基于单片机的物联网智能家居远程控制系统设计

基于单片机的物联网智能家居远程控制系统设计摘要：受物联网技术快速发展和创新的推动，大众开始注重更高品质的生活质量，对智能家居提出了更高的要求。作为智能家居的核心——智能家居远程控制技术，在GSM、Ziggbe以及蓝牙等无线终端的支持下得到充分发展。在自动化程度日益提升的今天，远程调控技术发挥着至关重要的作用。本文旨在基于单片机的基础上，将数据采集技术与远程传输相结合，设计出一款体积小、功耗低的家居环境监测系统。该系统以STC89C52单片机为核心，采用DHT11进行温湿度检测，并用LCD1602液晶屏进行数据实时显示，当温湿度超过设定的报警值时，触发蜂鸣器报警。采用蓝牙模块与用户连接，从而进行数据交互与远程调控。用无线连接代替传统复杂的有线连接，不仅突破了空间限制，还增加了用户的可操作性。经实践，基于单片机建立的控制系统，具有显著的可靠性和实用性，尤其在需要严格监测温湿度环境的场合，该系统能够最大满足使用需求。关键词：远程控制；蓝牙技术；单片机；温湿度检测

TheDesignofIntelligentHomeRemoteControlSystemBasedOnSingle-chipMicrocomputerAbstract:DrivenbytherapiddevelopmentandinnovationofInternetofthings,peoplebegintopaymoreattentiontoahigherqualityoflife.Sotheyputforwardhigherrequirements.AsthecoreoftheIntelligentHome——RemoteControlSystem,hasbeengreatlydevelopedbythesupportofwirelessterminallikeGSM、Ziggbe,aswellasBluetooth.Intoday'sincreasinglyautomatedworld,thetechnolyofremotecontrolsystemplaysavitalrole.Thisarticlefocusonthedesignofasmallandlow-energydetectingdevice,whichanbeusedinhouseholdervironment.Itbasedonsinglechipmicrocomputerandcombinedwithremotetransmissionanddatacaquisitiontechnology.Thesystem,usingSTC89C52asitscore,dothedectetingworkbytheDHT11.Thedatawhichcollectedbythesensor,canbeshowedontheLCD1602.Whenthetemperatureandhumidityaretoohighortoolowwhichcomparedwiththelimit,thebuzzerwillworkandalarmpeople.Thesystemconnectstoitsuserbybluetooth,sothatitcantransformdataandtheusercancontrolthesystemremotely.Usingthewirelessconnectinsteadoftraditionalcomplexcableconnect,notonlybreakthroughthespacelimit,butalsoincreasethemanerverabilityofusers.Throughseveraltests,thecontrolsystembasedonSCMshowsaremarkablereliabilityandpracticability,especiallyinthecaseofstrictrequiresoftemperatureandhumidityenvironment,thesystemcanmeetthemaximumdemand.KeyWords:remotecontrol;Bluetooth;single-chipmicrocomputer;temperatureandhumiditymonitoring目录TOC\o"1-3"\h\u1.概述 61.1引言 61.2研究背景及意义 61.3设计目的 72.方案设计 82.1任务分析 82.2器件选择 82.3总体方案 93.硬件电路设计 103.1单片机模块 103.2DHT11模块 113.3HC-05蓝牙模块 143.4LCD1602模块 163.5外围电路 204.软件设计 234.1采集模块设计 234.2显示模块设计 264.3HC-05蓝牙配对 274.4系统总体流程 315.设计成果展示 336.结束语 37参考文献 错误!未定义书签。致谢 错误!未定义书签。附录 错误!未定义书签。附录一：Protues仿真图 错误!未定义书签。附录二：元器件清单 错误!未定义书签。附录三：源程序 错误!未定义书签。基于单片机的物联网智能家居远程控制系统设计1.概述1.1引言众所周知，现代信息技术的三大基础是数据的采集，数据的传输和数据的处理，即传感器技术、通信技术和计算机技术。它们构成了数据系统的“感官”“神经”和“大脑”。

