毕业设计-基于at89s52单片机的温湿度控制设计

毕业设计（论文）论文题目院别控制工程学院专业名称自动化班级学号5090401学生姓名王洋指导教师刘云静2012年6月15日基于AT89S52单片机的温湿度控制设计摘要伴随着科学技术，计算机技术，传感器技术的研究与发展。人们充分认识到将数据采集应用到温度湿度领域，对其相关的数据进行控制，从而达到技术服务于工业农业，提高生产效率。温度湿度控制系统涉及传感器、计算机、通信等多学科多领域，是国际上的重点研究领域。本课题设计的基于AT89S52温度湿度测控系统具有不受地理环境、气候、时间的影响等优势，另外通过对温度湿度的采集进行自动控制，从而达到精确控制，减少人力，增加工业化程度。本系统主要实现温度与湿度的测量和简单的对温度湿度的控制，使其在运行过程中始终处于某个阈值范围内，本文系统阐述了温度湿度测控系统的设计思想和实现方法，具体分析了各部分电路的设计原理，详细介绍了各部分的设计过程。基于AT89S52温度湿度测控系统由温度采集部分、湿度采集部分，数据传输部分三个部分组成。温度采集部分利用ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机AT89S52为控制中心，采用数字温度传感器DS18B20将采集到的温度值送入单片机中进行数据处理，采用数字湿度传感器SHT11将采集到的湿度值送入单片机进行数据处理。由于现在市场上的温度感控系统大部分是由温度高低来调节控制，很少有根据时间控制调节控制的。我们在硬件设计中加入了时间控制，也就是可以设置系统在规定时间内工作，这样增加了系统的安全性。关键词温度传感器，湿度传感器，AT89S52，控制系统MCUBASEDTEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROLAUTHORWANGYANGTUTORLIUYUNJINGABSTRACTALONGWITHTHESCIENCEANDTECHNOLOGY,COMPUTERTECHNOLOGY,RESEARCHANDDEVELOPMENTOFSENSORTECHNOLOGYPEOPLEAREFULLYAWAREOFTHEDATAACQUISITIONAPPLICATIONTOTEMPERATUREANDHUMIDITYFIELD,THERELEVANTDATACONTROL,SOASTOACHIEVETHETECHNICALSERVICEININDUSTRYANDAGRICULTURE,IMPROVEPRODUCTIONEFFICIENCYTHETEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROLSYSTEMINVOLVESSENSOR,COMPUTER,COMMUNICATIONANDOTHERMULTIDISCIPLINARY,ISONEOFTHEKEYRESEARCHFIELDSINTHEWORLDTHISTOPICISTHEDESIGNOFTHETEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROLSYSTEMBASEDONAT89S52ISNOTAFFECTEDBYGEOGRAPHICALENVIRONMENT,CLIMATE,TIMEANDOTHERADVANTAGES,INADDITIONTOTHECOLLECTIONOFTEMPERATUREANDHUMIDITYAUTOMATICCONTROL,SOASTOACHIEVEPRECISECONTROL,REDUCEMANPOWER,INCREASETHEDEGREEOFINDUSTRIALIZATIONTHESYSTEMISMAINLYTOACHIEVETHETEMPERATUREANDHUMIDITYMEASUREMENTANDSIMPLETOTEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROL,TOMAKEITINTHERUNNINGPROCESSISALWAYSINACERTAINRANGE,THISPAPEREXPOUNDSTHEDESIGNIDEAOFTEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROLSYSTEMANDTHEREALIZATIONMETHOD,ANALYZESTHEDESIGNPRINCIPLEOFEACHPARTCIRCUIT,INTRODUCESTHEDESIGNPROCESSOFTHEPARTOFTHEAT89S52TEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROLSYSTEMCONSISTSOFATEMPERATUREACQUISITIONPART,BASEDONTHEHUMIDITYACQUISITIONPART,CONSISTINGOFTHREEPARTSOFTHEDATATRANSMISSIONPARTTHETEMPERATUREACQUISITIONUSINGLOWPOWERATMEL,HIGHPERFORMANCECMOS8CHIPAT89S52ASCONTROLCENTER,USEDS18B20DIGITALTEMPERATURESENSORTEMPERATURECOLLECTEDDATAINTOTHEMICROCONTROLLER,USINGDIGITALHUMIDITYSENSORSHT11TOCOLLECTTHEHUMIDITYVALUEINTOTHEMICROCONTROLLERFORDATAPROCESSINGBECAUSENOWTHEMARKETSTEMPERATURECONTROLSYSTEMISMOSTLYBYTEMPERATURETOCONTROL,THEREAREFEWACCORDINGTOTHETIMECONTROLCONTROLWEADDTIMECONTROLINTHEDESIGNOFHARDWARE,ISALSOCANSETTHESYSTEMTOWORKWITHINTHESTIPULATEDTIME,ITINCREASESTHESECURITYOFTHESYSTEMKEYWORDSTEMPERATURESENSOR，HUMILIATIONSENSOR，AT89S52，CONTROLSYSTEM摘要1ABSTRACT2目录41绪论611研究的背景612国内研究现状713研究的意义10第二章AT89S52温度湿度测控系统的误差分析1121接触式测温中的导热误差1122接触式测温中的辐射误差1323接触式测温中的瞬态误差1424相对湿度的温度补偿问题15第三章基于AT89S52温湿度测控系统硬件设计1531温度数据采集系统19311芯片封装特点19312DS18B20芯片特性20313DSL8B20内部结构与测温原理21314DSL8B20操作命令22315DSL8B20与系统硬件接口22316温度数据采集模块接口电路2332湿度数据采集模块23321SHT11传感器传感温度原理24322硬件设计2533数据处理模块方案设计25331芯片介绍25352AT89S52引脚功能2634数据显示模块30341方案设计303421602引脚说明33343字符集34第四章系统软件设计3541系统软件主程序设计3642DSL8B20程序设计38421DSL8B20复位时序39422DSL8B20读数据程序39423DSL8B20写数据程序4043湿度程序设计4044液晶显示程序设计43第五章系统的调试和仿真4551系统的调试45511KEIL中程序设计46512KEIL中程序调试48513KEIL生成HEX文件4852系统仿真49521电路原理图设计49522电路原理图的设计流程49523电路原理图设计方法及步骤51结论56致谢57参考文献58附录59绪论11研究的背景在科技发展过程中，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。很多机械部件和结构构件在各种非常温环境下负载运行。特别是航空、航天、核工程、化工和动力等部门的很多设备、机械处于高温或低温下工作，特别在高温高湿环境中，测量条件很恶劣，一般的变形测量仪表难于接近，非接触式的测量技术如云纹法、全息干涉法等要在这样的条件现场应用还有困难，采用专门的电阻传感器在高温高湿环境中进行测量是现实可行的一种方法。1传感器能把被测物理量转换为有确定对应关系的电量输出的测量装置，满足信息的记录、显示、传输、处理和控制等要求。传感器是实现自动测量和控制的首要环节,在工业生产自动化、航空航天、能源交通、土建结构、环境保护及医疗卫生等领域,各种传感器在检测各种参数方面起到十分重要的作用。此外，用于工厂自动化制造系统中的机械手或机器人可实现高精度在线测量，保证产品的质量,因此国内外已普遍重视各种传感器的研制、生产和应用。传感器技术已经成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。数字信号处理技术已经成为一种重要的现代化工具。数字信号处理技术及其应用目前正以惊人的速度发展。数字处理系统与模拟系统不同，其特性不会随实验的条件如环境温度、电源电压、老化程度等而变化，而且噪声干扰作用也较小。由于其特性很容易按不同要求而改变，所以它比模拟系统有很大的灵活性。其次，采用傅里叶变换、概率统计等方法可对数字信号进行各种变换处理，将信号变换成容易分析与识别的形式，便于估计和提取它的特征参量。随着计算机的存储量越来越大，可将大量信号及其处理结果存储在磁盘上，供日后分析或输入更高一级的计算机进行进一步处理；还可进行远程传送，实现信息共享；数字信号处理系统还可以进行分时操作。2在采用了数字信号处理技术后，可建立更加完善的反馈控制系统，如应用于火炮自动跟踪系统、工业机器人等，还可实现实时处理控制。随着半导体技术的迅速发展，大规模集成电路和微处理器成本下降，体积缩小及运算速度提高，数字信号处理的应用日益广泛。