S52芯片。

2.4 顯示部件選型

為了提升儀表外觀檔次，沒有使用傳統(tǒng)數(shù)碼管，而是采用了應(yīng)用較廣的字符點陣型液晶顯示模組LCM1602,其具有微功耗、體積小、編程顯示靈活等特點。由于各廠家1602液晶大都基于HD44780液晶芯片的，故控制原理相同，方便替換。該液晶型號國內(nèi)外生產(chǎn)廠家不少，如長沙太陽人、深圳金馬等，價格約十元。應(yīng)用時通過模擬口線方式將LCM1602與MCU連接。

2.5 電源選型

本系統(tǒng)MCU、傳感器等都可使用+5V供電，故需配置直流電源。這里采用兩種供電方案(開關(guān)切換)，一是外置220VAC轉(zhuǎn)5VDC的線性電源或開關(guān)電源，PCB板上只留一個DC-002電源插座，二是采用兩節(jié)堿性電池結(jié)合Boost電路為系統(tǒng)提供電源。在采用后一方案時，有MAX1674、TPS60110、SP6641A等多種芯片選擇，但從經(jīng)濟性和方便采購等方面考慮，最終選擇上海貝嶺公司的開關(guān)型DC/DC升壓穩(wěn)壓芯片BL8530[4].該芯片僅0.8V的啟動電壓、高電流的負載驅(qū)動能力，極低的靜態(tài)功耗(Iq5.5uA)，非常適合于便攜式電池應(yīng)用的場合。采用了高性能、低功耗的參考電壓電路結(jié)構(gòu)，同時在生產(chǎn)中引入修正技術(shù)，保證了輸出電壓的高輸出精度及低溫度漂移，且對周邊電路干擾很小。

配合肖特基二極管1N5819、100uf鉭電容和33uH屏蔽功率電感，輸出電壓實測維持在4.98V,十分穩(wěn)定。

3.軟件編程

3.1 軟件流程圖

開始上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，包括定義IO口、設(shè)置默認值，顯示開機畫 面等工作。然后默認進入顯示當前溫度的狀態(tài)，如果沒有收到DS18B20返回的存在脈沖，蜂鳴器報警且液晶有相關(guān)信息提示。軟件流程如圖2所示。

根據(jù)官方數(shù)據(jù)手冊，相關(guān)溫度操作包括啟動溫度轉(zhuǎn)換(Conver T)，跳過ROM(SkipRom)，寫暫存器(Write Scratchpad)，設(shè)置高低溫報警寄存器TH和TL,拷貝暫存器(Copy Scratchpad)，Recall E2和讀暫存器(Read Scratchpad)等。接下來進行按鍵判斷，本儀表共有3個輸入按鍵，按鍵1是功能切換鍵，每當按下一次則軟件狀態(tài)計數(shù)器加1,進入相應(yīng)測試界面，且在溫度測量、濕度測量及其他幾個功能間循環(huán)。鍵2分長按和短按，在溫度模式下有攝氏/華氏溫度切換、最大值保持、關(guān)閉報警等功能。鍵3有切換液晶屏手動/自動背光，關(guān)閉報警等功能。如果所有按鍵都沒有被按下，則先判斷當前狀態(tài)，然后判斷是否存在相應(yīng)傳感器，如果有只更新當前溫度或濕度值，或進入其他功能。最后返回，整個是一個大循環(huán)結(jié)構(gòu)。另外，此處僅是軟件流程圖示意圖，提供設(shè)計思路，某些具體實現(xiàn)可能會根據(jù)實際情況放到中斷里處理，更為方便。 3.2 溫度傳感器典型程序段

D S 1 8 B 2 0對時序要求非常嚴格，編程時應(yīng)確保延時程序要符合datasheet中的要求，這里首先編制了一個較精確的10us延時，之后的程序中多次調(diào)用。另外，攝氏、華氏溫度的轉(zhuǎn)換，以及低于0攝氏度時，需要顯示的負號等情況都可在液晶顯示溫度的程序段中考慮。典型程序如下：

3.3 濕度傳感器典型程序段

相比同樣是單總線設(shè)計的DS18B20,國產(chǎn)DHT11在編程思路上有一定相似性，但時序、移位等操作都不同，協(xié)議較前者簡單。

用戶主機(M C U)發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，待主機開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信采集。而操作DS18B20時，MCU初始化收到應(yīng)答信號后，就可隨時發(fā)個指令寫或讀，主機有更多主動權(quán)。按照官方產(chǎn)品手冊提供的時序，編制程序如下：

主程序、1602顯示驅(qū)動、其他功能等程序略去。

4.結(jié)論

本數(shù)字溫濕度儀經(jīng)試制、長時間運行，表現(xiàn)穩(wěn)定，效果良好。在調(diào)試階段，遇到并解決了一些問題，一個比較棘手的問題是，顯示溫度時偶爾會出現(xiàn)異常數(shù)字。經(jīng)仔細分析發(fā)現(xiàn)，這是由于本儀表的多按鍵、多功能而采用的多個定時器，定時器產(chǎn)生的中斷導(dǎo)致了DS18B20與MCU通信時序遭到破壞，造成傳輸?shù)臄?shù)據(jù)出錯。本問題后來通過增加CRC8校驗，對偶然出現(xiàn)的錯誤數(shù)據(jù)進行舍棄得到解決。

現(xiàn)階段該溫濕度儀只作為單獨使用，在以后的升級型號中，可以加入數(shù)據(jù)存儲功能(如24C02芯片記錄峰值)，以及多傳感器總線方式，通過上位機監(jiān)控各點溫濕度等功能。