【电气工程及其自动化】湿度检测系统设计

本科生毕业论文（设计）湿度检测系统设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2015年5月25日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1引言12系统设计121设计要求122系统方案设计1221控制方案选择1222传感器方案选择2223数据显示方案的选择223系统总体方案33系统硬件电路设计331概述332主控制模块4321性能参数及功能概述4322结构图及引脚5323主控模块电路原理图533DHT11传感器模块设计6331DHT11传感器简介6341602液晶显示模块设计83411602液晶显示屏简介83421602液晶显示模块电路原理图1035报警模块11351蜂鸣器介绍11352蜂鸣器工作原理114系统的软件设计1141主程序流程图11421602液晶显示模块设计1243传感器模块设计125总结13参考文献15附录A电路图16附录B程序清单17致谢湿度检测系统设计摘要本设计通过使用STC89C52单片机、DHT11传感器模块、1602液晶显示屏模块以及报警模块，实现了湿度检测系统。电路的主要设计包括单片机及外围电路的设计、液晶显示模块的设计和报警电路的设计。结合软件编程的方法，采用KEIL进行C语音的软件编程，通过调试，可以实现湿度检测和报警功能。系统具有电路简单，实用性强，可靠性高等特点。关键词DHT11传感器；1602液晶显示屏；STC89C52；报警DESIGNOFDETECTIONSYSTEMOFHUMIDITYABSTRACTTHISDESIGNACHIEVEDTHROUGHTHESTC89C52MICROCONTROLLER,THEDHT11SENSORMODULE,THE1602LCDMODULEANDTHEALARMMODULETHEMAINCIRCUITDESIGNINCLUDINGMICROCONTROLLERANDPERIPHERALCIRCUITDESIGN,LCDDESIGNANDALARMCIRCUITSCOMBINEDWITHSOFTWAREPROGRAMMINGMETHODS,USINGKEILCSPEECHSOFTWAREPROGRAMMINGPERFORMEDITCANREALIZETHEHUMIDITYDETECTIONANDALARMFUNCTIONBYINTEGRATEDDEBUGGINGSYSTEMHASASIMPLECIRCUIT,PRACTICAL,HIGHRELIABILITYANDSOONKEYWORDSDHT11SENSO1602LCDALARMMODULE1引言21世纪以来，科技推动着社会不断向前发展，湿度控制更加是当今社会研究的热门项目,是生活和工农业生产过程中必须考虑的因素。湿度作为最常见的被控参数，广泛应用于医药、实验室、烟草、粮仓等各个领域。而传统的湿度监测与控制则多数为通过人工进行检测，对不符合湿度要求的库房进行通风、降温、去湿等操作。这种人工测试方法效率低，且随机性和误差较大。因此就需要一种造价低廉、使用方便且计算精确的湿度控制仪器。利用单片机对湿度控制，具有稳定性高、功耗低、体积小、价格低，更加适于广泛推广和满足工艺要求。使用8051型单片机来设计湿度控制系统，可以实时并且精确的反应湿度的变化，在湿度上下限范围内进行监控。将此系统应用到生活和生产环境中，无疑会提供更加适宜的环境。2系统设计21设计要求（1）利用湿度传感器对湿度进行采集，即时传输给单片机，经过单片机对数据进行分析与处理，通过LCD显示当前值。（2）湿度实时采集，经过单片机处理，当湿度超过给定湿度的上下限数值时，将进行越限报警。（3）湿度的上下限数值，可以进行调整。22系统方案设计根据以上的设计要求，以下进行实现方案的比较论证，从中确定最合适的方案进行电路的设计制作。221控制方案选择方案一AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压、高性能CMOS8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器CPU和FLASH存储单元，功能强大。其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护我们的劳动成果。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户8。方案二STC89C51系列单片机的指令系统和AT89C51系列的完全兼容，和AT89C51对比有以下优点（1）AT89C51不带ISP下载，要用下载器才行，STC89C52可以USB转串口下载。（2）STC单片机对工作环境的要求比较低，电压低于5伏时仍然正常工作，甚至3伏到4伏之间都还可以工作。比较这两种方案，由于在学校期间学过数字电路、单片机原理、C语言程序设计，综合考虑单片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源，经过对比此次设计要求，我选择用STC系列芯片完成。而且学校也提供了相应的硬件操作平台，实际操作起来比较方便，故STC为更合理的选择。222传感器方案选择选用DHT11作为设计的湿度检测模块。