【学习笔记】模拟设计（4）：基于AT89C51的温湿度监测系统
2016年微型机与应用第06期
作者：张东东
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［45］：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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