0前言

防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容, 是衡量仓库管理质量的重要指标。它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。为保证日常工作的顺利进行, 首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。因此我们需要1种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测控设备。本设计采用的是集温湿度传感器于一体的SHT11芯片为主要芯片的温湿度采集系统。

本设计核心部件为AT89C51, 信号采集及处理部分由SHT11构成, 进入单片机后经处理后通过LCD1602显示温湿度, 信号显示采用的液晶屏为5×7点阵, 一行可显示16字共2行。通过上位机部分对测量的温湿度进行上下值的设定, 应用RS-485通信方式完成测控电路与上位PC机的数据交换。当测量超过限定值, 通过超限报警处理电路对其进行处理分别显示不同的二极管灯亮, 蜂鸣器产生长鸣。

硬件中包括1个开关, 为复位开关。开机后, 所有器件初始化, 温湿度传感器SHT11开始进行温湿度测量和计算, 最后通过LCD液晶显示器显示结果。在测量结果中有超过设定的温湿度上下限的, 通过超限模块作出反应。

其他是一些附件, 比如复位、晶振电路。整体电路框图如图1所示。

图1 整体电路框图  下载原图

89C51是1种带4K字节可编程可擦除只读存储器 (FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory) 的低电压、高性能CMOS 8位微处理器, 俗称单片机。89C2051是1种带2K字节可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造, 与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中, ATMEL的89C51是1种高效微控制器, 89C2051是它的1种精简版本。89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了1种灵活性高且价格低廉的方案。

SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的1款数字温湿度传感器芯片。温湿度传感器SHT11集温度传感器和湿度传感器于一体, 因此采用SHT11进行温湿度实时监测的系统具有精度高、成本低、体积小、接口简单等优点;另外SHT11芯片内部集成了14位A/D转换器, 且采用数字信号输出, 因此抗干扰能力也比同类芯片高。该芯片在温湿度监测、自动控制等领域均已得到广泛应用。该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。

(1) 硬件设计。SHT11通过二线数字串行接口来访问, 所以硬件接口电路非常简单。需要注意的地方是:DATA数据线需要外接上拉电阻, 时钟线SCK用于微处理器和SHT11之间通信同步, 由于接口包含了完全静态逻辑, 所以对SCK最低频率没有要求;当工作电压高于4.5 V时, SCK频率最高为10MHz, 而当工作电压低于4.5 V时, SCK最高频率则为1 MHz。

(2) 软件设计。微处理器和温湿度传感器通信采用串行二线接口SCK和DATA, 其中SCK为时钟线, DATA为数据线。该二线串行通信协议和I2C协议是不兼容的。在程序开始, 微处理器需要用1组“启动传输”时序表示数据传输的启动。当SCK时钟为高电平时, DATA翻转为低电平;紧接着SCK变为低电平, 随后又变为高电平;在SCK时钟为高电平时, DATA再次翻转为高电平。

1602液晶也叫1602字符型液晶, 是1种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块由若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成, 每个点阵字符位都可以显示1个字符。每位之间有1个点距的间隔, 每行之间也有间隔, 起到了字符间距和行间距的作用, 正因为如此所以1602液晶不能显示图形。1602LCD是指显示的内容为16×2, 即可以显示2行, 每行16个字符液晶模块 (显示字符和数字) 。

图2 系统整体仿真图  下载原图

在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点:显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低。

此复位电路的工作原理是:单片机的复位电路在刚接通电源时, 刚开始电容是没有电的, 电容内的电阻很低, 通电后, 5 V的电通过电阻给电容进行充电, 电容两端的电会由0 V慢慢的升到4 V左右 (此时间很短一般小于0.3 s) , RC构成的微分电路在上电瞬间产生1个微分脉冲, 其宽度大于2个机器周期, 89C51将复位。正因为这样, 复位脚的电由低电位升到高电位, 引起了内部电路的复位工作, RST端电压慢慢下降, 降到一定电压值以后, 即为低电平, 单片机开始正常工作 (这是单片机的上电复位, 也叫初始化复位) ;当按下复位键时, 电容两端放电, 电容又回到0 V了, 于是又进行了1次复位工作 (这是手动复位原理) 。

单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的, 在单片机的XTAL1和XYAL2的2个管脚接1只晶振及2只电容就构成了单片机的时钟电路。

此模块是整个电路设计的信号采集及初步处理的模块, 由温湿度传感器芯片SHT11构成。主要的功能结构在前面的芯片介绍中已有, 这里不重新介绍。下面介绍多点温湿度采集系统的设计, 对于多点采集只需在单个采集的基础上作一点程序上的改动, 所以本文只作介绍不作仿真, 只对单个采集仿真。

多点采集系统设计由于每个SHT11占用单片机2个I/O口, 所以单片机有限的I/O口资源将制约着单个微控制器上所能测量的最大点数;由于每个SHT11的测量所需时间是固定不变的, 采用单独操作的逐个测量方式在多点测量系统中必然导致数据采集时间过长、控制滞后, 从而影响控制系统性能的提高。在仓库测控应用系统中, 要求所采集的温湿度数据是反应整个仓库相同时间点的总体情况的, 所以多个SHT11必须同时开始测量, 即单片机必须同时向多个SHT11发送测量命令。结合仓库应用的具体要求, 本文对多个SHT11传感器和微控制器的连接方式采取如下方案:各SHT11的SCK线接到微控制器的同一个I/O口上, 而DATA线则分别接到不同I/O口线上。这种连接方式有几个优点:首先, n个传感器只占用n+1个I/O口, 比前述方式节省了n-1个I/O口, 解决了多点测量系统中单片机I/O口资源短缺和尽可能增加测量点之间的矛盾问题;其次, 由于多个SHT11共用1条时钟线, 所以在每次测量中可以同时发出测量命令, 多个传感器同时进行测量, 只需1次等待时间则完成了整体数据的收集, 大大缩短了数据采集时间, 为控制系统快速响应提供了条件。

此模块是由LCD1602芯片组成实时温湿度显示的电路部分。LCD1602是1个2行每行16字的液晶显示屏, D0~D7接P0口, RW接地, RS、E接P2.0、P2.1起控制作用。

此部分电路是由5个发光二极管和1个蜂鸣报警器构成, 分别是D0、D1、D2、D4和D5, 蜂鸣器接单片机的P1.0口。D0、D1、D2、D4、D5分别代表着发光、降温、加热、干燥和加湿, 一旦传感器测定的温湿度超过设定的限额, 就会产生不同的发光反应, 起警示作用, 同时蜂鸣报警器连续发出“滴”的声音。

本设计用到了Proteus和Keil c51 2种软件, 两者能完美的结合在一起, 实现虚拟的实物效果, 为以后的实物焊接提供了保障。

系统整体仿真图如图2所示。

由于采用的是高效单片机作为核心, 集温度传感器和湿度传感器于一体的SHT11作为主要的采集与测量系统, 其中它自带的A/D转换器, 使得此温湿度控制仪具有精度高、成本低、体积小、接口简单等优点, 还具有良好抗干扰能力。加上优化程序, 使得本系统具有很高的实用性。