【毕业论文设计】自考毕业论文设计初稿的第四次修改胡睿

湖北生省高等教育自学考试毕业论文论文题目家居环境监测主考学校武汉大学专业电子工程指导教师张铮考生姓名胡睿准考证号013513270100工作单位武汉职业技术学院2015年3月23日摘要家居环境是为我们室内的活动提供重要的场所，随着人们的生活水平的不断提高,对生活环境和生产环境的要求就显得尤为重要，温湿度的控制就是一个典型的例子。室内问题越来越被人们重视了，一个好的家居环境，能够给人一个舒适的享受。就想是音乐一样给人美好的感受。环境问题已不仅仅是满足人们最基本的生存要求；而是要解决人类生存与行为的全面要求与提高生活的质量。因此，创造一个好的家具环境是非常有必要的。本文主要阐述了温湿度检测系统的硬件设计和软件设计。该系统采用温湿度传感器和单片机技术。可以以数字形式直接显示温度值和湿度值，该系统使用方便、读数直观。目录摘要2第一章绪论411选题的意义412家居环境监测研究现状4第二章系统设计521系统框图522单片机的选择522温湿度传感器的选择6221温度传感器的选择6222湿度传感器的选择823显示器件的选择8第三章电路的设计931温度传感器电路选择9311时序图10312温度传感器电路设计及接口1232湿度传感器电路选择1333其他硬件电路15331晶振电路15332复位电路16333显示电路16第四章软件的设计1841系统程序流程图1842显示程序1943其他程序流程图2044仿真测试21第五章总结22参考文献23附录124附录230致谢31第一章绪论11选题的意义温湿度是一种最基本的环境参数。空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，室内有一个合适的温度和湿度，此时,人的精神状态好,工作效率高,思维最敏捷，会让人感到很舒适，所以对温度、湿度的检测及控制就非常有必要了。传统的温湿度监测模式是以人为基础，人工巡回查看等方式来测量和记录环境状况信息。在这种模式下，不仅效率低下不利于人才资源的充分利用，而且缺乏科学性，许多重大事故都是由人为因素造成的，人工维护缺乏完整的管理系统。就需要一个低成本和具有较高精度的温度湿度测量仪。最宜人的室内温湿度是冬天温度在1825，湿度在3080；夏天温度在2328，湿度在3060。温湿度的测量方法和装置对现在的生活、生产具有重要的意义。本文将使用温度传感器DS18B20，湿度传感器HS110112家居环境监测研究现状现在集成温度传感器是应用范围最广、使用最普及的一种全集成化传感器。大致可分为5种类型1、通用智能温度控制器；2、模拟集成温度传感器；3、微机散热保护专用的智能温度控制器。4、智能温度传感器；5、模拟集成温度控制器等。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。比较适合远距离的测温、控温，它不需要进行非线性校准，外围电路很简单。是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有TMP17、AD592、AD590、LM135等。接着，智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。智能温度传感器的特点就是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的。智能温度传感器，所用的是912位A/D转换器，分辨力一般可达0500625。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达003125，测温精度为02。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为HONEYWELL公司（HIH3602、HIH3610型、HIH3605），HUMIREL公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），SENSIRON公司（SHT11、SHT15型）。第二章系统设计21系统框图图21系统框图过程单片机每隔一段时间就给传感器发送命令读取数据，传感器将测量到的数据传给单片机，单片机进行数据处理，然后通过接口电路发送给液晶显示器进行显示。单片机接口电路液晶显示温度传感湿度传感电源调理电路P10/T21P11/T2EX2P123P134P145P156P167P178RST9P30/RXD10P31/TXD11P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P36/WR16P37/RD17XTAL218XTAL119VSS20P20/A821P21/A922P22/A1023P23/A1124P24/A1225P25/A1326P26/A1427P27/A1528PSEN29ALE30EA/VPP31P07/AD732P06/AD633P05/AD534P04/AD435P03/AD336P02/AD237P01/AD138P00/AD039VCC40AT89C5222单片机的选择采用单片机作为控制核心，单片机数学运算功能较强。在程序相互调用方面，用起来方便灵活，适合实际应用，性能比较稳定。而且单片机的技术发展也比较程序，价格方面也不贵。这里我选择AT89C52。AT89C52是美国ATMEL公司生产的,具有低电压，高性能的特点。它完全兼容标准型的AT89C51，并在AT89C51的基础上增加了T2定时器，4KBFLASH，128B的片内RAM，存储器，等功能。片内置通用8位中央处理（CPU）和FLASH存储单元，而且功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合图22AT89C52引脚图22温湿度传感器的选择221温度传感器的选择温度传感器的种类有很多种，以下是几种常见的温度传感器第一种石英温度传感器测温仪石英温度传感器的测温原理是以石英晶体片作为测温元件，将温度变化的模拟量转化为石英晶体震荡频率的数字量，再将此频率信号进行转换，并显示其温度值。石英晶体温度传感器稳定性很好，灵敏度可达0001以上。它的缺点是响应速度较慢，测温速度约为一秒钟一次，这种温度传感器不适合在快速测温的场合使用。第二种热电偶式这种传感器的原理是将两种不同成份的导体首段和末端焊接在一起，并且使两端处在不同的温度下，在回路中就会有热电势产生，因此热电偶是通过测量热电势从而测量温度的一种感温元件，它是一种变换器，它能将温度信号转变为电信号再由显示仪表显示出来。热电偶测量温度的基本原理是热电效应。它是热电效应理论的具体应用之一。在温度测量中得到了广泛的应用。这种传感器的优点是动态响应快，测温范围广，测量精度高，可作远距离测量，结构简单。第三种DS18B20传感器DS18B20是一种集成的单线数字温度传感器，即“一线器件”。