基于单片机的多点温湿度检测系统设计 光电信息工程专业毕业设计 毕业论文.doc

本科毕业设计本科毕业设计 论文论文 题目 题目 基于单片机的多点温湿度检测系统设计基于单片机的多点温湿度检测系统设计 院 系 院 系 光电工程学院光电工程学院 专专 业业 光电信息工程光电信息工程 班班 级级 070107 姓姓 名名 苏苏 波波 学学 号号 070107113 导导 师师 刘宝元刘宝元 2011 年年 6 月月 10 日日 I 基于单片机的多点温湿度检测系统设计基于单片机的多点温湿度检测系统设计 摘摘 要要 温湿度在线监控系统的应用是非常广泛的 例如 粮库 机房 档案馆等场所 在这些场所 必须控制温度及相对湿度这两个物理量在一定的范围内 不能过高 也不能过低 由于粮库 机房 档案馆等场所对于温湿度的特殊要求 这些地点需 要装有温湿度在线监控系统 由用户根据环境要求设定系统的温湿度阈值 当系统 监测到的温湿度值超过阈值时 自动启动空气温湿度调节设备 当环境温湿度值降 到设定范围内 温湿度调节设备停止工作 本文设计的多通道温 湿度检测系统利用单片机 AT89C51 作控制器 采用数字式 传感器进行温湿度测量 实现多地点的温 湿度实时检测和显示功能 能方便地应用 于各种温湿度检测场合 关键词关键词 仓库机房 温湿度传感器 单片机 AT89S52 II Abstract Temperature and humidity line monitoring and control system is very extensive for example grain storage engine room archives and other places In these places must control the temperature and relative humidity of these two physical quantities in a certain range not too high nor too low The grain depots engine room archives and other places special requirements for temperature and humidity these sites require online monitoring system equipped with temperature and humidity according to environmental requirements set by the user system the threshold temperature and humidity When the system detects the temperature and humidity value exceeds the threshold value automatically activated air temperature and humidity conditioning When the ambient temperature and humidity values down to set the range temperature and humidity conditioning stopped working This design of multi channel temperature and humidity detection system using microcontroller AT89C51 as the controller the use of digital sensor for temperature and humidity measurements multi site temperature humidity and display real time detection can be easily applied to a variety of temperature and humidity testing occasions Key words storage room temperature and humidity sensors microcontroller AT89S52 III 目目 录录 摘要摘要 I AbstractAbstract II 1 1 绪绪 论论 1 1 1 研究背景及意义 1 1 2 国内外发展情况 1 1 3 系统的主要性能指标 2 1 4 主要工作任务 2 1 5 本章小结 2 2 2 系统方案选择和工作原理系统方案选择和工作原理 3 2 1 系统综述 3 2 2 系统设计方案选择 4 2 3 系统工作原理 4 2 4 本章小结 5 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 6 3 1 AT89S52 构成的最小系统 6 3 1 1 晶振电路 6 3 1 2 复位电路 7 3 2 温湿度传感器的选择 7 3 2 1 温湿测量相关概念 8 3 2 2 温湿度传感器的选择 9 3 2 3 SHT11 的工作原理 10 3 2 4 SHT11 的传输特性 12 3 2 5 C 总线简介 13 2 I 3 3 温湿度测量电路的设计 14 3 4 显示电路设计 15 3 5 