基于51单片机温湿度监控系统毕业设计.doc

I 摘摘 要要 温湿度监控是人们对居室要求的重要指标之一 也是影响人体健康的重要 因素之一 为了保证对温湿度良好的监测和控制 本文采用数字式温湿度传感 器 SHTll 来设计居室温湿度监测系统 以达到简化软硬件系统设计 提高测量 精度的目的 首先介绍了 SHTll 的结构特点 接口电路 以及温湿度测量系统 的软硬件设计方案 最后基于 AT89C51 单片机和光电耦合器设计了电路简洁 大大节省 I O 口资源的居室温湿度监控系统 保证了由 AT89C51 单片机输出的 弱电来控制外围的强电电路 本设计不仅仅只是在原理上可行 而且在实际运 用中也了能实现对人们居室温湿度的精确测量与控制 该电路简单且工作稳定 集成度高 操作方便 灵活 对满足人们居室环境的要求具有一定的实用价值 和意义 关键字关键字 AT89C51 单片机 SHT11 光电耦合器 II Abstract The temperature and humidity control to the requirements of the bedroom is people important indexes and also one of the important factors affect human health of one In order to guarantee to the temperature and humidity good monitoring and control this paper using digital temperature and humidity sensors to design SHTll bedroom temperature and humidity monitoring system in order to achieve the simplified the hardware and software system design improve the accuracy of measurement purposes First introduced the structure characteristics of the SHTll interface circuit and the temperature and humidity measurement system hardware and software design scheme then based on AT89C51 single chip microcomputer and photoelectric coupling control circuit design the simple circuit save the I O mouth of temperature and humidity control system resources bedroom ensure the electricity output by AT89C51 single chip microcomputer to control in the outer reaches of the high voltage circuit this design is not just in principle on feasible but also in the practical application of the bedroom can realize to people the precise measurement of the temperature and humidity and control the circuit is simple and stable operation high level of integration convenient operation flexible to meet the requirements of the people bedroom environment has certain practical value and meaning Keywords AT98C51 SHT11 Photoelectric coupled circuit 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪言 1 1 课题背景 3 1 2 课题的研究和意义 3 1 3 国内外概况 3 1 4 课题的主要研究工作 5 2 系统设计方案的研究 2 1 系统设计方案 6 2 2 系统设计方案得比较 6 2 3 系统实现的原理 7 3 硬件的设计 3 1 89C51 芯片 8 3 2 SHT11 传感器 8 3 3 LCD LM016L 