李剛麗

摘要：以AT89C52單片機(jī)為微控制器，采用SHT11單片溫濕度傳感器對(duì)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和LCD顯示器現(xiàn)場(chǎng)顯示，同時(shí)設(shè)置超限報(bào)警和通過(guò)GSM移動(dòng)通信模塊以短信息的形式將溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)及遠(yuǎn)傳的智能溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：溫濕度檢測(cè) AT89C52 GSM移動(dòng)通信模塊

0 引言

GSM（Global system for Mobile Communication）全球移動(dòng)通信系統(tǒng)是當(dāng)前發(fā)展最成熟、國(guó)內(nèi)覆蓋最廣、系統(tǒng)可靠性最高、話機(jī)持有量最大的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)研究目的在于提高當(dāng)前環(huán)境因素的控制水平、控制精度以及控制穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性。主要研究環(huán)境中的溫度、濕度的數(shù)據(jù)采集與分析、監(jiān)測(cè)與控制、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)通訊、報(bào)警等，并通過(guò)人機(jī)對(duì)話接口實(shí)現(xiàn)參數(shù)顯示和在線參數(shù)修改；探討研究先進(jìn)控制方法來(lái)提高環(huán)境因素的控制水平，實(shí)現(xiàn)集人-機(jī)一體的“人機(jī)智能系統(tǒng)”。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

下位機(jī)中的溫濕度檢測(cè)部分由微控制器模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、通信模塊、人機(jī)接口模塊組成，主要完成環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的采集與處理、通過(guò)GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞、現(xiàn)場(chǎng)顯示以及超限報(bào)警。溫室溫濕度智能檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2為智能溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)。以單片機(jī)AT89C52作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，利用單片機(jī)現(xiàn)有的接口組織外圍硬件模塊。為了減小系統(tǒng)面積，降低系統(tǒng)功耗，選擇SHT11單片溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)溫濕度的測(cè)量、低功耗LCD顯示模塊、采用GSM移動(dòng)通信模塊作為通信接口。

1.1 溫濕度檢測(cè)模塊 SHT ll與微處理器的連接相對(duì)簡(jiǎn)單，只需用微處理器的2條通用I/O口線P3.2、P3.3分別作為數(shù)據(jù)線DATA和時(shí)鐘線SCK，并在DATA端接入1只4.7k的上拉電阻，同時(shí)在VDD及GND端接入1只100pf的去耦電容，通過(guò)相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，即可完成數(shù)據(jù)的采集與傳輸。溫濕度檢測(cè)模塊硬件電路原理圖如圖3所示。

1.2 GSM通信模塊 本設(shè)計(jì)中GSM模塊與微處理器的連接采用RS-232串行通信接口方式，硬件原理圖如圖4所示。RS-232是設(shè)計(jì)來(lái)處理兩臺(tái)設(shè)備之間的通信的，在一個(gè)連接中不能有超過(guò)2臺(tái)以上的設(shè)備。指定的最大數(shù)據(jù)傳輸速率是每秒20000位。但是，很多接口芯片可以超過(guò)這個(gè)數(shù)值，尤其是在短程連接上，很長(zhǎng)的連接需要一個(gè)不同的接口。雙向RS-232通信的3個(gè)基本信號(hào)如下：

TD：將數(shù)據(jù)從DCE傳輸?shù)紻CE，也被稱作TX和TXD。

RD：將數(shù)據(jù)從DCE傳輸?shù)紻TE，也被稱作RX和RXD。

SG：信號(hào)地，也被稱作GND和SGND。

1.3 微控制器模塊 AT89C52單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個(gè)反相放大器所構(gòu)成的振蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入端和輸出端，時(shí)鐘可由內(nèi)部或外部產(chǎn)生。在本設(shè)計(jì)中，使用了單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘，由石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，如圖5所示。晶振頻率選用11.0592MHz，電容為30pf的瓷片電容。單片機(jī)復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)初始狀態(tài)開(kāi)始工作。無(wú)論是在單片機(jī)剛開(kāi)始接上電源時(shí)，還是斷電后或者發(fā)生故障后都需要復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位的條件是，必須使RST /V pd或RST引腳加上持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平。單片機(jī)的復(fù)位電路如圖6所示。

1.4 人機(jī)接口模塊 LCD顯示模塊：LCD模塊的硬件原理圖如圖7所示。LCD工作電壓為5V，由VDD供給。

矩陣鍵盤模塊：本設(shè)計(jì)使用16個(gè)按鍵，排成4*4的陣列，鍵盤原理圖如圖8所示。每行和每列各有一根信號(hào)線相連，當(dāng)按下按鍵時(shí)，相應(yīng)的行和列導(dǎo)通。行線和列線的一端通過(guò)上拉電阻接到+5V電源，另一端分別接到微處理器的P1口上，系統(tǒng)通過(guò)按鍵按下后8根信號(hào)線的高低電平，再由鍵盤掃描算法，得到各鍵的對(duì)應(yīng)鍵值。

