单片机控制DHT11传感器的课程设计报告

基于单片机的温湿度检测控制系统目录第1章一般设计概述11.1选题背景及意义11.2系统实现的主要功能11.3系统工作原理介绍11.4整体设计介绍21.4.1总体设计框图21.4.2总体设计及工作流程2第2章系统硬件设计32.1主控模块设计32.2DHT11传感器模块设计3DHT11传感器32.2.2DHT11传感器模块电路设计62.31602液晶模组设计62.3.11602液晶屏介绍62.3.21602液晶模组72.4阈值设置模块82.5报警模块8第三章系统软件设计93.11602液晶显示模块编程93.2传感器模块编程10第4章系统分析与调试124.1程序下载软件说明124.2遇到的问题及解决方法124.2.1硬件问题及解决方案124.2.2软件问题及解决方案13第五章结论与展望14附录15附录A硬件原理图15附录B最终实物图和介绍15附录C程序清单16第1章一般设计概述1.1选题背景及意义温度和湿度与人类的生产和生活息息相关，也是工业生产中最常见、最基本的工艺参数，如机械、电子、石油、化工等需要广泛检测和控制温度和湿度的行业。而且随着人们生活水平的提高，人们越来越重视自己的生活环境。空气中温湿度的变化直接影响人体的舒适度和心情，因此对温湿度的检测和控制是非常有必要的。8051单片机是控制中常用的芯片，在智能仪器仪表、工业检测与控制、机电一体化等方面取得了显著成果。它作为温度和湿度控制系统具有许多优势。使用8051单片机可实现全程温湿度自动控制，8051单片机易学易掌握，性价比高。温湿度控制系统采用8051单片机设计，可即时准确反映温室温度适度变化。完成例如加热到特定温度，冷却到特定温度。有各种控制方法，例如在温度上限和下限内保持恒温等，在湿度控制方面也是如此。将该系统应用到温室中，无疑将为植物的生长提供更适宜的环境。对于温室栽培、花坛和花卉栽培，必须在一些特定的环境中安装温湿度装置进行监测。该系统能准确反映房间温度和湿度随时间的变化，能满足温度和湿度的控制要求。1.2系统实现的主要功能本系统要实现的功能有：1、实时检测并显示温湿度。传感器DHT11检测到的温湿度值通过LCD1602实时显示，并以固定时间（5s）进行一次检测更新显示。2、手动设置报警阈值。通过三个按键实现温湿度阈值的设置，使系统更加人性化、智能化，具有更高的实用价值。3、当温湿度超过阈值时，自动报警。报警是通过发出蜂鸣器来提醒用户做出相应的改进措施来实现的。1.3系统工作原理介绍总的来说，这种设计主要涉及温度和湿度的测量、显示和简单控制。硬件方面，共有五个模块，分别是AT89S52MCU主控模块、传感器模块、LCD1602液晶显示模块、报警模块和阈值设置模块。主控模块已经给出，只需适当增加驱动电路即可。传感器模块采用DHT11数字温湿度传感器。通过DHT11检测当前环境中的温度和湿度，并将测得的数据交给AT单片机进行分析处理，并存储在不同的数组中用于显示时间。其中，为了显示稳定性，系统每5s采集一次数据，发送给单片机。1602液晶显示模块是实现温湿度检测值和阈值的显示。它以两行显示。上面一行表示湿度，下面一行表示温度值。两行的最后两位是阈值显示位。正常操作时按下按钮可隐藏。当需要调整阈值时，再次显示，方便调整。构建了友好的人机交互。蜂鸣器报警模块在检测值超过阈值时实现报警。本系统采用有源蜂鸣器，因此无论温度或湿度超过周围蜂鸣器，蜂鸣器都会以相同的频率发出警报。提醒工作人员，此时温湿度数据异常，需要时时调整，使用加热器、加湿器、冷却风扇和喷雾器可以有效调整实验室的温湿度。阈值设置模块通过三个按钮实现阈值设置功能。在不同的环境下设置阈值非常方便，不用每次都在程序中更改然后烧录，省去了繁琐的过程。1.4整体设计介绍1.4.1总体设计框图根据系统功能的具体要求，在保证其功能实现的基础上，尽可能降低系统成本。总体设计方案围绕上述思路，初步确定了系统方案，如图1-1所示。图1-1整体系统设计从图中可以看出，该系统由微处理器模块、DHT11传感器模块、阈值设置模块、1602字液晶显示模块、报警模块组成。在方案设计中，外围模块采用并联控制，简化了系统，提高了控制精度。本设计以AT89S52单片机为控制核心，实现温湿度采集与显示的基本功能。1.4.2总体设计工作流程 相对来说，这个设计有两个部分，如果理解了就可以设计。一个是液晶显示部分，另一个是DHT11传感器部分。传感器比较陌生，之前接触的不多，液晶也相对容易一些。