一、項目介紹

當前文章介紹基于51單片機和SHT30傳感器設計的環境溫度與濕度檢測設備。設備采用IIC模擬時序通信協議，能夠實時監測環境的溫度和濕度，并將數據通過LCD顯示屏顯示出來；可以廣泛應用于室內環境監測、氣象觀測、農業溫室監測等領域。

在本項目中，使用了51單片機作為主控芯片，SHT30傳感器作為溫濕度傳感器，LCD顯示屏作為數據顯示模塊。通過51單片機的GPIO口模擬IIC通信協議，實現了與SHT30傳感器的數據通信。

二、硬件設計

2.1 硬件構成

本次設計所需的硬件主要包括以下部分：

STC89C52單片機
SHT30溫濕度傳感器
串口通信模塊
LCD1602顯示屏
電源模塊
杜邦線等連接線

2.2 硬件接口及信號

本次設計使用51單片機通過IIC總線與SHT30傳感器進行通信，同時使用串口與上位機進行數據傳輸，并使用液晶顯示屏顯示當前溫濕度值。

具體接口和信號定義如下：

(1) 51單片機與SHT30傳感器之間的IIC接口：

端口	功能	說明
P2.0	SDA	數據線
P2.1	SCL	時鐘線
P2.2	RESET	復位線

(2) 51單片機與串口通信模塊之間的接口：

端口	功能	說明
P3.0	TXD	發送線
P3.1	RXD	接收線
P3.2	GND	地線

(3) 51單片機與液晶屏之間的接口：

端口	功能	說明
P1.0-P1.7	DB0-DB7	數據線
P0.0	RS	指令/數據選擇線
P0.1	RW	讀/寫選擇線
P0.2	E	使能線
P0.3	CS	片選線
VCC	電源正極	5V
GND	電源地	地

三、軟件設計

3.1 SHT30傳感器代碼

下面代碼讀取SHT30傳感器的值并通過串口打印。

#include < REG52.h >
 #include < stdio.h >
 ?
 #define uchar unsigned char
 #define uint unsigned int
 ?
 sbit SDA=P2^0;
 sbit SCL=P2^1;
 ?
 void delay(int n)
 {
     int i;
     while(n--)
     {
         for(i=0; i< 120; i++);
     }
 }
 ?
 void start()
 {
     SDA = 1;
     _nop_();
     SCL = 1;
     _nop_();
     SDA = 0;
     _nop_();
     SCL = 0;
     _nop_();
 }
 ?
 void stop()
 {
     SDA = 0;
     _nop_();
     SCL = 1;
     _nop_();
     SDA = 1;
     _nop_();
 }
 ?
 void ack()
 {
     SDA = 0;
     _nop_();
     SCL = 1;
     _nop_();
     SCL = 0;
     _nop_();
     SDA = 1;
     _nop_();
 }
 ?
 void nack()
 {
     SDA = 1;
     _nop_();
     SCL = 1;
     _nop_();
     SCL = 0;
     _nop_();
 }
 ?
 void write_byte(uchar dat)
 {
     uchar i;
     for(i=0; i< 8; i++)
     {
         SDA = dat & 0x80;
         _nop_();
         SCL = 1;
         _nop_();
         SCL = 0;
         _nop_();
         dat < <= 1;
     }
     ack();
 }
 ?
 uchar read_byte()
 {
     uchar i, dat;
     for(i=0; i< 8; i++)
     {
         dat < <= 1;
         SCL = 1;
         _nop_();
         dat |= SDA;
         SCL = 0;
         _nop_();
     }
     return dat;
 }
 ?
 void init_sht30()
 {
     start();
     write_byte(0x80);
     if(read_byte() != 0x5A)
     {
         stop();
         return;
     }
     write_byte(0xBE);
     if(read_byte() != 0x08 || read_byte() != 0x00)
     {
         stop();
         return;
     }
     stop();
 }
 ?
 float measure_temp(void)
 {
     uchar temp_h, temp_l, crc;
     float temp;
 ?
     start();
     write_byte(0x80);  // 主機發送寫地址
     write_byte(0x2C);  // 選擇開始溫度測量命令
     write_byte(0x06);
     stop();
 ?
     delay(15);    // 延時等待溫度測量完成
 ?
     start();
     write_byte(0x81);  // 主機發送讀地址
     temp_h=read_byte();  
     ack();
     temp_l=read_byte(); 
     ack();
     crc=read_byte();
     stop();
 ?
     temp = ((temp_h< 8)+temp_l)*175.0/0xffff - 45.0; // 溫度值轉換公式
 ?
     return temp;
 }
 ?
 float measure_humi(void)
 {
     uchar humi_h, humi_l, crc;
     float humi;
 ?
     start();
     write_byte(0x80);  // 主機發送寫地址
     write_byte(0x2C);  // 選擇開始濕度測量命令
     write_byte(0x06);
     stop();
 ?
     delay(15);    // 延時等待濕度測量完成
 ?
     start();
     write_byte(0x81);  // 主機發送讀地址
     humi_h=read_byte();  
     ack();
     humi_l=read_byte(); 
     ack();
     crc=read_byte();
     stop();
 ?
     humi = ((humi_h< 8)+humi_l)*100.0/0xffff; // 濕度值轉換公式
 ?
     return humi;
 }
 ?
 void main()
 {   
     float temp, humi;
 ?
     init_sht30();   // SHT30 初始化
 ?
     TMOD=0x20;      // 定時器0工作方式2，8位定時器，用于波特率設置
     TH1=0xfd;       // 波特率9600
     TL1=0xfd;
     TR1=1;          // 啟動定時器0
 ?
     SCON=0x50;      // 設置串口工作方式1，允許接收，允許接收中斷
     ES=1;           // 允許串口中斷
 ?
     while(1)
     {
         temp = measure_temp();
         humi = measure_humi();
         printf("Temperature: %.1fC, Humidity: %.1f%\\n", temp, humi);
         delay(500); // 間隔時間500ms
     }
 }
 ?
 void ser() interrupt 4 using 2
 {
     if(RI)          // 接收到數據
     {
         RI=0;       // 清除標志位
     }
     if(TI)          // 發送完畢
     {
         TI=0;       // 清除標志位
     }
 }

