蘇冠楠+姚樂+易小龍+王晉+鐘沁耘

【摘 要】溫度、濕度、光照是文物保護的基本因素，傳統(tǒng)的測量方法費事費力，效率低，且隨機性大，本文通過設(shè)計基于STC12C5A60S2單片機，綜合利用傳感器技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和LCD顯示等知識知識的測量系統(tǒng)達到自動檢測室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度及光強的目的，并在超過閾值時進行報警，并行性高，且能夠處理多點溫濕度，光強等信息。

【關(guān)鍵詞】單片機；光強；溫度；濕度；測量

0 前言

溫度、濕度、光照度和人類的生產(chǎn)、生活有著密切的關(guān)系，同時也是博物館文物保護中最常見最基本的參數(shù)，例如不同的溫度可能會造成珍貴文物的過早氧化，而濕度的大小也同樣對于文物的保護有著重要的意義，還有光的強度也會對文物的材質(zhì)有著很大的影響，所以對溫度、濕度及光照度的檢測及控制就非常有必要了。傳統(tǒng)的方法是用溫度表、雙金屬式測量計、等手段，通過人工進行檢測，對不符合溫度、濕度、光照度要求的環(huán)境進行通風(fēng)、去濕、降溫、采光等工作。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，一個低成本和具有較高精度的環(huán)境測量儀在許多領(lǐng)域會代替人工操作。為此，本設(shè)計開發(fā)了一種能夠同時測量多點，并實時性高、精度高，能夠綜合處理多點溫濕度、光照度信息的設(shè)計方案。

1 單片機的選擇

基于性價比的考慮，在電子設(shè)計中8位單片機仍是首選。在8位單片機中又以MCS-51系列單片機及其兼容機所占的份額最大。通過內(nèi)部資源比較，單片機芯片我們選擇STC12C5A60S2，STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），針對電機控制，強干擾場合。

2 傳感器的選擇

2.1 光強傳感器

2.1.1 TSL2561簡介

TSL2561是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。

2.1.2 TSL2561的引腳功能

TSL2561有2種封裝形式：6LEAD CHIPSCALE和6LEAD TMB。封裝形式不同，相應(yīng)的光照度計算公式也不同。

各引腳的功能如下：

腳1和腳3：分別是電源引腳和信號地。其工作電壓范圍是2.7～3.5V。

腳2：器件訪問地址選擇引腳。由于該引腳電平不同，該器件有3個不同的訪問地址。

腳4和腳6：I2C或SMBus總線的時鐘信號線和數(shù)據(jù)線。

腳5：中斷信號輸出引腳。當光強度超過用戶編程配置的上或下閾值時，器件會輸出一個中斷信號。

2.1.3 TSL2561的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

TSL2561是第二代周圍環(huán)境光強度傳感器。通道0和通道1是兩個光敏二極管，其中通道0對可見光和紅外線都敏感，而通道1僅對紅外線敏感。積分式A/D轉(zhuǎn)換器對流過光敏二極管的電流進行積分，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在轉(zhuǎn)換結(jié)束后將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入芯片內(nèi)部通道0和通道1各自的寄存器中。當一個積分周期完成之后，積分式A/D轉(zhuǎn)換器將自動開始下一個積分轉(zhuǎn)換過程。微控制器和TSL2561可通過標準的SMBus（System Management Bus）V1.1或V2.0實現(xiàn)，TSL2561則可通過I2C總線協(xié)議訪問。

2.1.4 硬件設(shè)計

TSL2561能夠通過I2C總線訪問，所以硬件接口電路很簡單。假如所選用的微控制器帶有I2C總線控制器，則將該總線的時鐘線和數(shù)據(jù)線直接和TSL2561的I2C總線的SCL和SDA分別相連；假如微控制器內(nèi)部沒有上拉電阻，則還需要再用2個上拉電阻接到總線上。假如微控制器不帶I2C總線控制器，則將TSL2561的I2C總線的SCL和SDA和普通I/O口連接即可[6]；但編程時需要模擬I2C總線的時序來訪問TSL2561，INT引腳接微控制器的外部中斷。

2.2 溫度傳感器

2.2.1 DS18B20功能特點

1）獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。

2）測溫范圍 -55℃～+125℃，固有測溫誤差1℃。

3）支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，實現(xiàn)多點測溫，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。

4）工作電源： 3.0～5.5V/DC （可以數(shù)據(jù)線寄生電源）。

5）在使用中不需要任何外圍元件。

6）測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送。

7）用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置。

2.2.2 DS18B20結(jié)構(gòu)和工作原理

64位只讀存儲器儲存器件的唯一片序列號。高速暫存器含有兩個字節(jié)的溫度寄存器，這兩個寄存器用來存儲溫度傳感器輸出的數(shù)據(jù)。除此之外，高速暫存器提供一個直接的溫度報警值寄存器（TH和TL），和一個字節(jié)的的配置寄存器。配置寄存器允許用戶將溫度的精度設(shè)定為9，10，11或12位。TH，TL和配置寄存器是非易失性的可擦除程序寄存器（EEPROM），所以存儲的數(shù)據(jù)在器件掉電時不會消失。DS18B20通過達拉斯公司獨有的單總線協(xié)議依靠一個單線端口通訊。當全部器件經(jīng)由一個3態(tài)端口或者漏極開路端口（DQ引腳在DS18B20上的情況下）與總線連接的時候，控制線需要連接一個弱上拉電阻。在這個總線系統(tǒng)中，微控制器（主器件）依靠每個器件獨有的64位片序列號辨認總線上的器件和記錄總線上的器件地址。由于每個裝置有一個獨特的片序列碼，總線可以連接的器件數(shù)目事實上是無限的。