报警电路设计 17 3 6 键盘电路设计 18 3 7 本章小结 19 4 4 系统软件设计系统软件设计 20 IV 主程序流程图主程序流程图 20 结结 论论 21 参考文献参考文献 22 致谢致谢 23 毕业设计 论文 知识产权声明毕业设计 论文 知识产权声明 24 毕业设计 论文 独创性声明毕业设计 论文 独创性声明 25 附录附录 26 附附 录录 A A 系统仿真图系统仿真图 26 附录附录 B B 系统实物图系统实物图 27 1 绪论 1 1 绪绪 论论 1 11 1 研究背景研究背景及意义及意义 防潮 防霉 防腐 防爆是仓库日常工作的重要内容 是衡量仓库管理质量的 重要指标 它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性 为保证日常工作的顺 利进行 首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作 但传统的方法是用与湿度 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 因此我们需要一种造价 低廉 使用方便且测量准确的温湿度测量仪 湿度和温度是众多领域中需要检测的重要环境参数 不仅在工业 现代农业 还是在气象卫星 仓库保管等领域 对温度和湿度的测量都是随处可见的 对温度 和湿度的测量与监控也是十分有意义的 对湿度和温度进行合理有效的调控不仅可 以节约能源还更有利各行业安全健康的发展 温度是一个非常重要的物理量 因为它直接影响燃烧 化学反应 发酵 烘烤 煅烧 蒸馏 浓度 挤压成形 结晶以及空气流动等物理和化学过程 温度控制失 误就可能引起生产安全 产品质量 产品产量等一系列问题 因此对温度的检测的 意义就越来越大 温度采集控制系统在工业生产 科学研究和人们的生活领域中 得到了广泛应用 在工业生产过程中 很多时候都需要对温度进行严格的监控 以 使得生产能够顺利的进行 产品的质量才能够得到充分的保证 使用自动温度控制 系统可以对生产环境的温度进行自动控制 保证生产的自动化 智能化能够顺利 安全进行 从而提高企业的生产效率 仓库储藏领域必须对湿度和温度进行检测与控制 国家的储备粮仓库对温度湿 度控制更是非常严格的 如果储藏粮油等副食品地方的湿度过大 温度过高 就容 易导致储藏的粮食发霉变质 这些地方的温湿度一旦出现问题 不仅仅是粮食资源 的浪费 更关乎到市场供应 社会秩序的安全与稳定 故而 需要定期的对仓库内 的温湿度值进行监测 1 21 2 国内外发展情况国内外发展情况 温度传感器是最早开发 应用最广的一类传感器 温度传感器的市场份额大大 超过了其他的传感器 从 17 世纪初人们开始利用温度进行测量 在半导体技术的支 持下 本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 器和微波传感器 近年来 国内外在湿度和温度传感器研发领域取得了长足进步 温湿传感器正从结构复杂 功能简单向集成化 智能化 多参数检测的方向迅速发 西安工业大学毕业设计 论文 2 展 为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件 也将温度 湿度测量技术提高 到新的水平 国内测量温湿度常采用的主要方法有 温 阻 法和 湿 阻 法 即采用电阻型的温湿度传感器 利用其阻值随温湿度的变化测定空气的温度和相对湿 度 受传感 器灵敏度的限制 这类温湿度仪器的精度不可能很高 一般条件下还可以满足需要 但 是在环境实验设备等对精度要求颇高的场合就难以满足要求了 目前 国外对温湿度传感器技术的研究也有了较大的进展 特别是用电阻式温 湿传感器发展更快 人们不仅在电阻式陶瓷温湿度传感器特性方面做了大量工作 而且在高分子电阻式湿度传感器上做出可喜的研究成果 1 31 3 系统的主要性能指标系统的主要性能指标 根据粮仓环境 设计本产品的主要技术指标为 1 测温范围 20 45 湿度测量范围为 0 100 Rh 2 温度测量精度 0 5 C 3 湿度测量误差 4 Rh 4 可设置上 下限报警值 当温湿度超过阈值时 发出报警信号 5 电源工作范围 DC4 5 5 5V 1 41 4 主要工作任务主要工作任务 在对各类湿度 温度传感器原理介绍的基础上 根据本毕业设计实际的任务要 求 完成温湿度传感器芯片的选型 系统芯片的选择 并设计显示接口电路 电源 电路 报警电路 部分功能电路的程序 系统开始工作后 根据初始条件读取湿度 值和温度值 测量数据经处理后 将其与设定的湿温度值比较 如果发现当前的温 湿度超限 则发出报警信号 未超限时 系统显示正常的湿温度值 1 完成多点温湿度检测系统总体方案设计 2 选择器件 进行软件设计 3 完成实验板调试 给出 PCB 图 1 51 5 本章小结本章小结 本章主要介绍了所选课题的研究意义 国内外温湿度测量的发展趋势 系统的 主要性能指标 及主要工作任务 温湿度监测是本设计的核心 也是以后各章节着 重介绍的内容 2 系统方案选择和工作原理 3 2 系统方案选择和工作原理系统方案选择和工作原理 2 12 1 系统综述系统综述 根据本设计第一章要求的性能指标 方案设计时不仅要考虑怎么样实现测量一 定精度的温湿度信号值的基本功能 还要考虑温湿度超过阈值时系统的报警功能 根据设计要实现的功能 还要考虑系统控制芯片扩展口的分配 选择 AT89S52 单片 