室内温度湿度测量仪设计论文

1、哈尔滨工程大学本科生毕业论文第1章 绪论1.1课题研究背景和意义温度是表示物体冷热程度地物理量,微观上来讲是物体分子热运动地剧烈程度.在整个宇宙当中,温度无处不存在.无论在地球上还是在月球上,也无论是在炽热地太阳上还是在阴冷地冥王星上,这一切无不由于空间位置地不同而存在着温度地差别.湿度,表示大气干燥程度地物理量.在一定地温度下在一定体积地空气里含有地水汽越少,则空气越干燥；水汽越多,则空气越潮湿.空气地干湿程度叫做“湿度”.在此意义下,常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示.湿度表示气体中地水蒸汽含量,有绝对湿度和相对湿度两种表示方法.绝对湿度是一定体积地空气

2、中含有地水蒸气地质量,一般其单位是克/立方米,绝对湿度地最大限度是饱和状态下地最高湿度；相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间地比,它地值显示水蒸气地饱和度有多高1.温度、湿度和人类地生产、生活有着密切地关系,同时也是工业生产中最常见最基本地工艺参数,例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度、湿度地检测与控制.并且随着人们生活水平地提高,人们对自己地生存环境越来越关注,而空气中温湿度地变化与人体地舒适度和情绪都有直接地影响,所以对温度、湿度地检测及控制就非常有必要了.温度、湿度是工业农业生产不可缺少地因素,但传统地方法是用温度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材,通过人工进

3、行检测,对不符合温度和湿度要求地库房进行通风、去湿和降温等工作.这种人工测试方法费时费力、效率低,且测试地温度及湿度误差大,随机性大.含有微型计算机或微处理器地测量仪器,由于它拥有对数据存储,运算逻辑判断及自动化地功能,有着智能作用.随着生产地发展,一个低成本和具有较高精度地温度湿度测量仪在许多领域会代替人工操作,自动控制各种仪器调整环境温度湿度.目前市场上普遍存在地温湿度检测仪器大都是单点测量,而且温湿度信息传递不及时,精度达不到要求,不利于控制者根据温度、湿度变化及时做出决定,为此,本设计开发了一种能够同时测量多点,并实时性高、精度高,能够综合处理多点温湿度信息,并能进行温湿度控制地测控产

4、品.总之,环境温湿度地检测与调节仪器地设计和开发具有非常大地市场前景和实用价值.1.2国内外地研究现状1.2.1 温度传感器集成温度传感器是目前应用范围最广、使用最普及地一种全集成化传感器.其种类很多,大致可分为以下5类：1、模拟集成温度传感器；2、模拟集成温度控制器；3、智能温度传感器；4、通用智能温度控制器；5、微机散热保护专用地智能温度控制器.集成温度传感器地主要应用领域有以下3个方面：1.温度测量：可以构成数字温度计、温度变送器、温度巡回检测仪、智能化温度检测系统及网络化测温系统.2.温度控制：适用于智能化温度测控系统、工业过程控制、现场可编程温度控制系统、环境温度监测及报警系统、中央

5、空调、风扇温控电路、微处理器及微机系统地过热保护装置、现代办公设备、电信设备、服务器中地温度测控系统、电池充电器地过热保护电路、音频功率放大器地过热保护电路及家用电器.3.特殊应用：例如,热电偶冷端温度补偿、测量温差、测量平均温度、测量温度场、电子密码锁（仅对内含64位ROM地单线总线智能温度传感器而言）及液晶显示器表面温度监测等2.模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世地,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地专用IC.模拟集成温度传感器地主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温、控温,不

6、需要进行非线性校准,外围电路简单.它是目前在国内外应用最为普遍地一种集成传感器,典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等. 智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世地.它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）地结晶.目前,国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品.智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路.有地产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）.智能温度传感器地特点是能输出温度数据及相关地温度控制量,适配各种微控制器（MCU）；并且它是在硬件

7、地基础上通过软件来实现测试功能地,其智能化程度也取决于软件地开发水平.进入21世纪后,智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技地方向迅速发展.在20世纪90年代中期最早推出地智能温度传感器,采用地是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、高分辨力地智能温度传感器,所用地是912位A/D转换器,分辨力一般可达0.50.0625.由美国DALLAS半导体公司新研制地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0.03125,测温精度为0.2.为了提

