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基于GSM短信的温湿度采集系统硬件设计（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！）基于GSM短信的温湿度采集系统硬件设计Hardware Design of Temperature and Humidity of the Acquisition System Based on GSM SMS基于GSM短信的温湿度采集系统硬件设计 摘 要 本论文主要设计基于GSM短信的温湿度采集系统硬件电路设计，其主要功能是以STC89C51单片机为核心，实现温湿度的采集、处理、发送及与PC机之间的通信。对温度、湿度参数测定，通过数字式温湿度一体传感器SHT11实现。单片机通过串口实现与GSM模块接口连接，同时也可通过串口实现与PC接口的连接。本文对每个模块逐一进行了研究，全面详细地论述了硬件电路的设计，对本设计中GSM模块、单片机控制模块、温湿度采集模块和MAX3232通信模块等工作原理及功能进行了详细的论述。关键词 单片机；短信模块；通信；GSMHardware Design of Temperature and Humidity of the Acquisition System Based on GSM SMSElectronic Information Engineering ZHANG KunAbstract: In this paper, the main design is based on the temperature and humidity GSM SMS acquisition system hardware circuit design, its main function is at the core STC89C51 single-chip, to achieve temperature and humidity of the collection, processing, delivery and communication between the PC machine. Temperature, humidity parameters determined by digital integration of temperature and humidity sensors to achieve SHT11. Single-chip through the serial port interface module with GSM connectivity, but also through the serial interface with PC connection. In this paper, one by one for each module of study, a comprehensive detail of the hardware circuit design, the design of the GSM module, single-chip control module, temperature and humidity acquisition module and communication module, such as MAX3232 working principle and function are discussed in detail.Key words: Single-chip; SMS Module; Communication;GSM目 录1 引言11.1 课题背景11.2 本设计的研究内容12 单片机控制系统电路设计32.1 STC89C51单片机32.2 看门狗电路设计32.3 系统电源模块设计53 GSM模块电路的设计53.1 SMS短信53.2 GSM模块63.3 TC35模块83.4 硬件电路设计104 温湿度采集模块电路的设计114.1 温湿度传感器SHT11114.1.1 SHT11引脚及功能124.1.2 SHT11工作原理124.1.3 SHT11温湿度传感器注意事项134.2 硬件电路设计145 通信电路模块设计145.1 RS232接口MAX3232145.2 硬件电路设计15结束语16附录18致谢19基于GSM短信的温湿度采集系统硬件设计1 引言1.1 课题背景近年来，随着人们生活质量的不断提高，以及楼宇智能化、自动化的不断兴起与普及，许多大型场所如购物中心、酒店、写字楼等都需要较为舒适的温湿度环境，因此，精确的温湿度采集在温湿度控制系统中显得极为重要。在现代工农业生产中，经常需要对环境温度与湿度进行测量与控制。特别是对于生物制药、食品加工、造纸等行业，准确测量温湿度更是至关重要的。目前，温湿度测量领域的新技术不断涌现，新产品也层出不穷。主要表现在以下2个方面：（1）温湿度传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件。