【《单片机温湿度测量系统的硬件和软件设计案例》7800字】

单片机温湿度测量系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u19975第1章硬件设计 2304431.1主控模块 2326001.1.1STC89C52单片机的引脚功能 2262911.1.2STC89C52单片机的控制接口 4207141.1.3单片机复位电路 427821.1.4单片机时钟电路 599591.1.5单片机的上拉电阻 666711.2显示模块 7153601.2.11602显示屏的引脚功能 8123871.2.21602显示屏与单片机的接口 880061.2.31602显示屏指令说明 97787其控制器中一共存在11条指令，详细情况可见下表1.3。 9280971.3温湿度采集模块 10186541.1.1DHT11电气特性 1035421.1.2引脚与接口 10263581.1.3DHT11的传输时序 1188831.4键盘模块 1273131.5报警模块 13246771.5.1蜂鸣器电路连接 1357791.6继电器模块 14279631.6.1继电器主要作用 14171781.6.2继电器的基本结构和工作原理 1491251.7存储器模块 15195831.7.124C02工作原理 15244991.7.224C02A引脚配置及功能 16300131.7.324C02A电路连接 1776441.8本章小结 199268第2章软件设计 2073562.1主程序模块程序设计 20112362.21602显示模块程序设计 224782.3DHT11模块程序设计 24277902.4键盘控制模块程序设计 26第1章硬件设计本文所设计的硬件系统大致包括了主控、显示、温湿度采集、键盘、报警以及继电器模块与存储器模块等。1.1主控模块以STC89C52单片机作为主控模块，利用DHT11将收集获取的数字信号利用单片机传递至显示器中，从而实现对此时此刻温湿度具体数值的显示。本设计方案能够基于手动操控的方式来调整预设温湿度的最高和最低值，若是当温湿度数据超出此预设的区间范围，那么系统就会报警，蜂鸣器发出声响，并伴随着继电器工作。使所测环境的温湿度处于预定范围内。1.1.1STC89C52单片机的引脚功能STC89C52单片机的引脚图如图1.1所示。图1.1STC89C52单片机引脚图⑴主电源引脚Vcc（40脚）：接＋5V电源Vss（20脚）：接地通常情况下，此两者中间需要连接电容以此进行去耦与滤波。⑵外接晶体引脚XTAL1（19脚）：连接外部晶振的其中某个引脚。其在单片机之中，属于一个反向放大器的输入宽口，组成片内振荡器。在运用外部振荡器的时候，这一引脚需要做接地处理。XTAL2（18脚）：接通外部晶振的另外一处引脚。与片内接反向放大器输出端口以及内侧时钟电路的输入端口。在运用外部振荡器之时，该引脚需要与其输出端口进行连接。⑶控制信号线RST/VPD（9脚）：复位信号输入端。在单片机处于断连或是复位阶段时，会接通内部随机存取存储器的预备电源的输入端口。ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许/编程脉冲输入。使用ALE锁存自P0口输出的低8位地址；在实行片内EPROM程序编制的时候，脉冲从此处通入。PSEN（29脚）：外储存器读选通信号，当处于低电平状态下之时可发挥作用。EA/VPP（31脚）：访问外储存器允许/编程电压输入。当EA处于高电平状态下之时，会向内储存器发出访问；当处于低电平状态下之时，便会向外储存器发出申请。在实行EPROM程序编制的时候，这一引脚需要连接21V的电压。⑷多功能I/O口引脚8052单片机中有设置四个I/O接口（P0~3），且每个I/O口线均能够相对独立的作为输入/出接口来进行使用：P0口（32～39脚）——双向口（三态），能够充当输入或者是输出端口，能够操控8个LSTTL。