基于单片机的温湿度采集系统的硬件设计

摘要： 采用AT89C2051 单片机为核心配置，以温湿度传感器SHT75、数码管显示、计算机监控系统等部件，通过单片机与智能传感器相连，采集并存储智能传感器的测量数据，并通过RS485 总线来实现PC 上位机与单片机控制模块半双工串行通信。微控制器AT89C2051 通过I2C 总线控制传感器的测量和数据回传，每次将采集到的5 组数据经过计算，修正及补偿后分别传送到PC 端存储和显示模块进行实时显示。经过实验测试得出结论：温度测量精度为±0.3 ℃，湿度测量精度为±2%RH，各项指标均达到了课题的设计要求。

　　利用AT89C2051 单片机强大的功能，同时结合智能传感器SHT75 测量温湿度有快速和使用简便等特点，设计了一个温湿度采集系统来对温湿度进行实时监控。通过对实际环境的温湿度测量， 证明了该系统硬件电路布局设计简单合理，体积小，功能齐全，精度高，成本低，性价比相当高，是一款可以普及化的高精度温湿度参数检测仪。

　　1 温湿度采集系统的硬件设计

　　1.1 系统总体设计方案

　　为了实现课题对监控机构的稳定性好、精度高、实用性强的要求，比较众多温湿度测量方案，系统采用智能传感器SHT75 和AT89C2051 单片机构成， 通过SHT75 对各环境内的温度、湿度参数实时检测，经传感器芯片内A/D 转换器转换成对应的二进制值存储于芯片的RAM 中， 单片机通过发送读取温湿度传感器温湿度命令码，温湿度传感器就返回对应的参数值， 本系统带RS485 通讯接口可连接监控主机或PC，通过监控主机或PC 来实时查看当前温度和湿度值，并可在监控主机或PC 上设置报警参数以便实时监控环境温度和湿度值。系统功能模块框图如图1 所示。

图1 系统功能模块图

　　1.2 芯片选择

　　1.2.1 温湿度传感器

　　鉴于测量环境特殊要求，温湿度检测模块不可能做得很大，而且系统要求响应灵敏，测量精度要高，温度小于等于±0.3 ℃，湿度小于等于±1.8％，稳定性能良好，因此采用了瑞士生产的SHT75 温湿度传感器。

　　1.2.2 微处理器

　　该芯片主要是控制温湿度采集，数据处理，实时温湿度显示及通信，那么对微控制器的端口需求较少，而且从测量系统对本模块体积限定等诸多因数来考虑， 系统选用ATMEL 公司推出的AT89C2051， 它是目前比较主流的单片机芯片，20 个引脚，其中包括15 个I/O 口，复位和外部时钟驱动端， 一个全双工串行通信端口，5 个中断源等，128 B 的内部RAM，2 kB 的内部ROM 空间。

　　1.2.3 隔离芯片

　　鉴于长距离驱动数码管显示实时采集的温湿度数值，为了使显示的稳定性和可靠度增强，采用了两片6N137 光电隔离芯片来驱动串行输入并行输出7 片74LS164 芯片， 其中6片控制6 个数码管显示温湿度，1 片用于控制4 个LED 灯显示系统状态。

　　1.2.4 看门狗芯片

　　为了监控检测模块工作正常，看门狗电路和芯片是单片机开发系统必不可少的部分， 采用的X25054 看门狗芯片主要功能有监控电源，防止运行程序跑飞，扩充控制芯片存储空间等。

　　1.2.5 通信接口

　　数据采集包括单片机对温湿度传感器数据采集，还包括PC 对单片机数据采集和处理。系统采用的是RS485 接口，它是一种半双工串行通信接口， 采用平衡差分的传输模式，比RS232 接口提高了传输的速率和增加了传输距离，目前广泛运用于数据采集通信系统。

     1.3 系统原理图的绘制

　　本系统采用AT89C2051 单片机作为控制核心，系统主要包括温湿度传感器、CPU、通讯接口等部件。电路图的绘制采用Protel DXP 2004 开发工具，在设计PCB 板的时候，应特别注意电磁兼容性设计、地线设计、去耦电容配置等几个方面。

　　电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰， 使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少电子设备本身对其他电子设备的电磁干扰。在双面PCB 板中，上下两层信号线的走线方向要尽量相互垂直或斜交叉，避免平行走线，以减少寄生耦合的产生。

　　在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。地线设计中应根据电路特性，正确选择单点接地与多点接地，对高频电路要采用多点接地，并尽量加粗接地线，接地线的宽度一般为普通走线的2 倍，而且要将接地线构成闭合环路。

　　在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。因为在数字电路中， 当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。合理配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，提高PCB 板的可靠性。

　　温湿度采集模块PCB 板制作包括主控系统板制作和实时数据显示板制作，最终设计的PCB 图如图2 和图3 所示。

图2 温湿度采集模块

图3 实时数据显示模块

　　1.4 系统实物图

　　最终参数采集及实时显示模块实物图如图4 所示。

图4 参数采集及实时显示模块原理图2 实验结果测试与分析

　　2.1 第一组实验数据

　　该系统调试后在室内进行了模拟测试，检验了系统的测试效果以及测试精度。在数据处理时，采用大量的测量数据统计分析来减少误差，并对运行结果进行了记录分析。实验第一组数据如表1 所示。

表1 第一组实验测量数据

　　在温湿度传感器未经修正时，温湿度传感器采集到的数据与标准计数相比较，其数据偏差即将接近本系统所要达到的期望值，但还有待改进。2.2 传感器的补偿和修正

　　为了补偿温湿度传感器的非线性以获取准确数据，使用如下公式（1）修正输出数值：

　　RHlinear=c1+c2·SORH+c3·SORH·SORH （1）对高于99%RH 的那些测量值则表示空气已经完全饱和，必须被处理成显示值均为100%2RH。湿度传感器对电压基本上没有依赖性。

　　当实际测量温度与25 ℃相差较大时， 应考虑湿度传感器的温度修正系数，使用如下公式（2）。

　　2.3 第二组实验数据

　　根据公式（1）、（2）对传感器进行修正补偿后得到实验第二组数据如表2 所示。

表2 第二组实验测量结果

　　从以上结果可以看出：经过补偿和修正以后，使温度传感器测量数据的温度精度小于等于0.2 ℃， 湿度精度小于1.0%RH，达到了系统的设计要求，满足了温度精度为±0.3 ℃和湿度精度±2.0%RH 的课题测量要求。

      3 结论

　　本文介绍的温湿度采集系统硬件的设计，创新点在于针对温度和湿度的测量特点，采用SHT75 系列数字温湿度传感器，可与单片机直接相连，并且由于它温湿一体的高度集成化，改变传统温湿度变送器硬件包含温度传感器、湿度传感器、信号处理器、A/D 转换等部分，从而简化外围电路并降低成本，提高了电路工作的可靠性和稳定性，达到了较高的性价比。