（2）在温湿度测量系统中，普遍采用了线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等项新技术。传统的温、湿度采集测控系统，大多数采用仪表和人工方法进行测试和调节，因而精度低、灵敏度差，测试结果也不直观。温湿度的测量在仓储管理、生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用，传统的模拟式湿度传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。本设计采用先进的计算机设计，使湿、温度的测量、显示、记录和控制全部实现自动化，而且精度高、反应灵敏。短信息服务作为GSM网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视。本设计以GSM网络作为数据无线传输网络，可以开发出多种前景极其乐观的各类应用。典型的应用有：变电站、电表、水塔、水库或环保监测点等监测数据的无线传输和无线自动警报；远程无线控制高压线路断电器、加热系统、防洪拦阻系统或其它机电系统的启动和关闭；车队交通管理和控制指挥系统；控制和监测香烟、食品和饮料自动售货机的运行状态和存货水平等。这里选用GSM模块TC35，给出其和PC机的通信电路，本设计通过单片机控制对温湿度采集，实时监控室内温度湿度，可以随时将采集到的数据通过短信传输到手机等终端设备，也可以通过单片机驱动液晶，将检测的数据显示在液晶屏幕上。GSM网络的使用省去了通信线路的铺设，实现了远程控制，使采集系统投资少，构建灵活。1.2 本设计的研究内容如图1所示为课题硬件设计总体框图，主要包括以STC89C51单片机为核心的控制模块，由TC35芯片构成的GSM短信模块，由SHT11传感器构成的温湿度数据采集模块，由MAX3232构成的通信模块和系统供电模块。详细电路图见附录。STC89C51单片机TC35GSM模块SHT11传感器MAX3232电源模块看门狗图1 硬件设计总体框图（1）GSM模块随着通信事业的发展，移动通信应用领域的不断扩大，移动终端的设计也逐渐倍受关注。GSM 模块采用TC35及其构成的移动终端的硬件电路可以完成短消息收发等功能，已应用在基于GSM短消息的GPS车辆监控系统中。在本设计中，GSM模块用于将采集的温湿度信息以短信的形式发送到移动终端。（2）STC89C51单片机控制模块STC89C51单片机是整个设计的核心器件，用其控制对温湿度采集，实时监控室内温度湿度，可以随时将采集到的数据通过GSM网络传输到手机等终端设备，也可以通过单片机驱动液晶，将检测的数据显示在液晶屏幕上。（3）温湿度采集模块温湿度采集模块采用SHT1x系列的传感器SHT11。SHT1x系列单片集成传感器是Sensirion公司最近推出的一种可以同时测量湿度、温度和露点的传感器，不需外围元件直接输出经过标定了的相对湿度、温度及露点的数字信号，可以有效解决传统温、湿度传感器的不足。（4）串口通信模块串口通信模块采用MAX3232芯片，MAX3232为+3.0V供电的EIA/TIA-232和V.28/V.24通信接口芯片，具有低功耗、高数据速率、增强型ESD保护等特性。（5）电源模块由于本系统各芯片均是宽电压供电，所以本系统采用一块锂电池供电，也可采用三节普通1.5V电池串联供电。当电源电量不足时，可以被单片机控制模块的看门狗电路检测到，只要更换电池或取下充电即可。（6）看门狗电路本系统看门狗电路采用芯片X5045，它是SPI总线格式的具有看门狗、电压监控、上电复位和EEPROM数据存储的多功能芯片。2 单片机控制系统电路设计2.1 STC89C51单片机STC89C51RC/RD+系列单片机是超强抗干扰/高速/低功耗的单片机。其特点如下：（1）增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期（2）工作电压：5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）（3）工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的0-80MHz，实际工作频率可达48MHz。（4）用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字节（5）片上集成1280字节/512字节RAM（6）通用I/O口（32/36），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口，P0口是开漏输出，作为总线扩展时，不加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器（8）EEPROM功能（9）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒（10）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART本系统所用STC89C51采用DIP-40封装。