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)
作者：DS小龙哥
- 2024-09-09 重庆
本文字数：4688 字
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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 }}
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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 P0sbit 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 }}
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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 }}
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