数字信号处理技术不仅能成大部分模拟信号处理的功能，而且还能完成许多模拟信号处理难以得到的性能。12国内研究现状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，结构简单且己有统一的国际标准，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0001。32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，都规定以铂锗10一铂热电偶作为63074一106443温度范围内的标准仪器。4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。3PN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50一150，也是最常见的温度范围。文献报导的一种电流输出型温度传感器在0一20内灵敏度可达106UA/，线性误差不超过士02，稳定性为002/4H。54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UP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0001，可作标准检测使用。5湿度是一个重要的物理量，而且直接跟生活挂钩的，这个物理量在日常生活中应用很广泛。其检测方法有多种，常用的湿敏元件主要有电阻式、电容式、碳湿敏元件和陶瓷湿度传感器四大类。1电阻式湿度传感器电阻式湿度传感器的感应速度较快，结构紧凑，而且适应性也优于机械式传感器。现有的电阻式湿度传感器大都采用与敏感层粘着方式，相互保持一定间隔，配置一对极薄的电极并对其间的电阻变化进行测量。湿敏层的电阻一般都相当高,而电阻值过大时湿度传感器输出的测量电路就相当复杂，并且易受外来噪声和漏阻的影响，不能做高精度传感器输出的测量。只有通过增大电极的对向面积或减小电极的间隙，来降低湿度传感器的电阻值。现有的电阻式湿度传感器大都采用照相印刷技术制作电极，尺寸精度受到限制，电极间隙也不可能减小到理想的程度。因此，电阻式湿度传感器的小型化便成为问6。2碳湿敏元件碳湿敏元件是美国的EKCARVER和CWBREASEFIELD于1942年首先提出来的，与常用的毛发、肠衣和氯化锂等探空元件相比，碳湿敏元件具有响应速度快、重复性好、无冲蚀效应和滞后环窄等优点，因之令人瞩目。我国气象部门于70年代初开展碳湿敏元件的研制，并取得了积极的成果，其测量不确定度不超过5RH，时间常数在正温时为23S，滞差一般在7左右，比阻稳定性亦较好。3陶瓷湿度传感器在湿度测量领域中，对于低湿和高湿及其在低温和高温条件下的测量，到目前为止仍然是一个薄弱环节，而其中又以高温条件下的湿度测量技术最为落后。以往，通风干湿球湿度计几乎是在这个温度条件下可以使用的唯一方法，而该法在实际使用中亦存在种种问题，无法令人满意。另一方面，科学技术的进展，要求在高温下测量湿度的场合越来越多，例如水泥、金属冶炼、食品加工等涉及工艺条件和质量控制的许多工业过程的湿度测量与控制。因此，自60年代起，许多国家开始竟相研制适用于高温条件下进行测量的湿度传感器。考虑到传感器的使用条件，人们很自然地把探索方向着眼于既具有吸水性又能耐高温的某些无机物上。实践已经证明，陶瓷元件不仅具有湿敏特性，而且还可以作为感温元件和气敏元件。这些特性使它极有可能成为一种有发展前途的多功能传感器。寺日、福岛、新田等人在这方面已经迈出了颇为成功的一步。他们于1980年研制成了称之为“湿瓷型”和“湿瓷型”的多功能传感器。前者可测控温度和湿度，主要用于空调，后者可用来测量湿度和诸如酒精等多种有机蒸汽，主要用于食品加工方面7。（4）光电式湿度传感器近年来,随着光纤技术和光集成技术的发展,光学湿度传感器受到极大关注并被广泛应用。该类传感器主要是利用光学材料在空气相对湿度发生变化后,材料媒介层理化性质会发生变化,从而引起波长、波导及反射系数等光学参数发生变化来进行湿度测量。由于光学湿度传感器具有体积小、响应快、抗电磁干扰、抗高温、动态范围大、灵敏度高等优点,使其在恶劣的环境中发挥天然优势。在极端环境测量领域,光电技术的应用解决了湿敏元件长期暴露在待测环境中,容易被污染及腐蚀,从而影响其测量精度及长期稳定性这一难题,促进了湿度传感器领域的非接触检测和无损检测8。（5）电容式湿度传感器电容式湿度传感器作为第三代湿度传感器的代表，以其测量范围宽、响应速度快、温漂小、稳定性好和使用方便等特点，得到了广泛的应用，但目前国内外生产的产品普遍存在着价格昂贵这一不利因素。本文根据谷物的介电常数随谷物湿度变化而改变的特性，采用湿度传感器的传统工艺，研制出了性能较为理想的廉价电容式湿度传感器。13研究的意义工业分工中越来越细，对食物，设备，零件等工业产品的存储提出了新的要求，不仅要求在常温常湿下能顺利运行，而且在一些对温度与湿度要求相当高的领域也能不出现任何问题，保证工业生产的有序性，这就对这些设备产品的生产，调试和存储，实验提出了一系列的新的要求，而传统的生产，调试，实验这些产品的设备并不能满足这些急剧增长的要求，故从源头上改变这样的情况成为了新的热点。