室内温度湿度测量仪的设计正稿毕业论文.doc

第1章 绪论1.1课题研究背景和意义湿度，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1。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。1.2国内外的研究现状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。SH1100型湿敏电容，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，电容量的变化范围是163pF202pF。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。集成湿度传感器分成以下三种类型：(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0100%，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4。1.3本文的主要工作和结构安排本设计以STC89C52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。本系统能够同时检测多路温湿度，检测温度范围-55+95。根据实际需要，检测点数可以扩展。系统采用CHR-01湿敏电阻，使用模拟电路，将湿度信号变为电压信号输出，传输给单片机进行分析、处理和控制显示。湿度检测范围为2090RH，其检测精度为5。此外，本系统还具有报警模块，可设定温度湿度报警上下限，当检测到任何温度湿度超过温度湿度报警上下限就进行报警。本文结构安排如下：第1章 绪论，介绍了温湿度对人们生活、生产、工作的影响，温湿度测量仪的应用和发展，以及温湿度测量仪的核心器件温度传感器、湿度传感器的结构、型号、发展前景。第2章 方案比较和论证，介绍了温度传感器、湿度传感器、控制芯片、输出显示设备的方案比较和选择。第3章 系统整体设计，介绍了测量仪信号采集、分析、处理的工作过程和在这些过程中设计的模块电路原理、特性、应用。第4章 软件设计，介绍了软件编程的主流程图和测量温度子程序流程图、测量湿度子程序流程图。第2章方案比较和论证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。2.2 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50Hz2kHz，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（2140.5）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HF3223/HTF3223湿度传感器。HF3223/HTF3223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，HTF3223在HF3223的基础上多了一个温度传感器。HF3223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，我们选择方案一来作为本设计的湿度传感器。2.3 控制芯片的的选择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MCS51系列单片机及其兼容机所占的份额最大。MCS51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：STC89C52 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。本设计需要显示温度值和湿度值，还可显示设置温湿度数值报警数值的上下限，显示数字较多，因此选用方案二液晶频做输出设备。2.5 本章小结本章主要介绍温湿度测量仪用到的主要芯片的选择，如温度传感器、湿度传感器、控制处理芯片、显示输出设备等。对比考虑各器件性能、特点、使用难易度、成本等因素，选择适合本产品指标的元器件。第3章系统整体设计本方案以STC89C52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 系统总方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STC89C52组成；(3)信号处理 由液晶显示模块、继电器模块和蜂鸣器模块组成。3.1信号采集3.1.2 湿度传感器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、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。1.湿度的概念湿度是表示空气中水蒸气含量多少的尺度。在物理学和气象学中，大气湿度的表示方法是多种多样的，而且都有各自的物理量和相应单位。在诸多方法中，习惯使用的是绝对湿度和相对湿度。(1)绝对湿度：绝对湿度定义为在每立方米湿空气中，在标准状态下所含水蒸汽的质量，以字符表示，单位。再由气体状态方程式 （3.1）可得 （3.2）式中为空气中水蒸气的分压力(帕)；T为空气中的干球绝对温度(K)；t为空气中干球的摄氏温度()；为水蒸气的气体常数， =461。