摘要： 采用AT89C2051 單片機為核心配置，以溫濕度傳感器SHT75、數碼管顯示、計算機監控系統等部件，通過單片機與智能傳感器相連，采集并存儲智能傳感器的測量數據，并通過RS485 總線來實現PC 上位機與單片機控制模塊半雙工串行通信。微控制器AT89C2051 通過I2C 總線控制傳感器的測量和數據回傳，每次將采集到的5 組數據經過計算，修正及補償后分別傳送到PC 端存儲和顯示模塊進行實時顯示。經過實驗測試得出結論：溫度測量精度為±0.3 ℃，濕度測量精度為±2%RH，各項指標均達到了課題的設計要求。
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控。通過對實際環境的溫濕度測量， 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
為了實現課題對監控機構的穩定性好、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 通訊接口可連接監控主機或PC，通過監控主機或PC 來實時查看當前溫度和濕度值，并可在監控主機或PC 上設置報警參數以便實時監控環境溫度和濕度值。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，128 B 的內部RAM，2 kB 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。
1.2.4 看門狗芯片
為了監控檢測模塊工作正常，看門狗電路和芯片是單片機開發系統必不可少的部分， 采用的X25054 看門狗芯片主要功能有監控電源，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， 當電路從一個狀態轉換為另一種狀態時，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。
圖4 參數采集及實時顯示模塊原理圖2 實驗結果測試與分析
2.1 第一組實驗數據
該系統調試后在室內進行了模擬測試，檢驗了系統的測試效果以及測試精度。在數據處理時，采用大量的測量數據統計分析來減少誤差，并對運行結果進行了記錄分析。實驗第一組數據如表1 所示。
表1 第一組實驗測量數據
在溫濕度傳感器未經修正時，溫濕度傳感器采集到的數據與標準計數相比較，其數據偏差即將接近本系統所要達到的期望值，但還有待改進。2.2 傳感器的補償和修正
為了補償溫濕度傳感器的非線性以獲取準確數據，使用如下公式（1）修正輸出數值：
RHlinear=c1+c2·SORH+c3·SORH·SORH （1）對高于99%RH 的那些測量值則表示空氣已經完全飽和，必須被處理成顯示值均為100%2RH。濕度傳感器對電壓基本上沒有依賴性。
當實際測量溫度與25 ℃相差較大時， 應考慮濕度傳感器的溫度修正系數，使用如下公式（2）。
2.3 第二組實驗數據
根據公式（1）、（2）對傳感器進行修正補償后得到實驗第二組數據如表2 所示。
表2 第二組實驗測量結果
從以上結果可以看出：經過補償和修正以后，使溫度傳感器測量數據的溫度精度小于等于0.2 ℃， 濕度精度小于1.0%RH，達到了系統的設計要求，滿足了溫度精度為±0.3 ℃和濕度精度±2.0%RH 的課題測量要求。
3 結論
本文介紹的溫濕度采集系統硬件的設計，創新點在于針對溫度和濕度的測量特點，采用SHT75 系列數字溫濕度傳感器，可與單片機直接相連，并且由于它溫濕一體的高度集成化，改變傳統溫濕度變送器硬件包含溫度傳感器、濕度傳感器、信號處理器、A/D 轉換等部分，從而簡化外圍電路并降低成本，提高了電路工作的可靠性和穩定性，達到了較高的性價比。