毕业设计（论文）-基于单片机的智能温湿度显示系统的设计.doc

齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 摘 要针对室内温湿度的显示问题，本文提出了基于单片机的智能温湿度显示系统的设计方案，实现了室内温湿度的实时显示，并且当室内温湿度超过人体适宜范围时，发出报警提示。该系统采用模块化设计，由主控模块、温度采集模块、湿度采集模块、显示模块和报警模块组成。其中主控模块采用单片机STC89C52RC，温度采集模块和湿度采集模块都使用数字传感器，显示模块采用8*8LED(Light Emitting Diode)阵列。实验表明，该系统容易控制，制作工艺简单，数字显示美观、精度高、稳定性好，较之前的温湿度显示系统设计有所改进，具有一定的科研价值。关键字：单片机；温度；湿度；显示58AbstractFor the display problem of indoor temperature and humidity, this paper proposes an intelligent display system design for temperature and humidity based on MCU (Microcontroller Unit). Which can realize real-time display of indoor temperature and humidity and issue alarm tips when the indoor temperature and humidity over the appropriate range of human. The system uses modular design including master controller, temperature acquisition module, humidity acquisition module, display module as well as a alarm module. Among them, the MCU uses STC89C52RC; the temperature and humidity acquisition module both use digital sensors; the display module uses 8*8LED lattice.Experiments show that the system is controlled easily which has a simple fabrication process, whose digitals show beautiful with high precision and stability. The system improved compared to previous display system for temperature and humidity which has some scientific values.Key words: Single chip microcomputer; Temperature; Humidity; Display目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的提出和意义11.2 本课题在国内外的研究现状11.3 本设计研究的主要内容3第2章 温湿度显示的理论基础42.1 温湿度传感器的发展概况42.1.1 温度传感器的发展概况42.1.2 湿度传感器的发展概况52.2 本设计中温湿度传感器的选择62.2.1 温度传感器的选择62.2.2 湿度传感器的选择72.3 显示装置LED点阵72.3.1 单色8*8 LED点阵的结构82.3.2 8*8 LED点阵的封装和引脚规律82.4 系统主控芯片的选择102.5 本章小结11第3章 系统的硬件电路设计123.1 系统的总体框图设计123.2 温湿度传感器的电路设计133.2.1 温度传感器DS18B20的电路设计133.2.2 湿度传感器DHT90的电路设计143.3 温湿度显示电路设计143.3.1 LED点阵的行驱动电路设计163.3.2 LED点阵的列驱动电路设计173.4 报警电路设计193.5 单片机的外围电路设计203.5.1 时钟电路设计203.5.2 复位电路设计203.6 电路PCB的板制作213.7 本章小结22第4章 系统软件设计和分析234.1 软件设计的理论234.2 软件设计模块划分234.2.1 主函数的设计244.2.2 温度采集模块的程序设计254.2.3 湿度采集模块的程序设计284.3 显示模块设计294.4 本章小结32第5章 系统的仿真与调试335.1 系统的软件仿真335.2 系统硬件的仿真与调试355.2.1 系统的硬件仿真355.2.2 系统的硬件调试375.3 本章小结38结 论39参考文献40附录142附录243附录344附录456致 谢57第1章 绪论1.1 课题的提出和意义温湿度的测量与控制在日常生活、工农业生产、科学研究等领域中都得到广泛应用，并且起到了重要作用。在图书馆或档案室内存放的书籍和各种纸质文件，受光照、霉菌、温度、湿度等多种环境因素的影响，如果控制不好室内的温湿度，会使纸质资料的质量受到严重损坏。