课程设计（论文）-多通道智能湿度测试仪设计.doc

西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 多通道智能湿度测试仪设计多通道智能湿度测试仪设计 摘摘 要要：为了实现对湿度的智能检测1，采用了一个智能湿度检测2装置的设计方 案，该检测装置通过集成湿度传感器 SHT11 湿度的变化对应电流的变化，再将电流 的变化转换为电压的变化，该电压信号经 SHT11 内部 A/D2转换器后将模拟信号转 化为数字信号。最后将数字信号送入 AT89C51 单片机3，经过软件的控制，在 LCD 上显示输出相应的湿度值，湿度检测范围是 15%100%RH，精度是 5%以内。当湿 度超过所限定的范围可自动报警，通过 RS232 可将单片机的数据送至 PC 机做数据 的综合处理和分析，上位机采用 VB 编程实现了时刻对湿度值的监测记录，DS1302 提供实时时钟。 关键词：关键词：集成湿度传感器，湿度检测，A/D，AT89C51，LCD，RS232 Abstract: In order to realize the intelligent detection of humidity 1, using A design scheme of intelligent humidity testing, the testing device through integrated humidity sensor SHT11 humidity changes corresponding to the change of current and converts the change of the current to the change of voltage, the voltage signal by the SHT11 after internal of A/D2 converter converts analog signals into digital signals. Finally, the digital signal is sent to the AT89C51 single chip 3, which is controlled by the software, and the corresponding humidity value is displayed on the LCD, the humidity detection range is 15% 100% RH, and the accuracy is within 5%. When the humidity exceeds the limit the scope of the automatic alarm, through RS232 MCU data can be sent to the PC to do comprehensive treatment and analysis of data, PC using VB programming to achieve the moment the humidity value of monitoring records, provide real-time clock DS1302. Keywords: Integrated humidity sensor, humidity detection, A/ D, AT89C51, LCD,RS232 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 I 页 目录目录 1 前言前言.1 2 整体方案设计整体方案设计.2 2.1 方案论证.2 2.1.1方案一：干湿球法方案.2 2.1.2方案二：集成湿度传感器方案.2 2.2 方案比较.3 2.3 方案选择.3 3 单元模块设计单元模块设计.5 3.1 湿度采集电路.5 3.1.1 SHT11介绍.5 3.1.2 湿度采集电路.5 3.2 RS232 多通道电路.6 3.3 单片机电路.6 3.4 报警电路.7 3.5 LCD 显示电路.8 3.6 实时时钟 DS1302.8 4 软件设计软件设计.10 4.1 下位机设计.10 4.1.1 主程序设计.10 4.1.2 串口中断设计.11 4.1.3 定时器设计.11 4.1.4 数据采集设计.12 4.1.5 超限报警设计.13 4.2 上位机设计.14 5 系统调试系统调试.15 5.1 硬件调试.15 5.2 软件调试.16 5.2.1 单片机电路调试.16 5.2.2 上位机调试.16 6 系统功能、指标参数系统功能、指标参数.18 6.1 误差分析与处理.18 6.2 减少误差主要方法.18 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 II 页 6.3 结论.18 7 设计总结设计总结.19 8 谢辞谢辞.20 9 参考文献参考文献.21 附录附录 1：电路总图：电路总图.22 附录附录 2：软件代码：软件代码.23 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 1 页 1 前言前言 湿度，表示大气干燥程度的物理量。