2.2 看门狗电路设计单片机应用系统的开发一定要考虑系统的可靠性设计，“看门狗”是系统可靠性设计的重要一环。在一个单片机系统中，所谓的“看门狗”是指在系统设计中通过软件或硬件方式在一定的周期内监控单片机的运行状况。如果在规定的时间内没有收到单片机的清除信号，也就是我们通常所说的没有及时“喂狗”，则系统会强制复位，以保证系统在受到干扰时仍能维持正常的工作状态。本系统采用X5045芯片，它是一种具有上电复位、电压监控、看门狗定时以及E2PROM数据存储4种功能的多用途芯片。X5045与STC89C51单片机的SPI接口电路如图2所示。X5045的各引脚功能如下：CS：电路选择端，低电平有效； SO：串行数据输出端；SI：串行数据输入端； SCK：串行时钟输入端；WP：写保护输入端，低电平有效；RESET：复位输出端；VCC：电源端；VSS：接地端。图2 看门狗电路（1）上电复位向X5045加电时会激活其内部的上电复位电路，从而使RESET 引脚有效。该信号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。当VCC 超过器件的Vtrip门限值时，电路将在200ms（典型）延时后释放RESET以允许系统开始工作。（2）低电压监视工作时，X5045对VCC电平进行监测，若电源电压跌落至预置的最小Vtrip以下时，系统即确认RESET，从而避免微处理器在电源失效或断开的情况下工作。当RESET 被确认后，该RESET信号将一直保持有效，直到电压跌到低于1V。而当VCC 返回并超过Vtrip达200ms时，系统重新开始工作。（3）看门狗定时器看门狗定时器的作用是通过监视WDI输入来监视微处理器是否激活。由于微处理器必须周期性的触发CS/WDI引脚以避免RESET信号激活而使电路复位，所以CS/WDI引脚必须在看门狗超时时间终止之前受到由高至低信号的触发。2.3 系统电源模块设计本系统中所用芯片的工作电压如表1所示。表1 所用芯片的工作电压芯片工作电压(V)STC89C513.4-5.5TC353.3-5.5SHT112.4-5.5MAX32323.0-5.5由于本系统中所用芯片的工作电压都可以在3.3V-5.5V之间，所以电源可以直接采用4.5V锂电池或三节普通电池串联供电。由于GSM模块发送SMS时需要的峰值电流达到2A，所以为了保护电源和提供所需峰值电流，需设计GSM模块电源电路，其原理图如图3所示。图3 GSM模块电源电路3 GSM模块电路的设计3.1 SMS短信SMS短信（Short Messaging Service）系最早的短消息业务，也是普及率最高的一种短消息业务。目前，这种短消息的长度被限定在140字节之内，这些字节可以是文本的。SMS短信以简单方便的使用功能受到大众的欢迎，却始终是属于第一代的无线数据服务，在内容和应用方面存在技术标准的限制。短消息服务器使移动电话（包括 Pocket PC Phone）能够使用GSM网络发送短消息。SMS 短信也是一种存储和转发服务。也就是说，短消息并不是直接从发送人发送到接收人，而始终通过 SMS 中心进行转发的。如果接收人处于未连接状态（可能电话已关闭），则消息将在接收人再次连接时发送。SMS 短信具有消息发送确认的功能。这意味着SMS与寻呼不同，用户不是简单地发出短消息然后相信消息已发送成功；而是短消息发送人可以收到返回消息，通知他们短消息是否已经发送成功。SMS 短消息的发送和接收可以和 GSM 语音同步进行。SMS 短消息按消息收费，因此要比通过基于IP的网络（例如，使用 GPRS 通用分组无线业务）发送的数据昂贵得多（每字节）。 GSM的短信息业务SMS利用信令信道传输，这是GSM通信网所特有的。它不用拨号建立连接，把要发的信息加上目的数据发送到短信息服务中心，经短信服务中心完成存储后再发送给最终的信宿。所以当目的GSM终端没开机时信息不会丢失。每个短信的信息量限制为160字节。短消息服务(SMS)是GSM技术应用的一项重要内容，它具有一些突出特点如：一次可传输140个字节的数据，数据的内容可以是字符或数字；可以在GSM网络内端对端传输，还可以从GSM网络外(如互联网)发送短消息给一个端点站；短消息通过设在移动通信部门的短消息中心(MSC)用GSM系统的信令信道传送，与语音信道不冲突，即使终端处在通话状态下也可进行传送；在短消息传送过程中，不进行呼叫连接建立和释放的过程；MSC具有短消息的存储功能，在终端设备关机时，可以保持消息在一定时间内有效等。利用这些特点，及其双向传输的性能，可方便地实现对于采集站设备的信息采集和远程控制，即实现遥测和遥控。短消息业务是GSM系统中唯一不需要建立端到端业务通道服务。点对点短消息是以任意形式的字母数字串，通过数字控制信道传送的。空闲时占用独立专用控制信道(SDCCH)，信息速率为782b/s；通话时占用慢速随路控制信道(SACCH)，信道速率为383b/s。