在具体运用过程中，一般会将其用作分时地址或者是数据总线口，在实行外部程序或者是外储存器地址检索的时候，低8位地址和数据总线分时便会运用此接口，具体流程为：先把低8位地址信息传递至P0口，基于地址锁存信号的下降侧把目标信息锁定在锁存器之后，然后再充当数据总线口线来实行对数据信息的输入或者是输出操作。P1口（1～8脚）——准双向口（三态），其所能够操控的LSTTL数量仅为P0的1/2。将其用作输入线路使用的时候，口锁存器一定要让单片机最先输入“1”，每位均能够编程作为输入/出线。P2口（21～28）——准双向口（三态），能够操控的LSTTL数量与P1一致，能够充当输入/出口进行使用，在具体运用过程中，大多是用作地址总线高8为，和P0扣一同构成16位地址总线，主要的功能作用是对外储存器接口电路实行寻址操作。P3口（10～17脚）——准双向口（三态），能够操控的LSTTL数量与P2一致，具有两种功能，当其运用第一功能时，则和P1相同[11]；而在运用第二功能的时候，每一位都有特定用处，其特殊用处如表1.1所示：引脚号复用功能P1.0RXD（串行输入口）P1.1TXD（串行输出口）P1.2（外部中断0）P1.3（外部中断1）P1.4T0（定时器0的外部输入）P1.5T1（定时器1的外部输入）P1.6（外部数据存储器写选通）P1.7（外部数据存储器读选通）表1.1P3口引脚复用功能1.1.2STC89C52单片机的控制接口其中的P0口与显示器进行连接，P1.2、P1.3依次接通液晶的RS、EN脚，以此实现对显示器的有效操控。键盘模块的操控接口为P2，且P2.2与设置进行连接，对其按压一次便表示进入到温湿度警告范围的设置功能，此时可以实行对温度最高值的设置，再按压一次，便可预设温度最低值，然后再进行一次按压，可实行湿度的最高值设定，再按压一次，可进行最低湿度值的设定，四个模式依次往复。P2.0、P2.1分别是对温湿度的阈值进行减加控制的。P2.3是设置好后进行确认的。P1.7与DHT11的数据接口相连。详细接线情况可参照图1.19。1.1.3单片机复位电路主要包括了上电自动、按键手动以及看门狗强制复位几种类型，前两种比较常见，其各自的电路图可见下图1.2。（a）上电复位(b)按键脉冲复位(c)按键电平复位图1.2单片机复位电路在本设计的系统复位模块之中，所使用的是上电复位类型。其中，电容设于上方连接高电平，电阻设于下方进行接地，中部则是RST。此种类型的复位电路即为高电平复位，具体的运作原理为：在接通电源之后，电容两侧便等同于是处于短路状态，因此RST引脚处属于高电平，其后电源能够经过电阻来实现对电容的电能供应，这时RST端的电压值会逐渐降低，当降低到一定水平之时，就转变成为低电平，此时单片机会启动运作。具体的电路图可见下图1.3。图1.3复位电路RST保持两个机器周期以上的高电平时自动复位。1.1.4单片机时钟电路时钟往往是通过两类方式形成，一类为内部方式，还有一类为外部方式，对应的电路图可见下图1.4。（a）内部方式（b）外部方式图1.4单片机时钟电路本文的设计中选取的是内部时钟，主要借助12兆赫晶振与30皮法电容来构成相应的电路，可见下图1.5。图1.5时钟电路1.1.5单片机的上拉电阻从本质上来看，排阻便是通过8个电阻来构成的，某一段全都连接成一个整体，其在电路之中主要发挥着“上拉”的效果，因此也被称作上拉电阻。所谓的上拉，即是指把尚且无法确定的信号利用一个电阻固定在高电平，此时电阻还会发挥着一定的限流作用，而下拉的原理与之相反。上拉的目的是向设备中输入电流，而下拉则是将电流输出，且电流的强弱程度主要取决于电阻值的高低，并未存在任何严格区别，在用于漏极开路输出型电路之中时，在提升电流或者是电压方面的效果有一定的局限性。通常在刚开始接通电源之时，端口处的电压尚且处于不稳定的状态，为使其变为高电压或是低电压的稳定状态，那么就需要使用上拉或者是下拉电阻。