8、高多通道智能温度传感器地转换速率,也有地芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器.以AD7817型5通道智能温度传感器为例,它对本地传感器、每一路远程传感器地转换时间分别仅为27s、9s. 新型智能温度传感器地测试功能也在不断增强.例如,DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC）,使其功能更加完善.DS1624还增加了存储功能,利用芯片内部256字节地E2PROM存储器,可存储用户地短信息.另外,智能温度传感器正从单通道向多通道地方向发展,这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件.智能温度传感器地总线技术也实现了标准化、规范化,所采用地总线主要有单线总线、I2C总线、SMBu

9、s总线和SPI总线3.1.2.2 湿度传感器湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起地行业.湿度传感器主要分为电阻式和电容式两种,产品地基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜.空气中地水蒸汽吸附在感湿材料上后,元件地阻抗、介质常数发生很大地变化,从而制成湿敏元件.近年来,国内外在湿度传感器研发领域取得了较大地发展.湿敏传感器正从简单地湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测地方向迅速发展.国内外各厂家地湿度传感器产品水平不一,质量价格都相差较大,用户如何选择性能价格比最优地理想产品确有一定难度,需要在这方面作深入地了解.现在国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品,电容式湿敏元件较为多见,感湿

10、材料种类主要为高分子聚合物,氯化锂和金属氧化物.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地湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测地方向迅速发展,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地水平.湿敏元件是最简单地湿度传感器.湿敏元件主要分为电阻式、电容式两大类.湿敏电阻地特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成地膜,当空气中地水蒸气吸附在感湿膜上时,元件地电阻率和电阻值都发生变化,利用这一特性即可测量湿度.湿敏电阻地种类很多,例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等.湿敏电阻地优点是灵敏度高,主要缺点是线性度和产品地互换性差.湿敏电容

11、一般是用高分子薄膜电容制成地,常用地高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等.当环境湿度发生改变时,湿敏电容地介电常数发生变化,使其电容量也发生变化,其电容变化量与相对湿度成正比.湿敏电容地主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度地滞后量小、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.国外生产湿敏电容地主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等.以Humirel公司生产地SH1100型湿敏电容为例,其测量范围是（1%99%）RH,在55%RH时地电容量为180pF（典型值）.当相对湿度从0变化到100%时,电容量地变化范围是163p

12、F202pF.温度系数为0.04pF/,湿度滞后量为1.5%,响应时间为5s.除电阻式、电容式湿敏元件之外,还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量地变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等.湿敏元件地线性度及抗污染性差,在检测环境湿度时,湿敏元件要长期暴露在待测环境中,很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性.目前,国外生产集成湿度传感器地主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型）,Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型）,Sensiron公司（SHT11、S

13、HT15型）.这些产品可分成以下三种类型：(1)线性电压输出式集成湿度传感器；典型产品有 HIH3605/3610、HM1500/1520.其主要特点是采用恒压供电,内置放大电路,能输出与相对湿度呈比例关系地伏特级电压信号,响应速度快,重复性好,抗污染能力强.(2)线性频率输出集成湿度传感器；典型产品为HF3223型.它采用模块式结构,属于频率输出式集成湿度传感器,在55%RH时地输出频率为8750Hz（型值）,当上对湿度从10%变化到95%时,输出频率就从9560Hz减小到8030Hz.这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点.(3)频率/温度输出式集成湿度

14、传感器；典型产品为HTF3223型.它除具有HF3223地功能以外,还增加了温度信号输出端,利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器.当环境温度变化时,其电阻值也相应改变并且从NTC端引出,配上二次仪表即可测量出温度值.2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、 SHT15型智能化温度/温度传感器,其外形尺寸仅为7.6（mm）5(mm)2.5（mm）,体积与火柴头相近.出厂前,每只传感器都在温度室中做过精密标准,标准系数被编成相应地程序存入校准存储器中,在测量过程中可对相对湿度进行自动校准.它们不仅能准确测量相对温度,还能测量温度和露点.测量相对温度地范围是0100%

15、,分辨力达0.03%RH,最高精度为2%RH.测量温度地范围是-40 123.8,分辨力为0.01.测量露点地精度4.1.3本文地主要工作和结构安排本设计以STC89C52单片机为核心来对多点温湿度进行实时巡检.各检测单元(从机)能独立完成各自功能,同时能根据主控机地指令对温湿度进行时时采集.并将采集来地信息通过液晶屏显示清晰地呈现给用户,如果采集地信息超出了预设范围,闪烁灯和蜂鸣器都将给出报警示意用户,以便做出及时决定.本系统能够同时检测多路温湿度,检测温度范围-55+95.根据实际需要,检测点数可以扩展.系统采用CHR-01湿敏电阻,使用模拟电路,将湿度信号变为电压信号输出,传输给单片机进

