使用無(wú)字庫(kù)12864液晶模塊制作溫濕度計(jì)

在上次介紹的日歷鐘的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一下：讓它具備檢測(cè)大氣溫度和濕度的功能，一天24小時(shí)不間斷運(yùn)行并定時(shí)檢測(cè)，于是，日歷鐘就搖身一變成為一個(gè)小小溫濕度計(jì)啦。雖然氣象要素很多，不過(guò)我們最常用的就是氣溫和濕度。一個(gè)是冷熱程度，一個(gè)是環(huán)境空氣中含水蒸氣的多少。一般家用溫度計(jì)很常見(jiàn)，濕度計(jì)就比較少，以前有一種干濕球溫度計(jì)，但是用起來(lái)比較麻煩，準(zhǔn)確度也不高?，F(xiàn)在應(yīng)用電子技術(shù)我們就可以做一個(gè)可以同時(shí)顯示溫度、濕度、時(shí)間的小儀器，放在家里以便隨時(shí)監(jiān)測(cè)我們的小環(huán)境。它的特點(diǎn)如下：

1.在單片機(jī)ATMega8L-8PU（以下簡(jiǎn)稱M8）和日歷鐘電路DS1302的基礎(chǔ)上，使用一個(gè)在工廠經(jīng)過(guò)精密校準(zhǔn)的數(shù)字式溫度、濕度傳感器AM2301作為探頭；

2.當(dāng)24小時(shí)連續(xù)工作時(shí)，縱然工作電流僅為幾毫安，也不宜使用紐扣電池供電。這次選用可充電的3.6V聚合物鋰電池，使它的放置地點(diǎn)可以不受電源限制，可以在室內(nèi)，也可以在不受陽(yáng)光直射和雨水接觸的室外；

3.具有文字和圖形界面，可以顯示溫度和濕度數(shù)值，以及12小時(shí)內(nèi)的濕度變化記錄曲線，為什么是濕度曲線呢？因?yàn)闅鉁氐淖兓?guī)律一般比較穩(wěn)定，濕度就不一樣了，我們可以從濕度變化趨勢(shì)估計(jì)一下未來(lái)的晴雨可能，這比看燕子飛高飛低要靠譜些吧？?jī)蓚€(gè)界面用按鍵切換；

4.具備鋰電池線性充電電路，通過(guò)USB接口從外部取得5V電源，一邊供給充電，一邊維持電路繼續(xù)工作；
全部元器件安裝在一塊70mm×90mm的小萬(wàn)用板上，正面、背面外形見(jiàn)圖1、圖2。正面左邊那個(gè)黑色小烏龜殼就是溫濕度探頭。

圖2 電路板背面元器件分布和連線?

電路原理

電路見(jiàn)圖3。圖形點(diǎn)陣液晶、單片機(jī)M8、時(shí)鐘電路DS1302和上次小小日歷鐘基本相同，不再重復(fù)。有兩點(diǎn)稍稍不同：
1.液晶的控制雖然還是通過(guò)M8的PD口，但具體接線有所改變，不再占用兩根串口線PD0和PD1，目的是為今后可能和外部通信預(yù)留接口。這好辦，編程時(shí)重新定義即可；

2.因?yàn)槌Ｓ秒娫词菐ПＷo(hù)板的3.6V充電鋰電池（圖3中GB2），它放完電會(huì)自動(dòng)切斷，為了使DS1302繼續(xù)工作，必須另外使用一片3V紐扣鋰電池CR1225（圖3中GB1）作為時(shí)鐘芯片的后備電池。也可用法拉電容，但較貴。

圖3?電路原理圖

圖4 AM2301的讀寫時(shí)序脈沖示意圖?