某些芯片内有安装上拉电阻，因此外部便不需要再设置此电阻。不过也存在一些开漏的，那么外部就一定要装设此电阻。图1.6单片机的上拉电阻1.2显示模块本设计中所使用的为1602液晶屏，各个参数细节可见上文的2.2.2部分。实物图可见下图1.7。图1.71602显示屏1.2.11602显示屏的引脚功能使用的为14脚（无背光）或16脚（带背光）接口[12]，各个引脚说明可见下表1.2所示。编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极表1.21602显示屏引脚功能表1.2.21602显示屏与单片机的接口其第一、二个脚分别接通电路板的地面与电源。第三脚则设置为显示器对比度调节端口，接在两个电阻之间，通过两个电阻之间的电压确定显示屏的对比度，两个电阻一个接电源，一个接地。第四脚是寄存器选择端，接单片机的I/O口P1.2，当处于高电平的时候便选取数据寄存器，在处于低电平状态下的时候则选取指令寄存器。第5个脚设置为RW读写信号端，其做接地处理，实现低电平状态下的写操作。第6个脚为E/EN端，与P1.3进行连接，当处于高电平状态下则会实行信息的读取，在处于低电平状态下时则会按照相应的指令实行操作。第7至14脚为D0～D7，是8位双向数据端，接单片机I/O口P0，进行数据传输最终显示在显示器上。第15与16脚为空脚或背灯电源，前者背光正极和电源进行连接，后者背光负极则是和地面接通。如下图1.8所示，为对应的接口电路。图1.81602显示屏与单片机接口电路原理图1.2.31602显示屏指令说明其控制器中一共存在11条指令，详细情况可见下表1.3。序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容表1.31602显示屏内部控制1.3温湿度采集模块本设计采用DHT11温湿度传感器，产品详情简介在2.2.3章节。1.1.1DHT11电气特性可见下表1.4。其中，VDD为5V，T为25摄氏度。采取样本的时间间隔不可超过一秒。参数条件mintypmax单位供电DC355.5V供电电流测量0.52.5mA平均0.21mA待机100150uA采样周期秒1次 表1.4DHT11电气特性1.1.2引脚与接口（1）引脚介绍：Pin1（VDD)：接3～5.5V电压Pin2（DATA）：串行口，单总线Pin3（NC）：空脚Pin4（GND）：接地（2）接口说明：当连接线不超过20m长的时候，可使用5K上拉电阻，而若是超过20m之时，则需要按照具体状况选取适宜的电阻。接口图可见下图1.9。单片机中的P1.7能够用作收发串行数据，也就是充当数据口，与传感器中的Pin2加以接通。图1.9DHT11接口图1.1.3DHT11的传输时序当主机将开始信号发出之后，在延时等待约为30微秒左右以后，便会读取到DH11T发出的反馈信号，若是读取总线处于低电平状态，则表示有作出反馈，而在信号发出之后，就会把总线拉高，做好发送信息的输出准备，每一字节的数据都会从低电平开始，详细流程可见下图1.10。若是读取到的信号属于高电平，则表明DH11T并未作出反馈，此时需要对线路加以检查，查看其有否存在连接异常的情况[13]。图1.10DHT11通讯过程主机复位信号和DHT11响应信号如图1.11所示。图1.11主机复位与DHT11响应信号图数字“0”信号电平信号如图1.12所示。图1.12数字0信号电平变化图数字“1”信号电平变化图如图1.13所示。图1.13数字1信号电平变化图1.4键盘模块本设计由于按键使用数量不多，所以使用独立按键，比较方便简单。（1）总开关：主要控制硬件系统的开/关机，此次设计选取的为自锁开关（详细可见下图1.14），其具有机械锁定的功能，在将其按下之后，然后松开手，此时按钮并不会充分弹起，而是进入到了锁定状态，若是再按压一次，此时解锁方会完全跳开。经常会断开的一脚连接DC电源接口，另外的端则与VCC相连。