基于单片机的温湿度测试模块的设计毕业设计.doc

安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 I 基于单片机的温湿度测试模块的设计毕业设计基于单片机的温湿度测试模块的设计毕业设计 目目 录录 引引 言言 1 第第 1 章章 绪论绪论 2 1 1 研究意义 2 12 研究现状 3 2 3 发展趋势 5 第第 2 章章 方案论证比较方案论证比较 6 2 1 温度传感器的选择 6 2 2 湿度传感器的选择 6 2 3 控制芯片的选择 7 2 4 输出显示设备选择 7 第第 3 章章 总体方案设计总体方案设计 9 3 1 研究方案 9 第第 4 章章 硬件设计硬件设计 10 4 1 单片机 AT89C52 10 4 2 温度传感器 14 4 3 湿度传感器 18 4 4 七段码 LED 显示 20 4 5 X5045 简介 22 4 6 TLC1549 简介 24 第第 5 章章 软件设计软件设计 25 5 1 主程序框图 25 结论与展望结论与展望 27 致致 谢谢 28 附录附录 A 电气原理图电气原理图 30 附录附录 B 外文文献及其摘要外文文献及其摘要 31 附录附录 C 主要参考文献及摘要主要参考文献及摘要 37 附录附录 D 主要源程序主要源程序 40 黄寅 基于单片机的温湿度测试模块的设计 II 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 III 插图清单插图清单 图 3 1 系统设计框图 8 图 4 1 AT89C52 外形图 9 图 4 2 AT89C52 单片机基本引脚图 10 图 4 3 复位输入电路图 11 图 4 4 单片机最小系统图 12 图 4 5 DS18B20 实物图 14 图 4 6 DS18B20 原理图 16 图 4 7 DS18B20 寄生电源供电方式电路图 16 图 4 8 温度传感器模块电路图 17 图 4 9 发光二极管芯片排列图 20 图 4 10 发光二极管的外形及引脚 20 图 4 11 X5045 X5043 引脚图 22 图 5 1 主程序框图 24 图 5 2 DS18B20 读取子程序 25 图 5 3 读取子程序 25 黄寅 基于单片机的温湿度测试模块的设计 IV 表格清单表格清单 表 4 1 各端口引脚及对应功能 16 表 4 2 DS18B20 暂存寄存器分布 19 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 V 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 1 引引 言言 温 湿度的测量与控制在工农业生产 日常生活及科学研究中有着广泛的应用 诸如农业上的温室大棚 育种 粮仓中的温 湿度测控以及林业中的护林防火等方面 因此 温 湿度的正确测量和控制对保证产品质量 提高生产效率 节约能源 生产 安全 促进国民经济的发展起到非常重要的作用 但是仅仅有温 湿度的测量是远远 不够的 为了最大限度的减少火灾的发生频率 特别是在仓库和林业方面的监控上 我们还需要对空气中的气体含量进行监测 以最大限度减少误报 漏报火警的发生 更好的保护国家和人民的财产安全 随着工业发展的需要 我国的仓库温 湿度自动调节及火灾报警系统经历了从无 到有 从简单到复杂的发展过程 其智能化程度也越来越高 目前 国内的一些大城 市大多采用集中区域报警控制方式 其系统复杂 成本较高 但是在我国的一些中小 城市 就农林仓库的现状来看 许多地方依然靠开关门窗来调节温湿度 这种方法不 仅费时费力 效率低 准确度也不高 随机性大 当然也就不够科学 因此 需要研 制一种结构简单 价格低廉的测控系统来达到自动调节温湿度及火灾报警的目的 近年来 随着单片机技术的飞速发展 单片机的价格低廉 易于使用的优点就越 发凸显出来 为此 本文设计了一种以单片机为主体的测控系统 该测控系统实现了 能够准确测量仓库温 湿度 并能及时调控和恢复仓库温 湿度和实现火灾报警的功 能 仓库温湿度检测及火灾报警系统的设计 系统由两个传感器来获取和控制温度 湿度的信号 并利用 A D 转换器将其转换为数字信号 当仓库温度和湿度高于正常温 湿度时能及时的进行自动调控 并且恢复正常温湿度 若仓库里的气体含量产生异常 时 启动报警装置 用户可以通过键盘设置需要的参数及报警的上下限值 并通过数 码管显示 系统为单片机测试系统 含温 湿度和气敏传感器电路 量程放大电路 信号滤波电路 A D 转换电路等电子电路 继电器 单片机等硬件电子电路 本设计以 AT89C52 单片机为核心来对多点温湿度进行实时巡检 各检测单元 从 机 能独立完成各自功能 同时能根据主控机的指令对温湿度进行时时采集 并将采集 来的信息通过液晶屏显示清晰的呈现给用户 如果采集的信息超出了预设范围 闪烁 灯和蜂鸣器都将给出报警示意用户 以便做出及时决定 黄寅 基于单片机的温湿度测试模块的设计 2 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 研究意义 如果您想知道所处环境的温湿度情形 最廉价的方法是买一台 LCD 式的温湿度计 就可以随时得知温湿度值了 可是这类的温湿度计只能显示实时的值 并没有记录及 储存的功能 所以只能在很干冷或燥热的情况下 才看一下温湿度计上的值 曾经在 电视上看到一个空调的广告 使用者一直抱怨空调的运转式走走停停的 导致房间内 的温度也跟着起伏不定 身体觉得非常不舒服 如果您也有这方面的需求与应用时 势必要购买一台具有记录或联机功能的温湿度计 才能得知温湿度与时间的变化关系 了 这里我们就要制作一台兼有记录与判断的智能型温湿度计 让我们随时读取温湿 度值 并且也可以做实时的监视与控制 温度是表示物体冷热程度的物理量 微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度 在整个宇宙当中 温度无处不存在 无论在地球上还是在月球上 也无论是在炽热的 太阳上还是在阴冷的冥王星上 