TRH是數(shù)字式溫濕度傳感器 AM2301。它內(nèi)部有經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的電容式濕度傳感器和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），以及8位單片機(jī)?？蓽y(cè)量溫度范圍是-40～+80℃，精度最大±1℃，濕度范圍是0%～100%，常溫時(shí)精度±3%，分辨率都是0.1。溫度信號(hào)、濕度信號(hào)最后都轉(zhuǎn)換為一個(gè)40位的二進(jìn)數(shù)串行輸出。其中的高16位是濕度，中16位是溫度，低8位是校驗(yàn)和，當(dāng)高16位加中16位等于低8位時(shí)，說(shuō)明測(cè)量結(jié)果正確，可以采信。它使用單線總線結(jié)構(gòu)，接線很簡(jiǎn)單，一共就3根線：圖3中的R表示紅線，接電源（3.3～5.5VΩ），Y表示黃線，是信號(hào)線，按照要求需要外接5kΩ上拉電阻R2，接M8的PC5引腳。B表示黑線，接地。

輕觸按鈕S1～S5還是作校時(shí)用，沒(méi)有變化。

為了給400mAh的鋰電池充電，通過(guò)USB插頭把外部的5V電壓加到智能線性充電模塊TP4054。另外一個(gè)2×2微型自鎖開關(guān)S6可以選擇電池供電，或者電池充電。充電時(shí)5V外部電壓經(jīng)穩(wěn)壓器WY1降低為3.3V為VCC供電。

用上蓄電池了，液晶背光也可以“奢侈點(diǎn)”，偶爾用它一下。為此，增加了限流電阻R3和輕觸按鈕S5。

硬件組裝

這個(gè)溫濕度計(jì)電路簡(jiǎn)單，所需元件不多。除了溫濕度傳感器和充電模塊比較特殊以外，其他都是普通元件。幾個(gè)電阻和退耦電容都是用的貼片元件，尺寸是 0805，和洞洞板可以很好地配合。當(dāng)然也可用普通的引線電阻、電容。集成電路使用雙列直插插座反裝，這樣就有效利用了正面液晶屏占用的面積。具體做法和小小日歷鐘一樣。

溫濕度傳感器和充電模塊我都是從淘寶網(wǎng)上買的，搜一下“DHT21”和“TP4054”就可以找到大把，價(jià)格不高。溫濕度探頭的敏感元件都是裝在通風(fēng)透氣的烏龜殼內(nèi)，膠死了打不開，也就不要試圖暴力拆解了，以免污染了敏感元件影響性能。

反面焊裝IC插座的辦法是先把引腳向外折平（這樣子它更像小蜈蚣了），然后把引腳尖端稍向下彎，在洞洞板反面定位后，用尖頭鑷子把引腳尖端逐一捅進(jìn)焊盤洞洞里，外接引線也插入相應(yīng)洞洞里，一并焊接。

要注意兩個(gè)鋰電池最后安裝，安裝前必須先檢查已經(jīng)裝好其他元器件和接線的電路板，確認(rèn)VCC和地端沒(méi)有短路故障。在焊接前電池先不開封，避免不小心正負(fù)極短路，以至于“出師未捷身先死”。帶引腳的紐扣電池焊好即固定了，充電電池則用較厚的雙面膠粘接在電路板反面固定。完工后四角一定要裝上墊柱，避免電路板直接與平面接觸。

其他就沒(méi)有什么訣竅了，也就不再搞看圖識(shí)物。7cm×9cm的洞洞板安裝全部元件很寬松，實(shí)際上要想使這個(gè)小玩意工作起來(lái)，還要靠“軟功夫”。下面一一分解。

編程之一：AM2301的讀寫時(shí)序

前面說(shuō)過(guò)，溫濕度探子輸出的是40位的二進(jìn)數(shù)。在探頭進(jìn)行測(cè)量并輸出數(shù)據(jù)前，主控單片機(jī)M8和探頭有個(gè)握手過(guò)程，步驟是：

M8的PC5空閑時(shí)一直為高，數(shù)據(jù)線處于釋放狀態(tài)。要啟動(dòng)測(cè)量，M8就在PC5輸出低，使數(shù)據(jù)線拉低1ms以上（程序中用的10ms），把PC5轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)，外部上拉電阻R2立即使數(shù)據(jù)線升高。在40μs以內(nèi)探頭發(fā)出響應(yīng)：把數(shù)據(jù)線拉低80μs。M8讀到這個(gè)低電平，知道探頭回話了，接著探頭也釋放數(shù)據(jù)線80μs，M8就明白隨后就是數(shù)據(jù)了。數(shù)據(jù)總是以50μs低電平先導(dǎo)，隨后并不是以電平高低表示1、0，而是以高電平脈沖寬度表示1、0：70μs表示 1，26～28μs表示0。為了識(shí)別1和0，M8可在讀先導(dǎo)低電平完成后，延時(shí)35μs再次讀數(shù)據(jù)線，如果為高，就是1，如果為低，就是0。探頭連續(xù)送出 40個(gè)低-高脈沖后，再次拉低數(shù)據(jù)線50μs，結(jié)束數(shù)據(jù)送出。脈沖示意圖如圖4。

