單片機溫濕度測量系統(tǒng)的硬件設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u16220單片機溫濕度測量系統(tǒng)的硬件設計案例 185571.1主控模塊 2104931.1.1STC89C52單片機的引腳功能 2164351.1.2STC89C52單片機的控制接口 429001.1.3單片機復位電路 4267091.1.4單片機時鐘電路 510481.1.5單片機的上拉電阻 637521.2顯示模塊 7130231.2.11602顯示屏的引腳功能 887581.2.21602顯示屏與單片機的接口 823451.2.31602顯示屏指令說明 96810其控制器中一共存在11條指令，詳細情況可見下表1.3。 991801.3溫濕度采集模塊 9240741.1.1DHT11電氣特性 10167871.1.2引腳與接口 10258371.1.3DHT11的傳輸時序 10175171.4鍵盤模塊 12284031.5報警模塊 13254041.5.1蜂鳴器電路連接 13322581.6繼電器模塊 1433951.6.1繼電器主要作用 14116371.6.2繼電器的基本結構和工作原理 14237891.7存儲器模塊 15288091.7.124C02工作原理 1564281.7.224C02A引腳配置及功能 15227551.7.324C02A電路連接 165081.8小結 191.1主控模塊以STC89C52單片機作為主控模塊，利用DHT11將收集獲取的數(shù)字信號利用單片機傳遞至顯示器中，從而實現(xiàn)對此時此刻溫濕度具體數(shù)值的顯示。本設計方案能夠基于手動操控的方式來調整預設溫濕度的最高和最低值，若是當溫濕度數(shù)據(jù)超出此預設的區(qū)間范圍，那么系統(tǒng)就會報警，蜂鳴器發(fā)出聲響，并伴隨著繼電器工作。使所測環(huán)境的溫濕度處于預定范圍內。1.1.1STC89C52單片機的引腳功能STC89C52單片機的引腳圖如圖1.1所示。圖1.1STC89C52單片機引腳圖⑴主電源引腳Vcc（40腳）：接＋5V電源Vss（20腳）：接地通常情況下，此兩者中間需要連接電容以此進行去耦與濾波。⑵外接晶體引腳XTAL1（19腳）：連接外部晶振的其中某個引腳。其在單片機之中，屬于一個反向放大器的輸入寬口，組成片內振蕩器。在運用外部振蕩器的時候，這一引腳需要做接地處理。XTAL2（18腳）：接通外部晶振的另外一處引腳。與片內接反向放大器輸出端口以及內側時鐘電路的輸入端口。在運用外部振蕩器之時，該引腳需要與其輸出端口進行連接。⑶控制信號線RST/VPD（9腳）：復位信號輸入端。在單片機處于斷連或是復位階段時，會接通內部隨機存取存儲器的預備電源的輸入端口。ALE/PROG（30腳）：地址鎖存允許/編程脈沖輸入。使用ALE鎖存自P0口輸出的低8位地址；在實行片內EPROM程序編制的時候，脈沖從此處通入。PSEN（29腳）：外儲存器讀選通信號，當處于低電平狀態(tài)下之時可發(fā)揮作用。EA/VPP（31腳）：訪問外儲存器允許/編程電壓輸入。當EA處于高電平狀態(tài)下之時，會向內儲存器發(fā)出訪問；當處于低電平狀態(tài)下之時，便會向外儲存器發(fā)出申請。在實行EPROM程序編制的時候，這一引腳需要連接21V的電壓。⑷多功能I/O口引腳8052單片機中有設置四個I/O接口（P0~3），且每個I/O口線均能夠相對獨立的作為輸入/出接口來進行使用：P0口（32～39腳）——雙向口（三態(tài)），能夠充當輸入或者是輸出端口，能夠操控8個LSTTL。在具體運用過程中，一般會將其用作分時地址或者是數(shù)據(jù)總線口，在實行外部程序或者是外儲存器地址檢索的時候，低8位地址和數(shù)據(jù)總線分時便會運用此接口，具體流程為：先把低8位地址信息傳遞至P0口，基于地址鎖存信號的下降側把目標信息鎖定在鎖存器之后，然后再充當數(shù)據(jù)總線口線來實行對數(shù)據(jù)信息的輸入或者是輸出操作。P1口（1～8腳）——準雙向口（三態(tài)），其所能夠操控的LSTTL數(shù)量僅為P0的1/2。