这一切无不由于空间位置的不同而存在着温度的差别 湿度 表示大气干燥程度的物理量 在一定的温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 湿度表示气体中的水蒸汽含量 有绝对湿度和相对湿度两种表示方法 绝对 湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量 一般其单位是克 立方米 绝对湿度的 最大限度是饱和状态下的最高湿度 相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比 它的 值显示水蒸气的饱和度有多高 将单片机用作测控系统时 系统总要有被测信号懂得输入通道 由计算机拾取必 要的输入信息 对于测量系统而言 如何准确获得被测信号是其核心任务 而对测控 系统来讲 对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节 传感器是实现测量与控制的首要环节 是测控系统的关键部件 如果没有传感器对 原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换 一切准确的测量和控制都将无法实现 工 业生产过程的自动化测量和控制 几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中 的各种参量 使设备和系统正常运行在最佳状态 从而保证生产的高效率和高质量 随着工业发展的需要 我国的仓库温 湿度自动调节及火灾报警系统经历了从无 到有 从简单到复杂的发展过程 其智能化程度也越来越高 在我国的一些中小城市 就农林仓库的现状来看 许多地方依然靠开关门窗来调节温湿度 这种方法不仅费时 费力 效率低 准确度也不高 随机性大 当然也就不够科学 因此 需要研制一种 结构简单 价格低廉的测控系统来达到自动调节温湿度及火灾报警的目的 近年来各地仓库 存储区间发生火灾的事情不胜枚举 随着科技的迅猛发展 逐 渐实现仓库系统管理智能化 但是智能化程度与普及率过低 虽然有些也引进了一些 国外的计算机智能控制系统 如温室环境控制系统 也真正实现了数字化 智能化 自动化 但投资过大 系统故障维护不便 且经济效益过低 因此实现开发低价位实 用型仓库智能安全系统已迫在眉睫 对于推进我国仓库智能化管理以及最大限度的减 少仓库火灾进程具有极为重要的意义 同时也具有很大的市场商机 温度 湿度和人类的生产 生活有着密切的关系 同时也是工业生产中最常见最 基本的工艺参数 例如机械 电子 石油 化工等各类工业中广泛需要对温度 湿度 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 3 的检测与控制 并且随着人们生活水平的提高 人们对自己的生存环境越来越关注 而空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响 所以对温度 湿度的 检测及控制就非常有必要了 温度 湿度是工业农业生产不可缺少的因素 但传统的方法是用温度表 毛发湿 度表 双金属式测量计和湿度试纸等测试器材 通过人工进行检测 对不符合温度和 湿度要求的库房进行通风 去湿和降温等工作 这种人工测试方法费时费力 效率低 且测试的温度及湿度误差大 随机性大 含有微型计算机或微处理器的测量仪器 由 于它拥有对数据存储 运算逻辑判断及自动化的功能 有着智能作用 随着生产的发 展 一个低成本和具有较高精度的温度湿度测量仪在许多领域会代替人工操作 自动 控制各种仪器调整环境温度湿度 目前市场上普遍存在的温湿度检测仪器大都是单点 测量 而且温湿度信息传递不及时 精度达不到要求 不利于控制者根据温度 湿度 变化及时做出决定 为此 本设计开发了一种能够同时测量多点 并实时性高 精度 高 能够综合处理多点温湿度信息 并能进行温湿度控制的测控产品 总之 环境温 湿度的检测与调节仪器的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值 12 研究现状 1 2 1 温度传感器 集成温度传感器是目前应用范围最广 使用最普及的一种全集成化传感器 其种 类很多 大致可分为以下 5 类 1 模拟集成温度传感器 2 模拟集成温度控制器 3 智能温度传感器 4 通 用智能温度控制器 5 微机散热保护专用的智能温度控制器 集成温度传感器的主要应用领域有以下 3 个方面 1 温度测量 可以构成数字温度计 温度变送器 温度巡回检测仪 智能化温度 检测系统及网络化测温系统 2 温度控制 适用于智能化温度测控系统 工业过程控制 现场可编程温度控制 系统 环境温度监测及报警系统 中央空调 风扇温控电路 微处理器及微机系统的 过热保护装置 现代办公设备 电信设备 服务器中的温度测控系统 电池充电器的 过热保护电路 音频功率放大器的过热保护电路及家用电器 3 特殊应用 例如 热电偶冷端温度补偿 测量温差 测量平均温度 测量温度 场 电子密码锁 仅对内含 64 位 ROM 的单线总线智能温度传感器而言 及液晶显示 器表面温度监测等 模拟集成温度传感器是在 20 世纪 80 年代问世的 它是将温度传感器集成在一个 芯片上 可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用 IC 模拟集成温度传感器的主要 特点是功能单一 仅测量温度 测温误差小 价格低 响应速度快 传输距离远 体 积小 微功耗等 适合远距离测温 控温 不需要进行非线性校准 外围电路简单 它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器 典型产品有 AD590 AD592 TMP17 LM135 等 智能温度传感器 亦称数字温度传感器 是在 20 世纪 90 年代中期问世的 它是 微电子技术 计算机技术和自动测试技术 ATE 的结晶 目前 国际上已开发出多 种智能温度传感器系列产品 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 