基于單片機的溫濕度采集系統的硬件設計

摘要： 采用AT89C2051 單片機為核心配置，以溫濕度傳感器SHT75、數碼管顯示、計算機監控系統等部件，通過(guò)單片機與智能傳感器相連，采集并存儲智能傳感器的測量數據，并通過(guò)RS485 總線(xiàn)來(lái)實(shí)現PC 上位機與單片機控制模塊半雙工串行通信。微控制器AT89C2051 通過(guò)I2C 總線(xiàn)控制傳感器的測量和數據回傳，每次將采集到的5 組數據經(jīng)過(guò)計算，修正及補償后分別傳送到PC 端存儲和顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。經(jīng)過(guò)實(shí)驗測試得出結論：溫度測量精度為±0.3 ℃，濕度測量精度為±2%RH，各項指標均達到了課題的設計要求。

　　利用AT89C2051 單片機強大的功能，同時(shí)結合智能傳感器SHT75 測量溫濕度有快速和使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，設計了一個(gè)溫濕度采集系統來(lái)對溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。通過(guò)對實(shí)際環(huán)境的溫濕度測量， 證明了該系統硬件電路布局設計簡(jiǎn)單合理，體積小，功能齊全，精度高，成本低，性?xún)r(jià)比相當高，是一款可以普及化的高精度溫濕度參數檢測儀。

　　1 溫濕度采集系統的硬件設計

　　1.1 系統總體設計方案

　　為了實(shí)現課題對監控機構的穩定性好、精度高、實(shí)用性強的要求，比較眾多溫濕度測量方案，系統采用智能傳感器SHT75 和AT89C2051 單片機構成， 通過(guò)SHT75 對各環(huán)境內的溫度、濕度參數實(shí)時(shí)檢測，經(jīng)傳感器芯片內A/D 轉換器轉換成對應的二進(jìn)制值存儲于芯片的RAM 中， 單片機通過(guò)發(fā)送讀取溫濕度傳感器溫濕度命令碼，溫濕度傳感器就返回對應的參數值， 本系統帶RS485 通訊接口可連接監控主機或PC，通過(guò)監控主機或PC 來(lái)實(shí)時(shí)查看當前溫度和濕度值，并可在監控主機或PC 上設置報警參數以便實(shí)時(shí)監控環(huán)境溫度和濕度值。系統功能模塊框圖如圖1 所示。

圖1 系統功能模塊圖

　　1.2 芯片選擇

　　1.2.1 溫濕度傳感器

　　鑒于測量環(huán)境特殊要求，溫濕度檢測模塊不可能做得很大，而且系統要求響應靈敏，測量精度要高，溫度小于等于±0.3 ℃，濕度小于等于±1.8％，穩定性能良好，因此采用了瑞士生產(chǎn)的SHT75 溫濕度傳感器。

　　1.2.2 微處理器

　　該芯片主要是控制溫濕度采集，數據處理，實(shí)時(shí)溫濕度顯示及通信，那么對微控制器的端口需求較少，而且從測量系統對本模塊體積限定等諸多因數來(lái)考慮， 系統選用ATMEL 公司推出的AT89C2051， 它是目前比較主流的單片機芯片，20 個(gè)引腳，其中包括15 個(gè)I/O 口，復位和外部時(shí)鐘驅動(dòng)端， 一個(gè)全雙工串行通信端口，5 個(gè)中斷源等，128 B 的內部RAM，2 kB 的內部ROM 空間。

　　1.2.3 隔離芯片

　　鑒于長(cháng)距離驅動(dòng)數碼管顯示實(shí)時(shí)采集的溫濕度數值，為了使顯示的穩定性和可靠度增強，采用了兩片6N137 光電隔離芯片來(lái)驅動(dòng)串行輸入并行輸出7 片74LS164 芯片， 其中6片控制6 個(gè)數碼管顯示溫濕度，1 片用于控制4 個(gè)LED 燈顯示系統狀態(tài)。

　　1.2.4 看門(mén)狗芯片

　　為了監控檢測模塊工作正常，看門(mén)狗電路和芯片是單片機開(kāi)發(fā)系統必不可少的部分， 采用的X25054 看門(mén)狗芯片主要功能有監控電源，防止運行程序跑飛，擴充控制芯片存儲空間等。

　　1.2.5 通信接口

　　數據采集包括單片機對溫濕度傳感器數據采集，還包括PC 對單片機數據采集和處理。系統采用的是RS485 接口，它是一種半雙工串行通信接口， 采用平衡差分的傳輸模式，比RS232 接口提高了傳輸的速率和增加了傳輸距離，目前廣泛運用于數據采集通信系統。

1.3 系統原理圖的繪制

　　本系統采用AT89C2051 單片機作為控制核心，系統主要包括溫濕度傳感器、CPU、通訊接口等部件。電路圖的繪制采用Protel DXP 2004 開(kāi)發(fā)工具，在設計PCB 板的時(shí)候，應特別注意電磁兼容性設計、地線(xiàn)設計、去耦電容配置等幾個(gè)方面。

　　電磁兼容性設計的目的是使電子設備既能抑制各種外來(lái)的干擾， 使電子設備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時(shí)又能減少電子設備本身對其他電子設備的電磁干擾。在雙面PCB 板中，上下兩層信號線(xiàn)的走線(xiàn)方向要盡量相互垂直或斜交叉，避免平行走線(xiàn)，以減少寄生耦合的產(chǎn)生。

　　在電子設備中，接地是控制干擾的重要方法。地線(xiàn)設計中應根據電路特性，正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地，對高頻電路要采用多點(diǎn)接地，并盡量加粗接地線(xiàn)，接地線(xiàn)的寬度一般為普通走線(xiàn)的2 倍，而且要將接地線(xiàn)構成閉合環(huán)路。

　　在直流電源回路中，負載的變化會(huì )引起電源噪聲。因為在數字電路中， 當電路從一個(gè)狀態(tài)轉換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì )在電源線(xiàn)上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。合理配置去耦電容可以抑制因負載變化而產(chǎn)生的噪聲，提高PCB 板的可靠性。

　　溫濕度采集模塊PCB 板制作包括主控系統板制作和實(shí)時(shí)數據顯示板制作，最終設計的PCB 圖如圖2 和圖3 所示。

圖2 溫濕度采集模塊

圖3 實(shí)時(shí)數據顯示模塊

　　1.4 系統實(shí)物圖

　　最終參數采集及實(shí)時(shí)顯示模塊實(shí)物圖如圖4 所示。

圖4 參數采集及實(shí)時(shí)顯示模塊原理圖