基于单片机的温湿度测量电路

1、课程设计说明书 第 页目 录1 绪论.11.1 课题描述.11.2 基本工作原理.12 系统设计方案的研究.22.1 系统的控制特点与性能要求.22.1.1 系统控制结构组成.22.1.2系统的性能特点.22.2 系统的设计原理.23 系统的结构设计.3 3.1 相对湿度检测电路.3 3.1.1 NE555 时基电路.4 3.1.2 基于 555 振荡电路的湿度测量电路设计.4 3.2 转换模块的设计.53.2.1 A/D 转换器ICL7135.53.3 处理器模块的设计.73.3.1 单片机 AT89C51 简介及应用.7 3.4 湿度的调节模块设计.113.5 显示模块设计.123.6 按

2、键模块的设计.13 4 软件的设计及实现.13总 结.15致 谢.16课程设计说明书 第 I页参考文献.17课程设计说明书 第0页1 绪论1.1 课题描述 在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天以及现代生活的各个方面，经常需要对环境湿度进行测量及控制。对于生物制药、食品加工、造纸等行业，准确的测量湿度更是至关重要的。此外，湿度还直接影响到人们的舒适程度和身体健康，但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其它因素的影响，湿度与大气压、温度呈函数关系1。因此，用常规的方法测量湿度的误差可达5%20%，此外，湿度的

3、校准也是一个难题2。过去用干湿球度计或毛发湿度计来测量、通过查表得到湿度的方法3，早已无法满足现代科技发展的需求。干湿球湿度计和普通的湿度计并能用做标定，就是因为标定后的精度无法保证。湿度的标定对环境条件要求十分严格，而在国外的湿度标定设备（例如过生产的 MC741HP 型湿度校准仪） ，价格又十分昂贵。本设计就是在此基础是，提出一种基于 AT89C51 单片机控制的比较简单而实用的湿度检测及控制方法4。1.2 基本工作原理本课程设计湿度控制系统由湿度检测电路、 CPU 监控电路、显示电路、 A/D 转换电路、排风与加热控制电路和微处理器等组成，其中微处理器 AT89C51 是整个系统的控制核

4、心。工作原理如下：湿度检测电路将当前环境湿度信号通过 A/D 转换后，送到处理器 AT89C51 中，然后处理器通过软件的运行，将当前湿度信号通过 LED 显示出来（显示相对湿度值） ，并且处理器通过程序的运行，判断当前湿度值是否在预先设定的范围之内。基本工作原理框图如图 1 所示。湿度传感器信号放大电路ADC0809 A/D 转换器89C51单片机系统发光二极管显 示电路图 1 基本工作原理框图2 系统设计方案的研究课程设计说明书 第1页2.1 系统的控制特点与性能要求2.1.1 系统控制结构组成湿度检测电路。用于检测空气的湿度。微控制器。采用 ATMEL 公司的 89C51 单片机，作为主

5、控制器。电源温压电路。用于对输入的 200V 交流电压进行变压、整流。键盘输入电路。用于设定初始值等。LED 显示电路。用于显示湿度5。功率驱动电路（湿度调节电路） 。系统结构图如图 2 所示。AT89C51电源电压的设计按键输入电路LED 显示电路功率驱动电路吹风机功率驱动电路蒸汽机湿度检测电路湿度传感器 图 2 系统结构图2.1.2 系统的性能特点（1）自动检测室内空气的湿度。（2）当室内空气湿度过高时，控制系统自动启动抽风机，减少室内空气中的水蒸气，以达到降低空气湿度的目的；当室内空气湿度过低时，控制系统自动启动蒸汽机，增加空气的水蒸气，以达到增加湿度的目的，使空气湿度保持在理想的状态6

6、。（3）数码管显示当前的湿度。（4）键盘设置及调整湿度的初始值。2.2 系统的设计原理课程设计说明书 第2页该湿度控制系统由湿度检测电路7、 CPU 监控电路、显示电路、 A/D 转换电路、排风与加热控制电路和微处理器等组成，其中微处理器 AT89C51 是整个系统的控制核心，它的原理电路如图 3 所示。工作原理如下：湿度检测电路将当前环境湿度信号通过 A/D 转换后，送到处理器 AT89C51 中，然后处理器通过软件的运行，将当前湿度信号通过 LED 显示出来（显示相对湿度值） ，并且处理器通过程序的运行，判断当前湿度值是否在预先设定的范围之内。假设不是，系统就会自动进行湿度的调节：当湿度检