有的产品还带多路选择器 中央控制 器 CPU 随机存取存储器 RAM 和只读存储器 ROM 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 MCU 并且它是在硬件 黄寅 基于单片机的温湿度测试模块的设计 4 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 进入 21 世纪后 智能温度传感器正朝着高精度 多功能 总线标准化 高可靠性及安全性 开发虚拟传感器和网络传感器 研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展 在 20 世纪 90 年代中期最早推出的智能温度传感器 采用的是 8 位 A D 转换器 其测温精度较低 分辨力只能达到 1 目前 国外已相继推出多种高精度 高分辨力 的智能温度传感器 所用的是 9 12 位 A D 转换器 分辨力一般可达 0 5 0 0625 由 美国 DALLAS 半导体公司新研制的 DS1624 型高分辨力智能温度传感器 能输出 13 位 二进制数据 其分辨力高达 0 03125 测温精度为 0 2 为了提高多通道智能温度 传感器的转换速率 也有的芯片采用高速逐次逼近式 A D 转换器 以 AD7817 型 5 通 道智能温度传感器为例 它对本地传感器 每一路远程传感器的转换时间分别仅为 27 s 9 s 新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强 例如 DS1629 型单线智能温度传 感器增加了实时日历时钟 RTC 使其功能更加完善 DS1624 还增加了存储功能 利用芯片内部 256 字节的 E2PROM 存储器 可存储用户的短信息 另外 智能温度传 感器正从单通道向多通道的方向发展 这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良 好条件 智能温度传感器的总线技术也实现了标准化 规范化 所采用的总线主要有 单线总线 I2C 总线 SMBus 总线和 SPI 总线 1 2 2 湿度传感器 湿度传感器产品及湿度测量属于 90 年代兴起的行业 湿度传感器主要分为电阻式 和电容式两种 产品的基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜 空气中的水 蒸汽吸附在感湿材料上后 元件的阻抗 介质常数发生很大的变化 从而制成湿敏元 件 近年来 国内外在湿度传感器研发领域取得了较大的发展 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 国内外各厂家的犯人湿度传感器产品水平不一 质量价格都相差较大 用户如何选 择性能价格比最优的理想产品确有一定难度 需要在这方面作深入的了解 现在国内 市场上出现了不少国内外湿度传感器产品 电容式湿敏元件较为多见 感湿材料种类 主要为高分子聚合物 氯化锂和金属氧化物 近年来 国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步 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 为开发新一代湿度 温度测控 系统创造了有利条件 也将湿度测量技术提高到新的水平 湿敏元件是最简单的湿度传感器 湿敏元件主要分为电阻式 电容式两大类 湿敏 电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜 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 湿敏电阻 的种类很多 例如金属氧化特湿敏电阻 硅湿敏电阻 陶瓷湿敏电阻等 湿敏电阻的 优点是灵敏度高 主要缺点是线性度和产品的互换性差 湿敏电容一般是用高分子薄 膜电容制成的 常用的高分子材料有聚苯乙烯 聚酰亚胺 酷酸醋酸纤维等 当环境 湿度发生改变时 湿敏电容的介电常数发生变化 使其电容量也发生变化 其电容变 化量与相对湿度成正比 湿敏电容的主要优点是灵敏度高 产品互换性好 响应速度 快 湿度的滞后量小 便于制造 容易实现小型化和集成化 其精度一般比湿敏电阻 要低一些 国外生产湿敏电容的主厂家有 Humirel 公司 Philips 公司 Siemens 公司等 以 Humirel 公司生产的 SH1100 型湿敏电容为例 其测量范围是 1 99 RH 在 55 RH 时的电容量为 180pF 典型值 当相对湿度从 0 变化到 100 时 电容量的变 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 5 化范围是 163pF 202pF 温度系数为 0 04pF 湿度滞后量为 1 5 响应时间为 5s 除电阻式 电容式湿敏元件之外 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 光强型湿敏元件 声表面波湿敏元件等 湿敏元件的线性度及抗污染性差 在检测环境湿度时 湿敏元件要长期暴露在待测环 境中 很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性 目前 国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为 Honeywell 公司 HIH 3602 HIH 3605 HIH 3610 型 Humirel 公司 HM1500 HM1520 HF3223 HTF3223 型 Sensiron 公司 SHT11 SHT15 型 这些产品可分成以下三种类型 1 线性电压输出式集成湿度传感器 典型产品有 HIH3605 3610 HM1500 1520 其主要特点是采用恒压供电 内置放大电路 能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级 电压信号 响应速度快 重复性好 抗污染能力强 2 线性频率输出集成湿度传感器 