毕业设计-基于单片机的温湿度自动控制仪的设计.doc

毕业论文课题： 基于单片机的温湿度自动控制仪的设计 专 业 学生姓名 学 号 指导教师 完成日期 摘 要人类的生存和社会活动都与温度湿度密切相关。随着现代化的实现，无论是企业还是事业、无论是医疗卫生还是科学研究都很难找出一个与温度湿度无关的领域来。所以温度和湿度的测量成为日常生产生活最常见的测量活动，在市场上我们随处可见各种温湿度测量仪器，本设计就是一种简单适用的空气温度和湿度的检测仪器，它能精确实时的测量出空气的温度和相对湿度。通过装置上的LED来实时显示空气的温度和湿度。本设计的产品不但适用于家庭，也适用于温度范围在55125内的所有场所。如：蔬菜生产的温室、工厂等。其具有结构简单娇小、设计制造成本低、适用范围广、设计成品便于携带等优点。利用单片机实现的高精度实用性温湿度控制系统，它由AT89C51单片机进行控制，内接了封装体积小，由于采用数字式温度传感器，因此具有成本较低、使用简单、工作可靠等特点。本设计主要由温度、湿度采集、CPU控制、驱动电路、显示几部分组成，是基于DS18B20、HS1101传感器的温湿度系统并能够完成两路温湿度的循环检测，及温湿度上下限的控制。该设计能够实现温湿度的同时检测，温湿度传感器能够根据外界温湿度的变化将环境值显示在相应的数码管上的功能。温度测量采用了DS18B20温度传感器，具有较高的精度和重复性；湿度测量采用了HS1101电容式相对湿度传感器；通过LED控制驱动器ULN2003驱动了6个LED数码管。而使系统可以方便地实现温度、湿度的实时控制。AbstractThe survival of the human and social activities are closely related to the humidity and temperature. With the realization of modernization, be it business or career, be it health or scientific research are very difficult to find a temperature and humidity unrelated to the field. Therefore, measuring the temperature and humidity into the production of day-to-day life of the most common measurement, we are in the market can be seen all kinds of temperature and humidity measurements, the design is a simple application of air temperature and humidity testing apparatus, it accurate real-time The measure of air temperature and relative humidity. Through the devices LED display for real-time air temperature and humidity. The design of this product not only of the family, but also to the temperature range -55 125 all places. Such as: the production of greenhouse vegetables, plants and so on. Its structure is simple and small, the design and manufacture of low cost, wide scope of application, the design of portable products such as the advantages.The use of single-chip high-precision practical realization of the temperature and humidity control system, which is the control AT89C51 single chip to carry out, then within a small package, due to the use of digital temperature sensor, so a lower cost, simple to use, reliable work And so on.Design by temperature, humidity acquisition, CPU control, drive circuit, revealed that several components, is based on DS18B20, HS1101 temperature and humidity sensors and systems to both temperature and humidity to complete the cycle of detection, and the upper and lower limits of temperature and humidity control. The design can be achieved at the same time detection of temperature and humidity, temperature and humidity sensors to the outside world in accordance with changes in temperature and humidity environmental value in the digital display on the tube. Temperature measurement used DS18B20 temperature sensors, high accuracy and repeatability; HS1101 humidity measurements using capacitive relative humidity sensor; through the control LED drive ULN2003 drive 6 LED digital tube. System, which can easily achieve the temperature, humidity, the real-time control.