在上面的代碼中，定義了兩個函數 measure_temp 和 measure_humi，分別用于測量溫度和濕度值，并返回結果。在主函數中，利用這兩個函數得到當前的溫濕度值，然后通過串口打印出來。

3.2 LCD1602顯示屏代碼

下面代碼是LCD1602驅動代碼，完成數字字符顯示。

#include < REG52.h >
 ?
 #define LCD1602_DB P0
 sbit  RS = P2^5;
 sbit  RW = P2^6;
 sbit  E  = P2^7;
 ?
 void delay(int n)
 {
     int i;
     while(n--)
     {
         for(i=0; i< 120; i++);
     }
 }
 ?
 void main()
 {   
     //LCD 初始化
     delay(1000);
     LCD1602_DB = 0x38;
     E = 1;
     delay(5);
     E = 0;
 ?
     delay(500);
     LCD1602_DB = 0x08;
     E = 1;
     delay(5);
     E = 0;
 ?
     delay(500);
     LCD1602_DB = 0x01;
     E = 1;
     delay(5);
     E = 0;
 ?
     delay(500);
     LCD1602_DB = 0x06;
     E = 1;
     delay(5);
     E = 0;
 ?
     delay(500);
     LCD1602_DB = 0x0C;
     E = 1;
     delay(5);
     E = 0;
 ?
     while(1)
     {
         //向LCD中寫入數字12345
         RS = 0;  //選擇指令寄存器
 ?
         LCD1602_DB = 0x80;  //設置地址為第一行的第一個字符位置(0x80 + 0x00)
 ?
         E = 1;
         delay(5);
         E = 0;
 ?
         RS = 1;  //選擇數據寄存器
 ?
         LCD1602_DB = 0x31;  //寫入數字1
         E = 1;
         delay(5);
         E = 0;
 ?
         LCD1602_DB = 0x32;  //寫入數字2
         E = 1;
         delay(5);
         E = 0;
 ?
         LCD1602_DB = 0x33;  //寫入數字3
         E = 1;
         delay(5);
         E = 0;
 ?
         LCD1602_DB = 0x34;  //寫入數字4
         E = 1;
         delay(5);
         E = 0;
 ?
         LCD1602_DB = 0x35;  //寫入數字5
         E = 1;
         delay(5);
         E = 0;
 ?
         delay(500); //間隔時間為500ms
     }
 }

在上面的代碼中，定義了函數 delay 用于延時等待，并且實現了LCD1602的初始化和寫入操作。在主函數中，執行LCD1602的初始化操作，然后循環不斷向LCD中寫入數字12345，并且間隔時間為500ms。

