基于SHT11傳感器的溫濕度測量系統(tǒng)設(shè)計

摘要 研究了基于SHT11溫濕度傳感器和單片機技術(shù)的智能溫濕度測量系統(tǒng)。系統(tǒng)使用SHT11溫濕度傳感器實時采集溫濕度數(shù)據(jù);同時采用AT 89s52單片機進行數(shù)據(jù)的存儲和計算等處理;并通過擴展外圍電路設(shè)計了一個集多種應(yīng)用功能于一體的溫濕度值檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有測量精度高、可靠性強、體積小、成本低，且使用操作方便等優(yōu)點。

隨著新技術(shù)被應(yīng)用到溫濕度測量領(lǐng)域中，高集成度、智能化、高精度、高可靠性的溫濕度一體化檢測傳感器開始得到應(yīng)用。SHT11作為新一代的高性能智能傳感器，具有廣泛的應(yīng)用前景。本設(shè)計介紹了SHT11溫濕度傳感器的工作原理，并論述了如何利用單片機進行溫濕度數(shù)據(jù)處理以及結(jié)合外圍電路完成溫濕度監(jiān)視和控制功能。

1 傳感器工作原理

SHT11智能溫濕度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該傳感器由一片檢測相對濕度和溫度的混合傳感器模塊及一個經(jīng)校準的數(shù)字輸出組成，兩線串行接口和內(nèi)部電壓自動調(diào)節(jié)，使其具有方便、快速的系統(tǒng)集成。

SHT11系列傳感器的優(yōu)點為：無需外部模擬電子電路，可直接被微控制器訪問;溫度、供電、電容偏差及剩余電流等變化均不影響精度，即使被浸濕也不會失靈或出現(xiàn)誤差。同時具有長期穩(wěn)定性，無需再校準，且反應(yīng)速度快、能量消耗低，適用于電池供電。

2 硬件設(shè)計

設(shè)計系統(tǒng)框圖如圖2所示，采用SHT11傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)，利用非自鎖按鈕式開關(guān)組成的鍵盤向控制部分發(fā)出人為的控制信號，再使用DS1302時鐘芯片產(chǎn)生實時時間數(shù)據(jù)。而控制部分采用AT89s52單片機進行各類數(shù)據(jù)接收、處理和輸出。輸出部分則采用報警發(fā)生電路來報警，并通過液晶顯示模塊對溫濕度和時間等結(jié)果信息進行顯示。

2.1 傳感器硬件接口電路設(shè)計

SHT11通過兩線串行接口電路與單片機連接，具體電路如圖3所示。其中，串行時鐘輸入線SCK用于單片機控制器與SHT11之間的通信同步。串行數(shù)據(jù)線DATA用于內(nèi)部數(shù)據(jù)的輸出與外部數(shù)據(jù)的輸入。DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿后有效。因此，單片機可在SCK高電平時讀取數(shù)據(jù)，而當其向SHT11發(fā)送數(shù)據(jù)時，在SCK時鐘下降沿后改變狀態(tài)，同時保證DATA線上的電平狀態(tài)在SCK高電平段穩(wěn)定。

設(shè)計中在數(shù)據(jù)線DATA上加入10 kΩ的上拉電阻。此外，在VDD和GND之間跨接一個100 nF的電容用于去耦濾波。

2.2 單片機系統(tǒng)外圍電路設(shè)計

系統(tǒng)采用的AT89s52是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8kB的Flash程序存儲器，256 Byte的RAM，40個引腳，32個I/O口，3個16位可編程定時/計數(shù)器，5個中斷源，2個優(yōu)先級，1個全雙工串行通信口，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)。應(yīng)用中單片機的最小系統(tǒng)通常包含電源開關(guān)、復位電路、晶振電路等相關(guān)外圍電路，設(shè)計中單片機系統(tǒng)部分電路如圖4所示。

2.3 顯示電路設(shè)計

系統(tǒng)采用帶ST7920漢字液晶控制驅(qū)動器的OCMJ4×8C液晶顯示模塊，該液晶提供8位微處理器接口，帶有顯示RAM及字型產(chǎn)生器，只需一個最小的微處理系統(tǒng)，便可方便地操作模塊。該顯示模塊內(nèi)置2 MB中文字型ROM(CGROM)總共提供8 192個中文字型(16×16點陣)，16 kB半寬字型ROM(HCGROM)總共提供128個符號字型(16×8點陣)，并可與文字畫面混和顯示。

使用單片機的P0口作為并行數(shù)據(jù)傳輸接口，在P0口接入8個1 kΩ的電阻用于提高帶負載能力，使其可正常驅(qū)動單片機，電路如圖5所示。

2.4 其他功能電路設(shè)計

如圖6所示，系統(tǒng)采用非自鎖按鈕式開關(guān)組成的簡單鍵盤，向單片機發(fā)出人為的功能選擇和設(shè)定控制信號，利用帶3 V紐扣電池供電的DS1302時鐘芯片產(chǎn)生實時時間數(shù)據(jù)。同時采用三極管放大電路和蜂鳴器組成的簡單報警發(fā)生電路報警，而報警電路可通過拔出跨接器P_SP來進行隔離。整個系統(tǒng)采用5 V電源直接供電。