在一定的湿度下在一定体积的空气里含有的水汽 越少，则空气越干燥;水汽越多，则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做湿度。在此意义下， 常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示；若表示在 湿蒸汽中水蒸气的重量占蒸汽总重量(体积)的百分比，则称之为蒸汽的湿度。在过程控制、 质量控制、能源利用、健康及安全等诸多领域都扮演着重要的角色, 特别是许多高科技领域, 如半导体制造、制药、电力和通讯等, 对湿度测量的要求越来越高。随着科学技术的发展, 现代湿度测量技术有了长足的进步。从传统的干湿球法4、露点法、电解法到各种电湿度测 量方法再到吸收光谱法, 湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的 方向迅速发展。传统的模拟式湿度传感器一般不仅要设计信号调理电路, 还要经过复杂的校 准和标定过程,其测量准确度难以保证。瑞士 SENSIRON 公司生产的温湿度传感器 SHT11 是 具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度传感器, 可用来测量相对湿度、湿度和 露点等参数。该传感器将 CMOS 芯片技术与传感器技术融合, 为开发高准确度、高可靠性的 数字温湿度传感器提供了测量元件。我们采用温湿度传感器 SHT115和单片机技术相结合的 方法, 研制开发的多通道智能湿度测试仪设计, 具有准确度高, 体积小, 成本低, 操作简单方 便, 湿度范围宽和响应速度快等特点。针对湿度的检测，在讨论湿度检测系统的设计方案的 基础上，拟设计一个多通道智能湿度测试仪设计，包括硬件电路设计和软件设计。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 2 页 2 整体方案设计整体方案设计 2.1 方案论证方案论证 多通道智能湿度测试仪设计的整体思路是：利用流过集成湿度传感器电流随湿度线性变 化的关系，将电流的变化转换为电压的变化，即 0时输出电压为 0V 显示在数码管上的数 字为 000.0。当 100时输出电压为 100mV 通过 AD 转换器输出显示在数码管上的数字为 100.0。即湿度在 0100时电压的变化就对应于湿度的变化，该电压信号经放大后通过 A/D 转换器后将模拟信号转化为数字信号。最后将数字信号送入 AT89C51 单片机，经过软 件的控制，在 LCD 上显示输出相应的湿度值，湿度检测范围是 15%100%RH，精度是 5%，报警电路用蜂鸣器。针对智能湿度测试仪设计，可以采用两个方案，具体的方案见方 案一和方案二。 2.1.1 方案一：干湿球法方案方案一：干湿球法方案 以 AT89C51 单片机为核心的湿度检测仪。该仪器根据干湿球法原理实现高精度测湿， 以代替常规的常规的湿度传感器。 干球 湿球 传感器 传感器 处理器模拟开关A/D AT89C51单片 机 键盘打印 PC 显示 图 2.1 测湿整体方案一框图 2.1.2 方案二：集成湿度传感器方案方案二：集成湿度传感器方案 利用集成湿度传感器的电流与湿度的变化为线性的，我们将电流转换为电压的变化， 通过放大电路输出送入 A/D 转换器 A/D 转换器输出后进入单片机系统，通过软件的控制， 将 电压对应于湿度的数值通过查表的方式得出结果,在 LCD 上显示出来。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 3 页 集成湿度传感器 SHT11 PC 报警电路 LCD显示电路 AT89C51单片机模 块 时钟芯片DS1302 RS232 图 2.2 测湿整体方案二框图 2.2 方案比较方案比较 （1）方案一： 干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因 此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。 干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。 与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。所以干湿球测湿 方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。 （2）方案二： 在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降， 湿度传感器年漂移量一般都在2%左右，甚至更高。一般情况下，生产厂商会标明 1 次标定 的有效使用时间为 1 年或 2 年，到期需重新标定。 