多点温度及湿度控制系统设计.docx

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多点温度及湿度控制系统设计

多点温湿度检测系统设计

摘要

本课题完成了整个系统的硬件设计，提出了一种可以应用于中小型仓库的温湿度控制系统。

本文主要介绍了由单总线数字温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1100组成的多点温度检测系统的具体硬件和软件的设计，本文结合了实际使用经历，设计了八个DS18B20数字温度传感器和湿度传感器HS1100与单片机的单总线连接，并且在LCD显示电路上将检测到的温度值显示出来，各个温度检测点温度检测的切换与显示方式的切换可以通过键盘操作来实现。

关键词单片机；温度传感器；湿度传感器

AbstractWarehouseisthecoreofthefactorysector,temperatureandhumidityisaprerequisiteforsavingagoodwarehouse,thetaskdesignofthewarehousetemperatureandhumiditycontrolsystem,isawarehousetemperatureandhumiditycontroltoensurethesafetyofstorage.StoragetemperatureandhumiditycontrolsystemisbasedonMCS-51Microcontrollercorepositioncontrolsystem.Thesubjectpletedthehardwaredesignofthesystem,awarehousecanbeappliedtosmallandmediumtemperatureandhumiditycontrolsystems.Inthispaper,bysingle-wiredigitalthermometerandhumiditysensorHS1100DS18B20posedofmulti-temperaturemeasurementsystemofthespecifichardwareandsoftwaredesign,thisbinationofpracticalexperience,designedanumberofDS18B20digitaltemperaturesensorandhumiditysensorHS1100andASingle-busconnections,andLCDdisplaycircuitdetectsthetemperaturewillbedisplayedinvarioustemperaturesensingtemperaturemeasurementoftheswitchinganddisplayswitchingcanbeachievedthroughthekeyboard.KeywordsSCM;temperaturesensor;humiditysensor

第一章绪论

1.1选题背景

防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。

它直接影响到储藏物资的使用寿命和工作可靠性。

为保证日常工作的顺利进展，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。

但传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进展检测，对不符合温度和湿度要求的库房进展通风、去湿和降温等工作。

这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。

因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。

1.2仓库温湿度控制原理

随着我国科技的快速开展和农业自动化程度的提高，仓库管理技术也将得到进一步改良。

仓库一般较大，仓库库房数较多，测点可达数百个，在每个仓库中要安装多个温湿度传感器，分布在该仓库的重要位置，每个温湿度传感器实际上是一个终端设备，也是该系统中的重要关键的设备。

在每个设备中都有一个新型的温度传感器和湿度传感器，用于测量现场的温度和湿度，并将测量的温度湿度值发送到单片机上，以便控制整个粮库的各个测试点的温度湿度加以全面监视和控制管理。

1.3温湿度测量领域开展动态

进入21世纪后，特别在我国参加WTO后，国内产品面临巨大挑战。

各行业特别是传统产业都急迫需要应用电子技术、自动控制技术进展改造和提升。

例如纺织行业，温湿度是影响纺织品质量的重要因素，但纺织企业对温湿度的测控手段仍很粗糙，十分落后，绝大多数仍在使用干湿球湿度计，采用人工观测，人工调节阀门、风机的方法，其控制效果可想而知。

制药行业里也根本如此。

而在食品行业里，那么根本上凭经历，很少有人使用湿度传感器。

值得一提的是，随着农业向产业化开展，许多农民意识到必需摆脱落后的传统耕作、养殖方式，采用现代科学技术来应付进口农产品的挑战，并打进国外市场。

各地建立了越来越多的新型温室大棚，种植反季节蔬菜，花卉；养殖业对环境的测控也日感迫切；调温冷库的大量兴建都给温湿度测控技术提供了广阔的市场。

我国已引进荷兰、以色列等国家较先进的大型温室四十多座，自动化程度较高，本钱也高。

国内正在逐步消化吸收有关技术，一般先搞调温、调光照，控通风；第二步搞温湿度自动控制及CO2测控。

此外，国家粮食储藏工程的大量兴建，对温湿度测控技术提也提出了要求

第二章设计方案选择与论证

2.1设计方案选择与论证

温度检测系统有那么共同的特点：

测量点多、环境复杂、布线分散、现场离监控室远等。

假设采用一般温度传感器采集温度信号，那么需要设计信号调理电路、A/D转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到计算机去处理。

