基于单片机的湿度显示器设计方案

1 基于单片机的湿度显示器设计方案 第 1 章 绪论 课程设计背景 概述 进入 21 世纪后，各行各业特别是传统产业都急切需要应用电子技术、自动控制技术进行改造和提升很多企业对温湿度的测控手段很粗糙，十分落后，绝大多数仍在使用湿球湿度计，采用人工观测人工调节阀门、风机的方法，很少有人使用温湿度传感器。 随着科技的发展进步，工业及电器行业对温湿度的要求的提高，温湿度传感器的应用范围也越来越加广泛。 本 课程设计的内容 在本次课程设计中，为实现对温湿度的检测与显示，主要利用以 核心构架硬件电 路， 湿度传感器采集环境温度及湿度信息， (温度检测范围： +55 。测量精度： 2 .；湿度检测范围： 20%H。检测精度： 5% 显示方式： 温度：四位显示；湿度：四位显示 )；同时利用 C 语言编程实现温湿度信息的显示功能。 本课程设计的意义 最近几年来，随着科技的飞速发展，单片机领域正在不断的走向社会各个角落，还带动传统控制检测日新月 异更新。在实时运作和自动控制的单片机应用到系统中，单片机如今是作为一个核心部件来使用，仅掌握单片机方面知识是不够的，还应根据其具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，加以完善。“单片机原理及应用课程设计”是电子类专业的学科基础科，它是继“汇编语言程序设计”，“接口技术”等课程之后开出的实践环节课程。 现代社会越来越多的场所会涉及到温度与湿度并将其显示。 由于温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系， 例 如 ： 冬天温度为 18 至25 ，湿度为 30%至 80%；夏天温度为 23 至 28 ， 湿度为 30%至 60%。在此范围内感到舒适的人占 95%以上。在装有空调的室内，室温为 19 至 24 ，湿度为 40%至 50%时，人会感到最舒适。如果考虑到温、湿度对人思维活动的影响，最适宜的室温度应是工作效 2 率高。 18 ，湿度应是 40%至 60%，此时，人的精神状态好，思维最敏捷。 所以，本课程设计就是通过单片机驱动 晶显示温湿度，通过此设计，可以发现本设计有一定的扩展性，而且可以作为其他有关设计的基础。 3 第 2 章 系统设计方案及硬件设计 系统设计方案 本方案使用 为控制核心，一 直能温湿度传感器 为温湿度测量元件，显示电路采用 块显示，采用单片机最小系统。系统硬件电路设计框图如下图 2 图 2系统硬件电路设计框图 系统硬件介绍 绍 美国 司生产的低电压，高性能 单片机，片内含 4 128随机存取数据存储器（ 可灵活应用于各种控制领域。 由于器件采用了 静态设计，可提供很宽的操作频率范围，频率可降至 0。 可实现两个由软件选择的节电模式，空闲模式和掉电模式，空闲模式冻结 时器，串口和中断系统仍然工作 ， 掉电模式保存 内容 ， 但是冻结振荡器导致所有其它的片内功能停止工作。由于设计是静态的时钟可停止而不会丢失用户数据 ， 运行可从时钟停止处恢复 。 制作工艺为 用 40 管脚双列直插 装，引脚说明如下： 电电压。 片 机 晶显示 湿度传感器数据采集 时钟复位电路 4 地。 ： 为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8电流。当 的管 脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入 。 够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 程时， 作为原码输入口，当 行校验时， 出原码，此时 部必须被拉高。 ： 是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器能接收输出4电流。 管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， 被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 程和校验时， 作为第八位地址接收。 ： 为一个内部上拉电阻的 8 位双 向 I/O 口， 缓冲器可接收，输出 4个 电流，当 被写 “1” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， 的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 6 位地址外部数据存储器进行存取时， 输出地址的高八位。在给出地址 “1” 时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， 输出其特殊功能寄存器的内容。 在 程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 ： 管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可 接收输出 4 个 电流。当 写入 “1” 后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， 将输出电流（ 是由于上拉的缘故。 也可作为 一些特殊功能口，如下所示： 行输入口） ； 行输出口） ； 部中断 0） ； 部中断 1） ； 0（记时器 0 外部输入） ； 1（记时器 1 外部输入） ； 部数据存储器写选通） ； 部 数据存储器读选通） ； 同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 位输入。当振荡器复位器件时，要保持 两个机器周期的高电平时间。 访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， 以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 冲。如想禁止 输出可在 址上 置 0。此时， 有在执行 令是 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 止，置位无效。 /部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /号将不出现。 / /持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时， /内部锁定为 /保持高电平时，此间内部程序存储 器。在 程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ 向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 自反向振荡器的输出。 图 2单片机 脚图 工作模式： 89四种工作模式：模式 0，模式 1，模式 2，模式 3。 模式 0：选择定时器的高 8 位和 低 5 位组成一个 13 位定时器 /计数器。 5 位溢出时向 位， 出时向中断标志位 位，并 申请中断。 定时时间 t=(213 振荡周期 12； 计数长度位 213=8192 个外部脉冲 。 模式 1：与模式 0 的唯一差别是寄存器 全部 16 位参与操作。定时时间t=(216 振荡周期 12；计数长度位 216=65536 个外部脉冲 。 6 模式 2：把 置成一个自动重装载的 8 位定时器 /计数器。 作 8位计数器， 以保存初值 。 数溢出时不仅使 1，而且还自动将 的内容重新装载到 。 定时时间 t=(28 振荡周期 12；计数长度位 28=256 个外部脉冲 。 模式 3：对 大相同 。 若设 模式 3， 分为两个相互独立的 8 位计数器。 8 位计数器，功能与模式 0 和模式 1 相同，可定时可计数。 用作简单的内部定时功能，它占用了定时器 控制位 中断标志位动和关闭仅受 制。 定时器 工作模式 3，但 工作模式 3 时 可设置为 02。 字传感器介绍 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 的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 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 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储存在 存中，传感器内部在检测信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，信号传输距离可达20 米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式 可根据用户需求而提供。 四个引脚， 3 号引脚一般悬空，如图 2示。 供电电压为3 传 感器上电后 ， 要等待 1s 以越 过 不稳 定 状态 在 此期 间 无需发送任何指令 。 电源引 脚（ 之间可增加一 个 100电容，用以去耦滤波。 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。 图 2脚图 7 绍 1602为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为 背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中 并无差别 。 主要技术参数： 1、 显示容量 :162 个字符 2、 芯片工作电压 :、 工作电流 :4、 模块最佳工作电压 :、 字符尺寸 :WH )脚功能说明 用标准的 14 脚（无背光）或 16 脚（带背光）接口 ，引脚功能如下表 2 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 源地 9 据 2 源正极 10 据 3 晶显示偏压 11 据 4 据 /命令选择 12 据 5 R/W 读 /写选择 13 据 6 E 使能信号 14 据 7 据 15 光源正极 8 据 16 光源负极 表 2脚接口说明表 第 1 脚： 地电源。 第 2 脚： 5V 正电源。 第 3 脚： 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： 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。 8 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 ，当 低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 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 7 14 脚： 8 位双向数据线。 第 15 脚：背光源正极。 第 16 脚：背光源负极。 令说明及时序： 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令， 如下表 2示。 1602 液晶模块的读写操作、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） 序号 指令 * 3 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 显示开 /关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光标或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 F * * 7 置字符发生存贮器地址 0 0 0 1 字符发生存贮器地址 8 置数据存贮器地址 0 0 1 显示数据存贮器地址 9 读忙标志或地址 0 1 数器地址 10 写数到 1 0 要写的数据内容 11 从 1 1 读出的数据内容 表 2制命令表 指令 1：清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置。 指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H。 