数据采集系统将智能仪器与外界环境相联系，可以借助计算机实现诸多功能，是获取信息途经的重要来源。数据采集系统是信息科技的重要组成部分，不仅在生活生产中广泛应用，在国防军事、资源开发等领域也有重要作用。数据采集的作用，广泛地说，就是将传感器采集到的模拟信号转换成接收端能够识别的数字信号，然后处理器进行相应的处理。现阶段，智能家居通讯的方式较多，然而大多通过有线连接，此类连接具有诸多局限性，例如布线麻烦以及空间要求高等。在通信技术进步以及物联网技术的驱动下，基于远程通讯技术的智能家居产品逐渐受到大众喜爱和追捧，消费者愿意将带有智能功能的家居系统作为其选购家居用品的首选。在新技术的应用背景下，新兴智能家居通信方式开始取代传统通讯方式，形成了以ZigBee通信技术、Wi-Fi技术以及蓝牙技术为主的全新通讯形式。而蓝牙技术相比其他通讯技术，又以其突出的低功耗、互联性高在移动设备中备受欢迎。单片微型处理器（简称单片机）自20世纪问世以来，借助其强大的处理性能及高性价比逐渐得到发展，在各大领域应用很广。单片机的优点有体积小，寿命长，恶劣环境仍可工作，价格便宜，灵活性好，可操作性强。由于具有以上优点，单片机已在汽车电子、智能仪器仪表、医疗设备、电力电子控制和机电一体化等各个方面广泛应用。本次设计旨在将上述三种技术相结合，在单片机强大性能的基础上，结合数据采集技术与无线传输技术，设计出一款体积小、低功耗、处理性能强的便携式产品，实现对家居环境的智能化监测。1.2研究背景及意义上世纪以来，微电子技术、存储器、传感器以及微处理器和I/O接口得到进一步的发展，测试设备向着智能化、小型化发展。数据采集技术是获得数据的主要方式，它广泛应用于信号监测、工业测控、仪器仪表等领域。而以往的数据采集端和控制处理端是通过有线的形式连接的，目前工业环境信息采集过程中，复杂的布线给工作带来困难，甚至有发生事故的可能，而且存在着空间阻碍问题，使得线缆布置工作难以进行，因此，采用无线的信息采集方式，开发具有良好数据接收功能端、数据处理功能强大的软件是现在数据采集系统发展的趋势。随着现代通讯技术、通信设备的不断开发和应用，物联网技术在家庭普及率越来越高，越来越多的住宅将逐步实现智能化。智能家居作为家居现代化的表现方式，已经成为物联网技术的组成部分。智能家居远程控制技术作为智能家居的核心，也得到了充分的发展，彰显出其独特化、高效化和集成化，促进了全新的、安全的、舒适的、节能高效的家居生活方式。因此，大众开始注重更高品质的生活质量，所以对智能家居的需求被进一步扩大，那么围绕大众对智能家居的多样化需求，设计出能够满足消费者需求的智能家居控制系统极具现实意义。蓝牙是一种短距离的无线通信协议，使用“跳频”方式，通过建立通用的空中接口来传输数据。从现在的应用来看，因蓝牙低功耗、传输稳定方面的优势，使其被应用在大部分的数字设备中。蓝牙作为一种时尚的通讯方式，近年来应用范围越来越广泛，具备蓝牙功能已成为许多电子产品吸引用户的一大亮点。随着科技的发展，单片机应用研发越来越快速，不少基于单片机的智能产品已经和人们的生活结为一体。从数字闹钟到冰箱彩电，从汽车电子到雷达测速，从医疗设备中的呼吸机、分析仪到家庭保健中的植入式心律转复除颤器，都有单片机在其中发挥着重要的作用。它可以推进智能化的产品的诞生，实现仪器设备的智能化、高效化、自动化。在测控领域，可以采用单片机来实现数据采集与处理，具有自动化程度高、功耗小、抗干扰能力强等特点。综上所述，在物联网技术驱动下，智能家居已经成为家居发展的新趋势，基于单片机建立的控制系统具有显著的实用性和可靠性，在智能化趋势的背景下，能够最大程度满足大众对智能家居远程控制的要求，对于提升整个智能家居使用体验具有重要意义。1.3设计目的在日常生活中，温湿度是评测家居环境情况的重要指标。一个适宜的家居环境不仅能够给用户提供舒适高效的生活水平，而且更保障了用户日常的安全状况。传统的温湿度监测模式采用人工测量、人工巡查等方式记录环境状况信息。在这种模式下，不仅工作效率低，人才资源得不到利用，而且缺乏科学性，由于管理不及时，经常导致重大事故的发生。