基于单片机的温湿度检测仪

i摘要基于单片机的温湿度检测仪的实现，本次设计采用STC89C52单片机作为控制芯片，在数据收集上采用DHT11这款传感器来检测外界的温湿度数据。收集数据后经单片机处理利用LCD1602进行数据显示。数据的存储采用外部芯片24C02，将阈值模块中设定的温湿度上下限保存在这个芯片中，掉电也不会丢失数据。此外，本次设计采用的报警模块包括指示灯和蜂鸣器。当所测数据超出或者低于设定数值时，则指示灯亮起，蜂鸣器响。本文将会详细介绍各个模块的功能实现，包括单片机模块，传感器模块，显示模块，继电器模块和阈值设定模块。将各个子模块组建成一个整体，然后实现整体的温湿度检测的要求。关键词：温湿度，报警，DHT11，控制iiAbstractTemperatureandhumiditydetectormicrocontroller-basedimplementation,thisdesignusesSTC89C52SCMcontrolchip,usingDHT11thissensortodetecttheoutsidetemperatureandhumiditydata.AftercollectingthedataprocessedbythemicrocontrollerthenuseLCD1602display.Storingdatausinganexternalchip24C02,willsavethethresholdlimitsetinthemoduletemperatureandhumidityinthechip,power-downdataisnotlost.Inaddition,thisdesignuseslightandbuzzeralarmmodule.Whenthemeasureddataexceedsorfallsbelowthesetvalue,theindicatorlights,buzzer.Thisarticlewilldetailthefunctionofeachmoduleimplementations,includingthemicrocontrollermodule,sensormodule,displaymodule,relaymoduleandthresholdsettingmodule.Thevarioussub-modulestoformawhole,andtoachievethetemperatureandhumiditytestingrequirements.Keywords:temperatureandhumidity;alarm;DHT11;controliii目录摘要.1Abstract.2前言.3第一章绪论.41.1开发背景.41.2本课题研究意义.41.3国内外研究现状.51.4本课题任务与目标.51.5本文所作的工作.5第二章系统总体方案选择与设计.72.1系统框图.72.2单片机的选型.72.3传感器的选型.82.4显示屏的选择.8第三章系统硬件电路设计.103.1硬件总体概述.103.2控制模块设计.103.3传感器模块设计.123.4显示模块设计.133.5继电器模块.153.6阈值设定模块设计.153.7硬件总体设计.16第四章系统软件程序设计.184.1液晶显示模块程序设计.194.2传感器模块程序设计.194.324C02软件框图实现.21第五章系统调试与分析.225.1软件编程.22iv5.2硬件测试.225.3结果分析.25第六章总结.26参考文献致谢附录部分源程序0前言世界是一个动态的世界，每时每刻都在发展着，而且脚步是越来越快的。科技的进步使得人们操作方式的改变。从之前的人工操作渐渐的向智能化操作发展。人类的智慧源于对自然的发现，而在较多的参数中温湿度是日常生活中最容易被感受到的。不仅如此，在农作业，气象监测，科研发展等方面都对温湿度做出了较高的要求。同时，传统的检测设备已经无法满足人们对智能化设备的要求，而且传统的检测手段费时费力，在如今智能化控制的趋势下更是不被人们所看好。所以我们需要更为简单便利的设备去做检测，而单片机的出现正是很好的解决了这个问题，它所倡导的是一种自动检测控制的手段，在使用上更为方便，且精度较高。利用单片机等智能芯片来作为控制手段也必将成为发展趋势。此次设计要求利用单片机来实现温湿度的检测。利用智能芯片来控制不仅取代了人工操作的不便而且效率和精度都相对要好。此系统应用于很多场景，可用于一些精密仪器生产时对环境的检测，也可作为日常家中的温湿度检测。本系统可以精确的反应温湿度现状，并能对不同的温湿度做出反应来达到提示的作用，以便于完成其他特定场景下的要求，能够很好的完成温湿度检测。