(2)相对湿度:相对湿度是指空气中水蒸气分压力与同温度下饱和水蒸汽压力之比值。用r表示相对湿度为： （3.3）式中和的单位采用毫巴(mb)时，由马格奴斯经验公式计算饱和水蒸气压力: （3.4）式中=6.1mb。空气中水蒸气分压力按下列公式计算： （3.5）式中：为湿球温度时饱和水蒸汽压力；为干球温度()；为湿球温度()；P为大气压力(mb)；A是与风速v有关，通常按下列公式计算： （3.6）可知，相对湿度为干球温度、湿球温度、风速、大气压力的函数，当大气压力变化不大时，对给定的检测条件V不变，那么只要测得t ，t 即可得相对湿度2。2. CHR-01湿敏元件简介电阻型湿度传感器可分为两类：电子导电型和离子导电型。电子导电型湿度传感器，也称为“涨缩型湿度传感器”，它通过将导电体粉末（金属、石墨等）分散于膨胀性吸湿高分子中制成湿敏膜。随湿度变化，膜发生膨胀或收缩，从而使导电粉末间距变化，电阻随之改变。但是这类传感器长期稳定性差，且难以实现规模化生产，所以应用较少。离子导电型湿度传感器，它是高分子湿敏膜吸湿后，在水分子作用下，离子相互作用减弱，迁移率增加；同时吸附的水分子电离使离子载体增多，膜电导随湿度增加而增加，由电导的变化可测知环境湿度。本设计选用阻抗型高分子湿度电阻，型号CHR-01，其外型尺寸、内部结构示意图分别如图3.8所示。图3.8 CHR-01CHR-01型高分子湿度电阻的工作原理：由于水附在有极性基的高分子膜上，在低湿度下，因吸附量少，不能产生荷电离子，电阻值较高。当相对湿度增加时，吸附量也增加，吸附水就成为导电通道，高分子电解质的正负离子主要起到载流子作用，另外，由吸附水自身离解出的质子、水和氢离子也起电荷载流子作用，使高分子湿敏电阻的电阻值下降。它的工作电压为交流1V，频率为50Hz2kHz，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（2140.5）k12。图3.9为0-60下CHR-01的阻抗特性曲线，由下图可知，在对精度要求不高的情况下，可以将其近似为线性关系。图3.9 0+60阻抗特性图3. CHR-01湿敏元件应用电路在实际工作环境中，温度不是一个恒值，随着环境的变化而变化，变化的范围很宽。而湿敏元件受温度的影响不能忽略。湿敏元件的湿度温度系数就是表示器件的感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。环境的温度变化越大，由感湿特征量表示的环境相对湿度与实际的相对湿度之间的误差就越大。另外，一切电阻式湿度传感器都必须使用交流电源，否则性能会劣化甚至失效。电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的，在直流电源作用下，正、负离子必然向电源两极运动，产生电解作用，使感湿层变薄甚至被破坏；在交流电源作用下，正负离子往返运动，不会产生电解作用，感湿膜不会被破坏。交流电源的频率选择是，在不产生正、负离子定向积累情况下尽可能低一些。但加交流电压后会产生一定的热量，所以，交流电压值不能过高，要有一定的限度，在高频情况下，测试引线的容抗明显下降，会把湿敏电阻短路。另外，湿敏膜在高频下也会产生集肤效应，阻值发生变化，影响到测湿灵敏度和准确性。除此之外，响应时间、湿滞回线、湿滞回差等也不容忽略。响应时间越短，表明湿敏元件的吸湿过程和脱湿过程越快，湿滞回差越小，湿敏元件的性能越好。故采用振荡电路作为湿敏元件的测试电路11。图3.10 湿度传感器模块电路在湿度检测电路中，以5V交流电作为湿敏电阻的工作电压。多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C上电压略低于，输出高电平，截止，电源通过给电容C充电。随着充电的进行逐渐增高，但只要，输出电压就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。当电容C上的电压略微超过时，RS触发器置 0，使输出电压从原来的高电平翻转到低电平，即，导通饱和，此时电容C通过和放电。随着电容C放电，下降，但只要，就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。当UC下降到略微低于时，RS触发器置 1，电路输出又变为=1，截止，电容C再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲14。谐振荡器的振荡周期为两个暂稳态的持续时间，。求得电容C的充电时间和放电时间各为 （3.7） （3.8）因此，振荡周期 （3.9）通过频率值转换为所对应的湿度值，就得到了所测的湿度值。3.2信号分析单片机专业名称Micro Controller Unit(微控制器件)它是由INTEL公司发明的，最早的系列是MCS-48后来有了MCS-51我们经常说的51系列单片机就是MCS-51micro controller system，它是一种8位的单片机。在单片机应用系统开发过程中，单片机是整个设计的核心，因此选择合适的单片机型号很重要。根据实现系统功能需要的单片机硬件资源，在性能指标满足的情况下，该系统的单片机型号选择8051系列的STC89C52芯片。