随着电子技术、计算机技术、通信技术、传感器以及传感器技术的发展，使得对温湿度的监测取得跨越式发展，进入了自动化的管理系统。该系统具有可靠性好、测量精准、结构简单、造价低廉等特点，已经在国内外广泛使用。目前能获取家居环境信息途径主要有以下两种：一是互联网实时监测数据，二是家居环境检测装置。前者检测范围较大，往往特指某一城市的某一地区，且多为监测点数据，对于该地区住户来说，仅能作为参考；后者采用室内安装或手持装置，实时监测，精确性高，适用于各种家庭和办公环境，然而大部分家居检测装置均为内置显示屏显示，且没法实现远程监控，难以实时了解家中情况。有鉴于此，本文提出基于单片机室内环境检测系统的开发构想，实现对室内温湿度的检测，除了能实时显示数据外，亦可通过手机APP远程监测，能满足一般家庭和办公场所环境监测需要。温度和湿度是现代测量领域内非常重要的一项研究课题。不管是人类居住的生活环境，还是工农业生产，都需要温度和湿度进行测量，以此再进行控制和调节。温湿度检测在保证产品质量、旅游出行安全、能源消耗、安全生产方面都起到至关重要的作用。基于单片机的温湿度检测系统是一种可以有广泛用途的现场环境控制系统。由于单片机对数字信号的高敏性和可控性，它可以广泛应用在科研、医疗、炼金、化工、林业等领域。因此，基于单片机的温湿度监测系统的研究值得研究和深入。2.方案设计2.1任务分析本次任务围绕设计“基于单片机的物联网远程家居控制系统”，具体有以下要求：（1）了解系统组成与控制要求，对家居环境进行实时监测、显示、报警，并将数据传送给用户。（2)选择温度、湿度等参数作为智能家居控制参数，选择合适的传感器，能够实现家居环境的良好监测。（3)针对所选传感器，设计合理的调理电路，方便信号的的传输与控制。（4)选用合适的信号传输模块，将标准信号传输至远程控制终端，并实现远程终端的显示与存储，同时接受命令，实现对环境参数的控制。（5）完成Protues绘图并进行仿真测试，测试各模块及总体系统理论效果是否满足。（6）仿真通过后，在电路板上焊接系统并测试。2.2器件选择（1）单片机的选择方案一：采用XC9000系列的FPGA。该类器件具有内部并行特点，因此能灵敏的响应外部的各种数字信号，但是它的结构比较复杂，且在数据处理方面复杂，一般应用在通信领域等比较高端的场合。方案二：采用单片机STC89C52为控制核心，单片机逻辑运算能力强。在程序相互协调方面灵活，处理能力强，性能稳定且价格便宜，适合实际应用。且单片机焊接方便，价格相对降低。基于以上分析，本次设计主控芯片采用方案二，STC89C52单片机能够更灵活地实现系统功能。（2）传感器的选择方案一：分别选用DS18B20测温及HS1101测湿。DS18B20是一款常用的温度传感器，具有特殊的单总线接口，测量范围在－50℃—120℃。它将传感器、变换电路和A/D转换器集成在一个器件中，直接输出数字量，使应用电路更加简化。HS1101是一款电容式湿度传感器，测量范围在0%-100%RH，可工作在湿度变化较大的场所。方案二：选用DHT11作为温湿度检测模块。DHT11是一款数字输出的复合传感器，包含一个电阻式感湿元件和NTC式温度检测元件，可测20-90%RH范围的湿度，误差为±5%RH，测量温度范围为0-50℃，误差范围为±2℃。综上所述，虽然方案一的检测范围比方案二大且精度较高，但由于本设计所测试的是日常家居环境的温湿度，选取方案二的DHT11已经能够满足设计的要求，并且，DHT11是一款复合型温湿度传感器，方便焊接，故本模块选择方案二。（3）通讯模块的选择方案一：采用HC-05蓝牙模块。蓝牙工作在2.4GHz的工业、科学和生活频段，利用蓝牙技术，能够有效地与智能手机、便携式电脑等移动通信终端设备之间的通信，方便了用户数据交换，为无线通信拓宽道路。方案二：采用NRF24L01无线收发器。NRF24L01是Nordic公司生产的一款新型无线通信芯片，采用FSK调制，内部集成Nordic公司的EnhancedShortBurst协议，可以实现点对点或1对6的无线通信。由于每次最大传输有效字节宽度只有32位，所以不适合数据量较大的场合。经过比较，由于本次设计要与手机用户端相连接，而蓝牙技术具有广泛的普遍性和易操作性，且在手机上连接方便，所以选用方案一，用蓝牙模块进行数据交换。（4）显示屏的选择方案一：选用LCD12864作为显示器件。该液晶模块是分辨率为128×64点阵的液晶显示模块，可用来显示汉字，内置国标GB2312码简体中文字库。LCD12864与单片机的连接有串行和并行两种模式，串行模式连接的引脚少，但处理速度较慢。方案二：选用LCD1602作为显示器件。LCD1602是一款物美价廉的液晶显示屏，主要功能是显示ASCII字符，能方便地显示英文字母大小写、阿拉伯数字。