中南林业科技大学毕业论文RS485数字温湿度传感.doc
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中南林业科技大学本科毕业论文RS485数字温度传感器的设计与实现
毕业设计说明书
学生姓名：
XX学号：
XXXXXXXXX
学 院：
计算机与信息工程学院
专业年级：
XX级通信工程
题目：
RS485数字温湿度传感器的设计与实现
指导教师：
朱江章（副教授）
评阅教师：
徐卓农（副教授）
2016年5月
RS485数字温湿度传感器的设计与实现
摘要：
本文采用51系列单片机AT89C51和DHT90设计了一种RS485数字温湿度传感器，该系统设计主要包含硬件系统设计和软件系统设计。
硬件系统主要由时钟发生电路、单片机控制电路、LCD显示电路、声光报警电路、键盘控制电路和温湿度检测电路等部分组成。
该传感器主要采用AT89C51来进行控制，采用C语言进行软件设计，以Proteus和Keil为主要设计工具。
经仿真调试表明，该系统可以设定温湿度的标准值并显示当前环境的温湿度；可根据实际需求使用按键调整温湿度的标准值；当前环境的温湿度超过设定的标准值时，系统会发出声光报警信号。
该数字温湿度传感器具有控制简单，稳定性高，性价比高，安全实用等特点，具有一定的推广价值。
关键词：
AT89C51；DHT90；温湿度传感器；电路
ThedesignandimplementationofadigitaltemperatureandhumiditysensorbasedontheRS485
Abstract：
ThispaperdesignedadigitaltemperatureandhumiditysensorbasedontheRS485,thedigitaltemperatureandhumiditysensordesignismainlyincludeshardwaresystemandsoftwaresystemdesign.Thehardwaresystemismainlycomposedoftheclockgeneratingcircuit,singlechipmicrocomputercontrolcircuit,LCDdisplaycircuit,soundandlightalarmcircuit,keyboardcontrolcircuitandtemperatureandhumiditydetectioncircuitandotherparts.ThesensorismainlyAT89C51tocontrol,usingClanguageforsoftwaredesign,andProteus,Keilasthemaindesigntool.Thesimulationdebuggingshowedthatthesystemcanbesettostandardvaluesoftemperatureandhumidity,anddisplaysthecurrenttemperatureandhumidityoftheenvironment;usingstandardbuttonstoadjustthetemperatureandhumidityvaluesbasedonactualdemand;thecurrentstandardvalueoftheenvironmentaltemperatureandhumidityexceedsasettime,thesystemItwillbeaudiblealarmsignal.Thesensorissimple,highstability,highcostperformance,safeandpracticalcharacteristics,hasacertainpopularizationvalue.
KeyWords：
AT89C51;DHT90;TemperatureandHumiditySensor;Circuit
目录
目录
1引言 1
1.1选题目的与意义 1
1.2数字温湿度传感器比较与特性分析
1.3RS485现场总线特性与性能比较分析 1
1.3论文结构与篇章安排
2.ADC基本原理及实现方法 2
2.1ADC基本原理 2
2.2ADC软硬件设计与实现 2
3.数字温湿度传感监测演示系统设计 4
3.1系统总体框图设计及模块说明 4
3.2系统硬件电路设计 7
3.2,1温湿度数字检测电路设计 8
3.2.2最小单片机系统选型与设计 9
3.2.3外围键盘输入与LCD显示电路设计 11
3.2.4声光报警电路设计 13
3.3系统软件程序设计 13
3.3.1软件功能模块总体设计 13
3.3.2RS485现场总线数据读写程序设计 14
3.3.3按键输入数据处理与LCD显示程序设计 16
5.系统测试及结果分析 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
附录 23
原理图 23
C语言程序 24
1.绪论 1
1.1国内外的研究现状和发展趋势 1
1.2论文主要研究内容 1
2.总体方案设计 2
2.1设计要求分析 2
2.2设计原则分析 2
2.3系统设计框图 3
3.硬件电路设计 4
3.1单片机最小系统 4
3.2键盘输入电路 7
3.3显示电路 8
3.4时钟电路 9
3.5温湿度检测电路 11
3.6声光报警电路 13
4.系统软件设计 13
4.1程序设计内容 13
4.2DHT90软件模块设计 14
4.3按键流程图 16
4.4子程序模块设计 16
5.调试 18
5.1软件调试 18
5.2硬件调试 18
5.3液晶模块调试 19
5.4报警电路调试 19
结论 20
致谢 21
参考文献 22
