Proteus仿真下的SHT11温度湿度监控系统设计.docx
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Proteus仿真下的SHT11温度湿度监控系统设计
Proteus仿真下的SHT11温度湿度监控系统设计
上海交通大学
温度湿度监控系统仿真设计
研究报告
设计题目：
基于SHT11的温度湿度监控系统Proteus仿真设计
学院：
电子信息与电气工程学院
姓名：
2019年5月24日
设计任务书
题目基于SHT11的温度湿度监控系统Proteus仿真设计
一、设计的目的
1.将理论知识运用于实践当中,掌握模拟电路设计的基本方法、基本步骤以及基本要求。
在实践中了解电子器件的功能与作用。
2.学会温湿度监测系统的设计方法，完成要求的性能和指标
3.锻炼、提高在电子设计中发现问题、分析问题、解决问题的能力。
二、设计的内容及要求
1.设计一套基于51单片机的温湿度Proteus仿真监控系统；
2.采用高精度SHT11温湿度传感器模块；
3.LCD液晶实时显示当前环境温度、湿度值；
4.设计报警单元，实现系统对超限温湿度监控报警；
5.设计输入单元，可对系统正常温湿度范围进行调节；
6.仿真系统能够可靠、稳定地运行；
三、指导教师评语
四、成绩
指导教师（签章）
年月日
摘要
在日常生活中，温度、湿度是两种最基本的环境参数，是与人类的生活、工作关系最密切的物理量，也是各门学科与工程研究设计中经常遇到的，必须精确测量和不可忽略的物理量。
从工业炉温、环境气温到人体温度，从空间、海洋到家用电器，每个技术领域都离不开温度、湿度的测量与监控。
SHT11是基于CMOSens技术的新型智能温湿度传感器，它将温度湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、二线串行接口全部集成于一个芯片内，融合了CMOS芯片技术与传感器技术，使传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等特点。
温湿度监控系统的软件部分是以Keil为开发平台，C语言为软件系统的开发语言,同时采用模块化编程。
具体分为以下几个部分：
主控制、温湿度采集程序、温湿度数据处理程序、LCD显示程序、按键设置程序和LED，蜂鸣器报警程序。
系统通过SHT11温湿度传感器感应周围的环境的温度和湿度，通过单片机对采集到的数据进行读取处理，经过LCD1602显示模块实时显示温湿度数据，同时可以通过按键模块对温湿度报警上、下限值进行设定。
当SHT11读取的温湿度值不再设定范围内时，报警模块LED灯指示故障信息，同时蜂鸣器报警；当温湿度读取数据正常后，LED灯熄灭，蜂鸣器关闭。
关键词:
51单片机；SHT11传感器；温湿度监控；Keil；C语言
1.系统概述
1.1课题研究意义
在现代工业生产过程中，温度、湿度对于生产来说是最主要的参数，它们是关乎产品质量和产品效率的物理量，在工程研究与各个领域也是极其重要，必须精确测量和不可忽略的物理量。
自古以来，无论是工业的温度湿度、自然环境的温湿度，还是人体温度；从航天学、航海学到农业学，每个技术领域都离不开温度和湿度的检测与控制。
工业生产中，当温湿度度测量不准确，很可能导致产品的失败，阻碍工业的发展，在家庭生活发面，但温湿度监控不准确，很可能导致家庭电器的正常运行，不能达到预想的工作效果，在设备比较密集的核心地带，如果温湿度控制不精确，很有可能导致设备故障的发生。
因此，温湿度监控系统的研究对我们人类生活具有重要的意义。
1.2课题研究主要内容
本设计包括硬件部分和软件部分设计。
本设计的硬件是以51系列单片机为核心、SHT11传感器为采集模块、LCD1602为显示显示模块、按键输入模块和报警模块共同构建的温湿度监测系统。
包括单片机最小系统模块设计、传感器采集模块设计、液晶显示模块设计、按键模块设计和报警模块设计部分。
系统软件则是基于Keil开发平台，以C语言为开发语言进行，采用模块化编程，构建温湿度监控系统从数据采集、处理、显示、外围输入和故障动作等整个过程。
2.系统总体设计
本课题设计的仓库温湿度监测系统主要是利用AT89C51单片机最小系统为核心，包括晶振电路、复位电路和排阻电路，SHT11温湿度传感器对环境温湿度的采集，经过单片机进行数据处理，最终通过LCD1602液晶显示模块准确、快捷、实时地显示出当前环境的温度和湿度，同时，按键模块可设置温湿度的上下限值，当采集的数据不在设定范围内时，实现LED和蜂鸣器报警，从而达到对环境温湿度监测的目的。
本系统的总体设计如下图2所示。
图2系统总体设计框图
3.硬件设计
3.1单片机最小系统
3.1.1AT89C51介绍
AT89C51单片机是一款MCS-51系列的CMOS8位单片机，具有微功耗、高性能等特点。
该芯片内部含有4K字节的可反复擦除的只读程序存储器（PEROM）以及128字节的随机存取数据存储器，同时该芯片内部还有Flash存储单元以及8位的中央处理器（CPU），该芯片利用高密度、非易失性存储等先进的生产技术，兼容标准MSC-51指令系统，其强大的功能对各个场合提供了便利，可灵活的应用在各种行业领域。
