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1、基于单片机的便携式环境监测仪设计 摘要 温湿度和气压是环境中重要的物理参数，人类的生存和社会活动与温湿度、气压密切相关。在生产和生活中的许多场合，不论是仓库管理、图书保存，还是工业生产、居民生活，都对环境中的温湿度、气压有一定的要求，在某些行业中对温湿度、气压的要求更高。因此，对环境中温湿度、气压的检测和控制显得尤为重要，温湿度、气压的检测在很多现代科技领域中也成为一项重要技术。并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注，而且温湿度、气压的变化与人体的舒适度和情绪也有直接的影响，所以对温度、湿度、气压的检测就非常有必要了。便携式环境测试仪的设计采用智能化的测量方法实现对温度、湿
2、度、气压的检测。该系统以MSP430单片机作为主控芯片，采用了具有精度高、成本低、体积小、接口简单等优点的SHT11温湿度传感器实现温度与湿度的检测，气压传感器MPX4105实现气压的检测，采用点阵字符型 LCD显示温湿度字母、数字。该环境监测仪结构简单，并能很好的满足许多环境中对温湿度及气压检测范围和精度的要求。关键词：MSP430单片机 传感器 温湿度 气压Portable Environmental Monitor based on Single-Chip MicrocomputerAbstract The humiture and atmospheric pressure are im
3、portant physics parameters of environment, human beings survival and public activities go hand in hand with the parameters. many situations that are in the production and the life, not only warehouse management, preservation of books, but also industrial production, residents life, all have certain
4、request to the humiture and the atmospheric pressure of the environment, some professions have higher requirements. Therefore，it appears very important to examination and control the humiture and the atmospheric pressure of the environment, and humiture-atmospheric pressure detecting becomes an impo
5、rtant technology in many modern science and technology fields.The humiture and atmospheric pressure double parameters of the intelligent design test method for measuring temperature, humidity detection. This system to MSP430 single-chip microcomputer as the main control chip, have used the high prec
6、ision, low cost, small volume, simple interface of the advantages of SHT11 temperature ,humidity sensor and MPX4105 realize temperature and humidity test, The dot matrix characters type LED display temperature and humidity letters, Numbers.That instrument structure is simple, and can satisfy the req
7、uest of range and accuracy of the humiture and atmospheric pressure checks in various environments.Keywords：MSP430 microcontroller Sensor Humiture atmospheric pressure目 录1 绪论11.1 选题背景11.2 环境监测仪发展过程21.3 环境监测仪发展前景32 环境监测仪的工作原理及主要器件介绍42.1整体设计思路42.2 单片机MSP43052.2.1 单片机MSP430简介52.2.2 单片机MSP430主要特点52.2.3