報(bào)警模塊：蜂鳴器主要用于按鍵提示和數(shù)據(jù)超限報(bào)警，由軟件編程控制，硬件原理圖如圖9所示。蜂鳴器使用PNP三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，當(dāng)P3.7控制輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲；當(dāng)P3.7控制輸出高電平時(shí)三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。

1.5 電源模塊 圖10為電源電路原理，220V的交流電從插頭經(jīng)保險(xiǎn)管送到變壓器的初級(jí)線圈，并從次級(jí)線圈感應(yīng)出經(jīng)約9V的交流電壓送到由4個(gè)二極管構(gòu)成的整流橋。C1、C2起到濾波作用，經(jīng)C1濾波后的直流電送到三端穩(wěn)壓集成電路LM317T的Vin端（3腳）。LM317T由Vin端給它提供工作電壓以后，它便可以保持其+Vout端（2腳）比其ADJ端（1腳）的電壓高1.25V。D5的作用是當(dāng)有意外情況使得LM317T的3腳電壓比2腳電壓還低的時(shí)候防止從C3上有電流倒灌入LM317T引起其損壞。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的軟件主要采用模塊化結(jié)構(gòu)，溫濕度的整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程及遠(yuǎn)程監(jiān)控由主程序、短消息收發(fā)子程序、溫濕度測(cè)量子程序、串行中斷程序、定時(shí)中斷程序、顯示子程序、鍵盤掃描子程序等完成。各功能模塊只有一個(gè)入口和出口，各模塊之間相對(duì)獨(dú)立，避免某功能模塊出現(xiàn)異常而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的故障發(fā)生。

2.1 主程序流程 根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求，首先需要進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括內(nèi)存空間的初始化、GSM模塊初始化、SHT11初始化、LCD初始化等，同時(shí)系統(tǒng)開(kāi)啟定時(shí)中斷和串行中斷；在各個(gè)設(shè)備的初始化完成且正常運(yùn)行后，單片機(jī)通過(guò)串口控制GSM模塊的聯(lián)機(jī)通信；接下來(lái)進(jìn)行溫濕度的檢測(cè)、處理、顯示、分析等工作；若出現(xiàn)溫濕度超限，還要進(jìn)行報(bào)警及調(diào)用發(fā)送報(bào)警信息的程序，完成報(bào)警和等待中斷處理。設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件流程圖如圖11所示。

2.2 SHT11工作程序流程圖 SHT11溫濕度傳感器的工作過(guò)程與大多具有I2C總線的器件一樣，工作程序流程圖如圖12所示。首先需要進(jìn)行初始化，用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序，來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。初始化后才能啟?dòng)SHT11，接下來(lái)就是進(jìn)行溫濕度測(cè)量請(qǐng)求，發(fā)布一組測(cè)量命令（‘00000101表示相對(duì)濕度RH，‘00000011表示溫度T）后，控制器要等待測(cè)量結(jié)束。最后將測(cè)量到的數(shù)據(jù)計(jì)算后等待微控制器讀取溫濕度的值。

3 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)借助GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，以最直觀的中文短信息形式，直接把環(huán)境溫濕度信息反映到指定的手機(jī)上。當(dāng)受監(jiān)控環(huán)境出現(xiàn)溫度或者濕度超限時(shí)，溫濕度傳感器馬上就能檢測(cè)到，并且會(huì)立即把信號(hào)傳送到控制中心，經(jīng)過(guò)一系列信號(hào)轉(zhuǎn)化后，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)傳送到相應(yīng)的手機(jī)上，即是先把信息送到SMS服務(wù)平臺(tái)，而后通過(guò)基站傳送出去。整個(gè)傳送過(guò)程只需幾秒鐘的時(shí)間，能夠準(zhǔn)確地通知工作人員所檢測(cè)環(huán)境出現(xiàn)異常，并且工作人員可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

參考文獻(xiàn)：

[1]白延敏.51單片機(jī)典型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]豈興明，唐杰，趙沛等.51單片機(jī)編程基礎(chǔ)與開(kāi)發(fā)實(shí)例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3]蔡振江，馬躍進(jìn).單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011年.

[4]張艷敏，楊仁弟.數(shù)字溫濕度傳感器SHT11及其應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化，2007（3）.

[5]王寶芹，范長(zhǎng)勝，郭艷玲.基于單片機(jī)的溫室溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2008（3）.