基于AT89S52温度湿度测控系统，可把各监测点的数据与数据库信息有效的结合起来，既可以实现单个的测量控制，整体的控制而且能根据不同的情况要求，来从软件角度改变实际的功能，更加灵活。本论文以AT89S52温度传感器技术为基础构建简单的基于AT89S52温度湿度测控系统。基于AT89S52温度湿度测控系统的作用在于控制温度和湿度，创造不同的条件，从而能满足不同的生产的需要，改变零件、产品等对自然环境的依赖性，更好的促进工业生产，提高工业生产的效率。14文章结构本文从先从影响温度湿度测控的因素出发，分析温度湿度测控系统的误差，第三章重点介绍基于AT89S52温度测控系统硬件，第四章介绍基于AT89S52温度测控系统的软硬件实现，进行系统测试。第二章AT89S52温湿度测控系统的误差分析用传感器测量温湿度时，面临着复杂的传热影响。当传感器的测量端热平衡时，其温湿度趋于稳定，即传感器的测量端向外传递的热量是由气体的热量来补偿的，这就使传感器的测量端温湿度与气体温度产生一个微小的传递误差。在接触式测温中热量是由导热、对流和辐射三种形式传递的。为减小传热误差，计算、分析影响传热误差的因素是十分必要的。相对于本系统而言，可以采取多种的误差分析方法。21接触式测温中的导热误差在接触式测温中，将温度传感器安装插入在被测的流体中。当温度稳定时，传感器的插入深度不当是造成测量误差的主要原因。安装在容器或管道上的传感器测量端，可以认为是一根细长杆的导热，传感器的横截面一般为圆形，其内径远小于长度表面热阻又很大，故可认为传感器的测量端不存在径向温度梯度。这样沿测量端长度方向的导热可以按一维稳定导热来看待。根据热力学理论，可以推导出当测量温度达到稳定状态时，传感器热电偶端部的导热误差。FWFTTCHLM（21）公式中2A，代入（21）式有FWFTTCHL（22）归并整理式（22），得到被测气体实际温度为1WFTCHTAL（23）式中FT气流温度W热电偶测量温度T壁温L热电偶插入深度M综合传热系数热电偶周长气流与热电偶的对流传热系数热电偶导热系数D热电偶直径A热电偶截面积CH双曲余弦函数在已知热电偶插入深度L、对流传热系数D、直径D和器壁温度WT的情况下，根据热电偶指示温T，可按式（22）计算导热误差，按式（23）计算实际气体温度。从式（21）可知增加温度传感器的插入深度L是减小导热误差比较现实和有效的措施。增加插入深度也可增加对流传热面积和导热热阻。从式（21）不难得到，插入深度L应在4M到6M之间。L小于4M时，由L引起的误差显著增大，L大于6M时，对减小误差无显著影响。例如，分别使用钢保护套管和陶瓷保护套管的TP100热电阻，在室温下插入不同深度测量冰水混合物温度。得出测量误差与插入深度关系如图21所示。图21曲线为钢保护套管热电阻插入深度与误差关系曲线；曲线为陶瓷保护套管插入深度与误差关系曲线。图22说明了传感器插入深度与误差关系，理论与实际基本一致。同时也说明在同样介质条件下，要满足同样误差要求，导热系数大的传感器要比导热系数小的传感器插得更深一些。在确定传感器插人深度时，应十分注意的一个问题是传感器的断裂。当传感器插入管道时，流体经过保护套管的下游某处会产生漩涡即卡门漩涡。如果这种漩涡的频率接近传感器保护套管的固有频率，则长期在线使用时会使套管振动断裂。对这种情况，应改变保护套管的长度，使它的固有频率不同于漩涡的频率，必要时可以通过计算确定插入深度。因此，确定适当的插入深度可有效地减小测温误差。其次在器壁外面敷设保温材料提高器壁温度，并尽可能选取导热系数小的、直径细的传感器，也可以减小导热误差。22接触式测温中的辐射误差温度传感器与气体、器壁间的辐射传热将使其测量端的温度偏离被测气流的温度，这一误差称为辐射误差。因而在测量高温气流温度时，辐射误差远大于导热误差。若气体与热电偶的热交换以对流传热为主，不计辐射传热，当气流速度较大，气体的辐射能力小，此时热电偶与器壁间的辐射传热应等于气体以对流方式传给热电偶的热量，从而可得辐射误差。44010WFTT（24）式中一热电偶保护套管的黑度一对流传热系数2WCM一绝对黑体的辐射常数725610WKM由式24可知，在气体以对流传热为主时增加气流的流动速度，即增大对流传热系数可减少导热误差，同时也可以减小辐射误差。提高器壁温度也可以减小辐射误差，将热电偶安装在遮热罩中，就是基于这一考虑的。采用粗细不同的两对热电偶组成双热电偶，由于它们的直径不同其辐射散热面积不同，被测介质对它们的放热系数也不同。所以尽管热电偶的材料相同，它们所反映的被测温度却不同。如图24所示，由双热电偶测得的温度值2T和可推算出被测温度1T值，修正辐射误差，具体分析修正情况如下。当双热电偶的插入深度适当时，两支热电偶的辐射率相等，导热误差可忽略不计。由传热学理论得到所测的气体温度为12142211FWTTD（25）式中D1、D2热电偶直径T1、T2热电偶相应的指示温度WT器壁温度式中等号右侧第二项就是辐射误差修正值。在一般情况下，热电偶测量端的温度远大于器壁温度。