此次设计一共涉及到五个模块的设计，包括单片机控制模块，传感器模块，显示模块，继电器模块和阈值模块。作为控制模块的主要组成89C52单片机，它控制着整个系统的运行，各个模块分别与它所对应的端口相连接，子模块完成各自的功能，控制模块将其形成一个整体，来实现功能的需要，DHT11温湿度传感器中能够搜集温湿度数据并将其传给中枢处理芯片，经过处理显示在显示屏上即可读取。液晶屏上同时显示温湿度上限值，另外此设计配备29C02芯片作为外部存储器，掉电不会丢失数据，并且可以通过三只按键上调或下调阈值来设置报警区间。当温湿度超出所预设的上下限时，相应的报警灯便会被点亮且伴随蜂鸣声。课题实施主要分为：研究现状的调查，资料收集，硬件分析，89C52单片机的学习，软件应用的学习，实验与仿真等几个阶段。全文共分为五大章的内容，第一章主要介绍课题的研究意义，研究现状和所要完成的任务。第二章是总体方案的选择和设计，包括传感器的选择，单片机的选择和显示屏的选择。第三章是对硬件电路的设计介绍，包含对控制器模块，传感器模块，液晶显示模块，继电器模块和阈值调节模块这五个模块的介绍。第四章程序设计，包括软件实施流程图和程序介绍。第五章是系统的调试与测试。1第一章绪论1.1开发背景人类的日常活动首先依赖于感官的刺激，例如疼痛感能保护人们继续受到伤害。而最直接的感官能感受到的莫过于人们对温湿度的感受。皮肤所能感受到的只能是大概的数据而不是精确的，这也只能局限于所能感受到的舒适与否，而真正需要精确数据的话我们就必须依靠仪器来进行检测。近年来温湿度检测仪器行业的发展越来越快速，首先，科技的快速发展使得产品对生产环节越来越被重视，精密仪器的生产，农作业的生产都需对温湿度进行精确的控制。另外传统的经济模式已经不能适应当下的社会，严格的节能减排政策也对温湿度检测的发展产生深远影响。温湿度的检测在生产作业中，在生活中都极为普遍，而作为传统的检测设备在使用上面耗时耗力，且需要人为的去操作极为不方便。因此我们必须跟上时代的步伐向智能化的温湿度控制仪器发展。利用单片机这种集成度高，功能强大的处理芯片，使用简单灵活，在实现了所需要的功能外更能大大减少人为操作所带来的不便以及人为的失误等等。在智能化设备普及的今天，以智能芯片取代人工操作这也将是未来的发展趋势。1.2本课题研究意义温湿度在日常中能被感受到，但感官是有局限性的。很多场景不仅需要你知道温湿度这样的指数同时要求有精确的数据。温湿度作为日常以及工农业检测上的常见参数，在很多方面都需要对其进行控制。例如在常见的精密机械生产，石油开采，化工制造等方面都需要对温湿度进行严格的控制以确保安全。同时作为日常生活中最容易被感受的两个参数，随着生活质量的改善，人们对其也越来越重视。日常对温湿的感受以及工农业生产时对温湿度的检测都越来越敏感。适宜的温湿度是确保人类能够良好作息的基础。保持人体处于适宜的温湿度也是保障人们基本生活的重中之重。所以在如今科技高速发展的时代，对温湿度的检测技术也越来越被需求。根据智能化的要求我们需要控制芯片去完成一系列操作。而这个具有CPU功能的集成电路芯片就被我们称之为微处理器。它的出现大大推动了微型计算机的发展。再者，将微处理器与存储器和I/O电路相结合便是我们现在所使用的嵌入式技术。而单片机正是这种技术的典型代表之一。将单片机加入到电子系统中可以很好的实现设备的智能化控制。此次以8052型单片机作为温湿度检测的控制系统，再而加上传感器等一系列硬件的配合即可实现智能化的温湿度检测与报警。根据所选取的传感器性能在其范围内对温湿2度进行检测和控制。可应用于例如室内的温湿度检测控制和报警。相比于传统的检测设备，本系统可以及时精确的反应温湿度的变化，并且超出预设值能够报警，由单片机控制系统操作，实现设备的智能化。1.3国内外研究现状温湿度向来是农作业生产上所要监测的必不可少数据之一，所以对于温湿度检测设备的研究开始的还是比较早的。国外较国内更是领先一步。国外开始在20世纪70年代，而我国则在20世纪80年代才开始研究。国外在70年代初采用的是模拟式的组合仪器，能够用以信息的采集和记录。在80年代末的时候国外基于现状发明了分布式系统同。而我国则是在80年代吸收了发达国家的技术基础上才掌握了温湿度控制技术。它的产生基于国外的技术支持，再而使其转变为自身可以利用的并且应用于简单的设备。所以与发达国家相比，仍然是有很多的不足。但是近年来随着新兴智能芯片的发展，随着科技发展，现在世界各国都正朝着智能化，自动化的方向发展着。不仅在控制方面性能是在不断提高的，同时传感器的发展也带动着温湿度检测的不断发展。