基于ATmega16L單片機的家居溫濕度測控系統(tǒng)

1、摘要:介紹了以低功耗AVR單片機ATmega16L為控制核心的家居溫濕度測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)采用了NewMsg-RF24L01無線模塊與DHT11數(shù)字溫濕度傳感器無線檢測的方法。經(jīng)調(diào)試表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好，性價比高，實現(xiàn)容易等特點，有較高的實用價值。關鍵詞：ATmega16L，NewMsg-RF24L01，DHT11，溫濕度1. 引言隨著人們生活水平的提高，對于家居環(huán)境舒適指數(shù)要求越來越高，而室內(nèi)溫濕度無疑是家居舒適度最為重要的指標。該溫濕度測控系統(tǒng)為調(diào)節(jié)家居溫濕度提供了很好的解決方案。2. 系統(tǒng)總體方案設計 溫濕度測控系統(tǒng)主機跟從機兩部分構成。主機部分包含6個模塊：控制器模塊、顯

2、示模塊、輸入模塊、無線模塊、存儲模塊和溫濕度調(diào)節(jié)模塊，從機部分包含3個模塊：控制器模塊、無線模塊和傳感器模塊。 無線模塊檢測模塊ATmega16L單片機顯示模塊按鍵模塊無線模塊存儲模塊STC20LE5410AD單片機調(diào)節(jié)模塊圖1 主機硬件系統(tǒng)方框圖 圖2 從機硬件系統(tǒng)方框圖3. 系統(tǒng)硬件設計3.1 主機設計主機部分硬件系統(tǒng)設計電路圖如圖3，其中省略了電源模塊與溫濕度調(diào)節(jié)模塊。 圖3 主機電路圖3.1.1 主控制器模塊該系統(tǒng)主機主控制器采用了高性能、低功耗的8位AVR微處理器mega16L。mega16L具有SPI、USART、ADC、PWM等十分豐富的外設，能夠簡化我們電路設計的復雜度；采用先

3、進的RISC結構，大多數(shù)指令執(zhí)行時間位單個時鐘周期，工作于16MHz時性能高達16MIPS；具有512字節(jié)的EEPROM，且可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密，對于程序員編程的靈活性與安全性帶了很大的好處。3.1.2 顯示模塊該系統(tǒng)顯示模塊采用了繪晶公司的圖形點陣液晶顯示器12864ZW，它可完成圖形顯示，也可以顯示8x4個點陣漢字。該系統(tǒng)采用中文形式顯示系統(tǒng)所在環(huán)境溫度與濕度，人機交互界面十分友好。12864ZW與外部CPU接口可采用串行或并行方式控制，PSB=VDD時，使用并口驅(qū)動方式；當PSB=VSS時，使用串口驅(qū)動方式。該系統(tǒng)使用并口驅(qū)動方式。3.1.3 按鍵模塊按鍵模塊使用四個

4、輕觸開關，分別為功能鍵，用于使程序進入系統(tǒng)設置模式；+鍵與-鍵用來設置溫濕度上下限值；確認鍵用來保存設定值并退出系統(tǒng)設置模式。四個按鍵使用低電平觸發(fā)方式。3.1.4 無線模塊考慮到調(diào)節(jié)模塊對傳感器的近距離影響，該系統(tǒng)采用了無線測量溫濕度。通過無線模塊從機與主機可以自由通信，加大了整體測量精度，改善了調(diào)控性能。無線模塊使用的是NewMsg-RF24L01,該模塊工作于2.4GHz全球開放免許可證使用的ISM頻段，最高工作速率2Mbps，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強，擁有滿足多點通信和調(diào)頻通信需要的126個頻道，具有能極大降低丟失率的內(nèi)置包應答機制，低功耗設計，工作于。由于本系統(tǒng)使用低功耗控制器

5、mega16L，NewMsg-RF24L01可直接控制器IO口相連，并使用控制器SPI驅(qū)動。3.1.5 存儲模塊存儲模塊用于存儲人機交互中輸入的溫濕度上下限設定值，并能在系統(tǒng)程序運行當中取出。存儲模塊直接使用ATmega16L內(nèi)部512字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲器。ATmega16L的EEPROM是作為一個獨立的數(shù)據(jù)空間而存在的，可以按字節(jié)讀寫，擦除周期高達100,000次。對EEPROM的操作，為了防止無意識的EEPROM寫操作，需要執(zhí)行一個特定的寫時序。3.1.6 溫濕度調(diào)節(jié)模塊溫濕度調(diào)節(jié)模塊對家居溫濕度按人的意愿自動調(diào)節(jié)是該系統(tǒng)設計的目的之所在，所以溫濕度調(diào)節(jié)模塊是該系統(tǒng)的重要組成部分。