机就能够满足设计要求 AT89S52 单片机的 P10 口为报警控制口 X1 X2 作为晶振 回路端口 RESET 口作为复位电路接口 最后还要考虑设计系统选择元器件的成本 作为家庭用的环境检测类仪器 系统工作的可靠性 实用性 长久性指标也是系统 在设计时值得考虑的几个因素 2 22 2 系统设计方案选择系统设计方案选择 根据目前国内外市场上常用的各种温湿度检测仪器 结合本设计的设计任务要 求 能实现本设计要求的方案基本上有以下三种 1 纯模式 这种方案所有的电路均采用模拟电路构成 包括湿度 温度信号的采样 放大 电路 报警电压的电位调节设置 模拟比较器的选用以及驱动超限报警电路 模拟 的电磁结构的指针式显示电路等 尽管这种电路也能起到温度 湿度的实时测量与 报警 但是不能获得湿度 温度的历史数据 显示方式也不够直观 在抗干扰性能 上由于电路没有足够的判断能力可能会增加误报警从而引起错误动作 而且在价格 上也无优势可言 由上述原理构成的这类仪表被称之为第一代仪表 目前设计的仪 表中极少使用这类结构 2 数字式 这种方案在信号的采样 放大电路 报警设置以及报警电路等环节与第一种方 案区别不大 只是在放大电路后采用了 A D 转换电路 它将模拟量转换成数字量 然后经过驱动电路进行数码显示 它最大的好处是显示直观 这是模拟式产品向智 能式产品过渡的中间型产品 属于第二代仪表 在上个世纪 80 年代的设计中大都采 用这本种结构的方案 在日常生活中看到的大都是未被替换的产品 在目前的设计 中 基本上是不采用这种方案的 3 智能式 这是目前检测类仪器首选的方案 利用目前成熟的计算机技术 依靠计算机强 大的处理能力 对数据前向通道采集到的湿度 温度数据进行判断 处理 存储 西安工业大学毕业设计 论文 4 并可采用十分简单的方法通过显示驱动芯片将显示信息送出进行数码显示 对测量 所得结果超限时的报警处理可以按照测量时间的不同情况分别设置不同的报警值 系统将会对测量回路巡回监测 常规的环境参数中 湿度是最难准确测量的一个参数 用干湿球湿度计或毛发 湿度计来测量湿度的方法 早已无法满足现代科技发展的需要 这是因为测量湿度 要比 测量温度复杂的多 温度是个独立的被测量 而湿度却受其他因素 大气压强 温 度 的影响 所以湿度的测量比温度的测量要复杂的多 目前国内外对温度和湿度测量产品有很多 但是大部分的产品都是用红外热辐 射的传感器制作的 这种产品结构复杂 价格昂贵并不适用于粮仓 本设计使用比 较常见的温度湿度传感器和价格便宜的电子元器件 实现检测系统的智能化 它还 具有较高的安全性 可靠性 适用于一般的家庭 鉴于国外欧美等国家微电子技术 的发展 在不少的测试领域 将一个系统的所有电路 包括 CPU 都集成在一块芯片 上 构成一个集成的系统 况且这也是目前仪表发展的方向 所以本设计采用集成 芯片 SHT11 作为温湿度传感器 鉴于以上情况 本课题考虑到国内目前的现状 构 成器件的来源以及微电子技术的发展趋势 本设计决定采用智能化的设计方案设计 从节约能源和成本及使用方便的角度考虑 每一个设计都要本着满足设计要求 的前提下 尽量简单方便快捷的设计 这个原则适用各个领域 由于各种不可克服 的误差和适用环境的影响 检测仪表都存在一定的误差 不过我们还要竭尽所能的 降低误差 提高设计的精度 2 32 3 系统工作原理系统工作原理 根据本课题的设计要求 本系统的原理结构框图如图 2 1 所示 AT89S52 单 片 机 报警电路 SHT11 温湿度传感器 稳压电路 显示电路 复位电路 晶振回路 键盘 图 2 1 该测量系统的核心是 AT89S52 单片机 湿度和温度信号检测可以使用传统的电 阻式温湿传感器测量 也可以采用集成的智能温湿传感器芯片测量 集成传感器芯 片内部自带有信号放大电路 放大电路是提高单片机对信号进行识别的有效方法 而且在复杂电路的各种设计领域中是最常用也是必须要采用的方法 由温湿度传感 西安工业大学毕业设计 论文 5 器检测到的温湿度信号经过芯片内部的 A D 转换电路 将模拟信号转化成数字信号 后通过C 总线输入通道传送给单片机 为了提高测量的精度 提高信号的转换质 2 I 量 作为模拟信号转化成数字信号的 A D 转换器 对其本身的性能要求也很高 因 此传感器芯片内要有性能良好的 A D 转换器 作为智能化的检测仪器 由 LCD1602 实现的显示器使人们直观的观看到测量到的温度和湿度的值 在本设计系统中 正 常情况下 显示电路可以实时的显示粮仓内的温度和湿度 当温度湿度超过阈值时 报警电路可以立即发出警报 以便实现粮仓温度和湿度的调整 2 42 4 本章小结本章小结 本章介绍了设计测量仪器的三种方式 最传统的是纯模式 随着科学技术的进步 采用这 种设计方案设计出来的产品由于自身的缺陷性已满足不了当今社会的要求 所以基本上被淘汰 了 数字式检测仪表目前在实际应用中也很少用到 智能式是目前检测仪表设计采用的主流方 案 也是本设计选用的方式 根据设计要求 本章对系统工作的原理也做了简要说明 西安工业大学毕业设计 论文 5 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3 13 1 AT89S52AT89S52 构成的最小系统构成的最小系统 单片机是一种集成在电路芯片 是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理 