无尘室温湿度监测系统.doc

本科毕业设计(论文)题目：无尘室温湿度监测系统院 （系）： 电子信息工程学院专 业： 自动化 班 级： 090420 学 生： 刘永生 学 号： 090420306 指导教师： 王坤 2013年 06月本科毕业设计(论文)题目：无尘室温湿度监测系统院 （系）： 电子信息工程学院专 业： 自动化 班 级： 090420 学 生： 刘永生 学 号： 090420306 指导教师： 王坤 2013年 06月无尘室温湿度监测系统摘 要温度、湿度监测在人们现实生活生产中应用已日渐广泛，在发电厂、纺织、食品、医药、仓库、农业大棚等众多的应用场所，对温度、湿度参量的要求都非常严格，因此能否有效对这些领域的温、湿度数据进行实时监测是一个必须解决的问题。本课题研究的内容是无尘室的温湿度监测系统，利用AT89C51单片机作为主控机，对无尘室的温湿度进行实时的监测。温度选用单线数字温度传感器DS18B20采集；湿度选用湿敏电容HS1101结合NE555定时器测量，把对湿度的测量转化为频率的测量，将采集到的数据送到单片机进行处理；由LED数码管对当前的温度、湿度进行显示；设置DS1302实时时钟电路，将整点时对应的温湿度数值存AT24C02中，监测人员通过按按键，可读取过去六小时温湿度信息；当温湿度超过设定的界限时启动报警功能，即蜂鸣器和发光二极管分别产生报警。本次设计通过系统的调试与仿真，可以实现温湿度值的显示、超限报警、温湿度值的设定等，基本上完成了课题所要求的功能。关键词： 温湿度； 单片机； DS18B20；HS1101；按键；数码管；Monitoring System of Temperature and Humidityof Clean RoomAbstract Temperature and humidity are monitored in the practical application of life and production; it has become increasingly widespread in the plant. Textile, food, medicine, warehouses, agricultural sheds and many other places the application of temperature, humidity parameter requirements are very strict, it is effective in those areas of the temperature and humidity data for real-time monitoring is a need to address an important prerequisite.The contents of this research project is a monitoring system of temperature and humidity of clean room, using AT89C51 microcontroller as the main control unit, to monitor and control the temperature and humidity of the clean room in real time. Using digital temperature sensor DS18B20 to send the collected data, Variable humidity sensor HS1101 to measure humidity with the combination of 555 timers. The measurement is converted into frequency measurement of humidity. LED digital tube display the presented temperature and humidity; the hour of the temperature and humidity values are toured in the AT24C02 storage, setting the clock circuit, by pressing a button, you can read the temperature and humidity of an hour before, and so forth you can read the situation six hours before; Also it needs to design an alarm function, that we can use the buzzer