使用無字庫12864液晶模塊制作溫濕度計

在上次介紹的日歷鐘的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一下：讓它具備檢測大氣溫度和濕度的功能，一天24小時不間斷運(yùn)行并定時檢測，于是，日歷鐘就搖身一變成為一個小小溫濕度計啦。雖然氣象要素很多，不過我們最常用的就是氣溫和濕度。一個是冷熱程度，一個是環(huán)境空氣中含水蒸氣的多少。一般家用溫度計很常見，濕度計就比較少，以前有一種干濕球溫度計，但是用起來比較麻煩，準(zhǔn)確度也不高。現(xiàn)在應(yīng)用電子技術(shù)我們就可以做一個可以同時顯示溫度、濕度、時間的小儀器，放在家里以便隨時監(jiān)測我們的小環(huán)境。它的特點(diǎn)如下：

1.在單片機(jī)ATMega8L-8PU（以下簡稱M8）和日歷鐘電路DS1302的基礎(chǔ)上，使用一個在工廠經(jīng)過精密校準(zhǔn)的數(shù)字式溫度、濕度傳感器AM2301作為探頭；

2.當(dāng)24小時連續(xù)工作時，縱然工作電流僅為幾毫安，也不宜使用紐扣電池供電。這次選用可充電的3.6V聚合物鋰電池，使它的放置地點(diǎn)可以不受電源限制，可以在室內(nèi)，也可以在不受陽光直射和雨水接觸的室外；

3.具有文字和圖形界面，可以顯示溫度和濕度數(shù)值，以及12小時內(nèi)的濕度變化記錄曲線，為什么是濕度曲線呢？因?yàn)闅鉁氐淖兓?guī)律一般比較穩(wěn)定，濕度就不一樣了，我們可以從濕度變化趨勢估計一下未來的晴雨可能，這比看燕子飛高飛低要靠譜些吧？兩個界面用按鍵切換；

4.具備鋰電池線性充電電路，通過USB接口從外部取得5V電源，一邊供給充電，一邊維持電路繼續(xù)工作；
全部元器件安裝在一塊70mm×90mm的小萬用板上，正面、背面外形見圖1、圖2。正面左邊那個黑色小烏龜殼就是溫濕度探頭。

圖2 電路板背面元器件分布和連線?

電路原理

電路見圖3。圖形點(diǎn)陣液晶、單片機(jī)M8、時鐘電路DS1302和上次小小日歷鐘基本相同，不再重復(fù)。有兩點(diǎn)稍稍不同：
1.液晶的控制雖然還是通過M8的PD口，但具體接線有所改變，不再占用兩根串口線PD0和PD1，目的是為今后可能和外部通信預(yù)留接口。這好辦，編程時重新定義即可；

2.因?yàn)槌Ｓ秒娫词菐ПＷo(hù)板的3.6V充電鋰電池（圖3中GB2），它放完電會自動切斷，為了使DS1302繼續(xù)工作，必須另外使用一片3V紐扣鋰電池CR1225（圖3中GB1）作為時鐘芯片的后備電池。也可用法拉電容，但較貴。

圖3?電路原理圖

圖4 AM2301的讀寫時序脈沖示意圖?

TRH是數(shù)字式溫濕度傳感器 AM2301。它內(nèi)部有經(jīng)過校準(zhǔn)的電容式濕度傳感器和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），以及8位單片機(jī)?？蓽y量溫度范圍是-40～+80℃，精度最大±1℃，濕度范圍是0%～100%，常溫時精度±3%，分辨率都是0.1。溫度信號、濕度信號最后都轉(zhuǎn)換為一個40位的二進(jìn)數(shù)串行輸出。其中的高16位是濕度，中16位是溫度，低8位是校驗(yàn)和，當(dāng)高16位加中16位等于低8位時，說明測量結(jié)果正確，可以采信。它使用單線總線結(jié)構(gòu)，接線很簡單，一共就3根線：圖3中的R表示紅線，接電源（3.3～5.5VΩ），Y表示黃線，是信號線，按照要求需要外接5kΩ上拉電阻R2，接M8的PC5引腳。B表示黑線，接地。

輕觸按鈕S1～S5還是作校時用，沒有變化。

為了給400mAh的鋰電池充電，通過USB插頭把外部的5V電壓加到智能線性充電模塊TP4054。另外一個2×2微型自鎖開關(guān)S6可以選擇電池供電，或者電池充電。充電時5V外部電壓經(jīng)穩(wěn)壓器WY1降低為3.3V為VCC供電。

用上蓄電池了，液晶背光也可以“奢侈點(diǎn)”，偶爾用它一下。為此，增加了限流電阻R3和輕觸按鈕S5。

硬件組裝

這個溫濕度計電路簡單，所需元件不多。除了溫濕度傳感器和充電模塊比較特殊以外，其他都是普通元件。幾個電阻和退耦電容都是用的貼片元件，尺寸是 0805，和洞洞板可以很好地配合。當(dāng)然也可用普通的引線電阻、電容。集成電路使用雙列直插插座反裝，這樣就有效利用了正面液晶屏占用的面積。具體做法和小小日歷鐘一樣。