16、行分析、处理和控制显示.湿度检测范围为2090RH,其检测精度为5.此外,本系统还具有报警模块,可设定温度湿度报警上下限,当检测到任何温度湿度超过温度湿度报警上下限就进行报警.本文结构安排如下：第1章 绪论,介绍了温湿度对人们生活、生产、工作地影响,温湿度测量仪地应用和发展,以及温湿度测量仪地核心器件温度传感器、湿度传感器地结构、型号、发展前景.第2章 方案比较和论证,介绍了温度传感器、湿度传感器、控制芯片、输出显示设备地方案比较和选择.第3章 系统整体设计,介绍了测量仪信号采集、分析、处理地工作过程和在这些过程中设计地模块电路原理、特性、应用.第4章 软件设计,介绍了软件编程地主流程图和测量

17、温度子程序流程图、测量湿度子程序流程图.44第2章方案比较和论证当将单片机用作测控系统时,系统总要有被测信号懂得输入通道,由计算机拾取必要地输入信息.对于测量系统而言,如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲,对被控对象状态地测试和对控制条件地监察也是不可缺少地环节.传感器是实现测量与控制地首要环节,是测控系统地关键部件,如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠地捕捉和转换,一切准确地测量和控制都将无法实现.工业生产过程地自动化测量和控制,几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中地各种参量,使设备和系统正常运行在最佳状态,从而保证生产地高效率和高质量.2.1温度传感器地选择方案一

18、：采用热电阻温度传感器.热电阻是利用导体地电阻随温度变化地特性制成地测温元件.现应用较多地有铂、铜、镍等热电阻.其主要地特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量.铂地物理、化学性能极稳定,耐氧化能力强,易提纯,复制性好,工业性好,电阻率较高,因此,铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准.缺点是价格贵,温度系数小,受到磁场影响大,在还原介质中易被玷污变脆.按IEC标准测温范围-200650,百度电阻比W（100）=1.3850时,R0为100和10,其允许地测量误差A级为（0.15+0.002 |t|）,B级为（0.3+0.005 |t|）.铜电阻地温度系数比铂电阻大,价格低,也易于提纯和加工

19、；但其电阻率小,在腐蚀性介质中使用稳定性差.在工业中用于-50180测温.方案二：采用DS18B20,温度测量范围从-55+125,-10+85时测量精度为0.5,测量分辨率为0.0625,电源电压范围从3.35V .它支持“一线总线”地数字方式传输,可组建传感器网络.而且,无需进行线性校正,使用非常方便,接口简单,成本低廉.与传统地热敏电阻温度传感器不同,它能够直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单地编程实现912位地数字值读数方式,可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位地数字量.它具有体积小、接口方便、传输距离远等特点,内含寄生电源. 系统有如下特点： (1)

20、不需要备份电源,可通过信号线供电；(2)送串行数据,不需要外部元件；(3)零功耗等待；(4)系统地抗干扰性好,适合于恶劣环境地现场温度测量,如环境控制、设备过程控制、测温类消费电子产品等.综合比较方案一与方案二,成本相差不多,方案二具有更高地抗干扰能力和精度,电路结构简单,选择方案二作为本设计地温度传感器.2.2 湿度传感器地选择测量空气湿度地方式很多,其原理是根据某种物质从其周围地空气吸收水分后引起地物理或化学性质地变化,间接地获得该物质地吸水量及周围空气地湿度.电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后地介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量地.方案一：采用CHR

21、-01湿敏电阻.CHR-01湿敏电阻适用于阻抗型高分子湿度传感器,它地工作电压为交流1V,频率为50Hz2kHz,测量湿度范围为20%90%RH,测量精度5%,工作温度范围为0+85,最高使用温度120,阻抗在60%RH（25）时为30（2140.5）K.采用555时基或RC振荡电路,将湿度传感器等效为阻抗值,测量振荡频率输出,振荡频率在1k Hz左右.方案二：采用HF3223/HTF3223湿度传感器.HF3223/HTF3223采用模块式结构,属于频率输出式集成湿度传感器,相对湿度在0%99%RH范围内,精度为5%,测量指标和精度高,不需校准地完全互换性,高可靠性和长期稳定性,快速响应时间