所以，这一次先攻克液晶显示部分，再拿下传感器部分。整个过程如下图所示：图1-2总体设计流程图第二章系统硬件设计2.1主控模块设计 本课程设计使用的主控模块是老师给的以AT89S52为核心的最小系统。使用时将P1口作为与LCD的数据传输口，P2.0作为与传感器DHT11通讯的数据口，P2.1~P2.3作为阈值模块中三个按键的接口，P2.4~P2.6接液晶的RS、R/W、E端子，控制液晶显示，P2.7接蜂鸣器控制端子，控制报警模块的工作。2.2DHT11传感器模块设计2.2.1DHT11传感器介绍DHT11数字温湿度传感器是一款带校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器包括一个电阻式湿度传感元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位微控制器相连。因此，该产品具有品质优良、响应超快、抗干扰能力强、性价比高等优点。每个DHT11传感器都在极其精确的湿度校准室中进行校准。校准系数以程序的形式存储在OTP内存中，传感器部分在检测信号处理过程中需要调用这些校准系数。单线串行接口使系统集成变得简单快捷。超小尺寸，极低功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各种应用甚至最苛刻应用的最佳选择。该产品为4DHT11传感器实物图如下图2-1所示：图2-1DHT11传感器实物图(1)引脚介绍：Pin1：（VDD），电源引脚，供电电压为3~5.5V。Pin2：（DATA），串行数据，单总线。Pin3：（NC），空脚，请悬浮。Pin4（VDD），接地端，负电源。(2)接口说明：连接线长度小于20米时使用5K上拉电阻，大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。图2-2DHT11典型应用电路(3)数据框说明：DATA用于微处理器和DHT11之间的通信和同步。它采用单总线数据格式。通信时间约为4ms。数据分为小数部分和整数部分。具体格式如下所述。读数为零。操作流程如下：一个完整的数据传输是40位，高位先出。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bitt温度整数数据+8bit温度小数数据当数据传输正确时，校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据”结果的后8位。(4)电气特性：VDD=5V,T=25℃,表2-1DHT11的电气特性范围（健康）状况敏_典型最大限度单元供电直流355.5五电源电流测量0.52.5嘛平均0.21嘛支持100150uA采样周期第二1第二次评价注：采样周期间隔不得小于1秒。(5)时序说明：用户单片机发送一次启动信号，DHT11从低功耗模式切换到高速模式，等待主机启动信号结束，DHT11发送响应信号，发送40bit数据，触发信号采集，用户可以选择读取部分数据。在从机模式下，DHT11接收启动信号以触发温度和湿度采集。如果没有收到主机发送的启动信号，DHT11就不会主动采集温湿度。采集数据后，切换到低速模式。通信流程如下图2-3所示：图2-3通讯流程图总线空闲状态为高，主机拉低总线等待DHT11响应，主机必须拉低总线18毫秒以上，以保证DHT11能够检测到启动信号。DHT11收到主机的启动信号后，等待主机启动信号结束，然后发送一个80us的低电平响应信号。主机发出启动信号后，等待20-40us延时，从DHT11读取响应信号，主机发出启动信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平，总线被拉高由上拉电阻。图2-4通信初始化要求图总线为低电平，表示DHT11发出响应信号。DHT11发出响应信号后，将总线拉高80us，准备发送数据。每一位数据以50us的低电平时隙开始，高电平的长度决定数据。该位是0还是1。格式如下图所示。如果读响应信号为高电平，DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。当传输完最后一位数据时，DHT11将总线拉低50us，然后通过上拉电阻将总线拉高进入空闲状态。