9 指令 3： 光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电 平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令 4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令 5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令 6：功能设置命令 电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示 5电平时显示 5阵字符。 指令 7： 字符发生器 址设置。 指令 8： 址设置。 指令 9： 读忙信号和光标地址 忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令 10：写数据。 指令 11：读数据。 系统部分硬件电路设计介绍 主控制电路的设计 列 单片机 是采用高性能的静态 89计由先进 艺制造并带有 非易失性序存储器全部支 持 12 时钟和 6 时钟操作 48别包含 128字节和 256 字节 2 条 I/O 口线 3 个 16 位定时 /计数器 6 输 入 4 优先级嵌套中断结构 1 个串行I/O 口可用于多机通信 I/O 扩展或全双工 及片内振荡器和时钟电路 。 电路如图 2示： 10 图 2主控制电路图 温湿度检电路的设计 供电电压为 3 传 感器上电后 ， 要等待 1s 以越 过 不稳 定 状态 在 此期 间 无需发送任何指令 。 电路如图 2示 ： 11 图 2温湿度采集电路 系统时钟电路的设计 时钟电路是用来产生 89片机工作时所必须的时钟信号， 89身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现， 89唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行 指令进行工作，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。通常时钟由于两种形式：内部时钟和外部时钟。 我们系统采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号。 89部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为 们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器。 电路中的 选择在 30右，但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。晶振频率为在 12间，频率越高单片机的速度就越快，但对存储器速度要求就高。为了提高稳定性我们采用温度 稳定性好的 容，采用的晶振频率为 12钟电路如图 2示： 图 2时钟复位电路 12 晶显示电路的设计 显示模块选用 1602 字符型液晶模块，是目前工控系统中使用最为广泛的液晶屏之一， 1602 字符型液晶模块是点阵型液晶，驱动方便，经编码后显示内容多样化。系统的输入模块采用中断扫描的 44 矩阵键盘，相比定时扫描方式，提高了 使用效率。 同时 1602 液晶显示模块可以和单片机 接接口 。 电路图 如图 2示。 图 2路图 13 第 3 章 系统的软件设计 系统程序主要包括主程序、 块控制程序、 制模块程序、延时子程序，整体程序见附录 2。 系统软件主程序流程 程序开始后，先对液晶模块显示进行初始化，通过延时一秒等待 湿度传感器启动。 湿度传感器启动后，对其进行数据初始化后，进行温湿度信息的采集、转化、处理，最后通过液晶显示器读出。 湿度传感器经过一次数据采集和处理后需返回次延时程序处理来重新初始化后采集温湿度数据。具体流程图如图3示： 图 3系统主程序流程图 液 晶 模 块 初 始 化延 时W h i l e （ 1 ）D H T 1 1 初 始 化D H T 1 1 温 湿 度 转 化读 取 温 湿 度 值温 湿 度 处 理温 湿 度 值 显 示结 束开 始 14 据采集流程 主程序里主要的一部分是数据采集和显示的循环部分，其中 湿度传感器有严格的时序要求，程序一定要遵守按照其与主机通信的步骤。其温湿度数据采集流程图如下图 3示： 始化机显示部分，在程序中应先对显示器 进行初始化，然后循环调用 块采集的数据对温度和湿度进行实时显示。其 始化机显示流程图如下图 3示： 图 3 15 图 3始化显示流程图 16 结论 微型计算机在智能化电器发展中起着至关重要的作用，而单片机经济实用、开发简便，因而在工业控制、家电智能化等领域占据了广泛的市场。本次设计是基于单片机的温湿度检测及显示的设计包括硬件电路和软件编程两部分。 在硬件选择方面，犹豫采用温湿度传感器 电路链接更加方便，并且容易读数，简化了设计。显示电路比较了 后，发现 示的信息量较少，外接电路复杂且耗电量 大，而 好弥补了 缺点，所以选择了用 连接显示电路。 在软件编程方面，初次完成的程序十分复杂，在很多方面联系不上，我在网上查找了很多的资料，也看了一些教学视频，来不断的完善程序。而且通过和同学、老师的交流讨论，我学到了很多编程方面的技巧和思想，同时也精简了部分程序。 17 参考文献 1 何立民 应用与设计 M北京航空航天大学出版社 ,2002. 2 徐爱钧 51 M电子工业出版社 ,2001. 3 白雪冰，张延林，等 M 尔滨东北林业大学出版社， 2006. 4 张佳薇，孙丽萍，等 M 尔滨东北林业大学出版社， 2003. 18 附录 1 X T A L 218X T A L 119A L E 9P 0 A D 039P 0 A D 138P 0 A D 237P 0 A D 336P 0 A D 435P 0 A D 534P 0 A D 633P 0 A D 732P 2 A 1 528P 2 A 821P 2 A 922P 2 A 1 023P 2 A 1 124P 2 A 1 225P 2 A 1 326P 2 A 1 427P 1 T 21P 1 T 2 E R X T X I 12P 3 I 13P 3 T 014P 3 R W T 115 H癈 1 1k 1V C D 1 6 0 2L M 0 1 6 p p S T A R P 1 P A C K 9 附录 2 源程序