显示模块 10 3 4 报警模块 11 4 软件系统与实现 4 1 软件子系统设计 12 4 2 PROTEUS简介 18 4 3 C 语言介绍 18 4 4 KEIL 软件介绍 19 4 5 仿真结果 19 4 5 1 温度超出上线和低于下限时控制电路工作 19 4 5 2 温度超出上线和低于下限时控制电路工作 20 4 5 3温湿度不在预设范围事报警器工作 20 5 总结与展望 22 5 1 总结 22 5 1 1 硬件方面 22 5 1 2软件方面 22 5 2 展望 22 5 2 1 系统硬件 22 5 2 2系统软件 23 致 谢 24 参考文献 25 附录 27 3 1 绪言绪言 1 1 课题背景课题背景 改革开放以来 人们对生活质量要求显著提高 对自己居室的环境要求也 越来越高 这对以从事居室装修工人来说是一个机遇 同时也是一个挑战 而 基于单片机的温湿度控制系统对解决这个问题有着非常重大的意义 以前单纯地依靠空调 室内温度加热器等设备对居室温湿度进行调节 既 不节能效率也不高 这就必需有一套科学的 先进的管理方法 用以对各个时 期的温度及湿度等进行实时的监控 温湿度控制对于单片机的应用具有一定的 实际意义 它代表了一类自动控制的方法 而且其应用十分广泛 1 2 课题的研究和意义课题的研究和意义 8051 单片机是常用于控制的芯片 在智能仪器仪表 工业检测控制 机电 一体化等方面取得了令人瞩目的成果 用其作为温湿度控制系统的实例也很多 使用 8051 单片机能够实现温湿度全程的自动控制 而且 8051 单片机易于学习 掌握 性价比高 使用 8051 型单片机设计温湿度控制系统 可以及时 精确的反映室内的温 度以及湿度的变化 完成诸如升温到特定温度 降温到特定温度等多种控制方 式 在湿度控制方面也是如此 将此系统应用到人们居住的住房提供了更加适 宜的环境 1 3 国内外概况国内外概况 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 年又利用水银作为测量物质 制造了更精确 的温度计 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 而真正把温度变成电信号的传感器是 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 五十年以后 另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计 在半导体技术的支持下 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 与之相应 根据波与物质的相互作用规律 相继开发了声学温度传感器 红外传感器和微 4 波传感器 从此电子温度计随着传感器的发展越来越成熟 智能温度传感器 亦称数字温度传感器 在 20 世纪 90 年代中期问世 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包含温度传感器 A D 传感器 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 并且可通过软件来实现测试功能 温度计也越来越智能化 而湿度计好像是里安纳度 一个在 15 世纪在意大利里出生的人 是第一 个想出这一个仪器量度出空气中的水蒸气含量的人开始探索的 他将一干燥的 棉花放在一个天砰的一侧上 然后他安置一个正是与棉花相同的重量的对象在 天砰的另一侧 当干燥的棉花从空气吸收水蒸汽 它变得更重并且这个天砰的 这侧开始降落 在两重量之间的不同是湿度的度量标准 现在科学家使用一台 称为 psychrometer 的仪器测量相对湿度 psychrometer 由两个绑在一起的 温度计造成 一个温度计的泡被用清水浸过的材料包着 开始量度相对湿度时 要把 psychrometer 旅转直至被包着的温度计维持一个稳定的温度 而这温度一 定比干的那个温度计低 实际的空气温度被干燥的那个温度计量度 在两温度 之间的不同被叫为 wet bulbdepression 是来自物质的水的蒸发的结果 科学 家记录低干的温度计的温度和 wet bulbdepression 然后制成一个图表 来计算 相对湿度 这个也是干湿球湿度计的工作原理 跟电子温度计一样湿度计随着 湿度传感器的发展趋于成熟 现在常用的温度传感器 AD590 DS18B20 湿度传 感器 HMxx 系列 HS1xx 系列 随着温湿度计的发展温室监控系统也越来越成 熟 更好的为人们服务 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 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 