典型产品为 HF3223 型 它采用模块式结构 属 于频率输出式集成湿度传感器 在 55 RH 时的输出频率为 8750Hz 型值 当上对湿 度从 10 变化到 95 时 输出频率就从 9560Hz 减小到 8030Hz 这种传感器具有线性 度好 抗干扰能力强 便于配数字电路或单片机 价格低等优点 3 频率 温度输出式集成湿度传感器 典型产品为 HTF3223 型 它除具有 HF3223 的功能以外 还增加了温度信号输出端 利用负温度系数 NTC 热敏电阻作为温度 传感器 当环境温度变化时 其电阻值也相应改变并且从 NTC 端引出 配上二次仪表 即可测量出温度值 2002 年 Sensiron 公司在世界上率先研制成功 SHT11 SHT15 型智能化温度 温度 传感器 其外形尺寸仅为 7 6 mm 5 mm 2 5 mm 体积与火柴头相近 出厂前 每只传感器都在温度室中做过精密标准 标准系数被编成相应的程序存入校准存储器 中 在测量过程中可对相对湿度进行自动校准 它们不仅能准确测量相对温度 还能 测量温度和露点 测量相对温度的范围是 0 100 分辨力达 0 03 RH 最高精度为 2 RH 测量温度的范围是 40 123 8 分辨力为 0 01 测量露点的精度 2 3 发展趋势 基于国内外的研究现状 可以设计一种可测量温湿度的智能型专用产品 该温湿 度计功耗极低 电流小 用镍镉电池充电 可长时间连续使用 用这种数字式温湿度 计同时可测量二组温度和一组湿度数据 可自动记忆温湿度的最大值和最小值 并可 将以上数据显示在两个 LCD 显示器上 可用在孵化 养殖业 冷库 日光温室 酿造 乳制品加工 食品加工 实验室 等 给使用者带来了极大的方便 例如日光温室及塑料大棚种菜技术中 除了水肥外 对温室内温度和湿度的测控成为提高温室作物产量降低生产成本的一个关键因素 温 湿度过高或温度过低都会减少蔬菜的产量 如番茄在温度低于 8 时既停止生长 在 0 时就会冻死 温室内采用喷灌和漫灌是造成现有温室内高湿 这会引起蔬菜病害的 发生 利用这种数字式温湿度计就可自动记录一个昼夜室内外的温度 湿度的最大值 和最小值 根据测得的温湿度数据即可采取相应的措施 目前 数字式温湿度计用在 本地温室蔬菜和食用菌生产中并取得了显著的经济效益 数字式温湿度计的外形比较小 携带方便 使用简单 精度比较高 主要技术指 标为 环境温度测量范围 10 70 湿度测量范围 98 外置探头温度 测量范围为 50 70 另外 它可同时将周围环境和外部的最高温度 湿度和最 低温度 湿度储存起来 如测一个昼夜温度 湿度差或一个月乃至一年内的温度 湿 黄寅 基于单片机的温湿度测试模块的设计 6 度最高点和最低点 这三组极限值可自动记忆 且记忆时间不限 第第 2 章章 方案论证比较方案论证比较 当将单片机用作测控系统时 系统总要有被测信号懂得输入通道 由计算机拾取 必要的输入信息 对于测量系统而言 如何准确获得被测信号是其核心任务 而对测 控系统来讲 对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节 传感器是实现测量与控制的首要环节 是测控系统的关键部件 如果没有传感器 对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换 一切准确的测量和控制都将无法实现 工业生产过程的自动化测量和控制 几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程 中的各种参量 使设备和系统正常运行在最佳状态 从而保证生产的高效率和高质量 2 1 温度传感器的选择 方案一 采用热电阻温度传感器 热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制 成的测温元件 现应用较多的有铂 铜 镍等热电阻 其主要的特点为精度高 测量 范围大 便于远距离测量 铂的物理 化学性能极稳定 耐氧化能力强 易提纯 复制性好 工业性好 电 阻率较高 因此 铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准 缺点是价格贵 温 度系数小 受到磁场影响大 在还原介质中易被玷污变脆 按 IEC 标准测温范围 200 650 百度电阻比 W 100 1 3850 时 R0 为 100 和 10 其允许的测量误 差 A 级为 0 15 0 002 t B 级为 0 3 0 005 t 铜电阻的温度系数比铂电阻大 价格低 也易于提纯和加工 但其电阻率小 在 腐蚀性介质中使用稳定性差 在工业中用于 50 180 测温 方案二 采用 DS18B20 温度测量范围从 55 125 10 85 时测量精度为 0 5 测量分辨率为 0 0625 电源电压范围从 3 3 5V 它支持 一线总线 的数字 方式传输 可组建传感器网络 而且 无需进行线性校正 使用非常方便 接口简单 成本低廉 与传统的热敏电阻温度传感器不同 它能够直接读出被测温度 并且可根 据实际要求通过简单的编程实现 9 12 位的数字值读数方式 可以分别在 93 75ms 和 750ms 内将温度值转化 9 位和 12 位的数字量 它具有体积小 接口方便 传输距离远 等特点 内含寄生电源 系统有如下特点 1 不需要备份电源 可通过信号线供电 2 送串行数据 不需要外部元件 3 零功耗等待 4 系统的抗干扰性好 适合于恶劣环境的现场温度测量 如环境控制 设备过程 控制 测温类消费电子产品等 综合比较方案一与方案二 成本相差不多 方案二具有更高的抗干扰能力和精度 电路结构简单 选择方案二作为本设计的温度传感器 2 2 湿度传感器的选择 测量空气湿度的方式很多 其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引 起的物理或化学性质的变化 间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度 电容式 电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数 