目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1问题的提出11.2概述11.3 本课题的内容与研究意义1第二章 总体方案32.1 总设计框图32.2 性能指标（设计要求）32.3 主要元器件的选择52.4 中央处理单元CPU82.5 传感器的选择112.6 方案论证12第三章 温湿度传感器的原理133.1 系统的基本构成133.2 温度传感器DS18B20的工作原理133.3 湿度传感器HS1101的工作原理17第四章 硬件设计214.1 硬件设计的总体方案214.2 硬件原理图（用Protel绘制）22第五章 软件设计275.1 软件设计的总体方案275.2 主程序流程及其代码275.3 部分显示程序295.4 温度传感器的流程及程序305.5 湿度传感器的程序33第六章 调试与性能分析356.1 PROTUES的仿真356.2 PROTUES与KEIL的联调方法36第七章 结论39致谢40参考文献41附录142附录251- III -第一章 绪论1.1问题的提出在工农业生产、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。主要表现在以下两方面：（1）温湿度传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件；（2）在温湿度测量系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等几项新技术。因此提出此要求对外界环境的温湿度进行实时检测，此设计系统主要用来对两路温湿度进行循环检测并进行一定上下限控制。1.2概述许多情况下需要测量温湿度参数。通常测温系统的主要器件是热敏电阻，由于它体积小、重复性好、测量方法简单，所以在测温系统中广泛应用。但采用热敏电阻的测温系统需要AD转换，而且测量精度不高。由传统的温湿度传感器构成的计算机温湿度测控系统，需要使用电源、信号、地线等多根导线，并要求系统为其提供电源和模拟量输入接口，同时对信号传输距离、电磁干扰也要求较为严格，尤其是在测量点数较多时，上述问题显得尤为突出，这不仅使系统成本增加，也使系统可靠性大为降低。而如果沿着电缆线也能传送电源的话，那么就可替代外部电源来为系统供电。一种巧妙的、从数据线上“窃电”的方法，十的多各器件可挂接在同一根电缆线上，并双向传送数据，同时为器件提供电源，这就是单总线微网技术。这种方法不仅节省了额外的连线和远端电源，有效地降低了成本，更有意义的是单总线上挂接的器件具有全球唯一的序列号，和自定时控制器，因此简化了温湿度测控系统设计。本文采用Dallas公司生产的一种新型温度传感器DS18B20，它集温度测量、AD转换于一体，其测量范围宽(-55+125)，精度高(0.0625)，DS18B20是一款具有单总线结构的器件。由DS18B20组建的温度测量单元体积小，便于携带、安装。同时，DS18B20的输出为数字量，可以直接与单片机连接，无需后级AD转换，控制简单。由于DS18B20具有单总线特性，便于扩展，可在一根总线上挂接多个DS18B20来组建温度测量网络。1.3 本课题的内容与研究意义在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，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。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。本设计为一闭环控制系统，由89C51单片机，温度检测电路，湿度检测电路、控制系统组成。在大棚的温湿度检测中，温度检测电路将检测到的温度送入89C51单片机，单片机通过比较输入温度与设定温度来控制风扇或加热器驱动电路，当棚内温度在设定范围内时，单片机不对风扇或加热器发出动作。实现了对大棚里植物生长温度及土壤和空气湿度的检测，监控，并能对超过正常温度、湿度范围的状况进行实时处理，使大棚环境得到了良好的控制。 该设计还具有对温度的实时显示功能，对棚内环境温度的预设功能。目前已成功地将DS18B20应用于所开发的“家用采暖洗浴器”控制系统中，其转换速度快，转换精度高，与微处理器的接口简单，给硬件设计工作带来了极大的方便，能有效地降低成本，可以缩短开发周期。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。第二章 总体方案2.1 总设计框图图2-1 温湿度传感器总设计框图2.2 性能指标（设计要求）2.2.1 功能要求本设计主要由温度、湿度采集、CPU控制、驱动电路、显示几部分组成，是基于DS18B20、HS1101传感器的温湿度系统并能够完成两路温湿度的循环检测：每隔5S启动另一路温度和另一路湿度，并通过两个指示灯指示；并能实现温湿度上下限的控制。温度上下限的控制为：当温度高于45摄氏度时启动一台继电器（风扇）；而当温度低于35摄氏度时关闭这台继电器（风扇）。湿度上下限的控制为：当湿度大于85%时，启动另一台继电器（加热器）；而当湿度低于75%时关闭启动的继电器（加热器）。该设计能够实现温湿度的同时检测，温湿度传感器能够根据外界温湿度的变化将环境值显示在相应的数码管上的功能。