基于AT89C2051的温湿度采集系统的硬件设计

摘要：采用AT89C2051单片机为核心配置，以温湿度传感器SHT75、数码管显示、计算机监控系统等部件，通过单片机与智能传感器相连，采集并存储智能传感器的测量数据，并通过RS485总线来实现PC上位机与单片机控制模块半双工串行通信。微控制器AT89C2051通过I2C总线控制传感器的测量和数据回传，每次将采集到的5组数据经过计算，修正及补偿后分别传送到PC端存储和显示模块进行实时显示。经过实验测试得出结论：温度测量精度为±0．3℃，湿度测量精度为±2％RH，各项指标均达到了课题的设计要求。
关键词：温湿度传感器：AT89C2051；数据采集；高精度

在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度可独立测量，而湿度却受其他因素(大气压、温度)的影响。
利用AT89C2051单片机强大的功能，同时结合智能传感器SHT75测量温湿度有快速和使用简便等特点，设计了一个温湿度采集系统来对温湿度进行实时监控。通过对实际环境的温湿度测量，证明了该系统硬件电路布局设计简单合理，体积小，功能齐全，精度高，成本低，性价比相当高，是一款可以普及化的高精度温湿度参数检测仪。

1 温湿度采集系统的硬件设计
1．1 系统总体设计方案
为了实现课题对监控机构的稳定性好、精度高、实用性强的要求，比较众多温湿度测量方案，系统采用智能传感器SHT75和AT89C2051单片机构成。通过SHT75对各环境内的温度、湿度参数实时检测，经传感器芯片内A／D转换器转换成对应的二进制值存储于芯片的RAM中，单片机通过发送读取温湿度传感器温湿度命令码，温湿度传感器就返回对应的参数值，本系统带RS485通讯接口可连接监控主机或PC，通过监控主机或PC来实时查看当前温度和湿度值，并可在监控主机或PC上设置报警参数以便实时监控环境温度和湿度值。系统功能模块框图如图1所示。

1．2 芯片选择
1．2．1 温湿度传感器
鉴于测量环境特殊要求，温湿度检测模块不可能做得很大，而且系统要求响应灵敏，测量精度要高，温度小于等于±0．3℃，湿度小于等于±1．8％，稳定性能良好，因此采用了瑞士生产的SHT75温湿度传感器。
1．2．2 微处理器
该芯片主要是控制温湿度采集，数据处理，实时温湿度显示及通信，那么对微控制器的端口需求较少，而且从测量系统对本模块体积限定等诸多因数来考虑，系统选用ATMEL公司推出的AT89C2051，它是目前比较主流的单片机芯片，20个引脚，其中包括15个I／O口，复位和外部时钟驱动端，一个全双工串行通信端口，5个中断源等，128 B的内部RAM，2 kB的内部ROM空间。
1．2．3 隔离芯片
鉴于长距离驱动数码管显示实时采集的温湿度数值，为了使显示的稳定性和可靠度增强，采用了两片6N137光电隔离芯片来驱动串行输入并行输出7片74LS164芯片，其中6片控制6个数码管显示温湿度，1片用于控制4个LED灯显示系统状态。
1．2．4 看门狗芯片
为了监控检测模块工作正常，看门狗电路和芯片是单片机开发系统必不可少的部分，采用的X25054看门狗芯片主要功能有监控电源，防止运行程序跑飞，扩充控制芯片存储空间等。
1．2．5 通信接口
数据采集包括单片机对温湿度传感器数据采集，还包括PC对单片机数据采集和处理。系统采用的是RS485接口，它是一种半双工串行通信接口，采用平衡差分的传输模式，比RS232接口提高了传输的速率和增加了传输距离，目前广泛运用于数据采集通信系统。
1．3 系统原理图的绘制
本系统采用AT89C2051单片机作为控制核心，系统主要包括温湿度传感器、CPU、通讯接口等部件。电路图的绘制采用Protel DXP 2004开发工具，在设计PCB板的时候，应特别注意电磁兼容性设计、地线设计、去耦电容配置等几个方面。
电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少电子设备本身对其他电子设备的电磁干扰。在双面PCB板中，上下两层信号线的走线方向要尽量相互垂直或斜交叉，避免平行走线，以减少寄生耦合的产生。
在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。地线设计中应根据电路特性，正确选择单点接地与多点接地，对高频电路要采用多点接地，并尽量加粗接地线，接地线的宽度一般为普通走线的2倍，而且要将接地线构成闭合环路。
在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。因为在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。合理配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，提高PCB板的可靠性。
温湿度采集模块PCB板制作包括主控系统板制作和实时数据显示板制作，最终设计的PCB图如图2和图3所示。