电阻率和体积 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 7 随之发生变化而进行湿度测量的 方案一 采用 CHR 01 湿敏电阻 CHR 01 湿敏电阻适用于阻抗型高分子湿度传感 器 它的工作电压为交流 1V 频率为 50Hz 2kHz 测量湿度范围为 20 90 RH 测 量精度 5 工作温度范围为 0 85 最高使用温度 120 阻抗在 60 RH 25 时为 30 21 40 5 K 采用 555 时基或 RC 振荡电路 将湿度传感器等效为阻抗值 测量振荡频率输出 振荡频率在 1k Hz 左右 方案二 采用 hih 3610 湿度传感器 Hih 3610 采用模块式结构 属于频率输出式 集成湿度传感器 相对湿度在 0 99 RH 范围内 精度为 5 测量指标和精度高 不需校准的完全互换性 高可靠性和长期稳定性 快速响应时间 专利设计的固态聚 合物结构 适用于线性电压输出和频率输出两种电路 适宜于制造流水线上的自动插 件和自动装配过程 Hih 3610 在 CHR 01 的基础上多了一个温度传感器 Hih 3610 湿 度传感模块将湿度信息转化为频率信号 传输给单片机进行分析 处理和控制显示 综合比较方案一与方案二 方案二虽然精度及测量湿度范围都比方案一高 但成 本高了许多 方案一成本低廉且能满足测量需求 且调试电路简单 因此 在能达到 指标要求下 为减少成本支出 我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器 2 3 控制芯片的选择 2 3 1 单片机 在多数电子设计当中 基于性价比的考虑 8 位单片机仍是首选 目前 8 位单片 机在国内外仍占有重要地位 在 8 位单片机中又以 MCS 51 系列单片机及其兼容机所 占的份额最大 MCS 51 的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化 设计人员可以 很容易的对不同公司的单片机产品进行选型 他们只需将重点放在芯片内部资源的比 较上 方案一 采用 AT89C51 芯片作为硬件核心 采用 Flash ROM 内部具有 4KB ROM 存储空间 能于 3V 的超低压工作 而且与 MCS 51 系列单片机完全兼容 但是运用 于电路设计中时由于不具备 ISP 在线编程技术 当在对电路进行调试时 由于程序的错 误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时 对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的 损坏 方案二 采用 AT89S52 片内 ROM 全都采用 Flash ROM 能以 3V 的超底压工作 同时也与 MCS 51 系列单片机完全该芯片内部存储器为 8KB ROM 存储空间 同样具 有 89C51 的功能 且具有在线编程可擦除技术 当在对电路进行调试时 由于程序的 错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时 不需要对芯片多次拔插 所以不会对 芯片造成损坏 方案三 AT89C52 是一种低功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统 可编程 Flash 存储器 使用高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品指令 和引脚完全兼容 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于常规编程器 在单 芯片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在线系统可编程 Flash 使得 STC89C52 为众多嵌入 式控制应用系统提供高灵活 超有效的解决方案 方案一是多年前的的产品 因自身设计缺陷 已经很少被人使用 方案二和方案 三使用差别不大 但方案二需要专有下载线 方案三使用串口下载即可 因此选择方 案三 2 4 输出显示设备选择 电子设计中常用的输出显示设备有两种 数码管和 LCD 方案一 数码管是现在电子设计中使用相当普遍的一种显示设备 每个数码管由 黄寅 基于单片机的温湿度测试模块的设计 8 7 个发光二极管按照一定的排列结构组成 根据七个发光二极管的正负极连接不同 又 分为共阴极数码管和共阳极数码管两种 选择的数码管不同 程序设计上也有一定的 差别 数码管显示的数据内容比较直观 通常显示从 0 到 F 中的任意一个数字 一个 数码管可以显示一位 多个数码管就可以显示多位 在显示位数比较少的电路中 程 序编写 外围电路设计都十分简单 但是当要显示的位数相对多的时候 数码管操作 起来十分烦琐 显示的速度受到限制 并且当硬件电路设计好之后 系统显示能力基 本也被确定 系统显示能力的扩展受到了限制 方案二 而液晶显示屏具有体积小 功耗低 显示内容丰富等特点 用户可以根 据自己的需求 显示自己所需要的 甚至是自己动手设计的图案 当需要显示的数据 比较复杂的时候 它的优点就突现出来了 并且当硬件设计完成时 可以通过软件的 修改来不断扩展系统显示能力 外围驱动电路设计比较简单 显示能力的扩展将不会 涉及到硬件电路的修改 可扩展性很强 字符型液晶显示屏已经成为了单片机应用设 计中最常用的信息显示器件之一 不足之处在于其价格比较昂贵 驱动程序编写比较 复杂 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 9 第第 3 章章 总体方案设计总体方案设计 3 1 研究方案 本方案以 AT89C52 单片机系统为核心来对温度 湿度进行实时控制和巡检 各检 测单元能独立完成各自功能 并根据主控机的指令对温湿度进行实时采集 主控机负 责控制指令的发送 并控制各个检测单元进行温度采集 收集测量数据 同时对测量 结果进行整理和显示 其中包括单片机 复位电路 