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：

端口	功能	说明
P2.0	SDA	数据线
P2.1	SCL	时钟线
P2.2	RESET	复位线

(2) 51单片机与串口通信模块之间的接口：

端口	功能	说明
P3.0	TXD	发送线
P3.1	RXD	接收线
P3.2	GND	地线

(3) 51单片机与液晶屏之间的接口：

端口	功能	说明
P1.0-P1.7	DB0-DB7	数据线
P0.0	RS	指令/数据选择线
P0.1	RW	读/写选择线
P0.2	E	使能线
P0.3	CS	片选线
VCC	电源正极	5V
GND	电源地	地

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
     }
 }
 ​

审核编辑：汤梓红