温度测量采用了DS18B20温度传感器，它集温度测量、AD转换于一体，其测量范围宽(-55+125)，精度高(0.0625)，DS18B20是一款具有单总线结构的器件，具有较高的精度和重复性；湿度测量采用了HS1101电容式相对湿度传感器，HS1101测量湿度采用将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转换成电压频率信号，可以直接被微处理器采集。通过LED控制驱动器ULN2003驱动了6个LED数码管。而使系统可以方便地实现温度、湿度的实时控制。2.2.2 设计要求1.MCS-51系列单片机为核心器件，组成一个数字式温湿度检测系统。2.数据采集部分包括(1) 采用数字式温度传感器DS18B20为检测器件，进行温度检测，测温范围在-55+125以内，检测精度为0.0625；(2)采用HS1101电容式湿度传感器通过其振荡测量电路，获得频率信号与适度值成近似线性关系，这样就可很容易的进行湿度测量。3.用两位移位寄存芯片74HC595进行扩展和ULN2003芯片驱动数码管显示。4.温湿度显示采用6位共阴LED 数码管显示（低三位显示温度、高三位显示湿度）。5.设计相关界面用RS-485通讯在计算机上显示出其相应的温湿度，实现PC机与主机之间的通讯。6.此设计电路中应有一定的抗干扰措施：（1）电源、地线、传输干扰及其对策：单片机应用系统需要的直流电源都是有交流电源变换而来的，这一变化过程存在着暴动和干扰。为消除直流电源的干扰，可采取以下措施： 1) 采用集成稳压块单独供电； 2）使用直流开关电源； 3）使用DC-DC变换器。在单片机系统中，接地是否正确，将直接影响到系统的正常工作。这里包含两方面的内容，一是接地点是否正确，一是接地是否牢固。前者用来防止系统各部分的窜扰，后者用来防止接地线上的压降。1）通常，频率小于1MHz时，可采用一点接地，以减少地线造成的地环路；频率高于10MHz时，应采用多点接地，以避免各地线之间的耦合。2）在单片机系统中，数字地和模拟地必须分别接地，即使是一个芯片上有两种地，也要分别接地，然后仅在一点处把两种地连接起来。3）为了防止内部地线干扰，在设计印制电路板时应遵循下列原则： TTL、CMOS器件的地线要呈辐射网状，避免环形； 要根据通过电流的大小决定地线的宽度，最好不小于3mm。在可能的情况下，地线尽可能加宽； 旁路电容的地线不要太长； 功率地通过的电流较大，地线应尽量加宽，且必须与小信号地分开（2）硬件抗干扰措施：采用隔离技术；采用系统监控技术；（3）软件抗干扰措施：1）采用数字滤波提高数据采集的可靠性;2）程序运行失常的抗干扰措施：设立软件陷阱加软件“看门狗”2.2.3 性能指标DSl8B20的核心是其数字温度传感器, 在1085温度范围内具有0.5精度;精度可以通过用户编程配置为9、10、11和12位，其分别对应于0.5、0.25、0.125和0.0625,可以满足各种不同的分辨率要求。本温湿度传感器系统的用户编程配置为12位，所以温度测量误差为0.0625。测温范围在-55+125以内，检测精度为0.0625。电子式湿度传感器的准确度可以达到2一3RH。实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在2%左右，甚至更高。电容湿度相对湿度在0%100%RH范围内;电容量由 162pF变到200pF,其误差不大于2%RH;响应时间小于5 s;温度系数为0.04 pF/.可见精度是较高的。2.3 主要元器件的选择2.3.1 驱动芯片ULN2003的选择1.元件的参数图2-2 ULN2003引脚图双列16脚封装,如图2-2所示。NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器的。它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。2.兼容互换TD62003系列 ULN2003系列 ULN2004系列 LB1233 MC1416 5G1413 9667 DN1413 DN8663 DS2003CN DS2003TN DS2004CN DS2004TN DS9667CN DS9667TN L203B LB1234 M54523P MA1413 MCT1413P ULQ2003A uA2003 uA2003C uPA2003C uPA2003GR uPC2003C 3. 特性 脚功能引脚号功能引脚号功能1输入9电源2输入10输出3输入11输出4输入12输出5输入13输出6输入14输出7输入15输出8地16输出2.3.2 移位存储芯片74HC595的选择本设计选择74HC595作为扩展芯片，74HC595是美国国家半导体公司生产的通用移位寄存器芯片。并行输出端具有输出锁存功能。与单片机连接简单方便，只需三、四个I/O口即可。而且芯片的Q7引脚和SER引脚，可以级联。而且价格低廉。所以本设计系统选择74HC595较为合适芯片介绍如下：1描述 74HC595是硅结构的CMOS器件， 兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。 74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。引脚图如图2-3所示。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。 数据在SRCLK的上升沿输入，在RCLK的上升沿进入到存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。图2-3 74HC595引脚图移位寄存器有一个串行移位输入（SER），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能E时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态和三态。2特点：8位串行输入 /8位串行或并行输出； 存储状态寄存器，三种状态；输出寄存器可以直接清除 100MHz的移位频率。