利用新一代單片全校準、高集成度、小體積的數(shù)字式溫濕度傳感器SHT71,通過單片機的控制實現(xiàn)對溫濕度的采集與顯示，再經由無線收發(fā)傳輸采集到的數(shù)據與遙控各溫濕度調節(jié)設備，并結合了便攜式與PC機操作。使得此系統(tǒng)具有體積小、適用面廣、使用方便等特點。

1 引 言

溫濕度的監(jiān)控廣泛應用于農業(yè)大棚生產、倉儲管理、氣象預測、生活起居及科學研究中。傳統(tǒng)溫濕度傳感器需為其設計復雜的信號調理電路并需要經過煩瑣的校準與標定，往往在精度、線性度、重復性、互換性、一致性以及對環(huán)境的適用等方面不盡人意。瑞士Sensirion 公司推出的新一代基于CMOSensTM技術的SHT系列數(shù)字式溫濕度傳感器則很好地解決了上述問題，在無需外圍電路、免除了調試與標定過程的基礎上，實現(xiàn)了溫濕度的數(shù)字式輸出。隨著無線通信專用集成芯片的不斷問世，各類無線通信設備的性能也更加優(yōu)越可靠，功能更加完善。在眾多采集監(jiān)控系統(tǒng)中，通常采用有線傳輸數(shù)據，這樣不得不通過鋪設大量的導線來維持整個系統(tǒng)的正常運行，有些甚至需要鋪設專用電纜。這使得布線非常復雜和困難，同時使整個系統(tǒng)造價升高，導線長時間裸露會縮短它的使用壽命，若埋在地下則給線路的自檢、維護等帶來很大麻煩。

在現(xiàn)有的溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)中，通常采用專用的無線數(shù)據傳輸模塊來實現(xiàn)對數(shù)據的無線傳輸，但是這樣需要配置多個采集模塊，并且大大增加了分離數(shù)據的負擔，降低了采集效率。另一方面，這樣僅僅只實現(xiàn)了對溫濕度的采集，并沒有實現(xiàn)對溫濕度的實時控制。為了解決上述問題，我們研究了這樣一種便攜式溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)：利用單片機控制數(shù)字溫濕度傳感器SHT71來實現(xiàn)對溫濕度的采集與顯示，運用編解碼芯片PT2262 /PT2272來實現(xiàn)對數(shù)據與控制信號的無線傳輸，通過PC機來控制選擇接收需要的采集量并遠程無線遙控排氣扇、加濕器、加溫與制冷等設備的工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)構成和工作原理

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，主要由溫濕度的采集與顯示、無線傳輸與遙控、單片機控制與處理以及PC機四部分組成。溫濕度采集與顯示模塊主要實現(xiàn)了對溫濕度的選擇采集，并顯示相應的數(shù)據，工作人員可以很方便地握在手里對不同地點的溫濕度進行測量。此系統(tǒng)中無線傳輸與遙控是一個單向過程，在軟件設計中解決了數(shù)據同步與校驗錯誤等問題。采集到的數(shù)據再經由編解碼芯片PT2262 /PT2272所組成的無線收發(fā)模塊進行無線傳輸，接收端受單片機AT89C52控制，這樣可以改變PT2272的地址碼從而控制接收溫度或者濕度數(shù)據。同樣無線收發(fā)模塊與驅動以及固態(tài)繼電器等構成的無線遙控模塊實現(xiàn)了對電器設備的控制，這樣就能很方便地得到所需要的合適的溫濕度環(huán)境。PC機里運行VB 編寫的控制面板，進行采集量、采集次數(shù)與各電器設備工作狀態(tài)的設置，然后將設置好的參數(shù)通過MAX232串口通信送給單片機AT89C52,進而控制相應電器與接收相應采集量的數(shù)據并完成相應采集次數(shù)的數(shù)據。單片機AT89C52 將采集到的數(shù)據通過MAX232串口通信傳送給PC機，進而實現(xiàn)對采集到的數(shù)據進行顯示和存儲。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 系統(tǒng)軟、硬件設計