附录 23
原理图 23
C语言程序 24
1.绪论引言
环境监测与控制在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。
由于应用的场合不同监测对象的不同，其系统设计也是千差万别。
在实际生活中，温度和湿度是智能检测系统中两个重要分析指标。
智能化温度和湿度检测系统通常采用最小单片机系统来实现温湿度的全程自动检测与控制。
在温湿度自动检测与控制中，其最重要也最基本的就是温湿度数字信号源。
基于数字信号分析的单片机系统，数字化温湿度传感就成为了一种必然。
实际中的温湿度探头往往是基于物质材料特性来模拟反映变化的。
如此以来，必须将模拟量数字化转换成为现代数字信号。
随着数字自动化程度的进一步深化提高，多点监测集中控制在工业生产中越来越受到受到广泛关注与应用。
多点监测集中控制最典型的采用RS485现场总线方式实现单主机多从机的分布式系统。
本课题基于RS485现场总线传输方式进行温湿度设计与实现。
1.1数字温湿度传感器性能比较与特性分析
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1.2RS485现场总线比较与特性分析
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环境的监测与控制在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。
由于应用的场合不同监测对象的不同，其系统设计也是千差万别。
在实际生活中此类系统有着广泛的应用，室温环境检测系统中温度和湿度是两个重要的显示和分析指标，必须定期抽样检查室温环境温度和湿度，以便采取相应的措施。
89C51单片机是常用于控制的芯片，在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果，用其作为温湿度检测控制系统的实例也很多。
使用89C51单片机能够实现温湿度全程的自动检测与控制，而且89C51单片机易于学习、掌握，性价比高[1]。
使用89C51型单片机设计温湿度检测控制系统，可以及时、精确的反映室内的温度以及湿度的变化[2,3]。
完成诸如升温到特定温度、降温到特定温度、在温度上下限范围内保持恒温等多种控制方式，在湿度控制方面也是如此[4]。
将此系统应用到温室大棚当中无疑为植物的生活提供了更加适宜的环境。
1.1国内外的研究现状和发展趋势
目前国内外的温湿度检测使用的温湿度检测元件种类繁多、应用范围也较广泛加之单片机和大规模集成电路技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统。
基于RS485数字温湿度传感器的设计研究较少。
随着经济和社会的不断发展，人们对自己的生活环境越来越严格。
特别在温室大棚中，对温湿度要求更为严格[5,6]。
基于RS485数字温湿度传感器的设计，将对环境的温湿度监测控制系统做详细的设计与实现。
采用高性能的控制芯片89C51，高精度数字温湿度传感器DHT90。
向模块化、高速化、智能化的单片机数据采集系统靠近[7,8]。
将此系统应用到温室大棚当中无疑为植物的生活提供了更加适宜的环境，符合植物的生活环境要求，具有良好的发展前景。
1.23论文主要研究内容结构与篇章安排
课题将从以下方面来组织论文：
1）利用单片机实现当前环境温湿度的实时采集、实时显示；2）采用RS485总线方式实现单主机多从机的传感数据采集与显示；将传感器信息送给单片机进行显示。
3）系统将收到的传感采样数据与设定的阈值相比较，通过采集温度及湿度值，准确的判断标准值与当前值之间的差异，及时的启动报警装置（包括警报灯的提示功能以及提示音等）进行报警。
具体的篇章安排如下：
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本系统所要完成的任务是：
（1）人性化的设计。
界限温度值及湿度值能够根据植物的生活习性设定。
（2）能够实时、准确的显示采样温度值与湿度值。
（3）通过采集温度及湿度值，准确的判断标准值与当前值之间的差异，与标准值是否匹配，及时的启动报警装置（包括警报灯的提示功能以及提示音等）进行报警，并采取相应的控制方案。
2.ADC基本原理及实现方法
2.1ADC基本原理
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2.2ADC软硬件设计与实现
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2.1设计要求分析
3.本设计要实现的功能是：
实现当前环境的温湿度的实时采集、实时显示，由单片机对采集的温湿度值进行循环检测、数据处理、显示，实现温湿度的智能检测[9]。
允许用户设定温湿度标准值，根据温湿度传感器采集到的信息，利用RS485总线将传感器信息送给单片机进行显示。
并将收到的采样数据与设定的报警值相比较，当环境温湿度超过标准值时，系统会以蜂鸣器鸣响的方式进行报警。
（1）温度监控：
对温室温度进行测量和控制并反映在显示器上。
（2）湿度监控：
对温室湿度进行测量和控制反映在显示器上。
（3）显示：
LCD就地显示此时此刻温湿度值，摆放在生产现场用于显示当前的温湿度。
要求达到的技术指标：
测温范围：
0。
C-60。
C
测温精度：
+0.5。
C
测湿范围：
0-100%RH
测湿精度：
+2.5%RH
测湿精度：
+2.5%RH
2.2设计原则分析
要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。
2.2.1可靠性