3输出能力： 并行输出，总线驱动； 串行输出；标准中等规模集成电路 。595移位寄存器有一个串行移位输入（SER），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能E时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。4参考数据:CPD决定动态的能耗，PDCPDVCCf1+(CLVCC2f0)F1输入频率，CL输出电容 f0输出频率（MHz） Vcc=电源电压5引脚说明 表2-4 74HC595的引脚说明符号引脚描述O0O715，1，7并行数据输出GND8地Q79串行数据输出SRCLR10主复位（低电平）SRCLK11移位寄存器时钟输入RCLK12存储寄存器时钟输入E13输出有效（低电平）SER14串行数据输入VCC16电源6功能表 表2-5 输入输出功能表SRCLKRCLKESRCLRSERQ7On 注释LLNCSRCLR低时仅影响移位寄存器LLLL空移位寄存到输出寄存器HLLZ清空移位寄存器，并行输出为高阻状态LHHO6NC逻辑高电平移入移位寄存器状态0，移入所有移位寄存器状态LHNCOn移位寄存器的内容到达保持寄存器并从并口输出LHO6On移位寄存器内容移入，先前移位寄存器的内容到达保持寄存器并出。7.注释H高电平状态，L低电平状态，Z高阻，NC无变化，无效当SRCLR为高电平， E为低电平时，数据在SRCLK上升沿进入移位寄存器，在RCLK上升沿输出到并行端口。2.3.3 数码管LED的选择LED显示器的驱动是一个非常重要的问题。单片机的并行口不能直接驱动LED显示器，必须加驱动电路或上拉电阻，本例采用了470的电阻。LED显示器的显示控制方式分为静态显示和动态显示两种，因此在选择LED驱动器时，一定要先确定显示方式。若选择静态显示，则LED驱动器的选择较为简单，只要驱动器的驱动能力与显示器的电流相匹配即可。而且只须考虑段的驱动，因为共阳极接+5v，而共阴极接地，所以位的驱动不需要考虑。动态显示则不同，由于一位数据的显示是由段选和位选信号共同配合完成的，因此，要同时考虑段和位的驱动能力，而且段的驱动能力决定位的驱动能力。动态显示方式比较节省I/O口，硬件电路也较静态显示方式简单，但其亮度不如静态显示方式，而且在显示位数较多时，CPU要依次扫描，占用CPU较多的时间。本例采用动态显示方式依次给数码管送位选信号。而且我们采用的是六位共阴数码管的动态显示。2.4 中央处理单元CPU单片机已成为电子系统中进行数据采集、信息处理、通信联络和实施控制的重要器件。通常利用单片机技术在各种系统、仪器设备或装置中，形成嵌入式智能系统或子系统。中央处理器的选择直接关系到所做系统的性能，要选择既便宜又实用的单片机款型。2.4.1 常见几种单片机的比较Intel公司早期的产品8031/8051/8751。8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后 “单片”的简练。但是你编的程序你无法烧写到其ROM再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。8051片内有4K的ROM，无须外接外存储器和373，更能体现中，只有将程序交芯片厂代你烧写，并是一次性的，今后你和芯片厂都不能改写其内容。8751与8051基本一样，但8751片内有4k的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。 由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。我们统称这些与8051内核相同的单片机为“51系列单片机”。毕业设计C/c)c(Wby在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为 ATMEL AT89Cx 做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。重要的一点AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。2.4.2 中央处理单元AT89C51的确定0r(|kGE 从多方的因素考虑论证。硬件的核心选用Atmel公司生产的AT89C51单片机。它是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个数KB的FLASH可编程、可擦除、只读存储器；它采用了CMOS工艺和Atmel公司的高密度非易失性存储器技术,而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh 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。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，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。毕业设计#Z-UWu5R)F S3mMS2.4.3 AT89C51的基本结构和功能简介1.存储器空间结构计算机操作的主要对象是数据，CPU是按地址控制与组织数据流的。因此，地址空间结构是微机结构的一项重要内容，并直接影响其指令系统。AT89C51的存储空间（哈佛结构：程序空间与数据控件分别独立）。外部60k内部 4kEA=1外部 4kEA=0（1）程序存储器（由PC提供地址） FFFFH 1000H 0FFFH0000H 图2-6 MCS-51的程序存储空间（2）数据存储器1)内部数据存储器（8位地址） 2)外部数据存储器与I/O端口外部数据存储器与外设I/O端口 FFFFH 0000H (由数据指针DPTR提供16位地址）图2-7 89C51的数据存储空间 特殊功能寄存器工作寄存器区4组R0-R7位寻址区128位数据缓冲区FFH 80H 片内RAM 7FH 30H 2FH 20H 1FH 00H（3）主要引脚及其功能时钟：XTAL1（19）：内部振荡器输入端XTAL2（18）：内部振荡器输出端并行I/O口：P0.0 P0.7 (3932) 通用I/O口P0 / A0-A7 / D0-D7。