由于本次设计另有报警电路，在显示屏上仅需要显示温湿度的参数名称和数值大小，没有过多的中文字符或特殊字符，因此选用方案二中显示功能简单的LCD1602模块。2.3总体方案2.3.1设计方法本次设计采用模块化思想，将温湿度检测系统分为单片机模块、传感器模块、蓝牙模块、显示模块、报警模块五大部分，分别负责系统的数据处理，数据采集，数据交换，实时显示，报警提醒等功能。2.3.2设计过程硬件系统以单片机STC89C52、DHT11温湿度传感器、HC-05蓝牙模块、LCD1602显示屏、独立按键、LED指示灯、蜂鸣器搭建而成。软件系统以Protues7.8进行绘图与仿真；用Keil兼容单片机C语言开发系统编写代码；使用STC_ISP进行编程烧录；使用蓝牙调试助手对蓝牙模块进行调试。2.3.3设计思路根据以下功能确定设计思路（1）系统检测当前的温湿度环境，将数据传送到液晶屏显示，数据每隔一秒更新一次；同时通过蓝牙模块建立连接，将温湿度值传送至手机app。（2）可以通过电路板按键设置温湿度报警值。（3）系统带有断电记忆功能，下次启动时，记忆上次设置的温度、湿度报警值，无需再次设置。（4）实物效果：当温度超过温度上限报警值时，蜂鸣器响起报警，相应的LED红灯亮；低于温度下限报警值时，相应的LED绿灯亮，同时向app发送报警信息。湿度检测有同样效果。（5）远程控制：手机上安装相应app；给系统上电，手机搜索并连接至蓝牙模块。液晶显示屏和手机app可同步实时显示温湿度值，app界面上保留历史数据。当温湿度超过阈值时，窗口显示对应参数的报警。可以通过手机app输入框发送代码调节温湿度报警阈值。3.硬件电路设计本系统主要硬件模块包括单片机模块、传感器模块、蓝牙模块、显示模块、报警模块。系统整体结构图如图3-1所示：温湿度传感器DHT11温湿度传感器DHT11报警显示电路STC89C52中心控制电路电压跟随器A/D转换器模拟开关模拟信号报警显示电路STC89C52中心控制电路电压跟随器A/D转换器模拟开关模拟信号液晶显示模块蓝牙主模块上位机液晶显示模块蓝牙主模块上位机图3-1系统的整体结构图单片机是整个系统的控制中心，它协调外围器件稳定工作，来发挥特定的作用。硬件设计上采用模块化设计，每一模块都有具体独立的功能，最后只需将各个模块连接到一起，构成完整的系统功能，以此来降低复杂系统的设计难度。3.1单片机模块单片机的最小应用系统是指使单片机正常运行的最简单、器件最少的电路系统，是大多数单片机控制系统中的基础。单片机最小系统一般由单片机、时钟电路、程序存储器以及复位电路组成。对于STC89C52单片机，由于片内有8K的程序存储器，所以其最小系统除了单片机外，只需外接时钟电路与复位电路即可。单片机最小应用如图3-1所示。（1）单片机STC89C52芯片是一款功耗低，性能高的CMOS的8位单片机。它的内部结构分为8Kb的Flash只读程序存储器(ROM)和256b的随机存取数据存储器（RAM），STC89C52具有MCS-51的内核，但同时又做了很多改进，拥有51系列单片机不具备的其他功能。灵活、稳定性高、可操作性高的STC89C52单片机可以在许多复杂系统控制场合应用。（2）复位电路任何产品都不能排除会在操作过程中出现问题的可能，此时要用到复位键（复位电路）来重启程序。复位电路一般都是具有手动和自动两种方式，手动复位其本质是内置电容的充放电，通过接9号的RST引脚来实现重启功能。复位电路的作用是初始化操作，其主要功能是把PC初始化为000H，让单片机从000H单元开始执行程序。（3）时钟电路晶振是时钟电路工作的基础，它借助单片机产生脉冲信号，好比单片机的心脏，它所提供的“心跳”越快，那么单片机的运行速度就会越快，单片机所有被指令的执行都是建立在单片机晶振所提供的时钟频率基础上。晶振X1的取值为11.0952M，在进行电路设计时，晶振部分越靠近单片机越好。采用两个相同数值22pF的电容C2和C3，保证频率稳定并能确保再特定频率内“起跳”。图3-1单片机最小应用系统图3.2DHT11模块温湿度测量环节是整个环节中最重要的初始过程，传感器能否灵敏地测量出环境温湿度，数值的精确与否都关系到系统的可靠性与实用性；本次设计采用灵敏度较高、使用方便的DHT11温湿度传感器。DHT11实物图如图3-2所示：图3-2DHT11实物图DHT11数字温湿度是一款自动转换信号的复合型传感器。内部置有电阻式感湿元件以及NTC测温元件，数据端能够将数据传送给高性能的8位单片机处理。引脚说明：Pin1：（VDD），电源引脚，供电电压为3-5.5VPin2：（DATA），串行数据单总线Pin3：（NC），空脚，悬浮。Pin4：（GND），接地端，电源负极。四条引脚中有两条是电源引脚，有两条是输出数据的引脚，只需要提供额定电压，然后采集输出引脚发送出来的信号即可。