實(shí)際使用時(shí)還要注意，測(cè)量應(yīng)進(jìn)行兩次：第一次測(cè)量后，過(guò)2s再測(cè)一次，這次M8讀出的數(shù)據(jù)是兩秒前的測(cè)試數(shù)據(jù)。如果連續(xù)測(cè)量，間隔2s最好，無(wú)論如何不得小于1s。實(shí)際上氣溫和濕度一般也不會(huì)變化那么快。現(xiàn)在做的是每分鐘測(cè)兩次：在0s和2s各測(cè)一次，2s讀出0s的數(shù)據(jù)，0s讀的是上一分鐘的數(shù)據(jù)，就丟棄了。

編程之二：AM2301的數(shù)據(jù)格式

如果數(shù)據(jù)正確（通過(guò)檢查和校驗(yàn)），就需要把高16位濕度數(shù)據(jù)換算成十進(jìn)位的3位數(shù)：000到999。在個(gè)位和十位間加上小數(shù)點(diǎn)，就是濕度的百分值。例如 M8讀出的高16位是0B0000001100001101=512+256+8+4+1=781。濕度就是78.1%。溫度類似，但是如果溫度最高位為 1，意味著零下溫度。

編程之三：怎樣畫出記錄曲線

要畫出一段時(shí)間的記錄曲線，也就是在液晶上面按照這也就是在液晶上面按照這段時(shí)間順序記錄的數(shù)值畫出對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。
在這塊圖形液晶畫點(diǎn)的基本方法前次已經(jīng)介紹過(guò)，就是先設(shè)置列坐標(biāo)x和頁(yè)坐標(biāo)y，再寫數(shù)據(jù)，用LCDSetxy（unsigned x，unsigned y）和LCDWriData（unsigned data）兩個(gè)函數(shù)就可以在x列y頁(yè)點(diǎn)亮任意8個(gè)點(diǎn)。但是如果直接用頁(yè)坐標(biāo)來(lái)畫出通常用垂直坐標(biāo)（行坐標(biāo)）表示的點(diǎn)則非常不便。

圖5 12小時(shí)內(nèi)的溫度變化記錄曲線?

要按照列坐標(biāo)x和行坐標(biāo)h（h從0到63共計(jì)64行）來(lái)畫一個(gè)點(diǎn)，而這正是畫記錄曲線的基礎(chǔ)，我們可以變換一下，先用h/8算出h所在的頁(yè)，例如h為45，那么它就在45/8即5頁(yè)。而余數(shù)h%8就是h在該頁(yè)的第幾位（現(xiàn)在是第5位），讓一個(gè)數(shù)unsigned char tmp=0x01;那把它左移5位得到的數(shù)值0x20就是用列坐標(biāo)和頁(yè)坐標(biāo)畫點(diǎn)時(shí)需要給液晶輸入的數(shù)值。這些數(shù)值對(duì)于每次僅僅1個(gè)點(diǎn)，從低位到高位只能對(duì)應(yīng)于0x01、0x02、0x04、0x08、0x10、0x20、0x40、0x80這8個(gè)數(shù)中的一個(gè)。這樣我們可以捏造一個(gè)函數(shù) LCDPutDot（unsigned char x，unsigned h）；來(lái)在x列，h行畫出一個(gè)點(diǎn)了，具體代碼見(jiàn)后文。形式上用行列坐標(biāo)參數(shù)，實(shí)質(zhì)上還是頁(yè)列坐標(biāo)參數(shù)，但卻方便多了?，F(xiàn)在再回到怎樣畫濕度記錄曲線。由于液晶像素的限制，水平只能取128點(diǎn)以下。那么如果每6分鐘記錄一次，12小時(shí)就記錄120次，把這120次的濕度數(shù)值和液晶的垂直方向點(diǎn)位置（與行坐標(biāo)成比例）對(duì)應(yīng)起來(lái)畫一系列點(diǎn)，不就是記錄曲線嗎？當(dāng)然垂直方向只有64點(diǎn)，那么我們就取51點(diǎn)，0到50表示0到100。還要提醒的是，液晶的垂直方向，0點(diǎn)在最上面，這和通常的習(xí)慣相反。那也沒(méi)關(guān)系，就把（100-h）/2作為垂直坐標(biāo)就對(duì)了，為簡(jiǎn)單計(jì)，可略去小數(shù)。

