基于单片机的温湿度实时监控系统设计与实现

　　摘 要： 针对某些特殊场所需要实时温湿度测量的问题，设计实现了基于单片机的温湿度实时监控系统。系统采用 STC89C52单片机作为微处理器芯片，外接DHT11温湿度传感器进行温湿度数据监测采集;选用LCD1602液晶显示器对单片机处理过的温湿度数据进行显示;采用串口蓝牙通信模块和蜂鸣器与单片机连接。当温度超过用户设定的阈值时，蜂鸣器响起并且单片机通过蓝牙与用户手机进行铃声报警。试验结果表明，温度检测范围完全满足实际需要。

　　关键词： 单片机; 蓝牙通信; 温湿度监控; 温湿度传感器

　　推荐阅读：《计算机应用》创刊于1981年，是中国计算机学会会刊。以介绍计算机应用技术为重点，以推动经济发展和科技进步为宗旨，以促进计算机开发应用创新为目标。

　　0 引言

　　现在部队仓库、运输车内的温湿度监控系统大多数是基于计算机显示屏的，计算机显示屏体积大，不方便随身携带，值班人员一旦离开显示屏，就造成信息传递的不及时。装备的储存条件很苛刻，有着严格的温湿度储存要求，一旦温湿度异常，就可能会导致武器装备的寿命变短，影响武器装备的战斗性能，甚至导致武器装备直接损坏报废。

　　为了克服传统监控系统的缺点，本系统采用了蓝牙通信解决了电线电缆的连接问题;用低成本低功耗的单片机实现了传感器在枪库、弹药库和装备运输车中的全方位覆盖;采用蜂鸣器和用户手机终端多样式报警信号来解决报警方式单一的问题。采用常见的单片机芯片和常用传感器，既简化了维修和维护，又解决了传统传感器与厂家系统不兼容等问题。

　　1 温湿度实时监控系统总体设计

　　1.1 总体设计方案

　　本文设计的系统主要需要实现以下功能：采集温湿度环境参数、传感器信号处理、温湿度显示、温湿度警报、蓝牙通信。该系统既要能够处理传感器数据和控制各个模块，而且还要能够和手机进行蓝牙通信，所以需要一个可靠性高、处理能力强、结构简单的核心处理器。这个要求可以用市场上广泛应用的单片机来满足。本系统是基于 STC89C52单片机设计的。系统设计的总体框图如图1所示，本系统包括以下几个模块：温湿度传感器模块、供电模块、液晶显示模块、报警模块、键盘模块、蓝牙通信模块。

　　1.2 系统功能与系统指标

　　本文主要是设计一个实时的温度和湿度监测系统，它可以测量周围的温湿度值，并将温湿度显示在LCD液晶显示屏上，当测量到的的温度值超过用户设定的阈值时，系统的蜂鸣器响起，并通过蓝牙向用户手机发送信息，使用户手机铃声响起。

　　系统具体的技术指标如下。

　　⑴ 工作环境：室内、仓库内、车内。

　　⑵ 蓝牙通信范围：10m。

　　⑶ 温度报警：有。

　　⑷ 测温范围：0～50℃。

　　⑸ 温度测量误差：±2℃。

　　⑹ 测湿范围：20～90%RH。

　　⑺ 湿度测量误差：±5%RH。

　　2 系统硬件设计

　　硬件系统分为两部分：一部分是温湿度传感器部分，即数据采集部分;另一部分是蓝牙通信部分，即数据通信部分。温湿度传感器采用DHT 11温湿度传感器来收集温湿度数据。处理器采用STC89C52单片机为核心控制芯片，串口蓝牙通信模块也连接在STC89C52单片机上进行工作。选用LCD1602液晶显示器作为显示屏，用来显示当前温湿度传感器采集的温湿度。时钟电路采用11.0592Mhz晶振來提供时钟信号。

　　系统选用STC89C52单片机为硬件平台核心微处理器，所有的扩展设计全部都基于该平台之上进行的。硬件设计的核心就是显示输出部分和键盘输入部分。传感器采集温湿度信息， LCD1602液晶显示器显示实时温湿度。