数字0信号表示方法如下图2-5所示：图2-5数字0信号电平变化图数字1信号表示方法如下图2-6所示图2-6数字1数据线电平变化图2.2.2DHT11传感器模块电路设计将DHT11传感器连接到微控制器相对简单。单片机的P2.0口用于发送和接收串口数据，即数据口。连接到传感器的Pin2（单总线，串行数据）。由于测量电路比20米那个小，加一个5K的上拉电阻，所以在传感器的pin2端口和电源之间接一个5K的电阻。传感器的电源端口Pin1和Pin4分别连接到单片机的VDD和GND端子。传感器的第三只脚悬空放置。原DHT11传感器电路原理图如下图2-7图2-7DHT11电路原理图2.31602液晶模组设计2.3.11602液晶介绍1602LCD是一种工业字符LCD，可以同时显示16x02或32个字符。（16列和2行）。在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已被用作计算器、万用表、电子手表和许多家用电子产品等许多电子产品的传递装置，可以看到，主要显示数字、特殊符号和图形。在单片机的人机通讯界面中，一般的输出方式有：发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单。图2-8LCD屏幕正面2.3.21602液晶模组液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压来控制其显示区域，有电就有显示，从而可以显示图形。液晶显示器具有厚度薄的特点，适合直接驱动大规模集成电路，易于实现全彩显示。目前已广泛应用于便携式电脑、数码相机、PDA移动通讯工具等诸多领域。Vo管脚，也就是第三个管脚，加了一个10K的滑动压敏电阻。压敏电阻的作用是调节液晶的显示对比度，通过调节滑动电阻来改变Vo的电压值，使液晶显示在最清晰的状态。图2-91602显示模块示意图2.4阈值设置模块 从左图可以看出。从上到下依次设置为K1、K2、K3按键，与单片机相连的引脚为P2.1~P2.3。 根据该模块，阈值设置分为三个模块，即湿度设置模式、温度设置模式和过阈值显示模式。K1为模式选择键。按一下设置湿度模式，按两次设置温度，按三下关闭阈值显示模式。K2和K3仅在湿度和温度设置模式下有效，阈值升高和阈值降低。 阈值设置模块是后来添加的。该设置非常人性化，普通人即可操作，无需每次都去程序设置阈值。图2-10阈值设置模块示意图2.5报警模块图2-11蜂鸣器示意图 该系统设计有一个有源蜂鸣器。只要给蜂鸣器一定的电流值，蜂鸣器就能以一定的频率发声，但单片机引脚的驱动电流比较小，不足以驱动蜂鸣器。工作，所以用一个NPN晶体管C9013来驱动它。第三章系统软件设计在我们对要设计的主题有一个整体的了解之后，我们首先需要建立一个程序框架的流程图，将整个设计划分为模块，一个一个地实现它们的功能，最后将各个子模块合理的连接起来。形成整体方案。图3-1主程序流程图3.11602液晶模组方案设计液晶显示模组是一种慢速显示设备。在执行每条命令之前，请确保模块的busy标志为低，表示不忙，则该命令无效。当要显示字符时，必须先输入显示字符地址，告诉模块它在哪里。逼真的人物。1602液晶显示模块可直接与单片机接口连接，无需额外驱动。软件流程图及调试结果如图3-2所示。图3-21602LCD模块程序流程图及LCD调试结果显示3.2传感器模块程序设计温湿度模块DH11数字温湿度传感器加湿器温湿度传感器随着科学技术的不断发展，汽车、空调、除湿机、干衣机等各式各样的电器已经走进了人们的日常生活，许多这些电气设备远离温度和湿度等环境因素的要求。因此，温湿度传感器的应用越来越广泛。新一代数字传感器不再需要外接AD转换模块，具有标准接口，使用方便，使用越来越多。作为一种新型的单总线温湿度数字传感器，DHT11具有更多的优势，它使系统设计更加简单，易于控制，易于实现。DHT11传感器模块的软件流程图和物理调试结果如图3-3.1和图3-3.2所示。图3-3.1DHT11传感器模块程序流程图图3-3.1DHT11传感器模块物理调试结果第四章系统分析与调试4.1程序下载软件说明本设计是在KeilC环境下开发的。KeilC软件支持C语言编程和调试，使用方便。当需要编程时，这是课程设计的首选。KeilC是我们比较熟悉的一款软件，可以直接用它来编写程序，生成16进制文件进行编程。程序编程使用Easy51Pro中的并行数据编程模式进行编程。软件运行界面如图4-1所示。