6、對于溫度的調(diào)節(jié)分為加溫與降溫，加溫采用的是紅外輻射加熱管，這種加熱管在通電后產(chǎn)生的一定波長的紅外輻射能量，具有高強度、高熱效、高穿透性、低功耗和無污染等顯著特點；降溫降溫采用的是半導體制冷片，半導體制冷片只要在其兩端加上極性相反的電壓，就能在制冷片兩面產(chǎn)生溫度差從而達到制冷的效果，半導體制冷片具有穩(wěn)定性高、低功耗以及無制冷劑污染等特點。對于濕度調(diào)節(jié)分為增濕與抽濕，增濕采用的是超聲波霧化器，超聲波霧化器利用電子高頻震蕩，通過陶瓷霧化片的高頻諧振，將液態(tài)水分子結構打散而產(chǎn)生水霧而無需加熱或添加任何化學劑。相對加熱方式節(jié)能90%且能在霧化過程中釋放大量有益的負離子；抽濕采用半導體制冷片加壓縮的方法，

7、對空氣進行壓縮冷卻使水分子液化達到降低濕度的效果3.2 從機設計從機部分由于采用單獨電池供電，功耗是優(yōu)先考慮的問題。因此從機3個模塊都選用了低功耗器件，且速度快，穩(wěn)定性好，性價比高。 圖4 從機電路圖3.2.1 從控制器模塊從機控制器采用的是快速低功耗增強型小封裝51單片機STC12LE5410AD，該系列單片機比普通51單片機快812倍，工作電壓位2.43.8V，低功耗設計的空閑模式與掉電模式。3.2.2 傳感器模塊傳感器使用的是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的數(shù)字溫濕度復合傳感器DHT11。它應用專門專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括

8、一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能的8位單片機相連接。DHT11采用單線制串行接口，具有體積小、功耗低、響應快和抗干擾能力強等特點。DHT11單總線時序操作比DS18B20簡單得多。為了確保數(shù)據(jù)傳輸精確率，在傳感器數(shù)據(jù)引腳上加了一個5K的上拉電阻，在傳感器電源引腳與地間加了104濾波電容。3.2.3 無線模塊從機部分的無線模塊采用了與主機部分相同的低功耗NewMsg-RF24L01，由于NewMsg-RF24L01內(nèi)部的高速FIFO設計使得數(shù)據(jù)即使低速送入NewMsg-RF24L01的微控制器，也能夠高速（12Mbps）發(fā)射，這樣可以盡量節(jié)能，使得數(shù)據(jù)在空中停留時間短，極大

9、提高了抗干擾能力。NewMsg-RF24L01的低功耗設計大大延長了從機部分電池的工作周期。4. 系統(tǒng)軟件設計4.1 主機軟件設計主機部分控制器ATmega16L的程序是基于ICC7 for AVR開發(fā)平臺采用C語言編寫，采用C語言編寫的程序易于實現(xiàn)復雜的功能且可讀性與可移植性好。在系統(tǒng)開機的狀態(tài)下可方便的人為輸入理想的溫濕度上下限，并存入EEPROM掉電不丟失，從而避免了開機重新設置的麻煩。 4.2 從機軟件設計從機部分控制器STC12LE5410AD的程序則是基于Keil uVision4開發(fā)平臺采用C51語言編寫?？紤]到從機的功耗問題以及家居環(huán)境對溫濕度測量的實時性要求不是很苛刻的環(huán)境下，從機程序每5分鐘讀取一次環(huán)境溫濕度并通過無線子程序發(fā)送檢測數(shù)據(jù)。開始系統(tǒng)初始化無線接收顯示數(shù)據(jù)讀EEPROM溫度上限？濕度上限？ Y Y抽濕制冷 N N濕度下限？溫度下限？ Y Y加濕加熱 N N按鍵掃描重新設值？ N寫EEPROM Y 圖5 主機程序流程圖5. 結語該系統(tǒng)結構簡單緊湊，調(diào)試安裝方便，性價比較高。在小范圍內(nèi)測試，擁有較高的穩(wěn)定性和精確度。大范圍測試，有待系統(tǒng)調(diào)節(jié)模塊功率的提高。本次家居溫濕度測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)達到了預期的目的。參考文獻：1張莉.C/C+程序設計教