即44WT故可得1211FTD（26）在测量气流温度时，用粗、细双支热电偶分别测得T1、T2，然后根据式（26）修正指示值，便可得到气流的实际温度。23温度传感器测量瞬态温度的误差温度传感器对其被测介质温度变化的响应是人们十分关心的问题。通常将温度变化分为斜坡式变化，即介质温度随时间从T1线性变化到T2；及阶跃式变化即介质温度按正弦曲线随时间常数表示等二种。时间常数随温度而变化。但在一般情况下，若被测介质温度变化相对较小时，可视热电偶、热电阻等温度传感器的时间常数为定值。假定传到传感器上的所有热量都是通过对流而来，而且所有传来的热量都被敏感器吸收。即系统的热阻集中在传感器测量端周围的对流传热膜上。而系统的热容量则集中在传感器测量端本身。利用牛顿冷却定律和布莱克的热容方程。推导出在时间为T时传感器温度T的微分方程的通解为01TTTTTCCEED27式中C积分常数，由边界条件确定TE在时间T时刻时的介质温度T一在时间T时的介质温度时间常数若被测介质温度以斜坡式变化，将T0、TT1C、TET2KT边界条件代人式27，K为介质温度变化率/S，得温度传感器对斜坡式温度变化的反应以温差表示为211TTETTTKEE28若被测介质温度以阶跃式变化，将T0、TT1C、TET2边界条件代入式28，得温度传感器对阶跃式温度变化的反应以温差表示为1NTEET29若被测介质温度以周期性变化，将TO、TT1C、SIN2WTET边界条件代入式（27）表示介质的强迫脉动频率，单位为弧度，得传感器的脉动幅度与介质的脉动幅度之比为MAX122T210由式27、28、29可知，动态误差与传感器的一阶惯性环节时间数有关，与传感器的静态精度及时间常数有关，与被测介质温度变化率有关。实际测温中，不同温度测点对传感器时间常数的要求是不一样的，应根据误差要求推算适宜的时间常数。对任何温度测点，都应选择时间常数较小的温度传感器，以尽量减少因温度传感器热惰性对而动态温度变化的测量误差。24相对湿度的温度补偿问题9在计量法中湿度定义为“物象状态的量”，即在一定温度时，单位体积的空气中所含水蒸汽的份量GM，相对湿度是指在一定温度时，空气中的实际水蒸气含量与饱和值之比，用百分比表示。日常生活中常用相对湿度RH表示表示空气状况，是可直接观测的最普通的湿度量值。绝对湿度ABSOLUTEHUMIDITY单位体积1M3的气体中含有水蒸气的质量，即3/VMIGV（211）式中M为待测空气中水蒸气质量；V为待测空气的总体积；LV为待测空气的绝对湿度。但是，即使水蒸气量相同,由于温度和压力的变化气体体积也要发生变化,即绝对湿度LV发生变化。LV为容积基准。如果把待测空气看作是一种由水蒸气和干燥空气组成的二元理想混合气体的话,根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程，可以得到如下关系式VEMIRT212式中E为空气中水蒸气分压；M为水蒸气的摩尔质量；T为空气的绝对温度。相对湿度RELATIVEHUMIDITY气体中的水蒸气压E与其气体的饱和水蒸气压ES的比，用百分比表示10SERH213我们在日常生活中一般使用相对湿度的概念10。一般来讲，温度和湿度存在着密切的关系，温度的高低会影响空气中水蒸气的含量，因而，在进行相对湿度测量时，要以温度对其校正。SHT11温度传感器具有很好的线性特点,因而，可用公式直接将温度读数（T0）转换成实际温度值，当电源电压为5V，温度传感器为14位时,转换公式如下041T（214）然而，SHT11的湿度输出具有一定的非线性，很难用线性关系将期表示出来。由上述可知，温度与湿度具有一定的相关性，因而，可在进行线性补偿后进行温度补偿得到较为准确的湿度值。为了补偿湿度传感器的非线性,可按下式修正湿度值2123LINEARRHRHRHCSO（215）式中LIR为经过线性补偿后的湿度值，RHSO为相对湿度测量值，C1、C2、C3为线性补偿系数，取值可查阅温湿度传感器SHT11数据手册11。由于温度对湿度的影响十分明显,而实际温度和测试参考温度25有所不同，所以对线性补偿后的湿度值进行温度补偿很有必要。补偿公式如下125RHLINEARRHTTSO（216）式中RH为经过线性补偿和温度补偿后的湿度值，T为测试湿度值时的温度，T1和T2为温度补偿系数,取值查阅温湿度传感器SHT11数据手册。第三章基于AT89S52温度湿度测控系统硬件设计目前，大多数温度测控显示系统还是利用传统的测温元件。如热电偶或热电阻将温度转化为电量经放大电路放大到适当的范围，再由AD转换器转换成数字量并利用单片机实现单点温度的测控，而且温度值仍是利用数码管进行显示。这种电路硬件接口复杂、调试难度较大、检测精度较低，特别是易受元器件参数变化的影响。如果要将其扩展为多点温度的检测与显示，更是会大大增加硬件设计难度。存在着许多不足。以单总线数字式温度传感器DSL8B20、AT89S52单片机、LM1602液晶显示模块为主体构建多点温度检测显示系统，具有硬件电路结构简单、转换精度高、显示结果清晰稳定、成本低等显著优点，多种需要多点温度检测的场合具有较好的应用前景。