溫濕度記錄儀單片機(jī)

基于單片機(jī)的溫濕度記錄儀的設(shè)計(jì)

溫度和濕度一直是環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的兩個(gè)最基本、重要的參數(shù)，對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、監(jiān)視、記錄的設(shè)備也是各種各樣。本文設(shè)計(jì)了一種基于AVR單片機(jī)的溫濕度記錄儀。該記錄儀使用紅外遙控器對(duì)記錄儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、控制，可以實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度和濕度，并且進(jìn)行本地存儲(chǔ)、顯示，測(cè)量的歷史數(shù)據(jù)還可以利用單片機(jī)的串行口傳送至上位機(jī)，利用上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

一、溫濕度記錄儀系統(tǒng)組成及基本原理

該記錄儀實(shí)現(xiàn)以下功能：進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的采集、記錄和顯示；利用遙控器進(jìn)行系統(tǒng)初始時(shí)間的設(shè)置；自助選擇溫濕度數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔；將本地記錄的歷史數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)PC端；使用遙控器可以控制顯示當(dāng)前實(shí)時(shí)的溫濕度數(shù)據(jù)或多屏查看歷史記錄數(shù)據(jù)等。本文設(shè)計(jì)的溫濕度記錄儀用單片機(jī)作為控制核心，由溫濕度采集模塊、時(shí)鐘模塊、顯示模塊、紅外發(fā)送接收模塊、串行通信模塊、電源模塊等組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。溫濕度采集模塊采集環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，提供給單片機(jī)進(jìn)行處理。時(shí)鐘模塊為整個(gè)記錄儀提供精確、詳細(xì)的年、月、日、時(shí)、分秒等時(shí)間信息，并在系統(tǒng)掉電時(shí)能自動(dòng)啟用后備電源為此模塊供電。顯示模塊進(jìn)行本地實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)的顯示、歷史記錄數(shù)據(jù)的顯示等。紅外接收模塊與紅外遙控器配合，對(duì)記錄儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、參數(shù)修改，記錄儀運(yùn)行過(guò)程中對(duì)顯示器顯示內(nèi)容進(jìn)行更換等功能。串行通信模塊負(fù)責(zé)將記錄儀上記錄的歷史數(shù)據(jù)傳送至上位PC機(jī)。電源模塊為整個(gè)記錄儀供電。

二、溫濕度記錄系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要采用高性能AVR單片機(jī)ATmega16，數(shù)字溫濕度傳感器SHT10，時(shí)鐘芯片PCF8563，點(diǎn)陣式LCD顯示模塊12864和紅外接收器VS1838等器件。

2.1單片機(jī)ATmega16介紹

高可靠性、功能強(qiáng)、高速、低功耗和低價(jià)位等性能，一直是衡量單片機(jī)的重要指標(biāo)，也是單片機(jī)占領(lǐng)市場(chǎng)，賴以生存的必要條件。本系統(tǒng)中，采用了高性能，低功耗的8位單片機(jī)ATmega16。

ATmega16功能齊全，外圍接口豐富，具有2個(gè)8位、1個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，8路10位AD轉(zhuǎn)換器，4通道PWM，2個(gè)可編程的串行USART，共有32個(gè)可編程的I/O接口。片內(nèi)具有16KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，1KB的片內(nèi)SRAM，512字節(jié)的EEPROM。具有空閑、ADC噪聲抑制、省電、掉電、待機(jī)等多達(dá)6種休眠模式。因ATmega16使用哈弗結(jié)構(gòu)、全靜態(tài)工作、以字作為指令長(zhǎng)度單位、精簡(jiǎn)指令集，其大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，故其數(shù)據(jù)吞吐率很高，工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16共有131條指令和32個(gè)8位通用寄存器，所有寄存器都直接與算邏單元相連，使得一條指令在一個(gè)時(shí)鐘周期可以同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)寄存器，大大提高代碼效率，可以很好的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送以及溫度采集。

2.2溫濕度采集模塊

溫度、濕度的測(cè)量使用集成式數(shù)字溫濕度傳感器SHT10。SHT10將溫度濕度感測(cè)、信號(hào)變換、AD轉(zhuǎn)換器等功能集成到一個(gè)芯片上，提供兩線數(shù)字串行接口SCK和DATA，支持CRC傳輸校驗(yàn)，測(cè)量精度可編程調(diào)節(jié)，提供具有溫度補(bǔ)償?shù)臏囟葴y(cè)量值，測(cè)量和通信結(jié)束后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式，測(cè)量時(shí)可將感測(cè)頭完全浸入水中。本記錄儀設(shè)計(jì)時(shí)溫度使用14b分辨率，量程范圍：