为了避免时延过长，以及对这些争抢接入信道负荷过大，每条短消息最大帧长度为140个字节(按ASCII字符7bit编码为160个字符)。因此可以在任何时候发送或接收短消息的传输协议数据单元TPDU(Transport Protocol Data Unit)，无论话音或数据通信是否正在进行。由于公众GSM网络在全球范围内实现了联网和漫游，建立GSM系统不须再组建专用通信网络，所以具有实时传输数据功能的短消息应用将可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系统，可以广泛用于远程监控、定位导航、个人通信终端等。3.2 GSM模块通信是在复杂的环境里进行的，GSM模块除了收到本系统内部有效的命令、数据外，还会收到一些其他信息、数据，如广告短信、移动公司的各种通知等。它们会从以下两个方面影响数据的正常传输。一方面，由于这些短信的长度、出现的时间及次数都是随机的，为保证系统的正常工作必须将接收缓冲区设置得较大，否则可能会造成缓冲区的溢出而引起系统崩溃；但一般受系统中使用的MCU资源的限制，缓冲区不可能设置得过大。另一方面，由于这些短信的频繁出现，信箱很快会被塞满，如不及时删除势必影响系统正常的数据传输。 （1）GSM模块软硬件接口GSM模块一般带有标准的异步串行接口，MCU通过该串行接口向GSM模块发送命令和数据，也通过它接收GSM模块的信息和数据。GSM模块上电后首先要进行初始化。一般来说，MCU首先可向它发送一AT命令“ATEO”，以消除“回显”，尽量减少MCU串行口接收到的字符；然后发送AT命令“CNMI”，将GSM模块设置为“主动通知模式”。这样当GSM模块收到短信后便会主动地向串口发送信息“CMTI”通知MCU，表示有新的短信到达。另外，还要检查信箱中是否存放有短信。若有，则将其一一读出，然后逐一删除，以保持信箱中为空。GSM模块开始工作后，每当收到短信时便会主动通过串口向MCU发送信息“CMTI”，MCU接收到此信息后发出AT命令“CMGR”读取短信，GSM模块即将该短信通过串行口发送给MCU，由MCU判断该短信是本系统内的正常数据，还是广告或其他信息。如果是本系统内的正常数据，则提取该短信中的数据，同时发出AT命令“CGMD”以删除该短信；如果不是正常数据，则直接删除该短信。MCU发送短信的过程如下：首先，MCU发送AT命令“CMGS”；然后，等待GSM模块的允许发送短信的响应信息“”，MCU收到响应信息后即可发送数据，GSM模块将数据以短信形式发送；最后，GSM模块通过串行口向MCU发出短信发送成功与否的信息。上述过程如图4所示。从GSM模块中读出的信息除短信本身外，还包括一些其他信息，如SIM卡号、日期时间、各种间隔结束字符等。在此过程中MCU的串行口会频繁地收到大量数据，因此必须要为串口设置足够的接收缓冲区。但由于MCU内RAM资源有限，为有效地使用资源，可将接收缓冲区设置为环形，缓冲区的大小应保证能够容纳一条最长的短信，再加上其他附加信息的长度。至于发送缓冲区，直接设定为合适大小即可。MCUGSM模块MCUGSM模块CMTICMGR短信内容CMGD回答CMGS短信内容回答接收短信发送短信图4 GSM模块收/发短信（2）具体实现在MCU与GSM模块通过串行口交换数据的过程中，一般串行口可用中断方式。MCU发送数据的情况较简单，故这里的重点是MCU串行口的接收。如前所述，接收缓冲区应设置为环形，由于MCU的存储器实际上是线性结构，因此环形缓冲区是通过指针操作实现的。初始化时使输入输出指针(dataindataout)同时指向开始位置，此时缓冲区为“空”。串口接收程序CommIsr()每向缓冲区中放入1个宁符后，使输入指针向后移动1位；移动到最右边时，指针应循环移动到缓冲器的左边；当输入指针移动到输出指针右边l位时，缓冲区为“满”，此时便不能再向缓冲区中放入字符。短信数据处理程序GetShortMsg()每从缓冲区中取出1个字符，输出指针移动l位，方法同输入指针。当输出、输入指针重合时，缓冲区为“空”。在工作中串行口接收中断程序将接收的每1个字符按顺序放入缓冲区中，而短信数据处理程序按顺序从缓冲区中取出每个字符，两者形成“生产者和消费者”的关系。3.3 TC35模块TC35是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务(Short Message Service)和传真。模块的工作电压为3.35.5V，可以工作在900MHz 和1800MHz两个频段，所在频段功耗分别为2W（900M）和1W（1800M）。模块有AT命令集接口，支持文本和 PDU 模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK 等模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。