基于SHT11傳感器的溫濕度測量系統設計

摘要 研究了基于SHT11溫濕度傳感器和單片機技術(shù)的智能溫濕度測量系統。系統使用SHT11溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集溫濕度數據;同時(shí)采用AT 89s52單片機進(jìn)行數據的存儲和計算等處理;并通過(guò)擴展外圍電路設計了一個(gè)集多種應用功能于一體的溫濕度值檢測系統。該系統具有測量精度高、可靠性強、體積小、成本低，且使用操作方便等優(yōu)點(diǎn)。

隨著(zhù)新技術(shù)被應用到溫濕度測量領(lǐng)域中，高集成度、智能化、高精度、高可靠性的溫濕度一體化檢測傳感器開(kāi)始得到應用。SHT11作為新一代的高性能智能傳感器，具有廣泛的應用前景。本設計介紹了SHT11溫濕度傳感器的工作原理，并論述了如何利用單片機進(jìn)行溫濕度數據處理以及結合外圍電路完成溫濕度監視和控制功能。

1 傳感器工作原理

SHT11智能溫濕度傳感器的結構如圖1所示，該傳感器由一片檢測相對濕度和溫度的混合傳感器模塊及一個(gè)經(jīng)校準的數字輸出組成，兩線(xiàn)串行接口和內部電壓自動(dòng)調節，使其具有方便、快速的系統集成。

SHT11系列傳感器的優(yōu)點(diǎn)為：無(wú)需外部模擬電子電路，可直接被微控制器訪(fǎng)問(wèn);溫度、供電、電容偏差及剩余電流等變化均不影響精度，即使被浸濕也不會(huì )失靈或出現誤差。同時(shí)具有長(cháng)期穩定性，無(wú)需再校準，且反應速度快、能量消耗低，適用于電池供電。

2 硬件設計

設計系統框圖如圖2所示，采用SHT11傳感器采集溫濕度數據，利用非自鎖按鈕式開(kāi)關(guān)組成的鍵盤(pán)向控制部分發(fā)出人為的控制信號，再使用DS1302時(shí)鐘芯片產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)間數據。而控制部分采用AT89s52單片機進(jìn)行各類(lèi)數據接收、處理和輸出。輸出部分則采用報警發(fā)生電路來(lái)報警，并通過(guò)液晶顯示模塊對溫濕度和時(shí)間等結果信息進(jìn)行顯示。

2.1 傳感器硬件接口電路設計

SHT11通過(guò)兩線(xiàn)串行接口電路與單片機連接，具體電路如圖3所示。其中，串行時(shí)鐘輸入線(xiàn)SCK用于單片機控制器與SHT11之間的通信同步。串行數據線(xiàn)DATA用于內部數據的輸出與外部數據的輸入。DATA在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘上升沿后有效。因此，單片機可在SCK高電平時(shí)讀取數據，而當其向SHT11發(fā)送數據時(shí)，在SCK時(shí)鐘下降沿后改變狀態(tài)，同時(shí)保證DATA線(xiàn)上的電平狀態(tài)在SCK高電平段穩定。

設計中在數據線(xiàn)DATA上加入10 kΩ的上拉電阻。此外，在VDD和GND之間跨接一個(gè)100 nF的電容用于去耦濾波。

2.2 單片機系統外圍電路設計

系統采用的AT89s52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含8kB的Flash程序存儲器，256 Byte的RAM，40個(gè)引腳，32個(gè)I/O口，3個(gè)16位可編程定時(shí)/計數器，5個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級，1個(gè)全雙工串行通信口，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構。應用中單片機的最小系統通常包含電源開(kāi)關(guān)、復位電路、晶振電路等相關(guān)外圍電路，設計中單片機系統部分電路如圖4所示。

2.3 顯示電路設計

系統采用帶ST7920漢字液晶控制驅動(dòng)器的OCMJ4×8C液晶顯示模塊，該液晶提供8位微處理器接口，帶有顯示RAM及字型產(chǎn)生器，只需一個(gè)最小的微處理系統，便可方便地操作模塊。該顯示模塊內置2 MB中文字型ROM(CGROM)總共提供8 192個(gè)中文字型(16×16點(diǎn)陣)，16 kB半寬字型ROM(HCGROM)總共提供128個(gè)符號字型(16×8點(diǎn)陣)，并可與文字畫(huà)面混和顯示。

使用單片機的P0口作為并行數據傳輸接口，在P0口接入8個(gè)1 kΩ的電阻用于提高帶負載能力，使其可正常驅動(dòng)單片機，電路如圖5所示。

2.4 其他功能電路設計

如圖6所示，系統采用非自鎖按鈕式開(kāi)關(guān)組成的簡(jiǎn)單鍵盤(pán)，向單片機發(fā)出人為的功能選擇和設定控制信號，利用帶3 V紐扣電池供電的DS1302時(shí)鐘芯片產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)間數據。同時(shí)采用三極管放大電路和蜂鳴器組成的簡(jiǎn)單報警發(fā)生電路報警，而報警電路可通過(guò)拔出跨接器P_SP來(lái)進(jìn)行隔離。整個(gè)系統采用5 V電源直接供電。