7、测电路检测到当前环境湿度高于设定值的上限的时候，微处理器将使 P2.6 输出低电平，起动减湿控制电路使吹风机开始工作，开始排风散热降温；当湿度检测电路检测到当前环境湿度低于湿度设定下限时，P2.7 输出输出低电平，使蒸汽机控制电路工作，开始加热增加湿度8。系统硬件结构图如下图 3 所示。 图 3 系统硬件结构图3 系统的结构设计3.1 相对湿度检测电路 湿度检测系统的示意图如图4所示。课程设计说明书 第3页 图 4 系统示意图 湿度传感器 HS1101是采用专利设计的固态聚合物结构，具有响应时间快、高可靠性和长期稳定性特点， 不需要校准的完全互换性。可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家

8、电，工业控制系统等。在需要湿度补偿的场合他也可以得到很大的应用。HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。涉及如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号时，常用两种方法:一是将 HS1101置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再 A/D 转换为数字信号;另一种是将 HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。3.1.1 NE555时基电路 NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达200mA.。在多谐振荡器工作方式

9、时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一 个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，它可以延时数微秒到数小时。NE555的框图如图5所示。 图5 NE555框图课程设计说明书 第4页3.1.2 基于555振荡电路的湿度测量电路设计 湿度检测电路如图6所示。 图6 湿度检测电路图3.2 转换模块的设计3.2.1 A/D 转换器 ICL7135ICL7135 是目前市场上广泛流行的单片集成 4 位半双积分 A/D 转换器。由于ICL7135 具有 4 位半的精度（相当于 14 位二进制数） 、自动校零、自动极性输出、单一参考电压、动态字位扫描 BCD 码输出、

10、自动量程控制信号输出、价格低等特点。 （1） 主要参数 CMOS 集成电路；双积分转换技术；单一参考电压；采用 BCD 码扫描输出；能用闪烁显示的方式表示超量程状态；具有六路输入/输出（I/O）辅助信号，可以和微处理器相连，进行复杂的控制；具有自动转换量程的过和欠量程信号；允许差分输入；具有自动极性辨别功能和自动校零电路；双电源供电；准确度高 0.005%1 个字；输入漏电流低 1pA；分辨率高 14 位；零读数漂移 课程设计说明书 第5页0.5V/；输入阻抗高 109；转换速度慢 3 次/秒；噪声低 15V。 （2）引脚排列合引脚说明： V-：负电源输入端，典型值为-5V。 VREF：参考电

11、源输入端，典型值为 1V，参考电压的精度合稳定度将直接影响转换度。 D5、D4、D3、D2、D1：BCD 码数据的位选通信号输出端，分别分位万、千、百、十、个位。 B1、B2、B4、B8：BCD 码数据输出线。 BUSY：转换状态标志输出端。积分器在积分过程中（对信号积分和反向积分）BUSY 输出高电平，积分器反向积分过零后输出低电平。 CLK：时钟输入端。双极性模式：最高时钟频率为 125Hz,转换速度为 3 次/秒；单极性 。 模式：最高频率为 1MHz，这时转换速度为 25 次/秒。 AGND：模拟地， INTOUT：积分器输出。 AZIN：自调零输入端。 BUFOUT：缓冲放大器输出端

12、。 REFCAP-：外接参考电容引脚。 REFCAP+：外接参考电容引脚。 INLO：信号输入低端。 INHI：信号输入高端。 V+：正电源输出端，典型值为+5V。 DGND：数字接地。 POL：极性输出端。当信号为正时，POL 极性输出为高电平；输入信号为负时，POL 极性输出为低电平。 R/：启动转换/保持控制端。该端接高电平时，ICL7135 为自动连续转换状态， H1/2。一次 A/D 转换结束后，该端输出 5 个负脉冲，分别选通高位到低位的 BCD 码数据输出，可利用该信号把数据打入到并行接口中供 CPU 读取，这在和微处理接口时显得非常重要。课程设计说明书 第6页 OVERRANG

13、：过量标志输入端。当输入信号读数超过转换记数范围时，该引脚输出高电平。 UNDER：欠量程标志输入端。当输入信号读数小于 9%或者更小时，该端输出高电平。 ICL7135 引脚排列图如图 7 所示。 图 7 ICL7135 引脚排列图3.3 处理器模块的设计3.3.1 单片机 AT89C51 简介及应用1、AT89C51 性能及特点9AT89C51 是一种与 MCS51 单片机相兼容的、高性能的 8 位 CMOS 微控制芯片，采用 40 引脚 DIP 封装，片内带有 4KB 的快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM） 。是当前较先进的一种电擦除 8 位单片机，它与 MCS-51 指令系统完全