图4-1程序编程软件运行界面图完成程序的调试和烧录后，需要进行演示，将开发板连接到电脑，设置相应的接口，完成供电和下载。下载完成后，连接好各管脚的线，启动电源，等待几秒，等待1602液晶屏正常显示当前温湿度。观察当前温度和湿度的变化。并且和自己设定的极限相比。如果当前温度不超过标准，则不超过限制。您可以用手盖住DHT11传感器，使其温度显示超标。测试是否可以实现报警，经过测试，完全可行。因此，简单地实现了温度控制。湿度控制的原理与温度的控制相同。4.2遇到的问题及解决方法4.2.1硬件问题及解决方案 硬件和软件问题相对较快地由硬件解决，因为它更容易检测错误。 1、单片机的EA端没有接高电平。LCD仿真完成后，这是在物理板上调试时犯的第一个非常低级的错误。当然，这个问题首先要归咎于它不是我们做的最小的系统，所以我们没有考虑到这个问题，导致偶尔会用到我们在仿真中用的很好的程序物理板。 最后，在老师的指导下，我们找到了原因。以后上电时，单片机可以自动启动工作，每次读取程序，都是从芯片的最低位开始。 2、蜂鸣器不响。后来加了报警器的时候没有问老师我们用的蜂鸣器是主动还是被动，所以这个问题困扰了我们一小会儿。当时以为是无源的，所以用高低电平驱动，还测试了控制脚输出电压的变化，最后还是没有声音。后来不小心把蜂鸣器直接接了正负极，就发出声音了。这时，我们意识到我们忽略了它是一个有源蜂鸣器。 但这并没有解决问题，因为单靠蜂鸣器的引脚输出电流是不足以驱动蜂鸣器的，后来又加了一个NPN晶体管来驱动蜂鸣器。但是在P2.7接口加的电阻比较小的时候，还是不能驱动的。这可能是因为电阻太小，钳位电压太低。一开始用的是2K电阻，但是蜂鸣器不响。改成10K电阻后，蜂鸣器会发出吱吱声，但不连续。最后改成24K再接单片机控制端，就可以自由驱动了。蜂鸣器响起。4.2.2软件问题及解决方案 这个课程设计可以说大部分时间都花在了软件调试上。毕竟，软件调试不如硬件直观。这对我们来说是一个瓶颈，我们需要突破它。1、下载程序时，对编程软件Easy51Pro不熟悉。之前没用过这个软件，下载的时候很容易出问题。当然，解决这个问题是最容易的。我直接找了老师，然后老师过来给我们看了一次，问题就解决了。2.显示结果不稳定，变化快。由于程序一开始一直在采集数据然后显示，单片机一直这样做，会导致显示不稳定，尤其是湿度变化非常快，基本不稳定。当然，解决问题的方法是在固定时间后收集一次，而不是一直收集。一开始我的想法是用延迟程序来做，因为这种思路比较简单，但是也出现了这样的弊端，就是占用了单片机的资源，以至于单片机总是执行无用的语句来占用时间，所以最后结合阈值设置模块，使用定时器实现5s定时。3.按钮添加到阈值设置模块后，按钮不能一直按预期工作。一开始以为是硬件部分连接不好，用万用表检查了半天，电平变化是正确的。挣扎了一个下午，晚上回宿舍还在想这个问题。主要是这个在仿真中可以用，但是实时不好用，所以大家都以为是硬件问题。但是第二天早上，我发现当按键时间比较长的时候，比如6s左右，单片机还是可以读到按键的。我立刻想到了。事实证明，我们程序中的单片机并不是一直在扫描键盘，而是仅仅一句话就进行了扫描，这样按键比五百万还好用。一旦发现问题，解决它就容易得多。之后，当单片机在5秒定时内不断扫描键盘时，按键大部分时间都是有效的。第五章结论与展望在这短短的几天里，我最大的感受就是模拟的和实物的差距真的很大。相同的程序可以在仿真中使用，但不能在物理板上使用。后来分析其实是不能用的，但是仿真给了我们一个错误的结果显示，只能说明仿真只是一个仿真，只能作为我们的一个参考而已。经过近两周的奋斗，从拿到职称，到找资料、理论学习、实验编程调试，这一切都让我的理论知识和实践能力有了很大的提高。了解单片机的硬件结构和软件编程方法，对单片机的工作模式有深入的了解。同时对传感器、液晶屏、键盘、蜂鸣器等一些外围设备有一定的了解！但由于我们水平有限，这个设计存在一定的不足。比如温湿度的精度比较低，这也和传感器有一定的关系，硬件的布局设计不够美观。以后如果有机会，应该自己制作印制板，然后把电路板美化得更完美。温湿度控制已成为21世纪的研究热点之一。无论是生产还是生活，都与我们人类息息相关。而温湿度的智能控制已成为必然。随着世界经济的发展，人民生活水平的提高和社会的进步。我们不能一直墨守成规，也不能过去用人力来控制温度和湿度。不仅浪费了大量的人力和财力，而且控制系统更加简单。采用自动控制不仅节省了人力资源，更体现了与时俱进、世界在进步的思想，而这种进步应该体现在方方面面。