DHT11有模数转换功能，通过A/D芯片，可以将处理过后的数字信号传送至单片机。DHT11产品相关特性如表3-所示：表3-1DHT11的相关特性优点体积小、测量范围广、稳定性较高、较低的功耗以及传输距离长。可以同时测出温度值和湿度值，价格便宜，抗干扰能力强。测量范围与精度温度0~50℃精度±2℃湿度20~90%RH精度±5%RH应用领域暖通空调、数据记录器、测试设备、气象站以及湿度调节器方面应用较广，另外在医疗以及除湿器等方面的应用也比较普遍。注意事项避免结露情况下使用。长期保存条件：温度10－40℃，湿度60％以下DHT11温湿度传感器有标准接口，因此不需要再外接ADC，简化了操作，也能更加方便地设计系统。DHT11的输出为单总线数字信号。每次传输40bit，共5字节温湿度数据，向传输高位，然后传输低位。去除校验位，有效数据共有4个字节。第0字节是湿度的整数数据，第1字节是湿度的小数数据，第2字节是温度的整数数据，第4字节是温度的小数数据。校验位数据为前4个字节的和。DHT11通讯原理图如图3-3所示：图3-3DHT11通讯原理图总线空闲时保持高电平，当要传输数据时，主机把总线拉低至少18毫秒来等待DHT11响应,确保起始信号能被DHT11检测到。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，接着发送80毫秒的低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，进入延时并等待20-40us后，读取DHT11的响应信号。主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者可以输出高电平，上拉电阻用来拉高总线。位数据“0”和“1”的格式分别如下图3-4和3-5所示。图3-4位数据0格式图3-5位数据1格式位数据“0”的标准为50us持续低电平后加26-28us的高电平，位数据“1”的标准为50us持续低电平后加68-72us的高电平，可采用中断的方式计算每bit数据的持续时间来判断该位数据是“0”还是“1”。图3-6DHT11模块连接图DHT11传感器与单片机焊接过程：将DHT11的4号引脚GND接地，NC引脚空悬，DATA引脚连接至单片机P3.3口，VCC接至电源供电，其中在VCC和DATA间并联一个10K欧的电阻。DHT11模块连接图如图3-6所示。3.3HC-05蓝牙模块HC-05是一个蓝牙模块，连接到单片机的串行端口，单片机可以通过蓝牙连接并与其他设备建立通信。模块本身可以分为主模块和从模块来相互建立连接，并且可以用于各种应用，例如：机器人、监控系统、遥控小车、车载语音等。HC-05实物图如图3-6所示：图3-6蓝牙实物图3.3.1蓝牙模块特点:(1)采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准(2)输入电压为3.6-6V，禁止超过7V；(3)比特率为1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200，用户可设置。 (4)板载3.3V稳压芯片；蓝牙未配对时,负载电流约30mA(因LED灯处在闪烁状态,电流不断变化)；蓝牙配对成功后，负载电流大约10mA。(5)带有状态指示灯，用户可根据LED闪烁状态判断对应模式，如下表3-2所示：表3-2状态指示表LED状态对应模式LED快闪没有蓝牙配对LED慢闪进入AT模式LED常亮蓝牙配对成功3.3.2串口模块用到的引脚定义PIO8：连接至LED，指示模块工作状态，模块上电后闪烁，表示没有蓝牙配对。PIO9：连接至LED，当蓝牙串口匹配成功后，持续给LED供电，LED常亮，表示配对成功。PIO11：模块状态切换脚当引脚为高电平时，蓝牙工作在AT命令响应模式。当引脚为低电平时，蓝牙工作在常规工作状态。4.复位引脚：模块上带有复位电路，重新上电即可完成复位。3.3.3特殊指令说明（AT指令不区分大小写，均以回车、换行字符结尾：\r\n）表3-3特殊指令指令名称指令响应参数测试指令ATOK无模块复位AT+RESETOK无恢复默认状态AT+ORGLOK无获取模块蓝牙地址AT+ADDR?+ADDR:<Param>OKParam：模块蓝牙地址查询设备名称AT+NAME?+NAME:<Param>OK——成功2、FAIL——失败默认名称：“HC-05”设置设备名称AT+NAME=<Param>OKParam：蓝牙设备名称设置配对码AT+PSED=<Param>OKParam：配对码获取远程蓝牙设备名称AT+RNAME？<Param1>1、+NAME:<Param2>OK——成功2、FAIL——失败Param1：远程蓝牙设备地址Param2：远程蓝牙设备地址查询绑定蓝牙地址AT+BIND=<Param>OKParam——绑定蓝牙地址默认绑定蓝牙地址：00:00:00:00:00:00设置PIO单端口输出AT+PIO=<Param1>，<Param2>OKParam1：PIO端口序号（十进制数）Param2：PIO端口输出状态0——低电平1——高电平初始化SP规范库AT+INIT1、OK——成功2、FAIL——失败无