3. 1 溫濕度的采集與顯示模塊設計

3. 1. 1 數(shù)字溫濕度傳感器SHT71

SHT71是一種通過I2 C總線直接輸出數(shù)字量值，可以同時測量濕度、溫度和露點的傳感器。

SHT71的外形如圖2所示，封裝形式為小體積四腳單線封裝，其引腳說明如下： ①SCK:串行時鐘輸入；②VDD: 2. 4~5. 5V電源端； ③GND:接地端； ④DA2TA:雙向串行數(shù)據線。

圖2 STH71外形圖

3. 1. 2 硬件接口電路與程序設計

溫濕度的采集與顯示硬件接口電路如圖3 所示，主要由單片機AT89C2051、顯示電路、選擇開關與數(shù)字溫濕度傳感器SHT71 這四部分組成。當選擇開關接通溫度采集中斷INT0口時，則采集溫度；當選擇開關接通濕度采集中斷INT1口時，則采集濕度；若兩個都不接通，則為循環(huán)采集溫度與濕度。三個數(shù)碼顯示管可以顯示采集到的數(shù)據，其軟件設計如圖4所示。

圖3 采集顯示模塊接口電路圖

圖4 INT0 / INT1中斷響應程序流程圖

3. 2 無線傳輸與遙控模塊設計

3. 2. 1 無線傳輸

無線傳輸包括無線發(fā)送與無線接收，無線發(fā)送電路如圖5 所示，其中PT2262 的A0 ~A7 為地址碼，可以設成置1、置0和懸空三種狀態(tài)，地址編碼不重復度為6561組。D0~D4為數(shù)據碼，與四個I/O口相連，用來每次無線發(fā)送四位數(shù)據，在編碼輸出端（17腳）輸出編碼信號，再經過放大和315MHz的高頻調制輸出。選擇開關可選擇設置地址碼，當需要只發(fā)送溫度數(shù)據時，設置A0接地， A1~A7全部懸空；當只發(fā)送濕度數(shù)據時，設置A7接地，其余地址碼懸空；當需要循環(huán)發(fā)送溫度與濕度數(shù)據時，設置將A0與A7接地，其余地址碼懸空。此系統(tǒng)必須在編碼芯片PT2262 與解碼芯片PT2272 的地址碼一一對應相同的條件下，才能實現(xiàn)對應的發(fā)送與接收。

圖5 無線發(fā)送電路圖

SHT71的濕度測量范圍為0 ~100% RH,溫度測量范圍為- 40 ~ + 123. 8℃， 對數(shù)據處理后以BCD碼形式顯示并無線發(fā)送出去，這樣每一組完整的數(shù)據包含有個位、十位與百位（或者為負號） .無線發(fā)送接收是一個單向的過程，這樣就引入了一組數(shù)據的同步和出錯檢測等問題。為了避免傳輸錯誤并保證一組數(shù)據的完整性，設置了一個起始同步碼1111,由于發(fā)送的數(shù)據都是BCD碼，這樣就能和數(shù)據區(qū)分開來。在發(fā)送一組數(shù)據之前先發(fā)送同步碼，然后分別發(fā)送百位、十位和個位。在發(fā)送完個位數(shù)據以后，還發(fā)送一次包含有個位、十位、百位這三位數(shù)據的累加和，以便于接收端判斷這一組數(shù)據是否傳輸正確。

無線接收從工作方式分，可以分成超外差接收和超再生接收。超再生式接收具有電路簡單、性能適中、成本低廉的優(yōu)點所以在實際應用中被廣泛采用。在這里所采用的接收模塊為超再生型接收方式，它內含放大整形及解碼電路，使用極為方便。超再生接收模塊電路中，其中PT2272 的外圍接收電路可參考文獻[ 6 ] , PT2272的VT端（17腳）為解碼有效輸出端，天線是一根長度為23cm 的軟導線，PT2272外接的振蕩電阻是200kΩ，可以和發(fā)射端PT2262外接的1. 2MΩ 電阻配合，使得中心頻率在315MHz.通過單片機AT89C52的P2. 0與P2. 1口分別控制PT2272 的地址碼A0 與A7, A1 ~A6 懸空，這樣改變這兩個I/O口的輸出即可實現(xiàn)對溫度與濕度的選擇或者同時接收。PT2272的數(shù)據解碼端D0~D3腳與單片機的P1口（0~3）連接，在此系統(tǒng)中設計了如圖6所示的電路來判斷數(shù)據是否解碼完畢， 如果解碼完畢則產生中斷， 單片機開始讀數(shù)據。

