温湿度以及其光强检测系统及设计毕业设计.doc

黑龙江工程学院本科生毕业设计专科学生毕业设计温湿度以及光强检测系统的设计 系部名称： 电子工程系 专业班级： XXXXXXXXXXXXX XX-X班学生姓名： XXX 指导教师： XXX 职 称： 副教授 黑 龙 江 工 程 学 院二一年六月黑龙江工程学院本科生毕业设计The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of Greenhouse temperature and humidity and light intensity detection systemCandidate：XXXSpecialty：XXXClass：XXSupervisor：Associate Prof.XXXHeilongjiang Institute of Technology2010-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要应用自动控制和电子计算机实现农业生产和管理的自动化，是农业现代化的重要标志之一。近年来电子技术和信息技术的飞速发展，带来了温室控制与管理技术方面的一场革命，随“设施农业”、“虚拟农业”等新名称的出现，“设施园艺”、“虚拟温室”的概念也应运而生。为了满足农作物生长的实际需要，检测农业生产中的环境因素，经过对温度、湿度、光强的调节可以让农业生产的效率更高。当今，市场上有许多温湿度检测仪器，但它们要么功能单一，电路连接复杂，不便于调试制作；要么功能强大，却价格昂贵，农户难以接受接受。为此，本文介绍了一款硬件简单、成本低廉、功能多样的大棚检测系统，它是以广泛使用的单片机为控制核心，同时配用温度、湿度、光强采集模块以及RS-485总线。其系统采取软硬件相结合的方法，使硬件电路大为简化；通过LCD液晶显示电路、声光报警电路，使人机交互简便易行。实际应用表明，论文所提出的设计方案正确可行、成本低廉、实用性强。关键词：单片机；温度传感器；湿度传感器；光强传感器；RS-485ABSTRACTApplies the automatic control and the electronic accounting machine realizes the agricultural production and the management automation, is one of agriculture modernization important symbols. In recent years the electronic technology and information technologys swift development, has brought the greenhouse control and a managerial technique aspect revolution, along with “facility agriculture”, “hypothesized agriculture” and so on new name appearance, “installation horticulture”, “hypothesized greenhouse” the concept also arises at the historic moment. In order to satisfy the actual need which the crops grow, in the examination agricultural productions environmental factor, passes through to the temperature, the humidity, the luminous intensity adjustment may let the agricultural production the efficiency be higher. Now, in the market has many humiture instrumentation, but their function is either unitary, the electric circuit connection is complex, is not advantageous for the debugging manufacture; Either the function is formidable, the price is actually expensive, the peasant household accepts with difficulty. Therefore, this article introduced a model of hardware is simple, the cost is inexpensive, the function diverse big awning examination system, it is take the widespread use monolithic integrated circuit as the control core, simultaneously uses for parts the temperature, the humidity, the luminous intensity gathering module as well as the RS-485 main line. Its system adopts the method which the