能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 多种 I O 口和中断系统 定时器 计时器等功能 可能还包括显示驱动电路 脉宽调制电路 模拟多路转换器 A D 转换器等电路 集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统 在测控 领域 使用最多还是 Intel 公司的 MCS 51 系列单片机 MCS 51 系列单片机是 8 位 增强型 其主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线和具有多级识别 功能的串行通讯接口 UART 规范了功能单元的 SFR 控制模式及适应控制器特点的 布尔处理和指令系统 由于单片机具有较高的性能比 国内尤以 MCS 51 系列单片机 应用最为广泛 此系列单片机易于开发 使用灵活 而且体积小 抗干扰能力强 可以兼容种类众多的支持芯片 较为丰富的软件资源 可以工作于各种恶劣的条件 下 工作稳定等特点 考虑到本系统的需要 因此本设计选用 MCS 51 系列的 AT89S52 单片机作为本系统的 CPU 由 AT89S52 单片机为核心的单片机最小系统包括 晶振电路和复位电路 3 1 13 1 1 晶振电路晶振电路 晶振电路的主要任务是为 AT89S52 单片机正常工作需要的时钟电路提供一个稳 定的工作频率 根据 AT89S52 单片机时钟周期的要求 回路需要选用频率为 12MHz 的晶振 晶振回路由电容和陶瓷谐振器并联组成 作为单片机的时钟源 AT89S52 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 此放大器的输入和输出端分别是 引脚 XTAL1 和 XTAL2 在 XTAL1 和 XTAL2 端口接上时钟电源即可构成时钟电路 本设 计中采用内部时钟产生方式 如图 3 2 所示 在 XTAL1 和 XTAL2 两端跨接晶振 与 内部的反相器构成稳定的自激振荡器 其发出的时钟脉冲直接送入单片机内定时控 制部件 电容 C8 和 C9 对频率有微调作用 电容 C8 和 C9 应尽可能的安装在单片 机芯片附近 以减少寄生电容 保证振荡器稳定可靠的工作 3 系统硬件设计 6 图 2 2 晶振电路 3 1 23 1 2 复位电路复位电路 复位电路的功能就是对 CPU 进行实时检测 当 CPU 落入死循环之后 能及时发 现并使整个系统复位 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 复位电路工作原理如右图所示 VCC 上电时 C 充电 在 1K 电阻上出现电 压 使得单片机复位 几个毫秒后 C 充满 1K 电阻上电流降为 0 电压也为 0 使得单片机进入工作状态 工作期间 按下S C 放电 S 松手 C 又充电 在 1K 电阻上出现电压 使得单片机复位 几个毫秒后 单片机进入工作状态 复位电路图 3 系统硬件设计 6 3 23 2 温湿度温湿度传感器的选择传感器的选择 温湿度的测量在仓储管理 工业生产制造 智能化建筑 科学研究及日常生活 中被广泛应用 传统的模拟式湿度传感器需设计信号调理电路并需要经过复杂的校 准 标定过程 测量精度难以得到保证 且在线性度 重复性 互换性 一致性等 方面往往不尽人意 并且粮仓环境中的温度都在 20 45 之间 所以选用智能 化的集成温湿度传感器芯片 SHT11 可以满足我们的设计要求 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 若表示在湿蒸汽中液态水分的重量占蒸汽总重量的百分比 则称 之为蒸汽的湿度 湿度传感器是指检测外界环境湿度的传感器 它将所测环境中的 湿度信号转 换为便于处理 显示 记录的电 频率 信号 湿度传感器在仓贮 工业生产 过 程控制 环境监测 家用电器 气象等方面有着广泛的应用 温度传感器是指检测 外界温度的传感器 它将所测环境中的温度信号转换为便于处理 显示 记录的电 频率 信号等 在很多领域都有普遍的应用 湿度 温度传感器是本设计中核心的器件 其感湿温特性直接决定了本设计的 性能指标 湿度传感器的种类有很多 大致可以分为物性型 结构型 其他形式三 大类 物性型包括电解质系 半导体及陶瓷系 聚合物系 结构型包括毛发型 肠 膜型 其他形式包括干湿球式 石英振子式 种子法式等等 温度传感器从使用的 角度大致可分为接触式和非接触式两大类 前者是让温度传感器直接与待测物体接 触 来检测被测物体温度的变化 而后者是使温度传感器与待测物体离开一定的距 离 检测从待测物体放射出的红外线 从而达到测温的目的 在接触式和非接触式 两大类温度传感器中 相比之下运用较多的是接触式传感器 非接触式传感器一般 在比较特殊的场合才使用 目前在工业生产和科学研究工作中得到广泛使用的接触 式温度传感器主要是热电传感器 它是利用转换元件电磁参数随温度变化的特性 对温度和与温度有关的参量进行检测的装置 其中将温度变化转换为电阻变化的称 热电阻传感器 金属热电阻式传感器简称热电阻 半导体热电阻式传感器简称热敏 电阻 将温度变化转换为电动势变化的称为热电偶传感器 3 2 13 2 1 温湿测量相关概念温湿测量相关概念 湿度和温度很久以前就与人类生活存在着密切的关系 但用数量来进行表示较为 困难 现代科学对温湿度测量做出了明确的定义和表示方法 