《基于单片机的空气温湿度测量仪设计》5600字【论文】

基于单片机的空气温湿度测量仪设计目录TOC\o"1-2"\h\u73011、引言 中文摘要题目：空气温湿度测量仪设计摘要：随着国家不断深化清洁能源的发展，近些年国内的光伏发电所的建设愈发增多，光伏发电设备因依靠太阳光直接照射产生电能，因此受太阳光照射的影响十分重大。太阳光含多种光谱，其中，不能被光伏发电板直接转换的光源将会被转换成热能，使光伏发电组件的温度升高，严重情况下将会损伤组件。因此，光伏组件测量都需要恒定的温度,光伏组件本身的温度是影响它功率的最主要的因素之一。空气温湿度的测量对光伏组件的功率测试十分重要。通过比较多种温湿度测量方法，设计一种基于单片机的空气温湿度测量仪。文此次设计的温湿度报警器，硬件包括了STC89C51单片机+蜂鸣器报警+LCD1602液晶显示+DHT11温湿度模块+蜂鸣器+按键，测量温度的范围为0°-99°，主要是通过温度值来做到报警提醒作用，当所处的环境中，温度的值高于机器设定范围的时候，就会触发报警设备，提醒人们关注，从而减少因温度问题而导致的损失。关键词：STC89C51单片机DHT11温湿度传感器数字温度控制1引言温度湿度作为日常生产的重要环境测量参数，他们可以直接反映出这个环境具体情况，给其他生产工作做出参考价值。极端的温湿度环境可能会引起机器不正常运行，所以温湿度检测的准确度是非常重要的环境条件，现在采用经典STC89C51单片微控制机和DHT11数字温度湿度传感器组建一个简单结构、可靠性实用性高的温湿度监控系统，期待此设计可以在生活中得到广泛的应用，具有较强的实用价值[1]。1.1研究背景如今是二十一世纪，这个世纪科技发展迅速，在科技的推动下，电子产品被广泛运用于社会的每一个行业领域，强有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化的挺高，因此电子产品的性能和更新换代，越来越高越来越快，从而使得人们的生活质量大幅度提高。随着社会的各方面发展，生产环境的温湿度在生产生活越来越重要，适合的环境可以让精密的生产设备仪器更好的工作。随着科学的发展，科研设备越来越精密化微型化，精密设备对环境的要求也越来越高。所以,在科学研究过程中,对温湿度的监控测量尤其重要，以此推进科学研究，更好的应用在生产生活中，来提高人们的生活质量[2]。传统的测量方法是利用有线传输检测数据，实际应用在生产生活中局限性比较大而且成本过高。在这样的背景下，组建一个实用且成本低廉的温湿度监控检测系统非常重要。在传统的测量方法上加上无线通信技术，可以更灵活的运用在生产生活上。如今，单片机技术飞速发展，它在一定程度上突破了传统，朝着平民化发展，价格降低了、性能却提高了，体积缩小了但容量增大了，同时对于损耗方面也有所改善。就拿用软件代替硬件这一现象来说，就是对传统控制技术的挑战，是微控制技术的升级，就像我们的数字电视，之前多由数字电路或模拟电路来满足对功能的需求，而现在用单片软件计数就可以实现。单片机模块中最常见的就是传感器了，温湿度显示系统是一种基于单片机的运用数字电路实现显示的装置，广泛应用于社会生产实践。1.2研究目标以及实现功能为了使温湿度报警器更简单、更便捷、、更智能、更容易读取。此温湿度报警器可以通过手动来设置温湿度上限和下限。这个温湿度警报器还加装了LCD1602字符型液晶显示器，这项措施能让使用者在测量温湿度的基础上，更为简单便捷清楚的了解温湿度的值。实现功能：可以手动设置温湿度警报的上限和下限温湿度采集：取用了DHT11温湿度传感器来对室内的空气温湿度测量，湿度在10%-95%RH，温度在0℃-99℃之间。液晶显示：本设计采用了LCD1602液晶同时显示，主要涉及的六项控制指标值，分别是实时温度、湿度值、温度上限值、湿度上限值、温度下限值、温度上限值，呈现方式简单、直观、明了。可加红外遥控功能，该功能既能解放双手，同时还兼容遥控、手工双调节功能，可以通过遥控器完成控制，也能手动控制。带有温度，湿度控制和声光报警等多重提醒功能：温度：当测量温度高于温度报警器设置上限时，蜂鸣器响，降温继电器吸合,对应指示灯亮,可外接风扇降温；当测量温度低于设置下限时，蜂鸣器响，升温继电器吸合,对应指示灯亮,可外接加热器升温。湿度：当测量湿度高于湿度报警设置的上限值时，蜂鸣器响，除湿继电器吸合,对应指示灯亮,可外接风扇除湿；当测量湿度低于湿度报警设置的下限值时，蜂鸣器响，加湿继电器吸合,对应指示灯亮,可外接水泵增湿。蜂鸣器报警：该声音对使用者可以达到及时提醒的效果。2总体方案设计2.1方案设计运用单片机来控制系统，是本文涉及的思路，单片机目前是应用相对较广泛的模块之一，本文选择该模块进行方案涉及，相对合适合理。2.1.1单片机的选择首先，在选择上，选用STC89C51单片机，从其优点方面考虑，该机型具有8k的Flash存储器，512K的存储空间，同时还可以进行串行下载的的操作，功效低，但性能高。