software and hardware unifies, causes the hardware circuit is the simplification greatly; Through the LCD liquid crystal display electric circuit, the acousto-optics alarm circuit, the pressed key electric circuit, causes the man-machine interaction to be easy to do. Practical application shows that the design proposal by this paper is of great feasibility, low cost, and strong utility.Keywords: Singlechip; Temperature sensor; Humidity sensor; Luminous intensity sensor; RS-485黑龙江工程学院本科生毕业设计目 录摘 要IABSTRACTII目 录2第1章 引 言21.1 大棚温湿度以及光强检测系统的应用前景21.2 大棚温湿度以及光强检测系统研究现状21.3 本设计的主要内容31.4 本设计的意义31.5 本章小结4第2章方案论证52.1 设计要求52.2 系统基本方案选择和论证52.2.1 单片机的选择52.2.2 温度、湿度传感器的选择52.2.3 光强传感器的选择72.2.4 报警及显示模块72.3 总体方案对比和论证72.4 本章小结8第3章 系统的硬件设计93.1 概述93.2 单片机主控模块93.2.1 AT89S52概述93.2.2 AT89S52的主要性能93.2.3 AT89S52的引脚排列及功能103.3 温湿度采集模块133.3.1 SHT10概述133.3.2 SHT10的主要性能143.3.3 SHT10的引脚排列及功能143.3.4 SHT10的内部结构框图153.3.5 SHT10在本设计中的应用153.4 光强采集模块203.4.1 TSL2561概述203.4.2 TSL2561的主要性能203.4.3 TSL2561的引脚排列及功能203.4.4 TSL2561的内部结构框图213.4.5 I2C总线接口213.4.6 TSL2561在本设计中的应用233.5 液晶显示模块253.5.1 12864型LCD概述253.5.2 12864型LCD的主要性能253.5.3 12864型LCD的引脚排列及功能263.5.4 12864型LCD在本设计中的应用263.6 主从机通信模块283.6.1 MAX485概述283.6.2 MAX485的主要性能283.6.3 MAX485的引脚排列及功能283.6.4 MAX485在本设计中的应用293.7 报警及按键模块313.8 本章小结32第4章 系统的软件设计334.1 概述334.2 主机程序344.2.1 主机主程序344.2.2 按键子程序354.3 从机程序354.3.1 从机主程序354.3.2 温湿度采集子程序364.3.3 光强采集子程序374.3.4 主从机通信子程序384.4 本章小结40结束语41参考文献42致 谢44附 录45第1章 引 言随着社会的进步和农业生产技术的发展，许多农作物对生长环境的要求越来越严，人们对大棚内的温度、湿度、光强等环境因素的影响越来越重视了。本设计是以AT89S52单片机为核心的温度湿度光强检测系统，可以通过单片机控制传感器采集当前大棚内的实时温度、湿度以及光强情况，并且将采集到的数据通过LCD中文液晶显示模块向用户提供具体的数据信息。通过对大棚内的数据进行实时采集，并加以调控，以满足农作物生长的实际需要。1.1 大棚温湿度以及光强检测系统的应用前景 近年来，我国的设施农业得到了较大的发展，温室大棚种植技术已突破了传统的农作物种植受地域自然环境等诸多因素的限制，对农业生产有重大意义。但目前我国温室大棚的温湿度以及光强测量和设备的操作大多还是由人工来完成，当温室大棚较大时，操作人员的劳动强度很大。本设计以单片机控制为核心，对大棚内温室度以及光强进行实时检测，实现了温室大棚的自动化管理，大大降低了农民的劳动强度。大棚可以养花、种菜，即使是在寒冷的冬天，人们也可以吃到很多新鲜的蔬菜。影响大棚内作物生长的因素很多，大棚的温湿度以及光照强度对作物的影响最大，不适宜的光照强度、温度和湿度会影响作物的生长，也会使对作物危害极大的微生物迅速繁殖发育。因此必须合理控制农业大棚的温湿度以及光强，促进作物健康生长，抑制微生物的危害，最大限度的提高产量，增加经济效益。1.2 大棚温湿度以及光强检测系统研究现状应用自动控制和电子计算机实现农业生产和管理的自动化，是农业现代化的重要标志之一。近年来电子技术和信息技术的飞速发展，带来了温室控制与管理技术方面的一场革命，随着“设施农业”、“虚拟农业”等新名称的出现，“设施园艺”、“虚拟温室”的概念也应运而生。国内外温室计算机控制技术的发展状况计算机的发展最早可以追溯到上个世纪的40年代，但将计算机用于环境控制则开始于20世纪60年代。20世纪80年代初诞生了第一批温室控制计算机，此后温室计算机控制及管理技术便先是在发达国家得到广泛应用，后来各发展中国家也都纷纷引进、开发出适合自己的系统。这在给各国带来巨大的经济效益的同时，也极大地推动了各国农业的现代化进程。随着社会的进步和工农业生产技术的发展，许多农产品对生产和使用环境的要求越来越严，人们对大棚内的温度、湿度、光强等环境因素的影响越来越重视了。对于专用的温湿度检测仪，市场上种类众多，但它们的价格高低、功能强弱不尽相同。