because when the figure of the collected temperature and humidity higher than its upper or lower than its lower limit, you can start the alarm device to alarm timely.The feasibility and correctness of this design are verified, through the debugging and simulation system.Key Words: temperature and humidity; single chip microcomputer; ds18b20; hs1101; keys; digital tube II目 录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1选题的目的和意义11.2国内外研究现状11.3本课题研究内容及论文安排22 系统总体方案设计42.1系统功能42.2系统设计思路42.3传感器元件的选择52.4系统整体方案设计52.5本章小结63 系统硬件电路设计73.1单片机最小系统73.1.1晶振电路73.1.2复位电路83.2传感器模块设计83.2.1DS18B20传感器简介及电路设计93.2.2DS18B20传感器电路实现103.2.3湿度测量选择及电路设计113.2.4湿度测量电路的实现123.3DS1302时钟电路设计133.3.1DS1302工作原理133.3.2DS1302电路设计143.4存储电路设计143.4.1AT24C02芯片的介绍143.4.2AT24C02存储电路电路设计143.5按键电路153.6报警电路153.7显示电路163.8电源电路173.9本章小结184 系统软件设计194.1Keil C51语言的介绍194.2系统软件程序流程图194.2.1主程序流程图194.2.2设置参数子程序流程图214.2.3温度采集子程序流程图214.2.4湿度采集子程序流程图224.2.5报警子程序流程图234.2.6显示子程序流程图244.2.7实时时钟子程序流程图254.2.8写入AT24C02子程序流程图264.2.9读AT24C02子程序流程图264.3本章小结275 系统调试与仿真285.1系统软件调试285.2系统软件仿真295.2.1Proteus 软件介绍295.2.2软件仿真296 总结32参考文献33致 谢 36 毕业设计（论文）知识产权声明35毕业设计（论文）独创性声明36附录 37 附录A 硬件电路图37附录B 仿真电路图38 附录C 程序清单39附录D 外文资料翻译55 1 绪论 1 绪论温湿度检测系统应用前景广，工农业生产，科学研究以及日常生活等领域都离不开温湿度检测系统，由此，开发一套新型实用的温湿度检测系统，将具有很大的推广价值。室内温湿度检测系统是一个对现实非常实用，对学生知识运用非常好的一个锻炼课题。本课题的研究内容是设计面向无尘间的温湿度检测系统，主要是针对无尘实验室。现代社会越来越多的实验都要求在严格的环境条件下完成，而温度和湿度是实验室最基本的环境条件，也是对实验影响较大的因素。一般传统的温湿度检测系统中的温湿度测量均采用热敏电阻与湿敏电容，这种传统的模拟式温湿度传感器一般都需要设计信号调理电路并经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，而且在线性度、重复性、互换性等方面也存在一定问题。传统传感器只适合那些测量点数较少，对精度要求不高的场合。因此设计出一款精度高、稳定性好、成本低的温湿度检测系统将具有一定的市场。本系统采用具有高精度、防干扰等优点的数字式传感器DS18B20、555和HS1101组成振荡电路分别测量温度和湿度。这为开发新一代的温湿度检测系统提供了有利条件，同时也有助于将温湿度检测技术提高到新的水平。1.1选题的目的和意义随着工业的发展，需要对温湿度进行检测的场合越来越多。例如：仓库系统、电力系统、档案资料库、烟草、食品加工等等，温湿度的高低对其影响很大，如粮仓中的温湿度过高将会使粮食变质；档案资料库房中的温度忽高忽低，纸张纤维热胀冷缩，是强度降低，湿度过大会使霉菌和害虫滋长，以致造成资料质变；电力系统中，由于温度过高、过低引起的元件失效或由于湿度过高而引起的爬电、闪络事故时有发生等等。由于温湿度的检测不当导致的经济损失将让我们无法估计，为避免受到温湿度的影响，需要安装温湿检测系统减少因温度和湿度的变化给我们带来的经济损失。温湿度检测系统应用前景广，工农业生产，科学研究以及日常生活等领域都离不开温湿度检测系统，而我国经济基础薄弱，在控温控湿方面投入较少，因而采用进口高档检测系统有困难，由此，开发一套新型实用的温湿度检测系统，将具有推广价值。