绝对湿度 单位体积 1m3 的气体中含有水蒸气的质量 g 但是 即使水蒸气量相同 由于温度和压力的变化气体体积也要发生变化 即绝对 湿度 D 发生变化 D 为容积基准 相对湿度 3 系统硬件设计 6 气体中所含的水蒸气 e 与气体饱和时所含的水蒸气 es 的比 用百分比表 示 但是 温度和压力的变化导致饱和水蒸气气压也将随之而变化 通常在工作和生 活中我们使用的湿度即为相对湿度 饱和水蒸气压 Saturation Vapor Pressure 气体中所含水蒸汽的量是有限度的 达到限度的状态即可称之为饱和 此时的水 蒸气压即称为饱和水蒸气压 此物理量亦随着温度 压力的变化而变化 并且 0 以 下即使同一湿度 与水共存的饱和水蒸气压 esw 和与冰共存的饱和水蒸气压 esi 的值不同 通常所采用的是与水共存的饱和水蒸气压 各温度对应的饱和水 蒸气压表在 JIS Z 8806 卷中有记载 露点 温度较高的气体其所含水蒸汽也较多 将此气体冷却后 其所含水蒸汽的量即使 不发生变化 但相对湿度也会增加 当达到一定温度 相对湿度达到 100 饱和 此时 继续进行冷却的话 其中一部分的水蒸气将凝聚成露 此时的温度即为露点温度 露 点在 0 以下结冰时即为霜点 3 2 23 2 2 温湿度传感器的选择温湿度传感器的选择 湿度传感器的精度应达到 2 5 Rh 达不到这个水平很难作为计量器具使 用 湿度传感器要达到 2 3 Rh 的精度是比较困难的 通常产品资料中给出的 特性是在常温 10 20 和洁净的气体中测量的 在实际使用中 由于尘土 油污及有害气体的影响 温湿度传感器使用时间一长 容易产生老化 精度下降 所以选择温湿度传感器就要考虑温湿度传感器的精度 长期稳定性 以及互换性 湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断 一般说来 长期稳定性和 使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题 温湿度传感器在使用过程中 由于受 到环境的影响都会产生年漂移 一般情况下年漂移量控制在 1 Rh 水平的产品很少 一般都在 2 Rh 左右 甚至更高 目前 湿度传感器普遍存在着互换性差的现象 同一型号的传感器不能互换 严重影响了使用效果 给维修 调试增加了困难 有些厂家在这方面做出了种种努 力 但互换性仍很差 取得的效果并不明显 然而温湿度传感器的选择是本设计的核心问题 传统的模拟式的温湿度传感器 一般都要设计信号调理电路并需要经过复杂的校准和标定过程 因此测量精度难以 保证 且在线性度 重复性 互换性 一致性等方面往往不尽人意 目前国际上新 型传感器正从模拟式向数字式 集成化向智能化和网络化的方向发展 鉴于上述原 因 本系统采用 SHT11 芯片测量温湿度值 SHT11 是瑞士 Scnsirion 公司推出的基 于 CMOSensTM 技术的新型温湿度传感器 该传感器将 CMOS 芯片技术与传感器技术完 美的结合起来 从而发挥出它们强大的优势互补作用 SHT11 是一款新型的数字式温湿度传感器芯片 SHT11 的外形尺寸仅为 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 室中做过精密标准测试 标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中 在测量工 西安工业大学毕业设计 论文 10 程中可以对相对湿度进行自动校准 它不仅能准确测量相对湿度 还能测量湿度和 露点 测量相对的范围是 0 100 分辨率 0 3 Rh 测量温度的范围 40 123 8 分辨率为 0 01 测量露点的精度 1 在测量湿度 温度时 A D 转 换器的位数分别可达 12 位 14 位 利用降低分辨力的方法可以提高测量速率 减 小芯片的功耗 该芯片广泛应用于冷暖空调 汽车 消费电子 自动控制等领域 采用 SHT11 进行温湿度实时监测的系统具有精度高 成本低 体积小 接口简单等 优点 另外 SHT11 芯片内部集成了 12 14 位 A D 转换器 且采用数字信号输出 因此抗干扰能力也比同类芯片高 该芯片在温湿度监测 自动控制等领域均已得到 广泛应用 SHT11 的主要特性如下 将温湿度传感器 信号放大调理 A D 转换 C 总线接口全部集成于一体的芯 2 I 片 COMensTM 技术 可给出全校准相对湿度及温度值输出 带有工业标准的C 总线数字输出接口 2 I 具有露点值计算输出功能 具有卓越的长期稳定性 是只读输出分辨率为 14 位 温度值输出分辨率为 12 位 小体积 7 65 5 08 23 5mm 可表面贴装 具有可靠的 CRC 数据传输校验功能 片内装载的校准系数可保证 100 互换性 电源电压范围为 2 4 5 5V 电流消耗 测量时为 550 A 休眠时为 3 A 3 2 33 2 3 SHT11SHT11 的工作原理的工作原理 SHT11 的 DATA 引脚在 SCK 时钟的下降沿之后改变状态 并仅在 SCK 时钟上升沿 后有效 所以 AT89S52 单片机可以在 SCK 高电平时读出数据 而当其向 SHT11 发 送数据时 则必须保证 DATA 上的电平状态在 SCK 高电平段稳定 在需要输出高电平 时 单片机将置为高阻状态 由外部的上拉电阻将信号拉至高电平 从而实现高电 平输出 SHT11 首先由两个传感器分别测量相对湿度和温度信号 