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）

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.

图1 系统组成框图

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.

图2 主控电路

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CMOS 8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.

图3 检测系统电路框图

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].

图4 nRF401与AT89S51连接

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.

2.4 PC上位机接收部分

图5 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.

2.5 LCD1602显示器

图6 接收模块流程图

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.

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.

〔1〕北京图书馆图书保护研究组.对纸质文献储藏适宜温湿度的探讨[J].图书馆建设,1994(3):25-27.

〔2〕河北理工学院图书馆.温度和湿度对图书寿命的影响与阴雨季节的图书保护[J].文献保护研究,1996(1):24-25.

〔3〕李增祥,许丽娜,李业刚.nRF401在大棚温度监控中的应用[J].湖北农业科学,2009,48(12):3143-3145.

〔4〕张友德.单片机原理与控制技术[M].上海:复旦大学出版社,1996.

〔5〕吴涛.无线温、湿度仓贮自动测控系统的研究[D].南京理工大学,2007.

〔6〕王晶晶,张倩.基于nRF401的无线传输系统[J].电子测试,2008(9):83-86.

〔7〕邬宽明.CAN总线原理和应用系统合计[M].北京:航空航天大学出版社,1996.

〔8〕张毅刚,彭喜元,彭宇.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社,2010.