在仓库中储存水果，要求保持适当的环境温度和湿度，来延长水果的储存时间，从而可以扩大水果的销售范围，增加水果的销售时间，创造更好的经济效益。温室大棚，是一种可以改变植物的生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免四季变化和气候恶劣对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为结构材料，可以用来对冬季或不适宜裸地生长植物的栽培。在电子科技领域，温湿度的变化直接影响到电子产品的寿命，而且电子产品只有在它适合温湿度指标环境下才可以工作。同时温湿度的检测与控制又可以使用温湿度检测计等集成电子元件。此外，温湿度监测与控制在育种和林业护林防火方面也起到重要作用1。随着社会的发展，人们对环境中的温度和湿度的要求也越来越高，尤其是在医学、电子电力、航天航空、食品发酵等领域中对温湿度的要求尤其严格。21世纪，特别是在我国加入世界贸易组织WTO之后，国内产品面临着前所未有的挑战。各行各业特别是传统产业，都迫切希望应用电子、自动控制等技术使产品得到改造和提升。比如纺织行业，温湿度一直是影响纺织产品质量的重要因素，但是纺织企业对温湿度的测量与控制手段仍然很粗糙，技术落后。绝大多数还在使用干湿球式湿度计，采用人工观测，人工调节阀门、风机的方法，它们的作用效果可想而知。制药业也基本如此。在食品行业里，基本上更是凭借经验，很少有使用温湿度传感器的。然而，温湿度的正确测量和控制是保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展的重要保证。在传统的测量方法中，测量设备体积较大，实时性差，精度低，还需花费较大的人力，不但工作量大，记录的数据少，而且对温湿度的调节缺乏实时性。因此，设计出一个能够精确、稳定、实时测量出环境中温湿度的实用型温湿度检测仪显得尤为重要。1.2 本课题在国内外的研究现状随着现代集成电子、通信、计算机等技术地快速发展，传感器也向着集成化，数字化发展，这样大大降低了成本，提高了测量准确性和精度。温湿度传感器的研发得到了国内外的高度重视，很多国外的政府和公司投入了大量的人力、物力和财力。如美国“国家纳米技术”(National Nanotechnology Initiative)计划，还有AD、MAXIM、Sensiron等知名芯片制造商。它们的典型产品有MAX6625/6626温度传感器，SHT1X/SHT7X温湿度传感器，这些传感器采用数字化技术，以数字化形式直接输出测量值，具有测量误差小、分辨率高、抗干扰能力强、测量数据能够远程传播、带串行总线接口等优点。国内的一些公司也已经开始了在这些方面地研究，并取得了一些重要成果，如JUCSAN公司，它的JCJ200Y产品耐温高达600，已成功应用在印染行业纱锭自动烘干系统、食品自动烘烤系统。近年来，温湿度测量与控制系统的研究发展迅速。国际上先进的测控技术、自动化技术、PLC技术、现场总线技术、传感器技术以及数字信息技术的发展都为温湿度测控系统的研制和开发提供了条件，使温湿度的设定、显示更加直观，精度进一步得到提高，智能化程度越来越高，温湿度检测的功能集成化大幅提高。现代的温湿度测量系统逐渐取代了传统的简单数据采集系统。它们的发展正从由分立元件组成的系统向微型化、集成化、数字化、智能化、微功耗、网络化、多参数测量的测量系统转变，而且还不断地改进测量的技术和方法，比如在系统中添加自动非线性补偿、自动温度补偿、自动校准等功能，来满足测量的精度和恶劣环境下的特殊要求。温湿度测量系统在纺织工业、冶金、化工、建材、食品、温室种植以及气象预报和科研实验室等诸多领域都有广泛的应用，而这些领域对温湿度测量系统的要求也各不相同。目前人们为了满足不同的市场的需求，已经开发出了很多种基于不同微处理器的温湿度测量系统。现在国内外常见的温湿度测量系统有以下一些：(1) 基于单片机控制的温湿度测量系统；(2) 基于PLC的温湿度测量系统；(3) 集散型温湿度测量系统；(4) 基于FPGA控制的温湿度测量系统；(5) 基于DSP控制的温湿度测量系统。虽然已经开发出这么多不同种类的温湿度测控系统，但是一般常用的还是单片机或DSP作为主控芯片。单片机又称为微控制器，由单片集成电路芯片构成，内部含有CPU（中央处理器），存储器和I/O接口电路，定时器/计时器等功能。单片机具有体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等优点，故可以广泛应用于国民经济的各个领域，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要作用。例如在智能仪器仪表、机电一体化、实时控制和人类生活中都得到了非常广泛的应用。DSP也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。随着通信、计算机网络等技术的快速发展，采用上位机（PC）与单片机或DSP构成的小型控制系统在现代智能温湿度测控领域地运用越来越广泛。它利用单片机和DSP价格低、功能强、抗干扰性能好、温限宽等优点，又结合上位机的软硬件支撑，已经在很多领域中用于温湿度监测与控制2。总之，现在国内外温湿度测量系统的研究都是朝着微型化、数字化、智能化的方向发展，并且不断地改进技术来满足市场的需求。