溫濕度傳感器和充電模塊我都是從淘寶網(wǎng)上買的，搜一下“DHT21”和“TP4054”就可以找到大把，價格不高。溫濕度探頭的敏感元件都是裝在通風(fēng)透氣的烏龜殼內(nèi)，膠死了打不開，也就不要試圖暴力拆解了，以免污染了敏感元件影響性能。

反面焊裝IC插座的辦法是先把引腳向外折平（這樣子它更像小蜈蚣了），然后把引腳尖端稍向下彎，在洞洞板反面定位后，用尖頭鑷子把引腳尖端逐一捅進(jìn)焊盤洞洞里，外接引線也插入相應(yīng)洞洞里，一并焊接。

要注意兩個鋰電池最后安裝，安裝前必須先檢查已經(jīng)裝好其他元器件和接線的電路板，確認(rèn)VCC和地端沒有短路故障。在焊接前電池先不開封，避免不小心正負(fù)極短路，以至于“出師未捷身先死”。帶引腳的紐扣電池焊好即固定了，充電電池則用較厚的雙面膠粘接在電路板反面固定。完工后四角一定要裝上墊柱，避免電路板直接與平面接觸。

其他就沒有什么訣竅了，也就不再搞看圖識物。7cm×9cm的洞洞板安裝全部元件很寬松，實(shí)際上要想使這個小玩意工作起來，還要靠“軟功夫”。下面一一分解。

編程之一：AM2301的讀寫時序

前面說過，溫濕度探子輸出的是40位的二進(jìn)數(shù)。在探頭進(jìn)行測量并輸出數(shù)據(jù)前，主控單片機(jī)M8和探頭有個握手過程，步驟是：

M8的PC5空閑時一直為高，數(shù)據(jù)線處于釋放狀態(tài)。要啟動測量，M8就在PC5輸出低，使數(shù)據(jù)線拉低1ms以上（程序中用的10ms），把PC5轉(zhuǎn)為輸入狀態(tài)，外部上拉電阻R2立即使數(shù)據(jù)線升高。在40μs以內(nèi)探頭發(fā)出響應(yīng)：把數(shù)據(jù)線拉低80μs。M8讀到這個低電平，知道探頭回話了，接著探頭也釋放數(shù)據(jù)線80μs，M8就明白隨后就是數(shù)據(jù)了。數(shù)據(jù)總是以50μs低電平先導(dǎo)，隨后并不是以電平高低表示1、0，而是以高電平脈沖寬度表示1、0：70μs表示 1，26～28μs表示0。為了識別1和0，M8可在讀先導(dǎo)低電平完成后，延時35μs再次讀數(shù)據(jù)線，如果為高，就是1，如果為低，就是0。探頭連續(xù)送出 40個低-高脈沖后，再次拉低數(shù)據(jù)線50μs，結(jié)束數(shù)據(jù)送出。脈沖示意圖如圖4。

實(shí)際使用時還要注意，測量應(yīng)進(jìn)行兩次：第一次測量后，過2s再測一次，這次M8讀出的數(shù)據(jù)是兩秒前的測試數(shù)據(jù)。如果連續(xù)測量，間隔2s最好，無論如何不得小于1s。實(shí)際上氣溫和濕度一般也不會變化那么快。現(xiàn)在做的是每分鐘測兩次：在0s和2s各測一次，2s讀出0s的數(shù)據(jù)，0s讀的是上一分鐘的數(shù)據(jù)，就丟棄了。

編程之二：AM2301的數(shù)據(jù)格式

如果數(shù)據(jù)正確（通過檢查和校驗(yàn)），就需要把高16位濕度數(shù)據(jù)換算成十進(jìn)位的3位數(shù)：000到999。在個位和十位間加上小數(shù)點(diǎn)，就是濕度的百分值。例如 M8讀出的高16位是0B0000001100001101=512+256+8+4+1=781。濕度就是78.1%。溫度類似，但是如果溫度最高位為 1，意味著零下溫度。

編程之三：怎樣畫出記錄曲線

要畫出一段時間的記錄曲線，也就是在液晶上面按照這也就是在液晶上面按照這段時間順序記錄的數(shù)值畫出對應(yīng)的點(diǎn)。
在這塊圖形液晶畫點(diǎn)的基本方法前次已經(jīng)介紹過，就是先設(shè)置列坐標(biāo)x和頁坐標(biāo)y，再寫數(shù)據(jù)，用LCDSetxy（unsigned x，unsigned y）和LCDWriData（unsigned data）兩個函數(shù)就可以在x列y頁點(diǎn)亮任意8個點(diǎn)。但是如果直接用頁坐標(biāo)來畫出通常用垂直坐標(biāo)（行坐標(biāo)）表示的點(diǎn)則非常不便。

圖5 12小時內(nèi)的溫度變化記錄曲線?