但是 在湿度测试领域大部分湿敏元件性能还只能使用在通常温度环境下 在需要特殊环境下测湿的应用场合大部分国内包括许多国外湿度传感器都会 皱 起眉头 例如在上面提到纺织印染行业 食品行业 耐高温材料行业等 都需 要在高温情况下测量湿度 一般情况下 印染行业在纱锭烘干中 温度能达到 120 摄氏度或更高温度 在食品行业中 食物的烘烤温度能达到 80 200 摄氏度 5 左右 耐高温材料 如陶瓷过滤器的烘干等能达到 200 摄氏度以上 在这些情 况下 普通的湿度传感器是很难测量的 1 4 课题的主要研究工作课题的主要研究工作 一 基本工作 1 人性化的设计 界限温度值及湿度值能够由用户根据不同的各种需求设 定 2 能够实时 准确的显示采样温度值与湿度值 3 通过采集温度及湿度值 准确的判断标准值与当前值之间的差异 及时 的启动报警装置 包括警报灯的提示功能以及提示音等 进行报警 并采取相 应的方案 4 能够根据在不同时间段内对温湿度的不同要求 用户可随机更改温度及 湿度值 以满足用户不同的需求 二 参数设定 1 温度检测范围 11 32 2 适度检测范围 40 RH 100 RH 3 湿度测量精度 3 0 RH 4 温度测量精度 0 4 5 显示方式 LCD LM016L 显示 6 2 系统设计方案的研究系统设计方案的研究 2 1 系统设计方案系统设计方案 利用单片机最小系统 外接显示电路 数据采集电路以及控制电路实现对 设计的要求的满足 对数据采集电路的选择没有选择热敏电阻和湿敏电阻是因 为 sht11 传感器既简单 又有较为合适的工作范围 简化了电路又提高效率 2 2 系统设计方案得比较系统设计方案得比较 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 1 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 采用 HOS 201 湿敏传感器 2 HOS 201 湿敏传感器为高湿度开关传感器 它的工作电压为交流 1V 以下 频率为 50HZ 1KHZ 测量湿度范围为 0 100 RH 工作温度范围为 0 50 阻抗在 75 RH 25 时为 1M 这种传感器原是用于开关的传感器 不能在宽频带范围内检测湿度 因此 主 要用于判断规定值以上或以下的湿度电平 然而 这种传感器只限于一定范围 内使用时具有良好的线性 可有效地利用其线性特性 方案二 采用 SHT11 温湿度传感器 SHT11 是瑞士 Scnsirion 公司推出的 一款数字温湿度传感器芯片 2 3 4 5 该芯片广泛应用于暖通空调 汽车 消费电 子 自动控制等领域 主要特点如下 高度集成 将温度感测 湿度感测 信号变换 A D 转换和加热器等功 能集成到一个芯片上 提供二线数字串行接口 SCK 和 DATA 接口简单 支持 CRC 传输校验 传输可靠性高 测量精度可编程调节 内置 A D 转换器 分辨率为 8 12 位 可以通过对 芯片内部寄存器编程选择 测量精确度高 由于同时集成温湿度传感器 可以提供温度补偿的湿度测 量值和高质量的露点计算功能 封装尺寸超小 7 62 mm 5 08mm 2 5 mm 测量和通信结束后 自动转入 低功耗模式 高可靠性 采用 CMOSens 工艺 测量时可将感测头完全浸于水中 综合这两种方案 从性能的比较 测量精度 市场的使用情况 以及该设 计的可操作性方案二中的 SHT11 温湿度传感器都表现出它的优势因此本设计采 用方案二 7 2 3 系统实现的原理系统实现的原理 利用 AT89C51 单片机在 P3 4 P3 5 口接温 湿度控制电路 P2 6 P2 7 口 接温湿度传感器 SHT11 P0 口接 LCD LM016L 的 D0 D7 当温湿度不在范围 P3 4 P3 5 输出低电平 光耦控制电路导通对其进行控制并在 LCD 显示 结构 框图如 2 1 所示 AT89c51 显示模块 晶振电路 复位电路 控制模块传感器 报警电路 2 1 结构框图 由单片机最小系统 外加数据采集模块 控制模块 显示模块极其报警部 分构成温湿度检测和控制系统 8 3 硬件的设计硬件的设计 3 1 89C51 芯片芯片 89C51 是 Intel 公司于 80 年代初推出的 8 位嵌入式微控制器 内部数据总 线为 8 位 外部数据总线为 8 位 它与 MCS 96 系统中的其它芯片相比 具有 性能高 功能全 售价低廉 使用方便 48PINDIP 等优点 89C51 在工业应 用方面有许多明显的特点 它具有灵活方便的 8 位总线外围支持器扩展功能 而在数据处理方面又有 8 位微机的快速功能 由于大的高度集成化已把许多常 驻用的输入检测输出控制通道都制作在同一块硅片上 大大地灵活了外部连线 增强了系统的稳定性并且速度快 时钟 12MHz 