1.3 本设计研究的主要内容该课题主要完成基于单片机的智能温湿度显示系统设计，系统整体由温度采集模块、湿度采集模块、显示模块、温湿度智能控制和报警模块等组成，它们统一由单片机控制，完成智能温湿度显示的功能。设计要完成的主要内容有：(1) 实现对一般环境下的温湿度的检测与控制，并要求具有较高的精度；(2) 能够把温湿度传感器采集到的数据处理后，经单片机送LED点阵显示；(3) 为保证室内环境的舒适性，可以自主设置温湿度上下限，当环境指标偏离设定值时，系统会发出报警信号，提示用户做出相应措施处理，使温、湿度恢复正常。为了实现上述功能和操作方便，设计中的温度、湿度传感器都采用数字式的。温度传感器采用DS18B20，湿度传感器采用DHT90，这样避免了A/D转换带来的不便与校准。显示模块8*8LED点阵，这样的显示效果好，就是控制比较麻烦。温度显示设计上限为28，下限为18；湿度显示设计上限为80RH，下限为30RH。当温湿度偏离范围内时，有报警系统发出告警提示，设计采用声光双重报警，有效地提醒用户。用户接收到报警提示后，可以根据不同的情况采取相对应的措施，使其恢复到在设置的正常范围内。第2章 温湿度显示的理论基础2.1 温湿度传感器的发展概况2.1.1 温度传感器的发展概况温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。很多材料的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有膨胀、电阻、电容、频率、光学特性及热噪声等。温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触，两者经过充分的热交换而达到同一温度，显示的数值即是被测对象的温度。这一类传感器主要有电阻式、热电偶、PN结温度传感器等。这种方式精度比较高，并可测量物体内部的温度分布，但是对于运动的、热容量比较小的或者容易腐蚀感温元件的对象，会产生比较大的误差。非接触式温度传感器无需与被测介质接触，而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器，以达到测温的目的。这一类传感器主要有红外测温传感器，利用的原理是辐射热交换。这种测温方法的主要特点是可测量处于运动状态的小目标对象及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。非接触测温的优点是：测量温度上限不受感温元件耐温程度的限制，对最高可测温度原则上没有限制，因而对于1800以上的高温，主要采用非接触测温方法。温度传感器的发展大致经历三个阶段：传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器和智能温度传感器。第一：传统的分立式温度传感器，即热电偶传感器，是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它被用于测量温度直接接触被测对象，不受其他中间介质的影响，结果是精度较高；它的另一个特点是测量范围广，从-501600可以进行连续测量，特殊的热电偶传感器最低可测到-269，最高可测到2800。第二：模拟集成温度传感器采用硅半导体集成工艺制成，因此又被称为硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器将温度传感器集成在一个芯片上，可以完成对温度的测量及模拟信号输出功能。它主要特点是功能单一，因为它仅可以用来测量温度。但是它的优点是：响应速度快、传输距离远、测温误差小、价格低、体积小、功耗低等，适合远距离测温，外围电路简单，不需要进行非线性校准。智能温度传感器，是指具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能的传感器，是微电子技术、微型电子计算机技术与检测技术相结合的产物。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路，所以它们不仅具有传统传感器的各种功能，而且还具有数据处理、故障诊断、非线性处理、自校验、自调整以及人机通信等多种功能。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器，并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平3。智能温度传感器向前发展的总体趋势是从模拟式向数字式、集成化向智能化和网络化，需要克服的技术问题：提高测温精度和分辨力、增加测试功能、总线技术标准化和规范化、提高可靠性和安全性。随着技术的不断进步和需求的多样性，不久，将出现虚拟温度传感器、网络温度传感器以及单片机测温系统。2.1.2 湿度传感器的发展概况湿度是表示空气中水蒸气含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。日常生活中所说的空气湿度，是指相对湿度。湿度传感器是能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。人类的生存和社会活动与湿度密切相关。随着现代化的实现，很难找出一个与湿度无关的领域来。由于应用领域不同，对湿度传感器的技术要求也不同。根据湿度测量方法的不同，湿度传感器的种类有：伸缩式湿度计、干湿球式湿度计、露点计和阻抗式湿度计等。