摘要： 采用AT89C2051 單片機為核心配置,，以溫濕度傳感器SHT75、數(shù)碼管顯示,、計算機監(jiān)控系統(tǒng)等部件,，通過單片機與智能傳感器相連，采集并存儲智能傳感器的測量數(shù)據(jù),，并通過RS485 總線來實現(xiàn)PC 上位機與單片機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)過計算,，修正及補償后分別傳送到PC 端存儲和顯示模塊進行實時顯示,。經(jīng)過實驗測試得出結(jié)論：溫度測量精度為±0.3 ℃，濕度測量精度為±2%RH,，各項指標(biāo)均達到了課題的設(shè)計要求,。
利用AT89C2051 單片機強大的功能，同時結(jié)合智能傳感器SHT75 測量溫濕度有快速和使用簡便等特點,，設(shè)計了一個溫濕度采集系統(tǒng)來對溫濕度進行實時監(jiān)控,。通過對實際環(huán)境的溫濕度測量， 證明了該系統(tǒng)硬件電路布局設(shè)計簡單合理,，體積小,，功能齊全，精度高,，成本低,，性價比相當(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
1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
為了實現(xiàn)課題對監(jiān)控機構(gòu)的穩(wěn)定性好,、精度高、實用性強的要求,，比較眾多溫濕度測量方案,，系統(tǒng)采用智能傳感器SHT75 和AT89C2051 單片機構(gòu)成， 通過SHT75 對各環(huán)境內(nèi)的溫度,、濕度參數(shù)實時檢測,，經(jīng)傳感器芯片內(nèi)A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的二進制值存儲于芯片的RAM 中,， 單片機通過發(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)控主機或PC,，通過監(jiān)控主機或PC 來實時查看當(dāng)前溫度和濕度值，并可在監(jiān)控主機或PC 上設(shè)置報警參數(shù)以便實時監(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，實時溫濕度顯示及通信,，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芯片,，20 個引腳，其中包括15 個I/O 口,，復(fù)位和外部時鐘驅(qū)動端,， 一個全雙工串行通信端口，5 個中斷源等,，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)碼管顯示實時采集的溫濕度數(shù)值,，為了使顯示的穩(wěn)定性和可靠度增強,，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 個數(shù)碼管顯示溫濕度,，1 片用于控制4 個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,，防止運行程序跑飛，擴充控制芯片存儲空間等。
1.2.5 通信接口
數(shù)據(jù)采集包括單片機對溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集,，還包括PC 對單片機數(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PCB 板的時候,，應(yīng)特別注意電磁兼容性設(shè)計、地線設(shè)計,、去耦電容配置等幾個方面,。
電磁兼容性設(shè)計的目的是使電子設(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)計中應(yīng)根據(jù)電路特性，正確選擇單點接地與多點接地,，對高頻電路要采用多點接地,，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,。因為在數(shù)字電路中,， 當(dāng)電路從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種狀態(tài)時，就會在電源線上產(chǎn)生一個很大的尖峰電流,，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)板制作和實時數(shù)據(jù)顯示板制作,，最終設(shè)計的PCB 圖如圖2 和圖3 所示,。
圖2 溫濕度采集模塊
圖3 實時數(shù)據(jù)顯示模塊
1.4 系統(tǒng)實物圖
最終參數(shù)采集及實時顯示模塊實物圖如圖4 所示。
圖4 參數(shù)采集及實時顯示模塊原理圖2 實驗結(jié)果測試與分析
2.1 第一組實驗數(shù)據(jù)
該系統(tǒng)調(diào)試后在室內(nèi)進行了模擬測試,，檢驗了系統(tǒng)的測試效果以及測試精度,。在數(shù)據(jù)處理時，采用大量的測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析來減少誤差,，并對運行結(jié)果進行了記錄分析,。實驗第一組數(shù)據(jù)如表1 所示。
表1 第一組實驗測量數(shù)據(jù)
在溫濕度傳感器未經(jīng)修正時,，溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)相比較,，其數(shù)據(jù)偏差即將接近本系統(tǒng)所要達到的期望值，但還有待改進,。2.2 傳感器的補償和修正
為了補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)實際測量溫度與25 ℃相差較大時， 應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度修正系數(shù),，使用如下公式（2）,。
2.3 第二組實驗數(shù)據(jù)
根據(jù)公式（1）、（2）對傳感器進行修正補償后得到實驗第二組數(shù)據(jù)如表2 所示,。
表2 第二組實驗測量結(jié)果
從以上結(jié)果可以看出：經(jīng)過補償和修正以后,，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,，達到了系統(tǒng)的設(shè)計要求,，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,，創(chuàng)新點在于針對溫度和濕度的測量特點,，采用SHT75 系列數(shù)字溫濕度傳感器，可與單片機直接相連,，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,，達到了較高的性價比。