基于SHT10温湿度测量显示电路设计.doc

盐城工学院本科生毕业设计说明书（2009）课程设计说明书单片机原理与接口技术专业电气工程及其自动化学生姓名孟凤丽班级BD电建091学号0920602121指导教师吴冬春完成日期年 月 日1盐城工学院课程设计说明书（2010）目 录一 理论部分11课题要求与内容12 系统方案设计13 系统硬件的设计14 系统软件设计1二 实践部分11 系统硬件原理简介12 系统硬件调试中出现的问题及解决措施13 系统软件13.1 软件设计13.2软件调试中出现的问题及解决措施1三 附录1一 理论部分基于SHT10温湿度测量显示电路设计1课题要求与内容在工农业生产、气象、环保、国防、科研等部门,经常需要对环境温度与湿度进行测量及控制。准确测量温湿度对于生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要的。在温湿度测量技术不断发展完善的今天,温湿度传感器也正在朝集成化、智能化、系统化方向发展。此文介绍了一种基于SHT10温湿度计的设计原理,详细说明了温湿度计的电路结构、SHT10数据传输格式、温度、湿度数据采集软件设计。通过硬件电路设计和软件程序设计并实施实验的数字式温湿度计具有智能化、高精度、高可靠性等优势。设计目的：（1）学习I/O口模拟串口IIC接口方法；（2）学习延时子程序的编写；（3）学习多位数码管扩展方法设计要求：在单片机最小系统的基础上扩展一片SHT10集成传感器，测量环境的温度湿度并通过6位LED数码管动态显示测量值。2 系统方案设计 本设计核心部件为AT89C52，并以AT89C52单片机系统为核心来对温度、湿度进行实时采集。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，温度检测，湿度监测和显示，系统软件等部分的设计。 本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成。（1） 信号采集：由温度传感器、模块湿度传感器和I302模块组成；（2） 信号分析：由单片机AT89C52组成；（3） 信号处理：由6位LED数码管动态显示测量值。图1.系统方框图 3 系统硬件的设计3.1芯片介绍3.1.1AT89C52单片机AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。主要功能特性1、兼容MCS51指令系统 2、8k可反复擦写(大于1000次）Flash ROM； 3、32个双向I/O口； 4、256x8bit内部RAM； 5、3个16位可编程定时/计数器中断； 6、时钟频率0-24MHz； 7、2个串行中断，可编程UART串行通道； 8、2个外部中断源，共8个中断源； 9、2个读写中断口线，3级加密位； 10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能； 11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等神农百草膏几种封装形式，以适应不同产品的需求。 P0 口P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的 方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 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，这组口线分时转换地址（低8 位）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。 P1 口P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 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，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉 电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）， 参见表1。 Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8 位地址。 表.P1.0和P1.1的第二功能 引脚号功能特性P1.0T2，时钟输出P1.1T2EX（定时/计数器2）P2 口P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 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P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI 指令）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。 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，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。 P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能 P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST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。 ALE/PROG当访问外部程序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，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。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 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。 PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数 据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），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。 如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp。 XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2振荡器反相放大器的输出端。 特殊功能寄存器在AT89C52 片内存储器中，80H-FFH 共128 个单元为特殊功能寄存器（SFR），SFR 的地址空间映象如表2 所示。 并非所有的地址都被定义，从80HFFH 共128 个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。 不应将数据写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“0”。 AT89C52除了有AT89C51所有的定时/计数器0 和定时/计数器1 外，还增加了一个定时/计数器2。定时/计数器2 的控制和状态位位于T2CON（参见表3）T2MOD（参见表4），寄存器对（RCAO2H、RCAP2L）是定时器2 在16 位捕获方式或16 位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。 数据存储器AT89C52 有256 个字节的内部RAM，80H-FFH 高128 个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高128 字节的RAM 和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。 当一条指令访问7FH 以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高128 字节 RAM 还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。 例如，下面的直接寻址指令访问特殊功能寄存器0A0H（即P2 口）地址单元。 MOV 0A0H，#data 间接寻址指令访问高128 字节RAM，例如，下面的间接寻址指令中，R0 的内容为0A0H，则访问数据字节地址为0A0H， 而不是P2 口（0A0H）。 MOV R0，#data 堆栈操作也是间接寻址方式，所以，高128 位数据RAM 亦可作为堆栈区使用。 定时器0和定时器1： AT89C52的定时器0和定时器1 的工作方式与AT89C51 相同。3.1.2 SHT10温湿度采集 采用CMOS过程微加工专利技术制成的SHT10，确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器由一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式元件组成，并与一个14位A/D转换器以及一个2-wire数字接口在单芯片中无缝结合，使得该产品具有低功耗、反应快、抗干扰能力强等优点。（1） SHT10的主要特点如下：1） 相对湿度和温度的测量兼有露点输出；2） 全部校准，数字输出；3） 接口简单（2-wire），响应速度快；4） 超低功耗，自动休眠；5） 出色的长期稳定性；6） 超小体积（表面贴装）；7） 测湿精度45%RH,测温精度0.5（25）。（2） 引脚说明及接口电路1） 典型应用电路2） 电源引脚（VDD、GNDSHT10的供电电压为2.4-5.5V。传感器上电后，要等待11ms，从“休眠”状态恢复。在此期间不发送任何指令。电源引脚（VDD和GND）之间可增加一个100uF的电容器，可用于去耦滤波。3） 串行接口SHT10的两线串行接口（bidirectional2-wire）在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理，其总线类似I2C总线但不兼容I2C总线。1) 串行时钟输入（SCK）。SCK引脚是MCU与SHTIO之间的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有最小的时钟频率。2) 串行数据（DATA）引脚是1个三态门，用于MCU与SHTIO之间的数据传输。DATA的状态在串行始终SCK的下降沿之后发生改变，在SCK的上升沿有效。在数据传输期间，当SCK为高电平时，DATA数据线上必须保持稳定状态。为避免数据发生冲突，MCU应该驱动DATA使其处于低电平状态，而外部接一个上拉电阻，将信号拉至高电平。4） 原理与说明1) CRC-8校验。整个数据的传输过程都由8位校验保证，确保任何错误的数据都能够被检测到并删除。2) 为保持自身发热温升小于0.1，SHT10的激活时间不超过10%。如12位精度测量，每秒最多测量2次。3) 转换为物理量输出相对湿度输出转换公式为：RHlinear=C1+C2.SO（RH）+C3.SO(RH)2(%RH)其中，RHlinear为25时相对湿度的线性值，SO（RH）为传感器输出的相对湿度的数值，C1,C2,C3为系数。当测量温度与25相差较大时，则需要考虑传感器的温度系数：RHtrue=（T-25）.(t1+t2.SO(RH)+RHlinear其中，RHlinear为温度不等于25时相对湿度的实际值，T为当前温度，t1、t2是系数。T=d1+d2.SO(T)其中，T为实际温度，SO(T)为传感器输出的温度数值，d1、d2为系数。由于湿度与温度经由同一块芯片测量而得，因此SHT10可以同、时实现高质量的露点测量。3.1.3 DS18B20温度采集（1）DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20引脚定义： (1)DQ为数字信号输入/输出端； (2)GND为电源地； (3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的，也就是你要做的是配置寄存器。根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。（2）DS18B20的主要特性的: 1)适应电压范围更宽,电压范围： 3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电； 2）独特的单线接口方式， DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；3） DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；5）温范围55125，在-10+85时精度为0.5；6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125、0.125和0.0625，可实现高精度测温；7）在9位分辨率时最多在93.75ms9内把温度转换为