系统硬件设计分成三大模块，数据采集，数据处理，数据显示，数据控制。三个模块分别对应了传感器技术应用，单片机运算处理，单片机控制外围电路等方面的知识。图31系统基本硬件原理图方案一温度检测可以使用低温热偶或铂电阻，数据采集部分则使用带有A/D通道的单片机。考虑到一般的A/D输入通道都只能接收大信号，所以还要设计相应的放大电路。此方案的软件简单，但硬件复杂，且检测点数追加时，各敏感元件参数的不一致，都将会导致误差的产生，难以完全清除，而且成本会有较大增长幅度。方案二使用单片机和数字式单总线温度传感器构成。其具有下列特点具有高的测量精度和分辨率，测量范围大；抗干扰能力强，稳定性好；信号易于处理、传送和自动控制；便于动态及多路测量，读数直观；安装方便，维护简单，工总可靠性高。单总线温度传感器可以采用DALLAS公司生产的DS18B20系列，这类温度传感器直接输出数字号，且多路温度传感器可以挂在1条总线上，共同占用单片机的1个I/O口即可实现。在提升单片机I/O口驱动能力的前提下，理论上可以任意扩充检测的温度点数。对比后方案二更适合于用作本系统的实施方案。31温度数据采集系统311芯片封装特点（1）芯片封装特点DS18B20是由DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚数据采集温度湿度控制数据处理数据显示TO92小体积封装形式，温度测量范围55125。12与传统的热敏电阻相比，它能直接读出被测温度，并且可以根据实际要求通过简单的编程实现9位12位A/D转换精度，测量分辨率可达00625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，支持3V55V电压范围。从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写。（2）DS18B20性能特点（1）独特的单线接口，即可以通过串行口线，也可以通过其他I/O口线与微机接口，无需经过其他变换电路，直接输出被测温度值（2）多点能力使分布式温度检测应用得以简化（3）不需外部元件（4）不需要备份电源（5）用户可定义非易失性的温度告警设置（6）告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件。（3）DS18B20工作原理及应用DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是ROM只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H）后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20共64位ROM。RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9个字节为前8个字节的CRC码。我们的系统选择此芯片正是因为它很好的集成A/D转换与温度测量，减少了成本，同时方便我们的读取温度，芯片只有三个引脚，相对简单，方便使用。312DSL8B20性能特点DSL8B20是美国DALLAS公司LWIRE系列的高精度数字式温度传感器。1WIRE单总线是DALLAS的一项专有技术，它采用单根信号线，既传输时钟又传输数据信号，即DSL8B20与微处理器仅需一根数据线即可实现双向通信；DSL8B20温度测量范围为一55一125，测量分辨率为00625；DSL8B20提供912位精度的温度测量，通过编程可将测量温度转换为数字值直接读取，分别在9375INS和750腿内完成；每个DSL8B20有唯一的64位序列码，这使得允许有多个DSL8B20并联在一条单总线上工作，实现多点温度检测。正因为DSL8B20有以上诸多优点，因此，利用DSL8B20与单片机控制实现多点温度检测具有转换精度高、体积小、与微处理器接口简单等优势。这给系统硬件设计带来了极大的方便。13313DSL8B20内部结构与测温原理DSL8B20内部结构主要由64位光刻ROM、温度传感器、温度报警触发器TH和TL、高速存储器RAM、非易失性EEPROM几部分组成。其中64位光刻ROM是出厂前被刻录好的，它由8位产品系列号、48位的产品序号、8位CRC循环冗余检验码组成，DSL8B20的产品系列号均为28H，每个器件有自己唯一的48位产品序号，利用产品序号可以识别一条线上所挂的不同DSL8B20器件。这也正是多个DSL8B20可以共用一根数据线进行通信的原因。非埸失报警触发器TH和11L，可以通过软件写入温度报警的上下限值。DSL8B20的高速存储器RAM有9个字节，其中第1、2字节以补码的形式存放温度信息；第3、4字节是TH和RIL的拷贝，每次上电复位时被刷新；第5字节为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率；第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1；第9字节用于存放根据64位ROM的前56位计算得出的CRC值，并与事先已存入在64位ROM的最高有效字节的CRC值做比较以判断主机收到的ROM数据是否正确，从而保证DSL8B20与微处理器双向通信的正确性。