8、单片机MSP430工作模式72.2.4 单片机MSP430端口介绍82.3 温湿度传感器SHT11102.3.1 温湿度传感器SHT11介绍102.3.2 温湿度传感器SHT11特点及应用领域102.3.3 温湿度传感器SHT11工作原理112.4 气压传感器MPX4105142.5 I2C总线定义153 系统硬件的设计173.1温湿度传感器SHT11电路173.2气压传感器MPX4105183.3 LCD显示183.4复位电路部分213.5时钟电路部分223.6超限处理电路253.7键盘电路264 系统软件设计274.1 监测仪所支持的功能274.2 监测仪的工作流程274.3 C语言开发的
9、优势305 系统调试与运行315.1 proteus软件介绍315.2 proteus电路功能仿真335.3 proteus对本设计的部分仿真34结论35致谢36参考文献37附录38461 绪论1.1 选题背景日常生活中，档案馆、图书馆、精密仪器室、超净车间等诸多场所都对环境温湿度有严格的要求，温湿度集散控制技术也是比较常见的应用技术。环境中的温湿度直接影响着动植物的生长。以农业为例，温湿度不仅直接影响植物的生长发育，且农产品及农药化肥等在存储及运输过程中极易受环境温湿度的变化而出现发霉变质等情况；环境温湿度对医疗卫生领域也具有重要的意义，药品、疫苗及其他医疗用品在生产、加工、存储及运输等各个
10、环节对环境温湿度有着严格的要求，不良的环境温湿度会引起医疗用品的实效变质，直接威胁到患者的生命安全。环境温湿度检测可有效地避免上述情况的发生，并为温湿度管理提供可靠地实验数据。温湿度的测量可以使用温湿度监测仪，它是环境记录仪中的一项，随着科技的进步，温湿度的相关监测仪表也向着智能化、小型化、低功耗的方向发展。在这个发展过程中，单片机发挥了重要的作用，本文介绍的湿度监测仪就是以单片机作为核心控制器设计的。它具有体积小、操作简单、测量精度高和抗干扰能力强等优点，能很好的满足许多环境中对温湿度检测范围和精度的要求。数字气压计是利用压敏元件将待测气压直接变换为容易检测、传输的电流或电压信号，然后再经过
11、后续电路处理并进行实时显示的一种设备。其中的核心元件就是气压传感器，它在监视压力大小、控制压力变化以及物理参量的测量等方面起着重要作用。运用于气压计的气压传感器基本都是依靠不同高度时的气压变化来获取气压值的。相对比于普通的水银气压计，有准确易读，易携带的优点。气象学研究表明，在垂直方向上气压随高度增加而降低。例如在低层，每上升100m气压便降低10hPa；在56km的高空，高度每增加100m，气压便会降低7hPa；而当高度进一步增加时，即到910km的高空之后，高度每增加100m，气压便会降低5hPa；同样，若空气中有下降气流时，气压会增加；若空气中有上升气流时，作用于空气柱底部的气压就会减小
12、。一般把作用于单位面积上空气柱的重量称为大气压力。数字气压计大量应用在各种工矿企业，野外作业，消费类电子产品等等的地方。需求极为广泛。本设计首先根据实际生产生活的需要提出温湿度、气压监测仪的功能要求，然后由这些具体要求设计出了硬件原理图，采用模块化的方法先将整个系统分成若干部分，然后逐模块进行硬件和软件设计，最后将各部分结合起来协调工作。它是利用单片机的在控制方面的突出优点，并综合运用现代检测技术、微控制技术、数据处理和通信技术以及LCD显示技术而设计的。可以实时、准确的测量环境中的温度、相对湿度和气压。1.2 环境监测仪的现状环境监测是环境管理的基础和技术支持，随着我国环境保护工作的发展，我
13、国环境监测技术也取得了较大的进步，环境监测仪器生产形成了一定的规模。目前，我国环境监测仪器的生产企业有140余家，年产值4.8亿元，约占全国环保产品产值的2.3%。环境监测仪器的主要产品是各种水污染和大气污染监测、噪声与振动监测、放射性和电磁波监测仪器。我国生产的烟尘采样器、烟气采样器、总悬浮微粒采样器、油份测定仪、污水流量计等环境监测仪器已接近或达到国际先进水平，在国内市场上占有很大比例。国产大型实验室用原子吸收、紫外可见分光光度仪、气相色谱仪等监测仪器自动控制技术采用程度较低，关键零部件尚依赖进口。我国环境监测仪器多是中小型企业生产，产品基本集中在中低档的环境监测仪器，远不能适应我国环境监
14、测工作发展的需要。主要表现为： 技术档次低，低水平、重复生产严重，规模效益差； 产品质量不高，性能不稳定，一致性较差，使用寿命短，故障率高； 研究开发能力较低，在线监测仪器的系统配套生产能力较低，不能适应市场要求。1.3 环境监测仪发展前景目前市场上的温湿度、气压监测系统多采用传统的有线方式，必须在采集现场铺设大量的线缆用于感应器供电，数据传输机数据采集。信号线，控制线，电源线混杂在一起，系统运行时，容易受到传输距离、电电磁干扰的影响而边的不稳定。随着无线通信技术的飞速发展，温湿度、气压监测系统正往无线监测方向发展，这样使系统在运行时不需要人工干预，具有实时监测、报警、及查询历史数据的功能。温
15、湿度、气压监测系统的完成建立在大量研究工作的基础上，在数据的采集、显示及远距离传输等方面做了充分实验，提出了多种可行的方案，可根据实际需要灵活变换。系统是以智能化为宗旨，旨在为工业级家庭提供有效、使用的温湿度、气压监测系统。这一方面是对当前工业温湿度、气压监测技术的更新，另一方面也为人们的家庭生活更加舒适提供了条件。无线温湿度、气压监测系统已经能够出色地完成基本的温湿度、监测工作，并且向智能化、自动化迈进了一大步，但是还有很多需要完善的地方。例如，供电部分可以做相应的改进，低功耗的同时采用新型能源，如与太阳能电池、热差电池、压差电池等，使电池寿命更长，解决特使领域环境的供电问题。还有应用领域的