电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器 的长期稳定性和使用寿命不如干湿球湿度传感器。 湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将 对传感器造成损坏。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 4 页 所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。 2.3 方案选择方案选择 综合方案一与方案二，方案二有以下几点优势： （1）能够感受环境中的湿度变化。 （2）能够将环境中的湿度变化转化为电信号。 （3）系统能够对采集到的湿度信号进行分析处理。 （4）能够将环境中的湿度以相对湿度的形式显示出来便于观察记录。 （5）系统反应快、灵敏度高、稳定性好，具有一定的抗干扰能力。 （6）电路简单，操作方便、性价比高、实用性强。 故，选择方案二来实现本次课程设计。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 5 页 3 单元模块设计单元模块设计 主要包括湿度采集电路、RS232 通信电路、单片机电路、报警电路、LCD 显示电路、 实时时钟 DS1302。 3.1 湿度采集电路湿度采集电路 3.1.1 SHT11 介绍介绍 SHT11 系列单芯片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。传感 器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测湿元件，并与一个 14 位的 A/D 转换器以 及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。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。 图 3.1 SHT11 管脚图 3.1.2 湿度采集电路湿度采集电路 湿度检测系统采用 SHT11 智能化湿度传感器6。测量相对湿度的范围是 0 100%， 分辨力高达 0.03%，最高精度为 2% RH; 测量湿度的范围是40 123. 8，分辨率为 01; 测量露点的精度 1。连接时，仅需要两条口线即可实现单片机和 SHT11 的双 向通讯，在使用中不需要任何外围元件，被测湿度通过编程可实现 9 12 位的数字方式 串行输出，测湿范围大、精度高。电路如图 3.2 所示，上拉电阻 10k，C 为电源退耦电容。 图 3.2 湿度采集电路 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 6 页 3.2 RS232 多通道电路多通道电路 RS232 初始化 /* 初始化函数*/ void USART_Init(void) /*设置波特率*/ /UBRR=51; /UBRRH=(unsigned char)(baud8); / UBRRL=(unsigned char)(baud); UBRRL=(fosc/16/baud-1)%256; UBRRH=(fosc/16/baud-1)/256; /*接收器和发送器使能*/ UCSRB=(1RXEN)|(1TXEN); /*设置数据帧格式*/ UCsrc=/blog/(1;URSEL)|(1USBS)|(3确认工程保存路径-选择单片机型号-建立 C 文件并 保存-添加工程文件（即新建的 C 文件）-在 C 文件中输入 C 代码-设置 Target 选项- 编译、链接、生成二进制代码。应当特别注意的是：在设置 Target 选项时，单击“Output” 选项后应选中“Create HEX File”选项，并确认晶振频率和电路中所使用的晶振匹配，否则无 法生成二进制代码且系统无法正常工作。在单击编译、链接、生成按钮后应确保没有语法错 误，方可进行系统联调。单片机电路调试仿真图如图 5.2 所示 图 5.2 单片机电路调试仿真图 5.2.2 上位机调试上位机调试 设计采用 VB 作为上位机软件开发平台。VB 的 MSComm 通信控件具有丰富的与串口 通信密切相关的属性及事件，提供了一系列标准通信命令的接口，可以用它创建全双工的、 事件驱动的、高效实用的通信程序。图 5.3 为上位机调试界面。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 17 页 图 5.3 上位机调试图 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 18 页 6 系统功能、指标参数系统功能、指标参数 我们对设计的湿度测试仪进行了现场测试，测试结果表明：在采用了采样次数合适的去 极值的平均值滤波算法来处理随机误差后，测量精度得到提高，达到了本文预想的指标要求。 6.1 误差分析与处理误差分析与处理 随机误差也称为偶然误差和不定误差，是由于在测定过程中一系列有关因素微小的随机 波动而形成的具有相互抵偿性的误差，其对实验结果有相当大的影响。