要么功能单一，电路连接复杂，不便于调试制作；要么功能强大，但价格昂贵，难以为一般用户接受。针对这一现状，本文介绍的大棚温湿度以及光强检测系统，采用了基于单片机的控制技术，并结合了温湿度以及光强采集模块，使其具备温湿度光强同时显示的功能，而且采用主从机结构，具有一定的新颖性和实用性，简单而实用，具备一定的市场前景。1.3 本设计的主要内容本设计的内容是大棚温湿度以及光强检测系统，主要包括硬件设计和软件编程两个部分。1在硬件电路的设计方面，完成了大棚温湿度以及光强检测系统的主从机电路的设计。主机包括单片机控制模块、显示模块、报警模块、按键模块；从机包括单片机控制模块、温湿度采集模块、光强采集模块、显示模块、报警模块；以及主从机通信模块。2在软件设计方面，完成了各个程序模块的流程图，并且编写了相应的程序代码，包括主机程序和从机程序。主机程序包括液晶显示子程序、报警子程序、按键子程序以及主从机通信子程序；从机程序包括温湿度采集子程序、光强采集子程序、液晶显示子程序。通过硬件和软件的结合，实现大棚温湿度以及光强检测系统的温度、湿度、光强显示和报警等基本功能。本设计说明书的结构如下：第一章为引言，阐述了大棚温湿度以及光强检测系统的应用前景，研究现状，主要内容以及本设计的意义。第二章为总体方案的设计，根据设计要求，通过对比论证的方法确定设计方案。第三章为系统的硬件设计，结合总体方案完成各硬件模块的设计。第四章为软件设计，根据总体方案的要求设计软件流程图。1.4 本设计的意义随着社会的进步和工农业生产技术的发展，许多产品对生产和使用环境的要求越来越严，人们对大棚内的温度、湿度、光强等环境因素的影响越来越重视了。该系统是以AT89S52单片机为核心的温度湿度光强检测系统，可以通过单片机控制传感器采集当前大棚内的实时温度、湿度以及光照情况，并且将采集到的数据通过LCD中文液晶显示模块向用户提供具体的数据信息,以便合理控制农业大棚的温湿度以及光强，促进作物健康生长，抑制微生物的危害，最大限度的提高产量，增加经济效益。因此，研究大棚温湿度以及光强检测系统及扩大其应用，具有很大的实用价值。1.5 本章小结通过对大棚温湿度以及光强检测系统现状的了解，初步探讨了其方案的设计，简单的阐述了设计的基本内容，并对本设计的意义作了一定描述。第2章方案论证本章根据设计要求，通过对比论证的方法提出了本设计所选取的方案。2.1 设计要求1、温度显示；3、湿度显示；4、光强显示；5、声光报警；6、温湿度以及光强参数设定功能；7、主从机通信2.2 系统基本方案选择和论证2.2.1 单片机的选择方案一: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。1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STC，片内ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全兼容，该芯片内部有8KB ROM的存储空间，同样具有AT89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，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，避免对芯片造成损坏。综上所述，本设计选择AT89S52作为主控制系统的核心。2.2.2 温度、湿度传感器的选择1、温度传感器方案一：使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。此设计方案需用A/D转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。方案二：采用数字式温度传感器DS18B20，此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除A/D模块，降低硬件成本，简化系统电路。另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。2、湿度传感器方案一：采用湿敏元件HS1101/HS1100。HS1101/HS1100是基于独特工艺设计的电容元件。用HS1101/HS1100做的频率输出湿度模块，需把HS1101/HS1100作为电容变量置于555振荡电路中，将电容容值得变化转化为频率，然后送于单片机处理。方案二：HTF3223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），当相对湿度从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等优点。但其价格相当昂贵。方案三：温度和湿度参数是测控系统中常见的被测参数。由于集成式传感器所具有的优点，越来越多的设计者采用集成式的传感器来取代传统的热敏电阻或湿敏电容。当系统同时涉及到两个参数的检测，若使用两个独立的集成传感器，既提高系统成本，又增加系统设计的复杂性。对于此类系统设计，如没有特殊的要求和限制，首当其选便是集温湿度敏感单元于一体的集成式传感器。瑞士SENSIRION公司出品的SHTIX系列传感器正是这样的一类传感器。SHT10数字式温湿度传感器由于将温度传感器、湿度传感器、信号调理、模/数转换器、标定参数及I2C总线接口全部集成到传感器内部,既提高了传感器的性能，又降低了成本、减少了体积，同时也非常便于和微控制器接口。从上可知，SHT10不仅具有数字传感器的众多优点，而且还将本设计需要的两个传感器巧妙地集成在一起，使用起来既简单又高效。综上所述，本设计选择SHT10数字式温湿度传感器对温湿度进行测量。