P1.0 P1.7 ( 18 ) 通用I/O口P1P2.0 P2.7 (2128) 通用I/O口P2 / A8-A15P3.0 P3.7 (10-17) 通用I/O口P3 / 第二功能 P3.0 （10）：收 P3.1 （11）：TXD 串行口数据发送 P3.2 （12）：INT0非 外中断0 P3.3 （13）：INT1非 外中断1 P3.4 （14）： T0 计数/定时器0的外部计数脉冲输入 P3.5 （15）： T1 计数/定时器1的外部计数脉冲输入 P3.6 （16）： WR非 外部数据存储器写控制信号 P3.7 （17）： RD非 外部数据存储器读控制信号控制信号：ALE（30）： 输出正脉冲，1有效，外部地址锁存信号。PSEN非（29）：输出，0有效，访问外部程序存储器的选通信号。WR非（16）： 外部数据存储器写控制信号RD非（17）： 外部数据存储器读控制信号RST（9）： 输入，高电平持续24个时钟周期有效，产生复位操作。2.5 传感器的选择现代信息技术的三大基础是信息采集(即传感器技术)、信息传输(通信技术)和信息处理(计算机技术)。传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。传感器选择的恰当与否直接关系到整个测量系统的精确度和稳定性。2.5.1 温度传感器的选择 通常测温系统的主要器件是热敏电阻，由于它体积小、重复性好、测量方法简单，所以在测温系统中广泛应用。但采用热敏电阻的测温系统需要AD转换，而且测量精度不高。由传统的温湿度传感器构成的计算机温湿度测控系统，需要使用电源、信号、地线等多根导线，并要求系统为其提供电源和模拟量输入接口，同时对信号传输距离、电磁干扰也要求较为严格，尤其是在测量点数较多时，上述问题显得尤为突出，这不仅使系统成本增加，也使系统可靠性大为降低。而如果沿着电缆线也能传送电源的话，那么就可替代外部电源来为系统供电。一种巧妙的、从数据线上“窃电”的方法，使得多个器件可挂接在同一根电缆线上，并双向传送数据，同时为器件提供电源，这就是单总线微网技术。这种方法不仅节省了额外的连线和远端电源，有效地降低了成本，更有意义的是单总线上挂接的器件具有全球唯一的序列号，和自定时控制器，因此简化了温湿度测控系统设计。本文采用Dallas公司生产的一种新型温度传感器DS18B20，它集温度测量、AD转换于一体，其测量范围宽(-55+125)，精度高(0.0625)，DS18B20是一款具有单总线结构的器件。由DS18B20组建的温度测量单元体积小，便于携带、安装。同时，DS18B20的输出为数字量，可以直接与单片机连接，无需后级AD转换，控制简单。由于DS18B20具有单总线特性，便于扩展，可在一根总线上挂接多个DS18B20来组建温度测量网络。2.5.2 湿度传感器的选择电容式湿度传感器HS1101具有检测速度快、高精度、高可靠性、长期稳定性和使用方便、体积小等特点，适用于一些对精度要求不高的场合。在不同的相对湿度中传感器的电容值不同，单片机不能直接读电容值，需要外接测量电路。电容式传感器的测量电路有电压输出式和频率输出式两种，考虑到单片机内有两个定时/计数器，测量频率比较方便，选用频率输出测量电路。采用555定时器和湿度传感器HS1101以及一些电阻构成多谐振荡器电路，产生振荡频率。2.6 方案论证本设计系统采用的Dallas公司生产的新型温度传感器DS18B20，它集温度测量、AD转换于一体，其测量范围宽(-55+125)，精度高(0.0625)，DS18B20是一款具有单总线结构的器件。由DS18B20组建的温度测量单元体积小，便于携带、安装。同时，DS18B20的输出为数字量，可以直接与单片机连接，无需后级AD转换，控制简单。同时本系统采用两路温度传感器，能够实现转换。硬件的核心选用Atmel公司生产的AT89C51单片机。它是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个数KB的FLASH可编程、可擦除、只读存储器；它采用了CMOS工艺和Atmel公司的高密度非易失性存储器技术,而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。同时本设计系统采用电容式湿度传感器，由于单片机内有两个定时/计数器，测量频率比较方便，选用频率输出测量电路。采用555定时器和湿度传感器HS1101以及一些电阻构成多谐振荡器电路，产生振荡频率。经过综合分析可知：用这些器件组成的温湿度传感器系统性能良好，测量范围宽，本系统具有较高的稳定性和准确性。 第三章 温湿度传感器的原理3.1 系统的基本构成温湿度测量仪主要包括两个部分：温度测量和湿度测量。该系统利用单片机AT89C51作为系统的控制中心，采用电容式湿度传感器HS1101和一线制数字温度传感器DS18B20，将两轮测量到的温度值和湿度值送入单片机中，经过两片74HC595的扩展后经ULN2003的驱动进行实时显示。3.2 温度传感器DS18B20的工作原理3.2.1 温度传感器DS18B20的简介1DS18B20基本知识图3-1 DS18B20引脚图DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。 引脚如图3-1所示。2.DS18B20产品的特点 （1）独特的单线接口方式：当DS18B20与微处理器连接时，仅需要一条数据线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。（2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。 （3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 （4）测量温度范围在55C到125C之间。固有测温分辨率为0.5C。