非常适合于工业环境下安装 使用 因此本系统 CPU 选用 89C51 芯片 89C51 单片机引脚采用 40 双列直插式封装结构 89C51 系统 CPU 中的主 要组件有 高速寄存器阵列 特殊功能寄存器 SFR 寄存器控制器和算术逻 辑单元 RALU 它与外部通讯是通过特殊功能寄存器 SFR 或存储器 控制器 进行的 8051 系统的 CPU 的主要特色是体积小 重量轻 抗干扰能力强 售 价低 使用方便 此外 通过 SFR 还可以直接控制 I O A D PWM 串行口 等部件的有效运行 CPU 内部的一个控制单元和两条总线寄存器阵列和 EALU 连接起来 这两 条总线是 16 位地址总线 A BUS 和 8 位数据总线 D BUS 数据总线仅 在 RALU 与寄存器阵列或 SFR 之间传送数据 地址总线用作上述数据传送的地 址总线或用作与寄存器控制器连接的多路复用地址 数据总线 CPU 对片内 RAM 访问是直接访问和通过寄存器 R0 R1 间接访问的 89C51 工作时所需的时钟可通过其 XTALL 输入引脚由外部输入 也可采 用芯片内部的振荡器 其工作频率为 6 12MHz 在本系统中采用 11 0592MHz 频率 3 2 SHT11 传感器传感器 1 SHT11 重要部分 SHT11 是瑞士 Scnsirion 公司推出的一款数字温湿度传感器芯片 该芯片广 泛应用于暖通空调 汽车 消费电子 自动控制等领域 6 7 共主要特点如下 高度集成 将温度感测 湿度感测 信号变换 A D 转换和加热器等功 能集成到一个芯片上 提供二线数字串行接口 SCK 和 DATA 接口简单 支持 CRC 传输校验 传输可靠性高 测量精度可编程调节 内置 A D 转换器 分辨率为 8 12 位 可以通过对 9 芯片内部寄存器编程选择 测量精确度高 由于同时集成温湿度传感器 可以提供温度补偿的湿度测 量值和高质量的露点计算功能 封装尺寸超小 7 62 mm 5 08mm 2 5 mm 测量和通信结束后 自动转入 低功耗模式 高可靠性 采用 CMOSens 工艺 测量时可将感测头完全浸于水中 2 SHT11 的引脚功能 SHT11 温湿度传感器采用 SMD LCC 表面贴片封装形式 接口非常简单 如图 3 1 所示 44 0 11 0 RH 癈 DATA 2 SCK 3 U2 SHT11 R1 1k 图 3 1 SHT11 引脚 各引脚的功能如下 脚 1 和 4 信号地和电源 其工作电压范围是 2 4 5 5 V 脚 2 和脚 3 二线串行数字接口 其中 DA TA 为数据线 SCK 为时钟线 脚 5 8 未连接 3 SHT11 的内部结构和工作原理图 温湿度传感器 SHT11 将温度感测 湿度感测 信号变换 A D 转换和加 热器等功能集成到一个芯片上 其内部结构如图 3 2 所示 该芯片包括一个电 容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件 这两个敏感 元件分别将湿度和温度转换成电信号 该电信号首先进入微弱信号放大器进行 放大 然后进入一个 14 位的 A D 转换器 最后经过二线串行数字接口输出数 字信号 SHT11 在出厂前 都会在恒湿或恒温环境巾进行校准 校准系数存储 在校准寄存器中 在测量过程中 校准系数会自动校准来自传感器的信号 此 外 SHT11 内部还集成了一个加热元件 加热元件接通后可以将 SHT11 的温度 10 升高 5 左右 同时功耗也会有所增加 此功能主要为了比较加热前后的温度 和湿度值 可以综合验证两个传感器元件的性能 在高湿 95 RH 环境中 加热传感器可预防传感器结露 同时缩短响应时间 提高精度 加热后 SHT11 温度升高 相对湿度降低 较加热前 测量值会略有差异 然而在改变温度的 同时湿度也会略微变化 因为湿度测量测的是相对湿度 相对湿度跟温度相关 温度变则相对湿度变 其自身带有温度补偿功能 温度传感器 湿度传感器 运算放大器 A D转换器 校准寄存器 二线串行数字端口和CRC校验 SCK DATA VCC GND 图 3 2 SHT11 内部结构 微处理器是通过二线串行数字接口与 SHT11 进行通信的 通信协议与通用 的 I2C 总线协议是不兼容的 因此需要用通用微处理器 I O 口模拟该通信时序 微处理器对 SHT11 的控制是通过 5 个 5 位命令代码来实现的 命令代码的含义 如表 3 3 所列 表 3 3 SHT11 控制命令代码 命令代 码 含义 00011测量温度 00101测量湿度 00111读内部状态寄存器 00110写内部状态寄存器 11110复位命令 是内部寄存器恢复默认值 其他保留 3 3 LCD LM016L 显示模块显示模块 LM016l 与 LCD1602 原理是一样的 只不过 PROTEUS 中 016 