本系统中，选择STC89C52单片机为该系统的总控芯片，STC89C52单片机可把由温度、湿度检测电路检测出的信号数据传输到LED显示模块，实现温度、湿度的显示；通过键盘设定温湿度报警值，超过温度、湿度上下限由蜂鸣器实现温度、湿度的报警。3.2.1 单片机的内部结构STC89C52系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择13。STC89C52具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择，可以满足系统在各个子模块程序之间的切换；STC89C52的运算速度可满足一般的设计要求；而且STC系列单片机支持ISP在线编程功能，可以不用昂贵的编程器6。8051系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。主要包含中央处理器（CPU）、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，8051系列单片机的内部结构框架示意图，如图3.11所示。图3.11 8051系类单片机的内部结构框图1.主要性能参数：(1) 与MCS-51产品指令系统完全兼容(2) 8k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器(3) 1000次擦写周期(4) 4.0-5.5V的工作电压范围(5) 全静态工作模式：0Hz-33MHz(6) 三级程序加密锁(7) 128*8字节内部RAM(8) 32个可编程I/O口线(9) 2个16位定时/计数器(10)6个中断源(11)全双工串行UART通道(12)低功耗空闲和掉电模式(13)中断可从空闲摸唤醒系统(14)看门狗（WDT）及双数据指针7中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，51系列单片机是8位数据宽度的处理器，它能处理8位二进制数据或代码。CPU主要由算术逻辑部件，控制器和专用寄存器三部分电路组成。它负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM)：数据存取器（RAM）可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个。程序存储器(ROM)：程序存取器（ROM）用于存放用户程序，原始数据或表格等。8051共有4096个8位掩膜ROM。 定时/计数器：定时/计数器用于硬件的定时或计数。8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数功能，也可产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：单片机的并行输入输出（I/O）口主要用于和外部设备进行通信，以便于处理外部的输入和将运算结果反馈到外部设备。8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口：全双工串行口主要用于与其他设备间的串行数据传送。8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容8。2.管脚说明：8051系列单片机采用40Pin封装的双列直接DIP结构，它们的引脚配置如图3-2所示，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。图3.12 8051系类单片机管脚图VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能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FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口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FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“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，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。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，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“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，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。3.2.2 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3.13所示。图3.13 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PSEN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。(1)内部时钟模式内部时钟模式是采用单片机内部振荡器来工作的模式。