將其用作輸入線路使用的時候，口鎖存器一定要讓單片機最先輸入“1”，每位均能夠編程作為輸入/出線。P2口（21～28）——準雙向口（三態(tài)），能夠操控的LSTTL數(shù)量與P1一致，能夠充當輸入/出口進行使用，在具體運用過程中，大多是用作地址總線高8為，和P0扣一同構成16位地址總線，主要的功能作用是對外儲存器接口電路實行尋址操作。P3口（10～17腳）——準雙向口（三態(tài)），能夠操控的LSTTL數(shù)量與P2一致，具有兩種功能，當其運用第一功能時，則和P1相同[11]；而在運用第二功能的時候，每一位都有特定用處，其特殊用處如表1.1所示：引腳號復用功能P1.0RXD（串行輸入口）P1.1TXD（串行輸出口）P1.2（外部中斷0）P1.3（外部中斷1）P1.4T0（定時器0的外部輸入）P1.5T1（定時器1的外部輸入）P1.6（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P1.7（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）表1.1P3口引腳復用功能1.1.2STC89C52單片機的控制接口其中的P0口與顯示器進行連接，P1.2、P1.3依次接通液晶的RS、EN腳，以此實現(xiàn)對顯示器的有效操控。鍵盤模塊的操控接口為P2，且P2.2與設置進行連接，對其按壓一次便表示進入到溫濕度警告范圍的設置功能，此時可以實行對溫度最高值的設置，再按壓一次，便可預設溫度最低值，然后再進行一次按壓，可實行濕度的最高值設定，再按壓一次，可進行最低濕度值的設定，四個模式依次往復。P2.0、P2.1分別是對溫濕度的閾值進行減加控制的。P2.3是設置好后進行確認的。P1.7與DHT11的數(shù)據(jù)接口相連。詳細接線情況可參照圖1.19。1.1.3單片機復位電路主要包括了上電自動、按鍵手動以及看門狗強制復位幾種類型，前兩種比較常見，其各自的電路圖可見下圖1.2。（a）上電復位(b)按鍵脈沖復位(c)按鍵電平復位圖1.2單片機復位電路在本設計的系統(tǒng)復位模塊之中，所使用的是上電復位類型。其中，電容設于上方連接高電平，電阻設于下方進行接地，中部則是RST。此種類型的復位電路即為高電平復位，具體的運作原理為：在接通電源之后，電容兩側便等同于是處于短路狀態(tài)，因此RST引腳處屬于高電平，其后電源能夠經過電阻來實現(xiàn)對電容的電能供應，這時RST端的電壓值會逐漸降低，當降低到一定水平之時，就轉變成為低電平，此時單片機會啟動運作。具體的電路圖可見下圖1.3。圖1.3復位電路RST保持兩個機器周期以上的高電平時自動復位。1.1.4單片機時鐘電路時鐘往往是通過兩類方式形成，一類為內部方式，還有一類為外部方式，對應的電路圖可見下圖1.4。（a）內部方式（b）外部方式圖1.4單片機時鐘電路本文的設計中選取的是內部時鐘，主要借助12兆赫晶振與30皮法電容來構成相應的電路，可見下圖1.5。圖1.5時鐘電路1.1.5單片機的上拉電阻從本質上來看，排阻便是通過8個電阻來構成的，某一段全都連接成一個整體，其在電路之中主要發(fā)揮著“上拉”的效果，因此也被稱作上拉電阻。所謂的上拉，即是指把尚且無法確定的信號利用一個電阻固定在高電平，此時電阻還會發(fā)揮著一定的限流作用，而下拉的原理與之相反。上拉的目的是向設備中輸入電流，而下拉則是將電流輸出，且電流的強弱程度主要取決于電阻值的高低，并未存在任何嚴格區(qū)別，在用于漏極開路輸出型電路之中時，在提升電流或者是電壓方面的效果有一定的局限性。通常在剛開始接通電源之時，端口處的電壓尚且處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，為使其變?yōu)楦唠妷夯蚴堑碗妷旱姆€(wěn)定狀態(tài)，那么就需要使用上拉或者是下拉電阻。某些芯片內有安裝上拉電阻，因此外部便不需要再設置此電阻。不過也存在一些開漏的，那么外部就一定要裝設此電阻。圖1.6單片機的上拉電阻1.2顯示模塊本設計中所使用的為1602液晶屏，各個參數(shù)細節(jié)可見上文的2.2.2部分。實物圖可見下圖1.7。