温湿度单片机控制.doc

萍乡高等专科学校单片机课程设计报告书题目：温、湿度智能测控系统姓名： 邱 淑 萍学号：08353038专业：应用电子技术班级：08应用电子完成时间：2010-6-18目 录摘 要3第一章 系统的总体方案设计31.1 系统总体框图41.2 主要模块方案选择及论证41.2.1 核心控制器的选择41.2.2 温度传感器的选择61.2.3 湿度传感器的选择7第二章 硬件电路设计72.1 时钟电路和复位电路7一、时钟电路7二、复位电路82.2 温湿度测量电路、显示电路及报警电路8一、温湿度测量电路8二、显示电路9三、报警电路102.3总体电路图10第三章 程序代码设计分析123.1 系统主程序框图12第四章 系统的调试与仿真234.1基于Keil的系统源程序编辑调试图234.2 系统的仿真电路与效果图24第五章 系统的PCB图与3D视图及系统元件元件清单265.1 基于PROTUES的PCB图与3D视图26结 论28摘 要随着社会的发展，人们对环境中的温度和湿度的要求也越来越高，尤其是在医学、电子电力、航天航空、食品发酵等领域中对温湿度的要求尤其严格，鉴于此，设计出一个能够精确、稳定、实时测量出环境中温湿度的实用型温湿度检测仪显得尤为重要。本论文主要讲述了以AT80C51为主要的控制元件，实现对室内的温度和湿度进行实时检测和显示的装置的设计方法。本设计的传感器部分采用集成温度和湿度传感器，集成传感器具有功能强、精度高、响应速度快、体积小、微功耗、价格低、适合远距离传输信号等特点。集成传感器的外围电路简单，具有较高的性价比。经过选择集成温度传感器采用DS18B20；集成湿度传感器选择线性电压输出式集成湿度传感器 HM1500，它的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。显示部分采用LED七段码进行显示，本设计一共使用了四个LED数码管进行显示，能够显示当时环境的温度、湿度，并能实现当环境的温湿度超过一定值时进行报警的功能。关键字：AT80C51,温度传感器，湿度传感器，LED显示装置第一章 系统的总体方案设计 1.1 系统总体框图本设计硬件部分主要由以下几个部分组成：温度传感器、湿度传感器、核心控制器、显示装置及报警装置。系统总体框图如图1.1所示：核心控制器 温度传感器湿度传感器显示装置报警装置图1.1 系统总体框图1.2 主要模块方案选择及论证1.2.1 核心控制器的选择根据题目要求，控制器主要用于对温度测量信号的接受和处理、控制温度采集的开关和报警电路的启用、控制显示电路对温度值实时显示以及控制键盘实现对温度值的设定等。对控制器采用ATMEL公司的AT80C51作为系统控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、价格便宜、耗电低、技术成熟和成本低等优点。许多功能部件集成在芯片内部，其信号通道受外接影响小，可靠性高，控制能力强，运行速度快等特点。由AT80C51作为控制核心，对信号采集以及报警装置进行控制AT80C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM-Flash Programmable and Eraseable Read Only Memory）的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与AT80C51引脚和指令系统完全兼容11。一、AT80C51的主要性能1与MCS-51 微控制器产品系列兼容； 2片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器； 3.存储数据保存时间为10年； 4.宽工作电压范围：Vcc可为2.7V到6V； 5.全静态工作：可从0Hz至16MHz ；6.程序存储器具有3级加密保护； 7.128*8位内部RAM； 8.32条可编程I/O线； 9.两个16位定时器/计数器； 10.中断结构具有5个中断源和2个优先级； 11.可编程全双工串行通道； 12.空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。二、AT80C51引脚图AT80C51有40个引脚，如图1.2所示。图1.2 AT80C51引脚图三、AT80C51各引脚说明图3-1为AT80C51的引脚图，对其在本次设计中的主要使用的引脚说明如下：VCC：电源电压，AT80C51电源的正极输入端，接+5V电压使AT80C51单片机正常工作。是单片机的电源提供端口。P0： P0口(P0.0P0.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8 位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向IO 口用P0口每一个引脚可以推动8 个LSTTL 负载。P2：P2口(P2.0P2.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向IO口用。每一个引脚可以推动4个LSTL负载。P1： P1口(P1.0P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口。P3： P3口(P3.0P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下：P3.0 RXD 串行通信输入。P3.1 TXD 串行通信输出。P3.2 INT0 外部中断0 输入，低电平有效。P3.3 INT1 外部中断1 输入，低电平有效。P3.4 T0 计数器0 外部事件计数输入端。 