基于单片机的图书馆温湿度远程控制系统设

Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．２
Ｆｅｂ．２０１３
赤峰学院学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｆｅｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）第２９卷第２期（上）
２０１３年２月文献保护工作者曾多年致力于温湿度对纸质
文献材料的影响与文献储藏适宜温湿度的研究．温湿度对纸质文献有纸质强度变化、变形、老化等直接损害，也有促发光、酸、有害气体等外界因素对纸质文献损害，虫毒发生等间接影响［１］．图书馆工作经验证明，保护图书的较适宜的温度为１４～２０℃，相对湿度为５０％～６５％［２］．
图书馆温湿度的监控是实现纸质文献完好储藏的关键环节．因而，各种以热电偶、铂电阻作为传感器的温湿传送器和数字温湿度计普遍使用．在这些情况下，多采用有线连接方式采集信号及传输数据，这虽然满足了测温目的，但存在电缆布线、后期维护成本高、应用不灵活等一些问题．基于ｎＲＦ４０１芯片的温湿度无线数据采集系统，设置方便，不需布线即可采集数据，成本低，克服了有线网络存在的缺点［３］．1系统设计
该系统由温湿度数据采集、无线收发、单片机数据处理以及微机数据显示组成．数据采集发送部分主要是以单片机ＡＴ８９Ｓ５１作为核心主机，以单片智能化湿度／温度传感器ＳＨＴ１１／１５作为从机加上数据无线发送模块ｎＲＦ４０１组成．无线接收模块接受数据并发送给单片机，由单片机将数据通过并行口发送给计算机，计算机对数据进行处理和显示．同时，单片机判断温湿度并驱动执行机构（加热器、加湿器、通风窗）对图书馆温湿度进行实时调控．当温度传感器检测到温湿度低于设定下限时，单片机驱动加热器、加湿器对其加热、加湿，当温度高于设定上限时，单片机发出控制指令，使加热器、加湿器停止加热、加湿，并开启通风窗对其通风冷
却．系统组成框图如图１．
2硬件电路设计
硬件电路的设计［４］是整个系统设计的核心内
容．系统的硬件设计，主要包括核心控制单元ＡＴ８９Ｓ５１；测量部分由ＳＨＴ１１／１５单片智能化温度／湿度传感器组成；ｎＲＦ４０１无线通信收发芯片；ＰＣ上位机．主控电路如图２所示．
２．１
ＡＴ８９Ｓ５１单片机
本设计采用Ａｔｍｅｌ公司生产的可电气烧录清洗的ＡＴ８９Ｓ５１单片机，它是一种带４Ｋ字节ＦＬＡＳＨ存储器，低电压、高性能ＣＭＯＳ８位微处理器．具有四个４个８位可编程并行Ｉ／Ｏ口，２个可编程１６位定时器，中断系统具有五个中断源［３］．功能强大的微
基于单片机的图书馆温湿度远程控制系统设计
李
娜，张明玉，汪材印
（宿州学院机械与电子工程学院，安徽
宿州２３４０００）
摘要：以ＡＴ８９Ｓ５１单片机为核心，设计了图书馆温湿度远程控制系统．该系统由温湿度数据采集、无线收发、
单片机控制及ＰＣ机数据显示模块组成．该设计实现了图书馆温湿度的实时检测和远程控制，避免了传统手工劳作繁琐，有助于纸质文献的储藏．
关键词：ＡＴ８９Ｓ５１；ＳＨＴ１１／１５智能传感器；ｎＲＦ４０１无线数据传输；温度控制中图分类号：Ｕ４６３．６
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７３－２６０Ｘ（２０１３）０２－００６１－０３
基金项目：基于单片机的水温控制系统设计，宿州学院一般科研项目（2011yyb12
）
图１系统组成框图
图２主控电路
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图６接收模块流程图
型计算机ＡＴ８９Ｓ５１可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案．
２．２单片智能化温度／湿度传感器ＳＨＴ１１／１５
本设计使用瑞士Ｓｃｏｎｓｉｒｉｏｎ公司推出的一款单片智能化温度／湿度传感器ＳＨＴ１１／１５．该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域．ＳＨＴ１１／１５作为从机与主机单片机相连，连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与ＳＨＴ１１／１５的双向通信．在使用中不需要任何外围元件，被测温度湿度可通过编程实现９～１２位的数字方式串行输出，测温湿范围大、精度高．有数据线寄生供电和外部供电两种方式，以及６４位序列号存储在其内部的ＲＯＭ存储器中．多个ＳＨＴ１１／１５还可以并联在同一总线上，实现多点测量．
ＳＨＴ１１／１５测温范围为－４０℃～＋１２３．８℃，
精度为±０．１℃；相对湿度的测量范围是０％～９９．９９％，测量精度为±２％ＲＨ，分辨力为０．０１％ＲＨ［５］．图３为ＳＨＴ１１／１５与单片机构成的检测系统电路框图．其中ＳＨＴ１１／１５芯片１号引脚接地，４号引脚接＋２．５Ｖ～５．５Ｖ电压，２、３号引脚与单片机Ｐ１．０、Ｐ１．１引脚相连，传送ＤＡＴＡ、ＳＣＫ信号．