14、兼容，片内FPEROM 允许对程序存储器在线重新编程。ATMEL 公司生产的这种 89C51 微控制器，将具有多种功能的 8 位 CPU 与 FPEROM 结合在同一芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了设计灵活且价格适宜的方案。此外,AT89C51 还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及空闲和掉电两种可选的省电模式,在空闲模式下,CPU 停止工作,但 RAM,定时/计数器,串行口和中断系统仍然工作.在掉电模式下,只保存 RAM 的内容,振荡器停振,关闭芯片的所有其它功能,直到下一次硬件复位为止.其空闲和掉电两种工作方式以及静态逻辑运作等情况，与 MCSC51 相同。AT89C51 主要特性如下：课

15、程设计说明书 第7页 AT89S51 单片机引脚图如图 8 所示 。 图 8 AT89S51 单片机引脚图 与 MCS-51 产品兼容；4K 字节可编程闪烁存储器；寿命：1000 写/擦循环；数据保留时间：10 年；全静态工作：0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128*8 位内部 RAM；32 可编程 I/O 线；两个 16 位定时器/计数器；5 个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；可编程全双工串行；4KB 的在线可重复编程快闪存储器，写/檫可达 1000 次以上。2、端口及引脚介绍10：AT89S51 单片机的 40 个引脚中有 2 个专用于主电源引脚

16、，2 个外接晶振的引脚，4 个控制或与其它电源复用的引脚，以及 32 条输入输出 I/O 引脚。下面按引脚功能分为 4 个部分叙述个引脚的功能。 电源引脚 Vcc 和 VssVcc（40 脚）：接+5V 电源正端；Vss（20 脚）：接+5V 电源正端。 外接晶振引脚 XTAL1 和 XTAL2XTAL1（19 脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成采用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，该引脚接地；对课程设计说明书 第8页于 CHOMS 单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。 XTAL2（18 脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至片内振

17、荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于 CHMOS 芯片，该引脚悬空不接。 控制信号或与其它电源复用引脚 控制信号或与其它电源复用引脚有 RST/VPD、ALE/P、PSEN 和 EA/VPP 等 4 种形式。 （A） RST/VPD（9 脚）：RST 即为 RESET，VPD 为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。当 VCC 发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部 RA

18、M 供电，以保证 RAM 中的数据不丢失。 （B） ALE/ P （30 脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在 P0 口的低（C） PSEN(29 脚):片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期 PESN 两次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间，PESN 信号将不出现。 （D） EA/Vpp（31 脚）：EA 为访问外部程序储器控制信号，低电平有效。当 EA端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器 4KB（MS52 子系列为 8KB） 。若超出该范围时，自动转

19、去执行外部程序存储器的程序。当 EA 端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。对于片内含有 EPROM 的单片机，在EPROM 编程期间，该引脚用于接 21V 的编程电源 Vpp。 输入/输出（I/O）引脚 P0 口、P1 口、P2 口及 P3 口 (A).P0 口（39 脚22 脚）：P0.0P0.7 统称为 P0 口。当不接外部存储器与不扩展 I/O 接口时，它可作为准双向 8 位输入/输出接口。当接有外部程序存储器或扩展 I/O口时，P0 口为地址/数据分时复用口。它分时提供 8 位双向数据总线。对于片内含有 EPROM 的单片机，当 EPROM 编程时，从 P0

20、 口输入指令字节，而当检验程序时，则输出指令字节。 (B).P1 口（1 脚8 脚）：P1.0P1.7 统称为 P1 口，可作为准双向 I/O 接口使用。课程设计说明书 第9页对于 MCS52 子系列单片机，P1.0 和 P1.1 还有第 2 功能：P1.0 口用作定时器/计数器2 的计数脉冲输入端 T2；P1.1 用作定时器/计数器 2 的外部控制端 T2EX。对于EPROM 编程和进行程序校验时，P0 口接收输入的低 8 位地址。(C).P2 口（21 脚28 脚）：P2.0P2.7 统称为 P2 口，一般可作为准双向 I/O 接口。当接有外部程序存储器或扩展 I/O 接口且寻址范围超过