圖1.71602顯示屏1.2.11602顯示屏的引腳功能使用的為14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口[12]，各個引腳說明可見下表1.2所示。編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極表1.21602顯示屏引腳功能表1.2.21602顯示屏與單片機的接口其第一、二個腳分別接通電路板的地面與電源。第三腳則設置為顯示器對比度調節(jié)端口，接在兩個電阻之間，通過兩個電阻之間的電壓確定顯示屏的對比度，兩個電阻一個接電源，一個接地。第四腳是寄存器選擇端，接單片機的I/O口P1.2，當處于高電平的時候便選取數(shù)據(jù)寄存器，在處于低電平狀態(tài)下的時候則選取指令寄存器。第5個腳設置為RW讀寫信號端，其做接地處理，實現(xiàn)低電平狀態(tài)下的寫操作。第6個腳為E/EN端，與P1.3進行連接，當處于高電平狀態(tài)下則會實行信息的讀取，在處于低電平狀態(tài)下時則會按照相應的指令實行操作。第7至14腳為D0～D7，是8位雙向數(shù)據(jù)端，接單片機I/O口P0，進行數(shù)據(jù)傳輸最終顯示在顯示器上。第15與16腳為空腳或背燈電源，前者背光正極和電源進行連接，后者背光負極則是和地面接通。如下圖1.8所示，為對應的接口電路。圖1.81602顯示屏與單片機接口電路原理圖1.2.31602顯示屏指令說明其控制器中一共存在11條指令，詳細情況可見下表1.3。序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關控制0000001DCB5光標或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標志或地址01BF計數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM10要寫的數(shù)據(jù)內容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內容表1.31602顯示屏內部控制1.3溫濕度采集模塊本設計采用DHT11溫濕度傳感器，產品詳情簡介在2.2.3章節(jié)。1.1.1DHT11電氣特性可見下表1.4。其中，VDD為5V，T為25攝氏度。采取樣本的時間間隔不可超過一秒。參數(shù)條件mintypmax單位供電DC355.5V供電電流測量0.52.5mA平均0.21mA待機100150uA采樣周期秒1次 表1.4DHT11電氣特性1.1.2引腳與接口（1）引腳介紹：Pin1（VDD)：接3～5.5V電壓Pin2（DATA）：串行口，單總線Pin3（NC）：空腳Pin4（GND）：接地（2）接口說明：當連接線不超過20m長的時候，可使用5K上拉電阻，而若是超過20m之時，則需要按照具體狀況選取適宜的電阻。接口圖可見下圖1.9。單片機中的P1.7能夠用作收發(fā)串行數(shù)據(jù)，也就是充當數(shù)據(jù)口，與傳感器中的Pin2加以接通。圖1.9DHT11接口圖1.1.3DHT11的傳輸時序當主機將開始信號發(fā)出之后，在延時等待約為30微秒左右以后，便會讀取到DH11T發(fā)出的反饋信號，若是讀取總線處于低電平狀態(tài)，則表示有作出反饋，而在信號發(fā)出之后，就會把總線拉高，做好發(fā)送信息的輸出準備，每一字節(jié)的數(shù)據(jù)都會從低電平開始，詳細流程可見下圖1.10。若是讀取到的信號屬于高電平，則表明DH11T并未作出反饋，此時需要對線路加以檢查，查看其有否存在連接異常的情況[13]。圖1.10DHT11通訊過程主機復位信號和DHT11響應信號如圖1.11所示。圖1.11主機復位與DHT11響應信號圖數(shù)字“0”信號電平信號如圖1.12所示。圖1.12數(shù)字0信號電平變化圖數(shù)字“1”信號電平變化圖如圖1.13所示。圖1.13數(shù)字1信號電平變化圖1.4鍵盤模塊本設計由于按鍵使用數(shù)量不多，所以使用獨立按鍵，比較方便簡單。