1.2国内外研究现状从17世纪初伽利略发明温度计，把玻璃管倒过来，把液体放在管内，把玻璃管封闭进行测量温度。在1659年法国人布利奥把玻璃泡的体积缩小，并把测温物质改为水银，这样的温度计已具备了现在温度计的雏形。以后荷兰人华伦海特在1709年利用酒精，在1714年又利用水银做为测量物质，制造了更精确的温2 西安工业大学毕业设计（论文） 度计。瑞典人摄尔修斯于1742年改进了华伦海特温度计的刻度，他把水的沸点定为100度，把水的冰点定为0度。而真正把温度变为电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。20世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。进入21世纪后，特别在我国加入WTO后，国内产品面临巨大挑战。各行业特别是传统产业都急切需要应用电子技术、自动检测技术进行改造和提升。例如纺织行业，温湿度是影响纺织品质量的重要因素，但纺织企业对温湿度的测控手段仍很粗糙，十分落后，绝大多数仍在使用干湿球湿度计，采用人工观测，人工调节阀门、风机的方法，其检测效果可想而知。制药行业里也基本如此。而在食品行业里，则基本上凭经验，很少有人使用湿度传感器。值得一提的是，随着农业向产业化发展，许多农民意识到必需摆脱落后的传统耕作、养殖方式，采用现代科学技术来应付进口农产品的挑战，并打进国外市场。各地建立了越来越多的新型温室大棚，种植反季节蔬菜，花卉；养殖业对环境的测控也日感迫切；调温冷库的大量兴建都给温湿度测控技术提供了广阔的市场。我国已引进荷兰、以色列等国家较先进的大型温室四十多座，自动化程度较高，成本也高。国内正在逐步消化吸收有关技术，一般先搞调温、调光照，控通风；第二步搞温湿度自动检测及二氧化碳的测控。此外，国家粮食储备工程的大量兴建，对温湿度测控技术提也提出了要求。 国外厂家比较优质的产品主要使用聚酰胺树脂，产品结构概要为在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上真空蒸发制作金电极，再喷镀感湿介质材料（如前所述）形式平整的感湿膜，再在薄膜上蒸发上金电极.湿敏元件的电容值与相对湿度成正比关系，线性度约2%。虽然，测湿性能还算可以但其耐温性、耐腐蚀性都不太理想，在工业领域使用，寿命、耐温性和稳定性、抗腐蚀能力都有待于进一步提高。我国几十年来在工业上的温湿度空调工程以及凡是对湿度有检测要求的空调工程站中，为了检测室内相对湿度总不得不用再热的处理方法，这几乎已成了机械工业，电子工业等有关工程设计数十年的不变规律。因为，为了检测相对湿度，历来一贯的做法先把大量空气(新风和回风)的温度一直降低到必要的露点温度以下，以除去其中的水分，然后再加热升温，才能保持室内一定的相对湿度。可是这种再热形成的冷热抵消现象所引起的能耗是十分惊人的。并且费人力，温度变化大，不易检测。1.3本课题研究内容及论文安排使用单片机系统监测无尘室的温湿度，数码管实时显示当前温湿度，设置温湿度的报警范围，当温湿度超过设置的范围时，该机器同时进行声、光可以报警。另外，可通过按键调取显示过去六小时的温湿度信息。主要指标： 测量温度范围：-10度60度，精度：+/-1度 测量湿度范围：0%100%，精度：+/-2% 报警方式：蜂鸣、数码管闪烁 本论文共有六章，分别包括：绪论、系统整体方案设计、系统硬件电路设计、系统软件设计、系统调试与仿真、总结。第一章绪论介绍了课题的目的和意义以及国内外研究的现状；第二、三章分别介绍系统整体方案设计和硬件电路设计：包括元器件的选择和基本电路设计等包括单片机最小系统、传感器模块设计、实时时钟电路、存储器电路、按键电路、报警电路、显示和电源等电路。第四、五章介绍了系统软件设计及系统调试仿真。第六章 总结型介绍本系统概况及存在的不足性问题。56 2 系统总体方案设计 2 系统总体方案设计本章节主要介绍无尘室温湿度监测系统的方案设计，它主要包括对系统功能的概述及系统性能指标、系统的设计原则、元器件的选择、系统整体方案设计。2.1系统功能本系统可以实现对无尘室温湿度参数的实时监测与采集；温湿度通过LED数码管进行实时显示；而且通过按键可依次调取过去六小时的温湿度信息并显示；对超限数据的报警分别通过温、湿度传感器DS18B20、HS1101和NE555采集温湿度数据，即时传输给单片机；单片机将收到的信号进行分析和处理，将采集到的实时数据送给数码管显示和AT24C02存储；设定温度湿度报警范围，接入蜂鸣器和发光二极管实现越限报警；按键调取过去六小时的温湿度值；2.2系统设计思路电路总体上分为数据采集部分、中央处理器、显示模块、存储模块以及报警模块部分。