配置寄存器字节的低5位一直是1，第7位TM是测试模式位，用于设置DSL8B20是在工作模式还是在测试模式，第6位、第5位分别是R1、R0，用于决定温度转换的精度位数，即用来设置分辨率14。分辨率的定义规定如表31所示。由表31可知，当设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长，因此，实际使用中要将分辨率和转换时间综合考虑。当DSL8B20接收到温度转换命令后，开始启动转换，转换完成后的温度值以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速存储器的第1、2字节。二进制中的高5位是符号位，如果测得的温度大于0，则高5位为0，可以直接将二进制数转换为十进制再乘以00625即可得到实际温度；如果测得的温度小于0，则高5位为1，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算其对应的十进制数并乘以00625得到实际温度。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在前、高位在后。DSL8B20完成温度转换后，把测得的温度值与RAM中TH、TL字节内容作比较，若温度大于TH或小于TL，则器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多个DSL8B20同时测量温度并进行报警搜索。314DSL8B20操作命令DSL8B20的操作指令有存储器操作命令与ROM操作命令两类，前者主要针对高速暂存器用于实现温度转换以及对温度数据的读出与存贮等，后者主要于识别不同的DSL8B20的序列号及类型等。操作命令如表31所示。表31操作命令命令代码用途温度变换（44H）应用温度转换读暂存器（BEH）度温度值和CRC值写暂存器（4EH）写上下限值到暂存器读EEPROM（B8H）将上下限值调入暂存器读电源（B4H）检测供电方式存储器复制暂存器（4EH）复制上下限值到暂存器读ROM（33H）读ROM64位序列号跳过ROM（CCH）跳过对单个ROM编码的搜索匹配ROM（55H）对多个ROM序列号寻址搜索ROM（F0H）对多个ROM编码搜索报警搜索（BCH）搜索报警的DB18B20315DSL8B20与系统硬件接口DSL8B20的优点在多点温度检测系统中可以更好地体现出来，DSL8B20的管脚只有3根，即电源、地、数据线，多点温度检测系统。在单片机系统中，一条数据线实际上最多只能接8个DSL8B20，如果实际应用中8个数字传感器还不能满足用户的要求的话，可以再增加使用单片机的其他数据线。通常在总线上接一个上拉电阻，这样，当总线空闲时，其状态为高电平。316温度数据采集模块接口电路如图32所示DS18B20只需要接到控制器（单片机）的一个I/O口上，由于单总线为开漏所以需要外接一个47K的上拉电阻。如要采用寄生工作方式，只要将VDD电源引脚与单总线并联即可。但在程序设计中，寄生工作方式将会对总线的状态有一些特殊的要求。图32硬件连接32湿度数据采集模块321SHT11湿度传感器的感湿原理SHT11传感器默认的测量温度和相对湿度的分辨率分别为14位、12位,通过状态寄存器可降至12位、8位。湿度测量范围是0100RH,对于12位的分辨率为003RH；测温范围为401238，对于14位的分辨率为001。每个传感器芯片都在极为精确的湿度室中标定，校准系数以程序形式储存在OTP内存中，在测量过程中可对相对湿度自动校准，使SHT11具有100的互换性。其测量过程如下首先利用2只传感器分别产生相对湿度、温度的信号；然后经过放大，分别送至A/D转换器进行模数转换、校准和纠错；再通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至微控器；最后利用微控器完成非线性补偿和温度补偿。SHT11湿度传感器采用的是平板电容器结构，在绝缘基片上用平面工艺分别形成上电极、介质层和下电极。介质层由被测物组成，其介电常数随其相对湿度呈线性关系，即XOKV44OXTTDKEE（31）式中X材料在不同相对湿度下的介电常数；O0RH介电常数；K常数；V相对湿度；DX元件在不同相对湿度时的电容量；T电容极板面积；E介质层厚度；K静电力常量。对于一个固定的元件,可以设124OTTKE（32）则12XDKV由上式可以看出，CX与V呈线性关系，从而由传感器电容量的大小即可决定环境中的相对湿度15。322硬件设计温湿度传感器芯片SHT11采用二线串行数字接口与89C51单片机进行通信，设计非常简单。根据芯片通信协议，软件采用C语言编写，通过简单的控制协议即可实现单片机对SHT11湿度数据采集工作16。SHT11通过二线数字串行接口来访问，所以硬件接口电路非常简单。