21、256 个字节时，P2 口用于高 8位地址总线送出高 8 位地址。对于 EPROM 编程和进行程序校验时，P2 口接收输入的8 位地址。(D).P3 口（10 脚17 脚）：P3.0P3.7 统称为 P3 口。它为双功能口，可以作为一般的准双向 I/O 接口，也可以将每 1 位用于第 2 功能，而且 P3 口的每一条引脚均可独立定义为第 1 功能的输入输出或第 2 功能。P3 口的第 2 功能如表 1 所示。表 1 单片机 P3.0 管脚含义引脚第二功能P3.0RXD (串行口输入端 0）P3.1TXD（串行口输入端）P3.2INT0 （部中断 0 请求输入端，低电平有效）P3.3INT1（中

22、断 1 请求输入端，低电平有效）P3.4T0（时器/计数器 0 计数脉冲端）P3.5T1（时器/计数器 1 数脉冲端）P3.6WR（部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7RD（部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）3.4 湿度的调节模块设计1、湿度调节的原理及结构框图当环境的湿度超出我们预先设定的湿度范围时，通过湿度检测电路以及 A/D 转换，把相应的信号送入主处理器 AT89C51 中，通过软件的判断，确定当前的湿度值是否在合适的范围，如果不是，就自动的发出信号，启动湿度调节，例如当相应环境湿度大于预先设定的湿度值时，通过单片机发出信号，经功率驱动放大电路，启动抽风机的课程设

23、计说明书 第10页工作，减少空气中水蒸气的含量，以达到降低空气湿度的目的；当环境相应湿度小于预先给定的湿度值时，仍然的通过单片机发出信号，经功率放大电路，启动加湿器的工作（其实也就是一个蒸汽机相关的机械） ，增加空气中的水蒸气，以达到增加空气中湿度的目的。总之，我们所要做的工作就是要使空气湿度保持在我们需要的理想状态。湿度调节电路的设计如图 9 所示。 单片机输出信号继电器吹风机/蒸汽机电源 图 9 湿度调节的结构框图2、湿度调节硬件结构图 图 10 为湿度控制硬件图，图中采用了两只光电耦合器件、两个继电器、和两只发光二极管。其中光电耦合器件是将处理器（单片机）输出的信号转换为继电器的输入信号

24、，而继电器又与吹风机和蒸汽机的电源线相连11，这样，处理器输出的信号就可以通过光电耦合电路和继电器电路来控制机械（吹风机或蒸汽机）的动作。湿度调节的硬件结构如图 10 所示。 图 10 湿度硬件控制电路3、湿度调节原理实现本湿度调节电路包含两个方面，一方面就是增加湿度的蒸汽机，也就是用来增加空气湿度的加湿设备，另一方面就是降低湿度的的吹风机，也就是用来减小空气中的课程设计说明书 第11页湿度，这两个方面合起来，就是实现空气湿度的自动调节。3.5 显示模块设计 1、LED 显示器的介绍 LED 显示器是由发光二极管组，其结构如图所示，其中 7 个发光二极管按“8”行排列，用于显示数字，字母等符号

25、，一个发光二级管圆点形状，右下角用于显示小数点，LED 显示器共阴极和共阳极两种类型12。 2、单片机与 LED 接口在单片机应用系统中 LED 显示器有动态和静态两种显示方式，所谓的静态显示方式就是需要在显示的字符各段通过连续的电流，动态显示方式就是需要显示的字符断续通过电流，对于动态显示，当需要显示多个字符时轮流给每个字符通以电流，由于轮流的速度很快，发光二极管的余辉以及人的视觉暂留等因素，虽然在同一时刻只有一个显示器通电，但人们看起来都是所有的显示器都稳定的显示。数码管显示原理如图 11 所示。 图 11 数码管原理图3.6 按键模块的设计键盘可分为两类：独立式和矩阵式，本文只用到了独立

26、式键盘，故只对独立键盘课程设计说明书 第12页作简要说明。 独立式键盘电路，各个键相互独立，每个按键独立的与一根输入线相连，一根线上的工作状态不会影响其他输入线的工作状态，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断那个按键按下了。 为中断方式，任何一个按键按下时通过门电路都会向 CPU 申请中断，在中断服务程序中读入 P1 口的值，从而判断是那个键被按下， 为查询方式，在平时，所有的数据输入线都通过上拉电阻被连接成高电平，当任何一个键被按下时，与之相连的数据输入线将被拉成低电平，要判断是否有键按下，只要用位处理指令即可。4 软件的设计及实现1、程序设计及其流程图如图 12 所示。 （a） 主程序