经过放大电路放 大后分别送到 14 位的 ADC 进行 A D 转换 标准和纠错 最后通过二线制的串行接口 将相对湿度和温度的数据送至 AT89S52 单片机 最后利用 AT89S52 单片机完成非线 性补偿和温度补偿 SHT11 的引脚图如图 3 1 示 18 27 36 SHT11 西安工业大学毕业设计 论文 10 45 图 3 1SHT11 的引脚图 SHT11 芯片各引脚功能如下 引脚 1 GND 接地端 引脚 2 DATA 串行数据输出 输入端 引脚 3 SCK 串行口时钟输入端 引脚 4 VDD 接电源端 引脚 5 引脚 6 引脚 7 引脚 8 NC 不连接 实物图如下 SHT11 的湿度检测运用电容式结构 并采用具有不同保护的 微型结构 检测 电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容 除保持电容式的原有特性外 还可以抵御来自外界的影响 由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成 了一个单一的个体 因而测量精度较高且可得出露点 同时不产生由于温度与湿度 传感器之间随温度梯度变化引起的误差 CMOSensTM 技术不仅将温湿度传感器结合 在一起 而且还将信号放大电路 模 数转换器 校准数据存储器 标准C 总线等 2 I 电路集成在一个芯片内 SHT11 传感器的校准系数预先存在 OTP 内存中 经校准的 相对湿度和温度传感器与 A D 转换器相连 可以将转换后的数字温湿度值送给二线 C 总线器件 从而将数字信号转换为符合 I2C 总线协议的串行数字信号 2 I 传输开始 初始化传输时 应首先发出 传输开始 命令 该命令可在 SCK 为 高电平时使 DATA 由高电平变为低电平 并在下一个 SCK 为高时将 DATA 升高 接下 来的命令顺序包含三个地址 目前只支持 000 和 5 个命令位 当 DATA 脚的 ack 位处于低电平时 表示 SHT11 正确接收到命令 连接复位顺序 如果与 SHT11 传感器的通讯中断 下列信号顺序会使串口复位 即当 DATA 线处于高电平时 触发 SCK9 次以上 含九次 此后接着发一个 传输开 始 命令 温湿度测量时序 当发出了温湿度测量命令后 控制器就要等到测量完成 使 西安工业大学毕业设计 论文 12 用 8 12 14 位的分辨率测量分别需要大约 11 55 210 毫秒的时间 为表明测量完成 SHT11 会使数据线为低 此时单片机必须重新启动 SCK 然后传送两字节的测量数据 与 1 字节的校验码 控制器必须通过使 DATA 为低来确认每一个字节 通讯在确认 CRC 数据位后停止 如果没有用校验 则单片机就会在测量数据后保持 SCK 为高来 停止通讯 SHT11 在测量和通讯完成后会自动返回睡眠模式 需要注意的是 为了 使 SHT11 的温升低于 0 1 此时的工作频率不能大于标定的 15 如 12 位精度 时 每秒最多进行三次测量 低电压检测 SHT11 工作时可以自行检测 VDD 电压是否低于 2 45V 准确度为 0 1V 下载校准系数 为了节省能量并提高速度 在每次测量前都要重新下载校准系数 从而使每一次测量节省 8 2ms 的时间 测量分辨率设定 将测量分辨率从 14 位 温度 和 12 位 湿度 分别减到 12 位和 8 位可应用于高速或低功耗场合 由于将传感器与其它功能电路部分结合在一起 因此 该传感器具有比其它类 型的湿度传感器优越得多的性能 首先是传感器信号强度的增加增强了传感器芯片 的抗干扰性能 保证了传感器的长期稳定性 而 A D 转换同时完成 则降低了传感 器对干扰噪声的敏感程度 其次在传感器芯片内部装载的校准数据保证了每一只湿 度传感器具有相同的功能 具有 100 的互换性 最后 传感器可直接通过C 总线 2 I 与任何类型的单片机 3 2 43 2 4 SHT11SHT11 的传输特性的传输特性 1 湿度值输出 SHT11 可通过C 总线直接输出数字量湿度值 其相对湿度数字输出特性曲线如 2 I 图 3 2 所示 由图 3 2 可以看出 SHT11 的输出特性呈一定的非线性 为了补偿湿度传感器 的非线性 可以按如下公式修正湿度值 RHIinera C1 C2SORH C3SORH2 3 1 式中 SORH 为传感器相对湿度测量值 西安工业大学毕业设计 论文 12 系数取值如下 12 位 SORH C1 4 C2 0 0405 C3 2 8 0 6 8 位 SORH C1 4 C2 0 648 C3 7 2 10 4 2 温度值输出 由于 SHT11 温度传感器的线性度非常好 故可以用下列公式将温度数字输出转 换成实际温度值 T d1 d2SOT 当电源电压位 5V 且温度传感器的分辨率为 14 位 时 d1 4 d2 0 01 当温度传感器的分辨率为 12 位时 d1 40 d2 0 04 3 露点计算 空气的露点值可根据相对湿度和温度值得来 具体的计算公式如下 LogEW 0 66077 7 5 273 3 T log RH 2 3 2 Dp 0 66077 LogEW 273 3 LogEW 8 16077 3 3 3 2 53 2 5 C C 总线简介总线简介 2 I 对于较复杂的单片机应用系统 元件与芯片之间短距离通信的物理线路往往比 较多 这样不仅增加了硬件应用系统设计的难度 