基于AT89C51的温湿度监测系统

张东东

（苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215006）

摘要 ：在现代生产领域，温湿度的监测与控制应用广泛，对于监测技术的研究也越显重要。鉴于国内外温湿度测量技术的发展现状，基于AT89C51单片机和DHT11数字式温湿度传感器设计实现了一个温湿度监测系统。硬件电路包括微控制器模块、数据采集模块、显示电路、报警电路以及按键设置5个部分，用户可通过按键设定温湿度上下限，当测得的数据超出所设定的范围时发出报警信号（蜂鸣器蜂鸣）。软件部分由主程序和各部分子程序构成。系统精确度较好，在日常环境监测以及生产活动中都有一定的应用价值。

0引言

随着现代科技的发展与通信技术的进步，温湿度测量系统的整体性能及其优越性也取得了很大突破，对于温湿度传感器的应用和开发也越来越智能化。

国外很早就开始了对于温湿度测量技术的研究，且一些技术已趋于成熟，集成化的监测设计、传感器的应用、智能测试系统等技术早已研发出来并得以应用，这是国际传感器领域的重大突破。

目前，虽然国内外对于此技术的研究已较为成熟，但科技探索是永无止境的，未来生产领域必然会提出更高的要求，一种完全智能化甚至完全无人化的潮流正悄然兴起，这是不可避免的发展趋势［1］。

1设计任务及方案论证

1.1设计要求

基于微控制器的温湿度测量系统设计要求如下［2］：

(1)对所处环境的温湿度进行检测，要求温度检测范围为0℃~50℃，测温精度为±2℃； 湿度检测范围为20%~90%RH，测湿精度为±5％RH。

(2)能够通过按键设定阈值。

(3)当检测数据超出阈值蜂鸣报警。

(4)系统使用4位LCD显示。

1.2设计方案

对温湿度进行实时监测并LCD显示，可自主设定温湿度阈值，当传感器所测得数据超出设定范围，蜂鸣器报警。为达到本次设计的要求，系统需包含以下功能模块［3］：温湿度传感器模块、主控制模块、按键和显示模块、报警电路。系统原理框图如图1所示。

2硬件设计

2.1主控制模块

AT89C51是一种带4 KB移序存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，其内部包含下列几个部件［45］：一个8位CPU；一个片内振荡器及时钟电路；4 KB程序存储器，128 B数据存储器；两个定时器，也可用作计数功能；一个可编程全双工串行口；4个8位可编程并行I/O端口；5个中断源和两个优先级嵌套中断结构。

以上各部分通过内部总线相连接。另外，除了8位CPU外，MCS-51内部还有一个微处理器，它实际上是一个完整的一位字长的计算机。

AT89C51单片机引脚排列图如图2所示。

DHT11的DATA口与单片机AT89C51的P3.0口连接。LCD1602显示电路就是将各引脚依次与单片机的P0口相连，蜂鸣器超限蜂鸣。

2.2主要功能模块

2.2.1晶振与复位电路

XTAL1和XTAL2分别是单片机内用于构成振荡器的放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2的引脚上接一个石英晶体和两个电容，便能使内部振荡器自激振荡。与石英晶体振荡器并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。石英晶振的电容可以在20~40 pF之间选择，本文选择22 pF。

单片机复位电路也是必不可少的部分。当程序执行出现问题时，复位操作使单片机的程序重新运行，复位操作至少要两个机器周期以上的高电平位于RST引脚。本设计采用的是上电复位。

2.2.2温湿度传感器电路

温湿度采集是完成环境与微处理器数据沟通的前端部分，采用DHT11来完成设计［6］。

（1）DATA单总线通信［7］

DATA接口用于数据通信,传送的数据由小数部分和整数部分组成。主机等待DHT11响应时，总线处于高电平状态，当传感器接收到开始信号时，就会发送一个响应信号，使总线处于低电平状态，信号长80 μs,如果读取高电平响应信号，但DHT11并无响应，则说明线路连接可能表1DHT11性能指标测量范围测量精度分辨力0℃~50℃，