没显示调亮 度的那两个端口 但并不影响 8 在日常生活中 我们对液晶显示器并不陌生 液晶显示模块已作为很多电 11 子产品的通过器件 如在计算器 万用表 电子表及很多家用电子产品中都可 以看到 显示的主要是数字 专用符号和图形 在单片机的人机交流界面中 一般的输出方式有以下几种 发光管 LED 数码管 液晶显示器 发光管和 LED 数码管比较常用 软硬件都比较简单 引脚如图 3 4 所示 9 D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 9 D1 8 D0 7 E 6 RW 5 RS 4 VSS 1 VDD 2 VEE 3 LCD1 LM016L 3 4 LCD LM016L 引脚 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点 A 显示质量高 由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度 恒定 发光 而不像阴极射线管显示器 CRT 那样需要不断刷新新亮点 因此 液 晶显示器画质高且不会闪烁 B 数字式接口 液晶显示器都是数字式的 和单片机系统的接口更加简单可靠 操作更加 方便 C 体积小 重量轻 液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的 在 重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多 3 4 报警模块报警模块 报警模块具备报警功能 只要温湿度不在预设区间内报警器会发出声响提 醒工作人员 其中蜂鸣器一端接单片机的单片机 17 脚Error 其输出具有复合 功能 此处用到了单片机Error 引脚的 IO 端口功能 单片机通过内部定时器的 操作实现交替变换的波形输出驱动扬声器发声 10 12 4 软件系统与实现软件系统与实现 4 1 软件子系统软件子系统设计设计 温湿度判断控制模块也是系统的核心模块之一 所谓判断控制模块 就是 对用户输入的温度和湿度与当前温室内的实际温湿度进行比较 先进行判断 然后再进行控制 控制模块是决定系统将要进行什么工作的 如温度高于上限 时需要降温 低于下限时需要升温 同时还要启动警报等等 温度判断控制部 分的程序流程如下 4 1 所示 读入时值 是否在预设时 间 升降温湿度 调用控制部分 返回 声光警报 4 1 程序流程图 上面已经讨论了采取中间值作为控制参数 采取中间值一定区间作为控制 区间的原理 按照上图原理 系统流程图如 4 2 所示 13 是温湿度值吗 读取测量数据 温度转换处理湿度转换处理 温度 11 湿度32 湿度 60 RH 关报警关控制关报警关控制 发送数据 显示 延时 返回下次监 控 NN NN 开警报 开控制 开警报 开控制 Y Y 4 2 系统流程图 本流程分为温度和适度监控 我们以温度的监控为例阐述该流程 首先系 统初始化由 SHT11 传感器读取环境温度并自身将其转换成数字信号 然后送入 51 单片机 如果该数据低于预设最低值或高于预设最高值 则报警电路和控制 电路将被接通 起到提醒和控制的作用 并将数据送入 51 单片机 在 LCD 上 显示 如果温度正常 即处于预设范围 则报警电路和控制电路不会动作 并 将数据送入单片机 在 LCD 上显示 之后进入下次的监控流程 湿度的监控流 程和温度基本一致 不再赘述 系统总图如 4 3 14 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 0 RXD 10 P3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 P3 5 T1 15 P2 7 A15 28 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 U1 AT89C51 D7 14 D6 13 D5 12 D4 11 D3 10 D2 9 D1 8 D0 7 E 6 RW 5 RS 4 VSS 1 VDD 2 VEE 3 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK 8 40 0 11 0 RH 癈 DATA 2 SCK 3 U2 SHT11 R1 1k D2 LED YELLOW R2 1k Q1 2N5401 R3 1k C1 10u R4 1K X1 CRYSTAL C2 10PF C3 10PF LS1 SPEAKER 12 U5 A 74HC07 R9 150 6 5 4 1 2 U6 OPTOCOUPLER NPN 控制电路 R7 1k Q2 2N2222A D1 LED GREEN L1 B82412A1103K000 