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摘要:介绍了以低功耗AVR单片机ATmega16L为控制核心的家居温湿度测控系统的设计与实现。该系统采用了NewMsg-RF24L01无线模块与DHT11数字温湿度传感器无线检测的方法。经调试表明，该系统具有稳定性好，性价比高，实现容易等特点，有较高的实用价值。关键词：ATmega16L，NewMsg-RF24L01，DHT11，温湿度1.引言随着人们生活水平的提高，对于家居环境舒适指数要求越来越高，而室内温湿度无疑是家居舒适度最为重要的指标。该温湿度测控系统为调节家居温湿度提供了很好的解决方案。2.系统总体方案设计温湿度测控系统主机跟从机两部分构成。主机部分包含6个模块：控制器模块、显示模块、输入模块、无线模块、存储模块和温湿度调节模块，从机部分包含3个模块：控制器模块、无线模块和传感器模块。图1主机硬件系统方框图图2从机硬件系统方框图3.系统硬件设计3.1主机设计主机部分硬件系统设计电路图如图3，其中省略了电源模块与温湿度调节模块。ATmega16L单片机显示模块无线模块按键模块存储模块调节模块STC20LE5410AD单片机无线模块检测模块图3主机电路图3.1.1主控制器模块该系统主机主控制器采用了高性能、低功耗的8位AVR微处理器mega16L。mega16L具有SPI、USART、ADC、PWM等十分丰富的外设，能够简化我们电路设计的复杂度；采用先进的RISC结构，大多数指令执行时间位单个时钟周期，工作于16MHz时性能高达16MIPS；具有512字节的EEPROM，且可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密，对于程序员编程的灵活性与安全性带了很大的好处。3.1.2显示模块该系统显示模块采用了绘晶公司的图形点阵液晶显示器12864ZW，它可完成图形显示，也可以显示8x4个点阵汉字。该系统采用中文形式显示系统所在环境温度与湿度，人机交互界面十分友好。12864ZW与外部CPU接口可采用串行或并行方式控制，PSB=VDD时，使用并口驱动方式；当PSB=VSS时，使用串口驱动方式。该系统使用并口驱动方式。3.1.3按键模块按键模块使用四个轻触开关，分别为功能键，用于使程序进入系统设置模式；‘+’键与‘-’键用来设置温湿度上下限值；确认键用来保存设定值并退出系统设置模式。四个按键使用低电平触发方式。3.1.4无线模块考虑到调节模块对传感器的近距离影响，该系统采用了无线测量温湿度。通过无线模块从机与主机可以自由通信，加大了整体测量精度，改善了调控性能。无线模块使用的是NewMsg-RF24L01,该模块工作于2.4GHz全球开放免许可证使用的ISM频段，最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，拥有满足多点通信和调频通信需要的126个频道，具有能极大降低丢失率的内置包应答机制，低功耗设计，工作于1.9-3.6V。由于本系统使用低功耗控制器mega16L，NewMsg-RF24L01可直接控制器IO口相连，并使用控制器SPI驱动。3.1.5存储模块存储模块用于存储人机交互中输入的温湿度上下限设定值，并能在系统程序运行当中取出。存储模块直接使用ATmega16L内部512字节的EEPROM数据存储器。ATmega16L的EEPROM是作为一个独立的数据空间而存在的，可以按字节读写，擦除周期高达100,000次。对EEPROM的操作，为了防止无意识的EEPROM写操作，需要执行一个特定的写时序。3.1.6温湿度调节模块温湿度调节模块对家居温湿度按人的意愿自动调节是该系统设计的目的之所在，所以温湿度调节模块是该系统的重要组成部分。对于温度的调节分为加温与降温，加温采用的是红外辐射加热管，这种加热管在通电后产生的一定波长的红外辐射能量，具有高强度、高热效、高穿透性、低功耗和无污染等显著特点；降温降温采用的是半导体制冷片，半导体制冷片只要在其两端加上极性相反的电压，就能在制冷片两面产生温度差从而达到制冷的效果，半导体制冷片具有稳定性高、低功耗以及无制冷剂污染等特点。对于湿度调节分为增湿与抽湿，增湿采用的是超声波雾化器，超声波雾化器利用电子高频震荡，通过陶瓷雾化片的高频谐振，将液态水分子结构打散而产生水雾而无需加热或添加任何化学剂。相对加热方式节能90%且能在雾化过程中释放大量有益的负离子；抽湿采用半导体制冷片加压缩的方法，对空气进行压缩冷却使水分子液化达到降低湿度的效果3.2从机设计从机部分由于采用单独电池供电，功耗是优先考虑的问题。因此从机3个模块都选用了低功耗器件，且速度快，稳定性好，性价比高。图4从机电路图3.2.1从控制器模块从机控制器采用的是快速低功耗增强型小封装51单片机STC12LE5410AD，该系列单片机比普通51单片机快8~12倍，工作电压位2.4~3.8V，低功耗设计的空闲模式与掉电模式。3.2.2传感器模块传感器使用的是一款含有已校准数字信号输出的数字温湿度复合传感器DHT11。它应用专门专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能的8位单片机相连接。DHT11采用单线制串行接口，具有体积小、功耗低、响应快和抗干扰能力强等特点。DHT11单总线时序操作比DS18B20简单得多。为了确保数据传输精确率，在传感器数据引脚上加了一个5K的上拉电阻，在传感器电源引脚与地间加了104滤波电容。3.2.3无线模块从机部分的无线模块采用了与主机部分相同的低功耗NewMsg-RF24L01，由于NewMsg-RF24L01内部的高速FIFO设计使得数据即使低速送入NewMsg-RF24L01的微控制器，也能够高速（1~2Mbps）发射，这样可以尽量节能，使得数据在空中停留时间短，极大提高了抗干扰能力。NewMsg-RF24L01的低功耗设计大大延长了从机部分电池的工作周期。4.系统软件设计4.1主机软件设计主机部分控制器ATmega16L的程序是基于ICC7forAVR开发平台采用C语言编写，采用C语言编写的程序易于实现复杂的功能且可读性与可移植性好。在系统开机的状态下可方便的人为输入理想的温湿度上下限，并存入EEPROM掉电不丢失，从而避免了开机重新设置的麻烦。4.2从机软件设计从机部分控制器STC12LE5410AD的程序则是基于KeiluVision4开发平台采用C51语言编写。考虑到从机的功耗问题以及家居环境对温湿度测量的实时性要求不是很苛刻的环境下，从机程序每5分钟读取一次环境温湿度并通过无线子程序发送检测数据。YYNNYYNNNY开始系统初始化无线接收显示数据读EEPROM温度下限？温度上限？湿度下限？湿度上限？制冷加热加湿抽湿按键扫描重新设值？写EEPROM图5主机程序流程图5.结语该系统结构简单紧凑，调试安装方便，性价比较高。在小范围内测试，拥有较高的稳定性和精确度。大范围测试，有待系统调节模块功率的提高。本次家居温湿度测控系统的设计与实现达到了预期的目的。参考文献：[1]张莉.C/C++程序设计教程(第2版).北京：清华大学出版社，2007[2]郭天祥.新概念51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社，2009[3]李全利.单片机原理及接口技术..北京：高等教育出版社，2009[4]刘修文.实用电子电路设计制作300例.北京：中国电力出版社，2005[5]杨宁.单片机与控制技术.北京：北京航空航天大学出版社，2005