至此幾個(gè)編程的關(guān)鍵都說(shuō)完了。按此在程序中加入了新增的函數(shù)：
unsigned char DHT21_ReadByte（void）;//讀探頭串行數(shù)據(jù)
void DHT21_RHT（void）;//發(fā)起檢測(cè)，讀數(shù)
void Show_RHT（void）;//顯示檢測(cè)值
void LcdPutDot（unsignedcharx，unsignedcharh）;//畫點(diǎn)

函數(shù)具體內(nèi)容見(jiàn)附件程序。

為了描繪12小時(shí)的記錄曲線，還要設(shè)立一個(gè)120單元的濕度記錄數(shù)組unsigned charRH_record[120]，好在M8的數(shù)據(jù)區(qū)有512字節(jié)，還很富裕。
每6分鐘往里面順序填入一個(gè)記錄，記滿后又從0單元開始。
整個(gè)程序流程和日歷鐘基本相同，但有改變：

啟動(dòng)→M8初始化→LCD初始化→檢查1302是否已經(jīng)運(yùn)行中，如否則要初始化并啟動(dòng)它→讀取1302數(shù)據(jù)→打開顯示界面（標(biāo)題、正文和最下面的顯示行）→檢測(cè)溫濕度→延時(shí)2秒→給記錄數(shù)組賦以初值→再次檢測(cè)溫濕度→顯示溫濕度→進(jìn)入程序循環(huán)。

程序循環(huán)是設(shè)置一個(gè)用于軟件計(jì)數(shù)的靜態(tài)變量:const unsigned int delta=0;在主循環(huán)while（1）{}中當(dāng)delta未達(dá)到設(shè)定值例如3800前它每次遞增，達(dá)到設(shè)定值后再查鍵→健處理→如果秒數(shù)值改變就刷新日歷鐘的顯示。

有所改變的是如果計(jì)時(shí)達(dá)到1分鐘，就開始一次檢測(cè)溫濕度→2秒后再檢測(cè)并更新溫濕度顯示→如果是6的整數(shù)倍分鐘，則還要在濕度記錄數(shù)組中填入新的濕度記錄。

在S4的按鍵功能觸發(fā)時(shí)就按照濕度記錄數(shù)組的數(shù)值逐一繪點(diǎn)，形成曲線。其中還包括水平和垂直標(biāo)尺的繪制和當(dāng)前記錄位置指針的繪制。

調(diào)試

調(diào)試過(guò)程和小小日歷鐘類似，就不重復(fù)了。只要元件正常，接線正確，加電后把程序注入M8立刻就可以運(yùn)行。繪制曲線則要等到1小時(shí)以后才畫出一小段。經(jīng)過(guò) 12小時(shí)曲線完成，你就可以知道過(guò)去12小時(shí)的濕度變化趨勢(shì)了。按照我這里來(lái)看（番禺郊區(qū)），濕度波動(dòng)還是蠻大的，晴熱時(shí)可以低到40%，一下暴雨會(huì)升高到80%以上。

如果發(fā)現(xiàn)溫度、濕度顯示都為0，那么檢查探頭接線是否有斷開。如果突然不顯示了，那么恭喜你！鋰電池保護(hù)板發(fā)揮了作用，沒(méi)電了！趕快切換S6充電吧！在這個(gè)基礎(chǔ)上還能進(jìn)一步改進(jìn)：找出24小時(shí)內(nèi)的最高溫濕度和最低溫濕度；設(shè)定報(bào)警點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警以及把信號(hào)發(fā)送出去等，就靠你啦！

使用

把它充好電，按一下S6，切到電池供電位置就可以了，把它放在桌上、掛在墻上都可以，只要不陽(yáng)光直射，陰涼通風(fēng)就可以。充一次電大約需要90分鐘，充好后可以用三天以上。