便携式温湿度计设计说明书(63).doc

毕 业 论 文2007届 便携式温湿度计学生姓名 * 学 号 院 系 工学院机电系 专 业 指导教师 完成时间 便携式温湿度计摘 要设计了一种携带方便的温湿度检测仪表，它具有体积小、功耗低、适应性强等特点。设计中采用低功耗的P89LPC922单片机配合相应的电源管理程序，它除了正常于工作方式外，还工作于空闲模式、掉电模式和完全掉电模式三种节电模式，在采样和显示的间隔时间内切换到相应的节电模式，通过多种手段降低了MCU系统的平均功耗。使用了微功耗的SHT11数字式温湿度传感器，它采用独特的CMOSens TM技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。使用段式LCD做显示器。使用串行接口的DS1302做时钟芯片。采用锂电池配合高性能的LDO为系统提供了稳定、高效的电源。通过对系统中各模块的功耗控制，实现了系统微功耗的要求，在3.6V/2AH的锂电池供电下可以连续工作两年。并且温度检测精度可达0.4，湿度检测精度为+3%RH。关键词 便携式温湿度计；微功耗；电源管理；SHT11；P89LPC922DESIGN OF Portable Hygrometer And ThermometerABSTRACTPortable Hygrometer and tempmeter is a portable detection of temperature and humidity gauges, it is of small size, low power consumption, Features such as adaptability. The design of a low-power microprocessor P89LPC922 corresponding power management procedures, and the use of micro-power consumption SHT11 digital temperature and humidity sensor, struts LCD, DS1302 clock chip, Implementation of the system-power requirements, 3.6V/2AH lithium battery power can work for the next two years. Temperature measurement accuracy up to 0.4 C, humidity measurement accuracy of +3%RH. SHTI1 unique CMOSens TM technology with the digital output from testing, calibration - free, from the external circuit and the whole exchange characteristics. P89LPC922 addition to the normal work styles still idle mode Power-off mode and completely power off mode power saving mode three, Sampling shows that the time interval corresponding to the switching power saving mode, which will reduce the average system power consumption. Lithium batteries with high-performance systems for LDO provides a stable, efficient power. This paper provides detailed descriptions of such portable temperature humidiometer design.KEY WORDS Portable Hygrometer;Micro Power;Power ;SHT11;P89LPC922 目 录中文摘要2英文摘要3前言.61 设计说明9 1.1 结构框图91.2 仪表功能91.3 技术指标92 各模块方案论证与比较102.1 控制系统核心102.2 显示电路112.3 传感器选择112.4 电池的选择122.5 稳压电源电路的选择132.6 外部时钟芯片的选择132.7 其它133 理论分析计算143.1 系统功耗预估算143.1 湿度补偿计算143.2 温度补偿计算153.2 露点计算164 各个模块的电路设计与分析174.1 MCU小系统的设计174.2 温湿度传感器194.3 DS1302214.4 电源225 软件选用及算法236 程序设计结构框图246.1 主程序结构框图247 系统调试257.1 MCU小系统调试257.2 SHT11使用的调试257.3 DS1302使用的调试258 注意事项269 主要测试工具及元器件清单279.1 主要元器件清单279.2 主要测试工具27 9.3 测试数据2710 设计总结29参考文献30致谢30附录311.系统原理图312.软件源程序311.前言1.1国内外温度、湿度检测技术的现状1.1.1温度测量方面 温度是一个重要的物理量，其检测方法有多种，常用的有电阻式、热电偶式、PN结型及石英谐振型等，它们都是基于温度变化引起其物理参数(如电阻值，热电势等)的变化的原理。随着测量技术的不断发展，多种新的检测原理与技术的开发应用，已经取得了具有实用性的重大进展。新一代温度检测元件正在不断的出现和完善，下面予以介绍。(1)电阻温度传感器。这种传感器以电阻作为温度敏感元件。根据敏感材料不同又可分成热电阻式和热敏电阻式。热电阻式一般用金属材料制成，如铂、铜、镍等;热敏电阻是以半导体材料制成的陶瓷器件，如锰、镍、钻等金属的氧化物与其它化合物按不同配比烧结而成。由于铂电阻测温范围宽，线性度好，精度高，制作误差小，结构简单且已有统一的国际标准，因此，铂电阻温度传感器己广泛应用于许多场合的温度测量与控制，其测量精度可达到0.001. (2)热电偶温度传感器。热电偶测温是基于“热电动势效应”。所谓热电动势效应是指A， B 两种不同的导体组成闭合回路，若两结点温度不同则在回路中产生电动势，形成热电流。热电偶温度传感器在温度测量中得到广泛的应用。它具有结构简单，容易制造，使用方便和测量精度高等优点。从1927年国际温标到1968年国际实用温标，都规定以铂铑10一铂热电偶作为630.741064.43C温度范围内的标准仪器。热电偶的体积小，可以用于快速测量，点温度测量和表面温度测量等。热电偶的主要缺点是它的输出信号和温度示值间呈非线性关系，在下限的灵敏度较低。(3) PN结型及集成电路式温度传感器。利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系(即半导体PN结的温度特性)进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体，封装与小型管壳内，就构成了集成电路温度检测元件。它具有体积小、重量轻、精度高等特点，测温范围在一50-150 ，也是最常见的温度范围。文献报道的一种电流输出型温度传感器在0-20内灵敏度可达1.06A/，线性误差不超过士0.2，稳定性为0.02/4b.(4)石英谐振型温度传感器。它采用LC或Y型切割的石英晶片的共振频率随温度变化的特性来制作的。它利用P技术，自动补偿石英晶片的非线性，所以测量精度很高，一般可以检测0.001，可作标准检测使用。目前在超高精度测量中，大都使用标准铂电阻温度传感器。例如:美国国家实验室(NIST)采用标准铂电阻温度传感器对纳米测试装置的工作腔进行测试，其测试精度为0.001。美国工业界的哈特公司15xx系列超高精度温度测量仪器中(外接标准铂电阻温度计SPRT): 1575测温仪自身的测量精度是士0.001; 1590测温仪自身的测量精度是士0.00025。国内方面，清华大学以石英晶体传感器作为测温元件，将温度变化的模拟量转化为石英晶体振荡频率的数字量，通过测量频率可以计算出温度值，它可以测出0.001的温度变化量。1.1.2 湿度测量方面在工农业生产、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，早己无法满足现代科技发展的需要。