51系列单片机内部包含有一个高增益的单级反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为片内放大器的输入端口和输出端口,其工作频率为033MHz。当单片机工作于内部时钟模式的时候，只需在XTAL1引脚和XTAL2引脚连接一个晶体振荡器或陶瓷振荡器，并联两个电容后接地即可，如图3-6所示。使用时对于电容的选择有一定得要求，具体如下：A 当外接晶体振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=3010pF；B 当外接陶瓷振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=4010pF。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。(2)外部时钟模式外部时钟模式是采用外部振荡器产生时钟信号，直接提供给单片机使用。对于不同的结构的单片机，外部时钟信号接入的方式有所不同。对于普通的8051单片机，外部时钟信号由XTAL2引脚接入后直接送到单片机内部的时钟信号发生器，而引脚XTAL1则应直接接地。这里需要注意，由于XTAL2引脚的逻辑电平不是TTL信号，因此外接一个上拉电阻。对于CMOS型的80C51,80C52,AT89S52等单片机，和普通的8051不同的是其内部的时钟信号取自于反相放大器的输入端。因此外部的时钟信号应该接到单片机的XTAL1引脚，而XTAL2引脚悬空即可。根据实际应用，我们选择内部时钟电路，外接频率12.000MHz的晶体振荡器，选择两个电容值为30pF的陶瓷电容。3.2.3 RS232串口模块串行接口是单片机与外部设备之间进行数据通信的主要途径。51系类单片机提供了功能强大的全双工串行通信接口，可以方便的实现多机通信或单片机与主机之间的通信。串行通信是指数据的各个二进制位按照顺序一位一位地进行传输。这种通信方式的优点是所需的数据线少，节省硬件成本及单片机的引脚资源，并且抗干扰能力强，适合于远距离数据传输，缺点是每次发送一个比特，导致传输速度慢，效率低。1.串行通信简介单片机的串行通信是将数据的二进制位，按照一定的顺序进行逐位发送，接收方则按照对应的顺序逐位接收，并将数据恢复出来。单片机的串行通信有异步通信和同步通信两种基本方式。下面分别介绍。(1)异步通信方式异步通信是一种利用数字或字符的再同步技术的通信方式，其全称为Asynchronous Communication。在异步通信过程中，数据通常是以帧为单位进行传送的，每个帧为一个字符或一个字节。发送方将字符帧一位一位地发送出去，接收方则一位一位地接收该字符帧。发送方和接收方各自有一个控制发送和接收的时钟，这两个时钟不同，相互独立。一个字符帧按顺序一般可以分为4部分，即起始位，数据位，奇偶校验位和停止位。在异步通信的过程中，数据帧在传输线上的传送一般是不连续的，即传输时，字符间隔不固定，各个字符帧可以是连续发送，也可以是间断发送，在间断发送时，停止位之后，传输线路上自动保持高电平。异步串行通信的优点是不需要进行时钟同步，字符帧的长度不受限制，使用起来比较方便，应用范围广；其缺点是传送每个字符都要有起始位，奇偶校验位和停止位，这样便降低了有效地数据传输速率。(2)同步通信方式同步通信方式是一种连续的串行传输数据的通信方式，其全称为Synchronous Communication。同步串行通信的一次通信过程只传送一帧的信息。同步通信由同步字符、数据字符和校验字符三部分组成。同步通信吧要发送的数据按顺序连接成一个数据块，在数据块的开头附加同步字符，在数据块的末尾附加差错校验字符。在数据块的内部，数据与数据之间没有间隔。在进行同步串行通信时，发送方首先发送同步字符，数据则紧跟其后发送。接收方检测到同步字符后，开始逐个接收数据，直到所有数据接收完毕，然后按照双方规定的的长度恢复成一个一个的数据字节，最后进行校验，如果无传输错误，则可以结束一帧的传输。同步串行通信的优点是不用单独发送每个字符，其传输速率高，一般用于高速率的数据通信场合；缺点是需要进行发送方和接收方之间的时钟同步，整个系统设计比较复杂。2.串口通信电路串口通信电路如图3.14所示。图中，51单片机的串行数据输出端口TXD连接到MAX232第一组收发器的输入端口T1 IN，用于向PC发送数据。串行数据输入端口RXD连接到MAX232第一组收发器的输出端口R1 OUT，用于接收PC串行输入的数据。PC的串行数据输入端口RXIN连接到MAX232第一组收发器的输出端口T1 OUT,用于接收单片机发送的串行数据，PC的串行数据输出端口R1IN连接到MAX232第一组收发器的输入端口R1 IN,用于向单片机发送串行数据。图3.14 RS232串口电路3.3信号处理3.3.1 显示电路在单片机应用系统设计中，一般都是把键盘和显示器放在一起考虑。显示器作为输出部件，可以将系统的运行结果、状态等信息直观地显示出来供操作者了解系统的运行情况和程序的执行结果。本设计是利用8051的串行口实现键盘/显示器接口。1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地第2脚：VDD接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（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：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极18。