12 U3 A 74HC07 R5 150 6 5 4 1 2 U4 OPTOCOUPLER NPN 控制电路 R6 1k Q3 2N2222A 4 3 系统总图 1 AT89C51 单片机 4 4 AT89C51 引脚 15 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS 8 位微 处理器 俗称单片机 11 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读 存储器的单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次 该器件采 用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集 和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C2051 是它的一种精简版本 12 AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 外形 及引脚排列如图 4 4 所示 引脚介绍 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 P0 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 口管脚 备选功能 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 16 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 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高 电平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地 址的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此 它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部 数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地 址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另 外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个 机器周期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 2 晶振电路 单片机必须在时钟的驱动下才能工作 电容大小没有固定值 一般二三十 pF 晶振是给单片机提供工作信号脉冲的 13 14 15 单片机必须在时钟的驱动下 才能这个脉冲就是单片机的工作速度 比如 12M 晶振 单片机工作速度就是 每秒 12M 和电脑的 CPU 概念一样 当然 单片机的工作频率是有范围的 不能 太大 一般 24M 就不上往了 不然不稳定 在单片机内部有一个时钟振荡电 路 只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单 元 决定单片机的工作速度 晶振电路如图 4 5 所示 17 XTAL2 18 XTAL1 19 U1 X1 CRYSTAL C2 10PF C3 10PF 4 5 晶振电路 3 复位电路 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 复 位电路的第一功能是上电复位 一般微机电路正常工作需要供电电源为 5V 5 即 4 75 5 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 75V 低于 5 25V 以及晶体振荡器稳 定工作时 复位信号才被撤除 微机电路开始正常工作 19 20 21 复位电路如图 4 6 所示 C1 10u R4 1K 4 6 复位电路 4 温湿度控制电路 本电路主要是直观的看到温湿度控制的体现 本人在元件列表中难以找到 能很好控制温湿度的元器件就以电热丝或电阻与发光二极管的来带替 然而只 18 有二者远远不够 虽然在原理上 该电路可以达到预期效果 在实际应用一般 选择空调或喷雾器等来改变环境的温湿度 这就要考虑到电路的工作电流 电 压所以本控制电路接入一个 74HC07 缓冲器用以保护后端设备免受冲击电流的 损害 并接入一个光电耦合器以求达到弱电控制强电的目的 当然光电耦合电 路如图 4 7 并不是唯一的选择 还有晶闸管 继电器等都可以考虑 