而且也不利于系统稳定性 成了 系统设计中的一个瓶颈 针对这一问题 Philips 公司提出了C 总线协议 C 总 2 I 2 I 线协议有效地解决了这一问题 C Inter Integrated Circuit 总线是 Philips 公 2 I 司开发的两线式串行总线 用于连接单片机及其外围设备 由于C 总线仅用于两 2 I 根信号线 并支持多主控工作方式 所以C 总线在电子产品设备中应用非常普遍 2 I C 总线是由数据线 SDA 和时钟线 SCL 构成的串行总线 可发送和接收数据 2 I 在 CPU 与被控C 之间 进行双向传送 最高传送速度 100 kbit s C 总线在传 2 I 2 I 送数据的过程中共有 4 种基本类型信号 分别是 开始信号 数据传输信号 应答 信号和结束信号 a 开始信号 SCL 为高电平时 SDA 由高电平向低电平跳变 开始传送数据 所有的命令都必须在开始条件以后进行 b 结束信号 SCL 为高电平时 SDA 由低电平向高电平跳变 结束传送数据 所有的操作都必须在停止条件以前结束 C 总线开始和停止数据传送的时序图如 2 I 图 2 5 所示 开始 停止 图 3 3 I2C 总线开始和停止数据传输时序图 c 数据传输信号 在开始条件以后 时钟信号 SCL 的高电平周期期间 当数 据线稳定时 数据线 SDA 的状态表示数据有效 即数据可以被读走 开始进行读操 作 在时钟信号 SCL 的低电平周期期间 数据线上数据才允许改变 每位数据需要 一个时钟脉冲 西安工业大学毕业设计 论文 13 数据线保持 允许数据变化稳定数据有效 图 3 4C 总线有效数据传输时序图 2 I d 应答信号 接收数据的 SHT11 收到 8bit 数据后 向发送数据的单片机发 出特定的低电平脉冲 表示已收到数据 这要求单片机必须产生一个与确认位相应 的额外时钟脉冲 第 9 个脉冲 若单片机确认失败 单片机必须发送一个数据结束 信号给从器件 这时 SHT11 必须使 SDA 线保持高电平 使单片机能产生停止条件 C 数据传输和信号应答时序图如图 2 6 所示 2 I 3 33 3 温湿度测量电路温湿度测量电路的设计的设计 为了实现单点测量系统采用一个 SHT11 芯片 由于 AT89S52 单片机不具备C 2 I 总线接口 所以只能通过单片机 I O 口线来虚拟C 总线 用 P28 模拟数据线 DATA 2 I P27 来虚拟时钟线 SCK SHT11 温湿度芯片通过两个虚拟的C 总线接连接在 2 I AT89C51 单片机上 SHT11 首先由温度传感器 湿度传感器分别检测出相对湿度和温 度信号 然后经过内部的放大电路放大后分别送到 ADC 中进行 A D 转换 标准和纠 错 最后通过二线制的串行接口 将相对湿度和温度的数据送至 AT89S52 单片机 再利用 AT89S52 单片机完成非线性补偿和温度补偿 当测量控制系统发出温湿度测 量命令以后 使用 8 12 14 位的分辨率测量分别需要大约 11 55 210 毫秒的时间 为表明测量完成 SHT11 会使数据线为低 此时 AT89S52 单片机必须重新启动 SCK 然后传送两字节的测量数据 AT89S52 单片机必须通过使 DATA 为低来确认每一个字 节 通讯在确认后停止 SHT11 在测量和通讯完成后会自动返回睡眠模式 需要注 意的是 为使 SHT11 的温升低于 0 1 此时的工作频率不能大于标定的 15 由 SHT11 和 AT89S52 单片机组成的测量电路原理图如图 3 5 所示 西安工业大学毕业设计 论文 14 图 3 5 3 43 4 显示电路设计显示电路设计 显示电路作为常用的现场人机接口 尤其是作为测量数据的智能仪表 显示电 路的设计是不可缺少的 作为温湿度测量系统 显示电路的设计也不例外 在本设 计系统中 不仅要显示测量的温湿度值 而且还有不同的温湿度报警参数 故而显 示器的设计是十分必要的 显示器是最常用的输出设备 显示器件使用最多的是发光二极管显示器 LED 和液晶显示器 LCD 因为它们都具有结构简单 耗电少 价格低廉 接口简单 寿命长等优点 广泛应用于智能仪表场合 尤其是单片机系统中大量应用 考虑到 使用环境的特点 工作温度 光线等 在本设计中我们选用 LCD1602 显示 LCD1602 液晶显示模块基本技术 1 主要功能 A 40 通道点阵 LCD 驱动 B 可选择当作行驱动或列驱动 C 输入 输出信号 输出 能产生 20 2 个 LCD 驱动波形 输入 接受控制器送出的串 行数据和控制信号 偏压 V1 V6 D 通过单片机控制将所测的频率信号读数显示 出来 2 技术参数 西安工业大学毕业设计 论文 15 显示容量 16 2 个字符 芯片工作电压 4 5 5 5V 工作电流 2 0mA 5 0V 模块最佳工作电压 5 0V 字符尺寸 2 95 4 35 W H mm 1602LCD 采用标准的 14 脚 无背光 或 16 脚 带背光 接口 各引脚接口说 明如表 10 13 所示 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS电源地9D2数据 2VDD电源正极10D3数据 3VL液晶显示偏压11D4数据 4RS数据 命令选择12D5数据 5R W读 写13D6数据 6E使能信号14D7数据 7D0数据15BLA背光源正极 8D1数据16BLK背光源负极 表 10 13 引脚接口说明表 第 