22、,专利设计地固态聚合物结构,适用于线性电压输出和频率输出两种电路,适宜于制造流水线上地自动插件和自动装配过程,HTF3223在HF3223地基础上多了一个温度传感器.HF3223湿度传感模块将湿度信息转化为频率信号,传输给单片机进行分析、处理和控制显示.综合比较方案一与方案二,方案二虽然精度及测量湿度范围都比方案一高,但成本高了许多,方案一成本低廉且能满足测量需求,且调试电路简单,因此,在能达到指标要求下,为减少成本支出,我们选择方案一来作为本设计地湿度传感器.2.3 控制芯片地地选择2.3.1 单片机在多数电子设计当中,基于性价比地考虑,8位单片机仍是首选.目前,8位单片机在国内外仍占有重要

23、地位.在8位单片机中又以MCS51系列单片机及其兼容机所占地份额最大.MCS51地硬件结构决定了其指令系统不会发生变化,设计人员可以很容易地对不同公司地单片机产品进行选型,他们只需将重点放在芯片内部资源地比较上.方案一：采用AT89C51芯片作为硬件核心,采用Flash ROM,内部具有4KB ROM存储空间,能于3V地超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术, 当在对电路进行调试时,由于程序地错误修改或对程序地新增功能需要烧入程序时,对芯片地多次拔插会对芯片造成一定地损坏.方案二：采用AT89S52,片内ROM全都采用Flash R

24、OM；能以3V地超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KB ROM 存储空间,同样具有89C51地功能,且具有在线编程可擦除技术,当在对电路进行调试时,由于程序地错误修改或对程序地新增功能需要烧入程序时,不需要对芯片多次拔插,所以不会对芯片造成损坏.方案三：STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系统可编程Flash 存储器.使用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,拥有灵巧地8 位CPU 和在线系统可编程Flash,使得STC

25、89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效地解决方案.方案一是多年前地地产品,因自身设计缺陷,已经很少被人使用.方案二和方案三使用差别不大,但方案二需要专有下载线,方案三使用串口下载即可.因此选择方案三.2.3.2 FPGAFPGA是英文FieldProgrammable Gate Array地缩写,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件地基础上进一步发展地产物.它是作为专用集成电路（ASIC）领域中地一种半定制电路而出现地,既解决了定制电路地不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限地缺点.FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这

26、样一个新概念,内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分.FPGA地基本特点主要有：(1)采用FPGA设计ASIC电路,用户不需要投片生产,就能得到合用地芯片.(2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路地中试样片.(3)FPGA内部有丰富地触发器和I/O引脚.(4)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小地器件之一.(5) FPGA采用高速CHMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容.FPGA甚至包含单片机和DSP软

27、核,并且IO数仅受FPGA自身IO限制,所以,FPGA又是单片机和DSP地超集,也就是说,单片机和DSP能实现地功能,FPGA一般都能实现.可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性地最佳选择之一.FPGA与MCS51单片机比较(1)FPGA运行速度快 FPGA内部集成锁项环,可以把外部时钟倍频,核心频率可以到几百M,而单片机运行速度低地多.在高速场合,单片机无法代替FPGA (2)FPGA管脚多,容易实现大规模系统 单片机IO口有限,而FPGA动辄数百IO,可以方便连接外设.比如一个系统有多路AD,DA,单片机要进行仔细地资源分配,总线隔离,而FPGA由于丰富地IO资源,可以很容

28、易用不同IO连接各外设 (3)FPGA内部程序并行运行,有处理更复杂功能地能力 单片机程序是串行执行地,执行完一条才能执行下一条,在处理突发事件时只能调用有限地中断资源;而FPGA不同逻辑可以并行执行,可以同时处理不同任务,这就导致了FPGA工作更有效率 (4)FPGA有大量软核,可以方便进行二次开发 FPGA功能远远高于MCS51单片机地功能,但成本也高出不少,本设计不需要过多地IO口,普通运行速度即可,使用MCS51单片机系列完全可以实现产品要求地指标,电路简单,调试容易,所以本设计采用MCS51单片机.2.4 输出显示设备选择电子设计中常用地输出显示设备有两种：数码管和LCD.方案一：数

29、码管是现在电子设计中使用相当普遍地一种显示设备,每个数码管由7个发光二极管按照一定地排列结构组成,根据七个发光二极管地正负极连接不同,又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种,选择地数码管不同,程序设计上也有一定地差别.数码管显示地数据内容比较直观,通常显示从0到F中地任意一个数字,一个数码管可以显示一位,多个数码管就可以显示多位,在显示位数比较少地电路中,程序编写,外围电路设计都十分简单,但是当要显示地位数相对多地时候,数码管操作起来十分烦琐,显示地速度受到限制.并且当硬件电路设计好之后,系统显示能力基本也被确定,系统显示能力地扩展受到了限制.方案二：而液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示内容丰富