-400C~990C，測(cè)量精度：±0.50C，分辨率0.01 0C；濕度使用12b分辨率，量程范圍：0~99%RH，測(cè)量精度：±4.5%RH，分辨率0.03%RH。電路設(shè)計(jì)時(shí)將SHT10的SCK、DATA引腳分別接ATmega16的PC7、PC6引腳，由ATmega16給SHT10提供時(shí)鐘信號(hào)，DATA引腳用于兩者進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.3時(shí)鐘模塊

記錄溫濕度數(shù)據(jù)時(shí)，需要精確的時(shí)間信息，該信息由時(shí)鐘模塊提供。時(shí)鐘模塊以飛利浦公司的可編程時(shí)鐘/日歷芯片PCF8563為核心，輔以相應(yīng)的外圍電路。PCF8563內(nèi)部具有16個(gè)8位寄存器、內(nèi)置32.768KHz的振蕩器、用于給實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC提供源時(shí)鐘的分頻器、定時(shí)器、報(bào)警器、掉電檢查和I2C總線接口等部件。16個(gè)寄存器中2個(gè)用于控制寄存器和狀態(tài)寄存器，7個(gè)用于時(shí)鐘（秒、分、時(shí)、日、星期、月、年）計(jì)數(shù)器，4個(gè)用于報(bào)警寄存器（定義分、時(shí)、日、星期的報(bào)警條件），剩下3個(gè)分別是CLKOUT頻率寄存器、定時(shí)器控制寄存器和倒計(jì)數(shù)定時(shí)寄存器。這些寄存器通過(guò)兩線式I2C總線（時(shí)鐘SCL、數(shù)據(jù)SDA）由單片機(jī)進(jìn)行讀寫(xiě)。PCF8563由于采用I2C總線，其外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。PCF8563共有8個(gè)引腳。本設(shè)計(jì)中OSCI和OSCO接32.768KHz的晶振。SCL引腳接單片機(jī)的PC0口，給I2C總線提供時(shí)鐘信號(hào)，SDA引腳接單片機(jī)的PC1口，實(shí)現(xiàn)時(shí)間、日期等的讀寫(xiě)。電源引腳Vdd除了接系統(tǒng)電源之外，還連接了3.3V的紐扣電池作為備用電源。當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，3.3V的后備電源啟用作為PCF8563的供電電源。

2.4紅外接收模塊

溫濕度記錄儀在使用時(shí)，會(huì)有一些特殊場(chǎng)合，例如記錄儀所放高度、記錄儀放置于密閉空間等地方，使得記錄儀不便于控制，需要進(jìn)行短距離的非接觸式控制。系統(tǒng)選用紅外通信技術(shù)進(jìn)行短距離通訊。紅外通信技術(shù)具有信息容量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方向性好、功耗低、價(jià)格低廉、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)使用一體化紅外接收頭VS1838和集成式紅外遙控器配合，對(duì)記錄儀的時(shí)間設(shè)置，顯示格式等控制信息進(jìn)行傳輸。當(dāng)遙控器不同按鍵被按下后，即有不同的串行二進(jìn)制遙控碼產(chǎn)生，該編碼經(jīng)38KHz的載波信號(hào)進(jìn)行二次調(diào)制后，再通過(guò)紅外發(fā)射二極管以紅外信號(hào)形式發(fā)射出去。VS1838接收頭集成了紅外接收二極管、信號(hào)放大器、限幅器、選頻帶通濾波器、積分電路以及比較器等。紅外接收二極管將接收到的信號(hào)傳輸至放大器進(jìn)行放大，通過(guò)限幅器將信號(hào)限制在合適的電壓范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)帶通濾波器，只保留30~60KHz的信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)解調(diào)、積分電路后傳輸至比較器輸出高低電平，轉(zhuǎn)換為發(fā)射端發(fā)來(lái)的二進(jìn)制編碼，通過(guò)引腳DQ送至單片機(jī)的PC2引腳，供單片機(jī)使用。