以AT89C51单片机最小系统作为核心检测电路，检测温度、湿度传感器采集的温湿度值的，通过数码管的显示和存储器的存储，以及蜂鸣器和发光二极管的报警。具体显示内容及方式由软件来完成。采集温、湿度方面由DS18B20、HS1101和NE555振荡器来完成，DS18B20为数字式传感器可以直接与单片机相连接，有HS1101和NE555组成的振荡电路把对湿度的检测换算成了对频率的检测，直接连接单片机，根据设计要求来选择数码管来显示。具体步骤是：按照原理图将传感器、数码管分别接入单片机。通过温度传感器和湿度传感器采集当前的温湿度值，再经单片机，将处理后的数据传送到数码管显示出来和存储器上来存储。并且接入蜂鸣器和发光二极管。（1）温度监控：通过温度传感器对无尘间实验室温度进行测量，（2）湿度监控：通过湿度传感器对无尘间实验室湿度进行测量，（3）显示：单片机经过处理把温湿度传感器接收到的值显示到数码管上，更加明了显示当前所处环境的温湿度值。（4）存储：记录过去六小时的温湿度信息，以便工作人员进行查阅过去温湿度信息。（5）检测处理：当温度、湿度越限时报警，并通过报警信号蜂鸣器报警和发光二极管来显示当前室内的温湿度值 西安工业大学毕业设计（论文） 2.3传感器元件的选择该系统运用AT89C51为主模板，外接晶振电路，复位电路，按键电路，显示模块以及报警电路，该系统的还可以调去过去六个小时的信息，在加上个存储模块，便于存储信息。方案一： 选用DHT11作为设计的温湿度检测模块。DHT11是一款集成型的数字温湿度一体传感器。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。测量范围20%90%RH，050。测温度精度为2，测湿精度为5%RH。方案二：选用DS18B20温度传感器作为温度检测模块。DS18B20是一线式数字温度传感器。具有独特的单线式接口方式。测量范围在55125，1085，误差范围在0.5。最高精度可达0.0625。HS1101是电容式湿度传感器。可测量相对湿度范围在0%100%RH。误差为2%RH。经上述分析，方案二精度更精确。方案一不能实现方案二的高精度测量。也不能够满足课题对精度的要求。故选择方案二。2.4系统整体方案设计a. 系统的组成：系统整体设计采用模块化设计，它由九个模块组成，单片机、温度采集模块、湿度采集模块、键盘模块、显示模块、存储模块、实时时钟模块、报警模块、电源模块。b. 系统总体结构框图：系统总体结构框图如图2.1所示。图2.1 系统的整体框图 (1) DS18B20温度传感器：数字式温度传感器，具有独特的单总线接口方式，系统连接更加的简单。(2) 湿度传感器HS1101结合NE555振荡器：湿度测量转换成NE555和HS1101组成的振荡频率的测量，通过相应的运算得出湿度值的大小，这样使得湿度的测量更加方便，但是存在相应的误差。(3) 采用独立式按键：设定了五个按键分别是S1“温度设定键”、S2“湿度设置键”S3“加一键”、S4“减一键”、S5“调取键”。(4) LED显示电路：显示当前温湿度的大小，由于该课题只是简单的显示当前的温湿度的大小，是存数字的利用数码管就可以实现。(5) AT24C02存储电路：将整点的温湿度数值存储到AT24C02中，当有S5按键按下时读取AT24C02信息。 (6) DS1302实时时钟电路：为了配合AT24C02存储整点时的温湿度信息，设置整点时钟电路。(7) 报警电路：当温湿度超过设定的上下限时，采用蜂鸣器和发光二极管行进声光报警。(8) 电源电路：通过变压、整流、滤波、稳压转化成稳定的5V的直流电源。2.5本章小结 本章介绍了总体方案的设计以及单片机的选型，设计出了系统的原理结构框图，其中输入电路包括单片机的晶振电路、复位电路、温湿度检测电路、按键等输入电路；输出电路包括显示电路、报警电路、检测电路以及存储器电路。 3 系统硬件电路设计 3 系统硬件电路设计本设计的内容是无尘室温湿度监测系统。它的硬件电路采用模块化设计，首先，选用单线数字式温度传感器DS18B20作为温度的采集；湿度采用HS1101结合NE555振荡器，把对湿度的测量转化为对频率的测量，将采集到的数值送到单片机进行数据处理；由LED数码管对当前的实时温湿度进行分别的显示；把DS1302实时时钟电路设置整点时间所对应的温湿度数值存储于存储器AT24C02中，以备监测人员通过按键调取过去六小时的温湿度信息；设计报警电路，当采集到的温湿度数值超出它的上下限时启用蜂鸣器和发光二极管进行声光报警。3.1单片机最小系统单片机是一种集成的电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。国内尤以MCS-51系列单片机应用最为广泛。此系列单片机易于开发、使用灵活、而且体积小、抗干扰能力强。因此本设计选用MCS-51系列的AT89C51单片机作为本系统的CPU。