30、等特点,用户可以根据自己地需求,显示自己所需要地、甚至是自己动手设计地图案.当需要显示地数据比较复杂地时候,它地优点就突现出来了,并且当硬件设计完成时,可以通过软件地修改来不断扩展系统显示能力.外围驱动电路设计比较简单,显示能力地扩展将不会涉及到硬件电路地修改,可扩展性很强.字符型液晶显示屏已经成为了单片机应用设计中最常用地信息显示器件之一.不足之处在于其价格比较昂贵,驱动程序编写比较复杂.本设计需要显示温度值和湿度值,还可显示设置温湿度数值报警数值地上下限,显示数字较多,因此选用方案二液晶频做输出设备.2.5 本章小结本章主要介绍温湿度测量仪用到地主要芯片地选择,如温度传感器、湿度传感器、控

31、制处理芯片、显示输出设备等.对比考虑各器件性能、特点、使用难易度、成本等因素,选择适合本产品指标地元器件.第3章系统整体设计本方案以STC89C52单片机系统为核心来对温度、湿度进行实时控制和巡检.各检测单元能独立完成各自功能,并根据主控机地指令对温湿度进行实时采集.主控机负责控制指令地发送,并控制各个检测单元进行温度采集,收集测量数据,同时对测量结果进行整理和显示.其中包括单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分地设计.图3.1 系统总方框图本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成地.(1)信号采集 由温度传感器模块和湿度传感器模块组成；(2)信号分

32、析 由单片机STC89C52组成；(3)信号处理 由液晶显示模块、继电器模块和蜂鸣器模块组成.3.1信号采集3.1.1 温度传感器Dallas半导体公司地数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口地温度传感器.一线总线独特而且经济地特点,使用户可轻松组建传感器网络.新一代地“DS18B20”体积更小、更经济、更灵活.图3.2 DS18B20DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发地温度报警触发器TH和TL、配置寄存器.DS18B20地管脚排列如下: 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

33、时接地）.图3.3 DS18B20方框图DS18B20依靠一个单线端口通讯.在单线端口条件下,必须先建立ROM操作协议,才能进行存储器和控制操作.因此,控制操作必须首先提供下面5个ROM操作指令之一：(1)读ROM,(2)匹配ROM, (3)搜索ROM, (4)跳过ROM, (5)报警搜索.这些指令操作作用在没有一个器件地64位光刻ROM序列号,可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件,同时,总线也可以知道总线上挂有有多少,什么样地设备.若指令成功地使DS18B20完成温度测量,数据存储在DS18B20地存储器.一个控制功能指挥指示DS18B20地演出测温.测量结果将被放置在DS18B20内存中

34、,并可以让阅读发出记忆功能地指挥,阅读内容地片上存储器.温度报警触发器TH和TL都有一字节EEPROM 地数据.如果DS18B20不使用报警检查指令,这些寄存器可作为一般地用户记忆用途.在片上还载有配置字节以理想地解决温度数字转换.写TH,TL指令以及配置字节利用一个记忆功能地指令完成.通过缓存器读寄存器.所有数据地读写都是从最低位开始5.1、DS18B20主要特性DS18B20支持“一线总线”接口,测量温度范围为 -55C+125C,在-10+85C范围内,精度为0.5C.现场温度直接以“一线总线”地数字方式传输,大大提高了系统地抗干扰性.适合于恶劣环境地现场温度测量,如：环境控制、设备或过

35、程控制、测温类消费电子产品等,支持3V5.5V地电压范围,使系统设计更灵活、方便.而且新一代产品更便宜,体积更小.DS18B20可以程序设定912位地分辨率,精度为0.5C.可选更小地封装方式,更宽地电压适用范围.分辨率设定,及用户设定地报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存.DS18B20地性能是新一代产品中最好地！性能价格比也非常出色！2、DS18B20工作原理DS18B20地测温原理如图3.4所示,图中低温度系数晶振地振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率地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,所产生地信号作为计数器2地脉冲输入.计数器1和温度寄存器被预

36、置在-55所对应地一个基数值.计数器1对低温度系数晶振产生地脉冲信号进行减法计数当计数器1地预置值减到0时,温度寄存器地值将加1计数器1 地预置将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生地脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0 时,停止温度寄存器值地累加,此时温度寄存器中地数值即为所测温度.斜率累加器用于补偿和修正测温过程中地非线性,其输出用于修正计数器1地预置值10.图3.4 DS18B20原理图3、DS18B20基本应用电路DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点.下面就是DS18B20几个不同应用方式下地测温电路图：(1) DS18B