（2）数字设置键：S1是模式选择键，按1次进入温湿度设置模式，并设置温度最大值，按2次是设置温度最小值，按3下是设置湿度最大值，按4下是设置湿度最小值。S2和S3只有在温湿度的设置模式下即按下S1才有效，分别为阈值增加和阈值减小。S4是OK键，即是设置完所需的阈值后按下S4，系统进行工作。键盘模块的电路图如图1.15所示。图1.14自锁开关电路图1.15按模块电路1.5报警模块此次设计采取的为压电式蜂鸣器，利用STC89C52的一根I/O口线来控制驱动器发出警示声音。其驱动电流为10mA，且单片机的I/O口输出电流相对较低，因此使用9012三极管来把电流做放大处理，从而确保蜂鸣器可以正常工作。1.5.1蜂鸣器电路连接报警模块主要包括了电阻、三极管以及蜂鸣器三大部分，其中三极管的作用是将电流放大，从而操控蜂鸣器发出声音。电阻的作用则是将三极管基极电压加以降低，其中一侧接通单片机的P1.5，另外一侧和三极管基极相连，在单片机采集到的温湿度信息超过了预先设定的数值范围之时，便会将P1.5接口设置成低电平，此时三极管与之连通，催动蜂鸣器运作，若是温湿度信息尚且处于合理范围以内，那么就会将P1.5接口设置成高电平，三极管断开，蜂鸣器此时就不会运作。对应的电路图可见下图1.16所示。图1.16蜂鸣器与单片机连接图1.6继电器模块继电器属于一类电控制元件，在输入量的变动情况符合某一标准时，就会在电气输出电路之中让被控量发生预先设定好的阶跃性变动。其存在输入与输出回路间的某种联系，能够借助小电流来操控大电流，因此其在电路之中主要发挥着自动调整、安全防护、转接电路等功能。1.6.1继电器主要作用主要作用(1)放大：例如灵敏式和中间继电器等，能够利用相对更小的控制量来实现对于更大功率电路的调控。(2)综合信号：若是存在数个控制信号依照标准模式传递进多绕组继电器之中的时候，能够通过比较分析处理，来取得预先设定好的控制效果。(3)自动调控与监测：譬如，自动设备中安装的继电器可以和其它电器元件一同构成程序控制线路，以此来做到自动化运作。(4)扩宽控制范围：例如当多触点继电器操控信号到达某一限度值时，能够根据触点组的各种模式，同时实现对于多条线路的换连、开闭与连接。1.6.2继电器的基本结构和工作原理其运作原理为，基于电磁效应，于线圈两端施加电压，线圈之中存在电流通过，就此发生了电磁效应，此时衔铁会受到电磁作用力以此抵消掉弹簧的弹性作用力转而被吸往铁芯，进而构成了回路。在断开电源之后，电磁力就会消散，衔铁又会回到原位，形成另外一个回路。这样衔铁贴到不同的地方，形成不同回路，从而达到了在电路中的导通、隔断的目的。继电器通常设有两条电路，分别是低压控制与高压工作电路[14]。在继电器之中，其线圈与接线端子之间是处于彼此独立、互补作用的关心，而其触点只会起到等同于开关的作用。如图1.17所示。图1.17继电器原理图1.7存储器模块本设计采用24C02EEPROM存储器。1.7.124C02工作原理1、24C02的容量为2Kb，即代表其最大能够容纳255个字节的数据信息；2、ATMEl24C02有32页，在每一页之中均能够存储8个字节的信息；3、24C02存在两类运作形式：（1）字节写入：既能够在随意的一处地址之中写入一个字节的数据，也能够做到在某一处地址之中不间断的写入多个字节，并且不用进行翻页；（2）页写入：在这一运作形式下，每一页能够存入8个字节的信息量，而当超过8的时候，就会将之前存储的信息覆盖掉，而这一情况也常被人们称为“翻转”。若是在将一页全部写满之后，想把剩下的信息存放于下一页，页指针需要自己来设定[15]。1.7.224C02A引脚配置及功能24C02A引脚图如图1.18所示。图1.1824C02引脚图引脚功能如表1.5所示。引脚名称功能A0、A1、A2器件地址选择SDA串行数据/地址SCL串行时钟WP写保护Vcc+1.8V-6.0V工作电压Vss地表1.524C02A引脚功能表SCL：其主要作用在于把正边缘时钟信息传递到每个端口EEPROM设备之中。