基于A(yíng)T89S52的全數字溫濕度儀設計

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

本文不僅包括器件選型方面的硬件知識，同時(shí)給出了傳感器驅動(dòng)等典型程序段。實(shí)踐證明，本溫濕度儀具有測量數據準確、顯示直觀(guān)、反應快、量程大、誤差小、免標定、報警溫度可設定等優(yōu)點(diǎn)，穩定可靠，值得推廣。

0引言

溫濕度儀是日常生活、工礦企業(yè)、養殖等場(chǎng)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慢、精度低、量程小、標定繁瑣等缺點(diǎn)。近年來(lái)，隨著(zhù)數字傳感器發(fā)展與普及，溫濕度儀也在朝著(zhù)數字化、免標定、方便設置報警、實(shí)時(shí)監控等方向發(fā)展。尤其以DS18B20、DHT11為代表的數字傳感器，屬于集成傳感器，可靠性很高，因此，采用微控制器結合數字傳感器，設計全數字的溫濕度儀，具有普遍的實(shí)際意義和社會(huì )價(jià)值。

1.功能結構描述

本溫濕度儀以MCU為核心，利用最新數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，所以設置了三個(gè)按鍵作為輸入部分，以完成多個(gè)顯示界面切換及進(jìn)行相關(guān)設置的功能。功能結構示意圖如圖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，在需要數字信號的場(chǎng)合應用不夠方便。近幾年涌現出一些數字溫度傳感器，如ADT7301、TMP205等，但經(jīng)過(guò)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(jiǎn)單，尤其值得稱(chēng)道的是其“單總線(xiàn)”數據傳輸方式，與單片機交換信息僅需要一根I/O線(xiàn)。而且，可同一總線(xiàn)掛接多個(gè)傳感器，每一個(gè)都有自己唯一的64位序列號。實(shí)際應用中，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(lái)市面上典型數字濕度傳感器有瑞士SHT11等型號，精度高范圍大，但價(jià)格較高，這里最終選用奧松DHT11[2],該傳感器由一個(gè)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(jià)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(xiàn)制串行接口，編程上與18B20有一定相似之處。該傳感器缺點(diǎn)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(shí)時(shí)性要求不高，數字化溫度、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(pán)、蜂鳴器等硬件資源占用的引腳數也不多，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(jià)廉，完全滿(mǎn)足上述要求，而且具有ISP下載功能，可實(shí)現在對板載芯片進(jìn)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(guān)檔次，沒(méi)有使用傳統數碼管，而是采用了應用較廣的字符點(diǎn)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(diǎn)。由于各廠(chǎng)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。該液晶型號國內外生產(chǎn)廠(chǎng)家不少，如長(cháng)沙太陽(yáng)人、深圳金馬等，價(jià)格約十元。應用時(shí)通過(guò)模擬口線(xiàn)方式將LCM1602與MCU連接。

2.5 電源選型

本系統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(kāi)關(guān)切換)，一是外置220VAC轉5VDC的線(xiàn)性電源或開(kāi)關(guān)電源，PCB板上只留一個(gè)DC-002電源插座，二是采用兩節堿性電池結合Boost電路為系統提供電源。在采用后一方案時(shí)，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(kāi)關(guān)型DC/DC升壓穩壓芯片BL8530[4].該芯片僅0.8V的啟動(dòng)電壓、高電流的負載驅動(dòng)能力，極低的靜態(tài)功耗(Iq<5.5uA)，非常適合于便攜式電池應用的場(chǎng)合。采用了高性能、低功耗的參考電壓電路結構，同時(shí)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(shí)測維持在4.98V,十分穩定。

3.軟件編程

3.1 軟件流程圖

開(kāi)始上電后，首先進(jìn)行系統初始化，包括定義IO口、設置默認值，顯示開(kāi)機畫(huà) 面等工作。然后默認進(jìn)入顯示當前溫度的狀態(tài)，如果沒(méi)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。

根據官方數據手冊，相關(guān)溫度操作包括啟動(dòng)溫度轉換(Conver T)，跳過(guò)ROM(SkipRom)，寫(xiě)暫存器(Write Scratchpad)，設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(lái)進(jìn)行按鍵判斷，本儀表共有3個(gè)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)計數器加1,進(jìn)入相應測試界面，且在溫度測量、濕度測量及其他幾個(gè)功能間循環(huán)。鍵2分長(cháng)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(dòng)/自動(dòng)背光，關(guān)閉報警等功能。如果所有按鍵都沒(méi)有被按下，則先判斷當前狀態(tài)，然后判斷是否存在相應傳感器，如果有只更新當前溫度或濕度值，或進(jìn)入其他功能。最后返回，整個(gè)是一個(gè)大循環(huán)結構。另外，此處僅是軟件流程圖示意圖，提供設計思路，某些具體實(shí)現可能會(huì )根據實(shí)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