温度检测 湿度检测 键盘及显 示 报警电路 系统软件等部分的设计 图 3 1 系统设计框图 本设计由信号采集 信号分析和信号处理三个部分组成的 1 信号采集 由温度传感器模块和湿度传感器模块组成 2 信号分析 由单片机 AT89C52 组成 3 信号处理 由液晶显示模块 MAX1483 模块和蜂鸣器模块组成 单片机 AT89C52 电源 晶振电路 复位电路 8255 显示器 键盘 TLC15 49 报警电路 看门狗电路 温度检测电路 湿度检测电路 MAX 1483 上位机 黄寅 基于单片机的温湿度测试模块的设计 10 第第 4 章章 硬件设计硬件设计 4 1 单片机 AT89C52 4 1 1 概述 AT89C52 简称 89C52 的广泛使用 使单片机的价格大大下降 目前 89C52 的市场零售价已经低于 8255 8279 8253 8250 等专用接口芯片中的任何一种 而 89C52 的功能实 际上远远超过以上芯片 因此 如把 89C52 作为接口芯片使用 在 经济上是合算的 4 1 2 AT89C52 单片机的功能及引脚 兼容标准 MCS 51 指令系统的 AT89C52 单片机 图 4 1 是美国 ATMEL 公司生 产的一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 推荐时钟为 0Hz 24Hz 在本系统中选取时 钟周期为 24Hz 片内含 8k bytes 的芯片简述可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存 储技术生产 与标准 MCS 51 指令系统及 8052 产品引脚兼容 片内置通用 8 位中央 处理器和 Flash 存储单元 功能强大的 AT89C52 单片机可以提供许多较复杂系统控制 应用场合 图 4 1 AT89C52 外形 AT89C52 单片机有 40 个引脚 32 个外部双向输入 输出 I O 端口 同时内含 2 个外中断口 3 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 2 个读写口线 AT89C52 单片机可以按照常规方法进行编程 也可以在线编程 其将通用的微处理 器和 Flash 存储器结合在一起 特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降开发成本 外围采用两片串行输入显示驱动接口芯片 MAX7219 其硬件开销小 且编程简单 采用串行 E2PROM24LC01 用于工况参数的设定 这些参数设定后 在 24LC01 中分 3 个区域存放 以 3 中取 2 方式读取 以保证正确率 串行器件的选用 系统的硬件简 单 调试方便 4 1 3 AT89C52 单片机的主要功能特性 1 兼容 MCS51 指令系统 2 32 个双向 I O 口 3 3 个 16 位可编程 TIM CON 中断 4 2 个串行中断 5 2 个外部中断源 6 2 个读写中断口线 7 低功耗空闲和掉电模式 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 11 8 8k 可反复擦写 1000 次 Flash ROM 9 256x8bit 内部 RAM 10 时钟频率 0 24MHz 11 可编程 UART 串行通道 12 共 6 个中断源 13 3 级加密位 14 软件设置睡眠和唤醒功能 4 1 4 主要功能说明 1 基本引脚的功能 单片机 AT89C52 的所有引脚的基本功能如图 4 2 所示 图 4 2 AT89C52 单片机基本引脚图 Vcc 电源电压 GND 地 P0 口 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 也即地址 数据总线复用口 作为输出口用时 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P0 写 1 时 可作为高阻抗输入端用 在访问外部数据存储器或程序 存储器时 这组口线分时转换地址 低 8 位 和数据总线复用 在访问期间激活 内部上拉电阻 在 Flash 编程时 P0 口接收指令字节 而在程序校验时 输出指令字 节 校验时 要求外接上拉电阻 P1 口 P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端 黄寅 基于单片机的温湿度测试模块的设计 12 口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引 脚被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL 与 AT89C51 不同之处是 P1 0 和 P1 1 还 可分别作为定时 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和输入 P1 1 T2EX Flash 编程和程序校验期间 P1 接收低 8 位地址 参见表 2 1 P2 口 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲级可驱 动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P2 写 1 通过内部的上拉电阻 把端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某 个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL 在访问外部程序存储器或 16 位地址 的外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 指令 时 P2 口送出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器 如执行 MOVX RI 指令 时 P2 口输出 P2 锁存 器的内容 Flash 