20%~90%RH±2℃±5%RH1出现问题。

(2) DHT11各项性能指数如表1、表2、表3所示。

（3）DHT11典型应用如图3所示。

2.2.3报警电路

基于微型计算机所设计的控制系统中，通常都设定有紧急状态报警系统，以便采取应对措施。本次设计如果测值超出此设定范围则进行报警，即蜂鸣器持续鸣叫［8］。报警电路如图4所示。

2.2.4LCD显示电路

显示模块选用LCD1602液晶显示屏，它是目前工控系统中使用最广泛的液晶屏之一，显示质量高。1602字符型液晶模块是点阵型液晶，驱动方便，经过编程后显示内容多样化［9］。

LCD1602参数如表4、表5所示。表4LCD1602液晶屏的主要参数内容参数工作电压/V4.5~5.5容量/字符16×2最佳工作电压/V5工作电流/mA2.0字符尺寸/mm2.95×4.35表5LCD1602引脚定义引脚号符号引脚说明1VDD正极2VSS地3VL液晶显示偏压4RS数据/命令5R/W读/写6EN使能信号7~14D0~D7数据15BLA背光源正极16BLK背光源负极将LCD1602的7~14脚依次与单片机的P0端口相连。

3软件设计

3.1编程思想

本文设计的温湿度测量系统，其主要功能是对当前环境的温湿度进行实时监测，并在LCD1602上进行显示，当所测数据超出所设定的阈值范围时，蜂鸣器蜂鸣报警。软件设计：首先将LCD初始化，LCD1602采用5×7点阵并分两行显示，然后读取温湿度值进行处理和按键检测，判断数值是否超出预设范围，超出则蜂鸣器报警。第一次按键单片机复位，进入设定界面分别完成，3个设定按键设定数据切换、数据加、数据减等功能。

3.2软件流程图

本设计采用按键复位与阈值设置操作，第一个按键可切换至阈值设置界面，按2次键可选择设置参数；第二与第三个按键分别完成参量加减操作，按键检测软件流程如图5所示。

整个系统的软件设计流程图如图6所示，上电启动系统，蜂鸣器蜂鸣，图6软件设计流程图然后将LCD1602初始化，微控制器读取温湿度值，经检测后与预设值进行比较，若超出阈值范围，则蜂鸣器蜂鸣，并模拟启动控制设备，直至温湿度处于预设范围之内，若未超出，则温湿度值正常显示［10］。

4系统调试与测试结果

4.1仿真分析

Proteus仿真运行结果如图7所示［11］。

4.2测试结果

（1）在上电之后，电源指示灯工作，系统正常运行，图8为温湿度正常显示界面。

（2）第一次按下按键1，系统进入阈值设置界面，再次按下可选择要设置的参数，第二个与第三个按键分别执行参量加与减操作。

（3）若当前温湿度超出预设范围，报警指示灯亮，蜂鸣器持续鸣叫。

5结论

本设计是基于51单片机与DHT11的一个温湿度监测系统，是对实际生产应用系统的一个模拟，通过DHT11温湿度传感器与单片机完成实时监测，按键与LCD实现人机交互，可自主设置温湿度阈值，实时显示当前数据，并带有超限报警功能，在实际生产中，可以启动相应设备调整环境数据，实现安全生产。

通过实验仿真与系统实测，系统可以达到预期目标，这样的一个系统可以经过更加精准的优化改进投入到实际应用中。

参考文献

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实验室温湿度测量系统设计

摘 要 ： 针对当前实验室无法实现温湿度数据实时测量、数据传递不方便等缺点，以数字式温湿度传感器和通用单片机为基础，开发了实验室温湿度测量系统。该系统以AT89S52单片机为主芯片，数字式温湿度传感器SHT21为主要传感器，完成了测量系统硬件系统和软件系统的开发，并且设计了能够传递给上位机数据的通信程序。该系统可以实现温湿度测量，并且可以传递相关数据给上位机，对于实验室数据监测有着积极的作用。

0 引言

温湿度是重要的环境参数[1-3]，特别是对于实验室环境，温湿度需要出现在许多的检测报告中。而目前实验室常用的是湿度计和温度表，基本原理是采用水银温度湿度计进行检测，缺点是在需要记录数据的时候要先读取相关数据，非常不方便；同时还无法实现温湿度的实时测量。