将智能处理与控制和工农业，生活相结合也是未来设备发展的趋势之一，以智能代替人工操作这更将是重中之重。1.4本课题任务与目标本课题最终所要完成的就是一个基于单片机的温湿度检测报警装置。对于各个模块的设计会在各个章节中进行详细介绍。所需要完成的任务包括：(1)单片机的选取与设置，本课题选取的是8052单片机，通过C语言的编写，利用8052来控制整个系统的运作。(2)传感器模块选取与设置，选用合适的传感器来接收外界数据。(3)显示屏模块的设置。(4)继电器模块的设置，驱动负载工作。(5)阈值设定模块的设置，设定需要的报警阈值来确定需要的温湿度范围。（6）系统调试。1.5本文所作的工作完成本次设计的所有功能首先就必须实现各个子系统的功能，包括传感器模块，显示模块，控制模块，继电器模块和阈值模块的实现。由控制模块相应的接口控制这五个子模块，使其工作。3本设计的主要工作是完成各个模块的功能设计，其中作为主控模块的89C52单片机我们需要掌握其各个接口的功能。其次需要掌握DHT11传感器的结构性能，学习并编写系统适用的C语言程序，并确保硬件之间的连接正确，能够将几个模块相互连接构成一个整体，最后进行调试，使它具备温湿度检测报警功能。与传统的温湿度检测设备相比，此设置无需人工进行检测，显示屏显示温湿度，人为设置阈值，若超出或低于阈值，则灯会亮蜂鸣器工作来进行提醒，此设计可应用于较多场景，可应用于普通室内的温湿度检测，也可用于某些实验室中的温湿度报警控制使用，且使用方便。4第二章系统总体方案选择与设计本设计的要求是利用单片机来控制检测温湿度，所以在方案的选择上就很有目的性，总体的实施分为两大块和五小块，大块分别是软件设计和硬件设计。小块为各个子系统的实现，本章节将介绍几个硬件系统包括传感器模块，控制模块，显示屏模块的材料选取。2.1系统框图系统硬件主要有五个模块组成，以STC89C52单片机为核心控制各个几个子模块组成一个整体。总体功能包括通过传感器DHT11检测温湿度值，LCD用以数据输出显示。另外阈值可通过外部AT24C02存储数据，断电能够保存之前的数据。若超出设定的数值则报警驱动，出现相应的反应，即相应的信号灯和蜂鸣器会工作。系统框图如图2-1所示。单片机LCD显示报警指示温湿度传感器外部EEPROM图2-1系统框图2.2单片机的选型单片机的选择我认为89C52是不二的选择。首先它的指令代码完全兼容于51单片机，属于增强型8051单片机，性能更加优越，与其他系列相比，该款单片机的优势表现如下：（1）STC单片机指令的运行速度较AT相比有很大的提高，大约是AT系列的330倍左右。速度快说明其处理问题的性能好，同时若是应用于对时序要求较高的地方，两者的程序或许不能很好的兼容，而STC就需要加上一定的延时才能够使用。（2）STC89C52单片机下载程序可通过USB转串口直接下载程序。使用十分方便。（3）STC系列与AT系列相比还有一个好处就是STC系列对于工作环境的要求相对较低，电压若是低于5V仍然可以继续工作，甚至低至4V或者3V仍然可以继续使用，这是5AT单片机不能做到的，所以同样情况下若是STC能够使用而AT使用有故障便可以查看此模块的供电是否正常。相比之下，在校学习的课程是51单片机，但是我认为选择STC89C52单片机能更加合理有效的完成整个设计，首先虽然AT系列单片机的应用很广，但是不能直接通过串口烧录程序，而且两者的使用方式也是大致相同的，所以学习过51系列的之后掌握STC89C52芯片业也是十分快速的，实际操作起来也方便所以我选择用STC系列芯片完成。本次设计选择这款单片机能够有效完成所需要的功能，性能优越下载程序方便具有较高的性价比。2.3传感器的选型传感器作为收集数据的前端元器件，在整个系统中都处于最前端位置，它是最先接收到数据的。所以它的性能直接影响着系统的整体功能。每一个性能指标都将预示着数据的精准度。一款良好的传感器是此次设计的前提之一。综合考虑性价比以及系统的使用环境我认为DHT11符合这次设计的要求。首先我将此次设计定位为一个日常生活中能够使用的温湿度检测装置。所以对于传感器的选取我认为其温湿度范围只需要符合正常情况就可以。DHT11是一款温湿度一体化的数字传感器。该传感器应用专业的数字模块采集技术和温湿度传感技术通过单片机等微处理芯片的控制实现温湿度的采集。它与单片机的通信方式属于单总线形式，所谓单总线是指仅需要一个I/O口就能完成连接，来进行数据传输。数据被采集到后一次性传给单片机，所采用的校验和方式处理数据能够有效的保证数据输出的准确性。