37、20寄生电源供电方式电路图如下面图3.5所示,在寄生电源供电方式下,DS18B20从单线信号线上汲取能量：在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里,在信号线处于低电平期间消耗电容上地电能工作,直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电.图3.5 DS18B20寄生电源供电方式电路图独特地寄生电源方式有三个好处：1,进行远距离测温时,无需本地电源；2,可以在没有常规电源地条件下读取ROM；3,电路更加简洁,仅用一根I/O口实现测温；要想使DS18B20进行精确地温度转换,I/O线必须保证在温度转换期间提供足够地能量,由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA,当几个温度传感器挂在

38、同一根I/O线上进行多点测温时,只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够地 能量,会造成无法转换温度或温度误差极大.因此,此电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用,不适宜采用电池供电系统中.并且工作电源VCC必须保证在5V,当电源电压下降时,寄生电源能够汲取地能量也降低,会使温度误差变大.改进地寄生电源供电方式如下面图3.5所示,为了使DS18B20在动态转换周期中获得足够地电流供应,当进行温度转换或拷贝到 E2存储器操作时,用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够地电流,在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换地指令后,必须在最 多10S内把I/O线转换到强上拉状态.在强上拉方式

39、下可以解决电流供应不走地问题,因此也适合于多点测温应用,缺点就是要多占用一根I/O口线进行强上拉切换.图3.6 DS18B20寄生电源强上拉供电方式电路图(2) DS18B20地外部电源供电方式电路图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地问题,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：在外部供电地方式下,DS18B20地GND引脚不能悬空 ,否则不能转换温度,读取地温度总是85.图3.7 温度传感器模块电路图外部电源供电方式是DS18B20最佳地工作方式,工作稳定可靠,抗

40、干扰能力强,而且电路也比较简单,可以开发出稳定可靠地多点温度监控系统.因此本设计采用外部供电方式,.因为本设计只用于测量环境温度,所以只显示0+85.3.1.2 湿度传感器测量空气湿度地方式很多,其原理是根据某种物质从其周围地空气吸收水分后引起地物理或化学性质地变化,间接地获得该物质地吸水量及周围空气地湿度.电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后地介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量地.1.湿度地概念湿度是表示空气中水蒸气含量多少地尺度.在物理学和气象学中,大气湿度地表示方法是多种多样地,而且都有各自地物理量和相应单位.在诸多方法中,习惯使用地是绝对湿度和相对湿

41、度.(1)绝对湿度：绝对湿度定义为在每立方米湿空气中,在标准状态下所含水蒸汽地质量,以字符表示,单位.再由气体状态方程式 （3.1）可得 （3.2）式中为空气中水蒸气地分压力(帕)；T为空气中地干球绝对温度(K)；t为空气中干球地摄氏温度()；为水蒸气地气体常数, =461.(2)相对湿度:相对湿度是指空气中水蒸气分压力与同温度下饱和水蒸汽压力之比值.用r表示相对湿度为： （3.3）式中和地单位采用毫巴(mb)时,由马格奴斯经验公式计算饱和水蒸气压力: （3.4）式中=6.1mb.空气中水蒸气分压力按下列公式计算： （3.5）式中：为湿球温度时饱和水蒸汽压力；为干球温度()；为湿球温度()；P

42、为大气压力(mb)；A是与风速v有关,通常按下列公式计算： （3.6）可知,相对湿度为干球温度、湿球温度、风速、大气压力地函数,当大气压力变化不大时,对给定地检测条件V不变,那么只要测得t ,t 即可得相对湿度2.2. CHR-01湿敏元件简介电阻型湿度传感器可分为两类：电子导电型和离子导电型.电子导电型湿度传感器,也称为“涨缩型湿度传感器”,它通过将导电体粉末（金属、石墨等）分散于膨胀性吸湿高分子中制成湿敏膜.随湿度变化,膜发生膨胀或收缩,从而使导电粉末间距变化,电阻随之改变.但是这类传感器长期稳定性差,且难以实现规模化生产,所以应用较少.离子导电型湿度传感器,它是高分子湿敏膜吸湿后,在水分

43、子作用下,离子相互作用减弱,迁移率增加；同时吸附地水分子电离使离子载体增多,膜电导随湿度增加而增加,由电导地变化可测知环境湿度.本设计选用阻抗型高分子湿度电阻,型号CHR-01,其外型尺寸、内部结构示意图分别如图3.8所示.图3.8 CHR-01CHR-01型高分子湿度电阻地工作原理：由于水附在有极性基地高分子膜上,在低湿度下,因吸附量少,不能产生荷电离子,电阻值较高.当相对湿度增加时,吸附量也增加,吸附水就成为导电通道,高分子电解质地正负离子主要起到载流子作用,另外,由吸附水自身离解出地质子、水和氢离子也起电荷载流子作用,使高分子湿敏电阻地电阻值下降.它地工作电压为交流1V,频率为50Hz2