伸缩式湿度计是利用毛发、纤维素等物质随湿度变化而伸缩的性质，特点是不需要进行湿度补偿，但不能转换为电信号。干湿球式湿度计是用于气象的湿度计，原理是根据湿球的通风情况测量湿度，优点是精度高，缺点是需要定期给湿球供水。露点计用途范围较广，用于电子冷却系统的冷却、测量镜面结露的湿度、也可作为标准湿度的校正计，缺点是装置复杂，为保证镜面结晶温度，需要进行控制。阻抗式湿度计是通过湿敏传感器的阻值变化而测得湿度的一种湿度计，因可简单方便地转换为电信号，得到广泛使用3。湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化的原理制成的，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般采用高分子薄膜电容制成，常常备用为制作湿敏电容的高分子材料有聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维和维聚苯乙烯。湿敏电容的介电常数会环境湿度的改变而发生变化，从而引起电容量也发生变化，因为其电容量与相对湿度成正比。湿敏元件除电阻式、电容式之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强性湿敏元件、声表面波湿敏元件等。在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在所有的常规环境参数中，湿度的参数是最难准确测量的一个。随着现在工农业的不断发展，需要在一些苛刻的环境下测量湿度，用干湿式球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要，这就需要开发出各种与测量环境相适应的传感器。跟温度相比，湿度的测量要复杂的多，因为温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。近年来，国内外在湿度传感器研发领域已经取得了长足的进步。湿度传感器的发展趋势是从简单的湿敏元件向集成化、智能化和多参数检测的方向快速发展，它为开发出新一代湿温度测控系统创造了有利条件，同时也将湿度测量技术提高到一个新的水平。2.2 本设计中温湿度传感器的选择2.2.1 温度传感器的选择目前，最受欢迎的温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的DS18B20。DS18B20是一种改进型智能温度传感器，与其他传感器相比，具有线性好、精度高、体积小、校准方便、价格低、外围电路简单等特点，非常适合本系统中温度的采集和测量工作4。DS18B20的优越的性能特点是赢得大家喜爱的重要原因。它的主要特点有：(1) 独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条数据线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。(2) 在使用中不需要任何外围元件。(3) 可用数据线直接供电，电压范围：3.05.5 V。(4) 它的测温范围:-55125, 最高分辨率可达0.0625，在10+85范围内，精度为0.5。(5) 通过软件编程来实现912位的数字读数方式。(6) 用户可自己给芯片设置非易失性的上下限报警值。(7) 支持多点检测功能，多个DS18B20可以并联接在同一个微处理器上，实现多点测温。(8) 负压特性，电源极性接反时，温度传感器不会因发热而烧毁，但是不能正常工作，不能测得准确的温度值。DS18B20有4个引脚，其中只有一个数据接口，它采用1Wire，即单总线技术。仅通过这一个数据接口，就既可以传输时钟，又可以传输数据，且数据的传输是双向的。很明显，这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低，便于总线扩展和维护等优点。但是，不管是任何东西，都是利弊共存的。就DS18B20而言，它较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，在对DS1820进行读写编程时，必须严格按照传感器的读写时序，否则将无法读取到正确的测温结果。2.2.2 湿度传感器的选择对于本设计，为保证测量效果，肯定要选择集成湿度传感器，选择时必须要考虑以下几点：感湿性能好、灵敏度高、响应速度快、测量范围宽，要有较好的一致性、可重复性，线性度要好，且要求湿滞小、较高的稳定性和可靠性，有较强的抗污染能力、使用寿命长。DHT90本身是一个集成度非常高的单片智能传感器，是CMOS芯片技术与传感技术相结合的产物，可实现全校准数字输出，拥有传统传感器所不具有的强大优势，将它配合高性能的单片机一起使用，结果证明该智能湿度计具有了测量精度高、响应速度快、结构简单、易于实现联网测试、性价比高等优点。温湿度传感器DHT90是采用原装进口数字温湿度传感器芯片，引脚插针为标准2.54插针，适用OEM用户，免焊接、免水合处理，缩短开发时间，提高开发效率；精确测量相对湿度、温度和露点；全标准输出，使用时无需重新校准；卓越的长期稳定性；高精度两线制数字接口，直接与单片机相连；请求式测量，超低能耗；无需其他外部元件；自动休眠5。综合设计中对湿度传感器的要求以及DHT90的优点，我选择DHT90作为湿度传感器。