２．３
ｎＲＦ４０１无线收发电路
ｎＲＦ４０１芯片是挪威Ｎｏｒｄｉｃ公司最新推出的一款传频段４３３ＭＨｚ的单片智能收发芯片，它集中了高频收发、ＰＬＬ合成、ＦＳＫ解调和多频道切换等功能，具有很高的性价比，使用方便．ｎＲＦ４０１芯片外围仅需接一个基准晶振和一些电阻、定容、电感等无源元件，没有调试部件，功耗极低，给应用带来便利［６］．
ｎＲＦ４０１有休眠、
接受、发射三种工作状态，由ｎＲＦ４０１的引脚ＰＷＲ＿ＵＰ，ＴＸＥＮ的状态决定．ＤＩＮ，
ＤＯＵＴ是串行通信口，分别于单片机的串行通信口
Ｐ３．０，Ｐ３．１相连，ＣＳ脚用来选择工作频率．ｎＲＦ４０１与ＡＴ８９Ｓ５１连接如图４所示．２．４ＰＣ上位机接收部分
此部分包括无线接收模块ｎＲＦ４０１、单片机、电平转换模块和ＰＣ．２号ｎＲＦ４０１接收到数据后，单片机对其处理并发送给１号ｎＲＦ４０１，通过继电器以实现对图书馆温湿度的控制．本系统中，ｎＲＦ４０１使用的是ＴＴＬ电平，串行通信协议ＲＳ－２３２使用的是负逻辑电平．为了实现两者电平的匹配，需要使用ＭＡＸ２３２进行电平转换［７］．ＰＣ机完成待发数据的组织和处理，向下位机发送数据传输命令，接收下位机发来的数据并显示出来．上位机接收部分电路如图５所示．
２．５ＬＣＤ１６０２
显示器
图３
检测系统电路框图
图４
ｎＲＦ４０１与ＡＴ８９Ｓ５１
连接图５上位机接收部分
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数据显示模块采用ＬＣＤ１６０２，该显示器内部具有字符发生器ＲＯＭ，即字符库．可以显示１９２个５×７点阵字符．其显示的数字和字母部分的代码值，恰好与ＡＳＣⅡ码的数字和字母相同．所以在显示温湿度时，只需向ＬＣＤ送入对应的ＡＳＣⅡ码即可［８］．3系统软件设计
ＡＴ８９Ｓ５１与ＳＨＴ１１／１５间的通信为三部分：初始化ＳＨＴ１１／１５，识别ＳＨＴ１１／１５，交换数据．无线收发模块由ｎＲＦ４０１实现，可通过ＰＷＲ＿ＵＰ，ＴＸＥＮ设置状态．其中ＰＷＲ＿ＵＰ＝１，ＴＸＥＮ＝１为正常发送状态，ＰＷＲ＿ＵＰ＝１，ＴＸＥＮ＝０为正常接收状态．采集模块及收发模块流程图如图６所示．
4实验结果
在工业技术类、经济类、语言类图书室里分别布置了３个信息采集子系统，对各个房间的温湿度进行监测，将信息处理子系统布置在图书管理员办公室，对监测的数据进行实时存储、分析和处理．
系统设置温度范围为１４～２０℃，相对湿度范围为５０％～６５％．利用可控的加热、加湿、通风装置，对温度传感器进行了测试，随机选取ＬＣＤ１６０２上显示的１０个温湿度值，实验数据如表１所示．
测量温湿度实际温湿度误差继电器驱动器件-2.4℃10%RH-2.3℃10.2%RH+0.1℃+0.2%RH加热器、加湿器工作0.3℃12%RH0.5℃12.2%RH+0.2℃+0.2%RH加热器、加湿器工作5.3℃23%RH 5.1℃23.1%RH-0.2℃+0.1%RH加热器、加湿器工作10.5℃32%RH10.2℃32.2%RH-0.3℃+0.2%RH加热器、加湿器工作14℃45%RH14.2℃44.8%RH+0.2℃-0.2%RH加湿器工作20℃50%RH20.3℃50.1%RH+0.3℃+0.1%RH无
20℃60%RH20.1℃59.8%RH+0.1℃-0.2%RH无
32℃55%RH32.2℃55.2%RH+0.2℃+0.2%RH通风窗工作35℃70%RH34.9℃70.2%RH-0.1℃+0.2%RH通风窗工作39℃40%RH39.2℃40.2%RH+0.2℃+0.2%RH通风窗、加湿器工作
表１图书室温湿度测试结果
从表１可以看出：温度测量的最大误差是０．３℃，湿度测量的最大误差为＋０．２％ＲＨ，误差范围较小．实验证明：当温／湿度低于设定下限时，单片机驱动加热器、加湿器对其加热、加湿，当温度高于设定上限时，单片机发出控制指令，使加热器、加湿器停止加热、加湿，并开启通风窗对其通风冷却．
5小结
基于单片机的图书馆远程温湿度控制系统有以下优点：
（１）本系统机构简单，温度控制灵活、检测准确．
（２）单片智能化温度／湿度传感器ＳＨＴ１１／１５作为数据采集模块，简化了电路结构．
（３）无线传输部分ｎＲＦ４０１不需要调试部分，使用方便．
（４）上位机提供人机交互界面，方便用户读数．
（５）软件设计采用Ｃ语言，可移植性好，结构严谨，开发速度快，大大减少了软件开发的时间，具有一定的使用价值．
（６）该系统实现了远程控制图书馆的温湿度，便于接入其他传感器，功能扩展性好．——
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参考文献：
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