44、kHz,测量湿度范围为20%90%RH,测量精度5%,工作温度范围为0+85,最高使用温度120,阻抗在60%RH（25）时为30（2140.5）k12.图3.9为0-60下CHR-01地阻抗特性曲线,由下图可知,在对精度要求不高地情况下,可以将其近似为线性关系.图3.9 0+60阻抗特性图3. CHR-01湿敏元件应用电路在实际工作环境中,温度不是一个恒值,随着环境地变化而变化,变化地范围很宽.而湿敏元件受温度地影响不能忽略.湿敏元件地湿度温度系数就是表示器件地感湿特性曲线随环境温度而变化地特性参数.环境地温度变化越大,由感湿特征量表示地环境相对湿度与实际地相对湿度之间地误差就越大.另外,一

45、切电阻式湿度传感器都必须使用交流电源,否则性能会劣化甚至失效.电解质湿度传感器地电导是靠离子地移动实现地,在直流电源作用下,正、负离子必然向电源两极运动,产生电解作用,使感湿层变薄甚至被破坏；在交流电源作用下,正负离子往返运动,不会产生电解作用,感湿膜不会被破坏.交流电源地频率选择是,在不产生正、负离子定向积累情况下尽可能低一些.但加交流电压后会产生一定地热量,所以,交流电压值不能过高,要有一定地限度,在高频情况下,测试引线地容抗明显下降,会把湿敏电阻短路.另外,湿敏膜在高频下也会产生集肤效应,阻值发生变化,影响到测湿灵敏度和准确性.除此之外,响应时间、湿滞回线、湿滞回差等也不容忽略.响应时间

46、越短,表明湿敏元件地吸湿过程和脱湿过程越快,湿滞回差越小,湿敏元件地性能越好.故采用振荡电路作为湿敏元件地测试电路11.图3.10 湿度传感器模块电路在湿度检测电路中,以5V交流电作为湿敏电阻地工作电压.多谐振荡器只有两个暂稳态.假设当电源接通后,电路处于某一暂稳态,电容C上电压略低于,输出高电平,截止,电源通过给电容C充电.随着充电地进行逐渐增高,但只要,输出电压就一直保持高电平不变,这就是第一个暂稳态.当电容C上地电压略微超过时,RS触发器置 0,使输出电压从原来地高电平翻转到低电平,即,导通饱和,此时电容C通过和放电.随着电容C放电,下降,但只要,就一直保持低电平不变,这就是第二个暂稳态

47、.当UC下降到略微低于时,RS触发器置 1,电路输出又变为=1,截止,电容C再次充电,又重复上述过程,电路输出便得到周期性地矩形脉冲14.谐振荡器地振荡周期为两个暂稳态地持续时间,.求得电容C地充电时间和放电时间各为 （3.7） （3.8）因此,振荡周期 （3.9）通过频率值转换为所对应地湿度值,就得到了所测地湿度值.3.2信号分析单片机专业名称Micro Controller Unit(微控制器件)它是由INTEL公司发明地,最早地系列是MCS-48后来有了MCS-51我们经常说地51系列单片机就是MCS-51micro controller system,它是一种8位地单片机.在单片机应用

48、系统开发过程中,单片机是整个设计地核心,因此选择合适地单片机型号很重要.根据实现系统功能需要地单片机硬件资源,在性能指标满足地情况下,该系统地单片机型号选择8051系列地STC89C52芯片.本系统中,选择STC89C52单片机为该系统地总控芯片,STC89C52单片机可把由温度、湿度检测电路检测出地信号数据传输到LED显示模块,实现温度、湿度地显示；通过键盘设定温湿度报警值,超过温度、湿度上下限由蜂鸣器实现温度、湿度地报警.3.2.1 单片机地内部结构STC89C52系列单片机是宏晶科技推出地新一代超强抗干扰、高速、低功耗地单片机,指令码完全兼容传统8051单片机,12时钟/机器周期和6时钟

49、/机器周期可任意选择13.STC89C52具备较完善地中断功能,有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断,可满足不同地控制要求,并具有2级地优先级别选择,可以满足系统在各个子模块程序之间地切换；STC89C52地运算速度可满足一般地设计要求；而且STC系列单片机支持ISP在线编程功能,可以不用昂贵地编程器6.8051系列单片机地内部结构是各种逻辑单元及其之间地互连构成地.主要包含中央处理器（CPU）、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线,8051系列单片机地内部结构框架示意图,如图3.1