DHT90是4针单排引脚封装，易于集成和替换，引脚名称按照排列顺序分别为时钟信号SCK，电源VDD，地GND，数据输出DATA。DHT90的特点有：(1) DHT90的供电电压为2.4V5.5V；(2) 它的串行接口在传感器信号读取及电源损耗方面，都做了优化处理，连接电路时只需将它分别与电源的正负极连接即可；(3) 时钟用于DHT90与单片机之间的通信同步，在编写启动程序和测量程序时要根据时钟信号的时序图进行编写；串行数据能将测量的温湿度的信号数字化后直接送显示模块显示。它在SCK拉低之后改变状态，并且只在SCK上升沿时有效。在数据传输期间，SCK在高电平时，DATA必须保持稳定。为了避免信号的读取冲突，DATA在电路连接时需要外接一个10K的上拉电阻将信号拉至高电平。众所周知，DHT90是温湿度传感器，即可同时测量温湿度，而前面我们已经选择了DS18B20作为温度传感器，貌似有资源浪费，其实不然。理由如下：本设计为基于单片机的只能温湿度显示设计，题目突出了对温湿度的要求，如果只采用DHT90，是可以测出温湿度，但是单片机要对DHT90采集到的数据分析、针对温湿度分别处理，再送显示，带来的后果是不仅效率低，还有可能造成是数据混淆。恰好，通过前面的叙述，温度传感器DS18B20是测量温度的最佳选择。这样，用两个传感器，温湿度的测量可同时进行，使得测量精度高且效率得到保证。2.3 显示装置LED点阵对于本设计而言，显示装置无疑是其中的一个核心组成部分，设计中的显示功能由LED点阵实现，采用8*8LED点阵列。相对于数码管和LCD，实现对LED阵列的控制有一定难度，下面就LED阵列的结构、原理等逐一介绍。LED是发光二极管（Light Emitting Diode）的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管发光位置的显示方式，通过软件控制可以显示出需要的文字、图形、图像、动画、行情、视频和录像信号等各种信息。LED显示屏按功能可分为图文显示屏和视频显示屏，它们都是由LED矩阵组成的。其中，图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏由微型计算机进行控制，图文、图像并茂，可以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，令外还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目和现场实况。由于LED显示屏显示画面立体感强、色彩鲜艳，动如电影、静如油画，因而被广泛应用于车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所6。本设计中，我选用4片8*8LED点阵，把他们的行并连在一起，组成8行*32列的点阵,这样可同时显示4个字符。2.3.1 单色8*8 LED点阵的结构8*8LED点阵共由64个发光二极管组成，常用的发光二极管颜色有红、蓝、绿，每个发光二极管被特定的行线与列线所控制。当的某一行置“1”高电平，且某一列置“0”低电平时，相应的发光二极管就会发光。要用8*8LED点阵来显示一个字符或汉字，只需要根据字符或汉字图形中的线条或笔画，通过点亮多个发光二极管来勾勒出字符或汉字的线条或笔画就行了。但是，当要比较完美的显示一般的汉字，单个8*8LED点阵模块很难做到，因为LED的点数（也称为像素点）是有限的，因此要显示汉字的话，需要多个8*8LED点阵拼合成一个显示屏。应用较多的是用4个8*8LED点阵拼成16*16LED的点阵，这样行列的像素点各扩大2倍，可以轻松实现一般汉字的显示。但要显示信息量大的图形，则需要更多个8*8LED点阵，拼装成一个大屏幕才行7。2.3.2 8*8 LED点阵的封装和引脚规律8*8LED点阵由64个发光二极管组成，它们按照行共阳和列共阴或者行共阴和列共阳的4个一组的方式封装成一个模块，这样的8*8LED点阵模块就有8行、8列，共16个引脚。但是8*8LED点阵的16个引脚并不是很有规律，不是我们初学者认为的18个引脚是行，916个引脚是列，而且不同产品的点阵外部引脚排列规律还可能不一样。当我们拿到一块新的8*8LED点阵，又没有相关细节介绍时，我们必须通过测量，获得各个引脚的行列信息与排列方式。8*8LED点阵的电路符号图如图2-1所示。图2-1 8*8LED点阵符号图测量的方法有多种。第一种方法：采用纽扣电池，电池的斜边有正负两极，外沿是正极，内沿是负极，可以沿着LED点阵的其中一排引脚滑动，因为LED的引脚排列是不规则的，每排排引脚中既有行引脚，又有列引脚所以在滑动过程中，一定会有其中相邻的两个引脚与纽扣电池的正负极相对应，从而点亮对应行列上的一个发光二极管，这样，我们就能简单的判断LED的颜色和亮度。第二种方法：用数字万用表测量，万用表的红色表笔对应二极管的正极，黑色表笔对应二极管的负极，可以把万用表的档位开在欧姆档，可以选择短路测试（旁边有二极管标志）的档，也可以选择有蜂鸣器测试通断的档。我在测试过程中选择了方法二，打在欧姆档位中测试短路档位。开始测量前，我既不知道引脚排列规律，也不知道LED点阵是行接高电平还是列接高电平。通过测试发现，设计所用的LED点阵的行是共阳极的。