该产品相应响应时间快，抗干扰能力强，由于它将温度传感器和湿度传感器结合为单一的一个整体，所以它的精度较高，在同类产品中具有较高的性价比。它的测量范围为20%90%RH，050。测温精度为-/+2，测湿精度为-/+5%RH。DHT11的单总线结构也使得整个使用变得非常的方便，连接更加简单。DHT11功耗很低，5V电源电压下，平均工作最大电流0.5mA，使其被应用于各类场合。作为平常所使用的温湿度检测场所，这款传感器在检测范围已经完全够用，精度方面也达到了市面上产品的精度，作为单总线的传输方式，使用起来也较为方便。所以我认为选择这款传感器是合理的。2.4显示屏的选择显示器的选择方面，我认为不仅要结合产品在使用过程中功能使用情况还得考虑价格这些问题，经过比较我认为LCD1602这款显示器就很符合这次的设计。6在编程使用方面，显示器的编写都是大致一样的，都是写指令、写地址、写数据等等。人们之所以越来越多的使用到液晶显示屏是因为它的体积小，功耗低，输出稳定。而再高端的液晶屏在显示上就能够有更全面的数字符号。LCD1602属于工业字符型液晶显示器，能够显示字母，数字和简单的符号。包含2行16列的数据。此显示模块内部含有字符发生存储模块，也就是说里面已经含有了多个不同的点阵字符图形，它们包括所能显示的阿拉伯数字，英文字母和常用的符号等等。而且每个字符的显示都有一个固定的代码，不会混乱显示。显示效果包括清屏，字符闪烁，移位等等，简单但能满足简单的设计。虽然这款显示屏的功能很有限，但是依据本设计所需要显示的数据来看，简单的数字和符号即可完成所有输出显示，对比其他功能完善的显示屏，这款显示屏在价格上也有明显的优势，完成本次设计已经足够。所以我选择LCD1602来完成本次设计。7第三章系统硬件电路设计3.1硬件总体概述本次课题分为硬件设计和软件设计两个大块，其中硬件方面包含五个模块，控制系统利用其各个接口分别去控制另外四个子模并且控制着整个系统的运行。子模块各自完成所需的功能，传感器模块接收外界数据，显示模块输出显示，阈值模块设定温湿度上下限，继电器模块驱动负载。再而由89C52单片机组成一个整体完成所需要的最终功能。实现温湿度的检测与报警，报警模块有指示灯和蜂鸣器来完成。单片机处理所得数据与阈值比较，进行显示输出。若超出设定值，警示灯发光并伴有蜂鸣声，蜂鸣器可通过开关进行控制。3.2控制模块设计若是以Intel公司的4位单片机的问世来说单片机的开始就早于1971年。从那刻起单片机就开始慢慢进入我们的生活，越来越多的设备仪器开始和微型计算机挂钩，单片机的应用领域主要表现在工业控制方面，以智能处理器来代替人为的操作是近年来的发展趋势，它是将各种元器件集成在电路芯片上，构成的一个微型计算机。随着科技的发展，单片机也是在不断的改进，如今的单片机发展的越来越小，集成度越来越高，而相反的价格是越来越低的。在智能化普及的如今人们讲求的是智能控制,注重的是低成本，灵活性高，稳定可靠的仪器，其核心就在于它的处理芯片。所以随着科技的进步单片机的发展是越来越快速的。单片机的应用能够使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度以及摆脱人为操作的误差，提高计算机的运算速度，减少成本，真正做到性价比的高度提升。主控模块采用89C52单片机来完成，它属于深圳宏晶科技有限公司生产的一系列单片机之一，在国内有着较高的市场占有率。所有单片机在出厂时都是完全加密的无法进行解密。抗干扰性能好，所有I/O口，电源供电系统，时钟电路都是做过特殊处理的。还有一个特点就是有低功耗的。另外内部Flash擦写次数可达到10万次以上。下面将介绍STC89C52单片机的引脚功能。VCC:电压引脚，接+5V电源。VSS:接地引脚。P0端口:即P0.0P0.7。P0口是一个8位双向I/O口。P1端口:即P1.0P1.7。P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P2端口:即P2.0P2.7。P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。8P3端口:即P3.0P3.7。P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。下面是P3口各个口的具体介绍如下表格3-1。表:3-1P3口各个口的功能P3.0RXD，串行通信输入P3.1TXD，串行通信输出P3.2INT0，外部中断0输入P3.3INT1，外部中断1输入P3.4T0，计时计数器0输入P3.5T1，计时计数器1输入P3.6WR，外部数据存储器的写入信号P3.7RD，外部数据存储器的读取信号RST:复位信号。