图3.15 LCD显示模块3.3.2 报警模块在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。本设计采用峰鸣音报警电路。峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过MCS-51的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。在图中，P3.2接晶体管基极输入端。当P3.2输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；当P3.2输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。图3.16是一个简单的使用三极管驱动的峰鸣音报警电路：图3.16 蜂鸣器模块3.3.3 继电器模块继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。为改变温度湿度控制外接风扇、空调等本电路设计了继电器模块20。图3.17 继电器电路3.4本章小结本章主要介绍系统整体设计，分为信号采集、分析、处理三个系统。在各个系统中具体用到的各子模块基本结构、基本原理、应用电路，实现功能等。第4章软件设计4.1主程序图4.1 主程序流程图系统监控程序是系统的主程序，它是系统程序的框架，控制着单片机系统按预定操作方式运转。监控程序的主要作用是能及时的响应来自系统内部的各种服务请求，有效地管理系统自身软硬件及人机对话设备与系统中其它设备交换信息，并在系统一旦出现故障时，及时作出相应处理。该系统控制核心是对单片机8051，其工作过程是：系统通电后，单片机8051进入监控状态，同时完成对各扩展端口的初始化工作。在没有外部控制信息输入的情况下，系统自动采集温湿度传感器数据，最后产生的数据在LCD显示器上显示和蜂鸣器报警。4.2测温度子程序流程图准备测温时首先要将DS18B20的DQ设置为高电平，接着初始化DS18B20，初始化成功后，DS18B20接收单片机的命令，然后再次初始化DS18B20在成功后启动测温，然后将温度保存起来，返回。在测得温度后，DS18B20会将温度数据转换为十进制数的温度表示，然后再通过查表（在C语言中是一个数组）调用液晶1602显示在液晶上，数据处理类似于由二进制转换为十进制，再由十进制转换为ASCII码。图4.2 测温度子程序流程图4.3测湿度子程序流程图 图4.3 测湿度子程序流程图在湿度检测电路中，以5V交流电作为湿敏电阻的工作电压。多谐振荡器只有两个暂稳态。谐振荡器的振荡周期为两个暂稳态的持续时间，。求得电容C的充电时间和放电时间各为 （4.1） （4.2）因此，振荡周期 （4.3）通过周期求出频率，根据频率的变化得到湿敏电阻的变化，对照电阻值和湿度值对换表，由湿敏电阻的电阻值得到湿度值。4.4液晶显示程序流程图液晶显示模块在进行写命令、写数据以及读状态等操作时，都要遵照一定的时序，只有严格的按照特定时序发送控制信号、使能信号和数据等才能正确地完成显示。使用过程中首先对液晶显示模块进行初始化，设置其显示方式等，然后给出要写入数据的寄存器地址（即要显示的首地址），指定字符显示位置，最后发送要显示的数据到相应的数据寄存器即可。调用读、写操作的子程序，进入相应函数之后，首先判别忙标志，如果BF1，控制器正忙于内部操作，则等待直到控制器处于空闲状态时，再设置控制位进行相应的读（状态）、写（命令/数据）操作。图4.4 液晶显示程序流程图4.5本章总结本章主要介绍设计软件流程图，系统主程序流程图，测量温度流程图，测量湿度流程图、液晶显示程序流程图。结 论本设计综合利用单片机技术、传感器技术、数字电子技术和LCD显示等科学知识，完成了单片机控制的温度、湿度和显示装置的设计。比较系统地介绍了硬件的组成及设计方法。利用单片机C语言完成了系统软件的设计。1. 把传感器技术应用到单片机控制系统中，实现了对环境温度和湿度的数据采集和读取。2. 利用LCD液晶的显示技术完成了环境温度、湿度及显示电路的设计。3. 外接了蜂鸣器报警模块，在超过设定温湿度上下限时自动报警。4. 在本设计的基础上皆有继电器模块，可以外接调温调湿电器，把功能扩展延伸为实现对环境温湿度的控制。5. 整个系统软硬件搭配合理，设计、开发、维护方便，性价比高。由于单片机经济实用、开发简便，因而在工业控制、农业自动化、家电智能化等领域占据了广泛的市场。本文介绍的系统设计有一定的实用性，但该系统在设计过程中仍有很多漏洞。还需要在智能化方面加以改进。特别是在节省功耗，提高稳定度等方面。不过，该产品有很好的可扩性能，比如，该设备的测量结果不仅能在本地显示，而且可以利用单片机的串行口和RS-485总线通信协议将采集的数据传送到主控机，以进行进一步的存档、处理。主控机负责控制指令的发送，以控制各个从机的温湿度采集，收集测量数据，并对测量结果(包括历史数据)进行整理、显示和存储。主控机与从机之间也能够相互联系、相互协调，从而达到系统整体统一、和谐的效果。袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