2.2.3 光强传感器的选择方案一：使用光敏电阻作为传感器，用光敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用光敏电阻阻值随光照强度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。此设计方案需用A/D转换电路，增加硬件成本而且光敏电阻的感光特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差，而且电路繁琐，不易操作。方案二：采用数字式光强传感器TSL2561，此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，可以去除A/D模块，降低硬件成本，简化系统电路。另外，数字式光强传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。综上所述，本设计选择TSL2561数字式光强传感器对光照强度进行测量。2.2.4 报警及显示模块1、报警模块本设计根据主机设置温湿度以及光强参数上下限，超过上限或者低于下限，报警系统启动。本设计的声光报警装置，采用发光二极管和蜂鸣器结合，实现声光报警。2、显示模块方案一：采用LED数码管动态显示，显示较为直观，发光效果较好，对于显示数字最合适，但显示内容单一。方案二：采用LCD液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见。综上所述，故选择LCD液晶显示屏作为本设计的显示器。2.3 总体方案对比和论证根据本设计的要求选择了三种总体方案进行对比和论证。方案一：采用直接采集数据，立即显示，出现异常情况立即报警。此方案的好处在于设计电路简单，缺点是耗费时间和人力，不能够实现多个大棚终端显示。方案二：采用多点式采集，在各个大棚中系统只采集，不显示，集体在终端控制器上显示，但是处于各个大棚内的工作人员不能够及时有效地了解大棚内的各个参数情况。方案三：采用主从机结构，从机在各个大棚内采集温湿度以及光强，并且能够实现显示及报警功能，从机通过RS-485通信协议，把信息传送到主机，实现终端操控。这样可以有效便捷的对各个大棚内的情况作出调整，方便生产。综上所述，本设计采用方案三，采用主从机结构，实现大棚温湿度以及光强检测系统的设计。2.4 本章小结本章介绍了大棚温湿度以及光强检测系统的基本组成部分，同时也简单的论述了各个部分的基本功能和作用，讨论了各种实现温室度以及光强检测系统的方法及各种方法的优缺点。通过各种方法的对比论证，最终选用以AT89S52作为系统的核心器件，同时配合专用数字式温湿度传感器SHT10，数字式光强传感器TSL2561，LCD液晶显示屏，RS-485串行通信和声光报警模块来实现本设计。第3章 系统的硬件设计3.1 概述本设计由主机和从机两部分构成，主从机都是以AT89S52单片机为控制核心。从机主要将温湿度以及光强传感器信号进行实时检测，同时将采集到的温湿度以及光强数据通过LCD液晶显示屏显示，具有温度报警上下限设置和声光报警功能，并通过单片机的串行口和RS-485总线通信协议将采集的数据传送到主机。主机把各个从机传送的数据显示在LCD液晶显示屏上，还可以设置系统时间和声光报警功能。其设计框图如下：图3.1 硬件设计框图3.2 单片机主控模块3.2.1 AT89S52概述AT89S52是一款低功耗、高性能8位微控制器，内部具有8K在系统可编Flash 存储器。使用Atmel公司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。片内Flash存储器可在线重新编程，亦适于通用的编程器。通用的8位CPU与在系统可编程Flash集成在一块芯片上，从而使AT89S52功能更加完善，应用更加灵活；具有较高的性价比，使其在嵌入式控制系统中有着广泛的应用前景。3.2.2 AT89S52的主要性能1、与MCS-51单片机产品完全兼容；2、8K字节在系统可编程Flash存储器，可在线编程，擦写次数不少于1000次；3、具有256字节的片内RAM；4、全静态工作模式：0Hz3MHz；5、具有三级程序锁定位；6、32根可编程I/O口线（P0，P1，P2和P3口）；7、3个16位定时器/计数器T0，T1和T2，一个看门狗定时器；8、8个中断源、6个中断矢量、2级优先权的中断结构；9、1个全双工UART串行通道；10、2种低功耗节电工作方式：空闲模式和掉电模式；11、双数据指针TPTR0和TPTR1；14、具有掉电标识符POF；15、工作电源电压：4.05.5V。3.2.3 AT89S52的引脚排列及功能AT89S52具有PDIP, PLCC和TQFP三种封装形式，其中PDIP封装的引脚排列如图3.2所示。图3.2 AT89S52的封装引脚图引脚功能说明：1、P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0口写“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，此组口线分时转换地址和数据总线复用，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。2、P1口P1口是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口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口拉到高电平，此时可作输出口。