所以当红表笔接触到控制某行的引脚，同时黑笔表笔接触到控制列的引脚，对应行列上的二极管就会发光，就可以记下它所连接的行列位置，每测量出一个，就记录一个。通过多测量和总结归纳，可分清各行列引脚，再通过验证，即可得到明确的引脚排列关系。本设计中所用LED点阵得的引脚对应关系如表2-1所示。表2-1 LED点阵引脚的对应关系表行号实际引脚号列号实际引脚号C09R013C114R13C28R24C312R310C41R46C57R511C62R615C75R7162.4 系统主控芯片的选择根据设计要求，核心控制芯片的作用将从温湿度传感器采集的温湿度，经内部处理后，送显示模块进行显示，同时，还要设定温湿度上下限值和控制报警电路的启动。综合要功能需求和芯片价格，我选择单片机STC89C52RC作为核心控制芯片。单片机STC89C52共有40个引脚，其双列直插封装方式的引脚功能如图2-2所示。图2-2 STC89C52RC双列直插封装方式的引脚图40只引脚按其功能可分为3类：电源及时钟引脚、控制引脚、I/O口引脚。各引脚功能如下：VCC、GND：单片机电源引脚。VCC接+5V电源，为STC89C52RC电源的正极输入端；GND为电源接地端。XTAL1、XTAL2：时钟引脚。分别为片内振荡电路的输入端和输出端。本设计中，这两个接口分别接频率为12MHZ晶振的两端，同时并联两个30pF的电容。是为系统提供基本时钟信号的，保持各部分同步。RST：单片机的复位引脚。高电平有效，当单片机运行时，在此引脚上加上持续时间超过2个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。复位电路有两种，一种是上电复位，一种是按键复位。PSEN：全称是程序存储器允许输出控制端，低电平有效。ALE：地址锁存允许信号。EA：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。本设计需读指令，直接与电源相连即可。P0口：8位双向三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，每个口可独立控制。51单片机P0口内部没有上拉电阻，因此，不能正常地输出高/低电平，需要在使用时外接上拉电阻，一般接入10K或者4.7K的排阻。P1口：8位准双向I/O口，内部带有上拉电阻，每个口可独立控制，但是这种接口没有高阻态，而输入也不能锁存，因此，它不是真正的双向I/O口。P2口：8位准双向I/O口，内部带有上拉电阻，此口与地址总线（高8位）复用，每个口可独立控制，与P1口相似。P3口：8位准双向I/O口，内部带有上拉电阻，双功能复用口，每个口可独立控制，当作普通I/O口时与P1口相似，此外，它还提供特殊第三功能，其各引脚的第三功能分别如下所示：P3.0：RXD，串行通信输入；P3.1：TXD，串行通信输出；P3.2：INT0，外部中断0输入，低电平有效；P3.3：INT1，外部中断1输入，低电平有效；P3.4：T0，计数器0，外部事件计数输入端；P3.5：T1，计数器1，外部事件计数输入端；P3.6：WR，外部随机存储器的写选通，低电平有效；P3.7：RD，外部随机存储器的读选通，低电平有效8。2.5 本章小结本章为温湿度显示的理论基础。本章先介绍了温湿度传感器的发展概况和本设计中温湿度传感器的选择。然后介绍了显示装置LED点阵的原理、引脚的测试方法和排列规律。最后说明了系统主控芯片的选择和引脚介绍。第3章 系统的硬件电路设计单片机STC89C52是整个硬件电路的控制中枢，它指挥所有的外围电路协调工作，完成设计中需要的功能。系统的硬件电路分模快化设计，由主控模块、温度采集模块、湿度采集模块、显示模块、报警模块和接口电路组成。每个模块只实现其被分配的特定功能，各个模块连接在一起，就可以实现智能温湿度显示的功能。这种设计不仅保证了系统的灵活性，而且降低系统设计的复杂性。另外，在硬件设计中加入了各个模块的接口电路，提高了系统的灵活性。下面分模块介绍该系统的电路组成。3.1 系统的总体框图设计设计的题目是基于单片机的智能温湿度显示系统设计，为实现设计中的相关要求，该设计的硬件电路部分至少应该包括：核心控制模块、温度采集模块、采集模块、LED显示模块、报警模块和显示模块接口电路模块。它们都在单片机的控制下，协调工作，各尽其责，完成智能温湿度显示的功能。系统总体框图9如图3-1所示。图3-1 系统的总体方案对于一个完整的设计，除了主要功能模块外，还需要设计一些外围电路和驱动电路来保证电路的正常运行。首先，单片机最小系统，要单片机正常工作，必须要有提供时钟和复位信号的时钟电路和复位电路。其次，用LED点阵显示，需要驱动电路，驱动电路又分为行驱动和列驱动。设计中采用74HC138加反向器作为行驱动，74HC595作为列驱动。最后，设计中要求在温湿度偏离正常工作范围时（自己设定的温湿度上下限）时，发出报警。为了提高报警的有效性，本设计采用声光双重报警，其中声音报警装置采用三极管驱动蜂鸣器，光报警采用发光二极管，以不同颜色的发光二极管区分温度或湿度报警信号。以上内容已经说明了该系统分模块设计，包括主控模块、温度采集模、湿度采集模块、显示模块和报警模块组成，系统的整体电路图附录1。下面对各模块分别介绍。3.2 温湿度传感器的电路设计3.2.1 温度传感器DS18B20的电路设计用温度传感器DS18B20测量温度的工作原理：DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片上，可以提高抗干扰能力。