编程或校验时 P2 亦接收高位地址和一些控制信号 P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口输出缓冲级可 驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P3 口写入 1 时 它们被内部上 位电阻拉高并可作为输入端口 此时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 IIL P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更重要的用途是它的第二功能 如下表 4 1 所示 表 4 1 各端口引脚及对应功能 端口引脚第二功能 P3 0RXD 串行输入口 P3 1TXD 串行输出口 P3 2INT0 外中断 0 P3 3INT1 外中断 1 P3 4T0 定时 计数器 0 P3 5T1 定时 计数器 1 P3 6WR 外部数据存储器写选通 P3 7RD 外部数据存储器读选通 RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平 将使单片复位 图 2 4 图 4 3 复位输入电路图 ALE PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存允许 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 13 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节 一般情况下 ALE 仍以时钟振荡频率的 1 6 输 出固定的脉冲信号 因此它可对外输出时钟或用于定时目的 要注意的是 每当访问 外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲 对 Flash 存储器编程期间 该引脚还用于输 入编程脉冲 PROG 如有必要 可通过对特殊功能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元 的 D0 位置位 可禁止 ALE 操作 该位置位后 只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能 将 ALE 激活 此外 该引脚会被微弱拉高 单片机执行外部程序时 应设置 ALE 禁 止位无效 PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89C52 由外部程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次 PSEN 有效 即 输出两个脉冲 在此期间 当访问外部数据存储器 将跳过两次 RSEN 信号 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密位 LB1 被编 程 复位时内部会锁存 EA 端状态 如 EA 端为高电平 接 Vcc 端 CPU 则执行内部 程序存储器中的指令 Flash 存储器编程时 该引脚加上 12V 的编程允许电源 VPP 当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 VPP XTAL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 4 1 5 单片机最小系统 单片机系统的扩展是以基本最小系统为基础的 故应首先熟悉应用应用系统的结 构 单片机最小系统包括晶体振荡电路 复位电路 其电路图如图 4 4 所示 黄寅 基于单片机的温湿度测试模块的设计 14 图 4 4 单片机最小系统 1 复位电路 单片机复位的原理是在时钟电路开始工作后 在单片机的 RST 引脚施加 24 个时 钟振荡脉冲 即两个机器周期 以上的高电平 单片机便可以实现复位 在复位期间 单片机的 ALE 引脚和 P S E N 引脚均输出高电平 当 RST 引脚从高电平跳变为低电平 后 单片机便从 0000H 单元开始执行程序 在实际应用中 一般采用既可以手动复位 又可以上电复位的电路 这样可以人 工复位单片机系统 这种电路如图 3 13 复位部分所示 上电复位电路部分的原理也是 RC 电路的充放电效应 除了系统上电的时候可以给 RST 引脚一个短暂的高电平信号 外 当按下按键开关的时候 VCC 通过一个高电阻连接到 RST 引脚 给 RST 一个高 电平 按键松开的时候 RST 引脚恢复为低电平 复位完成 2 晶振电路 时钟电路是用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号 STC89C52 单片机内部 包含有一个振荡器 可以用于 CPU 的时钟源 另外也可以采用外部振荡器 由外部振 荡器产生的时钟信号来供内部 CPU 运行使用 在实际电路设计时 尽量保证外接的振荡器和电容尽可能接近单片机的 XTAL1 和 XTAL2 引脚 这样可以减少寄生电容的影响 使振荡器能够稳定可靠地为单片机 CPU 提供时钟信号 在传统的模拟信号远距离温度测量系统中 需要很好的解决引线误差补偿问题 多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题 才能够达到较高的 测量精度 我们在为某水电站开发水轮发电机组轴瓦温度实时监测系统时 为了克服 上面提到的三个问题 采用了新型数字温度传感器 DS1820 在对其测温原理进行详细 分析的基础上 提出了提高 DS1820 测量精度的方法 使 DS1820 的测量精度由 0 5 提高到 0 1 以上 取得了良好的测温效果 4 2 温度传感器 4 2 1 DS18B20 简介 DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司生产的可组网数字式温度传感器 在其内部 使用了在板 ON B0ARD 专利技术 