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，将湿度测量技术提高到新的水平。目前，湿敏传感器的种类很多，大体上可以分为三类:电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器以及有机高分子聚合物湿度传感器。(1)电解质湿度传感器，如氯化锂湿度传感器，灵敏度高，但在高湿环境中容易产生潮解，从而影响原有的精度，缩短其使用寿命。(2)半导体陶瓷湿度传感器，如铬酸镁一二氧化钛湿敏传感器以及钒酸锂一二氧化钛湿敏传感器。它们主要利用陶瓷烧结体微结晶表面在吸湿和脱湿过程中电极之间电阻的变化来检测相对湿度。这类传感器适合于高温和高湿领域中使用。(3)高分子材料湿敏传感器，如聚乙烯醇、醋酸纤维素、聚酸胺等材料制成的传感器，响应速度快、精度高，但是耐老化和抗污染能力不如陶瓷传感器。湿度传感器的测量范围也可以用相对湿度来表示。响应速度是指传感器对被测气体的湿度变化(从高湿到低湿或从低湿到高湿)的反应特性，一般以达到平衡值的63%所需要的时间来衡量。影响响应速度的因素有气流速度，湿敏层厚度，以及湿度变化量等。传感器的响应速度一般是1-2分钟，从高湿到低湿比从低湿到高湿应要慢一些。湿度传感器适应于测量静态和动态的气体湿度。测量动态时，气体速度增加使测量值偏低，传感器平时应在干燥和清洁的环境中保存，在测量时应满足其使用条件。如果在恶劣的条件下工作，例如:气流速度、温度、湿度变化非常剧烈， 以及用于污染严重的工业流程气体的测量将会使测量精度大大降低。目前湿度传感器在长期稳定性方面还存在一些问题，为此各方面迫切希望研制出有长期可靠性的传感器，而宁可在测量精度、湿度和温度特性、响应时间、形状和尺寸方面作出一些牺牲。国内外正在开展新一代湿度传感器的研制与开发以适应各种情况的测湿，从而达到人们所希望的各种要求。国外在湿度传感器研制方面起步较早，目前日本、德国、美国处于国际领先地位，测量范围可实现全湿范围测量，且精度可达到士2%RH.国内湿度传感器研制与生产方面，开始于二十世纪八十年代，且研究单位多于生产厂家，多数从事电解质、陶瓷类以及高分子类传感器的研发。如信息产业部电子四十九研究所为中国电子元器件行业协会气湿敏分会理事长单位，从“八五”开始从事湿敏元件的研制与生产，至今已建成年产100万只的廉价湿敏元件生产线。此外，在长寿命高分子湿度传感器、湿敏电容器等方面的研究均居国内领先水平，其产品技术指标己达到国际先进水平。另外北京、上海等地的一些传感器研究所在此方面的研究有所突破。1.2 温度、湿度检测技术的发展趋势温度传感器的种类很多，测温范围也很宽，可高达几千度低可接近绝对零度，但在测量精度、稳定性、抗干扰等方面仍存在很多问题。如铂电阻温度计，虽然其测量范围宽，精度高但抗震动能力差;热敏电阻温度计灵敏度高、体积小、响应速度快但稳定性较差;热电偶温度传感器缺点是灵敏度低;因此进一步改进敏感元件的制作工艺及结构，充分利用微处理技术发展数字化、集成化和自动化的温度传感器，同时探索新的敏感机理，寻求新型温度敏感元件也是温度传感器的发展方向之一。湿敏传感器在工业、农业、气象、医疗以及日常生活等方面都得到了广泛的应用，特别是随着科学技术的发展，对于湿度的检测和控制越来越受到人们的重视并进行了大量的研制工作。通常， 理想的湿敏传感器的特性要求是:适合于在宽温、湿范围内使用，测量精度要高:使用寿命长，稳定性好;响应速度快，湿滞回差小，重现性好;灵敏度高，线性好，温度系数小;制造工艺简单，易于批量生产;转换电路简单，成本低;抗腐蚀，耐低温和高温特性等回。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。2.设计说明2.1结构框图便携式温湿度计的硬件原理设计框图如下图1所示。MCU电源供电显示按键温湿度传感器外部时钟图1 便携式温湿度计原理框图2.2仪表功能1、 温度测量并显示；2、 湿度测量并显示；3、 时间显示；2.3技术指标1、供电：3.6V锂电池；2、温度检测范围：-40100；3、温度检测分辨率：能够提供0.1分辨率，测量绝对误差小于0.4；4、湿度检测范围：0%100%；5、湿度检测精度：湿度检测绝对精度保证3%RH以上；6、时钟可显示年、月、日、小时、分钟；7、使用3.6V/2AH锂电池供电，保证使用2年；2.