它的一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。它有三种存储器：第一：只读存储器ROM，可存放64位数据，用于存放DS18B20编码，其前8位是单线系列编码，后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC校验码，这些数据在出厂时都已设置，用户不能更改。第二：数据暂存器RAM，用于内部数据得计算和存取，掉电后数据丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位，第1、2个字节是温度转换后的温度信息，第3、4个字节是用户EEPROM的镜像，上电复位后数据被刷新，第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像，第6、7、8个字节都是计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同时还充当内部温度转换、计算的暂存单元，第9个字节为前8个字节的CRC码。第三：非易失性记忆体EPROM，用于存放长期需要保存的数据，如上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共有3位EEPROM，并在都RAM中存在镜像，方便用户操作10。DS18B20的数据线采用单总线技术，硬件连接简单，只需要单片机的一个I/O口，本设计中数据引脚DS接单片机P20口，另外要在数据线和单片机I/O口之间接一个上拉电阻，阻值一般为4.7K，作用是在温度传感器开路或没接时，能起到上拉的作用，使之为高电平，保护后面电路，其电路连接如图3-2所示。图3-2 温度传感器DS18B20连接电路3.2.2 湿度传感器DHT90的电路设计DHT90单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度混合传感器，内部自带A/D转换器和串行接口电路，不需其他外围电路。DHT90不但品质卓越，响应速度快、抗干扰能力强，而且可以直接由微控制器访问，性价比极高。湿度值最高分辨率为12位，相对湿度在0100范围内，测量精度可达0.511。湿度传感器DHT90的数据线DATA引脚与单片机的P22口可直接相连接，与DS18B20类似，也要在数据线DATA与单片机I/O之间加一个上拉电阻，阻值约10K，才能与单片机进行数据传输。DHT90的时钟信号SCK引脚与单片机的P21口相连接，作为该传感器工作的时钟信号，具体连接如图3-3所示。图3-3 湿度传感器DHT90连接电路在实物焊接中，DHT90还有一个优点：它自带底座，与实物连接时，无需用户再进行焊接，这样就避免了在焊接中由于温度过高而对温湿度传感器造成的损坏，从而影响测量精度。3.3 温湿度显示电路设计设计之初，考虑到基于单片机的小型系统的显示模块可以采用LED七段显示数码管、液晶显示器LCD和LED阵列。经过多方面地查阅资料和独立的思考，再结合设计中对显示效果的需要，必须从中选出一个最好的方案。设计中要求温度和湿度分别显示，如果只取一百以内的值和一位小数，每一项也至少要三位数字。为了区分显示温湿度显示，还要在显示数值前面加一位标志位，其中，温度用字母T表示，湿度用字母H表示。下面就以上情况，对显示模块的方案做出选择。第一：如果选择数码管，需要管子数量较多，且不能显示字母，所以不可以用。第二：如果选择液晶显示器LCD，一块就可以满足显示多位数字、小数点以及字母，但是他的缺点是屏幕较小，亮度不够亮，所以也不能满足设计要求。第三：如果选择LED点阵，可以克服LCD屏幕小和亮度不够的缺点，同时又可以达到毕业设计所要求的难度和复杂性。如果选择了LED阵列，不但整个硬件电路图显得大气，而且显示清晰、美观。然而，LED点阵的外围驱动电路和软件控制都相对复杂很多，要想自如的控制LED点阵的点亮有一定的难度。而毕业设计是体现和考验一个大学本科毕业生能力的有效方法，为了体现自己的能力，就应该敢于接受挑战，正所谓有压力才有动力。所以，经过上面的辩证讨论，本设计最终选择用LED点阵作为温湿度的显示装置。由于本设计中所选用温湿度传感器的精度较高，温度和湿度都可以精确到小数点后一位，再加上一个温、湿度标志位，所以在不加单位的情况下，要显示温湿度的其中一个，最少需要4片8*8LED点阵。如果同时显示温湿度，则需要8片。考虑到初次接触LED阵列，用的越少，对其的控制越容易。综合设计要求和难度，我选用4片8*8LED点阵，循环显示温湿度，显示温度后，延时一定时间后清屏，再显示湿度，再延时，再反复。将4片LED阵列的行并联放置在一排，组成8行*32列点阵。其中DC为行标，DR为列标，LED显示模块的连接图如图3-4所示，这并不是LED的实物图，而只是用DXP2004设计的电路连接方式。图3-4 显示模块LED点阵的连接这样的连接的电路，显示的效果为：4片LED点阵从左到右，第一片显示字母T（代表温度）或者H（代表湿度）；后三片用来显示采集的温、湿度值，其中整数部分两位数字，小数部分一位，小数点在最后一片LED的前两列显示；温度单位为摄氏度，湿度单位为百分比RH（这里的湿度为相对湿度），由于有了温、湿度标志位，在大家都了解的情况下，可以不标注单位。