22 23 24 25 12 U5 A 74HC07 R9 150 6 5 4 1 2 U6 OPTOCOUPLER NPN 控制电路 R7 1k Q2 2N2222A D1 LED GREEN L1 B82412A1103K000 4 7 温湿度控制电路 4 2 Proteus 简介简介 Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件 它不 仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能 还能仿真单片机及外围器件 26 27 它是 目前最好的仿真单片机及外围器件的工具 虽然目前国内推广刚起步 但已受 到单片机爱好者 从事单片机教学的教师 致力于单片机开发应用的科技工作 者的青睐 Proteus 是世界上著名的 EDA 工具 仿真软件 从原理图布图 代码 调试到单片机与外围电路协同仿真 一键切换到 PCB 设计 真正实现了从概念 到产品的完整设计 是目前世界上唯一将电路仿真软件 PCB 设计软件和虚拟 模型仿真软合并在一起 其处理器模型支持 8051 HC11 PIC10 12 16 18 24 30 DsPIC33 AVR ARM 8086 和 MSP430 等 2010 年即将增加 Cortex 和 DSP 系列处理器 并持续增加其他系列处理器 模型 在编译方面 它也支持 IAR Keil 和 MPLAB 等多种编译 4 3 C 语言介绍语言介绍 C 语言是一种计算机程序设计语言 28 它既有高级语言的特点 又具有汇 编语言的特点 它可以作为系统设计语言 编写工作系统应用程序 也可以作 19 为应用程序设计语言 编写不依赖计算机硬件的应用程序 因此 它的应用范 围广泛 C 语言对操作系统和系统使用程序以及需要对硬件进行操作的场合 用 C 语言明显优于其它解释型高级语言 有一些大型应用软件也是用 C 语言编写的 C 语言具有绘图能力强 可移植性 并具备很强的数据处理能力 因此适 于编写系统软件 三维 二维图形和动画 它是数值计算的高级语言 常用的 C 语言 IDE 集成开发环境 有 Microsoft Visual C Borland C Watcom C Borland C Borland C Builder Borland C 3 1 for DOS Watcom C 11 0 for DOS GNU DJGPP C Lccwin32 C Compiler 3 1 Microsoft C High C TurboC 等等 4 4 Keil 软件介绍软件介绍 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 全 Windows 界面 另外重要的一点 只要看一下编译后生成的汇编代码 就能体 会到 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高 多数语句生成的汇编代码很紧凑 容易理解 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势 下面详细介绍 Keil C51 开发系统各部分功能和使用 29 30 4 5 仿真结果仿真结果 4 5 1 温度超出上线和低于下限时控制电路工作温度超出上线和低于下限时控制电路工作 如图 4 8 12 U5 A 74HC07 R9 150 6 5 4 1 2 U6 OPTOCOUPLER NPN 控制电路 R7 1k Q2 2N2222A D1 LED GREEN L1 B82412A1103K000 4 8 结果一 当温度低于预设温度的下限或高于预设温度的上限时 51 单片机 P3 4 端口 输出低电平进而使光电耦合器的发光二极管发光 光电耦合器开始工作 并通 20 过三极管放大 其放大作用是为了对那些功率稍大的用电器在实际中的能够更 好地被利用 并能看到放光二极管 D1 发光动作 4 5 2 温度超出上线和低于下限时控制电路工作温度超出上线和低于下限时控制电路工作 如图 4 9 35 0 14 0 RH 癈 DATA 2 SCK 3 SHT11 R1 1k D2 LED YELLOW R2 1k 12 U3 A 74HC07 R5 150 6 5 4 1 2 U4 OPTOCOUPLER NPN 控制电路 R6 1k Q3 2N2222A 4 9 结果二 当湿度低于预设湿度的下限或高于预设湿度的上限时 51 单片机 P3 5 端口 输出低电平进而使光电耦合器的发光二极管发光 光电耦合器开始工作 并通 过三极管放大 其放大作用是为了对那些功率稍大的用电器在实际中的能够更 好地利用 并能看到放光二极管 D2 发光动作 注 上图中电感 L1 和电阻 R2 等效的看作多功能空调 能增减温湿度 