图3-7蓝牙模块电路连接图HC-05蓝牙模块与单片机焊接过程：将VCC引脚接至供电电源，GND引脚接地，EN引脚空悬，将TX引脚接至单片机P3.0/RXD引脚，将RX引脚接至单片机P3.1/TXD引脚。蓝牙模块连接图如图3-7所示。3.4LCD1602模块字符型LCD是一款专门用于显示功能的液晶模块。它可以显示数字、符号、字母以及一些特殊字符。目前字符型LCD常用的有16字×1行、16字×2行、20字×2行和20字×4行等模块，其型号通常为1602、1604、2002、2004等。本次设计采用LCD1602型号液晶屏。LCD1602可以显示两行内容，每一行可以显示16个字符。LCD1602具有体积小、显示内容丰富、成本较低、功耗较低、控制简单等优点，在袖珍式仪表和低功耗系统中广泛应用。LCD1602实物图如图3-8所示。图3-8LCD实物图LCD1602主要硬件参数如表3-4所示表3-4LCD1602主要硬件参数显示容量16×2个字符芯片工作电压4.5-5.5V工作电流2.0mA模块最佳工作电压5.0V字符尺寸2.95×4.35（W×H）mm表3-5并行指令基本操作表指令输入输出读状态RS=L，R/`W=H，E=HD0~D7=状态字读数据RS=H，R/`W=H，E=H无写指令RS=L，R/`W=L，D0~D7=指令码，E=高脉冲D0~D7=数据写数据RE=H，R/`W=L，D0~D7=数据，E=高脉冲无读操作时序与写操作时序如图3-9和3-10所示。对应的时序参数如图3-11所示。图3-9读操作时序图3-10写操作时序时序参数EH极限值单位测试条件最小值典型值最大值E信号周期tc400——nsE脉冲宽度tPW150--ns引脚EE上升沿/下降沿时间tR,tF--25ns地址建立时间tSP130--ns引脚E、RS、R/W地址保持时间tHD110--ns数据建立时间（读操作）tD--100ns引脚DB0〜DB7图3-11时序参数LCD1602显示屏是一款慢显示器件，因此在执行任何一条指令之前都会检测模块的忙标志是否为低电平，表示不忙，若为高电平则此指令失效。在显示字符前要求先确认显示字符的地址，即告诉模块在什么位置显示字符。内部显示地址如图3-12所示。图3-12LCD1602内部显示地址图1602液晶显示模块能够直接与单片机连接，其连接图如图3-13所示：图3-13LCD1602液晶屏电路连接图LCD1602与单片机焊接过程：VSS脚和VDD脚分别接到了电路的GND和电源供电，这2个脚是液晶工作的电源输入脚。VEE脚通过一个10K的电位器连接到地端，可通过调节该电位器来调节液晶的对比度。RS引脚是液晶的寄存器控制脚，接到了单片机的P1.0脚上。第5脚是液晶的读写控制脚，接到了单片机的P1.1脚上。第6脚是液晶的使能脚，接到了单片机的P1.2脚上。D0-D7引脚是液晶的数据/地址8位总线，接到了单片机的P0口上。为了加大单片机I/O的驱动电流，加上了一个10K的排阻作为上拉电阻。3.5外围电路本次设计外围电路主要有LED显示电路、蜂鸣器报警电路和按键调节电路。（1）蜂鸣器报警电路蜂鸣器俗称喇叭，在各种电子产品中广泛应用于报警、提示作用。因温湿度监测存在较大的变化性，当温湿度超过限值时，需要相应的提醒功能。因此本次设计采用峰鸣器报警电路。如图所示。蜂鸣器的额定电流不超过30Ma,而当蜂鸣器连接至STC89C52单片机时，P3口的灌电流为15mA，光靠单片机的P3口电流不足以驱动蜂鸣器工作，必须采用晶体管放大电路。为了满足单片机低功率的要求，使用PNP型晶体管，当检测环境的温湿度超过上限值或者低于下限值时，基级变为低电平，蜂鸣器导通开始鸣叫。蜂鸣器电路图如图3-14所示。图3-14蜂鸣器电路图（2）LED显示电路发光二极管俗称LED，在电路及仪器中常作为指示灯，也可以组成数字、文字或图案进行显示。它属于半导体二极管，使用时将电能转化成光能。发光二极管由一个具有单向导电性的PN结构成。当正向电压施加给发光二极管时，在P区的电子与N区的电子相复合，产生发射出的荧光。LED连接图如图3-15所示。由于发光二极管的伏安特性有很陡的曲线，且反向的击穿电压超过5v，因此在使用时要串联1K欧的限流电阻，以此来控制流过它的电流。在本次设计中，LED起到报警警示的作用，当温湿度值超过设定值上限时，对应红灯亮起。当温湿度值低于设定值下限时，对应绿灯亮起。