【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 過允許的誤差范圍，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警聲音。 （ 1）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 通過比較，選用 STC89C52 單片機(jī)來構(gòu)造本系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，單片機(jī)的P0 口用于液晶 LCD1602 顯示， 、 、 為獨(dú)立式鍵盤接口， 口接溫濕度傳感器 DHT11， 口連接蜂鳴報(bào)警器。 （ 2）系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 測(cè)控 模塊：檢測(cè)所處環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)。顯示模塊：溫度和濕度采用液晶顯示，分兩行顯示使測(cè)量結(jié)果更直觀，便于管理人員做出決策。報(bào)警模塊：系統(tǒng)采用三極管驅(qū)動(dòng)的蜂鳴音報(bào)警，當(dāng)溫濕度超過系統(tǒng)所設(shè)置的閾值時(shí)，蜂鳴器就會(huì)發(fā)生報(bào)警。鍵盤模塊；鍵盤采用的是獨(dú)立式鍵盤，可分別設(shè)置溫度和濕度的上限值。 濕度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 5 預(yù)期結(jié)果 根據(jù)設(shè)計(jì)方案及思路，預(yù)測(cè)出現(xiàn)的設(shè)計(jì)結(jié)果，當(dāng)系統(tǒng)完好的設(shè)計(jì)完后，連接所有的硬件設(shè)備，運(yùn)行相應(yīng)的軟件設(shè)備。 軟硬件連接完好，電路完善的情況下，肉眼能看到的是經(jīng)過一系列的軟硬件編譯過的在 LCD 液晶顯示器上顯示的數(shù)字，當(dāng)液 晶顯示器顯示的溫濕度值超過了預(yù)定的值時(shí)系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警提示，當(dāng)溫濕度值沒有超過預(yù)定的溫濕度范圍，測(cè)系統(tǒng)接收下一次的溫濕度采集值。 濕度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 6 2 溫濕度測(cè)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)要完成的設(shè)計(jì)功能如下： （ 1）實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、顯示，實(shí)現(xiàn)溫濕度的連續(xù)測(cè)量； （ 2）實(shí)現(xiàn)超限數(shù)據(jù)的及時(shí)報(bào)警； （ 3）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備應(yīng)具有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力； （ 4）軟件設(shè)計(jì)既要具有完成數(shù)據(jù)采集、處理的功能，其軟件編程應(yīng)具有 功能強(qiáng)大和執(zhí)行速度快。 設(shè)計(jì)要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)： （ 1）測(cè)量范圍：濕度 2090%RH，溫度 050℃ ； （ 2）測(cè)量精度：濕度 177。5%RH，溫度 177。2 ℃ ； （ 3）分辨率：濕度 1%RH，溫度 1℃ 。 該設(shè)計(jì)的總體方案是數(shù)據(jù)采集用的是 DHT11 溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè) NTC測(cè)溫元件，具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等特點(diǎn)。單片機(jī)采用 STC89C52，液晶顯示采用 LCD1602，報(bào)警采用蜂鳴器和發(fā)光二極管（聲光報(bào)警） ，鍵盤使用獨(dú)立鍵盤，外加復(fù)位電路和時(shí)鐘電路。 溫度濕度信號(hào)通過溫濕度傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再運(yùn)用單片機(jī) STC89C52 進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，并在 LCD1602 上顯示當(dāng)前溫濕度。外加復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、鍵盤電路和報(bào)警電路。系統(tǒng)程序主要包括數(shù)據(jù)采集程序、溫溫度閾值設(shè)置程序、報(bào)警程序及顯示程序等。本設(shè)計(jì)可以通過鍵盤手動(dòng)設(shè)置溫度濕度的上、下限值，該設(shè)定值為系統(tǒng)閾值。溫濕度傳感器將檢測(cè)到的值傳輸給單片機(jī)，通過分析比較，當(dāng)檢測(cè)數(shù)值超出閾值時(shí)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，以便管理人員及時(shí)切斷電源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)。 用 戶交互模塊主要由按鍵、 12864 點(diǎn)陣液晶、蜂鳴器和控制器構(gòu)成。其中按鍵用于用戶設(shè)定溫濕度準(zhǔn)確值， 12864 用于數(shù)據(jù)顯示，蜂鳴器用于提示用戶，控制器用于調(diào)節(jié)控制不符合要求的溫、濕度。 按照設(shè)計(jì)要求 系統(tǒng)總體框圖如圖 21 所示。 濕度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 7 主 機(jī) C P UL C D晶 振 電 路溫 濕 度 傳感 器蜂 鳴 器指 示 燈按 鍵 圖 21 總體設(shè)計(jì)框圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 要求單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、操作維護(hù)方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)原則有以下幾個(gè)： （ 1）可靠性高：可靠性是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，都應(yīng)該將可靠性作為首要的設(shè) 計(jì)準(zhǔn)則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個(gè)方面考慮：使用可靠性高的元器件；設(shè)計(jì)電路板時(shí)布線和接地要合理；對(duì)供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出通道抗干擾措施；進(jìn)行軟硬件濾波等。 （ 2）操作維護(hù)方便：在系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從操作者的角度考慮操作和維護(hù)方便，盡量減少對(duì)操作人員專業(yè)知識(shí)的要求，以利于系統(tǒng)的推廣。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能減少人機(jī)交互接口，多采用操作內(nèi)置或簡(jiǎn)化的方法。 （ 3）性價(jià)比高 ：?jiǎn)纹瑱C(jī)除體積小、功耗低等特點(diǎn)外，最大的優(yōu)勢(shì)在于高性能價(jià)格比。一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否被廣泛應(yīng)用，性價(jià)比是其中一 個(gè)關(guān)鍵因素。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡(jiǎn)化外圍硬件電路，在系統(tǒng)性能和速度允許的情況下盡可能用軟件功能取代硬件功能等。 系統(tǒng)方案的論證與選擇 主機(jī) MCU的選擇 方案一：采用 AT89C51 單片機(jī)。 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲(chǔ)器濕度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 8 （ FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。 AT89C51 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片 機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。 AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案 [5]。 AT89C51 不支持 ISP（在線更新程序）功能，且 4 個(gè)時(shí)鐘周期完成一個(gè)指令周期，處理速度較慢，適用于要求時(shí)性不高的系統(tǒng)中。 方案 二：采用 STC89C52 單片機(jī)， STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810復(fù)位電路， 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 4 個(gè)外部中斷，一個(gè) 7 向量 4 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至 0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35MHz， 6T/12T 可選 [ 7]。 綜合本系統(tǒng)需要滿足的技術(shù)指標(biāo)以及硬件設(shè)計(jì)的性價(jià)比我們選擇方案二。 顯 示選擇 方案一：數(shù)碼管。數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。 （ 1）靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng) 片機(jī)的 I/O 端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如 BCD 碼二 十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用 I/O 端口多，如驅(qū)動(dòng) 5 個(gè)數(shù)碼濕度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 9 管靜態(tài)顯示則需要 58=40 根 I/O 端口來驅(qū)動(dòng)，要知道一個(gè) 89S51 單片機(jī)可用的 I/O端口才 32 個(gè) ，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。 （ 2）動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng) 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的 8 個(gè)顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的 I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是哪個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的 COM 端， 就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的 [8]。 數(shù)碼管亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長(zhǎng)、耐沖擊和性能穩(wěn)定，從而得到了廣泛的應(yīng)用，但對(duì)于溫濕度的顯示不太方便，而且連線復(fù)雜。 方案二：采用 12864 液晶屏。液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。 12864 具有輕薄短小、低壓微功耗、體積小、無輻射、平面直角顯示及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)點(diǎn)，且可視面積大、效果好、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)，適合用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等信息，而且不需要擴(kuò)展過多外圍電路，可由單片機(jī)直接進(jìn)行控制輸出顯示。 相對(duì)而言，液晶顯示器顯示質(zhì)量高、體積小、功耗低等特點(diǎn)，而且其電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作更加方便 [ 10]。 綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇方案二。 報(bào)警選擇 方案一：采用語音芯片 ISD1820。美國(guó) ISD 公司于 2021 年最新推 出一種單片 8～20 秒單段語音錄放電路 ISD1820，它的基本結(jié)構(gòu)與 ISD11 1420 完全相同，采用CMOS 技術(shù)，內(nèi)含振蕩器，話筒前置放大，自動(dòng)增益控制，防混淆濾波器，揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)及 FLASH 陣列。 濕度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 10 ISD1820 的地址模式必須要精確計(jì)算錄音時(shí)間與地址單元的換算，才能確定每段語音的起始地址，除非使用 ISD 公司生產(chǎn)的 ISD1425 高級(jí)語音編程拷貝機(jī)進(jìn)行自動(dòng)分段錄音并將地址讀出，否則使用起來還是很麻煩的。而操作模式雖然可以不用擔(dān)心語音地址的問題，但在多段錄放上的操作略顯繁瑣，完成一個(gè)功能要進(jìn)行多個(gè)管腳的操作， 使用起來不是很方便。而且 ISD1820 價(jià)格昂貴，貨源稀缺，雖功能強(qiáng)大，但不是最佳選擇。 方案二：采用壓電式蜂鳴器。壓電式蜂鳴器是一種電聲轉(zhuǎn)換器件。將壓電材料粘貼在金屬片上，當(dāng)壓電材料和金屬片兩端施加上一個(gè)電壓后，因?yàn)閴弘娦?yīng)，蜂鳴片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形而發(fā)出聲響。壓電材料有多種，用在蜂鳴片上的壓電材料通常是高壓極化后的壓電陶瓷片。蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配 器及共鳴箱、外殼等組成，有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成，當(dāng)接通電源后（ ）多諧振蕩器起振輸出 頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)聲。因此該產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作更加方便，而且具有很高的性價(jià)比 [11]。 綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇方案二。 濕度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn) 11 3 硬件電路的設(shè)計(jì) 主機(jī) MCU模塊 本系統(tǒng)主控模塊采用 STC89C52 單片機(jī)作為控制核心，通過 DHT11 溫濕度傳感器專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，把采集到的溫濕度 數(shù)字信號(hào)通過單片機(jī)的處理輸出到 LCD12864 顯示器，以顯示其溫濕度值。本設(shè)計(jì)可以手動(dòng)設(shè)置溫度和濕度的上、下限值，只要有一樣超出設(shè)置的閾值時(shí)，即溫度或者濕度過高，則該系統(tǒng)的報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)，就會(huì)發(fā)出蜂鳴報(bào)警。 STC89C52簡(jiǎn)介 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程 Flash存儲(chǔ)器。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案 [12]。 STC89C52主要特點(diǎn) STC89C52 的主要特點(diǎn)有： (1) 增強(qiáng)型 8051 單片機(jī)， 6 時(shí)鐘 /機(jī)器周期和 12 時(shí)鐘 /機(jī)器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051； (2) 工作電壓： ～ （ 5V單片機(jī)） /～ （ 3V 單片機(jī)）； (3) 工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實(shí)際工作 頻率可達(dá) 48MHz； (4) 用 戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié)； (5) 片上集成 512 字節(jié) RAM； (6) 通用 I/O 口（ 32 個(gè)），復(fù)位后為： P0/P1/P2/P3 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時(shí)，需加上拉電阻； (7) ISP（在系統(tǒng)可編程） /IA