这样，由于各种因素会造成检测系统较大的偏差；又因为检测环境复杂、测量点多、信号传输距离远及各种干扰的影响，会使检测系统的稳定性和可靠性下降。

所以多点温湿度检测系统的设计的关键在于两局部：

温湿度传感器的选择和主控单元的设计。

温湿度传感器应用X围广泛、使用数量庞大，也高居各类传感器之首。

2.1.1温度传感器的选择

方案一：

采用热电阻温度传感器。

热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。

现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。

其主要的特点为精度高、测量X围大、便于远距离测量。

铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精细测温和温度标准。

缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在复原介质中易被玷污变脆。

按IEC标准测温X围-200～650℃，XX电阻比W〔100〕=1.3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±〔0.15℃+0.002|t|〕，B级为±〔0.3℃+0.005|t|〕。

铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。

在工业中用于-50～180℃测温。

方案二：

采用AD590，它的测温X围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。

M档在测温X围内非线形误差为±0.3℃。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。

使用可靠。

它只需直流电源就能工作，而且，无需进展线性校正，所以使用也非常方便，接口也很简单。

作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。

AD590的测量信号可远传百余米。

方案三：

DS18B20是美国Dallas半导体公司的产品。

它采用1-Wire总线技术，将地址线、数据线、控制线合为1根信号线，允许在这根信号线上挂接多个1-Wire总线器件。

1-Wire总线技术具有节省I／O资源，构造简单、本钱低廉，便于总线扩展和维护等特点。

DS18B20采用特有的温度测量技术：

可提供9～12位（二进制）数据来指示传感器温度；数据信息与DS18B20之间只需一根数据线（和地线）连接即可；DS18B20的测温X围为-55℃～+125℃，在-10℃～85℃之间的精度达±0.5℃，而在整个温度测量X围内具有±2℃的测量精度。

采用温度芯片DS18B20测量温度，可以表达系统芯片化这个趋势。

局部功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。

而且集成块的使用，有效地防止外界的干扰，提高测量电路的准确度。

所以集成芯片的使用将成为电路开展的一种趋势。

本方案应用这一温度检测芯片，也是顺应这一趋势。

2.1.2湿度传感器的选择

测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。

电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进展湿度测量的。

方案一：

采用HOS-201湿敏传感器。

HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ～1KHZ，测量湿度X围为0～100%RH，工作温度X围为0～50℃，阻抗在75%RH〔25℃〕时为1MΩ。

这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带X围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。

然而，这种传感器只限于一定X围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。

方案二：

采用HS1100/HS1101湿度传感器。

HS1100/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。

不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物构造，由顶端接触〔HS1100〕和侧面接触〔HS1101〕两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。

相对湿度在1%---100%RHX围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04pF/℃。

可见精度是较高的。

综合比拟方案一与方案二，方案一虽然满足精度及测量湿度X围的要求，但其只限于一定X围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。

而且还不具备在本设计系统中对温度-30～50℃的要求。

因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。

2.1.3主控方案

方案一：

单片机主控方案

采用集成的单片机主控，通过温度传感器，经过含有单片机的检测系统检测，将结果传送到单片机控制的主控器，数据通过显示器显示。

原理框图如下列图2.1所示

图2.1单片机主控方案框图

方案二：

PC机主控方案

PC机控制的主控器，数据通过显示器显示。

原理框图如下列图2.2所示：

采用PC机作为主控制器,温度信号的输入处理过程上一方案是一样的，但采用鼠标代替键盘，在主控端更直观的观察多路测量结果,但是使用PC作为主控器，必须有配套的软件相适应，增加了编程的难度，PC主控方案的框图如下列图2.2所示：

图2.2PC机主控方案框图

由单片机构成的应用系统有体积小、功耗低控制功能强的特点，它有利于产品的小型化、多功能化和智能化，因此采用第一种方案。

2.2系统方案

综上所述,温度传感器采用第三方案，湿度传感器采用第二方案，主控局部采用第一方案。

根据设计的任务与要求，控制器采用单片机AT89C51，温度传感器采用DS18B20，湿度传感器采用HS1100，用LCD实现温度和湿度显示。

系统设计如下图

图2.3系统总体设计方案图

第三章硬件电路的设计

3.1硬件介绍

3.1.1AT89C51单片机的构造

（1）特征

AT89C51内部构造具有如下特征：

面向控制的8位CPU；4kbytes程序存储器〔ROM〕，128bytes的数据存储器〔RAM〕；可以寻址64KB的片外程序存储器和片外数据存储器；32根双向和可单独寻址的I/O线；一个全双工的异步串行口；两个16位定时/计数器；5个中断源，两个中断优先级；有片内时钟振荡器；采用高性能的HMOS生产工艺生产；有布尔处理〔位操作〕能力；含根本指令111条，其中单机器周期指令64种。