作输入口使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。与AT89S51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和触发器输入（P1.1/T2EX）。P2口除了作为一般的I/O口线外，部分引脚还具有第二功能，如表3.1所列。表3.1 P1口的第二功能管 脚第二功能P1.0定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输出P1.1定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）另外，在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。3、P2口P2口是一组具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2口输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚经由内部上拉向外输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高8位地址数据。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，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。4、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，内部上拉电阻把端口拉高，此时可作为输入端口使用。若外部负载将P3口拉低，则经过内部上拉电阻而向外输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，还具有第二功能，如表3.2所列。表3.2 P3口的第二功能管 脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外部中断0）P3.3INT1（外部中断1）P3.4T0（计数器0外部计数输入）P3.5T1（计数器1外部计数输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。5、其它（1）RST为复位输入。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机复位。特殊寄存器AUXR（辅助寄存器）(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。（2）ALE/PROG为访问外部程存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）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，可用作外部定时器或时钟。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1，可禁止ALE操作。该位置1后，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。此ALE使能标志位的设置在微控制器执行外部程序时无效。（3）PSEN为程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。（4）EA/VPP为外部访问允许，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。若是执行内部程序指令，EA应为高电平（接VCC）。（5）XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.2.4 AT89S52的最小系统在引脚18-XTAL2和引脚19-XTAL1两端跨接晶体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出脉冲直接进入内部时钟电路，这里选用晶体振荡器的频率为11.0592MHz；引脚为9复位输入端，接上电容，电阻及开关后够上电复位电路；引脚20为接地端，引脚40为电源端。图3.3为AT89S52的最小系统。图3.3 AT89S52最小系统3.3 温湿度采集模块3.3.1 SHT10概述温湿度的采集由SHT10实现，SHT10是一款基于CMOSensTM技术的高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。采用表面贴片封装或四脚互换封装，体积微小。具备卓越的长期稳定性，露点值计算输出功能，全较准、数字输出功能，免外围电路，完全低功耗；其广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。3.3.2 SHT10的主要性能1、高度集成，将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片；2、可给出全校准相对湿度及温度值输出；3、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；4、具有露点值计算输出功能；5、具有卓越的长期稳定性；6、湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程调节测量精度；7、小体积，可表面贴装；8、电源电压范围为2.45.5V；9、电流消耗，测量时为550LA，平均为28LA，休眠时为3LA，且测量和通信结束后，自动转入低功耗模式。