16、创新，将我们的设计应用于其他领域，如电力行业，用于大型变压器及高压开关柜测温、测压，避免起火、爆炸等恶性事故的发生。常见气压计有液体气压计和盒式气压计。飞机上使用的高度计实际上是用盒式气压计改装成的。常见的液体气压计有水银气压计和酒精气压计两种，这两种都是老式的气压计，体积大，精度低，不方便携带且容易坏，当今社会科技高速发展，各行各业不断出现新技术新材料，气压测量这块也是这样，盒式气压计的出现部分的解决了液体气压计所无法解决的缺点，比如体积、方便携带等等。人类社会进入20世纪90年代以后微电子行业发展极为迅速，各种各样的电子传感器被发明且被运用到各行各业，为人们的生产生活创造了极大的便利。数字
17、气压传感器亦已出现，并大量被运用，甚至现在很多手持设备中都已经加入了气压计功能，比如手机，GPS等，方便了人们的出行旅游。便携式环境监测仪就是一个辅助人们完成日常生产活动中，涉及工业、农业、以及居家生活等各方面中各种指标的测试。将环境中温湿度、压力的测量功能集于一体，设计小巧便于携带，大大方便了人们的日常生活。2 环境监测仪的总体设计及主要器件选型本环境监测仪使用模块法设计，主要由单片机MSP430、温湿度传感器SHT11、气压传感器MPX4105电路连接而成。体积小巧，便于携带，且能够长时间待机。在接通电源后可以比较准确的测得周围环境的温湿度和气压。本环境监测仪还有一项功能就是可以对周围环境
18、的气压，温湿度进行监测。可以根据实际情况，对监测仪进行各种参数的上下限设定。当周围环境参数超过设定数值，环境监测仪就会报警。2.1 整体设计思路本设计核心部件为MSP430，信号采集及处理部分由SHT11和MPX410构成，进入单片机后经处理后通过LCD显示温湿度，其他组成部分为实时时钟发生电路，产生同现在相同的时间和具体日期。在软件设计部分有对测量的温湿度进行上下值的设定，当测量超过限定值，报警器会发生警报。硬件中包括一个开关，为复位开关。开机后，所有器件初始化，DS1302产生实时时间和日期，温湿度传感器SHT11开始进行温湿度测量和计算，最后通过LCD液晶显示器显示结果。在测量结果中有超
19、过设定温湿度上下限的，通过超限模块作出反应。其他是一些附件，比如复位、晶振电路。整体电路框图如图2.1所示。超限报警MSP430SHT11LCD1602MPX4105键盘晶振电路复位电路电源图2.1 整体电路框图2.2 单片机MSP4302.2.1 MSP430 简介MSP430系列单片机是美国德州仪器1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于
20、需要电池供电的便携式仪器仪表中。2.2.2 MSP430主要特点处理能力强MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。运算速度快MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。超低功耗MSP4
21、30 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V 电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165A左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1A。其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（FLL 和FLL+）时钟系统和DCO数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器（32.768kHz）DT-26 OR DT-38，也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟
22、可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在实时时钟模式下，可达2.5A ，在RAM 保持模式下，最低可达0.1A 。片内资源丰富MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位- ADC、DMA、I/O端
23、口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D 转换器；16 位定时器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，P0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps ，能够满足大多数数据采集
24、应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。另外，MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5s。方便高效的开发环境MSP430系列有OTP型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于OTP型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后烧写或掩膜芯片；对于LASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG
25、 调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C语言。2.2.3 MSP430工作模式MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。而
26、且运算速度快，超低功耗，片内资源丰富。另外，MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5s。MSP430工作在6V电压下有正常工作模式AM和4种低功耗工作模式LPM1、LPM2、LPM3、LPM4在电源电压为3V时各种模式的工作电流分别为 AM340uA、LPM170uA、LPM217uA、LPM32uA、LPM40.1uA。单片机可以方便的在各种工作模式之间切换。MSP430的超低功耗使其在电池供电、便携式设备的应用中表现出非常优良的特性。MSP430也具有非常高的集成度单片集成了多通道12bit的A/D转换、片内精密比
27、较器、多个具有PWM功能的定时器、斜边A/D转换、片内USART、看门狗定时器、片内数控振荡器DCO、大量的I/O端口以及大容量的片内存储器单片可以满足绝大多数的应用需要。MSP430的这种高集成度使应用人员不必在接口、外接I/O及存储器上花太多的精力而可以方便的设计真正意义上的单片系统。MSP430的片内存储器有ROMC型、OTPP型、EPROME型、Flash MemoryF型4种型号采用冯.诺伊曼结构因此RAM、ROM和全部的外围模块都位于同一地址空间内。2.2.4 MSP430端口介绍MSP430的引脚示意图如2.2所示图2.2 MSP430引脚图MSP430的端口有P1、P2、P3、
28、P4、P5、P6、S和COM（型号不同，包含的端口也不仅相同，如MSP430X11X系列只有P1,P2端口，而MSP430X4XX系列则包含全部上述端口），它们都可以直接用于输入/输出。MSP430系统中没有专门的输入/输出指令，输入/输出操作通过传送指令来实现。端口P1P6的每一位都可以独立用于输入/输出，即具有位寻址功能。常见的键盘接口可以直接用端口进行模拟，用查询或者中断方式控制。由于MSP430的端口只有数据口，没有状态口或控制口，在实际应用中，如在查询式输入/输出传送时，可以用端口的某一位或者几位来传送状态信息，通过查询对应位的状态来确定外设是否处于“准备好”状态。端口的功能：（1）
29、P1,P2端口：I/O,中断功能,其他片内外设功能如定时器、比较器；（2）P3,P4P5P6端口：I/O,其他片内外设功能如SPI、UART模式，A/D转换等；（3）S,COM端口：I/O,驱动液晶。MSP430各端口具有丰富的控制寄存器供用户实现相应的操作。其中P1,P2具有7个寄存器，P3P6具有4个寄存器。通过设置寄存器我们可以实现每个I/O位独立编程和任意组合输入，输出和中断；P1,P2所有8个位全部可以用作外部中断处理；可以使用所以指令对寄存器操作；可以按字节输入、输出，也可按位进行操作。端口P1,P2的功能可以通过它们的7个控制寄存器来实现。这里，Px代表P1或P2。（1）PxDI
30、R：输入/输出方向寄存器。8位相互独立，可以分别定义8个引脚的输入/输出方向。8位再PUC后都被复位。使用输入/输出功能时，应该先定义端口的方向。作为输入时只能读，作为输出时，可读可写。0：输入模式；1：输出模式。如：P1DIR|=BIT4;/P1.4输出，P2DIR=0XF0;/高4位输出，低4位输入。（2）PXIN：输入寄存器，为只读寄存器。用户不能对它进行写入，只能通过读取其寄存器的内容来知道I/O口的输入信号。所以其引脚的方向要选为输入。如再键盘键盘扫描程序中经常要读取行线或者列线的端口寄存器值来判断案件情况。例如：unsignedcharkey;P1DIR&=BIT4;/P1.4输入
31、key=P1IN&0X10;/输出端口P1.4的值（3）PXOUT：输出寄存器。该寄存器为I/O端口的输出缓冲寄存器，再读取时输出缓存的内容与引脚方向定义无关。改变方向寄存器的内容，输出缓存的内容不受影响。如：PIOUT|=0X01;/P1.0输出1，PIOUT&=0X01;/P1.0输出0。（4）PXIFG：中断标志寄存器。他的8个标志位标志相应引脚是否有中断请求有待处理。0：无中断请求，1：有中断请求。其中断标志分别为PXIFG.0PXIFG.7。应该注意的是：PXIFG.0PXIFG.7共用一个中断向量，为多源中断。当任一事件引起的中断进行处理时，PXIFG.0PXIFG.7不会自动复位
32、，必须由软件来判断是对哪一个事件，并将相应的标志复位。另外，外部中断事件的时间必须保持不低于1.5倍的MCLK时间，以保证中断请求被接受，且使相应中断标志位置位。（5）PXIES：中断触发沿选择寄存器。如果允许PX口的某个引脚中断，还需定义该引脚的中断触发方式。0：上升沿触发使相应标志置位，1：下降沿触发相应标志置位。如：MOV.B#07H,&P1IESp1低3位下降沿触发中断。（6）PXIE：中断使能寄存器。PX口的每一个引脚都有一位用以控制该引脚是否允许中断。0：禁止中断，1：允许中断。MOV.B#0E0H,&P2IEP2高3位允许中断。（7）PXSEL：功能选择寄存器。P1,P2两端口还