要按照列坐標(biāo)x和行坐標(biāo)h（h從0到63共計64行）來畫一個點(diǎn)，而這正是畫記錄曲線的基礎(chǔ)，我們可以變換一下，先用h/8算出h所在的頁，例如h為45，那么它就在45/8即5頁。而余數(shù)h%8就是h在該頁的第幾位（現(xiàn)在是第5位），讓一個數(shù)unsigned char tmp=0x01;那把它左移5位得到的數(shù)值0x20就是用列坐標(biāo)和頁坐標(biāo)畫點(diǎn)時需要給液晶輸入的數(shù)值。這些數(shù)值對于每次僅僅1個點(diǎn)，從低位到高位只能對應(yīng)于0x01、0x02、0x04、0x08、0x10、0x20、0x40、0x80這8個數(shù)中的一個。這樣我們可以捏造一個函數(shù) LCDPutDot（unsigned char x，unsigned h）；來在x列，h行畫出一個點(diǎn)了，具體代碼見后文。形式上用行列坐標(biāo)參數(shù)，實(shí)質(zhì)上還是頁列坐標(biāo)參數(shù)，但卻方便多了。現(xiàn)在再回到怎樣畫濕度記錄曲線。由于液晶像素的限制，水平只能取128點(diǎn)以下。那么如果每6分鐘記錄一次，12小時就記錄120次，把這120次的濕度數(shù)值和液晶的垂直方向點(diǎn)位置（與行坐標(biāo)成比例）對應(yīng)起來畫一系列點(diǎn)，不就是記錄曲線嗎？當(dāng)然垂直方向只有64點(diǎn)，那么我們就取51點(diǎn)，0到50表示0到100。還要提醒的是，液晶的垂直方向，0點(diǎn)在最上面，這和通常的習(xí)慣相反。那也沒關(guān)系，就把（100-h）/2作為垂直坐標(biāo)就對了，為簡單計，可略去小數(shù)。

至此幾個編程的關(guān)鍵都說完了。按此在程序中加入了新增的函數(shù)：
unsigned char DHT21_ReadByte（void）;//讀探頭串行數(shù)據(jù)
void DHT21_RHT（void）;//發(fā)起檢測，讀數(shù)
void Show_RHT（void）;//顯示檢測值
void LcdPutDot（unsignedcharx，unsignedcharh）;//畫點(diǎn)

函數(shù)具體內(nèi)容見附件程序。

為了描繪12小時的記錄曲線，還要設(shè)立一個120單元的濕度記錄數(shù)組unsigned charRH_record[120]，好在M8的數(shù)據(jù)區(qū)有512字節(jié)，還很富裕。
每6分鐘往里面順序填入一個記錄，記滿后又從0單元開始。
整個程序流程和日歷鐘基本相同，但有改變：

啟動→M8初始化→LCD初始化→檢查1302是否已經(jīng)運(yùn)行中，如否則要初始化并啟動它→讀取1302數(shù)據(jù)→打開顯示界面（標(biāo)題、正文和最下面的顯示行）→檢測溫濕度→延時2秒→給記錄數(shù)組賦以初值→再次檢測溫濕度→顯示溫濕度→進(jìn)入程序循環(huán)。

程序循環(huán)是設(shè)置一個用于軟件計數(shù)的靜態(tài)變量:const unsigned int delta=0;在主循環(huán)while（1）{}中當(dāng)delta未達(dá)到設(shè)定值例如3800前它每次遞增，達(dá)到設(shè)定值后再查鍵→健處理→如果秒數(shù)值改變就刷新日歷鐘的顯示。

有所改變的是如果計時達(dá)到1分鐘，就開始一次檢測溫濕度→2秒后再檢測并更新溫濕度顯示→如果是6的整數(shù)倍分鐘，則還要在濕度記錄數(shù)組中填入新的濕度記錄。

在S4的按鍵功能觸發(fā)時就按照濕度記錄數(shù)組的數(shù)值逐一繪點(diǎn)，形成曲線。其中還包括水平和垂直標(biāo)尺的繪制和當(dāng)前記錄位置指針的繪制。

調(diào)試

調(diào)試過程和小小日歷鐘類似，就不重復(fù)了。只要元件正常，接線正確，加電后把程序注入M8立刻就可以運(yùn)行。繪制曲線則要等到1小時以后才畫出一小段。經(jīng)過 12小時曲線完成，你就可以知道過去12小時的濕度變化趨勢了。按照我這里來看（番禺郊區(qū)），濕度波動還是蠻大的，晴熱時可以低到40%，一下暴雨會升高到80%以上。

如果發(fā)現(xiàn)溫度、濕度顯示都為0，那么檢查探頭接線是否有斷開。如果突然不顯示了，那么恭喜你！鋰電池保護(hù)板發(fā)揮了作用，沒電了！趕快切換S6充電吧！在這個基礎(chǔ)上還能進(jìn)一步改進(jìn)：找出24小時內(nèi)的最高溫濕度和最低溫濕度；設(shè)定報警點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)超限報警以及把信號發(fā)送出去等，就靠你啦！

使用

把它充好電，按一下S6，切到電池供電位置就可以了，把它放在桌上、掛在墻上都可以，只要不陽光直射，陰涼通風(fēng)就可以。充一次電大約需要90分鐘，充好后可以用三天以上。