基于ATmega16L單片機(jī)的家居溫濕度測(cè)控系統(tǒng)

-.z摘要:介紹了以低功耗AVR單片機(jī)ATmega16L為控制核心的家居溫濕度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)采用了NewMsg-RF24L01無(wú)線模塊與DHT11數(shù)字溫濕度傳感器無(wú)線檢測(cè)的方法。經(jīng)調(diào)試說(shuō)明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好，性價(jià)比高，實(shí)現(xiàn)容易等特點(diǎn)，有較高的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：ATmega16L，NewMsg-RF24L01，DHT11，溫濕度引言隨著人們生活水平的提高，對(duì)于家居環(huán)境舒適指數(shù)要求越來(lái)越高，而室內(nèi)溫濕度無(wú)疑是家居舒適度最為重要的指標(biāo)。該溫濕度測(cè)控系統(tǒng)為調(diào)節(jié)家居溫濕度提供了很好的解決方案。系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)溫濕度測(cè)控系統(tǒng)主機(jī)跟從機(jī)兩局部構(gòu)成。主機(jī)局部包含6個(gè)模塊：控制器模塊、顯示模塊、輸入模塊、無(wú)線模塊、存儲(chǔ)模塊和溫濕度調(diào)節(jié)模塊，從機(jī)局部包含3個(gè)模塊：控制器模塊、無(wú)線模塊和傳感器模塊。無(wú)線模塊檢測(cè)模塊ATmega16L單片機(jī)顯示模塊無(wú)線模塊檢測(cè)模塊ATmega16L單片機(jī)顯示模塊按鍵模塊按鍵模塊無(wú)線模塊無(wú)線模塊存儲(chǔ)模塊STC20LE5410AD存儲(chǔ)模塊STC20LE5410AD單片機(jī)調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)模塊圖1主機(jī)硬件系統(tǒng)方框圖圖2從機(jī)硬件系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主機(jī)設(shè)計(jì)主機(jī)局部硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)電路圖主控制器模塊該系統(tǒng)主機(jī)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(shè)，能夠簡(jiǎn)化我們電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度；采用先進(jìn)的RISC構(gòu)造，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間位單個(gè)時(shí)鐘周期，工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS；具有512字節(jié)的EEPROM，且可以對(duì)鎖定位進(jìn)展編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密，對(duì)于程序員編程的靈活性與平安性帶了很大的好處。顯示模塊該系統(tǒng)顯示模塊采用了繪晶公司的圖形點(diǎn)陣液晶顯示器12864ZW，它可完成圖形顯示，也可以顯示8*4個(gè)點(diǎn)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(jī)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(shí)，使用并口驅(qū)動(dòng)方式；當(dāng)PSB=VSS時(shí)，使用串口驅(qū)動(dòng)方式。該系統(tǒng)使用并口驅(qū)動(dòng)方式。按鍵模塊按鍵模塊使用四個(gè)輕觸開關(guān)，分別為功能鍵，用于使程序進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置模式；‘+’鍵與‘-’鍵用來(lái)設(shè)置溫濕度上下限值；確認(rèn)鍵用來(lái)保存設(shè)定值并退出系統(tǒng)設(shè)置模式。四個(gè)按鍵使用低電平觸發(fā)方式。無(wú)線模塊考慮到調(diào)節(jié)模塊對(duì)傳感器的近距離影響，該系統(tǒng)采用了無(wú)線測(cè)量溫濕度。通過無(wú)線模塊從機(jī)與主機(jī)可以自由通信，加大了整體測(cè)量精度，改善了調(diào)控性能。無(wú)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(qiáng)，擁有滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信需要的126個(gè)頻道，具有能極大降低喪失率的內(nèi)置包應(yīng)答機(jī)制，低功耗設(shè)計(jì)，工作于。由于本系統(tǒng)使用低功耗控制器mega16L，NewMsg-RF24L01可直接控制器IO口相連，并使用控制器SPI驅(qū)動(dòng)。存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)人機(jī)交互中輸入的溫濕度上下限設(shè)定值，并能在系統(tǒng)程序運(yùn)行當(dāng)中取出。存儲(chǔ)模塊直接使用ATmega16L內(nèi)部512字節(jié)的EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。ATmega16L的EEPROM是作為一個(gè)獨(dú)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(dá)100,000次。