由AT89C51单片机为核心的单片机最小系统包括晶振电路和复位电路。3.1.1晶振电路晶振电路的主要任务是为AT89C51单片机正常工作需要的时钟电路提供一个稳定的工作频率。本设计中采用内部时钟产生方式。如图3.1所示。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶振，与内部的反相器构成稳定的自激振荡器，其发出的时钟脉冲直接送入单片机内定时检测部件。电容C1和C2对频率有微调作用，电容C1和C2，应尽可能的安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠的工作。图3.1晶振电路 西安工业大学毕业设计（论文） 3.1.2复位电路复位电路的功能就是对CPU进行实时监测，当CPU落入死循环之后，能及时发现并使整个系统复位。为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V5%，4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75低于5.25以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才能被撤出，微机电路开始正常工作2。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路，如图3.2所示。复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连的，斯密特触发器是用来抑制噪声的。单片机的RST引脚是复位信号的输入端，RST引脚上保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，单片机内部可以安全复位。复位后，单片机内部各寄存器的内容将被初始化，复位不影响片内RAM和片外RAM中的内容。寄存器包括程序计数器PC和特殊功能寄存器，其中（PC）=0000H图3.2复位电路3.2传感器模块设计温湿度的测量在仓库管理、工业生产制造、无尘间、科学研究及日常生活中被广发应用，传统的模拟式湿度传感器需设计信号调理电路并需要经过复杂的校准标定过程，测量精度难以得到保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。所以选用DS18B20、HS1101和NE555温湿度传感器，可以满足我们的设计要求。湿度温度传感器是本设计中核心的器件，其感湿温特性直接决定了本设计的性能指标。湿度传感器的种类有很多，大致可以分为物性型，结构型，其他形式三大类。物性型包括电解质系，半导体及陶瓷系，聚合物系；结构型包括毛发型，肠膜型；其他形式包括干湿球式，石英振子式，种子法式等等。温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类。前者是让温度传感器直接与待测物体接触，来检测被物体放射出的红外线，从而达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比之下运用较多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用。目前在工业生产和科学研究工作中得到广泛使用的接触式传感器主要是热电传感器。它是利用转换元件电磁参数随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置，其中将温度变化转换为电阻变化的称热电阻传感器，金属热电阻式传感器简称热电阻，半导体热电阻式传感器简称热敏电阻，将温度变化换为电动势变化的称为热电偶传感器。3.2.1 DS18B20传感器简介及电路设计温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。DS18B20具有独特的单总线接口方式，仅需使用1个端口就能实现与单片机的双向通讯。全数字温度转换及输出提高了信号抗干扰能力和温度测量精度。它具有多样封装形式，适应不同硬件系统。它的工作电压使用范围宽(3055 V)，可以采用外部供电方式，也可以采用寄生电源方式，即当总线DQ为高电平时，窃取信号能量给DS18B20供电。它还有负压特性，电源极性接反时，DS18B20不会因接错线而烧毁，但不能正常工作。可以通过编程实现912位的温度转换精度设置。DS18B20采用3脚TO-92封装，形如三极管，同时也有8脚SOIC封装，还有6脚的TSOC封装，如图3.3所示。图3.3 DS18B20的封装DS18B20其测温范围为55+125，在-1085范围内，精度为05。每一个DS18B20芯片的ROM中存放了一个64位ID号：前8位是产品类型编号，随后48位是该器件的自身序号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。