27、流程图 （b） A/D 转换子程序流图课程设计说明书 第13页 （c）显示子程序流程图 （d） 按键子程序流图 图 12 程序设计及流程图2、 程序流程图说明程序流程图说明：在本程序的设置中，A/D 转换是通过每次转换完成后产生中断来通知处理器，并将转换结果送如处理器的存储器中保存；显示子程序采用单独的子程序，作为主程序的调用子程序，以保证 LED 管的连续显示。主程序流程图如（a） ，将键盘查询子程序和显示调用子程序作为它的程序运行的循环环节；A/D 转换中断处理程序如程序流程图（b） ，采用中断处理程序，保持了湿度检测信号的不断及时更新；流程图（c）就是显示子程序，它直接通过单片机的端口，

28、不停的送出字位显示和字数的显示；（d）就是键盘处理子程序，键盘采用独立键盘，在有键按下时，首先判断那个键按下，然后根据相应的键作出相应的处理，在此程序中，键盘采用的是脉冲式按键方式，按键按下一下，处理器作出一次相应的回应。课程设计说明书 第14页 总 结 湿度检测技术一直是世界上的一个难题，本文在这里也只能是作出一些简单的探讨。 首先系统初始化由 HS1101 传感器读取环境湿度并自身将其转换成数字信号，然后送入 51 单片机，如果该数据低于预设最低值或高于预设最高值，则报警电路和控制电路将被接通，起到提醒和控制的作用，并将数据送入 51 单片机在 LCD 上显示。如果湿度正常即处于预设范围，

29、则报警电路和控制电路不会动作，并将数据送入单片机在LCD 上显示，之后进入下次的监控流程。 以 AT89S51 单片机为系统的湿度控制系统，可自动检测并显示湿度。可根据要求设定湿度的阈值进行控制，它克服了电子式湿度控制系统电路结构较复杂，控制精度低等特点。系统具有与上位机通信的功能，方便对湿度进行统一的管理，具有很强的实用性。课程设计说明书 第15页 致 谢 在此次课程设计完成之际，首先，在本课题的设计过程中，我的指导老师栗红霞老师倾注了大量的心血，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在设计过程中，老师给我提供了很多资料和专业知识的指导，借此向栗红霞老师表示最真

30、挚的谢意。 除此之外，在课程设计进行当中，我还要感谢我的同学，在我没有思路进行下去的时候，他们帮助我分析电路功能和电路结构，让我找到了切入点，在此深表感谢。感谢他们给予我的无私帮助，正是他们的鼓励和帮助之下，我得以顺利完成了这篇课程设计。最后再一次感谢所有在此次课程设计中曾经帮助过我的老师和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。课程设计说明书 第16页参考文献1 李玉忠.中国湿度与水分测量技术的现状J.分析仪器，2003 年第 l 期：2223.2 卢崇考，洲明军，露琳.湿度计量基准与标准传感器世界J.2000 年第 6 卷第 10期 ：1416.3 陈沛霖.空气湿度计算中大气压的影响

31、J.2002 年第 5 期：910 . 4 夏方林.一种基于单片机 AT89C51 的温湿度控制仪的设计J.工业仪表与自动化装置，1999 年第 6 期：57.5 廖惜春.基于 AT89C52 的温湿度智能监控系统的实现J.现代电子技术，2003年第 10 期：1012.6 李竹.简单温控和湿控电路的探讨J.山西师范大学学报（自然科学版） ，2003年3 月第 17 卷第 1 期：24.7 史军勇，冀捐灶，杨宝强.基于 AT89C2051 的温湿度控制仪J.电子技术 2004年第 1 期：1719.8 唐述宏.单片机构成的环境温湿度实时测控装置设计J.国外电子元器件，2004年第 4 期：34

32、35.9 丁元杰.单片机原理及应用M.机械工业出版社，1999.8 ：4048.10 余锡存.单片机原理与接口技术M.西安电子科技大学出版社，2003.411 余永权.单片机在控制系统中的应用M.电子工业出版，2001.112 龚永彬.采用单片机设计温湿度控制仪J.今日电子，2002 年第 2 期.课程设计说明书 第17页 附 录程序设计：（1）主程序设计： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP TIMA ORG 0100MAIN: MOV SP ,#40H ；给堆栈赋初值 MOV 20H,#00H ；给位存储单元清零MOV 71H,#20H ；相对湿度初始最小值 MOV 72H,#80H ；相对湿度初始最大值 MOV 73H,#00H ；当前相对湿度存储单元清零 MOV TMOD,#01H ； MOV TL0,#0BEHMOV TH0,#63