特点（1）采用单总线的接口方式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。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。（2）测量温度范围宽，测量精度高DS18B20的测量范围为55125；在1085C范围内，精度为05C。（3）持多点组网功能多个DS18B20可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。（4）供电方式灵活DS18B20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。（5）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为05、025、0125和00625，可实现高精度测温转换时间在9375MS到750MS之间。（6）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。（7）体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统，因此也就被设计者们所青睐。经过以上分析，结合本系统的运用需要，决定选用DS18B20作为系统的测温传感器。222湿度传感器的选择特点可以自动化焊接可用于线性电压或频率输出回炉全互换性高可靠性与长时间稳定性在标准环境下不需校正长时间饱和下快速脱湿快速反应时间包括波峰焊或水浸图222HS1101实物图专利的固态聚合物结构湿度传感器主要分为电阻式和电容式两种，基本形式都是在基片上涂覆感湿材料,形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附在感湿材料上后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，由于它具有灵敏度高、响应速度快、产品互换性好、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。但电阻对温度的敏感因而限制了器件在较大温度范围内的应用，因而电容湿度传感器越来越受到重视。HS1101在电路中相当于一个电容器件，它的电容量随着所测空气湿度的增加而增大,利用这点就可以测量出湿度值。HS1101是电容式湿度传感器，可测相对湿度范围在0100RH，误差为2RH因此湿度传感器选择HS1101。23显示器件的选择采用1602液晶模块显示所测数据，1602液晶接线简单方便，同时也能满足显示需要，价格便宜。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低1602LCD主要技术参数显示容量162个字符芯片工作电压4555V工作电流20MA50V模块最佳工作电压50V字符尺寸295435WHMM第三章电路的设计31温度传感器电路选择图31DS18B20温度传感器引脚说明引脚符号说明1GND地2DATE单线运用的数据输入/输出引脚，漏极开路见。3VCC寄生电可选VCC引脚表31DS18B20引脚DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为55C125C，当温度在1085C范围内,此时精度为05C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V55V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从中央处理器到DS18B20仅需连接一条线（和地），读写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。因为每一个DS1820有唯一的系列（SILICONSERIALNUMBER）因此多个DS1820可以存在于同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件。此特性的应用范围包括HVAC环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测,以及过程监视和控制中的温度检测DS18B20内部结构主要由4部分组成64位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的管脚排列如图2所示，DQ为数字信号输入输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。内部电路图如下图311DS18B20内部原理图311时序图1初始化时序图312DS18B20的初始化5图9DS18B20初始化时序2DS18B20读写时序图313DS18B20的读写温度传感器的数据处理高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如图所示。当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后。图311字节分配存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于00625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于00625即可得到实际温度。例如125的数字输出为07D0H，实际温度07D0H00625200000625125。例如55的数字输出为FC90H，则应先将11位数据位取反加1得370H（符号位不变，也不作运算），实际温度370H006258800062555。可见其中低四位为小数位。312温度传感器电路设计及接口图314温度传感器设计图温度传感器DS18B20，共有三个引脚，一个VCC，一个GND，一个数据，将数据引脚接到P24口，由程序控制向DS18B20发送指令，读取温度数据发送给单片机。32湿度传感器电路选择湿度检测采用HS1101型温度传感器，HS1101是HUMIREL公司生产的变容式相对湿度传感器，采用独特的工艺设计。设计的电路如图32所示。图32湿度测量电路内部原理图321湿度传感器内部原理555芯片外接电阻R57，R58与HS1101，构成对HS1101的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路实现对HS1101的放电回路，并将引脚2，6端相连引入到片内比较器，构成一个多谐波振荡器。HS1101作为一个变化的电容器，仿真图中由CX代替，连接2和6引脚。