并将及其设置为自动模式 即将设置好温湿度范围和程序设置的统一 一旦温 湿度失常 空调 自动模式 被接通 按照设置好的温湿度要求进行控制调节 4 5 3 温湿度不在预设范围事报警器工作温湿度不在预设范围事报警器工作 如图 4 10 Q1 2N5401 R3 1k LS1 SPEAKER 21 4 10 报警器工作 当温湿度不在预设范围单片机的 P1 0 端口出现高低电平交替 使得报警装 置动作发生 22 5 总结与展望总结与展望 5 1 总结总结 本次设计主要是通过 AT89C52 单片机为核心设计的一个温湿度监控系统 不仅能对环境温湿度进行检测 还能在一定范围控制温湿度 一旦温湿度失常 控制支路将会作出相应的动作 5 1 1 硬件方面硬件方面 本设计采用的是以 ATMEL 公司生产的 ATS89C52 单片机为核心的温湿度 监控系统 包含了利用温湿度传感器 SHT11 的测量电路 显示电路 光电耦合 电路 以 DS18B20 为主要测量元件进行实时监控温度值 以 4 个 8 位数码管为显示器件 利用单片机的单引脚控制移位锁存器 74HC164 记录并控制 8 位数码管的显示 动作电路利用多种形式进行动作和隔离 报警电路利用三极管放大作用驱 动报警器报警 发光二极管利用光电耦合电路进行光隔离和光控制它的动作 而控制电路中的电感和电阻等效的看作直接改变环境参数的用电器 空调 风 扇等 5 1 2 软件方面软件方面 本次设计利用 C 语言设计了温湿度的读 写程序 并利用程序实时对显示 电路进行更新操作 系统包含了内部设定基准值的程序 能够比较基准值并通过比较之后的结 果对外围电路产生相应的控制 23 5 2 展望展望 5 2 1 系统硬件系统硬件 系统硬件使用 51 单片机以及一些外围电路 其中 51 单片机的外围接口资 源占用较少 有明显的资源浪费现象 还需要进行进一步的改进以及功能的提 升和拓展 以及将电路和程序进行一步简单化 5 2 2 系统软件系统软件 系统在单片机初始化之后 显示电路显示的温湿度值也持续稳定 然而当 改变温度时湿度也会略微改变 这个问题在自己心中一直不是很明了 虽说 SHT11 使用手册上说到 传感器测得的只是 相对湿度 需要温湿度补偿 要弄清出还需进一步对该传感器的工作原理和方式进行研究 24 致致 谢谢 毕业论文的写作锻炼了我收集和整合信息以及创新和对以前学习知识运用 的能力 凝聚着无数人对我的关怀和帮助 没有他们的支持和鼓励 我是不会 这么顺利完成的 首先要特别感谢我的指导老师孙玲姣老师 在教学繁忙 事务缠身的情况 下 孙老师多次抽出时间 对我进行悉心的指导 从论文的选题到论文的总体 框架 再到论文撰写过程中的语言组织 她都进行过细致的批阅 使得我的论 文越来越规整 更加符合标准 然后要感谢我的同学们 四年来对我学习和精神上的帮助 每当我遇到困 难 请教他们 他们都热心的帮助我 让我知道什么是集体 最后要感谢我的父母 没有他们我就不会在大学这个温馨的大家庭里让我 四年的学习生活充实而有意义 25 参考文献参考文献 1 刘振全 王汉芝 金属热电阻温度传感器在多路温度监控系统中的应用 J 传感器世界 2006 12 12 25 27 36 2 吕东 彭钧 湿度控制技术的智能化 J 武汉化工学院学报 2000 22 2 64 67 3 冯显英 葛荣雨 基于数字温湿度传感器 SHT11 的温湿度测控系统 J 自动化仪表 2006 27 1 59 61 4 冯达 余轩 黄景峰等 单片数字式温湿度传感器 SHT11 的应用 J 电子产品世界 2011 18 12 44 46 DOI 10 3969 j issn 1005 5517 2011 11 012 5 张艳丽 杨仁弟 数字温湿度传感器 SHT11 及其应用 J 工矿自动化 2007 3 113 114 6 谢敏 徐会冬 智能传感器 SHT11 在单片机嵌入式系统中的应用 J 现代电子技术 2005 28 14 89 91 94 7 王汉芝 刘振全 基于 CMOSens R 技术的数字湿度 温度传感器 SHT11 及其应用 J 传感 器世界 2004 10 9 35 37 8 朱清慧 张凤蕊 基于 DS1302 和 LM016L 的实时时钟设计与仿真 J 南阳理工学院学报 2010 02 6 9 13 9 王志奎 朱清慧 基于 Proteus ISIS 7 4 的虚拟液晶显示屏设计 J 液晶与显示 2009 24 4 586 591 10 徐玮 彭敏芳 魏巍等 轻松学 PIC 之蜂鸣器和继电器 J 电子制作 2010 5 70 71 69 11 黄保瑞 贾之豪 邵婷婷等 基于 AT89C51 单片机的温度测控系统设计 J 现代电子技术 2011 34 6 142 143 147 12 梁伟 吴传利 闪烁存储器 FLASH Am29LV400B 及其在 DSP 系统中的应