3.3 完整代碼

#include< reg52.h >
 #include< intrins.h >
 ?
 #define uchar unsigned char
 #define uint unsigned int
 ?
 sbit SDA = P2^0;    //定義SDA引腳
 sbit SCL = P2^1;    //定義SCL引腳
 sbit CS = P0^3;     //定義液晶屏片選引腳
 sbit RW = P0^1;     //定義液晶屏讀/寫引腳
 sbit RS = P0^0;     //定義液晶屏指令/數據引腳
 sbit E = P0^2;      //定義液晶屏使能引腳
 ?
 void delay(int n)   //延時函數，n為延時時間
 {
     int i;
     while(n--)
     {
         for(i=0; i< 120; i++);
     }
 }
 ?
 void start()        //開始信號
 {
     SDA = 1;        //數據線高電平
     _nop_();
     SCL = 1;        //時鐘線高電平
     _nop_();
     SDA = 0;        //數據線低電平
     _nop_();
     SCL = 0;        //時鐘線低電平
     _nop_();
 }
 ?
 void stop()         //結束信號
 {
     SDA = 0;        //數據線低電平
     _nop_();
     SCL = 1;        //時鐘線高電平
     _nop_();
     SDA = 1;        //數據線高電平
     _nop_();
 }
 ?
 void ack()          //應答信號
 {
     SDA = 0;        //數據線低電平
     _nop_();
     SCL = 1;        //時鐘線高電平
     _nop_();
     SCL = 0;        //時鐘線低電平
     _nop_();
     SDA = 1;        //數據線高電平
     _nop_();
 }
 ?
 void nack()         //非應答信號
 {
     SDA = 1;        //數據線高電平
     _nop_();
     SCL = 1;        //時鐘線高電平
     _nop_();
     SCL = 0;        //時鐘線低電平
     _nop_();
 }
 ?
 void write_byte(uchar dat)  //寫一個字節
 {
     uchar i;
     for(i=0; i< 8; i++)
     {
         SDA = dat & 0x80;
         _nop_();
         SCL = 1;
         _nop_();
         SCL = 0;
         _nop_();
         dat < <= 1;
     }
     ack();
 }
 ?
 uchar read_byte()   //讀一個字節
 {
     uchar i, dat;
     for(i=0; i< 8; i++)
     {
         dat < <= 1;
         SCL = 1;
         _nop_();
         dat |= SDA;
         SCL = 0;
         _nop_();
     }
     return dat;
 }
 ?
 void init_sht30()   //SHT30初始化
 {
     start();
     write_byte(0x80);
     if(read_byte() != 0x5A)
     {
         stop();
         return;
     }
     write_byte(0xBE);
     if(read_byte() != 0x08 || read_byte() != 0x00)
     {
         stop();
         return;
     }
     stop();
 }
 ?
 void measure()          //測量溫濕度值
 {
     float humi, temp;
     uint i;
     start();
     write_byte(0x80);
     read_byte();
     read_byte();
     read_byte();
     write_byte(0x2C);
     write_byte(0x06);
     for(i=0; i< 40000; i++); //等待測量結果
     start();
     write_byte(0x80);
     read_byte();
     read_byte();
     read_byte();
     humi = read_byte() * 256;
     humi += read_byte();
     temp = read_byte() * 256;
     temp += read_byte();
     stop();
     temp = -45 + (175*temp)/65535;  //轉化溫度
     humi = 100 * humi / 65535;      //轉化濕度
     //將溫濕度值通過串口發送
     printf("Temperature: %.1fC\\n", temp);
     printf("Humidity: %.1f%%RH\\n", humi);
 }
 ?
 void init_lcd()         //液晶屏初始化
 {
     RW = 0;
     RS = 0;
     E = 0;
     delay(15);
     write_byte(0x30);
     delay(15);
     write_byte(0x30);
     delay(5);
     write_byte(0x30);
     delay(5);
     write_byte(0x38);
     write_byte(0x08);
     write_byte(0x01);
     write_byte(0x06);
     write_byte(0x0c);
 }
 ?
 void display(float temp, float humi)    //顯示溫濕度值
 {
     uchar i;
     uchar temp_str[5];
     uchar humi_str[5];
     //轉化為字符串
     sprintf(temp_str, "%.1f", temp);
     sprintf(humi_str, "%.1f", humi);
     //顯示溫度
     RS = 0;
     E = 1;
     P1 = 0x80;  //第一行第一個字符
     E = 0;
     RS = 1;
     for(i=0; i< 5; i++)
     {
         E = 1;
         P1 = temp_str[i];
         E = 0;
     }
     //顯示濕度
     RS = 0;
     E = 1;
     P1 = 0xc0;  //第二行第一個字符
     E = 0;
     RS = 1;
     for(i=0; i< 5; i++)
     {
         E = 1;
         P1 = humi_str[i];
         E = 0;
     }
 }
 ?
 void main()
 {
     init_sht30();   //SHT30初始化
     init_lcd();     //液晶屏初始化
     while(1)
     {
         measure();  //測量溫濕度值并通過串口發送
         delay(1000);
         display(temp, humi);    //顯示溫濕度值
     }
 }
 ?