（5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。（6）内部有温度上、下限控制设置。 3DS18B20的引脚介绍 TO92封装的DS18B20的引脚排列见上图，其引脚功能描述见表3-2表3-2 DS18B20引脚功能描述序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。4.DS18B20的使用方法 由于DS18B20采用的是1Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。 5DS18B20的主要特性（1）适应电压范围更宽，电压范围：+3.0+5.5V，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和0.0625，可实现高精度测温；（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；（8）测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。6. DS18B20的通信协议数字式温度传感器和模拟传感器最大的区别，是将温度信号直接转化成数字信号，然后通过串行通信的方式输出。因此掌握DS18B20的通信协议是使用该器件的关键。由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号类型；复位脉冲、应答脉冲时隙；写“0”、写“1”时隙。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。1.复位和应答脉冲时隙（1）每个通信周期起始于微控制器发出的复位脉冲，其后紧跟DS18B20发出的应答脉冲，如图3-3所示。在写时隙期间，主机向DS18B20器件写入数据，而读时隙期间，主机读入来自DS18B20的数据。在每一个时隙，总线只能传输一位数据。图3-3 DS18B20的复位时序（2）DS18B20的读时序 对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。如图3-4（下）所示。DS18B20器件仅在主机发出读时隙时，才向主机传输数据。所以在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时隙，以便DS18B20能够传输数据。所有读时隙至少需要60US。且在两次独立的读时隙之间，至少需要1US的恢复时间。每个读时隙都有主机发起，至少拉低总线1US。读时隙如下图所示，在主机发起读时隙之后，DS18B20器件才开始在总线上发送“0”或“1”。若DS18B20发送“1”，则保持总线为高电平，若发送“0”，则拉低总线，当发送“0”时，DS18B20在该时隙结束后释放总线，由上拉电阻将总线拉回至空闲高电平状态。DS18B20发出的数据，在起始时隙之后，保持有效时间15US。因而主机在读时隙期间，必须释放总线。并且在时隙起始后的15US之内，采样总线状态。图3-4 DS18B20的读写时序（3）DS18B20的写时序对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。如图3-4（上）所示。当主机将单总线DQ从逻辑高（空闲状态）拉为逻辑低时，即启动一个写时隙。所有的写时隙必须在60120US完成，且在每个循环之间至少需要1US的恢复时间。写0和写1时隙如图所示。在写0时隙期间，微控制器在整个时隙中将总线拉低，而写1时隙期间，微控制器将总线拉低，然后在时隙起始后15US内释放总线。6.DS18B20的外部电源供电方式在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND. 在开发中使用外部电源供电方式，可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证温度量精度。3.2.2 温度传感器DS18B20的原理分析DS18B20测温原理如图3-5所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数值。图3-5 DS18B20的测温原理3.3 湿度传感器HS1101的工作原理3.3.1 湿度测量简介1湿度定义在计量法中规定，湿度定义为物象状态的量。日常生活中所指的湿度为相对湿度，用RH%表示。总言之，即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。2湿度测量方法从测试的输出参量上区分，湿度测量方法主要分为以下几类：利用物质几何尺寸变化的测湿法（伸缩法），干湿球法，冷凝露点法，氯化锂露点法，电湿度测量法（电阻法、电容法），电解法（库仑湿度计）以及其它测湿方法。3电子式湿度传感器的特点电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2一3RH。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在2%左右，甚至更高。一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期需重新标定。电子式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，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命都不是很好。湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。电子式湿度传感器主要有电容式和电阻式两种。电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品，往往达不到上述水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，30%RH以下，80%RH以上感湿段变形严重。有些产品采用单片机补偿修正，使湿度