图3-15LED连接图（3）按键调节电路为满足在不同场合使用该设计时有不同的温湿度限值要求，在总控制电路中接了三个轻触开关，起到调节上下限值的作用。且该上下限值留存在单片机EEPROM存储器中，掉电不失。当系统重新启动时，自动恢复上次设置的阈值。轻触开关电路图如图3-16所示。图3-16轻触开关电路图其中K2为设置按键；K3为数值增加按键；K4为数值减小按键。设置报警限值方法：按下设置键，首先进入温度下限报警值设置，可以通过加、减按键进行相应调节；再按下设置键，设置温度上限报警值，可通过按键进行调节；同理再按设置键，依次设置湿度报警值的下限和上限；设置完湿度上限报警值后再按设置键，恢复正常工作状态。图3-17外围电路连接图外围电路与单片机焊接过程：将三个轻触按键分别焊接到单片机的P3.5、P3.6、P3.7接口。将四个发光二极管的一端分别串联1K欧电阻并与单片机的P1.3、P1.4、P1.5、P1.6相连，另一端都连接至VCC。蜂鸣器与PNP型晶体管连接，然后串联电阻再接至单片机的P3.4引脚。外围电路连接图如图3-17所示。4.软件设计系统中的每个模块想要正常工作，都离不开软件程序；程序对于系统，就是大脑对于人类。系统每个功能的执行，都是调用内部的子程序。本系统的软件部分主要是针对如何通过单片机实时监控显示温湿度，以及如何向用户远程发送数据的问题。各模块关系如图4-1所示。显示模块显示模块单片单片机蓝牙蓝牙蓝牙模块牙了蓝蓝牙模块采集模块采集模块报警模块报警模块图4-1各模块关系图整个系统从原理上主要分为三个部分，其一为数据采集与处理部分，其作用为对被测参数进行检测，然后对采集到的原始数据做线性化处理，由数据采集与处理模块完成。其二为显示报警部分，液晶屏实时显示检测参数，由液晶屏LCD1602完成。其三为为无线通信部分，主要实现数据采集端与监测控制端实时的数据交换，由配对的蓝牙两端完成。4.1采集模块设计信息采集模块是本次设计测试的重点环节，关系着采集信息的质量和精度。模拟信号的采集电路通常由跟随器、模拟开关、A/D转换器、缓冲器等部分组成。被采集的信号经由A/D转换成数字信号后传输给单片机并存入存储器。电路的整个时序由逻辑控制模块协调控制。对于DHT11来说，主要操作还是读取数据，DHT11的读取过程为：主机发送开始信号后，延迟等待20us-40us后读取DHT11的回应信号，读取总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高，准备发送数据，每一bit数据都以低电平开始。当一次完整的采集数据后，DHT11会转换为低速模式。DHT11通讯过程如图4-2所示：图4-2DHT11通讯过程图时序主要分成三大部分：（1）触发DHT11采集数据（2）读取数字0（3）读取数字1。DHT11接收单片机发来的开始信号后，运行状态转为高速模式。主机开始信号发送完毕后，DHT11发送响应信号，输送5字节的数据，完成一次信号采集，用户可用来读取数据。如果没有检测到开始信号，则DHT11不进行上述工作。当数据采集完后，DHT11把总线拉低50us，接着总线经过上拉电阻拉高进入低速模式。DHT11程序流程如图4-3所示：图4-3DHT11程序流程图结合DHT11数据时序图及流程图，写出相应的控制程序过程为：主机拉低18ms总线由上拉电阻拉高，主机延时20us判断从机响应信号，不响应则跳出，响应则向下运行判断从机是否发出80us的低电平响应信号是否结束判断从机是否发出80us的高电平，如发出则进入数据接收状态采集40bit共5字节数据，并判断数据位是0还是1数据校验（校验位=湿度高位+湿度地位+温度高位+温度低位）接收显示过程如接收到的40位数据为：0011010100000000000110000000010001010001湿度高8位湿度低8位温度高8位温度低8位校验位计算00110101+00000000+00011000+00000100=01010001接收数据正确：湿度：00110101（整数）=35H=53%RH00000000（小数）=00H=0.0%RH湿度值=53.0%RH温度：000011000（整数）=18H=24℃00000100（小数）=04H=0.4℃温度值=24.4℃如校验位不等于湿度高位+湿度地位+温度高位+温度低位，则表示本次接收的数据不正确，将数据放弃，重新接收。4.2显示模块设计4.2.1显示设置显示数据随机存储区（DDRAM），用来寄存待显示的字符代码，最多能够存储80个字节作为显示数据。地址和屏幕的对应关系如表4-1所示：表4-1地址和屏幕对应关系表显示位置123456740DDRAM地址第一行00H01H02H03H04H05H06H27H第二行40H41H42H43H44H45H46H67H当要求在LCD1602液晶屏的第一行第一列显示一个大写字母“A”字，就是将“A”字的代码向DDRAM的00H地址写入就行了。