3.3.3 SHT10的引脚排列及功能SHT10温湿度传感器采用SMD(LCC)表面贴片封装形式，接口非常简单，引脚名称及排列顺序如图3.4所示。NCNCNCVDDGNDSCKDATANC12345678图3.4 SHT10的引脚图各引脚的功能如下：1、电源引脚引脚1-GND为信号地，引脚4-VDD为电源，其工作电压范围是2.45.5V；传感器上电后，要等待11ms以越过“休眠”状态。在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个合适的电容，用以去耦滤波。2、两线双向串行接口引脚2-DATA为双向串行数据线，引脚3-SCK为串行时钟输入线；SCK用于微处理器与SHT10之间的通讯同步，由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率，即微控制器可以以任意低的速度与SHT10通信。DATA引脚是三态门结构，用于内部数据的输出和外部数据的输入。即微控制器可以在SCK高电平时读取数据，而当其向SHT10发送数据时则必须保证DATA线上的电平状态在SCK高电平段稳定；为了避免信号冲突，微控制器仅驱动DATA在低电平（将数据线拉低），在需要输出高电平的时候，微控制器将引脚置为高阻态，由外部的上拉电阻(例如:5.1k)将信号拉至高电平，从而实现高电平输出。3、空管脚脚58-NC为空管脚，无需连接。3.3.4 SHT10的内部结构框图SHT10融合了CMOS芯片技术与传感器技术，将温湿度传感器、信号放大调理、AD转换、二线串行接口全部集成于一个芯片内，使传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点，其内部结构框图如图3.5所示。DATA温度传感器湿度传感器放大器14位A/D转换器I2C总线接口校准数据存储SCKGNDVDD图3.5 SHT10的内部结构框图3.3.5 SHT10在本设计中的应用1、SHT10的工作原理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。2、SHT10的工作时序（1）启动传输时序微控制器首先用一组“启动传输”时序来表示数据传输的初始化，当SCK时钟高电平时，DATA翻转为低电平；在DATA为低电平期间，SCK变为低电平，再翻转为高电平；随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。其时序图如图3.6所示。SCKDATA图3.6 SHT10启动传输时序图（2）测量时序在“启动传输”时序之后，微控制器可以向SHT10发送命令。后续命令字节包括高3位的地址位(目前只支持000)和低5位的命令位。发送完该命令码，将DATA总线设为输入状态等待SHT10的响应；SHT10接收到上述地址和命令码后，在第8个时钟下降沿，将DATA下拉为低电平作为从机的ACK；在第9个时钟下降沿之后，从机释放DATA(恢复高电平)总线。SHT10的命令集见表3.5，其命令发送时序如图3.7所示。表3.5 SHT10命令集命令代码预留0000x温度测量00011湿度测量00101读状态寄存器00111写状态寄存器00110预留0101x-1110x软复位，复位接口、清空状态寄存器，即清空为默认值。下一次命令前等待至少11ms11110SCK123456789DATAAddress“000”Command“00011”or“00101”释放数据线图3.7命令发送时序释放总线后，意味着主机已发送完且从机已接收到命令码，此时从机便开始测量当前湿度/湿度，测量结束后，再次将DATA总线拉为低电平。主机检测到DATA总线被拉低后，得知湿度/温度测量已经结束，便给出SCK时钟信号。从机在第8个时钟下降沿，先输出高字节数据；在第9个时钟下降沿，主机将DATA总线拉低作为ACK信号，然后释放总线DATA。在随后8个SCK周期下降沿，从机发出低字节数据；接下来的SCK下降沿，主机再次将DATA总线拉低作为接收数据的ACK信号。最后8个SCK下降沿从机发出CRC校验数据，主机不予应答(NACK)则表示测量结束。校验数据是为保证任何通信错误都将被检测并且被清除掉。微控制器需要通过下拉DATA为低电平，以确认每个字节。所有的数据都是从最高位（MSB）开始传输，右对齐，左边补0（例如：对于12bit数据，从第5个SCK时钟起算作MSB；而对于8bit数据，首字节则无意义）。CRC校验字节后的确认位表示通信结束。如果不使用CRC-8校验，控制器可以在测量数据的最低位（LSB）后，通过保持确认位ACK高电平，来中止通讯。在测量和通讯结束后，SHT10自动转入休眠模式。测量的整个时序如图3.8。SL0000等待测量完成ACKACKACKACKMSBChecksumLSB地址命令数据高位数据低位CRC奇偶校验图3.8 SHT10测量时序概览（3）通讯复位时序如果与SHT10通讯中断，微控制器发送下列信号时序可以复位串口：当DATA保持高电平时，触发SCK时钟9次或更多次，在下一次指令前，发送一个“启动传输”时序。这些时序只复位串口，状态寄存器内容仍然保留。通信复位时序如图3.9所示SCK1234-89DATATransmission Start图3.9 通讯复位时序3、温度和湿度值的计算（1）湿度线性补偿和温度补偿SHT10可通过DATA数据总线直接输出数字量湿度值。该湿度值称为“相对湿度”，需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到较为准确的湿度值。