3 軟件設(shè)計

編程主要涉及SHT11傳感器的溫濕度數(shù)據(jù)測量和采集、時間數(shù)據(jù)采集、液晶顯示界面、鍵盤掃描設(shè)定及溫濕度限值數(shù)據(jù)比較等讀寫程序與算法程序的編寫。

3.1 溫濕度測量程序設(shè)計

SHT11傳感器的工作時序如圖7所示，傳感器工作時首先對數(shù)據(jù)傳輸進行初始化來啟動SHT11測量時序，即在第一個SCK時鐘高電平時，DA TA翻轉(zhuǎn)為低電平，并在第二個SCK時鐘高電平時，DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。SHT11測量命令包含3個地址位和5個命令位。單片機發(fā)布一組8 bit測量命令后，DATA在第8個SCK時鐘的下降沿被置為低電平。再發(fā)送第9個SCK時鐘作為命令確認，DA2TA在其下降沿后，恢復為高電平。同時，單片機可暫時停止發(fā)送時鐘序列以進入空閑模式，準備讀取測量數(shù)據(jù)。SHT11在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將DATA置為低電平，單片機繼續(xù)發(fā)出時鐘序列，來讀取2個8 bit的測量數(shù)據(jù)和1個8 bit的CRC奇偶校驗。所有數(shù)據(jù)從MSB開始，右值有效。其中，在每個字節(jié)傳輸結(jié)束后，均需要發(fā)出一個時鐘高電子ACK，并將DATA置為低電平，以確認讀取成功。在測量和傳輸結(jié)束后，SHT11自動轉(zhuǎn)入休眠模式。

3.2 鍵盤設(shè)定算法程序設(shè)計

鍵盤采用K1、K2、K3、K4，4個非自鎖開關(guān)設(shè)計，當開關(guān)按下后會給單片機相應(yīng)I/O口一個高電平。鍵盤主要實現(xiàn)對顯示界面的切換、溫濕度報警上下限設(shè)定及時間設(shè)定3大功能。這4個開關(guān)的功能為：K1為界面切換鍵;K2為邏輯“+”，上翻頁，光標上移;K3為邏輯“-”，下翻頁，光標下移;K4選擇鍵。

3.3 液晶顯示程序設(shè)計

液晶顯示模塊的編程方式主要由該模塊使用的控制/驅(qū)動器所決定。設(shè)計采用ST7920漢字液晶控制/驅(qū)動器，其擁有8位并行微控制器接口，通過單片機編程，并使用了顯示字母、數(shù)字符號和中文字型的功能。另外，對于液晶屏的編程，一般只需向其中寫數(shù)據(jù)即可。顯示程序設(shè)計流程如圖9所示。

3.4 報警程序設(shè)計

溫濕度越限報警功能通過報警函數(shù)實現(xiàn)，當溫濕度高于設(shè)定的報警上限或低于設(shè)定的報警下限時，便會在單片機的P2.1管腳輸出高電平，并通過三極管放大電路驅(qū)動蜂鳴器報警。

在報警函數(shù)中，通過算法比較溫濕度顯示的限值和濕度設(shè)定限值的大小來判斷當前濕度是否越限。而溫度與濕度的比較類似，僅是算法上仍需對綜合溫度的正負值進行考慮。

3.5 DS1302時鐘程序設(shè)計

DS1302時鐘芯片在系統(tǒng)中起計時及時間顯示、設(shè)定的功能。DS1302的讀寫操作時序如圖10所示，在控制指令字輸入后的下一個SCLK時鐘上升沿時，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位控制指令字后的下一個SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)。

3.6 主函數(shù)程序設(shè)計

主函數(shù)程序?qū)⑸鲜龈鞴δ軉卧雍瘮?shù)程序綜合到一個函數(shù)中循環(huán)運行，其流程如圖11所示。

4 結(jié)束語

SHT11作為新一代高性能智能傳感器，具有較高的應(yīng)用前景。本文所設(shè)計的智能電子溫濕度測量系統(tǒng)，經(jīng)實驗驗證可對溫度和相對濕度進行精確測量，并實時顯示測量結(jié)果，此外，該裝置還具有時間顯示、歷史溫濕度數(shù)據(jù)查詢、溫濕度上下限越限報警和相關(guān)顯示切換及設(shè)定等功能。該裝置成果具有體積小、測量精度高、測量速度快、范圍廣、使用操作方便、成本低以及功能強等優(yōu)點，適用于家居、旅行、溫室農(nóng)業(yè)、食物儲存、檔案保管等多種應(yīng)用場合，并具有較大的實際應(yīng)用與經(jīng)濟利用價值。