基于單片機的溫濕度采集系統的硬件結構設計[圖]

在常規(guī)的環(huán)境參數中，濕度是最難準確測量的一個參數。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法，早已無法滿足現代科技發(fā)展的需要。這是因為測量濕度要比測量溫度復雜得多，溫度可獨立測量，而濕度卻受其他因素（大氣壓、溫度）的影響。

利用AT89C2051單片機強大的功能，同時結合智能傳感器SHT75測量溫濕度有快速和使用簡便等特點，設計了一個溫濕度采集系統來對溫濕度進行實時監(jiān)控。通過對實際環(huán)境的溫濕度測量，證明了該系統硬件電路布局設計簡單合理，體積小，功能齊全，精度高，成本低，性價比相當高，是一款可以普及化的高精度溫濕度參數檢測儀。

1 溫濕度采集系統的硬件設計

1.1 系統總體設計方案

為了實現課題對監(jiān)控機構的穩(wěn)定性好、精度高、實用性強的要求，比較眾多溫濕度測量方案，系統采用智能傳感器SHT75和AT89C2051單片機構成，通過SHT75對各環(huán)境內的溫度、濕度參數實時檢測，經傳感器芯片內A/D轉換器轉換成對應的二進制值存儲于芯片的RAM中，單片機通過發(fā)送讀取溫濕度傳感器溫濕度命令碼，溫濕度傳感器就返回對應的參數值，本系統帶RS485通訊接口可連接監(jiān)控主機或PC，通過監(jiān)控主機或PC來實時查看當前溫度和濕度值，并可在監(jiān)控主機或PC上設置報警參數以便實時監(jiān)控環(huán)境溫度和濕度值。系統功能模塊框圖如圖1所示。

圖1 系統功能模塊圖

1.2 芯片選擇

1.2.1 溫濕度傳感器

鑒于測量環(huán)境特殊要求，溫濕度檢測模塊不可能做得很大，而且系統要求響應靈敏，測量精度要高，溫度小于等于±0.3℃，濕度小于等于±1.8%，穩(wěn)定性能良好，因此采用了瑞士生產的SHT75溫濕度傳感器。

1.2.2 微處理器

該芯片主要是控制溫濕度采集，數據處理，實時溫濕度顯示及通信，那么對微控制器的端口需求較少，而且從測量系統對本模塊體積限定等諸多因數來考慮，系統選用ATMEL公司推出的AT89C2051，它是目前比較主流的單片機芯片，20個引腳，其中包括15個I/O口，復位和外部時鐘驅動端，一個全雙工串行通信端口，5個中斷源等，128B的內部RAM，2kB的內部ROM空間。

1.2.3 隔離芯片

鑒于長距離驅動數碼管顯示實時采集的溫濕度數值，為了使顯示的穩(wěn)定性和可靠度增強，采用了兩片6N137光電隔離芯片來驅動串行輸入并行輸出7片74LS164芯片，其中6片控制6個數碼管顯示溫濕度，1片用于控制4個LED燈顯示系統狀態(tài)。

1.2.4 看門狗芯片

為了監(jiān)控檢測模塊工作正常，看門狗電路和芯片是單片機開發(fā)系統必不可少的部分，采用的X25054看門狗芯片主要功能有監(jiān)控電源，防止運行程序跑飛，擴充控制芯片存儲空間等。

1.2.5 通信接口

數據采集包括單片機對溫濕度傳感器數據采集，還包括PC對單片機數據采集和處理。系統采用的是RS485接口，它是一種半雙工串行通信接口，采用平衡差分的傳輸模式，比RS232接口提高了傳輸的速率和增加了傳輸距離，目前廣泛運用于數據采集通信系統。

1.3 系統原理圖的繪制

本系統采用AT89C2051單片機作為控制核心，系統主要包括溫濕度傳感器、CPU、通訊接口等部件。電路圖的繪制采用Protel DXP 2004開發(fā)工具，在設計PCB板的時候，應特別注意電磁兼容性設計、地線設計、去耦電容配置等幾個方面。

電磁兼容性設計的目的是使電子設備既能抑制各種外來的干擾，使電子設備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時又能減少電子設備本身對其他電子設備的電磁干擾。在雙面PCB板中，上下兩層信號線的走線方向要盡量相互垂直或斜交叉，避免平行走線，以減少寄生耦合的產生。

在電子設備中，接地是控制干擾的重要方法。地線設計中應根據電路特性，正確選擇單點接地與多點接地，對高頻電路要采用多點接地，并盡量加粗接地線，接地線的寬度一般為普通走線的2倍，而且要將接地線構成閉合環(huán)路。

在直流電源回路中，負載的變化會引起電源噪聲。因為在數字電路中，當電路從一個狀態(tài)轉換為另一種狀態(tài)時，就會在電源線上產生一個很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。合理配置去耦電容可以抑制因負載變化而產生的噪聲，提高PCB板的可靠性。

溫濕度采集模塊PCB板制作包括主控系統板制作和實時數據顯示板制作，最終設計的PCB圖如圖2和圖3所示。

圖2 溫濕度采集模塊

圖3 實時數據顯示模塊

1.4 系統實物圖

最終參數采集及實時顯示模塊實物圖如圖4所示。