同时它的成本比较低，封装大，可以不用转接板或PCB就可以直接插入万用板中，直接使用。2.1.2温度采集的选择广州奥松电子有限公司新近推出的DHT11数字温湿度传感器，它是一种复合传感器，通过1个电阻式的感湿元件和1个测温元件，和高性能的单片机进行项链，可以校准数字信号输出的湿度。它所应用的技术包含数字采集和温湿度的传感，该机器稳定性极高，相对可靠。同时该机器的接口采用单线串行接口，操作简单方便，该机器还具备体积小，功耗低等优点，信号传输距离超20米，该机器广泛被运用，性价比较高。2.1.3、显示器的选择选择LCD1602液晶显示模块，内部控制器采用HD44780芯片，首先在外观上，体积相对较小，具有便捷、超薄等特点，其次在芯片上，采用上述芯片，相当于32个LED的数码管，而且显示的信息比数码管还多，最后在电源上，采用单+5V的电源供电，不仅电路简单，同时价格便宜，性价比极高。2.2硬件结构原理框图如图2-2-2原理框图温湿度传感器温湿度传感器LCD温、湿度显示LCD温、湿度显示蜂鸣器单片机蜂鸣器单片机控制装置（制冷、加热、加湿、除湿）控制装置（制冷、加热、加湿、除湿）键盘图2-2-2原理框图3硬件电路设计3.1单片机的介绍3.1.1、单片机的发展历程和未来趋势单片机在业内也被称为微控制器（Microcontroller），最早被应用于工业控制领域。早期的单片机都是4位或者8位的。同时随着时代的发展，工业控制领域也随之更好的发展，因此对单片机的要求也有所提高，16为单片机的出现是其发展的标志，但该型单片机因价格原因使用并不广发，相对于4位、8位单片机来说，性价比极低。单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，当时的目的主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构MCU即微控制器（MicroControllerUnit）阶段，是指通过发展，不断地满足嵌入式应用的同时，显示出智能化控制能力。主控芯片STC89C51技术层面：STC89C51是由宏晶（STC）公司生产的一种芯片，在性能，拥有高性能的CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程闪存。STC89C51使用的是经典的MCS-51内核，同时消耗相对较低，在单芯片层面上，拥有着8位CPU和在系统可编程闪存，使得STC89C51成为众多嵌入式控制应用系统的高灵活、高效的解决方案。应用层面：STC89C51型单片机符合本设计课题的“低功耗，低成本，高可靠度”的设计需求，且性能足够，开发简单，是作为简单电器主控的合适之选。3.1.2单片机结构单片机的构成如图3-1-2.1结构图所示：图3-1-2.1结构图单片机的封装管脚图如图3-1-2.2所示：图3-1-2.2管脚功能介绍：P1、P2、P3：准双向8位I/O接口，接入时需带上拉电阻P3.0/RXD：串行输入接口P3.1/TXD：串行输出接口P3.2/INT0：外部中断0P3.3/INT1：外部中断1P3.4/T0：定时器0外部输入P3.5/T1：定时器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3.2单片机最小系统简述3.2.1晶振电路如图3-2-1所示：图3-2-1晶振电路晶振电路一般是和锁想换电路配合在一起进行使用的，主要功能是提供系统中的时钟频率的数据，在单机片中，它的作为是提供合格的时钟信号流，单片机AT89S51的晶振电路采用无源晶振，微调电容取22uf。3.2.2复位电路如图3-2-2所示图3-2-2复位电路复位电路是一种用来使电路恢复到起始状态的电路设备，复位电路是利用恢复到起始状态，举个简单常见的例子，计算器大家都用过，对于计算器来说，清零按键可以重新恢复到初始状体进行新的计算，这就是复位电路的原理，在这个原理中当RST引脚上出现了两个周期以上的高电平就会触发内部复位，这里的EA端与复位电路无关，由于数据都放在了内部存储器，所以连接EA只是直接拉高引脚。3.2.3电源指示灯电路图3-2-3电源指示灯电路3.3温湿度测试电路3.3.1DHT11温湿度传感器简介本系统此次采用的温度湿度传感器型号为DHT11，这个温度湿度传感器采用了数字模块收集技术以及温度湿度检测技术，使这个传感器可以把温度湿度数据详细的传输出来，用来确保它具有较高的可靠性。这个DHT11传感器和单片机连接起来，实现温度湿度检测功能。