DHT11是一款集成型的数字温湿度一体传感器，湿度精度5RH，湿度量程2090RH。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。超小的体积、极低的功耗，使其成为该类应用中，在苛刻应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。经上述分析，方案能满足设计要求，且简便易行、可靠稳定。具有较高的性价比。223数据显示方案的选择方案一采用12864液晶显示屏。液晶显示模块是12864点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机8位并行及串行两种连接方式。具有多种功能光标显示、画面移位、睡眠模式等。方案二采用HJ1602液晶显示屏。HJ1602A是一种工业字符型液晶，能够同时显示16X02即32个字符。（16列2行）。1602只能显示字母、数字和符号能显示162个字符，但寄存器不止32个。采用单5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。总结在编程使用方面，两者难度和原理相差不大，当然12864液晶屏显示更全面、字符更多。相比于1602液晶屏、12864能更形象具体的实现显示功能。不过1602液晶屏也能实现设计的要求，且价格比较廉价。而12864液晶显示屏比较贵。从造价方面考虑和功能的实现上考虑，优先选择1602。23系统总体方案按照系统功能的具体要求，在保证实现其功能的然础上，尽可能降低系统成本。总体设计方案围绕上述思想，初步确定系统的方案如图1所示图1系统方案图从图中可以看出，系统有微处理器模块、1602字符液晶显示模块、DHT11传感DHT11湿度模块单片机LCD1602显示报警电路器模块和报警模块组成。该设计以STC89C52系列单片机为控制核心，实现湿度采集及显示的基本功能。在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步的设计各个单元功能模块，系统的硬件部分可以分为传感器的使用、单片机控制、1602液晶显示和实现报警四大部分。3系统硬件电路设计31概述此次的毕业设计主要由主控模块、传感器模块、LCD液晶显示模块及报警模块，其中核心模块是主控模块，主要是指STC89C52芯片，它控制整个系统的运行，利用其各个口分别控制其他模块，使其他模块能够成为一个整体，实现功能的需要；传感器模块用于实验室实时湿度的检测、由于DHT11的数字一体性，集成了模数转换等模块。LCD液晶显示模块同样接入单片机，完成对单片机处理后的数据进行显示；报警模块主要指将蜂鸣器接入单片机电路。通过对实时湿度的检测，并给定所需要的湿度区间，即给定上下限值，实现越限报警。32主控制模块单片机（也被称为微控制器），是一种具有微型电脑功能的集成IC电路芯片。这些组件由一个CPU中央处理单元，和一个数据存储器RAM，程序存储器ROM，定时器/计数器，EEPROM2K字节的存储空间和各种I/O接口电路8。4K字节的FLASH可编程、可擦除只读存储器PEROM,它采用了CMOS工艺和ATM。STC89C52低功耗/低电压，高性能的8位微控制器。有4K字节储存空间的的片上闪存，可编程修改的（PEROM）只读存储器，它采用了现代的IC制作技术CMOS工艺，以及应用ATMEL公司研发的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，其输出引脚和指令与MCS兼容51。片上快闪记忆体系统可适于允许一个程序或传统的非易失性存储器编程器编程。所以STC89C52是一款功能强大，灵活性高和价格合理的单芯片，也可以在不同的控制区域可以很容易地使用。321性能参数及功能概述（1）STC89C52具有下列主要性能1000次擦写周期6个中断源全静态操作0HZ24MHZ2个16位定时/计数器可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式三级加密程序存储器1288字节内部RAM32个可编程I/O口线与MCS51产品指令系统完全兼容4K字节可重擦写FLASH闪速存储器（2）功能特性概述STC89C52提供以下标准功能4K字节的闪存，128字节的内部RAM，32个I/O线，两个16位计数器/定时器，一个两级的中断结构，一个全双工串行通讯接口，片上振荡器和时钟电路。同时，STC89C52设计和静态逻辑，工作频率可以降低到0HZ，并提供两个可用的软件设置省电模式和掉电模式。在空闲模式下，CPU停止工作的，和RAM，定时器/计数器，串口和中断系统继续工作。在中断点，片上振荡器停止工作，因为时钟是“冻结”，使所有功能都存储在片内RAM只有等到下一个硬件复位内的内容暂停。322结构图及引脚STC89C52的封装引脚如图2所示图2STC89C52封装引脚图323主控模块电路原理图单片机主程序模块通过对DHT11传感器采集到信号的读取，将得到的数据信号进行分析和处理，再将处理后的信号发送给1602液晶显示模块。完成信息的接收与发送。并且连接蜂鸣器。控制报警系统。