高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准则。
提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑：
使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出通道抗干扰措施；进行软硬件滤波；系统自诊判断功能等[10]。
2.2.2操作维护方便
在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利于系统的推广。
因此在设计时，要尽可能减少人机交换接口，多采用操作内置或简化的方法。
同时系统应配有现场故障自动诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修[11]。
2.2.3性价比
单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。
一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。
因此，再设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能使用软件功能取代硬件功能等[12]。
数字温湿度传感监测演示系统设计
3.1系统总体框图设计及模块说明
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3.2系统硬件电路设计
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3.2,1温湿度数字检测电路设计
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3.2.2最小单片机系统选型与设计
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3.2.3外围键盘输入与LCD显示电路设计
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3.2.4声光报警电路设计
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3.3系统软件程序设计
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3.3.1软件功能模块总体设计
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3.3.2RS485现场总线数据读写程序设计
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3.3.3按键输入数据处理与LCD显示程序设计
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依据功能设定，本系统主要分为以下三个模块：
（1）温湿度采集模块
（2）数据处理模块
（3）用户交互模块
其中温湿度采集模块使用的是DHT90数字温湿度传感器，它使用单总线方式，接口简单，而且无需另外校准。
分辨率为8bit，完全能够满足日常环境温湿度的检测要求。
数据处理模块使用的是AT89C51单片机，其完成温湿度数据的采集、运算和逻辑控制的功能。
用户交互模块主要由按键、1602点阵液晶、蜂鸣器和控制器构成。
其中按键用于用户设定温湿度准确值，1602用于数据显示，蜂鸣器用于提示用户，控制器用于调节控制不符合要求的温、湿度。
按照系统的设计功能所要求的，温湿度传感器系统原理图如下图1所示：
复位电路
RS485电路
AT89C51
电源
显示电路
报警电路
按键电路
（a）系统上位机原理图
AT89C51
温湿度检测电路
复位电路
RS485电路
电源
（b）系统下位机原理图
图1系统总体框图
3.硬件电路设计
3.1单片机最小系统
单片机最小系统是单片机应用系统的核心，其他的外围电路都是在单片机最小系统的基础上实现的。
单片机最小系统是由单片机、复位电路、时钟电路、电源和地端组成，一般情况下，单片机系统采用外接石英晶体与内部运放组成时钟振荡器作为系统时钟源，而在多机系统中，单片机只作为一个功能模块使用，为节省硬件和统一系统的时钟信号，常采用外时钟源。
单片机最小系统是单片机控制电路的核心[13]。
在整个系统中，单片机控制电路是整个系统的核心，负责对光电检测电路采集到光信号进行处理和加工，并按照之前设定好的指令进行执行、运算，并将结果传送给相应的执行电路。
图2单片机最小系统电路
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁的存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效的微控制器，为很多的嵌入式控制系统提供了一种灵活性高并且价廉的方案。
主要特性：
CPU与MCS-51兼容;全静态工作：
0Hz-24KHz;4K字节的可编程FLASH存储器;三级的程序存储器保密锁定锁；128×8位的内部RAM；32条可编程的I/O线；两个16位计数器/定时器；中断源有6个；可进行编程的串行通道；用于低功耗的掉电和闲置模式；片内存在振荡器和时钟电路。
管脚介绍：
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
图3AT89C51引脚图
P0口：
8位，漏级开路的双向I/O口。
P0口可驱动8个LS型TTL负载。
P0可用于外部ROM，它可以被定义为A/D的第八位。