因此，一条总线上可以同时挂接多个DS18B20，实现多点测温系统。另外用户还可根据实际情况设定非易失性温度报警上下限值TH和TL。DS18B20检测到温度值经转换为数字量后，自动存入存储器中，并与设定值TH或TL进行比较，当测量温度超出给定范围时，就输出报警信号，并自动识别是高温超限还是低温超限。DS18B20的6个功能指令：（1）温度转换指令（44H）。这个命令用于启动温度转换，无实质的数据要求。如果微检测器在该命令之后输出读操作命令，那么DS18B20将使DQ端为低电平，表示DS18B20正忙于温度转换，不能响应该命令。（2）写便笺式存储器（4EH）。写便笺式存储器从TH存储单元开始，三个字节的数据将被定位在2到4号便笺式存储器单元。所有的三个字节必须在复位钳写入便笺式存储器。（3）读便笺式存储器（BEH）。该指令读取便笺式存储器的内容，读出的数据将从Byte0（存储器的0号单元）开始直到第9字节（CRC校验字）被读走。但如果不想读完所有字节，微检测器可以再任何时候输出复位信号中断其传输。（4）复制便笺式存储器指令（48H）。把2、3、4号存储单元的内容存储到非易失性SRAM中去。复制期间，如果有读指令，DS18B20将把DQ置为低电平，直到转换结束，把DQ置为高电平。（5）回读SRAM（B8H）。将存储在SRAM中的温度报警上下限、分别率配置的内容写回相应的便笺式存储器。（6）读电源配置结构指令（B4H）。主检测设备发出该指令后在输出读时序，器件即会送出所使用的电源信息：0为寄生电源，1为外接电源。DS18B20的ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。在进行DS18B20操作时一般有以下步骤：（1）初始化DS18B20。（2）ROM指令操作。（3）便笺式存储器功能指令操作。（4）处理或数据传送。每一次DS18B20的操作都必须满足以上步骤，若是缺少或顺序混乱，期间将不会返回值。 3.2.2DS18B20传感器电路实现采用DS18B20数字温度传感器测量温度，DS18B20与单片机是单线双向通信。其连接电路如图3.4所示。图3.4 DS18B20测温电路DS18B20外部电源供电VCC=5V，数据输入端DQ与AT89C51的P1.7口相连,为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，需要在数据线上加一个4.7K的上拉电阻。3.2.3湿度测量选择电路设计HS1101实际上是一个可变电容，它会因外部环境湿度的变化而致使电容值变化，如表3.1所示。湿度测量模块采用HS1101及NE555组成，将该HS1101置于NE555震荡电路中，将电容值的变化转化为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机采集。传统的测量湿度使用干湿球湿度计，它虽然维护其来相当简单，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可，但其精度不够、误差较大。电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。电子湿度传感技术由于发展快，精确性高，误差小，现在得到了广泛的应用。我们选择电子湿度传感器HS1101测量湿度。HS1101湿度传感器随着湿度的变化其电容值的变化在一定程度上是线性的，测湿电路主要利用它们之间的线性关系，可以将湿度变化转化为电容值的变化其的等效电容值与相对湿度之间的关系。表3.1 等效电容值与相对湿度之间的数值关系相对湿度RH（%）电容值C（PF）相对湿度RH（%）电容值C（PF）0163601831016670186201708019130173901954017610020250179NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。其引脚位功能配置如图3.5所示。图3.5 NE555引脚图3.2.4湿度测量电路的实现采用HS1101及NE555振荡器实现对湿度进行测量，其电路连接如图3.6所示。图3.6 HS1101和NE555的测湿电路此电路位典型的555非稳态电路，555芯片外接电阻R10，R12与HS1101，构成对HS1101的充电回路。7端通过555芯片内部的晶体管对地短路实现对HS1101的放电回路，并将引脚2，6端相连引入到片内比较器，构成一个多谐波振荡器，其中，R10相对于R12必须非常的小，但决不能低于一个最小值。R11是防止短路的保护电阻。555电路的非平衡电阻R13作为内部温度补偿用，目的是为了引入温度效应，使它与HS1101的温度效应相匹配。