如图3所示图3STC89C52模块电路原理图33DHT11传感器模块设计331DHT11传感器简介DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为该类应用中，在苛刻应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。其实物如图4所示图4DHT11传感器实物图（1）接口说明建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻，其典型的应用电路如图5所示图5DHT11典型应用电路（2）数据帧的描述DATA用于微处理器与DHT11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为40BIT,高位先出。数据格式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校验和数据。数据传送正确时校验和数据等于“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”所得结果的末8位。（3）电气特性VDD5V，T25，除非特殊标注，如表1所示表1DHT11的电气特性参数条件MINTYPMAX单位供电DC3555V测量0525MA平均021MA供电电流待机100150UA采样周期秒1次（4）时序描述用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11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,DHT11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,DHT11不会主动进行温湿度采集采集数据后转换到低速模式。总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,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2040US后,读取DHT11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3。总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80US,准备发送数据,每一BIT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格式见下面图示如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常当最后一BIT数据传送完毕后，DHT11拉低总线50US,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。341602液晶显示模块设计3411602液晶显示屏简介HJ1602A是一种工业字符型液晶，能够同时显示16X02即32个字符。（16列2行）。在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用161，162，202和402行等的模块。1602字符型液晶显示器实物如图6和图7所示图6液晶屏正面图图7液晶屏反面图（1）引脚说明第1脚VSS为地电源。第2脚VDD接5V正电源。第3脚VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚D0D7为8位双向数据线。第15脚背光源正极。第16脚背光源负极。（2）1602LCD的RAM地址映射以及标准字库表LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符图有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的（说明1为高电平，0为低电平）。LCD1602模块控制指令表，如表2所示表2LCD1602模块指令表指令RSRWD7D6D5D4D3D2D1D01清屏00000000012光标返回0000000013输入模式00000001I/DS4显示控制0000001DCB5光标/字符移位000001S/CR/L6功能设置命令00001DLNF7置字符发生器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志和地址01BF计数器地址10写数据到指令10要写的数据11读数据指令11读出的数据3421602液晶显示模块电路原理图液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。1602显示模块电路图如图8所示图81602显示模块电路原理图35报警模块351蜂鸣器介绍蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“ZZG”、“LB”、“JD”等）表示。352蜂鸣器工作原理蜂鸣器工作原理如图9所示图9蜂鸣器工作原理图4系统的软件设计41主程序流程图主程序流程图，如图10所示图10主程序流程图421602液晶显示模块设计液晶显示模块是一个慢显示器件，在执行每条指令之前要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，则此指令失效，要显示字符时要先输入显示字符地址，告诉模块在哪里现实了字符。