ALE:地址锁存允许输出信号。XTAL1:单芯片系统时钟的反相放大器输入端。XTAL2:系统时钟的反相放大器输出端。EA/VPP:输入信号，访问外部程序存储器控制信号。PSEN:输出信号，外部程序存储器的读选通信号。具体引脚图如图3-1。EA/VP31X119X218RESET9P37/RD17P36WR16P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30P31/TXD11P30/RXD10GND20VCC40U1STC89C52图3-1单片机引脚图控制模块的设置主要是利用其各个接口的功能，在使用中与各个子系统相应的端口相连实现相应的功能需求，其中P1.7作为数据口与传感器DHT11的引脚二串行数据口相连。P2.0P2.2用作阈值模块中三个按键的接口控制，分别起到设定阈值的不同作用。P1.0P1.3控制液晶显示模块。P3.1P3.4控制报警模块。所对应的口分别完成不同的功能。另外介绍单片机的最小系统。所谓最小系统一般是指单片机能够正常工作所必要的组成部分。一个最小系统除应有的供电电路外，还包括单片机，晶振电路和复位电路。9如图3-2所示为构成单片机最小系统的一个电路图。P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0(RXD)10P3.1(TXD)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RD)17XTAL218XTAL119GND20(A8)P2.021(A9)P2.122(A10)P2.223(A11)P2.324(A12)P2.425(A13)P2.526(A14)P2.627(A15)P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31(AD7)P0.732(AD6)P0.633(AD5)P0.534(AD4)P0.435(AD3)P0.336(AD2)P0.237(AD1)P0.138(AD0)P0.039VCC40U389C51/C5212MHzC2230C2330R2710K+C110uF1234KSRESETVCCVCC123456789J?CON9图3-2单片机最小系统电路图其中复位电路就好比一个电脑的重启按钮一般，在系统中能使系统重新开始运行。若是想要复位单片机，只需要将RST引脚保持至少两个机器周期以上的高电平即可。复位的形式一般包括上电复位和手动按键复位。而时钟电路则是用来产生单片机工作的频率，控制单片机的工作效率。一般时钟电路有两种方式，包括内部振荡和外部振荡方式。3.3传感器模块设计在第二章中我确定了选择了使用DHT11来完成传感器模块的设计。传感器是一种将非电信号转化为电信号输出的元器件。它由敏感元件，转换元件和基本电路组成。而DHT11由于它是属于单总线传输方式，所以应用于单片机中的连接还是很方便的。DHT11总共就只有四个引脚，其中两个是电源引脚，一个接正电源一个接地。两个是输出数据引脚，另外这个传感器属于数字传感器，并不需要使用模数转换模块。对于其具体介绍如下。（1）引脚介绍：引脚1：电源引脚（VCC）引脚2：串行数据引脚（DATA）引脚3：NC，悬空引脚4：接地端，电源负极（GND）10引脚图如下图3-3。1234U3DHT11DATAR110KGND+5V图3-3DHT11引脚图（2）电路连接介绍：DHT11总共4个引脚，单片机P1.7用来收发串行数据与DHT11的引脚2相连用于数据的通讯与同步。另外此电路的引用范围小于20米，就需要加一个约为5K的上拉电阻来达到使整个电路稳定的效果。而传感器的电源端口引脚1和引脚4分别接单片机的VDD和GND端，引脚3是悬空的，这样便完成了传感器模块的设置。DHT11传感器的典型应用电路如3-4所示。图3-4DHT11传感器典型应用电路DHT11采用的是单总线结构。所谓单总线结构即整个单总线系统共用一条数据线，这条信号线被地址，控制和数据信息复用。具有节省I/O端口和结构简单的特点。单总线与单片机的连接是十分方便的。它的连接由于主机和从机都是开漏输出，所以必须在主机的总线一侧加一个上拉电阻如图3-4所示，才能使系统正常稳定工作。整个通讯时间在4ms左右。用户发送一次开始信号后。DHT11发送相应信号，一次完整的数据传输工40bit，高位先出。数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。