2.2.3 硬件設(shè)計

DS18B20可以通過從VDD引腳接入一個外部電源供電，或者可以工作于寄生電源模式，該模式允許DS18B20工作于無外部電源需求狀態(tài)。當總線為高電平時，寄生電源由單總線通過VDD引腳。這個電路會在總線處于高電平時偷能量，部分汲取的能量存儲在寄生電源儲能電容內(nèi)，在總線處于低電平時釋放能量以提供給器件能量]。用漏極開路把I/O直接拉到電源上就可以實現(xiàn)DS18B20有充足的供電。在發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換指令或拷貝暫存器指令之后，必須在至多10us之內(nèi)把單總線轉(zhuǎn)換到強上拉，并且在溫度轉(zhuǎn)換時序或拷貝數(shù)據(jù)時序必須一直保持為強上拉狀態(tài)。對DS18B20供電的另一種傳統(tǒng)辦法是從VDD引腳接入一個外部電源。這樣做的好處是單總線上不需要強上拉。而且總線不用在溫度轉(zhuǎn)換期間總保持高電平。溫度高于100℃時，不推薦使用寄生電源，因為DS18B20在這種溫度下表現(xiàn)出的漏電流比較大。

2.3 濕度傳感器

2.3.1 DHT11引腳說明及工作原理

引腳說明

數(shù)字濕溫度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式。即單個數(shù)據(jù)引腳端口完成輸入輸出雙向傳輸。其數(shù)據(jù)包由5Byte（40Bit）組成。一次通訊時間最大3ms，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，具體格式在下面說明。DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，當前小數(shù)部分用于以后擴展，現(xiàn)讀出為0。操作流程如下：

一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。

數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit校驗和，校驗和數(shù)據(jù)為前四個字節(jié)相加。

2.3.2 DHT11與單片機連接的設(shè)計

DHT11數(shù)字濕溫度傳感器連接電路簡單，只需要占用控制器一個I/O口即可完成上下位的連接[8]。另外，建議連接線長度短于20時用5K上拉電阻，大于20米時根據(jù)實際情況使用合適的上拉電阻。

3 其他硬件模塊的設(shè)計

3.1 復(fù)位電路

單片機復(fù)位的原理是在時鐘電路開始工作后，在單片機的RST引腳施加24個時鐘振蕩脈沖（即兩個機器周期）以上的高電平，單片機便可以實現(xiàn)復(fù)位。在復(fù)位期間，單片機的ALE引腳和＼P＼S＼E＼N引腳均輸出高電平。當RST引腳從高電平跳變?yōu)榈碗娖胶螅瑔纹瑱C便從0000H單元開始執(zhí)行程序。

在實際應(yīng)用中，一般采用既可以手動復(fù)位，又可以上電復(fù)位的電路，這樣可以人工復(fù)位單片機系統(tǒng)。上電復(fù)位電路部分的原理也是RC電路的充放電效應(yīng)。除了系統(tǒng)上電的時候可以給RST引腳一個短暫的高電平信號外，當按下按鍵開關(guān)的時候，VCC通過一個高電阻連接到RST引腳，給RST一個高電平，按鍵松開的時候，RST引腳恢復(fù)為低電平，復(fù)位完成。

3.2 晶振電路

時鐘電路是用于產(chǎn)生單片機正常工作時所需要的時鐘信號，STC89C52單片機內(nèi)部包含有一個振蕩器，可以用于CPU的時鐘源。另外也可以采用外部振蕩器，由外部振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號來供內(nèi)部CPU運行使用。

3.3 顯示模塊

在單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中，一般都是把鍵盤和顯示器放在一起考慮。顯示器作為輸出部件，可以將系統(tǒng)的運行結(jié)果、狀態(tài)等信息直觀地顯示出來供操作者了解系統(tǒng)的運行情況和程序的執(zhí)行結(jié)果，本次設(shè)計的溫濕度、光照度實時信息采用LCD12864來顯示。

3.4 報警電路

壓電式蜂鳴器約10mA的驅(qū)動電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動，在此選用一個三極管來做驅(qū)動。P2.5接三極管輸入端，當P2.5輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，壓電式蜂鳴器兩端獲得+5V電壓而發(fā)出報警，當P2.5輸出為高電平時，三極管截止，蜂鳴器[12]停止工作。

4 整體設(shè)計

本方案以STC89C51單片機系統(tǒng)為核心來對溫度、濕度、光照度進行實時檢測。各檢測單元能獨立完成各自功能。單片機負責(zé)發(fā)送控制指令，并控制各個檢測模塊進行數(shù)據(jù)采集，收集測量數(shù)據(jù)，同時對測量結(jié)果進行整理和顯示。通過軟件編程設(shè)定報警值，一旦檢測數(shù)據(jù)超過閾值，蜂鳴器實現(xiàn)報警。整體包括單片機、復(fù)位電路、溫度檢測、濕度檢測、光照度檢測、報警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]