P3.5 T1 计数器1 外部事件计数输入端。P3.6 WR 外部随机存储器的写选通，低电平有效。P3.7 RD 外部随机存储器的读选通，低电平有效。XTAL1： 接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一个法相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，此引脚应该接地。1.2.2 温度传感器的选择目前主要采用采用集成温度传感器DS18B20。DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器，测温范围为55125，最高分辨率可达0.0625，在10+85范围内，精度为0.5。DS18B20支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便，而且更便宜，体积更小。DS18B20的现场温度直接以“单总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性并适合于恶劣环境的现场温度测量。DS18B20可以直接读出被测温度值，而且采用单总线式与主机相连，减少了外部的硬件电路，具有低成本和易使用的特点8。为了满足系统的设计要求，DS18B20集成温度传感器更加适合本设计的要求。此温度传感器与其他传感器相比，具有线性好、精度高、体积小、校准方便、价格低、外围电路简单等特点，非常适合本系统温度采集的测量工作。一、DS18B20的性能特点DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度12，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。DS18B20的性能特点如下：1. 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；2. 多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；3. 不需要外部器件；4. 可通过数据线供电，电压范围为3.05.5V；5. 零待机功耗；6. 温度以912位数字量读书；7. 用户可定义的非易失性温度报警设置；8. 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；9. 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。1.2.3 湿度传感器的选择选择集成湿度传感器应考虑以下几点：感湿性能好、灵敏度高、响应速度快、测量范围宽，要有较好的一致性、可重复性，线性度要好、湿滞小较高的稳定性和可靠性，有较强的抗污染能力、使用寿命长9。采用HM1500湿度传感器。HM1500湿度传感器是法国Humirel公司采用Humirel专利湿敏电容HS1101设计制造的相对湿度传感器。带防护棒式封装，5VDC恒压供电，14VDC放大线性电压输出，便于用户使用。湿度测试量程为0%100%RH，精度达3%RH（10%95%RH范围），防灰尘，可有效抵抗各种腐蚀性气体物质，非常低的温度依赖性，长期稳定性好，反映时间5s，广泛应用于机房监控，智能楼宇，仓库监控等控制场合，价格实惠，是一款性价比极高的湿度传感器10。HM1500湿度传感器具有体积小，外围电路简单，精度高，抗干扰强等优点，与其他湿度传感器相比更加适合本设计的要求。一、HM1500的性能特点1.内部包含由湿敏电容构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器，能输出与相对湿度成线性关系的直流电压信号，输出阻抗为70，适配带ADC的单片机。2.HM1500属于通用型湿敏传感器，测量范围是（0%100%）RH，输出电压范围是+1V+4V。相对湿度为55%时的标称输出电压为2.48V。测量精度为3%RH，灵敏度为+25mV/RH，温度系数为0.1%RH/，湿度迟滞为1.5%RH，响应时间为5s。3.产品的互换性好，抗腐蚀性强。不受水凝结的影响，长期稳定性指标为0.5%RH/年。4.采用+5V电源（允许范围是+4.75V+5.25V），工作电流为0.4mA（典型值），漏电流300A。工作温度范围是-30+60。第二章 硬件电路设计2.1 时钟电路和复位电路一、时钟电路 AT80C51单片机内部设有一个反向放大器所构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端，时钟可以由内部或外部产生。内部时钟电路是在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路17。晶振频率可以在1.2MHz到12MHz之间选择。电容值取5pF30pF，电容的大小可起频率微调的作用。外部时钟电路需要XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器，对外部振荡器信号无特殊要求，只需保证脉冲宽度，一般频率为低于12MHz的方波信号。设计中选用的是内部时钟电路，晶振频率为12MHz，电容为30pF，如图3-6所示。二、复位电路通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。在时钟电路工作后，在RESET(RST)端持续给出两个机器周期(24个振荡周期)的高电平就可以完成复位操作18。复位方式有上电复位和开关复位两种，设计选用的是上电复位电路，如图2.1所示。