其工作循环可以描述如下：Thigh=C%RH*(R4+R5)*2Tlow=C%RH*R5*2F=1/( Thigh+Tlow)=1/(C%RH*(2*R5+R4)*2)式中：Thigh 表示一次循环输出高电平时间，单位（s）Tlow 表示一次循环输出低电平时间，单位（s）C%RH表示相对湿度下HS1101的容值，单位（F）F表示输出频率值，单位（HZ）电路工作原理：HS1101作为一个变化的电容器，当电源VCC接通时，HS1101两端的电压Vc=0，定时电路处于置位状态由VCC通过R10与R12对变量电容HS1101充电，当Vc达到门限电压（2/3VCC)时，定时电路翻转为复位状态，HS1101通过R13向555内部的晶体管放电，当Vc降到触发电平（1/3VCC）时，定时电路又翻转为置位状态，HS1101又开始充电，这样周而复始，形成震荡。典型频率湿度关系如表3.2所示（参考点：25，相对湿度：55%，输出频率：6660 Hz）。由此可以看出，空气相对湿度与555芯片输出频率存在一定线性关系。可以通过微处理器采集555芯片的频率，经过数据处理可以直接以相对湿度的数据进行显示。表3.2 相对湿度与频率的关系相对湿度值/%输出频率值/Hz相对湿度值/%输出频率值/kHz0735160660010722470646820710080633030697690618640685310060335067283.3 DS1302时钟电路设计DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。3.3.1DS1302工作原理VCC1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大者供电。当VCC2大于VCC10.2V时，VCC2给DS1302供电。当VCC2小于VCC1时，DS1302由VCC1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，SCLK始终是输入端。3.3.2 DS1302电路设计DS1302时钟电路的由VCC1或VCC2两者中的较大者供电。单片机P3.2接DS1302的RST,上电后单片机的P3.2脚自动输出高电平，P3.0作为串行时钟接口，P3.1作为时钟数据的I/O口。DS1302工作原理图如图3.7所示。图3.7 DS1302原理图3.4存储电路设计3.4.1AT24C02芯片的介绍AT24C02是一个2K位串行CMOS E2PROM， 内部含有256个8位字节。AT24C02有一个16字节页写缓冲器。该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。AT24C02采用I2C 总线支持任何IC 生产过程(NMOS CMOS、双极性）。两线串行数据（SDA）和串行时钟 （SCL）线在连接到总线的器件间传递信息。3.4.2AT24C02存储电路电路设计AT24C02存储器，它的l、2、3脚是三条地址线,用于确定芯片的硬件地址，在AT89C51上它们都接地。第8脚和第4脚分别为正、负电源（未表示出来）。第5脚SDA为串行数据输入输出,数据通过这条双向I2C总线串行传送,和单片机的Pl.6连接。第6脚SCL为串行时钟输入线,和单片机的Pl.5连接。SDA和SCL都需要和正电源间各接一个1K的电阻上拉，第7脚需要接地。AT24C02中带有片内地址寄存器,每写入或读出一个数据字节后,该地址寄存器自动加1,以实现对下一个存储单元的读写，所有字节均以单一操作方式读取。为降低总的写入时间,一次操作可写入多达8个字节的。AT24C02存储电路的工作原理如图3.8所示。图3.8 24C02存储电路图3.5按键电路设计为了控制系统的工作状态以及向系统输入数据，应用系统应设有按键或键盘，实现简单的人机对话。键盘是一组按键的集合，键通常是一种常开型按钮开管。从键盘的结构来分，键盘分为独立式和矩阵式俩类。本次设计采用独立式按键的方法进行设计，如图3.9所示。使用单片机P1口的低五个按键来进行实现，S1温度设定、S2湿度设定、S3按键加一、S4按键减一、S5调取按键设计电路图在具体连接时,按键一端连接单片机，另一端接地，当按下时,单片机的相应端口呈现低电平。同时,在靠向单片机的一端分别连接了一个上拉电阻，该电阻一方面保证了在按键未被按下时,相应端口的电平能够保持高电平，另一方面也保证了在按键被按下时,电路中高电平被截止,使低电平有效，此外，还可防止电源被短路。图3.9 按键电路设计3.6报警电路模块设计目前智能化的测试仪表设计都自带有报警电路。设计报警电路也是为了更完善系统的功能，本设计采用发光二极管和蜂鸣器为核心的声光报警电路。