各个模块方案论证与比较2.1 控制系统核心 由于便携式仪器所需要的低功耗，甚至微功耗的要求，通常的89C51芯片已经不能满足要求。目前常用到的微功耗MCU有以下两种：方案一：TI公司的MSP430系列单片机 德州仪器的MSP430超低功耗控制器由针对多种不同应用具有不同外围模块的芯片组成。其结构与5种低功耗模式相结合，可以达到在便携测量应用中实现延长电池寿命的目的。芯片具有强大的16位精简指令集，16位寄存器和常数发生器，可以实现最大代码执行效率。数字控制振荡器（DCO）使得其从低功耗模式到活动模式唤醒时间小于6S。该系列单片机还具有内部的16位型模数转换器，支持串行在线编程等特点。方案二：PHILIPS公司的LPC900系列单片机LPC900 FLASH系列单片机，是PHILIPS公司推出的一款高性能、微功耗51内核单片机，主要集成了字节方式的I2C总线、SPI总线、增强型UART接口、实时时钟、E2PROM、A/D转换器、ISP/IAP在线编程和远程编程方式等一系列有特色的功能部件。LPC900系列单片机提供从8脚DIP到28脚的PLCC等丰富的封装形式，可以满足各种对成本、线路板空间有限制而又要求高性能、高可靠性的应用。且其具有高速率（6倍于普通51单片机），低功耗（完全掉电模式功耗仅为1uA），支持3V供电电压工作，高稳定性，小封装，种类多等特点（该系列有多款不同封装，不同价位，不同功能的型号供用户选择）。在功能上其具有 2个16位定时/计数器，实时时钟可作为系统定时器；4个中断优先级，2个外中断，8个键盘中断输入。2个模拟比较器，可选择参考源；WDT（看门狗定时器）具有独立的振荡器，无需外接元件，WDT具有8种选择的预分频器；内置上电复位电路，无需外接复位元件，复位计数器和复位干扰抑制电路可防止不充分复位，同时提供软件复位功能；使用片内PC振荡器时钟振荡源无需外接任何元件，可方便地选择振荡频率，同时系统具有时钟振荡器失效检测功能；灵活的可编程I/O口输出模式，准双向口、开漏输出、推挽输出或仅为输入功能；所有的I/O口均具有20mA的负载驱动能力；键盘中断具有从掉电模式中唤醒功能。该设计中，由于设计要求为温湿度检测，而温湿度在短时间内不会有明显变化，所以MCU工作压力不大，且通常工作在掉电模式下，以上两款单片机都可以符合要求，但LPC900系列单片机成本更低，使用更方便，所以选用LPC900系列单片机。2.2 显示电路方案一：点阵式LCD点阵式LCD可以显示汉字、数字和英文字母和图画等，显示方便，人机交互性好，但观察距离有限，需要电源管理芯片。方案二：段式LCD段式LCD可以显示七段码，微功耗，其也具有观察距离有限，需要电源管理芯片的特点。方案三：LED显示LED的亮度高白天小角度没有盲区，比较显目，晚上可以远距离观测，可显示内容与段式LCD相同，但功耗很大，需要驱动电路。在该设计中，只要求对温湿度和时间进行显示，且便携式仪器对器件有微功耗的要求，可以不难看出段式LCD是最合适的选择。2.3 传感器的选择该设计中温湿度传感器的选择方案为：方案一：独立的温度传感器和湿度传感器这种温度传感器和湿度传感器相分离的使用方法使传感器的选择更广泛。在温度传感器中，又可以分为数字式温度传感器和模拟式温度传感器，数字式温度传感器，如LM71，LM75等都具有微功耗的特点，且它们都支持I2C总线由MCU直接读取温度值；模拟式温度传感器主要为电阻式温度传感器，如PT100，PT1000等，这种传感器精度高，但需要相对复杂的采样电路才能获得高精度的采样值。湿度传感器也可分为数字式湿度传感器和模拟式湿度传感器。模拟式湿度传感器又可分为电阻式湿度传感器，电容式湿度传感器，离子膜湿度传感器和干湿球湿度传感器。电阻式湿度传感器和电容式湿度传感器的功耗都较大，它们都需要通过振荡电路的配合后，经计算得出湿度值。常用的电容式湿度传感器有HS1101等。离子膜湿度传感器由于其较高的成本还无法广泛应用。而干湿球传感器实质上为两个温度传感器，其中一直浸在水中，这样便造成了其制作复杂，校准烦琐，且灵活性差的特点。