基于AT89C2051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，通過單片機(jī)與智能傳感器相連，采集并存儲智能傳感器的測量數(shù)據(jù)，并通過RS485總線來實(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I2C總線控制傳感器的測量和數(shù)據(jù)回傳，每次將采集到的5組數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算，修正及補(bǔ)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)過實(shí)驗(yàn)測試得出結(jié)論：溫度測量精度為±0．3℃，濕度測量精度為±2％RH，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了課題的設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：溫濕度傳感器：AT89C2051；數(shù)據(jù)采集；高精度

    在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準(zhǔn)確測量的一個(gè)參數(shù)。用干濕球濕度計(jì)或毛發(fā)濕度計(jì)來測量濕度的方法，早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因?yàn)闇y量濕度要比測量溫度復(fù)雜得多，溫度可獨(dú)立測量，而濕度卻受其他因素(大氣壓、溫度)的影響。
    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測量溫濕度有快速和使用簡便等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)溫濕度采集系統(tǒng)來對溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過對實(shí)際環(huán)境的溫濕度測量，證明了該系統(tǒng)硬件電路布局設(shè)計(jì)簡單合理，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SHT75對各環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度參數(shù)實(shí)時(shí)檢測，經(jīng)傳感器芯片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的二進(jìn)制值存儲于芯片的RAM中，單片機(jī)通過發(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(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，通過監(jiān)控主機(jī)或PC來實(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。

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(tǒng)要求響應(yīng)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(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，那么對微控制器的端口需求較少，而且從測量系統(tǒng)對本模塊體積限定等諸多因數(shù)來考慮，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
    鑒于長距離驅(qū)動數(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光電隔離芯片來驅(qū)動串行輸入并行輸出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)控檢測模塊工作正常，看門狗電路和芯片是單片機(jī)開發(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)充控制芯片存儲空間等。
1．2．5 通信接口
    數(shù)據(jù)采集包括單片機(jī)對溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集，還包括PC對單片機(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)備本身對其他電子設(shè)備的電磁干擾。在雙面PCB板中，上下兩層信號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。

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。

2 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與分析
2．1 第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
    該系統(tǒng)調(diào)試后在室內(nèi)進(jìn)行了模擬測試，檢驗(yàn)了系統(tǒng)的測試效果以及測試精度。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，采用大量的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析來減少誤差，并對運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了記錄分析。實(shí)驗(yàn)第一組數(shù)據(jù)如表1所示。

    在溫濕度傳感器未經(jīng)修正時(shí)，溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)相比較，其數(shù)據(jù)偏差即將接近本系統(tǒng)所要達(dá)到的期望值，但還有待改進(jìn)。
2．2 傳感器的補(bǔ)償和修正
    為了補(bǔ)償溫濕度傳感器的非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，使用如下公式(1)修正輸出數(shù)值：
    RHlinear=c1+c2·SORH+c3·SORH·SORH      (1)
    對高于99％RH的那些測量值則表示空氣已經(jīng)完全飽和，必須被處理成顯示值均為100％2RH。濕度傳感器對電壓基本上沒有依賴性。
    當(dāng)實(shí)際測量溫度與25℃相差較大時(shí)，應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度修正系數(shù)，使用如下公式(2)。
    RHtrue=(T-25)·(t1+t2·SO)+Rhliner      (2)
2．3 第二組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
    根據(jù)公式(1)、(2)對傳感器進(jìn)行修正補(bǔ)償后得到實(shí)驗(yàn)第二組數(shù)據(jù)如表2所示。

    從以上結(jié)果可以看出：經(jīng)過補(bǔ)償和修正以后，使溫度傳感器測量數(shù)據(jù)的溫度精度小于等于0．2℃，濕度精度小于1．0％RH，達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，滿足了溫度精度為±0．3℃和濕度精度±2．0％RH的課題測量要求。

3 結(jié)論
    本文介紹的溫濕度采集系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，創(chuàng)新點(diǎn)在于針對溫度和濕度的測量特點(diǎn)，采用SHT75系列數(shù)字溫濕度傳感器，可與單片機(jī)直接相連，并且由于它溫濕一體的高度集成化，改變傳統(tǒng)溫濕度變送器硬件包含溫度傳感器、濕度傳感器、信號處理器、A／D轉(zhuǎn)換等部分，從而簡化外圍電路并降低成本，提高了電路工作的可靠性和穩(wěn)定性，達(dá)到了較高的性價(jià)比。通過對實(shí)際環(huán)境的溫濕度測量，證明了該系統(tǒng)硬件電路布局設(shè)計(jì)簡單合理，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)檢測儀。