具体显示时，可以先把测得的温度值送LED显示，时隔一段时间后清屏，即熄灭所有LED点阵上的发光二极管，再把测得的湿度值送LED显示。如此以来，即可实现温湿度的显示。单片机STC89C52RC的I/O的灌电流大小为1.6mA，拉电流大小为60uA，可见，直接把单片机的I/O口接到LED阵列的行列控制引脚上，电流过小，不足以驱动LED阵列中的发光二极管。并且，一片单片机也没有足够多的I/O数据口控制所有LED的行列引脚，况且，单片机除了控制显示装置，还有其他同样重要的任务。所以，对LED阵列的控制，要用到其他外围接口电路，来驱动点亮二极管。下面就行列驱动分别说明。3.3.1 LED点阵的行驱动电路设计LED点阵显示屏的外围驱动电路包括行驱动电路和列驱动电路设计两部分。设计中的LED阵列大小位为8行*32列，所以行驱动电路采用一片74LS138译码器，译码器的8个输出对应LED点阵的8个行输入。由因译码器的输出为低电平，而LED的行驱动需要高电平，所以在74LS138后接了反向器74LS04，具体连接如图3-5所示。图3-5 LED点阵的行驱动电路从单片机P0口的中选择五个I/O口来控制一片74H138译码器的输入信号，其中P00P02 分别接译码器的地址输入端A、B、C，P03和 P04接译码器的使能控制；然后把译码器的8位输出信号，经反向器74LS04将信号取反，即有低电平转换为高电平，驱动LED的行。排阻为上拉电阻，接单片机的P0口，这是由于51单片机P0口内部没有上拉电阻，而单片机的特点是灌电流能力较强，拉电流能力较弱，去过没有接上拉电阻，不能正常地输出需要的高/低电平，所以需要在使用时外接上拉电阻，一般接入10K或者4.7K的排阻12。译码器74HC138的工作原理：74LS138是3-8线译码器，顾名思义，它有3个地址输入端和8个输出端，输入为二进制数，三位二进制数正好有8种组合方式，对应8个输出。地址输入端从高到底的排列顺序是C、B、A，连接电路时，要特别注意。另外为了提高该芯片的安全性以及可扩展性，除了三个地址输入引脚外，额外增加了三个使能控制引脚E1、E2、E3，其中两个低电平有效（E2和E3）和一个高电平有效（E1）。只有当E2和E3置低且E1置高，译码器才正常工作，给一个三位二进制数的任意组合，都有一个相应的输出端输出为低电平，否则，不管输入什么，74HC138的8个输出均输出为高电平。74LS138的功能表如表3-1所示。表3-1 译码器74LS138的功能表输入输出E1E2+E3C B AY0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y70XX X X1 1 1 1 1 1 1 1X1X X X1 1 1 1 1 1 1 1100 0 00 1 1 1 1 1 1 1100 0 11 0 1 1 1 1 1 1100 1 01 1 0 1 1 1 1 1100 1 11 1 1 0 1 1 1 1101 0 01 1 1 1 0 1 1 1101 0 11 1 1 1 1 0 1 1101 1 01 1 1 1 1 1 0 1101 1 11 1 1 1 1 1 1 03.3.2 LED点阵的列驱动电路设计考虑到设计中需要驱动的LED点阵的列有32列，我选用8位移位寄存器74HC595作为列驱动，驱动32列，需要4片74HC5959。4片74HC595并联：其中4片的存储寄存器时钟信号引脚STCP和移位寄存器时钟信号SHCP分别并列接在同一个I/O口上；4片依赖串行数据输出引脚Q7相互级联，第一片的串行数据输入引脚DS的信号由单片机给数据，上一片的Q7接下一片的串行数据数据输入引脚DS，以此类推，构成4片并联的74HC595。这样一来，从单片机出来的列信号通过4个8位74HC595级联而成的32位的信号输出端连接到8*32的点阵LED的列输入端12。74HC595是移位寄存器，不仅起到驱动点阵的作用，而且将串行数据传唤为8位并行数据，可以用它的锁存功能实现硬件电路对数据的刷新，实现点阵的动态显示，LED点阵的列驱动电路如图3-6所示。图上电器标号D10、STCP和SHCP分别接单片机的P10 P12。图3-6 LED点阵列驱动电路移位寄存器74HC595的工作原理：74HC595是8为串行输入/输出或者并行输出的移位寄存器，具有高、低、高阻三种状态。74HC595具有一个8位移位寄存器和一个存储器，移位寄存器和存储器分别使用不同的时钟信号。数据在SHCP的上升沿输入，在STCP上升沿输入存储器。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总比存储器存期早一个脉冲。移位寄存器74HC595有16的引脚，分为电源、数据和控制三类。DS：串行数据输入引脚，接单片机的某个数字I/O引脚，本设计中接单片机P10。74HC595的引脚说明如下：Q0Q7：8位并行数据输出，可以直接控制七段数码管的8个引脚，或者是8个LED。Q7：级联输出端（串行数据输出端），与下一个74HC595的DS相连，可实现多个芯片之间的级联。SHCP：移位寄存器的时钟输入，在它的上升沿时，移位寄存器中的数据会依次移动一位，即Q0中的数据移到Q1中，Q1中的数据移到Q2中，依次类推；其他情况时，移位寄存器中的数据保持不变。STCP：存储寄存器的时钟输入，在它的上升沿时，移位寄存器中的数据进入