在FIASH编程时，原码输入口为P0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的8位双向I/O口，P1口可驱动4个LS型TTL负载。
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，这是由于内部上拉的缘故。
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的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，可驱动4个LS型TTL负载，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
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口输出地址的高八位。
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SFR的内容。
FLASH编程和校验时，接收高八位地址信号和控制信号是P2口。
P3口：
8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。
可驱动4个LS型TTL负载。
当作为通用I/O口输入时，应先向端口锁存器写入“1”。
作为输入接口，外部下拉为低电平，由于上拉的缘故P3口将输出电流（ILL）。
P3口也可作为AT89C51的第二功能口，如表1所示。
在编程校验和闪烁编程时，P3口可以同时为其接收控制信号。
RST：
复位信号输入端。
在此引脚加上持续时间大于两个机器周期的高电平，就可以使单片机复位。
表1P3口的第二功能定义
引脚
第二功能
说明
P3.0
RXD
串行数据输入口
P3.1
TXD
串行数据输出口
P3.2
/INT0
外部中断0输入
P3.3
/INT1
外部中断1输入
P3.4
T0
定时器0的外部输入
P3.5
T1
定时器1的外部输入
P3.6
/WR
外部RAM写选通输出
P3.7
/RD
外部RAM读选通输出
ALE/PROG：
访问外部的存储器时，经地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部ROM的读选通信号。
在由外部ROM取指令的期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
这两次有效的/PSEN信号将会不出现，在访问外部ROM时。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，只读取外部程序存储器中的内容，读取的地址范围为0000H-FFFFH，片内的4KBFlash程序存储器不起作用。
在加密方式1的时候，/EA的内部将被锁定为RESET；若此间内部的ROM，/EA端需要保持高电平。
在对片内Flash进行编程时，VPP引脚接入12V的编程电压。
XTAL1：
片内振荡器反向放大器和时钟发生器电路的输入端。
XTAL2：
片内振荡器反向放大器的输出端。
3.2键盘输入电路
本设计要求，各单位路灯能根据环境明暗变化，自动开关灯，因此需要加入光敏器件。
当周围太暗是，光敏传感器就要给出一个信号，相应的原件就会产生反应。
本设计要求，用户可以通过键盘按键输入电路设置温湿度的标准值。
当有人按键设置温湿度后，设置的数据会传送给主机。
通过RS485总线传送过来的温湿度传感器检测到的实际值在主机内与该数据进行比较，若超过该数据则会启动语音报警电路[14]。
图4感光电路
3.3显示电路
根据设计方案，加入液晶显示器——液晶1602。
液晶显示器与单片机连接，将单片机上的所接收到并处理的数据显示出来，实现人机交流的目的。
在本次设计中，就是运用了液晶显示器，来显示单片机所采集到的数据。
选择单片机系统中选择了液晶显示器作为输出器件的原因：
显示质量高：
阴极射线管显示器是要不断的进行刷新亮点，而液晶显示器则是恒定发光的，所以每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度。
数字式的接口：
因为液晶显示器LCD1602是以数字的形式，这样就使和单片机最小系统的接口变得更加的简单和可靠，操作更加方便。
体积小、质量轻：
液晶显示器LCD1602是通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来显示的，在质量上比相同显示面积的传统显示器要轻很多。
功耗低：
液晶显示器LCD1602的功耗主要消耗在内部的点击和驱动上，所以耗电量比一般的显示器要少很多。
图5液晶显示电路原理图
1602采用标准的16脚接口，其中引脚功能如下表示：
表2LCD1602的引脚功能
引脚号
符号
引脚功能
1
GND
电源地
2
VDD
+5V逻辑电源
3
VEE
液晶驱动电源（用于调节对比度）
4
RS
寄存器选择（1-数据寄存器，0-命令/状态寄存器）
5
R//W
读/写操作选择（1-读，0-写）
6
E
使能（下降沿触发）
7~14
DB0~DB7
数据总线，与单片机的数据总线相连，三态
15
E1
背光电源，通常为+5V
16
E2
背光电源地
3.4时钟电路
DS1302可由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。
若是Vcc2给DS1302供电则Vcc2须大于Vcc1+0.2V时，。
当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。
X1和X2是振荡源，外接32.768kHz的晶振。
RST是复位/片选线，启动所有的数据传送时，需
升级会员 