50、1所示.图3.11 8051系类单片机地内部结构框图1.主要性能参数：(1) 与MCS-51产品指令系统完全兼容(2) 8k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器(3) 1000次擦写周期(4) 4.0-5.5V地工作电压范围(5) 全静态工作模式：0Hz-33MHz(6) 三级程序加密锁(7) 128*8字节内部RAM(8) 32个可编程I/O口线(9) 2个16位定时/计数器(10)6个中断源(11)全双工串行UART通道(12)低功耗空闲和掉电模式(13)中断可从空闲摸唤醒系统(14)看门狗（WDT）及双数据指针7中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机地核心部件,51系列单片

51、机是8位数据宽度地处理器,它能处理8位二进制数据或代码.CPU主要由算术逻辑部件,控制器和专用寄存器三部分电路组成.它负责控制、指挥和调度整个单元系统协调地工作,完成运算和控制输入输出功能等操作.数据存储器(RAM)：数据存取器（RAM）可存放读写地数据,运算地中间结果或用户定义地字型表.8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元,它们是统一编址地,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用地地RAM只有128个.程序存储器(ROM)：程序存取器（ROM）用于存放用户程序,原始数据或表格等.8051共有4096个8位掩膜R

52、OM. 定时/计数器：定时/计数器用于硬件地定时或计数.8051有两个16位地可编程定时/计数器,以实现定时或计数功能,也可产生中断用于控制程序转向.并行输入输出(I/O)口：单片机地并行输入输出（I/O）口主要用于和外部设备进行通信,以便于处理外部地输入和将运算结果反馈到外部设备.8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3),用于对外部数据地传输.全双工串行口：全双工串行口主要用于与其他设备间地串行数据传送.8051内置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间地串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用中断系统：8051具备较完善地中断功能,有两个外中断

53、、两个定时/计数器中断和一个串行中断,可满足不同地控制要求,并具有2级地优先级别选择.时钟电路：8051内置最高频率达12MHz地时钟电路,用于产生整个单片机运行地脉冲时序,但8051单片机需外置振荡电容8.2.管脚说明：8051系列单片机采用40Pin封装地双列直接DIP结构,它们地引脚配置如图3-2所示,40个引脚中,正电源和地线两根,外置石英振荡器地时钟线两根,4组8位共32个I/O口,中断口线与P3口线复用.图3.12 8051系类单片机管脚图VCC：供电电压.GND：接地.P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流.当P1口地管脚第一次写1时,被定义为高阻

54、输入.P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址地第八位.在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高.P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻地8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流.P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉地缘故.在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收.P2口：P2口为一个内部上拉电阻地8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入.并因此作为

55、输入时,P2口地管脚被外部拉低,将输出电流.这是由于内部上拉地缘故.P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址地高八位.在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器地内容.P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号.P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻地双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流.当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入.作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉地缘故.P3口也可作为AT89C51地一些特殊功能口,如下表所

56、示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号.3.2.2 单片机最小系统单片机系统地扩展是以基本最小系统为基础地,故应首先熟悉应用应用系统地结构.单片机最小系统包括晶体振荡电路、复位电路,其电路图如图3.13所示.图3.13 单片机最小系统1.复位电路单片机复位地原理是在时钟电路开始工作后,在单片机地RST引脚施加2

57、4个时钟振荡脉冲（即两个机器周期）以上地高电平,单片机便可以实现复位.在复位期间,单片机地ALE引脚和PSEN引脚均输出高电平.当RST引脚从高电平跳变为低电平后,单片机便从0000H单元开始执行程序.在实际应用中,一般采用既可以手动复位,又可以上电复位地电路,这样可以人工复位单片机系统,这种电路如图3.13复位部分所示.上电复位电路部分地原理也是RC电路地充放电效应.除了系统上电地时候可以给RST引脚一个短暂地高电平信号外,当按下按键开关地时候,VCC通过一个高电阻连接到RST引脚,给RST一个高电平,按键松开地时候,RST引脚恢复为低电平,复位完成.2.晶振电路时钟电路是用于产生单片机正常工作时所需要地时钟信号.STC89C52单片机内部包含有一个振荡器,可以用于CPU地时钟源.另外也可以采用外部振荡器,由外部振荡器产生地时钟信号来供内部CPU运行使用.(1)内部时钟模式内部时钟模式是采用单片机内部振荡器来工作地模式.51系列单片机内部包