DHT11传感器如图3-3-1.1所示：图3-3-1温湿度传感器实物图DHT11温湿度传感器产品参数：相对湿度分辨率：16Bit重复性：±1%RH精度：25°C±5%RH互换性：可完全互换响应时间：1/e（63%）25°C6s1m/s空气6s迟滞：＜±0.3%RH长期稳定性：＜±0.5%RH/yr温度分辨率：16Bit重复性：±0.2°C量程范围：25°C±2°C响应时间：1/e(63%)10s电气特征供电：DC3.5-5.5V供电电流：测量0.3mA待机60μA采样周期：次大于2秒3.3.2DHT11引脚说明如图3-3-2所示pin名称注释1VDD供电3－5.5V2DATA串行数据，单总线3NC空脚，悬空4GND接地，电源负极图3-3-23.4液晶显示电路3.4.1LCD1602基础介绍本设计电路采用LCD液晶显示器作为显示部分，LCD液晶显示器不仅有低功耗还有体积小的的特点，具体结构如图3-4-1。1所示。LCD1602主要参数如图3-4-1.2所示,电路图如图3-4-1.3所示。图3-4-1.1图3-4-1.2图3-4-LCD引脚说明引脚功能如图3-4-2所示图3-4-23.4声光警报器声光报警器的选择，本文选择的是蜂鸣音报警器，如图所示。蜂鸣器额定电流≤30Ma,而对于AT89S51单片机，P3口的灌电流为15mA,由此可见，仅靠单片机的P3口电流是不能驱动蜂鸣器的，必须使用晶体管放大电路，选择使用PNP型晶体管,能够使得单片机的功率更小，当数据检测出外部环境的温度或者湿度超出预期设定的值的范围的时候，基级变为低电平，蜂鸣器导通鸣叫。实物图如3-4.1所示，电路设计如3-4.2所示图3-4.1图3-4.23.5温湿度设置按键电路电路如图3-5所示图3-53.6设备运行该设计目的是为了对超出湿度、温度范围值，进行报警，本次设计能够准确地测出实施的温度及湿度，在超出设置的高低范围值时能够发出警报。Th表示温度，Hh表示湿度。按键说明：左边第一个是功能按钮，按一次进入设置页面，第二个按钮是往上调节温度湿度的警报值，第三个按钮是往下调节温度湿度的警报值。这样便可设置好温度、湿度上限和下限。3.7本章小结本章节通过对电路设计的详细介绍，主要针对硬件设计和其他部分设计方发进行说明，指出了初步链接构造硬件及设计的控制部分，较细致的介绍了硬件运行。4系统软件设计4.1程序语言和开发环境4.1.1语言环境该设计的程序设计部分选用了C语言编码，C语言不仅具有高级语言的特点还继承了汇编语言的功能。1972年美国的贝尔实验室发明了C语言，经过时代变迁和发展，小、中、大以及微型计算机都已经应用了C语言，它不仅为工作系统设计程序，还可以用作程序设计语言，除此之外C语言编写的程序可移植性好，它不依赖计算机的硬件运行。4.1.2开发环境Keilsoftware公司为单片机专门设计了环境，对51单片机设计了一个keilc51开发环境。同时C语言更接近人类语言，可以更好的被人理解，且易于维护，容易学习等特点。keilc51开发环境为该系列单片机提供可一套完整的开发方案。这个软件需要在Windows近几年的系统上运行。4.2系统流程图根据温湿度监控系统功能，系统软件流程图如图4－2所示：系统启动开始系统启动开始蜂鸣器鸣叫LCD1602初始化读取温湿度值自动检测判断是否超过预设值？蜂鸣器不报警蜂鸣器鸣响报警控制设备启动正常运行状态LCD1602显示图4-2系统软件流程图4.3按键流程图按键检测过程中，流程如下图4-3所示：图4-3按键检测的流程图4.3Protues运行结果结论本文设计的温湿度测量警报器，从单片机的选择，到数字湿温传感器至显示器的选择上都进行过比对，在满足各项功能外突出性价比。设计原理是由单片机，对数字湿温传感器控制，经过温度和湿度传感器，对数据进行采集，采集的数值超出预定范围，则出发报警装置，对人们进行提醒。同时当超出范围时，不仅报警提醒，还会自动启动调解方案，对异常值的部分进行不久，使其恢复正常。首先，在本文中介绍了各个组成部件，对各个元件进行解释，阐述其优缺点及为什么选择该型号的元件，做了简明的解释，其中核心的组成部分为单片机，单片机的系统及电路进行描述，包括最小系统、中断系统、复位及时钟电路等内容，为下一部分编程做准备；写明了本文涉及到的温湿度传感器，用实物图展示更加明了，其中对不同设备，不同环境下的应用和选择进行了展示；给出原理图和流程图，通过图示更好的对其运行结果进行描述，使得本文设计更加清晰明了；进行成品的程序检查，焊接，满足对粮库温度、湿度控制的目的，达到设计目的。由于专业水平有限，同时影响条件因素不稳定，在该设计中还有很多地方需要深入研究和学习，希望老师们给予批评指导。参考文献[1]潘水雄.《新编单片机原理与应用》[M]，西安：西安电子科技大学出版社，2008。[2]张宋润.《单片机应用设计200例》[M]，北京:北京航空航天大学出版社，2006。[3]米昶.《ProtelDXP电路设计基础教程》[M]，北京:机械工业出版社,2005。[4]康华光.《电子技术基础》[M]，北京:高等教育出版社，2005.12。[5]严新忠，贺运萍，郭建川.