2.5顯示模塊

顯示模塊在本地顯示當(dāng)前的時(shí)間、溫度和濕度，顯示系統(tǒng)初始化時(shí)的初始設(shè)置時(shí)間、溫濕度記錄時(shí)間間隔，顯示記錄的歷史數(shù)據(jù)等信息。因顯示的數(shù)據(jù)量較多，本系統(tǒng)采用點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊LCD12864。LCD12864顯示分辨率為128*64，可以顯示8*4行16*16點(diǎn)陣的漢字。12864硬件電路結(jié)構(gòu)以及軟件編程與同類型圖形點(diǎn)陣液晶模塊相比，要簡(jiǎn)潔的多而且價(jià)格也較低，得到了廣泛的應(yīng)用。系統(tǒng)采用8位并行12864顯示模塊，該模塊與外部的接口共有20個(gè)引腳。該模塊與外部連接電路簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)時(shí)將12864的8根并行三態(tài)數(shù)據(jù)線DB0~DB7接單片機(jī)的PB0~PB7口，用于與單片機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。12864的對(duì)比度（亮度）調(diào)整引腳V0接可調(diào)電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻值改過(guò)亮度。12864的并行指令/數(shù)據(jù)顯示選擇引腳RS、讀寫(xiě)控制引腳R/W、并行的使能引腳E分別接單片機(jī)的PD7~PD4，由單片機(jī)給出控制信號(hào)。因使用并行接口，故并/串行接口選擇引腳PSB接高電平。復(fù)位端RESET、背光源正端和PSB端共同接電源端VCC。LCD驅(qū)動(dòng)電壓輸出端Vout經(jīng)過(guò)10K的限流電阻接電源端VCC。

2.6通信模塊

通信模塊完成單片機(jī)與PC機(jī)的通信。該記錄儀最多可以連續(xù)存儲(chǔ)最近50條的溫濕度數(shù)據(jù)。而有些使用場(chǎng)合需要將更長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)永久保留，使用通信模塊可以將記錄儀里的數(shù)據(jù)送入PC機(jī)進(jìn)行永久存儲(chǔ)。單片機(jī)與PC機(jī)之間采用串行通信，由于PC機(jī)串口電平和單片機(jī)串口電氣規(guī)范不一致，采用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。使用ATmega16單片機(jī)的PD0口（RXD）接MAX232的9腳R2OUT，PD1口（TXD）接MAX232的10腳T2INT。MAX232的引腳7、8接PC機(jī)的全雙工串行口。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，該設(shè)備還可以作為物聯(lián)網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)使用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，將PA口引出預(yù)留給Zigbee網(wǎng)絡(luò)使用。

2.7電源模塊

電源模塊給整個(gè)記錄儀供電。記錄儀使用交流220V市電作供電電源，記錄儀上的芯片供電電源要求直流5V。因此，電源模塊要完成AC220V到DC5V的轉(zhuǎn)換。原理為220V交流電經(jīng)過(guò)全橋整流電路后整流后，進(jìn)行濾波、穩(wěn)壓后，送入7805三端穩(wěn)壓器得到穩(wěn)定的直流電壓5V。

三、溫濕度記錄儀軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件架構(gòu)完成后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是進(jìn)行上電之后的初始化設(shè)置，溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、記錄、顯示和傳送。單片機(jī)上電或復(fù)位后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，完成對(duì)單片機(jī)的IO口、內(nèi)部寄存器、串行通訊的波特率等進(jìn)行初始設(shè)置，然后掃描紅外接收器，看遙控器是否有遙控信號(hào)傳送過(guò)來(lái)。若有，分析信號(hào)是進(jìn)行記錄儀的設(shè)置信號(hào)還是數(shù)據(jù)傳送信號(hào)，設(shè)置信號(hào)轉(zhuǎn)入設(shè)置記錄儀時(shí)間、記錄間隔、顯示模式的設(shè)置，傳送信號(hào)控制記錄儀中記錄的歷史數(shù)據(jù)傳送至PC機(jī)。若沒(méi)有遙控信號(hào)送入單片機(jī)，查詢是否是記錄間隔時(shí)間到，若是進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的采集、記錄和顯示，否則重新查詢是否有遙控信號(hào)送來(lái)。軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程語(yǔ)言，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)流程圖，將程序分為初始化模塊，紅外遙控信號(hào)采集模塊，紅外遙控信號(hào)處理模塊，溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊，采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、顯示碼轉(zhuǎn)換模塊，PCF8563設(shè)置、時(shí)間信息的讀取、顯示碼轉(zhuǎn)換模塊，溫濕度數(shù)據(jù)記錄模塊和記錄歷史數(shù)據(jù)傳送等模塊。

總結(jié)

本文研究設(shè)計(jì)了一種基于AVR單片機(jī)的溫濕度記錄儀，該記錄儀具有數(shù)據(jù)采集精度高、體積小、攜帶方便、成本低、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)。該記錄儀也存在一定的不足之處，因歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)使用的是單片機(jī)內(nèi)部的EEPROM區(qū)，而單片機(jī)的EEPROM區(qū)容量有限，該記錄儀最多只能存儲(chǔ)500條歷史數(shù)據(jù)。若設(shè)置為15分鐘記錄一條數(shù)據(jù)，記錄儀本體只能存儲(chǔ)3天的歷史數(shù)據(jù)。單片機(jī)擴(kuò)展大容量的存儲(chǔ)芯片可以增加記錄的歷史數(shù)據(jù)。

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