對(duì)EEPROM的操作，為了防止無(wú)意識(shí)的EEPROM寫操作，需要執(zhí)行一個(gè)特定的寫時(shí)序。溫濕度調(diào)節(jié)模塊溫濕度調(diào)節(jié)模塊對(duì)家居溫濕度按人的意愿自動(dòng)調(diào)節(jié)是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的之所在，所以溫濕度調(diào)節(jié)模塊是該系統(tǒng)的重要組成局部。對(duì)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(zhǎng)的紅外輻射能量，具有高強(qiáng)度、高熱效、高穿透性、低功耗和無(wú)污染等顯著特點(diǎn)；降溫降溫采用的是半導(dǎo)體制冷片，半導(dǎo)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)生溫度差從而到達(dá)制冷的效果，半導(dǎo)體制冷片具有穩(wěn)定性高、低功耗以及無(wú)制冷劑污染等特點(diǎn)。對(duì)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)水分子構(gòu)造打散而產(chǎn)生水霧而無(wú)需加熱或添加任何化學(xué)劑。相對(duì)加熱方式節(jié)能90%且能在霧化過程中釋放大量有益的負(fù)離子；抽濕采用半導(dǎo)體制冷片加壓縮的方法，對(duì)空氣進(jìn)展壓縮冷卻使水分子液化到達(dá)降低濕度的效果從機(jī)設(shè)計(jì)從機(jī)局部由于采用單獨(dú)電池供電，功耗是優(yōu)先考慮的問題。因此從機(jī)3個(gè)模塊都選用了低功耗器件，且速度快，穩(wěn)定性好，性價(jià)比高。圖4從機(jī)電路圖從控制器模塊從機(jī)控制器采用的是快速低功耗增強(qiáng)型小封裝51單片機(jī)STC12LE5410AD，該系列單片機(jī)比普通51單片機(jī)快8~12倍，工作電壓位2.4~3.8V，低功耗設(shè)計(jì)的空閑模式與掉電模式。傳感器模塊傳感器使用的是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器DHT11。它應(yīng)用專門專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能的8位單片機(jī)相連接。DHT11采用單線制串行接口，具有體積小、功耗低、響應(yīng)快和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。DHT11單總線時(shí)序操作比DS18B20簡(jiǎn)單得多。為了確保數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率，在傳感器數(shù)據(jù)引腳上加了一個(gè)5K的上拉電阻，在傳感器電源引腳與地間加了104濾波電容。無(wú)線模塊從機(jī)局部的無(wú)線模塊采用了與主機(jī)局部一樣的低功耗NewMsg-RF24L01，由于NewMsg-RF24L01內(nèi)部的高速FIFO設(shè)計(jì)使得數(shù)據(jù)即使低速送入NewMsg-RF24L01的微控制器，也能夠高速〔1~2Mbps〕發(fā)射，這樣可以盡量節(jié)能，使得數(shù)據(jù)在空中停留時(shí)間短，極大提高了抗干擾能力。NewMsg-RF24L01的低功耗設(shè)計(jì)大大延長(zhǎng)了從機(jī)局部電池的工作周期。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主機(jī)軟件設(shè)計(jì)主機(jī)局部控制器ATmega16L的程序是基于ICC7forAVR開發(fā)平臺(tái)采用C語(yǔ)言編寫，采用C語(yǔ)言編寫的程序易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能且可讀性與可移植性好。在系統(tǒng)開機(jī)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掉電不喪失，從而防止了開機(jī)重新設(shè)置的麻煩。4.2從機(jī)軟件設(shè)計(jì)從機(jī)局部控制器STC12LE5410AD的程序則是基于KeiluVision4開發(fā)平臺(tái)采用C51語(yǔ)言編寫?？紤]到從機(jī)的功耗問題以及家居環(huán)境對(duì)溫濕度測(cè)量的實(shí)時(shí)性要求不是很苛刻的環(huán)境下，從機(jī)程序每5分鐘讀取一次環(huán)境溫濕度并通過無(wú)線子程序發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)。開場(chǎng)開場(chǎng)系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化無(wú)線接收無(wú)線接收顯示數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)讀讀EEPROM溫度>溫度>上限.濕度>上限.YY抽濕制冷NN抽濕制冷濕度<濕度<下限.溫度<下限.YY加濕加熱加濕加熱NN按鍵掃描按鍵掃描重新設(shè)值.N重新設(shè)值.寫EEPROM寫EEPROM圖5主機(jī)程序流程圖結(jié)語(yǔ)該系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單緊湊，調(diào)試安裝方便，性價(jià)比擬高。在小范圍內(nèi)測(cè)試，擁有較高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。大范圍測(cè)試，有待系統(tǒng)調(diào)節(jié)模塊功率的提高。本次家居溫