基于單片機(jī)的溫濕度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

摘要： 采用AT89C2051 單片機(jī)為核心配置，以溫濕度傳感器SHT75、數(shù)碼管顯示、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等部件，通過(guò)單片機(jī)與智能傳感器相連，采集并存儲(chǔ)智能傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，并通過(guò)RS485 總線來(lái)實(shí)現(xiàn)PC 上位機(jī)與單片機(jī)控制模塊半雙工串行通信。微控制器AT89C2051 通過(guò)I2C 總線控制傳感器的測(cè)量和數(shù)據(jù)回傳，每次將采集到的5 組數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算，修正及補(bǔ)償后分別傳送到PC 端存儲(chǔ)和顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出結(jié)論：溫度測(cè)量精度為±0.3 ℃，濕度測(cè)量精度為±2%RH，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了課題的設(shè)計(jì)要求。

　　利用AT89C2051 單片機(jī)強(qiáng)大的功能，同時(shí)結(jié)合智能傳感器SHT75 測(cè)量溫濕度有快速和使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)溫濕度采集系統(tǒng)來(lái)對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)對(duì)實(shí)際環(huán)境的溫濕度測(cè)量， 證明了該系統(tǒng)硬件電路布局設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理，體積小，功能齊全，精度高，成本低，性價(jià)比相當(dāng)高，是一款可以普及化的高精度溫濕度參數(shù)檢測(cè)儀。

　　1 溫濕度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

　　為了實(shí)現(xiàn)課題對(duì)監(jiān)控機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性好、精度高、實(shí)用性強(qiáng)的要求，比較眾多溫濕度測(cè)量方案，系統(tǒng)采用智能傳感器SHT75 和AT89C2051 單片機(jī)構(gòu)成， 通過(guò)SHT75 對(duì)各環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，經(jīng)傳感器芯片內(nèi)A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制值存儲(chǔ)于芯片的RAM 中， 單片機(jī)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(duì)應(yīng)的參數(shù)值， 本系統(tǒng)帶RS485 通訊接口可連接監(jiān)控主機(jī)或PC，通過(guò)監(jiān)控主機(jī)或PC 來(lái)實(shí)時(shí)查看當(dāng)前溫度和濕度值，并可在監(jiān)控主機(jī)或PC 上設(shè)置報(bào)警參數(shù)以便實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境溫度和濕度值。系統(tǒng)功能模塊框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

　　1.2 芯片選擇

　　1.2.1 溫濕度傳感器

　　鑒于測(cè)量環(huán)境特殊要求，溫濕度檢測(cè)模塊不可能做得很大，而且系統(tǒng)要求響應(yīng)靈敏，測(cè)量精度要高，溫度小于等于±0.3 ℃，濕度小于等于±1.8％，穩(wěn)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(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)溫濕度顯示及通信，那么對(duì)微控制器的端口需求較少，而且從測(cè)量系統(tǒng)對(duì)本模塊體積限定等諸多因數(shù)來(lái)考慮， 系統(tǒng)選用ATMEL 公司推出的AT89C2051， 它是目前比較主流的單片機(jī)芯片，20 個(gè)引腳，其中包括15 個(gè)I/O 口，復(fù)位和外部時(shí)鐘驅(qū)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(nèi)部RAM，2 kB 的內(nèi)部ROM 空間。

　　1.2.3 隔離芯片

　　鑒于長(zhǎng)距離驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)采集的溫濕度數(shù)值，為了使顯示的穩(wěn)定性和可靠度增強(qiáng)，采用了兩片6N137 光電隔離芯片來(lái)驅(qū)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(shù)碼管顯示溫濕度，1 片用于控制4 個(gè)LED 燈顯示系統(tǒng)狀態(tài)。

　　1.2.4 看門狗芯片

　　為了監(jiān)控檢測(cè)模塊工作正常，看門狗電路和芯片是單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)必不可少的部分， 采用的X25054 看門狗芯片主要功能有監(jiān)控電源，防止運(yùn)行程序跑飛，擴(kuò)充控制芯片存儲(chǔ)空間等。

　　1.2.5 通信接口

　　數(shù)據(jù)采集包括單片機(jī)對(duì)溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集，還包括PC 對(duì)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理。系統(tǒng)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?shù)乃俾屎驮黾恿藗鬏斁嚯x，目前廣泛運(yùn)用于數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)。

1.3 系統(tǒng)原理圖的繪制

　　本系統(tǒng)采用AT89C2051 單片機(jī)作為控制核心，系統(tǒng)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(shè)計(jì)PCB 板的時(shí)候，應(yīng)特別注意電磁兼容性設(shè)計(jì)、地線設(shè)計(jì)、去耦電容配置等幾個(gè)方面。

　　電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來(lái)的干擾， 使電子設(shè)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(shè)備本身對(duì)其他電子設(shè)備的電磁干擾。在雙面PCB 板中，上下兩層信號(hào)線的走線方向要盡量相互垂直或斜交叉，避免平行走線，以減少寄生耦合的產(chǎn)生。

　　在電子設(shè)備中，接地是控制干擾的重要方法。地線設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)電路特性，正確選擇單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地，對(duì)高頻電路要采用多點(diǎn)接地，并盡量加粗接地線，接地線的寬度一般為普通走線的2 倍，而且要將接地線構(gòu)成閉合環(huán)路。

　　在直流電源回路中，負(fù)載的變化會(huì)引起電源噪聲。因?yàn)樵跀?shù)字電路中， 當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時(shí)，就會(huì)在電源線上產(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(fù)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(tǒng)板制作和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示板制作，最終設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)顯示模塊

　　1.4 系統(tǒng)實(shí)物圖

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

圖4 參數(shù)采集及實(shí)時(shí)顯示模塊原理圖