1 脚 VSS 为地电源 第 2 脚 VDD 接 5V 正电源 第 3 脚 VL 为液晶显示器对比度调整端 接正电压时对比度最弱 接地时对比度最 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 高电平时选择数据寄存器 低电平时选择指令寄存器 第 5 脚 R W 为读写信号线 高电平时进行读操作 低电平时进行写操作 当 RS 和 R W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址 当 RS 为低电平 R W 为高电平时可 以读信号 当 RS 为高电平 R W 为低电平时可以写入数据 第 6 脚 E 端为使能端 当 E 端由高电平跳变成低电平时 液晶模块执行命令 第 7 14 脚 D0 D7 为 8 位双向数据线 第 15 脚 背光源正极 第 16 脚 背光源负极 实物图如下 西安工业大学毕业设计 论文 15 显示电路图 西安工业大学毕业设计 论文 17 显示电路仿真图 3 53 5 报警电路设计报警电路设计 目前智能化的测试仪表设计都自带有报警电路 设计报警电路也是为了更完善 系统的功能 本设计采用由发光二极管和压电式蜂鸣器为核心的声光报警电路 蜂 鸣器是一种一体化结构的电子讯响器 采用直流电压供电 广泛应用于计算机 打 印机 复印机 报警器 电子玩具 汽车电子设备 电话机 定时器等电子产品中 作发声器件 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型 压电式蜂鸣 器主要由多谐振荡器 压电蜂鸣片 阻抗匹配器及共鸣箱 外壳等组成 有的压电 式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管 多谐振荡器由晶体管或集成电路构成 当接通 电源后 1 5 15V 直流工作电压 多谐振荡器起振 输出 1 5 2 5kHZ 的音频信号 由阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声 压电蜂鸣片由锆钛酸铅材料制成 在陶瓷片的 两面镀上银电极 经极化和老化处理后 再与黄铜片或不锈钢片粘在一起 报警电路的功能是在 AT89S52 单片机的控制下实现声光报警或解除报警 当 AT89S52 单片机检测工作间隙超过规定的量值时 通过报警电路向报警器发出有效 信号 高电平有效 声音报警电路接到有效电平后则自动发出预置的报警声 同时 红色报警指示灯发出耀眼的红色信号 当 24 0 为低电平时 三极管为低电平 三极管截止 集电极电流为 0 发射极电流为 0 声光报警器均不能正常工作 当 24 0 为高电平时 输出高电平 三极管集电极为高电平 三极管导通 集电 极电流不为 0 发射极电流声 声光报警器均能正常工作 处于报警状态 西安工业大学毕业设计 论文 17 报警电路 3 63 6 键盘电路设计键盘电路设计 键盘是由若干按钮组成的开关矩阵 它是单片机系统中最常用的输入设备 用 户能通过键盘向计算机输入指令 地址和数据 一般单片机系统中采和非编码键盘 非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键 它具有结构简单 使用灵活等特点 因此被广泛应用于单片机系统 通过 I O 口连接 将每个按钮的一端接到单片机的 I O 口 另一端接地 如图 所示 六个按键分别接到 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 对于这种键各程 序能采用持续查询的办法 功能就是 检测是否有键闭合 如有键闭合 则去除键 抖动 判断键号并转入对应的键处理 其功能很简单 六个键定义如下 P1 2 温度上限的设置 P1 3 温度下限的设置 P1 4 湿度上限的设置 P1 5 湿度下限的设置 P1 6 温湿度加的设置 P1 7 温湿度减的设置 西安工业大学毕业设计 论文 19 键盘电路 键盘电路原理 3 73 7 本章小结本章小结 本章主要介绍了温湿度传感器的定义及其分类 对温湿度传感器 SHT11 芯片的 工作原理 内部结构 性能特点做了充分的说明 本章还简单介绍了 I2C 总线的相 关知识 本章系统阐述了本设计硬件的工作原理 设计了由于 AT89C51 单片机控制 的温湿度测量回路 LED 动态显示电路 声光报警电路 键盘电路的设计 4 系统软件设计 20 4 4 系统软件设计系统软件设计 本设计就是以 AT89S52 单片机为核心 它采用模块化设计 由主程序 sht1 读 取子程序 按键处理子程序 lcd1062 显示子程序等模块组成 该系统的主程序处 于键控循环工作方式 当按下测量键时 主程序开始调用读取子程序 键处理子程 序 并把测量结果用显示子程序在液晶显示器上显示出来 从而完成整个程序过程 主程序流程图 开始 初始化单片机及程序 读取 SHT1 温湿度检测传感器数值 数据处理 LCD1602 显示温湿度数值 超出温湿度范围 报警器报 警 结束 西安工业大学毕业设计 论文 18 结结 论论 在硬件电路设计中选用了 AT89S52 作为系统的核心控制部件 温湿度检测采用 了集成芯片 SHT11 为了实现系统的设计要求 通过翻阅大量的资料 最终确定了 智能化的设计方案 由 AT89S52 单片机 晶振和按键组成的最小系统 可以使整个 系统正常稳定的工作起来 温湿