需要注意的地方是DATA数据线需要外接上拉电阻，时钟线SCK用于微处理器和SHT11之间通信同步，由于接口包含了完全静态逻辑，所以对SCK最低频率没有要求；当工作电压高于45V时，SCK频率最高为100592MHZ，而当工作电压低于45V时，SCK最高频率则为1MHZ。硬件连接如图210所示。图33硬件连接33数据处理模块方案设计331芯片介绍AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS工艺（低功耗）8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH。AT89S52具有以下标准功能8K字节FLASH，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。17332AT89S52引脚功能P0口P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1、P2、P3口为准双向口，在内部差别不大，但使用功能有所不同。P1口用户专用8位准双向I/O口，具有通用的输入/输出功能，每一位都能独立地设定为输入或输出。当由输出方式变为输入方式时，该位的锁存器必须写入“1”，然后才能进入输入操作。P2口8位准双向I/O口。外设I/O设备时，可作为扩张系统的地址总线，输出高8位地址，与P0口一起组成16位地址总线。P3口作为通用I/O口与P1口类似准双口，P3口引脚有第二功能，具体定义如下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是单片机复位。表32单片机的输出口的特殊定义P30RXD串行口输出P31TXD串行口输入P32INT0外部中断0输入P33INT1外部中断1输入P34T0定时器0外部输入P35T1定时器1外部输入P36WR外部写控制P37RD外部读控制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反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。89C51单片机内部由运算器、控制器部件、寄存器及震荡电路等组成。存储器用于存储程序和数据。半导体存储器由一个个单元组成，每个单元可以一个编号（称地址），一个单元存放一个8位的二进制（即一个字节），当一个数据多于8位时就需要多个单元来存放。微机的存储器地址空间有两种结构形式，普林斯顿结构和哈佛结构普林斯顿结构特点是，微机只有一个地址空间，ROM和RAM被安排在这一地址空间的不同区域，一个地址对应唯一的一个存储器单元，CPU访问ROM和RAM使用的是相同的访问指令。8086、奔腾等微机采用这种结构。哈佛结构的特点是微机的ROM和RAM被安排在两个不同的地址空间，ROM和RAM可以有相同的地址，CPU访问ROM和访问RAM使用的是相同的访问指令。程序存储器用来存放编好的始终保留的固定程序和表格、常数。程序存储器以程序计数器PC作为地址指针，通过16位地址总线，可寻址64KB的地址空间。在8051/8751/89C51/89S51片内，分别有最低地址空间为4KB的ROM/EPROM/EEPROM程序存储器；而8031/8032片内，无内部ROM，必须外部扩展程序存储器EPROM851单片机具有扩展64KB外部数据存储器RAM和I/O端口的能力，外部数据存储器和外部I/O端口实行统一编址，并使用相同的控制信号、相同的访问指令MOVX，以及相同的寄存器间接寻址方式。由于本系统规模不大，没有涉及扩展外部数据存储器，所以这里不做详细介绍。内部数据存储器是使用最多的地址空间，所有的操作指令的操作数只能在此地址空间或特殊功能寄存器中。在基本型51子系列单片机中，只有128字节RAM，地址为00H7FH，它和SFR的地址空间是连续的；而在增强型52子系列单片机中，共有256字节内部RAM，地址范围为00HFFH,高128字节RAM和SFR的地址是重合的，究竟访问哪一块地址，是通过不同的寻址方式加一区分的。访问高128字节RAM采用寄存器间接寻址；访问SFR则只能采用直接寻址；访问低128字节RAM时两种寻址方式均可采用18。特殊功能寄存器（SFR）的地址范围为80HFFH。在MCS51中，除程序计数器PC和四个工作寄存器区外，其余21个特殊功能寄存器都在这SFR块中。其中5个是双字节寄存器，它们共占用了26个字节。这些特殊功能寄存器大体上分为两类，一类与芯片的引脚有关，另一类作片内功能的控制用。与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是P0P3，它们实际上是4个八位锁存器（每个I/O口一个），每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就构成了一个并行口。MCS51共有P0P3四个这样的并行口，可提供32根I/O线，每根线都是双向的，并且大都有第二功能。本文涉及到的特殊功能寄存器有P1、TOM