通过ZIF连接器及50天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持 FR、HR 和 EFR 语音信道编码。TC35为无线GSM/GPRS通信模块，集成了标准的串口以及SIM卡，可以在PC机上用AT命令通过串口对它进行设置。这使它成为在声音和数据通讯上通用的一个GSM/GPRS双频终端产品。TC35型模块是终端的主要功能部件，负责处理GSM蜂窝设备中的音频、数据和信号，内嵌的软件部分执行应用接口和所有GSM协议站的功能。基带处理器包含蜂窝无线部分的所有模，数转换功能，为满足GSM、PCS蜂窝用户市场日益增长的要求，在不用外接电路的情况下就能支持FR、HR和EFR语音和信道编码。射频部分基于SMARTi型电路，模块内的天线电缆连接到GSC类型的50连接器。TC35模块适合最小功率的GSM蜂窝设备，这种蜂窝设备的应用部分构成人机接口(MMI)。通过串口可接入TC35。TC35通过40针ZIF连接蜂窝应用部分，ZIF连接器提供控制数据、音频信号和电源线的应用接口。终端系统的工作电压为5 VDC。 TC35的引脚介绍如下：TC35模块有40个引脚，通过一个ZIF(Zero Insertion Force，零阻力插座)连接器引出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。TC35的第15引脚是正电源输入脚通常推荐值4.2V，第610引脚是电源地。11、12为充电引脚，可以外接锂电池，13为对外输出电压(共外电路使用)，14为ACCU-TEMP接负温度系数的热敏电阻，用于锂电池充电保护控制。15脚是启动脚IGT，系统加电后为使TC35进入工作状态，必须给IGT加一个大于100ms的低脉冲,电平下降持续时间不可超过1ms。1623为数据输入/输出，分别为DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0 和DCD0。TC35模块的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-T RS232接口标准。它有固定的参数：8位数据位和1位停止位，无校验位，波特率在300bps115kbps之间可选，默认9600bps。硬件握手信号用RTS0/CTS0，软件流量控制用XON/XOFF，CMOS电平，支持标准的AT命令集。其中18脚RXD、19脚TXD为TTL的串口通讯脚，需要和单片机或者PC通讯。TC35使用外接式SIM卡， 2429为SIM卡引脚，SIM卡同TC35是这样连接的:SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通过SIM卡阅读器与TC35的同名端直接相连，ZIF连接座的CCIN引脚用来检测SIM卡是否插好，如果连接正确，则CCIN引脚输出高电平，否则为低电平。TC35的第32脚SYNC引脚有两种工作模式，一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示TC35的工作状态，可用AT命令AT+SYNC进行切换，本模块使用的是后一种。当LED熄灭时，表明TC35处于关闭或睡眠状态；当LED为600ms亮/600ms熄时，表明SIM卡没有插入或TC35正在进行网络登录；当LED为75 ms亮/3s熄时，表明TC35已登录进网络，处于待机状态。30、31、32脚为控制脚，其中30为RTC backup，31为Power down，32 为SYNC。3538为语音接口，35、36接扬声器放音。37、38可以直接接驻极体话筒来采集声音（37是话筒正端，39是话筒负端）。TC35开发技巧：模块的供电电压如果低于3.3V会自动关机。同时模块在在发射时，电流峰值可高达2A。同时在此电流峰值时，电源电压（送入模块的电压）下降值不能超过0.4V。所以该模块对电源的要求较高，电源的内阻+FFC联接线的电阻必需小于200m。单片机通过两根I/O口控制TC35的开关机、复位等，通过串口与TC35进行数据通信，通信速率为9600bps，采用8位异步通讯方式，1位起始位，8位数据位，1位停止位。TC35模块输入输出的TTL正电平逻辑不是+5V，而是+2.9V，因此必要时加端口保护。3.4 硬件电路设计GSM模块硬件电路图如图5所示。图5 GSM模块硬件电路图TC35数据接口工作在CMOS电平(2.65 V)，单片机对TC35的控制和通信信号进行电平转换。本系统中通过MAX3232完成电平转换。系统加电后，为使TC35进人工作状态，必须给IGT加一延时大于100ms的低脉冲，电平下降持续时间不能超过100ms。启动后IGT应保持高电平(3.3 V)。驱动IGT时TC35的供电电压不能低于3.3V，否则TC35不能被激活。TC35的数据输入输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITURS232接口标准。它有固定的参数：8位数据位和l位停止位，无校验位，波特率为300 bs-115 kbs可选。 