图2.1 时钟和复位电路连接图2.2 温湿度测量电路、显示电路及报警电路一、温湿度测量电路设计中测温选用智能温度传感器DS18B20作为检测元件。DS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，另一种是寄生电源供电方式。设计中选择外部电源供电方式为其供电。DS18B20的DQ端与AT80C51单片机的P3.7口相连接，与单片机进行数据的传输。而湿度测量选用湿度传达室感器HM1500作为检测元件。由于HM1500输出量为电压，而不是直接的湿度值，因此需要通过A/D转换把输出的模拟电压量转换为数字量，并通过一定的软件设计把电压量再换算成湿度值显示出来。本设计中A/D转换器选用ADC0808。连接电路如图2.2所示。图2.2 湿度与温度测量电路连接图二、显示电路显示器常用作单片机最简单的输出设备，用以显示单片机的运行结果和运行状态等。常用的显示器主要有LED和LCD，它们都具有耗电少、成本低、线路简单、寿命长等优点，广泛应用于单片机显示数字量的场合19。设计中采用LED显示器。对LED管的显示可分为静态和动态两种。本文采用动态显示，其优点为： 1. 能降低显示器的功耗。 2. 能大大减少显示器的外部接线，给安装调试带来方便。LED动态显示原理：由于各个数码管的段选线并联，段选码的输出对各个数码管都是相同。因此同一时刻如果各个数码管的位选线都处于选通状态的话，四位LED将显示相同字符。若要各位LED显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式。即在某一时刻只让某一位的位选线处于选通状态而其它各位的位选线处于关闭状态.同时段选线上输出相应位要显示字符的代码这样同一时刻四位LED中只有选通的那一位显示出字符，而其它位则是熄灭的。此循环下去就可以使各位数码管显示出将要显示的字符。显然，这些字符是在不同时刻出现的，而且同一时刻只有一位显示其它各位熄灭，但由于各位数码管的通断时间是非常短的，且人眼有视觉暂留现象，只要每位显示间隔足够短则可造成多位同时亮的假象达到显示的目的20。 为了显示相应的字符，必须将该字符转换成相应的段选码。这种转换也称为译码。译码可以采用硬件的方法，也可以采用软件的方法。设计中采用软件的方法进行译码。在总体电路中，显示电路是设计的主要部分，通过单片机的P1口，控制四位七段数码管的段码，而数码管的位码由P3.0、P3.1、P3.2、P3.3四个端口来分别控制显示数字的小数位、个位、十位和百位/符号位。在位码控制端通过单片机P3口输出的高低电平来选通数码管的显示位。显示部分电路连接如图2.3所示。图2.3 显示电路连接图三、报警电路报警电路在日常生活中很常见，本设计中的报警电路是由单片机P2.4口控制的，即当温湿度超出报警温湿度限时P2.4口输出的高电平驱动扬声器发声来进行报警。而当温湿度没有超出报警温湿度限时，P2.4口输出低电平，扬声器都不工作。设计中报警电路的温度是根据体温测量设置的，设有上限，即当温度高于38摄氏度时，就会报警。而相对湿度一般不低于30%RH，而不能高于80%RH，设计中只设置下限即当相对湿度低于30%RH时报警。温湿度的报警限值是在软件中设置的21。温控报警电路的连接如图2.4所示。图2.4 报警电路的连接电路2.3总体电路图综上所述，电路是由时钟电路，复位电路，温湿度测量电路，显示电路和报警电路共同组合而成。电路如图2.5所示。图2.5总体电路图 第三章 程序代码设计分析3.1 系统主程序框图系统启动动初始化P3.5=1?YN读取温度值并处理温度38?读取湿度值并处理湿度38?Y报警NN结束循环显示图3.1 系统主程序框图 第四章 系统的调试与仿真4.1基于Keil的系统源程序编辑调试图 图4.1程序的编辑如图4.1所示 图4.2 在Kei软件编译程序如图4.2所示 图4.3 在PROTEUS生成目标代码编译如图4.3所示4.2 系统的仿真电路与效果图 Proteus是英国Labcenter electronics公司开发的EDA工具软件。它从1989年出现到现在已经有二十年的历史，在全球广泛使用30。Proteus安装以后，主要由两个程序组成：Ares和Isis。前者主要用于PCB自动或人工布线及其电路仿真，后者主要采用原理布图的方法绘制电路并进行仿真。Proteus作为一款EDA仿真软件，与同类软件有着很多相似之处。相比之下，其主要的特点有两个：一是对动态元件的实时仿真。二是虚拟工具箱的功能，它能与仿真同时进行，测量方便而准确。本设计选用的就是Proteus ISIS仿真平台对设计出的系统进行实时动态仿真。由于Proteus中无湿度传感器HM1500，因此，用一个滑动变阻器来代替，仿真结果如图4.3，4.4所示。 图4.4 温度测量的仿真结果图4.5 湿度测量的仿真结果 第五章 系统的PCB图与3D视图及系统元件元件清单5.2 系统的元件清单如下表1所示 表1结 论论文主要介绍了系统的各部分硬件电路并对主要芯片功能、特点及使用作了必要的说明。采用DS18B20数字式温度传感器构成温度检测电路，及用HM1500集成湿度传感器构成湿度检测电路，并且利用AT80C51微处理器作为系统的数据处理与控制核心。在硬件设计中较多地采用了串行技术，以求减少电路板的空间和成本、简化器件之间的连接，提高可靠性、简化系统结构，增加系统扩展的灵活性。本设计在前人研究的基础上，经过一定的改善，基本上实现了对温度和湿度的实时检测和超出温湿度范围时产生报警的基本功能。设计中除了现有的功能得以实现之外还可以进行完善和扩展，可以做以下改进：一、设计电路中单片机AT80C51只连接了一个温度传感器和一个湿度传感器，可以在此基础上可以连接多个DS18B20和HM1500，实现多点检测的功能。二、设计中对湿度值的测量不太精确，一方面是