1602液晶显示模块可与STC89C52直接接口的。软件流程图如图11所示开始LCD初始化延时设置显示位置显示内容图11液晶显示软件流程图43传感器模块设计温湿度模块DH11数字温湿传感器加湿器温湿度传感器随着科技的不断发展，汽车、空调、除湿器、烘干机等种类繁多的电器都已进入人们的日常生活，而这些开始初始化延迟湿度测量1602显示数据判断湿度低于设定下限高于设定上限蜂鸣器响铃蜂鸣器响铃结束电器设备很多都离不开对温度、湿度等环境因素的要求。因此，温度、湿度传感器用途越来越广泛。新一代的数字传感器不再需要外置的AD转换模块，并具有标准接口，使用方便，得到了越来越多的应用。DHT11作为一种新型的单总线温湿度数字传感器，具有更多的优点，它使系统设计更加简单，控制方便，易于实现。目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有I2C总线、SPI总线和SCI总线。其中I2C总线以同步串行两线方式进行通信1条时钟线，1条数据线，SPI总线则以同步串行三线方式进行通信1条时钟线，1条数据输入线，1条数据输出线，而SCI总线是以异步方式进行通信的1条数据输入线，1条数据输出线。这些总线至少需要两条或两条以上的信号线。DHT11传感器模块的软件流程图如图12所示给DHT11上电延时1S保持高电平检测记录信号输出低电平延时输出低电平数据输出结束信号图12DHT11传感器模块程序流程图5总结系统以单片机为核心部件的控制系统，利用软件编程，最终基本上实现了各项要求。虽然系统还存在一些不足，不过大体能反映出设计的目的和要求。与预期的结果相差不多。从确定题目，到后来查找资料，理论学习，实验编程调试，这一切都使我的理论知识和动手能力有了很大的提高。了解了单片机的硬件结构和软件编程方法，对单片机的工作方式有了很大的认知。同时，对一些外围设备比如传感器、液晶屏、蜂鸣器等有了一定的了解。学会了分析设计的系统要实现什么功能，需要什么器件；然后，针对设计购买相应的硬件，选用硬件时不仅要选用经济的，更重要的是如何能更精确更方便的完成系统的要求；再次，对各个硬件的软件实现要弄清楚，如何更好的实现各个硬件的协调，更好的通过主控制器件实现硬件的功能。最后，通过各种测试与调试，让设计更好的完成系统要求。参考文献1王宝芹,范长胜,郭艳玲基于单片机的温室温湿度控制系统设计J林业机械与木工设备,2008,0339412李俊,张晓东基于单片机的温湿度检测与控制系统研究J微计算机信息,2008,171161183李和平基于AT89S52的矿井温湿度智能控制系统设计J吉首大学学报自然科学版,2010,0170724夏晓南基于单片机的温箱温度和湿度的控制J现代电子术,2005,241171195李建忠编著单片机原理及应用M西安电子科技大学出版社,20026金伟正温湿度检测控制系统的研制J电子与自动化,2000,022527537陈良光,宋荷庆,金华频数字式温度传感器原理及其应用J中国仪器仪表,2001,0115188胡汉才编著单片机原理及其接口技术M北京清华大学出版社,2004附录附录A电路图附录B程序清单INCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARUCHARDATADISDATA5DEFINELCD_BUSP0SBITRSP26SBITRWP27SBITENP25SBITSETKEYP22SBITUPKEYP21SBITDNKEYP20SBITBEEPP24UNSIGNEDCHARSET0UNSIGNEDCHARALARMRHLOW40,ALARMRHTOP80UCHARSTR7VOIDDELAYMSUINTMSUCHARIWHILEMSFORI0I“WRITESTRING8,2,“DISPLAYRHALARMBREAKCASE2WRITESTRING0,2,“WRITESTRING8,2,“DISPLAYRHALARMBREAKWHILESETKEY0IFUPKEY0IFUPKEY0SWITCHSETCASE1IFALARMRHLOW0ALARMRHLOWELSEALARMRHLOW0DISPLAYRHALARMBREAKCASE2IFALARMRHTOP0ALARMRHTOPELSEALARMRHTOP0DISPLAYRHALARMBREAKWHILEDNKEY0VOIDDELAY_N10USUINTNUINTIFORINI0I_NOP_NOP_NOP_NOP_NOP_NOP_SBITSCKP10SBITDATAP11TYPEDEFUNIONUNSIGNEDINTIFLOATFVALUEENUMTEMP,HUMIDEFINENOACK0DEFINEACK1DEFINESTATUS_REG_W0X06DEFINESTATUS_REG_R0X07DEFINEMEASURE_TEMP0X03DEFINEMEASURE_HUMI0X05DEFINERESET0X1EVOIDS_TRANSSTARTVOIDVOIDS_CONNECTIONRESETVOIDCHARS_WRITE_BYTEUNSIGNEDCHARVALUECHARS_READ_BYTEUNSIGNEDCHARACKCHARS_MEASUREUNSIGNEDCH