3.4显示模块设计选择LCD1602的原因主要考虑本设计实际所需要显示的数据类型只有简单的字符和数字，且该款显示屏价格便宜。这一小节中将会讲述这款显示屏的性能以及引脚的功能。液晶显示在近年来被广泛使用是有根据的，而在单片机中使用液晶显示屏同样是有好处的。液晶屏是利用电压来控制显示的，它的每一个点在接收到信号后会被点亮，而且亮度是不会变化的。也就是说能够持续得到有效稳定的显示输出。另外液晶显示器都11是数字的并不需要对信号进行转换，这就是两者的连接更加简单。LCD1602芯片工作电压为4.55.5V，工作电流为2mA（以5V为标准）。如图3-5为显示屏实物图。图3-5显示屏实物图LCD1602A的引脚说明：第1脚：VSS接地引脚。第2脚：VDD接正电源。第3脚：液晶显示偏压信号，对比度调整端，用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS作为寄存器选择引脚。第5脚：R/W为读写信号线。第6脚：E端为使能端信号。第714脚：D0D7这八个口是作为数据口与单片机相连。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。液晶显示主要利用的是液晶的物理特性，它是根据电压来点亮对应的区域，最终组合实现所需要显示的数据输出。而且液晶屏厚度薄，很适合运用于集成电路中，日常生活中的便携式电脑，电视，数码相机很多都是应用液晶显示。如图3-6所示是液晶显示的电路接口图。1212345678910111213141516J61602_RSP00P01P02P03P04P05P06P07R51.5KR610K+5VGNDGND1602_EN图3-6液晶显示接口图3.5继电器模块继电器是一种能够自动断续的电器元件，当电路中的输入量增加或减少到一定值时能够做出通或断的改变。同时这一状态在输入量不变得条件下也是不会改变的。只有在输入量再次增加到或减少到原来值时才又会改变通断。继电器常之所以经常被用于自动控制电路中，主要是因为它能起到一个很好的自动调节和保护电路的作用。此次设计所应用的是汇科继电器。它属于电磁继电器的一种。所谓电磁式继电器一般是由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。电磁继电器利用的是电流的磁效应。只要在线圈的两端加上一定的电压，线圈的内部就会产生一定的电流。而这时又会产生一个电磁力，这个作用力会吸引衔铁，使它改变现有的状态，也就是使衔铁的常开触点吸合。而当设备断电的时候，这个磁作用力也会跟着消失。衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置。这样断电，通电使里面的触点就好比一个开关的作用，从而达到了在电路中的导通，切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态，称为“常开触点”。处于接通状态称为“常闭触点”。电路中继电器是通过PNP型三极管驱动，当阈值超过设定时，单片机会由高电平跳变成低电平，三极管导通继电器吸合，继电器不仅起到开关作用，还可以驱动负载。硬件电路如图3-7所示。继电器模块的作用是用来延伸出其他的功能。比如可以在继电器模块中加上一个风扇，当温度超出阈值时，继电器可以驱动负载，使风扇工作进行降温。其他三个还可以加上不同的功能在温湿度不在范围内的时候进行相应操作。13R171KQ69012+5VLKj1123J4CON3D1R192.2KGND图3-7继电器硬件电路图3.6阈值设定模块设计阈值设计模块主要采用3个按键来控制阈值的高低，K1用来选择需要改变的量，通过K1的按键来选择需要改变哪个值。K2是增加按键，K3是减小按键，阈值的设定就是通过这三个键来主要控制的。另外温湿度阈值存储在EEPROM芯片AT24C02中，掉电不会丢失数据。单片机的P2.0P2.2口作为阈值控制三个按键的按键，分别有不同的功能来设定阈值。此外阈值模块采用外部EEPROM。AT24C02采用的I2C总线技术，I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，利用它他们来进行数据的接收和发送。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，具有较高的传输速率。所有的控制电路都被并联在由它们组成的这条总线上，但是各个电路和模块都是有唯一的一个地址，所以使用起来并不会出现混乱的状况。如下图3-8所示为I2C典型的连接实例。