充电、放电时间分别为T充电CXR2R1LN2T放电CXR1LN2主控震荡电路受控震荡电路积分电路脉冲叠加电路放大电路输出03V电压由图附21HS1101湿度与电容的函数关系可知相对湿度与电容的关系可看成直线段，所以有F1/T充电T放电1/CXR22R1LN21442695/R12R2CX如果R1560K,R2560K那么F1442695/1680KC已知CX161PF193PF则有F5334HZ4449HZ又RH0100由此可以看出，空气相对湿度与555芯片输出频率存在一定线性关系。可以通过微处理器采集555芯片的频率，然后查表即可得出相对湿度值。33其他硬件电路主体电路大体上分为三个部分，单片部分、以温度传感器DS18B20，湿度传感器HS1101为主的测量电路，以及1602液晶显示电路。其他电路包括单片机的外围电路，时钟电路，复位电路系统电源部分采用的是4节15V的电池，能为系统提供稳定的5V电压。331晶振电路图331晶振电路先了解下51单片机上的时钟管脚XTAL1（19脚）芯片内部振荡电路输入端。XXTAL2（18脚）芯片内部振荡电路输出端。XTAL1和XTAL2是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。图中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。一般来说晶振可以在1212MHZ之间任选，甚至可以达到24MHZ或者更高，但是频率越高功耗也就越大。在本实验套件中采用的110592M的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。当采用石英晶振时，电容可以在2040PF之间选择（本实验套件使用30PF）；当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当地增大一些，在3050PF之间。通常选取33PF的陶瓷电容就可以了。332复位电路图332复位电路在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。5L系列单片机的复位引脚RST（第9管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有两种基本形式上电自动复位和开关复位。图中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET相连，电压全部加在了电阻上，RESET的输入为高，芯片被复位。随之5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。333显示电路本文采用液晶1602进行显示LCD有四种基本操作，具体如表333所示。表333LCD与单片机之间有四种基本操作RSR/W操作00写命令操作初始化，光标定位等01读状态操作读忙标志位10写数据操作要显示内容1602电路设计图如下图334所示，将1602接到P0端口图3341602电路第四章软件的设计41系统程序流程图11读数据操作可以把显示存储区中的数据反读出来开始系统的初始化图41主程序图42显示程序1602的初始化要实现1602的初始化，就要知道指令码；如下图所示对温度传感器进行设置，读取温度数据处理转化显示返回开始图421602初始化/函数名LCDINIT函数功能初始化LCD屏输入无输出无/VOIDLCDINIT/LCD初始化子程序LCDWRITECOM0X38/设置显示模式LCDWRITECOM0X0C/开显示不显示光标，光标不闪烁LCDWRITECOM0X06/写一个指针加1LCDWRITECOM0X01/清屏LCDWRITECOM0X80/设置数据指针起点VOIDLCDWRITEDATAUNSIGNEDCHARDAT/写入数据VOIDLCDWRITECOMUNSIGNEDCHARCOM/写入命令43其他程序流程图开始初始化18B20跳过读序列号，启动温度转换跳过读序列号，读取温度值处理返回温度值温度是否为正正负温度标志位置1置2返回正负温度标志位置0置2NY图43温度传感器处理流程图44仿真测试利用PROTEUS仿真软件进行仿真，对实验的可行性进行检查。具体的仿真结果如图所示图44仿真图第五章总结本次设计的主要内容是用利用单片机和传感器完成室内温湿度的检测。该系统主要应用在人们的家庭生活中。整个系统的设计简洁，准确，快速，方便等优点。设计的核心部分选用AT89C52芯片和DS18B20，HS1101。目前，软件程序设计与硬件电路设计均已完成调通。整个装置基本达到预期目标。由于时间关系以及能力的有限，本系统在软件方面还待进一步的完善，使室内温湿度检测系统的性能更加准确。本次设计开发的室内温湿度检测系统成本低、控制简单，操作方便，出现故障的几率小，而且提高了整个系统的的可靠性和安全性，。如果室内温湿度检测系统在日常生活中得到广泛的应用，必将给人们的生活带来极大的方便参考文献1杨黎基于C语言的单片机应用技术与PROTEUS仿真2012年第1版2杨少春传感器原理及应用电子工业出版社3宋卫海、杨德现数字电子技术，北京大学出版社2009年第1版4李建民单片机在温度控制系统中的应用江汉大学学报5陈汝全实用微机与单片机控制技术电子科技大学出版社6潘其光常用测温仪表技术问答国防工业出版社7施俊良室温自动调节原理和应用中国建筑工业出版社8何立民单片机应用系统设计北京航空航天大学出版社9童诗白模拟电路基础高等教育出版社10刘笃仁,韩保君传感器原理及应用技术机械工业出版社11黄贤斌,郑筱霞传感器原理与应用高等教育出版社附录1完整的程序INCLUDEDEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARSBITDSIOP37/温度传感器的总线SBITLCDEP27SBITRWP25SBITRSP26SBITDINP11VOIDDELAY1MSUINTAINTRHVOIDLCDWRITECOMUCHARCOM/LCD写命令VOIDLCDWRITEDATAUCHARDAT/LCD写数据VOIDLCDINIT/LCD清屏UNSIGNEDCHARDS18B20INIT/温度传感器的初始化VOIDDS18B20WRITEBYTEUNSIGNEDCHARDAT/向DS18B20写数据UNSIGNEDCHARDS18B20READBYTE/向DS18B20读数据INTDS18B20READTEMP/读取温度VOIDDS18B20CHANGTEMP/温度转换命令VOIDDS18B20READTEMPCOM/读取温度命令VOIDLCDDISPLAYINTTEMP/显示函数VOIDMAININTTEMPLCDINITDS18B20INITWHILE1LCDWRITECOM0X80DS18B20CHANGTEMPDS18B20READTEMPCOMTEMPDS18B20READTEMPRHLCDDISPLAYTEMPINTRH/读取湿度函数INTU8