附录附录A硬件原理图附录B最终实物图及介绍液晶正面显示的音量为温湿度实时监控显示，上下两行最后两位为阈值显示。中间的三个按键分别是：最上面一个是模式切换按键，按一次是湿度调节模式，按两下是温度调节模式，按三下不显示阈值，立即生效每次调整后。底部的两个键分别是增加和减少阈值键。左下角的蜂鸣器是报警装置。当温度和湿度中只有一个超过其阈值时，蜂鸣器会发出警报，提醒人们采取相应的措施。液晶前面的滑动变阻器用于液晶的对比度调节。附录C程序列表//******************************************************************////单片机：AT89S52//功能：串口发送温湿度数据晶振12M//硬件连接：P2.0口是连接DHT11的通讯口，DHT11的电源和地接单片机的电源和地。//******************************************************************//#include<reg52.h>#defineLCD_DBP1无符号字符s1[5]；无符号字符s2[5]；位LCD_RS=P2^4;位LCD_RW=P2^5;位LCD_E=P2^6;位P2_0=P2^0;sbitmoshi=P2^1;sbitINC=P2^2;sbitDEC=P2^3;位SPK=P2^7;/******定义函数****************/#defineuchar无符号字符#defineuint无符号整数typedef无符号字符U8；/*无符号8位整数变量*/typedefunsignedintU16;/* 无符号16位整数变量*/ucharcount1=70,count2=35;ucharmoshicount=0;ucharTD=0;//计时次数U8U8标志；U8U8count，U8temp；U8U8T_data_H,U8T_data_L,U8RH_data_H,U8RH_data_L,U8校验数据；U8U8T_data_H_temp，U8T_data_L_temp，U8RH_data_H_temp，U8RH_data_L_temp，U8checkdata_temp；U8U8通信数据；voidLCD_init(void);//初始化函数无效LCD_write_command（uchar命令）；//写命令函数无效LCD_write_data（uchar数据）；//写入数据函数无效LCD_disp_char(ucharx,uchary,uchardat);//在屏幕的某个位置显示一个字符，X(0-16),y(1-2)voiddelay_n40us(uintn);//延时函数//************************************//************LCD初始化函数****************无效LCD_init(无效){ LCD_write_command(0x38);//设置8位格式，2行，5x7 LCD_write_command(0x0c);//整体显示，关闭光标，不闪烁 LCD_write_command(0x06);//设置输入法，增量不移位 LCD_write_command(0x03);//清除屏幕显示 延迟_n40us（100）；}//************************************//********定时器初始化函数**********无效定时器初始化（）{ TMOD=0x01； TH0=-50000/256； TL0=-50000%256； EA=1； ET0=1；}//************************************//********写指令函数************无效LCD_write_command(uchardat){LCD_DB=数据； LCD_RS=0;//命令 LCD_RW=0;//写入 LCD_E=1;//允许延迟_n40us（1）；LCD_E=0； 延迟_n40us（1）；}//************************************//********写数据函数**************无效LCD_write_data（uchar数据）{LCD_DB=数据； LCD_RS=1;//数据 LCD_RW=0;//写入 