目前应用较为广泛的温湿度传感器主要是热电偶[4-5]、热电阻[6-8]及湿度等模拟传感器，该类型的传感器输出为模拟信号。为了能够测量该数据需要进行模数转换，在使用过程中较为繁琐。而数字温湿度传感器将温湿度信息直接用数字量输出，能够直接输出给测量系统，因此数字式温湿度传感器在温湿度监测中应用更为方便[9]。

为此，拟以成本较低的AT89S52单片机为控制芯片[10]、以低功耗的新型数字式SHT21作为测量温度、湿度的传感器[11]和FYD12864液晶模块[12]，开发用于实验室的温湿度显示及报警系统。

1 控制系统总体结构

整个控制系统包括传感器、微处理器、显示模块和电源模块，如图1所示。其中，传感器为SHT21温湿度传感器，该传感器除了配有电容式相对湿度传感器和能隙温度传感器外，还包含一个放大器、A/D转换器、OTP内存和数字处理单元，能够非常方便地测量温度和湿度信号[9]；ECU是整个控制系统的核心，选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52，能够接受输入信号和输出控制信号，同时还包含与上位机的接口，用于程序下载和数据通信；显示模块采用FYD12864液晶模块，用于显示温度和湿度值；报警模块采用蜂鸣器，如果当前温度或者湿度大于设定值就会发出报警；通信模块用于与采集系统进行通信，该通信采用串口通信，用于把温湿度信息传递给采集系统。

2 控制系统硬件设计

2.1 温湿度信号处理

温湿度传感器SHT21的管脚定义如表1所示，该传感器的供电范围为2.1~3.6 V，推荐电压为3.0 V，为了保证传感器的正常运行，在电源（VDD）和接地（VSS）之间须连接一个0.1 μF的电容，且电容的位置应尽可能靠近传感器。SCL用于微处理器与传感器之间的通信同步，SDA引脚用于传感器的数据输入和输出，当向传感器发送命令时，SDA在串行时钟（SCL）的上升沿有效，在SCL下降沿之后，SDA值可被改变；当从传感器读取数据时，SDA在SCL变低以后有效，且维持到下一个SCL的下降沿。为避免信号冲突，通常在SDA端口需要一个外部的上拉电阻（如10 kΩ）将信号提拉至高电平。

在本电路图中，VSS接地，VDD接电源+3 V，NC保持不连接，SDA接单片机P1.6口，SCL接单片机P1.7口，并接两个上拉电阻R3，R4，其大小都为10 kΩ，在VDD与VSS之间接一个0.1 μF的去耦电容，其连接电路图如图2所示。

2.2 报警电路

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于各种电子产品中作为发声器件。而在单片机应用的设计上，大部分都会使用蜂鸣器来作提示或报警，为此本设计中也采用蜂鸣器作为报警提示。蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分：一个三极管、一个蜂鸣器、一个续流二极管和一个电源滤波电容。本设计采用如图3所示的电路驱动蜂鸣器，R5阻值为2 kΩ，蜂鸣器驱动电路与单片机的P3.3口连接；蜂鸣器的额电流小于等于30 mA，对于AT89S51单片机来说，P3.3口的灌电流是15 mA，很明显可以看出仅仅依靠P3.3口的电流是驱动不了该蜂鸣器的，这就需要使用晶体管放大电路，所以本设计选用PNP型晶体管。

当外部的温度或者湿度超过设定的阈值时，基极变为低电平，蜂鸣器导通发出报警。

2.3 显示电路

本设计中所采用的FYD12864液晶显示模块是128×64点阵型液晶显示模块，可显示各种字符及图形，具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线。为了能够实现对该模块的控制，采用P0和P2口控制，由于51单片机P0口没有内部上拉电阻，为此需要外部增加上拉电阻，本设计增加的外部上拉电阻为10 kΩ；对于FYD12864液晶显示模块来说，第三引脚VO是对比度电位引脚，本设计中采用10 kΩ的可变电阻来实现对比电压的调整，如图4所示。

2.4 通信模块

由于单片机输出是TTL电平，而PC输出是-12 V~ +12 V电平，所以需要一个MAX232串口通信模块芯片构成电平转换电路，实现通信时电平信号的匹配，其连接电路如图5所示，其中C1-和C2-表示连接点，分别连接电容的一端。