由于相对湿度数字输出特性呈一定的非线性，因此为了补偿湿度传感器的非线性，可按公式（3.1）修正其湿度值：RHlinear=C1+C2SORH+C3SORH2 （3.1）式中：RHlinear为经过线性补偿后的湿度值，SORH为相对湿度测量值，C1、C2、C3为线性补偿系数，取值如表3.6所列。由于温度对湿度的影响十分明显，而实际温度和测试参考温度25有所不同，所以对线性补偿后的湿度值进行温度补偿很有必要。补偿公式见式（3.2）。RHtrue=(T-25)(t1+t2SORH)+RHlinear （3.2）式中：RHtrue经过线性补偿和温度补偿后的湿度值，T为测试湿度值时的温度()，t1和t2为温度补偿系数，取值如表3.7所列。表3.6 湿度线性补偿系数 表3.7 湿度值温度补偿系数SORHC1C2C3SORHt1t212位-40.0405-2.810512位0.010.000088位-40.648-7.21048位0.010.00128（2）温度值输出由于SHT10是采用PTAT能隙材料制成的温度敏感元件，因而具有很好的线性输出。实际温度值可由（3.3）式算得：Temperature=d1+d2SOT （3.3）式中：d1和d2为特定系数，d1的取值与SHT10工作电压有关，d2的取值则与SHT10内部AD转换器采用的分辨率有关，其对应关系分别如表3.8和表3.9所列。表3.8 d1与工作电压的对应关系VDD/Vd1/d2/5-40.00-40.004-39.75-39.503.5-39.66-39.35339.60-39.282.5-39.5539.23表3.9 d2与分辨率的对应关系SOTd1/d2/14位0.010.01812位0.040.0724、SHT10与微控制器的连接电路SHT10通过二线数字串行接口来访问，所以硬件接口电路非常简单。需要注意的地方是：DATA数据线需要外接上拉电阻，时钟线SCK用于微处理器和SHT10之间通信同步，由于接口包含了完全静态逻辑，所以对SCK最低频率没有要求；当工作电压高于4.5V时，SCK频率最高为10 MHz，而当工作电压低于4.5 V时，SCK最高频率则为1 MHz。硬件连接如图3.10所示。温湿度传感器SHT10MCUAT89S52DATASCKVDD 2.4-5.5VGNDVCCP2.0P2.1图3.10 SHT10温度采集3.4 光强采集模块3.4.1 TSL2561概述光强的采集由TSL2561实现，TSL2561是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片。该芯片可广泛应用于各类显示屏的监控，目的是在多变的光照条件下，使得显示屏提供最佳的显示亮度并尽可能降低电源功耗；还可以用于街道光照控制、安全照明等众多场合采用。3.4.2 TSL2561的主要性能（1）高度集成，将光强传感器、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片；（2）可编程设置许可的光强度上下阈值，当实际光照度超过该阈值时给出中断信号；（3）数字输出符合标准的I2C总线协议；（4）模拟增益和数字输出时间可编程控制；（5）1.25 mm1.75 mm超小封装，在低功耗模式下，功耗仅为0.75 mW；（6）自动抑制50 Hz/60 Hz的光照波动；（7）小体积，可表面贴装；（8）电源电压范围为2.73.5V。3.4.3 TSL2561的引脚排列及功能TSL2561具有6LEAD TMB，6LEAD CHIPSCALE两种封装形式，其中TMB封装的引脚排列如图3.11所示，CHIPSCALE封装的引脚排列如图3.12所VCC 1ADDR SEL 2GND34 SCL5 INT6 SDAVCC 1ADDR SEL 2GND 34 SCL5 INT6 SDA图3.11 TSL2561的TMB封装 图3.12 TSL2561的CHIPSCALE封装表3.10 TSL2561的管脚定义管脚序号管脚名称功能1VCC电源引脚2ADDR SEL器件访问地址选择引脚。3GND电源地4SCLI2C总线的时钟信号线5INT中断信号输出引脚。挡光强超过用户编程设置的上或下阈值时，见会输出一个中断信号。6SDA数据线3.4.4 TSL2561的内部结构框图TSL2561是一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片，将光强传感器、AD转换、二线串行接口全部集成于一个芯片内，使传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点，其内部结构框图如图3.13所示。图3.13 TSL2561的内部结构框图3.4.5 I2C总线接口1、I2C总线概述I2C总线（Inter Integrate Circuit BUS）全称为芯片间总线，是Philips公司推出的一种双向二线制总线。它在芯片间以两根连线实现全双工同步数据传送，一条数据线（SDA）和一条串行时钟线（SCL），可以很方便地构成外围器件扩展系统。2、I2C总线工作原理图I2C总线采用两线制，由数据线SDA和时钟线SCL构成。典型的I2C总线系统结构，如图3.14所示。总线上挂接的单片机（主器件）或外围器件（从器件），其接口电路都应具有I2C总线接口。当总线空闲时，SCL和SDA均为高电平。连到总线上的器件饿输出端口必须是漏极开路，如果任一器件输出低电平，都将使该总线地信号变低，即总线SCL及SDA上的信号都是线“与”的关系。图3.14 典型的I2C总线应用系统结构3、I2C总线器件的寻址方式I2C总线上的器件都是公用总线的，因此，主器件在进行数据传输前选择需要通信的从器件即进行总线寻址。地址位与一个方向位共