方案二：数字集成温湿度传感器 这种数字集成温湿度传感器是近年来不断发展的新技术，其自身集成了温度传感器和湿度传感器，而且还有A/D转换器和微处理芯片使的温湿度可以通过I2C总线或UART被外围MCU方便的读取。在这种传感器中，常用的有瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度传感器SHT11，SHT71等。SHT71传感器是一款由多个传感器模块组成的单片全校准数字输出相对湿度和温度传感器，它采用了特有的工业化的CMOS技术，保证了极高的可靠性和卓越的长期稳定性，整个芯片包括校准的相对温度和湿度传感器，它们与一个14位的A/D转换器相连，此外还具有一个I2C总线串行接口电路，每一个传感器都是在极为精确的湿度室中进行校准的，校准系数预先存在传感器OTP内存中，在测量校准的全过程都要用到这些系数。由于传感器与信号放大器合为一体，这不仅使信号强度增加、抗干扰性能增强，且长期稳定性也得到了保证，集成在一起的模/数转换器，可降低系统的噪声干扰。尤为重要的是每一只传感器芯片内装载的针对该芯片传感器的校准数据，保证了每一只湿度传感器输出的一致性，使得湿度传感器可以100%的互换，同时还具有反应迅速（4S at 1/e）、高精度（090RH 3%）、低功耗的特点，其电流消耗为测量电流550A，睡眠电流3A，平均电流28A。由于便携式仪器体积小，微功耗，稳定性好的特点，该设计中采用方案二。2.4电池的选择在便携式设备中，最常用的电源来自电池，现常用的电池有以下几种：方案一：碳锌电池碳锌电池亦成为锌锰电池，是目前最普遍使用的干电池，它具有价格低廉和使用安全可靠的特点，但其内部成分仍有镉，污染环境，且能量密度小。方案二：碱性锌锰电池 该电池内阻较低，适用于放电量大及长时间使用的场合，但其能量密度底，放电电压不稳。方案三：氢镍电池氢镍电池以海绵状金属镉为负极，以氢氧化镍沥青为正极活性材料，氢氧化钾水溶液为电解液的电池。用于应急照明、发动机起动、病员并行工具、电源便携工具、仪表和航天技术、移动电话等。方案四：光伏电池光伏电池具有环保的特点，但目前其成本较高，且需复杂的外围电路和受光照影响较大的缺点。方案五：锂电池锂电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.52倍，而且具有很低的自放电率。在该设计中，需要能量密度大且输出稳定的电池，综上考虑，选用方案五。2.5稳压电源电路的选择便携式仪器稳压电源可供选择的方案主要有以下几种：方案一：高效低压差线性稳压器 低压差线性稳压器相对常用的三端稳压器具有更高的性能，PCB面积占用和功耗更低，其静态电流可低至A级，良好的噪音抑制和纹波抑制，线路成本低和方案简单，但其负载能力有限，适合在低功耗的便携产品中应用。方案二：DC/DC变换控制管理电路DC/DC电源可以提供稳定的输出，负载能力强，但其文波与LDO输出相比较大，且需要较多的外围电路，占用PCB面积大，成本也较高。本设计采用微功耗设计，所有元器件均为微功耗器件，且该便携式温湿度计体积小，所以方案一适用。2.6外部时钟芯片的选择方案一：DS1302DS1302它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。它电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。而且其功耗低，25V时耗电小于300nA。方案二：DS12887除了具有DS1302多具有的功能外，还具有中断信号，这样再需要显示秒时便非常准确，内置供电电池。但其成本高，与MCU通讯为并口，占用I/O口多。多使用在具有扩展总线的仪器中。本设计中由于方案一成本低，外围电路简单，所以选择方案一。2.7 其它 由于设计中需要存储重要的数据，所以要选择存储芯片。由于选择了PHILIPS公司的LPC900系列单片机，该MCU自带非易失性数据的存储(EEPROM)，所以也就不用选择专门的存储芯片了，使本设计的线路更加的精简。3.