33、具有其他片内外设功能，将这些功能与芯片外的联系通过复用P1,P2引脚的方式来实现。PXSEL用来选择引脚的I/O端口功能与外围模块功能。0：选择引脚为I/O端口，1：选择引脚为外围模块功能。如：P1SEL|=0X10;/P1.4为外围模块功能。端口P3、P4、P5、P6没有中断能力，其余功能同PI,P2。除掉端口P1,P2与中断相关的3个寄存器，端口P3,P4,P5,P6的4个寄存器（用法同P1，P2）分别为PXDIR，PXIN，PXOUT，PXSEL可供用户使用。端口COM和S，他们实现与液晶片的直接接口。COM为液晶片的公共端，S为液晶片的段码端。液晶片输出端也可经软件配置为数字输出端口。
34、2.3 SHT112.3.1 SHT11简介在这里选择SHT11作为温湿度检测的主要元器件，SHT11是瑞士Sensirion公司生产的具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术融合，从而发挥出它们强大的优势互补作用，为开发高集成度、高精度、高可靠性的温湿度测控系统提供了解决方案。2.3.2 SHT11特点及应用领域SHT11具有高度集成，接口简单将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；提供二线数字串行接口SC
35、K和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输靠性高；测量精度可编程调节，内置AD转换器(分辨率为812位，可以通过对芯片内部寄存器编程米选择)；测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；封装尺寸超小(7.62mm5.08mm2.5mm)，测量和通信结束后，自动转入低功耗模式；高可靠性，采用CMOSens工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。所以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。2.3.3 SHT11工作原理SHT11的外形及管脚示意图如图2.3所示。图2.3 SHT11的外形及管脚示意图与传统的温湿度传感器不同，SHT
36、11是基于CMOS技术的新型智能温湿度传感器，它将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、二线串行接口全部集成于一个芯片内。使传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点。SHT11传感器默认的测量温度和相对湿度的分辨率分别为14位、12位，通过状态寄存器可降至12位、8位。湿度的测量范围是0100%RH，对于12位的分辨率为0.03%RH；温度测量范围为-40+123，对于14位的分辨率为0.01.每个传感器芯片都在极为精确的温度室中标定，标准系数以程序形式储存在OTP内存中，在测量过程中可对相对湿度自动校准，使SHT11具有100%的互换性。其测量的工作原理：首先利用2只
37、传感器分别产生相对湿度、温度的信号；然后经过放大，分别送至A/D转换器进行模数转换、校准和纠错；再通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至微控器完成非线性补偿和温度补偿。微处理器是通过二线串行数字接口与SHT11进行通信的。通信协议与通用的I2C总线协议是不兼容的，因此需要用通用微处理器I/O口模拟该通信时序。微处理器对SHT11的控制是通过5个5位命令代码来实现的，命令代码的含义如表2.1所示。表2.1命令代码含 义00011测量温度00101测量适度00111读内部状态寄存器00110写内部状态寄存器11110复位命令，使内部状态寄存器恢复默认值，下一次命令前至少等待11ms其他保留微处
38、理器采用二线串行数字接口和温湿度传感器芯片SHT11进行通信，所以硬件接口设计非常简单；然而，通信协议是芯片厂家自己定义的，所以在软件设计中，需要用微处理器通用I/O口模拟通信协议。SHT11的供电电压为35.5V。传感器上电后，要等待1s 以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF 的电容，用以去耦滤波。DATA 用于微处理器与SHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明，当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下：一次完整的数据传输40bit，高位先出。数据格式