产生因素十分复杂， 如电磁场的微变，零件的摩擦、间隙，热起伏，空气扰动，气压及温度的变化，测量人员的 感觉器官的生理变化等，以及它们的综合影响都可以成为产生随机误差的因素。 我们决定在软件中采取去极值的平均值滤波算法来减小随机误差，所以需要通过实际的 实验来确定滤波算法中采样次数的合适大小，于是使用所设计的测湿仪对环境湿度进行了测 量，以软件中平均滤波的采样次数为变量，在不同环境中测量并得到结果如表 6.1 所示。 表 6.1 不同环境温度和采样次数下的测量结果 环境湿度 (%RH) 采样次数 N49.149.650.149.9平均误差（%RH） 149.948.95151.20.9 104949.750.2500.1 2049.249.55049.80.1 4049.249.750.249.80.1 由实验结果可以看出随采样次数增大，测量结果的随机误差被减小了，但采样次数超过 10 次后，随机误差对测量结果影响甚微，而且盲目地追求采样过大的次数，会导致测量显 示的响应时间太长，影响系统整体性能，所以我们在软件中把采样次数设置为 10。 6.2 减少误差主要方法减少误差主要方法 （1）提高工艺，制作印刷电路板，如此可增强系统的抗干扰能力。 （2）优化软件程序，可提高系统的整个效率，使采样更加迅速，显示更加稳定、可靠。 （3）提高晶振频率的准确度和稳定度以减少闸门时间和误差，如采用有源晶振。 6.3 结论结论 1.精度指标：非线性误差为0.5。 2.测量范围指标：15%RH100%RH。 3.稳定性好：低漂移，抗化学腐蚀性能。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 19 页 7 设计总结设计总结 随着各种高精度传感器的应用与普及，这一技术在科学研究，生产过程等领域中发挥 着越来越重要的作用。这次课程设计提出了一种多通道智能湿度检测系统，简单分析了湿 度控制系统，并按照有关要求完成了以高效单片机 AT89C519作为核心，从而实现湿度智 能监测控制的系统设计。设计中的湿度传感器 SHT11 集湿度传感器于一体来进行采集与 测量，它自带 A/D 换器，因而该湿度控制仪器具有精度高、体积小、良好的抗干扰能力， 故该系统具有很高的实用性。原理图的绘制使我从新学习了一次 proteus, 对软件种元器件 更加熟悉，画仿真图时更为流畅。在进行设计之前有着很多要解决的问题，比如元器件的 选择问题、各个模块的设计和主程序的编程。通过这次设计，我从到图书馆的网站查找相 应的资料应用到对应电路参与设计的思考。每个模块都要经过多次的设计，不断的试验， 让我对之前在学校所学的书本上的理论知识有了更为深刻的了解。在完成毕业设计的过程 是一次难得的理论与实际相结合的过程，在这段时间我更为深刻的理解和掌握了大学期间 所学的一些知识，例如 VB 语言的编程、数字模拟电路、单片机的简单应用、proteus10和 keil 软件的使用与设计该系统可以在许多环境下进行对湿度的检测。这次课程设计中的显 示模块可以设计的更加合理化，针对一些日常检查的工作，显示模块可以记录一天内需要 测量的环境下的湿度，这样更有利于各种的需要。通过多通道智能湿度检测系统11，达到 了测量精确湿度的功能。湿度检测系统具有测量结果精确，结构简单、使用方便具有小型 化、可视性好等特点; 同时采用 RS232 接口和上位机连接，实时打印湿度变化曲线，具有 一定的推广应用价值。 通过本次设计，我认识到了自己的不足，在今后的学习中查漏补缺，感谢谢老师和组 员在我有困难时对我的帮助。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 20 页 8 谢辞谢辞 “冰冻三尺，非一日之寒”，我在做智能仪器课程设计的过程中深深体会到了这句话的哲 理。课程设计是对我智能仪器课程学习成绩的总结，也是对我分析问题、解决问题能力的综 合考察。这次多通道智能湿度测试能够顺利完成，离不开我一直以来知识的积累，离不开众 老师、朋友、同学们的指导和支持。 首先感谢谢维成老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的帮助与支持。谢老师在这 次课程设计过程中对我们的全方位的指导，是我们这次课程设计取得成功的根本保证。尤其 是在课程设计格式及模块设计等多个问题上，让我们懂得了要做好任何事情都必须认真仔细， 专注于细节，同时在设计的过程中使我们更加深入的了解了一些重要芯片的使用和对 keil 和 proteus 软件更深的理解和应用。谢老师对这次课程设计抱着认真负责的态度，极力做好 安排、指导、答疑等各个环节，只为我们能通过这三周的课程设计学到更多知识，更快地提 高我们的能力。在谢老师的指导下，在课程设计期间，我不仅学到了许多新的知识，也更加 熟练的掌握了相关的设计软件，而且也开阔了视野，提高了自己的电路设计能力。我还要感 谢学校能安排这次课程设计，为我们熟悉我们的专业相关知识提供了平台。