SDA：主要功能作用为，实现对串行数据传递的双向引脚。此引脚只通过开路漏极操控，能够和任意数目的其他开路集电极/漏极进行设备的连通。A2、A1、A0：为AT24C01A硬接线的地址输入。这三个输入引脚在运用到多元件级联的时候进行对应地址的设置，且在其处于悬空状态下默认设为0。由于本文设计仅仅存在一处24C02A被总线寻址，因此上述三个引脚均处于悬空或者是接地的状态。WP：AT24C02A设有写保护引脚来实现对硬件中数据信息的保护。当其处于接地状态下时，可进行正常读或写操作。在与Vcc接通之后，全部信息数据均会受到写保护，此时便只能实行读操作。1.7.324C02A电路连接24C02A的SCL和SDA引脚接在单片机P1.0和P1.1串口上。如图1.19所示。图1.1924C02与单片机连接图整体电路原理图、PCB图与实物图可见下方3图。图1.20整体电路图原理图图1.21PCB图图1.22实物图1.8本章小结本文设计中涉及到的硬件系统包括了主控、显示、温湿度采集、键盘、警报、继电器以及存储器几个模块。此次设计的关键目的为，将采集获取到的温湿度数据信息传递到单片机之中，在通过一系列的分析处理以后，再输送至显示器上，并且单片机还会把收集到的信息与预先设好的标准范围值加以比对，若是超出了所设范围，那么就会催动蜂鸣器产生警报提示音，并使继电器开始工作。如果没有超出阈值，单片机就会继续采集温湿度数据。第2章软件设计在完成了硬件设计后，再设计系统软件，首先要构建程序的框架流程，对整个的设计划分成各个小模块，先让各个小模块实现其功能，再把各个小模块整理结合形成总程序。本次设计中主要使用C语言来实行程序编辑，其具有下述优势：（1）C语言不仅结构简洁、逻辑紧密，而且灵活性强、使用起来十分方便。虽然仅有32个关键字与9类控制语句，但是能够实现全面化的程序汇编工作，可以把高阶与低阶语言相互融合起来一同运用。（2）具有种类丰富的运算符。其运算符的种类高达34中，不论是括号、赋值，又或是强制类型转换，均能够将其通过运算符的处理方式来达成目的。（3）数据种类多样化。主要涵盖了整型、实型、字符型等多种类型的数据。（4）在语法方面不存在严格的限制，所以在进行程序汇编的时候自由性更强。（5）属于一种结构式的语言。其有将代码和数据分割开来，这样一来就会让程度层次变得更加的清楚明了，在进行运行、调试以及修改时都会更加的方便。（6）能够直接访问物理地址，也能够实现对硬件的调用。（7）程序代码质量水平较高，而且在实际运行时具有较高的效率。2.1主程序模块程序设计此次设计中程序大致的运作顺序为：先和电源连接好，系统之中的各个模块实行初始化。当初始化结束之后，便会对键盘加以扫描分析，其后会稍微延时一定的时间，在此时间段内传感器会监测收集对应的信息数据，在获得数据之后便会将数据传递到单片机之中加以处理，其后再传递至显示器中进行对应数值的输出显示。同时，还会分析温湿度数值有否超出预设的标准值，若是尚未超过，那么就会持续重复数据采集工作，若是存在某一数值超出标准范围，那么就会运行警报程序，让蜂鸣器产生警示声音，继电器开始工作，温湿度检测结束。主程序流程图如图2.1所示。温湿度检测并传送数据回单片机温湿度检测并传送数据回单片机延时开始初始化报警系统启动(即蜂鸣器发声)继电器开始工作1602显示数值据判断温度和湿度是否超出阈值结束键盘扫描NONOYESYES2.1主程序流程图部分核心代码：while(1) { if(FlagStartRH==1) { TR0=0;testnum=RH(); FlagStartRH=0; TR0=1; humidity=U8RH_data_H; temperature=U8T_data_H; if(Mode==0) { if(temperature>TH) { Led_jiangwen=0; hot=1; Led_shengwen=1; cold=0; // BJ=1; } elseif(temperature<TL) { Led_shengwen=0; cold=1; Led_jiangwen=1; hot=0; buzz=0; // BJ=1; }2.21602显示模块程序设计LCD1602进行数据显示的步骤主要是，现将液晶初始化，然后便是运行延时程序，待到取得相应数据之后，LCD就会率先输入部分指令与显示目标地址，其后选取显示首地址，接着单片机会对LCD进行数据写入操作，当数据输送完毕以后，LCD便会读出写入信息的地质再将对应内容予以显示，最后返回。运作流程可见下图2.2所示。延时延时写LCD指令开始液晶1602初始化写显示行列地址写数据取显示首地址读数据并显示返回图2.21602显示屏程序流程图部分核心代码： if(hot==1&&cold==0&&humid==0&&dry==0) {L1602_string(2,1,"It'sveryhot!");BJ=1;} elseif(hot==1&&cold==0&&humid==1&&dry==0) {L1602_string(2,1,"Hotandhumid!");BJ=1;} elseif(hot==1&&cold==0&&humid==0&&dry==1) {L1602_string(2,1,"Hotanddry!");BJ=1;} elseif(hot==0&&cold==1&&humid==0&&dry==0) {L1602_string(2,1,"It'sverycold!");BJ=1;} elseif(hot==0&&cold==1&&humid==1&&dry==0) {L1602_string(2,1,"Coldandhumid!");BJ=1;} elseif(hot==0&&cold==1&&humid==0&&dry==1) {L1602_string(2,1,"Coldanddry!");BJ=1;} elseif(hot==0&&cold==0&&humid==1&&dry==0) {L1602_string(2,1,"It'sveryhumid!");BJ=1;} elseif(hot==0&&cold==0&&humid==0&&dry==1) {L1602_string(2,1,"It'sverydry!");BJ=1;} elseif(hot==0&&cold==0&&humid==0&&dry==0) {L1602_string(2,1,"Goodenvironment");BJ=0;}2.3DHT11模块程序设计按照传输器的通信协议，先是利用单片机I/O口自动形成对应的激发信号，其后把数据线操控权移交至传感器，其后，单片机利用循环语句持续反复的检验I/O接口的电平状况，以此实现对时序的精准掌握，进而准确分辨出传输信息。其运行流程可见下图2.3。结束并保持高电平结束并保持高电平开始P1.7输出低电平延时18msP1.7输出高电平读P1.7引脚判断是否为低电平从机80us低电平是否结束从机80us高电平是否结束单片机进行数据接收将数据按十进制数位存入数组延时40msNOYESYESNONOYES图2.3DHT11程序流程图部分核心代码：if(!DATA) {U8FLAG=2;while((!DATA)&&U8FLAG++);U8FLAG=2; while((DATA)&&U8FLAG++);COM();U8RH_data_H_temp=U8comdata;COM();U8RH_data_L_temp=U8comdata;COM();U8T_data_H_temp=U8comdata;COM();U8T_data_L_temp=U8comdata;COM();U8checkdata_temp=U8comdata;DATA=1; U8temp=(U8T_data_H