图3-8I2C典型连接24C02的应用，主要在存储一些掉电后还要保存数据的场合，在上次运行时，保存的数据，在下一次运行时还能够调出。该器件有一个16字节页写缓冲器，通过I2C总线接口进行操作，并且有一个专门的写保护功能。对于24C02与单片机的连接如下图3-9所示。14R410kA01A12A23Vss4Vcc8WP7SCL6SDA5U224C02AR310kGND2402_SCL2402_SDA+5V图3-924C02与单片机的应用连接24C02上的SCL接单片机的P1.0口，而SDA接单片机的P1.1口，这样便完成与单片机的接口连接3.7硬件总体设计完成各个子模块的设计后，就是对硬件的一个总体整合。需要完成的温湿度检测必须要由一个整体来完成。所以就需要通过单片机的各个接口连接各个模块。下图3-10是硬件电路的总体电路原理图。R410kA01A12A23Vss4Vcc8WP7SCL6SDA5U224C02AR310kGND2402_SCL2402_SDA1234U3DHT11DATAY112MC230pFC330pFR210KC110uF+5VGNDR110K2402_SDA2402_SCLDATA12345678910111213141516J6传传传传传传传传传传传传传传传EEPROM传传传传传P00P01P02P03P04P05P06P071602_RSP00P01P02P03P04P05P06P07R51.5KR610K+5VGNDGNDS3SETS2ADDS1SUBR71KR111KQ19012Q39012+5V+5VjiangwenqushiKj1Kj3D1D3R82.2KR122.2K+5V传传传传传GND+5V321P1POWER112233445566SZ+5V传传GNDGNDGNDCOM1R12R23R34R45R56R67R78R89RP2103R91KQ29012+5VshengwenKj2D2R102.2KGNDR131KQ49012+5VjiashiKj4D4R142.2KGNDjiangwenshengwenqushijiashiD51N4148D61N4148D71N4148D81N41481602_RS1602_EN1602_EN传传SETSETADDADDSUBSUB12J1关关关关12J2关关关关12J3关关关关12J4关关关关Q59012LS1R152.2K+5VGNDFMQGNDGNDS5关关关关FMQRST9P3010P3111P3212P3313P3414P3515P3616P3717X118X219GND20P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE30EA31P0732P0633P0534P0435P0336P0237P0138P0039VCC40P101P112P123P134P145P156P167P178U1STC89C52ENRESRS图3-10总体硬件电路图15第四章系统软件程序设计课题的设计在介绍完硬件的构造后便是对软件的实现。软件的实现大致的思路和硬件设计是相同的，首先需要有一个软件设计的总体概述，其次实现各个模块的软件功能。本次设计的软件部分主要包括主程序的设计，显示屏模块的程序设计和传感器模块的设计。下图4-1是对整体流程的一个概述。开始初始化延时数据检测至单片机1602显示数据定时检测判断超出阈值?N报警装置启动结束Y图4-1系统总体流程图164.1液晶显示模块程序设计生活中处处可见液晶显示的存在，可见显示模块的重要，它是数据输出的直观表现形式，对于硬件的连接只需与单片机相应的接口相连就可，对于程序的实现，要显示字符时要先输入显示字符地址，告诉模块在哪里现实了字符。图4-2为软件实现的流程图。开始延时保持高电平检测信号输出低电平数据输出结束图4-2显示模块软件实现流程图4.2传感器模块程序设计17如今，传感器已经成为测量仪器，智能仪表，自动化控制系统中必不可少的器件之一。它的自身性能直接影响着的设备使用。从古至今传感器都扮演着重要的角色。例如古代的天平也是一种传感器，还有利用液体的热胀冷缩发明的温度测量器件。随着技术的逐渐成熟，传感器的发展是趋于越来越简单的，而现在的数字式传感器更是不需要外接A/D转换模块，具有标准的接口使用更加的方便，也就得到了越来越多的应用。DHT11传感器的单总线工作方式，更是具有节省I/O引脚资源，结构简单，成本廉价，便于总线扩张的特点。DHT11软件流程图如下4-3。开始延时保持高电平检测信号输出低电平数据输出结束图4-3传感器软件实现流程图184.324C02软件框图实现24C02芯片作为外部EEPROM存储器主要的功能就是掉电后依旧能保持之前的数据。