　　其中蓝牙通信模块接在了单片机的串行通信口TXD上，温湿度传感器接在了单片机P1.3口，蜂鸣器和报警灯分别接在P2.1口和P2.0口，P2.2口和P2.3口为键盘加减按键，P0.0-P0.7口用来传递温湿度数据，使温湿度在LCD1602液晶显示屏上显示。具体电路设计和实物照片如图2所示。系统外观如图3。

　　3 系统软件设计

　　软件设计是所有系统的灵魂，是让硬件系统真正发挥作用的根本。本系统的软件设计主要包括：主函数、温湿度数据采集、液晶程序、按键功能、蓝牙通信、手机终端程序、蜂鸣器等设计，限于篇幅只介绍几个关键软件部分的设计。

　　3.1 主函数设计

　　由于本系统软件设计采用了分层式、模块化设计，主要定义函数声明、变量数据类型、;单片机I/O引脚，完成了STC89C52单片机引脚功能的初始化，设置了时钟系统的模式，温度序设计框图见图4。

　　3.2 温湿度数据采集程序设计

　　温湿度数据采集程序中，温湿度传感器DHT11的温湿度采样频率为1次每秒，需要设计合适的时间间隔来进行温湿度信息的通信与交换。环境信息采集流程图见图5。

　　在温湿度采集程序设计时主要解决了以下问题：

　　⑴ 初次温湿度信息采集前应该现将系统复位，将引脚电平清空，避免误报等意外情况;

　　⑵ 温湿度信息采样频率為1s，显示屏判忙程序精简化;

　　⑶ 温湿度传感器与单片机为单总线数据传输，所以一次温湿度信息交换时序较长，期间应禁止其他程序的进行，如终端程序，可以延时几毫秒后再进行。LCD1602液晶显示屏也避免选用动态扫描数码管方式来显示温湿度信息。否则，在温湿度传感器和单片机进行数据交互传传递时，会导致液晶显示屏闪烁。

　　3.3 蓝牙通信程序设计

　　蓝牙通信程序主要实现的功能是完成手机与单片机的无线串口通信。蓝牙通信程序规定了手机和单片机接收数据和发送数据的要求和时机，规定了数据校验的标准。蓝牙通信模块与温湿度传感器一样，是通过单引脚实现温湿度数据的收发工作的。蓝牙通信子程序如下：

　　3.4 手机终端程序设计

　　手机终端程序设计是人机交互的重点，在手机端开发一个APP，采用eclipse软件实现。在实现基本功能的基础上，要具有易操作和人性化的优点。本着这样的原则，APP共设计了两个界面：一个是初始界面，初始界面设计了一个“连接”按钮，用来连接系统的蓝牙通信模块;另一个是报警状态提示，显示温湿度的报警信息。具体的界面如图6所示。

　　4 系统性能测试

　　本文主要测试了系统的可靠性、稳定性、功能性以及实用性，确保系统设计功能的实现。测试主要包括硬件平台及处理器测试、操作界面、手机终端界面等测试。通过这一系列测试之后，本系统的功能和设计要求已经达到设计目标，系统也能够简便的、可靠的、高效地运行和操作，人机交互也有着良好的、简洁的操作界面，通过对本系统的多次测试检验，并对测试结果进行统计，可以判断系统已经实现了相对可靠、稳定的运行效果，总体上实现了设计要求。

　　5 结束语

　　本文根据实时温湿度的测量要求，设计并实现了温湿度实时监控系统，本系统共包括了温湿度传感器模块、供电模块、液晶显示模块、报警模块、键盘模块、蓝牙通信模块等六大模块。通过收集、分析测试结果，发现本温湿度实时监控系统基本符合设计要求，符合部队需求。但是在实现过程中，还有很多方面可以优化，比如手机APP界面的美化、蓝牙通信模块功耗控制、测量结果的缓存等等。

　　参考文献(References)：

　　[1] 相杰，吕进来.软件开发环境与工具[M]. 电子工业出版社，2012.

　　[2] 温子琪，刘志峰. 51单片机C语言创新教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2011.

　　[3] 邱日錞，朱向庆，薛勇等. 多点无线温湿度监控系统设计[J]. 嘉应学院学报(自然科学) ，2015.33(8)： 38-42

　　[4] 沈大林，张伦. Java程序设计案例教程(第二版)[M]. 清华大学出版社，2015.

　　[5] 梅荣. 基于单片机的温湿度检测与控制系统研究[J]. 农机化研究， 2013.35(7)：121 -124