全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极 管的集成电路内 与其它温度传感器相比 DS18B20 具有以下特性 1 独特的单线接口方式 DS1820 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处 理器与 DS1820 的双向通讯 2 DS18B20 支持多点组网功能 多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上 实现多点 测温 3 DS18B20 在使用中不需要任何外围元件 4 测温范围 55 125 固有测温分辨率 0 5 5 测量结果以 9 位数字量方式串行传送 DS18B20 测温原理如图 4 7 所示 系数晶振的振荡频率受温度影响很小 用于产生固 定频率的脉冲信号送给计数器 1 高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变 所产 生的信号作为计数器 2 的脉冲输入 计数器 1 和温度寄存器被预置在 55 所对应的 一个基数值 计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数 当计数器 1 的预置值减到 0 时 温度寄存器的值将加 1 计数器 1 的预置将重新被装入 计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数 如此循环直到计数器 2 计数到 0 时 停止温度寄存器值的累加 此时温度寄存器中的数值即为所测温度 图 4 6 中的 安徽工程大学机电学院毕业设计 论文 15 斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性 其输出用于修正计数器 1 的预置值 在正常测温情况下 DS1820 的测温分辩率为 0 5 以 9 位数据格式表示 其中最低 有效位 LSB 由比较器进行 0 25 比较 当计数器 1 中的余值转化成温度后低于 0 25 时 清除温度寄存器的最低位 LSB 当计数器 1 中的余值转化成温度后高于 0 25 置位温度寄存器的最低位 LSB 如 25 5 对应的 9 位数据格式如表 4 2 所 示 表 4 2 DS18B20 暂存寄存器分布 4 2 2 提高 DS1820 测温精度的途径 DS18B20 正常的测温分辨率为 0 5 在对 DSB1820 测温原理详细分析的基础上 我们采取直接读取 DS18B20 内部暂存寄存器的方法 将 DS18B20 的测温分辨率提高 到 0 1 0 01 DS18B20 内部暂存寄存器的分布如表 1 所示 其中第 7 字节存放的是当温度寄存器 停止增值时计数器 1 的计数剩余值 第 8 字节存放的是每度所对应的计数值 这样 我们就可以通过下面的方法获得高分辨率的温度测量结果 首先用 DS18B20 提供的读 暂存寄存器指令 BEH 读出以 0 5 为分辨率的温度测量结果 然后切去测量结果中的 最低有效位 LSB 得到所测实际温度整数部分 T 整数 然后再用 BEH 指令读取计数 器 1 的计数剩余值 M 剩余和每度计数值 M 每度 考虑到 DS18B20 测量温度的整数部 分以 0 25 0 75 为进位界限的关系 实际温度 T 实际可用下式计算得到 T 实际 T 整数 0 25 M 每度 M 剩余 M 每度 4 2 3 DS18B20 使用中注意事项 DS18B20 虽然具有测温系统简单 测温精 度高 连接方便 占用口线少等优点 但在实 际应用中也应注意以下几方面的问题 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进 行补偿 在对DS18B20 进行读写编程 时 必须严格的保证读写时序 否则将 无法读取测温结果 在使用 C 等语言进 行程序设计时 对 DS18B20 操作部分最 好采用汇编语言实现 寄存器内容字节地址 温度最低数字位 0 温度最高数字位 1 高温限值 2 低温限值 3 保留 4 保留 5 计数剩余值 6 每度计数值 7 CRC 校验 8 黄寅 基于单片机的温湿度测试模块的设计 16 当单总线上所挂 DS18B20 超过 8 个时 就需要解决微处理器的总线驱动问题 连接 DS18B20 的总线电缆是有长度限制的 试验中 当采用普通信号电缆传输 长度超过 50m 时 读取的测温数据将发生错误 当将总线电缆改为双绞线带屏 蔽电缆时 正常通讯距离可达 150m 当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽 电缆时 正常通讯距离进一步加长 这种情况主要是由总线分布电容使信号波 形产生畸变造成的 在用 DS1820 进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分 布电容和阻抗匹配问题 在 DS1820 测温程序设计中 向 DS18B20 发出温度转换命令后 程序总要等待 DS1820 的返回信号 一旦某个 DS18B20 接触不好或断线 当程序读该 DS1820 时 将没有返回信号 程序进入死循环 4 2 4 DS18B20 电路设计 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS18B20 是世界上第一片支持 一线总线 接口的温度传感器 一线总线独特而且经济的特点 使用户可轻松组建传感器网络 新一代的 DS18B20 体积更小 更经济 更灵活 图 4 5 DS18B20 实物图 DS18B20 内部结构主要由四部分组成 64 位光刻 ROM 温度传感器 非挥发的 温度报警触发器 TH 和 TL 配置寄存器 DS18B20 的管脚排列如下 DQ 为数字信号输 入 输出端 GND 为电源地 VDD 为外接供电电源输入端 在寄生电源接线方式时接 地 DS18B20 依靠一个单线端口通讯 在单线端口条件下 必须先建立 ROM 操作协 议 才能进行存储器和控制操作 因此 控制操作必须首先提