2.5 电源模块

本设计中的大部分电路都需用5 V的电压，而温湿度传感器需要用3 V电压，为了能够同时满足两者的需求，本设计采用三端稳压集成电路LM7805。其电路图如图6所示，在输出5 V电压的基础上，通过增加3个1N4007使输出的电压变为2.9 V，能够为温湿度传感器供电。

2.6 单片机最小系统

单片机最小系统由单片机、复位电路和时钟电路构成，如图7所示。所选用的8位单片机AT89C52具有8 KB的可编程Flash、256 B的RAM、32个I/O口、5个中断源、2个16位定时器，完全满足控制需求；复位电路采用上电复位方式；时钟电路晶振11.059 2 MHz，完全满足系统的要求。

3 控制系统软件设计

3.1主程序流程图

主程序主要完成硬件的初始化、子程序的调用等功能。在主程序中，首先进行SHT21和FYD12864的初始化，然后调用温湿度采集子程序，接着调用温湿度处理子程序，读取成功后，将读取成功的温湿度数据与所设定的数据相比较，如果超过所设定的温湿度数据，蜂鸣器导通鸣叫，起到报警作用，如果没有超过所设定的温湿度数据，就会直接在FYD12864显示器上显示出来。之后判断是否需要向上位机传递数据，如果需要传递则调用相应的子程序；如果不需要则重复采集温度和湿度数值，进行循环。其流程图如图8所示。

3.2 串口通信

为便于后续数据的分析及处理，编写了串口通信程序，使用RS232串口，将单片机采集到的数据上传到上位机。

上位机和下位机通信分为上位机串口初始化和下位机串口初始化，其中上位机串口初始化程序如下：

Private Sub Form_Load

MSComm1.CommPort=1//使用Com1口

MSComm1.Settings="9600，n，8，1"

//设置通信参数，波特率9 600，无校验位，发送8位，1个停止位

′MSComm1.PortOpen=True//开串口

End Sub

下位机串口初始化程序如下：

/********串口初始化函数**********/

void Serial_Init（void）//串口通信初始设定

{

SCON=0x50；//UART为模式1，8位数据，允许接收

TMOD=0x20；//定时器1为模式2，8位自动重装

PCON=0x00；//波特率9 600

TH1=0xfd； //定时器赋初值

TL1=0xfd；

TR1=1；//启动定时器TH1

ES=1；//允许串口中断

EA=1；//开中断总开关

}

在实际工程中，下位机根据上位机发送的不同数据请求分别发送相应的数据，下位机数据发送程序如下：

/********串口接收中断函数**********/

void Serial_Recieve_Inter interrupt 4 using 3

{

if（RI）

{

RI=0；

if（SBUF==0） //收到发送温度数据请求

{

AT24C64_RD（0xa1，AT24C64_Inter_Address_Read_Temp）；

AT24C64_Inter_Address_Read_Temp++；

//读温度地址加1

SBUF=Temp_Val；//向串口发送温度数据

while（TI==0）；//等待发送，直到8位数据发送完毕

TI=0； //TI清零

}

if（SBUF==1） //收到发送湿度数据请求

{

AT24C64_RD（0xa3，AT24C64_Inter_Address_Read_Pres）；

AT24C64_Inter_Address_Read_Pres++；//读湿度地址加1

if（SBUF==3） //收到发送操作数据请求

AT24C64_Inter_Address_Read_Pres++；//读操作地址加1

SBUF=Proc_Val；//向串口发送操作数据

while（TI==0）；//等待发送，直到8位数据发送完毕

TI=0；//TI清零

上位机界面采用VB6.0编写，添加其自带的MSComm控件，可以很方便地实现串口通信。上位机采集到的数据以*.text格式存储，便于其他软件的调用分析。

4 实物图

为了对所设计的温湿度监控系统进行测试，利用普通万用板进行制作，其实物如图9所示。此时，显示模块、单片机最小系统和串口通信模块分开布局，便于各自调试。

经过实际调试，该系统可以正常显示温湿度数据，同时也可以利用自编的上位机程序读取相关数据。

5 结论

本文介绍了实验室温湿度测量系统的设计过程，分别从控制系统的总体结构、硬件系统和软件系统进行了介绍，并且利用万用板实现了该系统。该系统结构简单、应用方便，对于实验室温湿度检测有着积极作用。

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