（2）引脚功能

8051芯片采用40引脚的双列直插封装，如图3.1，分为地址总线，数据总线，控制总线3类见图3.2。

在40条引脚中有两条专用于住电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出引脚。

图3.1引脚图图3.2总线构造图

40条引脚的功能分别是：

VCC：

供电电压。

VSS：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

在寻址外部程序存储器时，P0口分时作为双向8位数据口和低八位地址输出复用口。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进展校验时，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口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，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口作为低八位地址接收。

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，输出4个TTL门电流，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展存取时，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展读写时，P2口输出其特殊功能存放器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1〞后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流〔ILL〕这是由于上拉的缘故。

　　P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

　　口管脚备选功能

　　P3.0RXD〔串行输入口〕

　　P3.1TXD〔串行输出口〕

　　P3.2/INT0〔外部中断0〕

　　P3.3/INT1〔外部中断1〕

　　P3.4T0〔记时器0外部输入〕

　　P3.5T1〔记时器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〕

　　P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当外部存储器时，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。

如想制止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制止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，那么在此期间外部程序存储器〔0000H-FFFFH〕，不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源〔VPP〕。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

（3）三总线构造

单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入和用户I/O口外，其余引脚都是为了实现系统扩展而设置的。

这些引脚构成了三总线形式。

引脚功能分类如图3.1所示。

地址总线AB：

地址总线宽度16位，因此外部存储器直接寻址X围64KB。

16位地址总线由P0口经地址锁存器提供低8位地址A0~A7，P2口直接提供高8位地址A8~A15。

数据总线DB：

数据总线宽度为8位，由P0口提供。

控制总线CB：

由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET，

，

，ALE组成。

3.1.2温度传感器

〔1〕.DS18B20的特性

适应电压X围更宽，电压X围：

3.0～5.5V，寄生电源方式下可由数据线供。

独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。

DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

温X围－55℃～＋125℃，在-10℃～+85℃时精度为±0.5℃。

可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。

测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线〞串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

〔2〕.DS18B20内部构造及DS18B20的管脚排列

64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。

不同的器件地址序列号不同。

DS18B20内部构造主要由四局部组成：

64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。

DS18B20的引脚定义：

DQ为数字信号输入/输出端

GND为电源地

VCC为外接供电电源输入端〔在寄生电源接线方式时接地〕

图3.3DS18B20引脚图

〔3〕DS18B20使用中考前须知：

DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：

　　较小的硬件开销需要相对复杂的软件进展补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进展读写编程时，必须严格的保证读写时序，否那么将无法读取测温结果。

在使用PL/M、C等高级语言进展系统程序设计时，对DS18B20操作局部最好采用汇编语言实现。

在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。

当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进展多点测温系统设计时要加以注意。

　　连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。

试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。

当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。

这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。

因此，在用DS18B20进展长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。

这一点在进展DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。

 测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。

3.1.3湿度传感器

测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。

电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进展湿度测量的。

下面介绍HS1100/HS1101湿度传感器及其应用。

特点：

不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物构造，由顶端接触〔HS1100〕和侧面接触〔HS1101〕两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。

图3.4为湿敏电容工作的温、湿度X围。

图3.5为湿度-电容响应曲线。

图3.4湿敏电容工作的温、湿度X围图3.5湿度-电容响应曲线

相对湿度在1%---100%RHX围内；电容量由160pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04pF/℃。

可见精度是较高的。

湿度测量电路

HS1100/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。

如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于承受的信号，常有两种方法：

一是将该湿敏电容置于运方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；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集

频率输出的555测量振荡电路如图3.6所示。

集成定时器555芯片外接电阻R4、R2与湿敏电容C，构成了对C的充电回路。

7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比拟器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。

另外，R3是防止输出短路的保护电阻，R1用于平衡温度系数。

图3.6、频率输出的555振荡电路

该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：

首先电源Vs通过R4、R2向C充电，经t充电时间后，Uc到达芯片内比拟器的高触发电平，约0.67Vs，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经t放电时间后，Uc下降到比拟器的低触发电平，约0.33Vs

此时输出，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此翻来覆去，形成方波输出。

其中，充放电时间为

t充电=C〔R4+R2〕Ln2

t放电=CR2Ln2

因而，输出的方波频率为

f=1/（t放电+t充电）=1/[C〔R4+R2〕Ln2]

可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，

3.1.4LCD液晶显示介绍

带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。

可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。

由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不管硬件电路构造或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于一样点阵的图形液晶模块。

根本特性:

低电源电压〔VDD:

+3.0--+5.5V〕

显示分辨率:

128×64点 

内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字（简繁体可选） 

2MHZ时钟频率 

显示方式：

STN、