ZIF连接器给SIM卡接口提供6针，其中CCIN用来检测SIM卡是否插好。连接器的SYNC脚控制灯的状态，以此判断TC35的工作状态。TC35采用AT贺氏指令，单片机可以通过正确的AT指令对TC35模块进行初始化短消息的接收和发送。采用GSM的短信功能，可以使某些控制达到“零距离”。由于短信的费用低廉，可以取代传统的无线遥控。采用单片机控制TC35发送、接收GSM短信。单片机可以通过正确的AT指令对TC35模块进行初始化和通信数据的接收发送，系统的硬件电路部分包括天线、CPU、GSM模块、电源和馈电输出系统。CPU采用51系列单片机STC89C51，具有使用方便，抗干扰性好等特点。TC35模块是整个GSM系统的核心，它工作在EGSM900和GSM1800双频段，可传输语音和数据信号，功耗在EGSM900（4类）和GSM1800（1类）分别为2W和1W，通过接口连接器和天线连接器分别连接到SIM卡读卡器和天线。TC35摸块提供RS-232数据口，采用AT贺氏指令，符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，内置微控制器将GPS接收机和GSM模块结合在一起。TC35的数据接口（CMOS电平）通过AT命令可双向传输指令和数据，可选择波特率为300bit/s115kbit/s，自动波特率为1.2kbit/s115kbit/s。它支持文本和PDU格式的SMS（短消息），2.4k、4.8k、9.6k的非透明数据和第3组的一类、二类传真。可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复。图中描述了单片机和TC35模块的接口电路，需要注意的是TC35模块是作为数据通信设备（DCE）来连接的，而不是像一般调制解调器作为数据终端设备（DTE）进行连接。4 温湿度采集模块电路的设计4.1 温湿度传感器SHT11SHT11 是个芯片，它由标准数字输出的湿度和温度传感器模块组成。先定做后加工的 CMOS 应用程序确保高度的可靠性和稳定性。该芯片包括两个已校准的微型温度和湿度传感器，14 位的 A/D 转换器，放大器，线性校准电路和数字串行接口。一体化的结构使它具有质量好，反应快，抗干扰，价格低等特点。每一个传感器在精确的湿度室内校准，其校准系数被写到 OTP 存储器中。两线制的串行接口和内部电压校准使系统一体化，既容易又快捷。它的外形小巧，能耗低，适用于许多行业。如：汽车，仪表，医疗器械，供暖系统，通风设备和空调系统。SHT11 温湿度传感器的主要特性如下：（1）将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C 总线接口全部集成于一芯片；（2）可给出全校准相对湿度及温度值输出；（3）带有工业标准的I2C总线数字输出接口；（4）具有露点值计算输出功能；（5）湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和 8位；（6）小体积7.655.0823.5mm，可表面贴装；（7）具有可靠的CRC数据传输校验功能；（8）片内装载的校准系数可保证100 %互换性；（9）电源电压范围为2.45.5V；4.1.1 SHT11引脚及功能SHT11采用表面贴片封装形式，其内部结构框图如图6所示。GNDDATASCK温度传感器湿度传感器放大器标定存储A/D转换I2C总线接口VCC图6 SHT11内部结构框图由图可知，温湿度传感器所采集到的信息通过内部放大器放大，然后经过模数转换和I2C总线接口处理，输出I2C总线串行数字信号。标定存储为标准数据存储器。SHT11引脚说明如表2所示。表2 SHT1x引脚说明名称注释GND地DATA串行数据，双向SCL串行时钟，输入VDD供电2.4-5.5V4.1.2 SHT11工作原理SHT11的湿度检测运用电容式结构，采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。CMOSensT技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模数转换器、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内。SHT11的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。SHT11传感器的校准系数预先存在芯片内存OTP中。经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A /D 转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线总线器件，从而将数字信号转换为I2C总线串行数字信号。由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其它类型的湿度传感器优越得多的性能。