理论分析与计算3.1 系统功耗的预估算有元器件说明书可知：（在供电电压为2.7V时）P89LPC922正常工作（外部4M晶体震荡器，DIVM进行2分频）时电流为1.596mA，完全掉电模式下（看门狗正常工作）工作电流为17A；SHT11工作电流为550A，睡眠模式下电流为3A，平均28A；2_0408工作电流为20A；DS1302工作电流为1A；LDO静态电流为1A；经计算可得在正常工作模式下系统总电流为2.167mA，省电模式下系统总电流为41A。所以系统正常工作0.25S，省电2.63S时系统的平均电流为225A。3.2 湿度补偿计算SHT11可通过I2C总线直接读出数字量湿度值，其相对湿度数字输出特性曲线如图2.图2 SHT11相对湿度数字输出特性曲线(蓝:理想值;红:实际读出值)由图2可以看出SHT11呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性， T=25可按公式一修正湿度值:.式一式中，Sorh为传感器相对湿度测量值，系数取值如下:12位：8位：当T25，还需要对相对湿度传感器进行温度补偿，补偿公式为：式二3.3 温度补偿计算SHT11可通过I2C总线直接读出数字量温湿度值，其温度相对温湿度数字输出特性曲线如图3.图3 SHT11温度数字输出特性曲线 由图3可以看出，SHT11的测量值与实际温度存在线性的误差，所以可按公式三修正温度值:.式三式中d1，d2的参数有下表可得；表1 d1，d2，d3，f取值表3.4 露点计算空气的露点值可根据相对湿度和温度值由下面的公式四，五计算:LogEW=（0.660777.5*T/（237.3T）（log10（RH）2）.式四Dp=（0.66077-logEW）*237.3）/（logEW8.16077） .式五其中Dp为露点值.4.各个模块的设计与分析当前的便携式设备多为体积小，重量轻，精度高，功耗低.因此硬件设计的原则也是体积小巧、功耗低和高性价比，具体设计中的核心器件均为近年来新出现的高性能芯片，硬件由MCU系统、温湿度传感器、电源部分组成，系统设计非常简洁。4.1 MCU小系统本该设计的MCU采用PHILIPS生产的微攻耗MCUP89LPC922.4.1.1 P89LPC922的主要特性(1). 2KB/4KB/8KB Flash程序存储器，具有1KB可擦除扇区和64字节可擦除页规格，可擦除单个字节。 (2). 256字节 RAM数据存储器。 (3). 2个16位定时/计数器，每一个定时器均可设置为溢出时触发相应端口输出或作为PWM输出。 (4). 实时时钟可作为系统定时器。 (5). 2个模拟比较器。可选择输入和参考源。 (6). 增强型UART。具有波特率发生器、间隔检测、帧错误检测、自动地址识别和通用的中断功能。 (7). 400kHz字节宽度的I2C通信端口。 (8). 可配置的片内振荡器及其频率范围和RC振荡器选项（通过用户可编程Flash配置位选择）。选择RC振荡器（出厂时校准到1）时不需要外接振荡器件。振荡器选项支持的频率范围为20KHz18MHz（最大）。可选择RC振荡器选项并且其频率可进行很好的调节。 (9). 操作电压范围为2.43.6V。I/O口可承受5V（可上拉或驱动到5.5V）。 (10).P89LPC9221的8个I/O口（P0.3P0.7、P1.4、P1.6、P1.7）有高驱动电流（20mA） (11).速度为标准80C51器件的6倍。只需要较低的时钟频率即可达到同样的性能，这样无疑降低了功耗和EMI。 (12). 看门狗定时器具有片内独立振荡器，无需外接元件。看门狗定时器溢出时间有8种选择。 (13). 低电压复位（掉电检测）可在电源故障时使系统安全关闭。该功能也可配置为一个中断。 (14). 空闲和两种不同的掉电节电模式。提供从掉电模式中唤醒功能（低电平中断输入唤醒）。典型的掉电电流为1A（比较器关闭时的完全掉电状态）。 低电平复位。使用片内上电复位时不需要外接元件。复位计数器和复位干扰抑制电路可防止虚假和不完全的复位。另外还提供软件复位功能。 4.1.2 P89LPC922引脚图P89LPC922引脚图如图4所示.图4 P89LPC922引脚图4.1.3 MCU小系统的设计MCU小系统如图5所示.图5 MCU小系统原理图 MCU系统的功耗除了芯片自身特性外，供电电压的高低，晶振频率的大小也是影响MCU系统功耗的重要因素。.对于同一MCU来说，低供电电压和使用频率低的晶振可以带来更小的系统功耗。.