基于51单片机+SHT30设计的环境温度与湿度检测设备(IIC模拟时序)

一、项目介绍

当前文章介绍基于51单片机和SHT30传感器设计的环境温度与湿度检测设备。设备采用IIC模拟时序通信协议，能够实时监测环境的温度和湿度，并将数据通过LCD显示屏显示出来；可以广泛应用于室内环境监测、气象观测、农业温室监测等领域。

在本项目中，使用了51单片机作为主控芯片，SHT30传感器作为温湿度传感器，LCD显示屏作为数据显示模块。通过51单片机的GPIO口模拟IIC通信协议，实现了与SHT30传感器的数据通信。

二、硬件设计

2.1 硬件构成

本次设计所需的硬件主要包括以下部分：

• STC89C52单片机
• SHT30温湿度传感器
• 串口通信模块
• LCD1602显示屏
• 电源模块
• 杜邦线等连接线

2.2 硬件接口及信号

本次设计使用51单片机通过IIC总线与SHT30传感器进行通信，同时使用串口与上位机进行数据传输，并使用液晶显示屏显示当前温湿度值。

具体接口和信号定义如下：

(1) 51单片机与SHT30传感器之间的IIC接口：

(2) 51单片机与串口通信模块之间的接口：

(3) 51单片机与液晶屏之间的接口：

三、软件设计

3.1 SHT30传感器代码

下面代码读取SHT30传感器的值并通过串口打印。

#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);  // 主机发送写地址
    write_byte(0x2C);  // 选择开始温度测量命令
    write_byte(0x06);
    stop();

    delay(15);    // 延时等待温度测量完成

    start();
    write_byte(0x81);  // 主机发送读地址
    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; // 温度值转换公式

    return temp;
}

float measure_humi(void)
{
    uchar humi_h, humi_l, crc;
    float humi;

    start();
    write_byte(0x80);  // 主机发送写地址
    write_byte(0x2C);  // 选择开始湿度测量命令
    write_byte(0x06);
    stop();

    delay(15);    // 延时等待湿度测量完成

    start();
    write_byte(0x81);  // 主机发送读地址
    humi_h=read_byte();  
    ack();
    humi_l=read_byte(); 
    ack();
    crc=read_byte();
    stop();

    humi = ((humi_h<<8)+humi_l)*100.0/0xffff; // 湿度值转换公式

    return humi;
}

void main()
{   
    float temp, humi;

    init_sht30();   // SHT30 初始化

    TMOD=0x20;      // 定时器0工作方式2，8位定时器，用于波特率设置
    TH1=0xfd;       // 波特率9600
    TL1=0xfd;
    TR1=1;          // 启动定时器0

    SCON=0x50;      // 设置串口工作方式1，允许接收，允许接收中断
    ES=1;           // 允许串口中断

    while(1)
    {
        temp = measure_temp();
        humi = measure_humi();
        printf("Temperature: %.1fC, Humidity: %.1f%\n", temp, humi);
        delay(500); // 间隔时间500ms
    }
}

void ser() interrupt 4 using 2
{
    if(RI)          // 接收到数据
    {
        RI=0;       // 清除标志位
    }
    if(TI)          // 发送完毕
    {
        TI=0;       // 清除标志位
    }
}

在上面的代码中，定义了两个函数 measure_temp 和 measure_humi，分别用于测量温度和湿度值，并返回结果。在主函数中，利用这两个函数得到当前的温湿度值，然后通过串口打印出来。

3.2 LCD1602显示屏代码

下面代码是LCD1602驱动代码，完成数字字符显示。

#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中写入数字12345
        RS = 0;  //选择指令寄存器

        LCD1602_DB = 0x80;  //设置地址为第一行的第一个字符位置(0x80 + 0x00)

        E = 1;
        delay(5);
        E = 0;

        RS = 1;  //选择数据寄存器

        LCD1602_DB = 0x31;  //写入数字1
        E = 1;
        delay(5);
        E = 0;

        LCD1602_DB = 0x32;  //写入数字2
        E = 1;
        delay(5);
        E = 0;

        LCD1602_DB = 0x33;  //写入数字3
        E = 1;
        delay(5);
        E = 0;

        LCD1602_DB = 0x34;  //写入数字4
        E = 1;
        delay(5);
        E = 0;

        LCD1602_DB = 0x35;  //写入数字5
        E = 1;
        delay(5);
        E = 0;

        delay(500); //间隔时间为500ms
    }
}

在上面的代码中，定义了函数 delay 用于延时等待，并且实现了LCD1602的初始化和写入操作。在主函数中，执行LCD1602的初始化操作，然后循环不断向LCD中写入数字12345，并且间隔时间为500ms。

3.3 完整代码

#include<reg52.h>
#include<intrins.h>

#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

sbit SDA = P2^0;	//定义SDA引脚
sbit SCL = P2^1;	//定义SCL引脚
sbit CS = P0^3;		//定义液晶屏片选引脚
sbit RW = P0^1;		//定义液晶屏读/写引脚
sbit RS = P0^0;		//定义液晶屏指令/数据引脚
sbit E = P0^2;		//定义液晶屏使能引脚

void delay(int n)	//延时函数，n为延时时间
{
    int i;
    while(n--)
    {
        for(i=0; i<120; i++);
    }
}

void start()		//开始信号
{
    SDA = 1;		//数据线高电平
    _nop_();
    SCL = 1;		//时钟线高电平
    _nop_();
    SDA = 0;		//数据线低电平
    _nop_();
    SCL = 0;		//时钟线低电平
    _nop_();
}

void stop()			//结束信号
{
    SDA = 0;		//数据线低电平
    _nop_();
    SCL = 1;		//时钟线高电平
    _nop_();
    SDA = 1;		//数据线高电平
    _nop_();
}

void ack()			//应答信号
{
    SDA = 0;		//数据线低电平
    _nop_();
    SCL = 1;		//时钟线高电平
    _nop_();
    SCL = 0;		//时钟线低电平
    _nop_();
    SDA = 1;		//数据线高电平
    _nop_();
}

void nack()			//非应答信号
{
    SDA = 1;		//数据线高电平
    _nop_();
    SCL = 1;		//时钟线高电平
    _nop_();
    SCL = 0;		//时钟线低电平
    _nop_();
}

void write_byte(uchar dat)	//写一个字节
{
    uchar i;
    for(i=0; i<8; i++)
    {
        SDA = dat & 0x80;
        _nop_();
        SCL = 1;
        _nop_();
        SCL = 0;
        _nop_();
        dat <<= 1;
    }
    ack();
}

uchar read_byte()	//读一个字节
{
    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()			//测量温湿度值
{
    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++);	//等待测量结果
    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;	//转化温度
    humi = 100 * humi / 65535;		//转化湿度
    //将温湿度值通过串口发送
    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)	//显示温湿度值
{
    uchar i;
    uchar temp_str[5];
    uchar humi_str[5];
    //转化为字符串
    sprintf(temp_str, "%.1f", temp);
    sprintf(humi_str, "%.1f", humi);
    //显示温度
    RS = 0;
    E = 1;
    P1 = 0x80;	//第一行第一个字符
    E = 0;
    RS = 1;
    for(i=0; i<5; i++)
    {
        E = 1;
        P1 = temp_str[i];
        E = 0;
    }
    //显示湿度
    RS = 0;
    E = 1;
    P1 = 0xc0;	//第二行第一个字符
    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();	//测量温湿度值并通过串口发送
        delay(1000);
        display(temp, humi);	//显示温湿度值
    }
}