（1）總開關：主要控制硬件系統(tǒng)的開/關機，此次設計選取的為自鎖開關（詳細可見下圖1.14），其具有機械鎖定的功能，在將其按下之后，然后松開手，此時按鈕并不會充分彈起，而是進入到了鎖定狀態(tài)，若是再按壓一次，此時解鎖方會完全跳開。經常會斷開的一腳連接DC電源接口，另外的端則與VCC相連。（2）數(shù)字設置鍵：S1是模式選擇鍵，按1次進入溫濕度設置模式，并設置溫度最大值，按2次是設置溫度最小值，按3下是設置濕度最大值，按4下是設置濕度最小值。S2和S3只有在溫濕度的設置模式下即按下S1才有效，分別為閾值增加和閾值減小。S4是OK鍵，即是設置完所需的閾值后按下S4，系統(tǒng)進行工作。鍵盤模塊的電路圖如圖1.15所示。圖1.14自鎖開關電路圖1.15按模塊電路1.5報警模塊此次設計采取的為壓電式蜂鳴器，利用STC89C52的一根I/O口線來控制驅動器發(fā)出警示聲音。其驅動電流為10mA，且單片機的I/O口輸出電流相對較低，因此使用9012三極管來把電流做放大處理，從而確保蜂鳴器可以正常工作。1.5.1蜂鳴器電路連接報警模塊主要包括了電阻、三極管以及蜂鳴器三大部分，其中三極管的作用是將電流放大，從而操控蜂鳴器發(fā)出聲音。電阻的作用則是將三極管基極電壓加以降低，其中一側接通單片機的P1.5，另外一側和三極管基極相連，在單片機采集到的溫濕度信息超過了預先設定的數(shù)值范圍之時，便會將P1.5接口設置成低電平，此時三極管與之連通，催動蜂鳴器運作，若是溫濕度信息尚且處于合理范圍以內，那么就會將P1.5接口設置成高電平，三極管斷開，蜂鳴器此時就不會運作。對應的電路圖可見下圖1.16所示。圖1.16蜂鳴器與單片機連接圖1.6繼電器模塊繼電器屬于一類電控制元件，在輸入量的變動情況符合某一標準時，就會在電氣輸出電路之中讓被控量發(fā)生預先設定好的階躍性變動。其存在輸入與輸出回路間的某種聯(lián)系，能夠借助小電流來操控大電流，因此其在電路之中主要發(fā)揮著自動調整、安全防護、轉接電路等功能。1.6.1繼電器主要作用主要作用(1)放大：例如靈敏式和中間繼電器等，能夠利用相對更小的控制量來實現(xiàn)對于更大功率電路的調控。(2)綜合信號：若是存在數(shù)個控制信號依照標準模式傳遞進多繞組繼電器之中的時候，能夠通過比較分析處理，來取得預先設定好的控制效果。(3)自動調控與監(jiān)測：譬如，自動設備中安裝的繼電器可以和其它電器元件一同構成程序控制線路，以此來做到自動化運作。(4)擴寬控制范圍：例如當多觸點繼電器操控信號到達某一限度值時，能夠根據(jù)觸點組的各種模式，同時實現(xiàn)對于多條線路的換連、開閉與連接。1.6.2繼電器的基本結構和工作原理其運作原理為，基于電磁效應，于線圈兩端施加電壓，線圈之中存在電流通過，就此發(fā)生了電磁效應，此時銜鐵會受到電磁作用力以此抵消掉彈簧的彈性作用力轉而被吸往鐵芯，進而構成了回路。在斷開電源之后，電磁力就會消散，銜鐵又會回到原位，形成另外一個回路。這樣銜鐵貼到不同的地方，形成不同回路，從而達到了在電路中的導通、隔斷的目的。繼電器通常設有兩條電路，分別是低壓控制與高壓工作電路[14]。在繼電器之中，其線圈與接線端子之間是處于彼此獨立、互補作用的關心，而其觸點只會起到等同于開關的作用。如圖1.17所示。圖1.17繼電器原理圖1.7存儲器模塊本設計采用24C02EEPROM存儲器。1.7.124C02工作原理1、24C02的容量為2Kb，即代表其最大能夠容納255個字節(jié)的數(shù)據(jù)信息；2、ATMEl24C02有32頁，在每一頁之中均能夠存儲8個字節(jié)的信息；3、24C02存在兩類運作形式：（1）字節(jié)寫入：既能夠在隨意的一處地址之中寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，也能夠做到在某一處地址之中不間斷的寫入多個字節(jié)，并且不用進行翻頁；（2）頁寫入：在這一運作形式下，每一頁能夠存入8個字節(jié)的信息量，而當超過8的時候，就會將之前存儲的信息覆蓋掉，而這一情況也常被人們稱為“翻轉”。若是在將一頁全部寫滿之后，想把剩下的信息存放于下一頁，頁指針需要自己來設定[15]。1.7.224C02A引腳配置及功能24C02A引腳圖如圖1.18