3 軟件設計

編程主要涉及SHT11傳感器的溫濕度數據測量和采集、時(shí)間數據采集、液晶顯示界面、鍵盤(pán)掃描設定及溫濕度限值數據比較等讀寫(xiě)程序與算法程序的編寫(xiě)。

3.1 溫濕度測量程序設計

SHT11傳感器的工作時(shí)序如圖7所示，傳感器工作時(shí)首先對數據傳輸進(jìn)行初始化來(lái)啟動(dòng)SHT11測量時(shí)序，即在第一個(gè)SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DA TA翻轉為低電平，并在第二個(gè)SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA翻轉為高電平。SHT11測量命令包含3個(gè)地址位和5個(gè)命令位。單片機發(fā)布一組8 bit測量命令后，DATA在第8個(gè)SCK時(shí)鐘的下降沿被置為低電平。再發(fā)送第9個(gè)SCK時(shí)鐘作為命令確認，DA2TA在其下降沿后，恢復為高電平。同時(shí)，單片機可暫時(shí)停止發(fā)送時(shí)鐘序列以進(jìn)入空閑模式，準備讀取測量數據。SHT11在轉換結束后，將DATA置為低電平，單片機繼續發(fā)出時(shí)鐘序列，來(lái)讀取2個(gè)8 bit的測量數據和1個(gè)8 bit的CRC奇偶校驗。所有數據從MSB開(kāi)始，右值有效。其中，在每個(gè)字節傳輸結束后，均需要發(fā)出一個(gè)時(shí)鐘高電子ACK，并將DATA置為低電平，以確認讀取成功。在測量和傳輸結束后，SHT11自動(dòng)轉入休眠模式。

3.2 鍵盤(pán)設定算法程序設計

鍵盤(pán)采用K1、K2、K3、K4，4個(gè)非自鎖開(kāi)關(guān)設計，當開(kāi)關(guān)按下后會(huì )給單片機相應I/O口一個(gè)高電平。鍵盤(pán)主要實(shí)現對顯示界面的切換、溫濕度報警上下限設定及時(shí)間設定3大功能。這4個(gè)開(kāi)關(guān)的功能為：K1為界面切換鍵;K2為邏輯“+”，上翻頁(yè)，光標上移;K3為邏輯“-”，下翻頁(yè)，光標下移;K4選擇鍵。

3.3 液晶顯示程序設計

液晶顯示模塊的編程方式主要由該模塊使用的控制/驅動(dòng)器所決定。設計采用ST7920漢字液晶控制/驅動(dòng)器，其擁有8位并行微控制器接口，通過(guò)單片機編程，并使用了顯示字母、數字符號和中文字型的功能。另外，對于液晶屏的編程，一般只需向其中寫(xiě)數據即可。顯示程序設計流程如圖9所示。

3.4 報警程序設計

溫濕度越限報警功能通過(guò)報警函數實(shí)現，當溫濕度高于設定的報警上限或低于設定的報警下限時(shí)，便會(huì )在單片機的P2.1管腳輸出高電平，并通過(guò)三極管放大電路驅動(dòng)蜂鳴器報警。

在報警函數中，通過(guò)算法比較溫濕度顯示的限值和濕度設定限值的大小來(lái)判斷當前濕度是否越限。而溫度與濕度的比較類(lèi)似，僅是算法上仍需對綜合溫度的正負值進(jìn)行考慮。

3.5 DS1302時(shí)鐘程序設計

DS1302時(shí)鐘芯片在系統中起計時(shí)及時(shí)間顯示、設定的功能。DS1302的讀寫(xiě)操作時(shí)序如圖10所示，在控制指令字輸入后的下一個(gè)SCLK時(shí)鐘上升沿時(shí)，數據被寫(xiě)入DS1302，數據輸入從低位即位0開(kāi)始。同樣，在緊跟8位控制指令字后的下一個(gè)SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數據。

3.6 主函數程序設計

主函數程序將上述各功能單元子函數程序綜合到一個(gè)函數中循環(huán)運行，其流程如圖11所示。

4 結束語(yǔ)

SHT11作為新一代高性能智能傳感器，具有較高的應用前景。本文所設計的智能電子溫濕度測量系統，經(jīng)實(shí)驗驗證可對溫度和相對濕度進(jìn)行精確測量，并實(shí)時(shí)顯示測量結果，此外，該裝置還具有時(shí)間顯示、歷史溫濕度數據查詢(xún)、溫濕度上下限越限報警和相關(guān)顯示切換及設定等功能。該裝置成果具有體積小、測量精度高、測量速度快、范圍廣、使用操作方便、成本低以及功能強等優(yōu)點(diǎn)，適用于家居、旅行、溫室農業(yè)、食物儲存、檔案保管等多種應用場(chǎng)合，并具有較大的實(shí)際應用與經(jīng)濟利用價(jià)值。