对于它的软件实现框图如下4-4。开始发送内部地址检测应答信号判断有无应答读取地址中的数据加1判断大于9?数据置1结束NNY图4-424C02软件框图19第五章系统调试与分析5.1软件编程本设计是采用C语言进行编程的，使用的软件是实验室中经常使用的Keil，Keil软件支持C语言的编程和调试，所以运用起来也是十分的方便。完成硬件的连接和软件的设计首先要掌握Keil软件的应用，这在综合软件设计课程中我们是使用过的，所以使用起来还是很简单的。在编译完程序之后，便需要将程序烧录到单片机上，实现电路与软件的结合运用。如图5-1是Keil运行图。图5-1Keil运行图5.2硬件测试在烧录完成后，便需要对实物进行运行，看电路是否正常工作。将USB线与电源相连，给设备通电，按下开关后，显示屏显示，按键设定需要的温湿度上下限，调试时设置温度上限31，下限16，湿度上限80%，下限60%，如图5-2设置阈值。第一次测试检查设备能否正常运行，功能是否都能运行。20图5-2设置阈值图按键开始检测环境真实数据，如图5-3所示。图5-3第一次数据测试如图所示，是第一次所测数据，是我在11月中旬在室内测得的数据。温度19在区间范围内，所以控制温度的灯并没有亮起，但是湿度只有58%，低于设置的最低湿度60%，所以黄灯亮起，显示屏显示dry并且伴有蜂鸣声，蜂鸣声的控制也可通过开关控制有无。经过此次调试，设备能够正常工作。第一次测试时湿度的报警能够正常使用，并且能测得数据。第二次测试，测试温度的报警是否能够正常使用。如图5-4。设置阈值温度上限31，下限17。湿度上限80%，下限40%。21图5-4第二次测试第二次测试显示，当温度数据不在阈值范围内时，报警系统也能做出报警反应。即温度过低时报警灯亮起伴有蜂鸣声，并且显示cold。两次测试结果显示该设备能够正常运行，能够对温湿度进行检测和报警。前两次检测用于确认设计是否能够正常运行，能够显示温湿度，并且不在阈值范围内的数据能够做出相应的报警行为。但若是想要检查数据的准确性就需要与市售的产品进行对比。所以第三次测试我选择一款市售的温湿度计与本设计进行数据对比。该产品属于家用温湿度计，能够在市面上买得到。温度测量范围在-50到70。湿度检测范围在10%到99%。如下图5-5是在室内进行的两者的数据比对。图5-5三次测试数据对比如上所得数据两者处于同一环境下测得的数据，所得温湿度的结果大致相同。三次测试均是在室内正常情况下所得的数据。所以第四次我将两个设备置于特定的环境下进22行工作。这里的特定环境是指在加湿器工作的情况下进行数据检测。如图5-6所示。图5-6四次测试加湿器下数据5.3结果分析总共测试四次。前两次检测设备是否能够正常工作，数据表明在正常情况下该设计均能够测得温湿度数据并且当测得数据不在阈值范围内时，报警模块能够工作，相应显示灯能够亮起并伴有蜂鸣声。其余两次则与市售产品进行了对比。所得数据有一定误差但能够保持大致相同。所以首先判断该设计的制作是成功的。至于所产生的误差我认为也在可接受的范围内，产生误差的原因首先这款市售产品的温湿度传感器并不是裸露在外面的，所以传感器与外界的接触有一定的阻隔。而本次设计传感器是直接处于空气接触条件的。这使得数据在接收环节有一定的影响，再者两者传感器不同所以性能上包括精度等都会对数据的接收产生影响。还有就是电路的焊接可能做不到市面上的产品那样精确，毕竟自身设计的电路和焊接都会有人为上的误差等等。本次设计多了报警功能，在显示上也能显而易见，能够清晰的判断温湿度是否是在自己所需要范围内，这也是本设计的一个优点。23第六章总结本次课题是基于单片机的温湿度检测仪的设计。在本文中详细介绍了各个模块的性能和器件选取。硬件以5个大模块为基础进行细分，由单片机将它们整合成一个整体完成温湿度的检测。软件以Keil为平台进行编程，在第四章中也以流程图的形式介绍了各个模块的软件编程流程。本设计的特点就是温湿度数据能够同时检测，并且具备报警功能。设备在人为设定阈值后进行温湿度检测，超出范围后便会进行报警指示。同时此次设计中的继电器模块能够延伸其他功能，在温湿度不在范围内时加上不同的功能进行操作。经过近两个月的奋斗，从确定题目，到后来查找资料，理论学习，实验编程调试，这一切都使我的理论知识和动手能力有了很大的提高。了解了单片机的硬件结构和软件编程方法，对单片机的工作方式有了很大的认知。同时，对一些外围设备比如传感器，液晶屏，蜂鸣器等有了一定的了解。学会了对一项工程如何设计。首先，要分析需要设计的系统要实现什么功能，需要什么器件；然后，针对