哈尔滨理工大学学士学位论文 图3-6 DS18B20与单片机接口电路
3.3 湿度采集电路设计
HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常有两种方法：一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。
NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电路可达200mA。在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，它可以延时数微妙到数小时。其工作电压范围为：4.5V≤VCC≤16V。硬件电路如图3-7所示。
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哈尔滨理工大学学士学位论文 图3-7 HS1101和NE555连接电路
把HS1101和NE555同时接入电路中的电路设计原理图如图3-6所示。NE555电路功能的简单概括为：当6端和2端同时输入为“1”时，3端输出为“0”；当6端和2端同时输入为0时，3端输出为“1”时；在此电路中，555定时器正是根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号的[13]。
当电源接通时，由于6和2端的输入为“0”，则定时器3脚输出为“1”；又由于CX两端电压为0，故VCC通过R4和R5对CX充电，当CX两端电压达到2VCC/3时，定时电路翻转，输出变为“0”.此时555定时器内部的放电BJT的基极电压为“1”，放电BJT导通，从而使电容CX通过R3和内部放电BJT进行放电，当CX两端电压降低到VCC/3时，定时器又翻转，使输出变为“1”，内部放电BJT截止，VCC又开始通过R4和R5对CX充电，如此周而复始，形成振荡[14]。
其工作循环中的充电时间为：
Th?0.（7R4?R5)CX
放电时间为：
T1?0.7R5*CX
输出脉冲占空比为：
q?（R4?R5)/(R4?2R5）
式中：Th 表示一次循环输出高电平时间，单位（s）
Tl 表示一次循环输出低电平时间，单位（s） CX表示相对湿度下HS1101的容值，单位（F）
为了使输出脉冲占空比接近50%，R4应远远小于R5。当外界湿度变化时，HS1101两端电容值发生改变，从而改变定时电路的输出频率。因此只要测出555的输出频率，并根据湿度与输出频率的关系，即可求得环境的湿度。空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，典
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哈尔滨理工大学学士学位论文 型频率湿度关系如表3-3所示（参考点：25℃，相对湿度：55%，输出频率：6660Hz）[15]。由此可以看出，空气相对湿度与555芯片输出频率存在一定线性关系。可以通过微处理器采集555芯片的频率，经过数据处理可以直接以相对湿度的数据进行显示。相对湿度与频率的关系如表3-4所示
相对湿度值/% 0 10 20 30 40 50 表3-4 相对湿度与频率的关系 输出频率值/Hz 相对湿度值/% 7351 7224 7100 6976 6853 6728 60 70 80 90 100 输出频率值/Hz 6600 6468 6330 6186 6033 3.4 液晶显示及报警电路
本系统需要将测得的温度值和湿度值显示出来，并判断其是否超出温湿度的上下限，若超出，则需要报警。
3.4.1 LCD1602液晶显示
1602液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、位数多、程序简单的诸多优点，颇受欢迎[16]。在本系统中使用的是字符型两行16字液晶显示器。在与单片机连接时使用接口电路（排针）相连，为并行通信。1602液晶显示采用标准的16脚接口，其中引脚功能如表3-5所示。
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 符号 VSS VDD VL RS R/W E D0 D1 表3-5 1602引脚功能表 引脚说明 编号 符号 电源地 电源正极 液晶显示偏压信号 数据/命令选择（H/L） 读/写选择端（H/L） 使能信号 Data 1/0 Data 1/0 9 10 11 12 13 14 15 16 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BLA BLK 引脚说明 Data 1/0 Data 1/0 Data 1/0 Data 1/0 Data 1/0 Data 1/0 背光源正极 背光源负极 - 18 -
哈尔滨理工大学学士学位论文 1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了不同的点阵字符图形，这些字符有，阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，其中数字与字母同ASCII码兼容。1602与微处理器的连接电路如图3-8所示。
图3-8 LCD1602与单片机连接电路
3.4.2 报警电路
在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值)则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。
本设计采用蜂鸣音报警电路。蜂鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过单片机的1根口线经驱动蜂鸣器发声。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以用一个晶体三极管驱动，在具体设计过程中，P2.5、P2.6口接晶体管基极输入端。当P2.5、P2.6输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约5V电压而发声；当P2.5、P2.6输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。报警电路使用蜂鸣器声音报警，电路连接图如图3-9所示。
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图3-9 蜂鸣器报警电路
3.5 电源模块
系统单片机，温度采集，湿度采集，显示及报警各部分均采用+5V USB供电，无线收发模块采用3.3V电源供电。电源+5V到3.3V转换电路如图3-10所示。
图3-10 无线模块+3.3V电源供电电路
3.6 无线模块
发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据；若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号[17]。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数
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