当然，我还要感 谢我的同学们，这次课程设计能取得成功，也少不了几个同学的指导与帮助，大家在设计中 献言献策，积极发挥着个人的聪明与才智。我也明白了同学们之间的共同帮助在理论实践和 创新中的作用,我相信在以后的学习和工作过程中,我都将受益匪浅。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 21 页 9 参考文献参考文献 1A1V11b200MS/s pipelined ADC with digital background calibrSTionin65nm CMOS. HSUEH K- W,CHOU Y-K,TU Y-H,et al. Int Sol Sta Circ Conf .2008 2胡汉才.单片机原理及其接口技术M. 北京：清华大学出版社，2004. 3智能传感器 SHT11 在单片机嵌入式系统中的应用J.谢敏,徐会冬.现代电子技术.2005(14) 4干湿球湿度计测量原理与影响因素研究J.林军.中国计量. 2008(10) 5李群林.基于多路传感器的温湿度检测系统J. 中国仪器仪表，2006（11） ，3840 6蔡美琴、张为民.MCS-51 系列单片机系统及其应用（第二版）M. 北京：高等教育出版社，2004. 7孙环.基于 SHT11 单片集成传感器温湿度检测模块设计J. 国外电子测量技术，2006（6） ，4348 8张培仁.基于 C 语言编程 MCS-51 单片机原理与应用M. 北京：清华大学出版社，2003. 9孟臣、李敏、李爱传. I2C 总线数字式温湿度传感器 SHT11 及其在单片机系统的应用J.国外电子元 器件,2004(3):50-54 10刘迎春、叶湘滨.现代新型传感器原理与应用M. 北京：国防工业出版社，1998. 11Sensirion Company. Application Note SHTxx Humidity /无符号 8 位整型变量 typedef unsigned int uint;/无符号 16 位整型变量 sbit RS=P20; sbit RW=P21; sbit E=P22; /bit set_temp_up=0;/温度上限位 /bit set_temp_down=0;/温度下限位 bit set_humidity_up=0;/湿度上限位 bit set_humidity_down=0;/湿度下限位 sbit SCK=P16;/定义通讯时钟端口 sbit DATA=P17;/定义通讯数据端口 sbit beep=P30; sbit D1=P24;/定义湿度上限报警端口 sbit D2=P25;/定义湿度下限报警端口 /sbit D3=P26;/定义温度上限报警端口 /sbit D4=P27;/定义温度下限报警端口 sbit k1=P10;/设置功能选择键 /sbit k2=P11;/温度值加键 /sbit k3=P12;/温度值减键 sbit k4=P13;/湿度值加键 sbit k5=P14;/湿度值减键 sbit k6=P34;/关蜂鸣器 uchar num=0,downnum=0,checknum; uchar value_shi,value_ge,downnum_shi,downnum_ge; uchar shidu_shi,shidu_ge,wendu_shi,wendu_ge; uchar shidu_bai,wendu_bai; uchar a,num,sec,tcnt,ge,shi,temp; uchar temp_uplimit,temp_lowlimit,humidity_uplimit,humidity_lowlimit; uint Alarm_temp_up=350,Alarm_temp_low=250,Alarm_humidity_up=700,Alarm_humidity_low=500; 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 24 页 uint wendu,shidu; bit aa; typedef union uint i; /定义了两个共用体 float f; value; enum TEMP,HUMI; /TEMP=0,HUMI=1 /延时子函数 void delay(uint n) uint i; for(i=n;i0;i-) _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /延时 10us12M 晶振 /LCD1602 液晶写命令子函数 void write_com(uchar com) delay(10); RS=0;/指令 RW=0;/写入 E=1;/允许 P0=com; delay(10);/用 for 循环 1 次就能完成普通写指令。 E=0; delay(10);/用 for 循环 1 次就能完成普通写指令。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 25 页 /LCD1602 液晶写数据子函数 voi