由于LPC900系列单片机的电源电压为2.4-3.6V并非常规的5V供电系统，我们常见的单片机几乎都是使用5V的供电方式，其单片机的复位电路门监电压是1.2V，而使用3V供电的单片机的复位门监电压是0.4V，因此我们必须根据LPC900系列单片机的电气特性来进行复位电路的可靠性设计。 在纯3V系统中，使用内部上电复位时，必须在复位引脚接一上拉电阻（如510K）。 P89LPC922单片机的效率为6倍于普通51单片机，所以采用4M的晶振在满足系统的要求的同时也降低了晶振消耗的功耗。P89LPC922单片机的低功耗还需软件实现，由于P89LPC922提供了的空闲模式，掉电模式和完全掉电模式三种节电模式，所以在单片机正常处理完一次数据后的空闲时间内应通过编程使其工作在节电模式，在下一次数据处理时再唤醒，这样可以获得更低的系统功耗。在该设计中，采集信号为温度和湿度，而这两个信号在短时间内不会有大的变化，所以在两次采样之间的间隔时间内单片机可工作在节电模式下，降低系统功耗。除了MCU之外，MCU小系统还包括用于人机交互的按键显示，该设计中通过对功耗的比较选用了长沙太阳人电子有限公司的SMS0408段式LCD，在3V供电时其工作电流为20A。4.2 温湿度传感器4.2.1 SHT11的主要特性(1).温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片上（CMOSens技术）；(2).全校准相对湿度及温度值输出；(3).工业标准I2C总线数字输出接口；(4).具有露点值计算输出功能；(5).免外围元件；(6).卓越的长期稳定性； (7).湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，可编程降至12位和8位；(8).可靠的CRC数据传输校验功能；(9).片内装载的校准系数，保证100%的互换性。(10).电源电压：2.4V5.5V;(11).电流消耗:测量550 A，平均28 A，睡眠0.3 A。(12).测湿精度：+3%RH；4.2.2 SHT11的原理图6 SHT11传感器原理框图SHT11数字式温湿度传感器的内部结构框图如图6所示。SHT11传感器是一款由多个传感器模块组成的单片全校准数字输出相对湿度和温度传感器，它采用了特有的工业化的CMOS技术，保证了极高的可靠性和卓越的长期稳定性，整个芯片包括校准的相对温度和湿度传感器，它们与一个14位的A/D转换器相连，此外还具有一个I2C总线串行接口电路，每一个传感器都是在极为精确的湿度室中进行校准的，校准系数预先存在传感器OTP内存中，在测量校准的全过程都要用到这些系数。工作时，温度传感器和湿度传感器的采样信号经过运放和A/D后转化为数字信号，存放在内存中等待外部MCU读取。CMOSens技术的优势首先在于，利用具有不同保护下的微型结构检测电极系统与聚合物覆盖层组成了传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外还可抵御来自外界的影响而对传感器进行保护，即使将传感器浸入到液体中也不会对传感器造成损害，同时还将温度传感器与湿度传感器结合在一起构成了一个单一的个体，这就可使测量精度提高并且可以精确得出露点值，而不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化而引起的误差。其次将传感器元件、信号放大器、模/数转换器、校准数据存储器、I2C总线等外围调理电路，全部与温湿度传感器集成在了一个只有几平方毫米的芯片上，因此、其优势是显而易见的，由于传感器与信号放大器合为一体，这不仅使信号强度增加、抗干扰性能增强，且长期稳定性也得到了保证，集成在一起的模/数转换器，可降低系统的噪声干扰。尤为重要的是每一只传感器芯片内装载的针对该芯片传感器的校准数据，保证了每一只湿度传感器输出的一致性，使得湿度传感器可以100%的互换，同时还具有反应迅速（4S at 1/e）、高精度（090RH 3%）、低功耗的特点。最后传感器可以直接通过I2C总线与任何种类微处理器、微控制器系统接口，从而减少了传感器接口开发时间及降低了硬件成本。4.2.2 SHT11应用SHT11与单片机的接口电路如图7。