LCD_E=1;//允许延迟_n40us（1）；LCD_E=0；延迟_n40us（1）； }//************************************//*********显示一个字符函数*********无效LCD_disp_char(ucharx,uchary,uchardat){uchar地址；如果（y==1）地址=0x80+x；别的地址=0xc0+x；LCD_write_command（地址）；LCD_write_data（数据）；}//************************************//********日常函数***************无效延迟_n40us（uintn）{ uinti;ucharj; 对于(i=n;i>0;i--)for(j=0;j<2;j++);}无效延迟_10us（无效）{U8一世；一世-;一世-;一世-;一世-;一世-;一世-;}无效延迟（U16j）{ U8一世； for(;j>0;j--) for(i=0;i<27;i++);}//********单字节数据传输函数*********无效COM（无效）{U8i;对于(i=0;i<8;i++) {U8FLAG=2； 而（（！P2_0）&&U8FLAG++）；延迟_10us();延迟_10us();延迟_10us();U8温度=0；如果（P2_0）U8temp=1；U8FLAG=2；而((P2_0)&&U8FLAG++); //如果超时则退出for循环 如果（U8FLAG==1）中断； //判断数据位是0还是1 //如果高电平高于预定的0高电平值，则数据位为1U8comdata<<=1;U8comdata|=U8temp; }}******微控制器和传感器通讯功能*********空隙相对湿度（空隙）{ //主机下拉18msP2_0=0； 延迟（180）； P2_0=1；//总线通过上拉电阻上拉，主机延时20us 延迟_10us(); 延迟_10us(); 延迟_10us(); 延迟_10us(); //主机设置为输入判断从机响应信号 P2_0=1； //判断slave是否有低电平响应信号，没有响应就跳出来，有响应就跑下来 如果（！P2_0） //T！ {U8FLAG=2； //判断从机是否发送80us的低电平响应信号 而（（！P2_0）&&U8FLAG++）；U8FLAG=2； //判断slave是否发送80us高电平，如果是则进入数据接收状态而((P2_0)&&U8FLAG++); //数据接收状态 通信（）；U8RH_data_H_temp=U8comdata;通信（）；U8RH_data_L_temp=U8comdata;通信（）；U8T_data_H_temp=U8comdata；通信（）；U8T_data_L_temp=U8comdata；通信（）；U8checkdata_temp=U8comdata;P2_0=1； //数据校验 U8temp=(U8T_data_H_temp+U8T_data_L_temp+U8RH_data_H_temp+U8RH_data_L_temp); 如果（U8temp==U8checkdata_temp） { U8RH_data_H=U8RH_data_H_temp； U8RH_data_L=U8RH_data_L_temp；U8T_data_H=U8T_data_H_temp； U8T_data_L=U8T_data_L_temp； U8checkdata=U8checkdata_temp； }//湿度整数部分s1[0]=(char)(0X30+U8RH_data_H/10);s1[1]=(char)(0X30+U8RH_data_H%10);//湿度的小数部分s1[2]=(char)(0X30+U8RH_data_L/10);//温度整数部分s2[0]=(char)(0X30+U8T_data_H/10);s2[1]=(char)(0X30+U8T_data_H%10);//温度的小数部分s2[2]=(char)(0X30+U8T_data_L/10);}}//************************************//LCD显示函数无效显示（）{ LCD_disp_char(0,1,'s'); LCD_disp_char(1,1,'h'); 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