圖6 中斷信號產生電路圖

其軟件設計如圖7所示，先判斷出一組數(shù)據的開端，然后按順序接收本組數(shù)據的每一位數(shù)據，最后還有一次累加和判斷前面接收的這組數(shù)據是否正確，這樣就大大保證了所采集的數(shù)據的正確性。

圖7接收子程序流程圖

3.2.2無線遙控

無線遙控的原理與無線傳輸相同，具體電路可以參考文獻[7].本系統(tǒng)中的無線遙控具備兩種方式：一方面可以無線自動控制排氣扇、加濕器、加溫與制冷等電器設備，PC機將參數(shù)設置好以后由AT89C52控制發(fā)送模塊，發(fā)送控制信號去對應控制相關的電器設備；另一方面，工作人員可以利用一個遙控器直接控制各個電器設備的工作狀態(tài)。遙控中的無線收發(fā)模塊中的地址碼必須設置相同，且與前面的無線傳輸模塊的地址碼不能沖突。單片機相連的一個遙控發(fā)送模塊，最多可以配置四個無線接收控制模塊，這樣就可以對應遙控四個電器設備。遙控接收模塊將其解碼信號通過驅動電路來控制固態(tài)繼電器的狀態(tài)，進而由固態(tài)繼電器來控制電器設備的工作狀態(tài)。

3.3單片機與PC機通信設計

單片機與PC間的通信通過RS-232電平轉換芯片MAX232來實現(xiàn)，其硬件接口電路設計和軟件設計可參考文獻[8].PC機上運行的界面如圖8所示，在采集中，可以選擇只采集溫度、濕度，或者循環(huán)采集溫度與濕度，還可以設置采集次數(shù)；在遙控中，可以預設要達到的理想的溫濕度值，通過控制四個電器設備的工作對應使得溫濕度達到預設值。設置好采集量、采集次數(shù)與溫濕度控制參數(shù)以后，從而通過串口通信將這些參數(shù)傳送給接收模塊的單片機進行識別和處理，對應去控制接收模塊PT2272的地址碼進而可以選擇接收，還可以選擇遙控不同的電器設備。當采集到的溫濕度值與預設的溫濕度值相等后，則系統(tǒng)自動使電器設備停止工作。在接收到一次采集到的數(shù)據后，將這個數(shù)據和對應的溫度與濕度的數(shù)字代碼傳送給PC機，PC機對數(shù)據進行分類后在數(shù)據顯示列表中顯示出來，數(shù)據顯示區(qū)的數(shù)據達到這個列表的最大容量或者在點擊結束這個按鈕時，自動以記事本格式的文本將這些數(shù)據保存起來。當采集次數(shù)等于預設采集次數(shù)后，則停止采集，否則一直循環(huán)進行到完成所有的任務為止。在手動遙控過程中，操作人員可以查看采集顯示模塊上的溫濕度數(shù)據，進而利用遙控器去控制相關電器設備的工作狀態(tài)，使溫濕度達到一個合適的理想值。

4結論

經測試與實驗，此系統(tǒng)操作方便、工作穩(wěn)定、性能優(yōu)良。采集顯示端可以手持攜帶操作，傳輸與遙控采用無線收發(fā)，避免了布局布線復雜麻煩的困難。

此系統(tǒng)結構簡單、準確率高、調試方便、配置靈活、擴展性強，而且成本低，能夠廣泛用于各種溫度、濕度采集領域，具有廣闊的應用前景。

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