图7 SHT11与单片机接口电路SHT11的供电电压为2.45.5V。传感器上电后，要等待11m 来完成“休眠”状态。在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的滤波电容。设计中使用单片机通用I/O口线来虚拟I2C总线，利用P1.0来虚拟时钟线，利用P1.1口线来虚拟数据线DATA，并在DATA端接入一只10K的上拉电阻。软件实现所需时序图请参阅SHT11Datasheet。4.3 DS1302DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM。通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式。DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线1 RES 复位2 I/O 数据线3 SCLK串行时钟，时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31个字节的字符组方式通信。DS1302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于1mW。DS1302与单片机的接口电路如图8。图8 DS1302与单片机的接口电路4.3 电源本设计采用了高能量密度的3.6V/2AH的锂电池作为电源，通过LDO-R1180N271对锂电池输出的电压进行温压，最终获得电压稳定，噪声小的稳压电源。R1180N271最大可支持5V输入，输出功率为1W，输出电压2.7V，静态电流为1A。稳压电源电路如图9图9 稳压电源电路原理图5.软件选用及算法本设计采用C语言编写程序，C语言编写的程序简洁明了，可读性强，方便移植，并且C语言提供的多种数据结构为系统测量精度的计算提供了良好的保障。在本设计中，主要为芯片的提供驱动程序及电源管理程序，在SHT11的数据读取数字信号的整个传输过程由8bit 校验来确保。任何错误数据将被检测到并清除。下面为这种“CRC-8 校验”的介绍。CRC校验分为Bitwise和Bytewise两种，其中Bitwise适用于硬件电路或低性能处理器系统，而Bytewise适用于高性能的系统中。所以在本设计中使用的是Bitwise方式的CRC检验。Bitwise方法的步骤如下：1. 初始化一个CRC字节（00000000）。2. 比较传送数据位与CRC字节的Bit7。3. 如果相同则CRC左移，Bit0=0；如果不相同则CRC左移，Bit4，Bit5为CRC移位前的Bit3，Bit4分别与传送数据异或后的结果，Bit0=1。如图10。4. 继续位传送并重复步骤2。5. 获得CRC检测码。图10 步骤2图示6.程序设计结构框图6.1主程序结构框图NYNYNY开始初始化从DS1302读取时间并送显示从SHT11读取温湿度并显示温度从SHT11读取温湿度并显示湿度Disflag=0Disflag=1Disflag=2按键1Disflag+,if Disflag2, Disflag=0YYYYNYNY设置并进入节电模式是否唤醒Y图 11 主程序结构框图7.系统调试按功能对系统各模块进行调试调试。7.1 MCU小系统调试 调试时首先检查MCU能否上电复位，晶振能否正常起振，然后可以编写简单的按键显示程序以检测其交互功能是否正常。7.2 SHT11使用的调试 MCU通过I2C总线对SHT11进行初始化并在恒温恒湿箱内进行采样，检测其能否正常工作，精度是否达到要求。7.3 DS1302使用的调试MCU对其初始化后读取时间数值，显示在LCD上。8.注意事项8.1 SHT11使用环境要求 如果一些大分子与传感器内部的湿敏元件接触，很难再挥发到空气中，会阻塞空气中水分子的渗入，导致传感器反应不灵敏，测量湿度偏高。因此，在使用过程中，传感器要远离塑料、硅胶、香水等大分子材料和物质。8.2 SHT11对SCK频率的要求 SCK的频率范围为4-6MHz ， 最高频率不得超过10MHz. 如果MCU选用晶振频率较高，要在软件上加一些延时和空操作指令，以调整时序。SCK 的最低频率没有限制。8.3 SHT11避免冷凝现象的发生SHT 系列温湿度传感器在结