39、：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和用户MCU发送一次开始信号后,SHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，SHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。从模式下，SHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，SHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。(1)总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待SHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证SHT11能检测到起始信号。SHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开
40、始信号结束，然后发送80us低电平响应信号。主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后，读取SHT11的响应信号,主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。(2) 总线为低电平，说明SHT11发送响应信号，SHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每一字节数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1。如果读取响应信号为高电平，则SHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。当最后一字节数据传送完毕后，SHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。SHT11通过二线数字串行接口来访问，需要注意的地
41、方是：DATA数据线需要外接上拉电阻，时钟线SCK用于微处理器和SHT11之间通信同步，由于接口包含了完全静态逻辑，所以对SCK最低频率没有要求；当工作电压高于4.5V时，SCK频率最高为10MHz，而当工作电压低于4.5V时，SCK最高频率则为1MHZ。2. 4 MPX4105MPX4105作为气压传感器。MPX4105可以产生于所加气压呈线性关系的高精度模拟输出电压，它具有以下特点：供电范围：4.855.35V，典型值为5.1V。测量范围：15105kPa。工作温度范围：085。温度补偿范围：-40+125。测量精度为1.7%VFSS。最低气压对应的输出电压VOFF为0.1840.428V
42、，典型值为0.306V；最高气压对应的输出电压VOFF为4.8044.988V，典型值为4.896V；满刻度输出电压间距VFSS的典型值为4.590V。气压传感器选用摩托罗拉公司生产地集成压力传感芯片MPX4105，其引脚分布如图2.4所示。MPX4105123456VOUT GND VCC NC NC NC图2.4 MPX4105引脚分布各引脚功能说明如下：VOUT(1脚)：电压输出脚。GND（2脚）：接地端。NC（4、5、6脚）：空引脚，用于芯片内部连接，悬空不适用。2.5 I2C总线定义I2C(InterIntegratedCircuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总
43、线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。I2C总线特点I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控(mul
44、timastering)，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。I2C总线工作原理I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分
45、，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况
46、作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。带有I2C接口的单片机有：CYGNAL的C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供I2C接口I2C总线是一种用于IC器件之间连接的双向二线制总线，所谓总线它上面可以挂多个器件，并且通过两根线连接，占用空间非常的小，总线的长度可长达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持4个组件。它的另一优点是多主控，只要
47、能够进行接收和发送的设备都可以成为主控制器，当然多个主控不能同一时间工作。I2C总线有两根信号线，一根为SDA（数据线），一根为SCL（时钟线）。任何时候时钟信号都是由主控器件产生。I2C总线操作I2C规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。控制字节在起始条件之后，必须是器件的控制字节，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，EEPROM一般应为1010），接着三位为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作。写操作分