报警电路的功能是在AT89C51单片机的检测下实现声光报警或解除报警，如图3.10；当AT89C51单片机检测工作间隙超过规定的量值时，通过报警电路向报警器发出有效信号（高电平有效），声音报警电路接到有效电平后则自动发出预置的报警声，发光二极管报警指示灯发信号，当湿度超过设定的范围时，P0.5输出高电平，LED亮；当温超过设定的范围时，P0.6变成高电平，三极管的基极导通使三极管处于放大状态，蜂鸣器发出声音。处于报警状态。当湿度低于设定的范围时，P0.5输出低电平，LED熄灭；当温低于设定的范围时，P0.6变成低电平，三极管的基极导通使三极管处于截止状态，蜂鸣器不发出声音。报警解除。图3.10 报警电路3.7显示电路7段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。检测相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也有限，但其检测简单，使有也方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管，如图3.11所示。图3.11数码管本课题采用的是动态显示采用六个共阴极数码管来分别显示温度和湿度，前四个显示温度值，后面两个显示湿度值。P2口进行位选择，P0口段选择。根据课题要求温度范围为-1060度，湿度范围为0100%，运用共阴极数码管来显示，由于P0口带负载能力较弱，不能够驱动那么多数码管亮，于是加上74LS244进行驱动，保证其正常发光，如图3.12所示。 图3.12 显示电路3.8电源电路本设计需要+5V电源为整个系统供电，电源模块以LM7805为核心设计成输出+5V直流电压的的稳压电源电路。把单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换成稳定的直流电压。由于输入电压为电网电压，一般情况下所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而电源变压器的作用显现出来起到降压作用。降压后还是交流电压，所以需要整流电路把交流电压转换成直流电压。由于经整流电路整流后的电压含有较大的交流分量，会影响到负载电路的正常工作。需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。稳压电路的功能是使输出直流电压不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得稳定性 足够高的直流电压。本电路使用集成稳压芯片7805（三端稳压器）解决了电源稳压问题.。电路原理图如图3.13所示。图3.13电源电路3.9本章小结本章主要介绍了温、湿度传感器的定义及其分类。对温湿度传感器DS18B20、HS1101、DS1302、AT24C02等芯片的工作原理、内部结构、性能特点做了充分的说明。本章系统阐述了本设计硬件的工作原理。设计了由AT89C51单片机检测的温、湿度测量回路、晶振电路、存储电路、按键电路、声光报警电路、数码管显示电路等说明以及原理介绍。 4 系统软件设计 4 系统软件设计对于系统而言，要进行各项功能，首先要有完善的硬件作保证，同时还必须相应合理的软件作支持。前一章节主要是对温湿度监测系统硬件电路设计，本章节主要进行对系统的软件部分设计。主要通过Keil C51语言的介绍、软件流程图的设计两部分进行的。4.1Keil C51语言的介绍程序设计语言有三种：机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言是机器唯一能“懂”的语言，用汇编语言或高级语言编写的程序（称为源程序）最终都必须翻译成机器语言的程序（成为目标程序），计算机才能“看懂”，然后逐一执行。高级语言是面向问题和计算过程的语言，它可通过于各种不同的计算机，用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系统，而且语句的功能强，常常一个语句已相当于很多条计算机指令，于是用高级语言编制程序的速度比较快，也便于学习和交流。然而，C51语言具有一般高级语言的特点，又能对计算机的硬件进行直接操作，并且采用C51语言编写的程序能够很容易的在不同计算机之间进行移植。与其他高级语言相比，C51语言具有自身的特点：a. 语言简洁，使用方便灵活b. 可移植性好c. 表达能力强d. 可执行结构化程序设计e. 可以直接操作计算机硬件f. 生成的目标代码质量高4.2系统软件程序流程图在软件部分设计包括主程序的流程图、设置按键子程序流程图、温度采集子程序流程图、T0中断流程图、报警子程序流程图、数码管显示子程序流程图、晶振子程序流程图、写24C02存储器子流程图、调取24C02子程序流程图、显示子程序流程图、报警子程序流程图4.2.1主程序流程图首先开始，