当要写入数据时，需要按LCD模块的指令格式来进行相应的操作。通过查询PC的操作系统中BIOS，就可以找到对应字符固化的字符字模。字模代表了是在点阵屏幕上点亮和熄灭的信息数据。例如“A”字的字模：01110○■■■○10001■○○○■10001■○○○■10001■○○○■11111■■■■■10001■○○○■10001■○○○■如图左边的数据就是字母A的字模，右边就是将左边数据“0”用“○”代表，“1”用“■”代表。在LCD模块上也固化了字模存储器，共有192个常用字符的字模。4.2.2流程设计LCD10602显示程序同样采取了模块化设计方法。针对LCD1602写命令模块、写数据模块、初始化模块、坐标定位模块和数组显示模块，其中最基本的是写命令模块和写数据模块，其余三个模块就是这两个模块的组合。液晶显示模块工作的过程为：每次执行指令之前首先要检测本模块的当前工作状态。当模块的标志为低电平时，则不执行指令。需要显示字符时，需要将此字符的地址拉高成为高电平输入。LCD1602程序流程图如图4-4所示。图4-4液晶显示模块程序流程图其中通过LCD显示字符串步骤过程：第一步：检查LCD忙状态lcdbusy为1时，表示忙状态，继续等待。Lcd-busy为0时，表示闲状态，可进行写入指令与数据操作。第二步：写指令数据到LCDRS=L,RW=L,E=高脉冲，D0-D7=指令码。第三步：写显示数据到LCDRS=H,RW=L，E=高脉冲，D0-D7=数据第四步：设定显示位置第五步：LCD初始化，重复上述过程。4.3HC-05蓝牙配对4.3.1工作模式设置HC-05有两种工作模式，分别为AT指令模式和自动连接工作模式。AT指令模式（对蓝牙模块进行常用参数设置）state——接任意单片机I/O口rx——接usb转串口的tx端Tx——接usb转串口的rx端Gnd——接地5v——接5v电En——接任意单片机I/O口，高电平通信线路：电脑-->usb转串口-->hc05蓝牙模块（电脑与蓝牙模块进行串口传输）按住蓝牙模块的key键不松，单片机电路板上电，蓝牙模块指示灯进入慢闪状态，说明进入AT模式通过电脑串口工具可以设置蓝牙的工作参数与状态执行电脑串口工具，设置比特率38400，8位数据，1位停止位。进入AT指令模式后，可设置如下操作：（1）发送测试指令AT\r\n，如果返回OK表示通信正常，过程如图4-5所示。图4-5测试过程图（2）设置蓝牙串口波特率9600，无校验位，1停止位，过程如图4-6所示。发送：AT+UART=9600,0,0\r\n返回：OK图4-6设置波特率过程（3）修改蓝牙名称为HC-05，过程如图4-7所示。发送：AT+NAME=HC-05\r\n返回：OK图4-7修改名称过程（4）修改蓝牙配对密码为1234，过程如图4-8所示。发送：AT+PSWD=1234返回：OK图4-8修改密码过程2.自动连接工作模式（正常工作模式）state——接任意单片机I/O口rx——接单片机的tx端,P3^1tx——接单片机的rx端，P3^0gnd——接地5v——接5v电en——可不接通信线路：手机蓝牙控制端-->hc05蓝牙模块-->单片机单片机电路板上电，蓝牙模块指示灯进入快闪状态，说明进入自动连接模式手机打开蓝牙，即可搜到蓝牙模块，连接。打开手机端蓝牙串口工具，连接成功，蓝牙模块指示灯进入双闪状态，至此连接成功，准备发送数据。系统检测数据获取的另一条渠道为手机APP显示，由于安卓系统具有较高的开源优势，为开发者提供了较高的开发自由度，因此，系统App前期选择基于Andriod平台进行设计与开发。与Andriod手机连接成功图如图4-9所示。图4-9连接成功图4.3.2app远程控制本设计中手机APP将相应的控制指令码传送给蓝牙模块，蓝牙模块再将指令通过串口发送给单片机，单片机仅需从串口数据接收缓存寄存器SBUF中读取指令即可，然后根据读取到的控制指令执行相应的子程序，从而实现智能温湿度远程调控。设置阈值指令为：设置温度下限发送：TL：XX+回车（XX为两位数值）设置温度上限发送：TH：XX+回车设置湿度下限发送：HL：XX+回车设置湿度上限发送：HH：XX+回车4.4系统总体流程系统通电后进行串口初始化，接着进行DHT11和蓝牙模块等的初始化，然后发送命令让DHT11进行温湿度数据的采集转化，采集处理完数据后，主蓝牙模块开始搜索从蓝牙设备，搜索并连接后，将数据通过蓝牙传输到上位机，同时LCD1602显示温湿度数据，单片机判断是否报警。总程序流程图如图4-10所示：图4-10总程序流程图在上面的程序流程图中可以看出，数据采集和传输的软件设计由以下