首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而A/ D转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器都具有相同的功能， 即具有100 %的互换性。最后，传感器可直接通过 I2C 总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。4.1.3 SHT11温湿度传感器注意事项（1）按引脚说明图连接电路。区分使用引脚和非使用引脚，并注意ACC，GND，DATA，SCK四个引脚的具体位置。（2）SHT11焊接温度要求：使用标准的波动焊炉，在最高250的温度条件下不超过30秒手动焊接，在最高350的温度条件下接触时间须少于5秒。（3）传感器焊接后的恢复处理。由于焊接时传感器局部受热过高，可能导致测量数据不准确，（温度偏高，湿度偏低），因此，传感器焊接以后，需在2030（7090）和74的湿度条件下保持48小时（重新水合）。（4）传感器的应用环境要求：如果一些大分子与传感器内部的湿敏元件接触，很难再挥发到空气中，会阻塞空气中水分子的渗入，导致传感器反应不灵敏，测量湿度偏高。因此，在使用过程中，传感器要远离塑料、硅胶、香水等大分子材料和物质。（5）注意上拉电阻的连接。因为有很多由于不加上拉电阻或者阻值选用不当，给应用带来麻烦。通常情况，在数据线 DATA上加10K-20K 的上拉电阻。具体情况由用户根据自己的单片机类型进行实际调整。（6） 注意SCK的频率选择。SCK的频率范围为 4-6MHz，最高频率不得超过10MHz。如果选用晶振频率较高，要在软件上加一些延时和空操作指令，以调整时序。SCK 的最低频率没有限制。（7）注意避免冷凝现象的发生。SHT系列温湿度传感器在结露和浸水情况下，其本身的性能和质量不会受到任何损坏，但是，由于水滴对敏感元件的影响，会导致传感器测量数据不准确，此时读出的数据不具有实际意义。如果传感器工作在95%RH 以上高湿环境，要避免发生冷凝现象。方法：通过软件驱动传感器内部的加热器，打破冷凝条件，数据读取正常后，即可关掉加热器。4.2 硬件电路设计图7是STC89C51单片机与 SHT11的接口电路。图7 STC89C51单片机与SHT11的接口电路图中，U3为温湿度传感器SHT11。由于STC89C51不具备I2C 总线接口，故使用单片机通用I/ O口线来虚拟I2C 总线，并利用 P3.5来虚拟数据线 DATA，利用P3.4口线来虚拟时钟线，并在DATA 端接入一只10k的上拉电阻，同时在VDD及GND端接入一只0.1uF的去耦电容。5 通信电路模块设计5.1 RS232接口MAX3232MAX3232为EIA/TIA-232和V.28/V.24通信接口芯片，具有低功耗、高数据速率、增强型ESD保护等特性。增强型ESD结构为所有发送器输出和接收器输入提供保护，可承受15kV IEC 1000-4-2气隙放电、8kV IEC 1000-4-2接触放电(MAX3246E为9kV)和15kV人体放电模式。采用专有压差发送输出级，+3.0V至+5.5V供电时利用内部双电荷泵提供真正的RS-232性能。工作于+3.3V电源时，荷泵仅需要四个0.1F的小电容。每款器件保证在250kbps数据速率下维持RS-232输出电平。MAX3232E包括两个发送器和两个接收器。MAX3232的各引脚功能如下：C1+:倍压电荷泵电容的正极；V+：电荷泵产生的+5.5V电压；C1-：倍压电荷泵电容的负极；C2+：反相电荷泵电容的正极；C2-：反相电荷泵电容的负极；V-：电荷泵产生的-5.5V电压；T2OUT：RS-232驱动器输出；R2IN:RS-232接收器输入；R2OUT：TTL/CMOS接收器输出；T2IN:TTL/CMOS驱动器输入；T1IN:TTL/CMOS驱动器输入；R1OUT:TTL/CMOS接收器输出；R1IN: RS-232接收器输入；T1OUT: RS-232驱动器输出； Vcc: +3.0V+5.5V 电源电压。5.2 硬件电路设计通信模块电路如图8所示。单片机与GSM模块一般采用串行异步通信接口，通信速度可设定，通常为19200bps。采用这种RSM232电缆方式进行连接时，数据传输的可靠性较好。RS232接口方式连接，通过串行接口集成电路和电平转换电路与GSM模块连接，电路比较简单，所涉及的芯片包括单片机STC89C51和电平转换芯片MAX3232，是非常常见的接口电路。在检测系统中，下位机处理的数据通常都需要不断地传给上位机，而上位机也要不断往下位机发送命令，控制下位机的工作进程。单片机有一个全双工的串行通讯口，使用单片机和计算机之间可方便地进行串口通讯。进行串口通讯时要满足一定的条件，电脑串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，可以采用专用芯片MAX3232进行转换。通信电路以MAX3232芯片为核心，实现电平转换及串口通信