对于51系列的单片机外部结构总共有40个引脚，其主要采用的是双列直插式结构，其中内含6条控制信号线、2条电源线（Vss与GND）和4个8位并行I/O接口（P0、P1、P2、P3）。
P3接口同时还具有第二功能，根据引脚不同的功能我们可以将其划分为以下几类。
具体详见下图3.1.1。
图3.1.1AT89C51单片机
1.电源引脚VCC和VSS
其中VCC接+5V电压。
VSS接地。
2.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
其中XTAL1端口用来接外部晶体以及微调电容的一端，其作用是用来作为振荡反相放大器的输入端口。
如果需要采用外部时钟信号时，必须将该引脚接地。
XTAL2用来连接外部晶体与微调电容的另外一端，其具体作用是用来作为该电路的输出端口。
如果我们需要采用外部时钟电路进行振荡时，我们必须给XTAL2端口输入时钟脉冲信号。
3.控制和复位引脚PSEN、ALE、RST/VPD和EA
ALE：
如果需要访问外部存储器时，ALE端的信号输出主要用于锁存地址的低位字节。
PSEN:
主要输出的外部程序存储器的读选通信号。
EA:
如果该端口保持高电平信号时，则表示只访问单片机内部程序存储器。
如果该端口为低电平信号时，表示只访问外部程序存储器，而不管有没有内部存储器。
RST/VPD：
单片机复位引脚，主要用来维护程序的正常运转，当程序出现问题或者跑飞速，该引脚发出2个机器周期的高电平信号，对其进行复位，让其正常工作运行。
4.输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3
P0端口是双向8位三态I/O口，如果需要连接部存储器时，该端口与地址总线的低8位及数据总线进行复用，以吸收电流的方式驱动8个TTL负载。
P1,P2,P3口都是8位准双向I/O口。
以下是该单片机的主要性能参数：
（1）具有4K字节可以用来反复擦除Flash闪存存储器，具有100次的擦除周期。
（2）具有三级加密程序存储器。
（3）全静态操作，6个中断源。
（4）含有128×8字节的RAM，32个可用来编程的8位I/O口线（P0、P1、
P2、P3）。
（5）含有2个16位的定时器/计数器。
（分别为P3.4口和3.5口）。
（6）拥有微功耗空闲模式以及掉电模式，同时还具备可编程串行UART通道。
3.1.2晶振电路
单片机的工作过程要对各种指令在时间上有明确的次序，这种时间次序也叫做时序，所以单片机需要产生一个时钟信号。
晶振电路如图3.1.2所示。
图3.1.2晶振电路
产生时钟信号的方式是：
在XTAL1（18脚）和XTAL2（19脚）引脚接入一个振荡电路。
用两个22pF电容的作用是开启振荡器和调节振荡频率。
接入12M晶振来确定时钟周期，此时产生的信号为单片机最基本的时间单位，即时钟周期，用振荡频率的的倒数代表它的大小（1/fosc）。
3.1.3复位电路
复位电路在单片机设计中是一个必不可少的部分。
单片机在刚开始运行的时候需要进行一次复位，以确保整个系统电路在要开始运行时保持一种最初状态，保证一开始的运行正常。
AT89C51单片机的第九引脚RESET，当这个引脚接收到两个机器周期（24个振荡脉冲周期）的高电平时，就会发生复位。
复位电路的实现方式有很多种方式。
常见的方式有上电、手动和自动复位三种。
电路连接图如图3.1.3所示：
图3.1.3复位电路
3.1.4上拉排阻电路
AT89C51单片机P0口内部结构与其他三个I/O口（P1口、P2口和P3口）不同，由于P0口内部没有上拉电阻，当它用于通用I/O口使用时，其输出驱动级为漏极开路，不能正常的输出高低电平，因此必须外接上拉电阻。
一般我们选择接入阻值为10K的上拉电阻。
如图3.1.4所示。
图3.1.4上拉电阻电路
3.2SHT11温湿度传感器
数字温湿度传感器SHT11是SHT1X家族中的一员，它是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。
串岗器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件与一个14位的A/D转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片面上。
其实物图如图3.2所示。
图3.2数字温湿度传感器SHT11
数字温湿度传感器SHT11具有以下几个特点：
（1）相对湿度和温度测量；
（2）露点测量；
（3）全标定输出，无需标定即可互换使用；
（4）卓越的长期稳定性；
（5）两线制数字接口，无需额外电路；
（6）基于请求式测量，低能耗；
（7）自动休眠；
（8）超快响应时间；
数字温湿度传感器SHT11广泛应用于空调、汽车电子、家电产品、医疗仪器、测试和检测设备和自动控制等领域。
SHT11为具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，其外形及管脚的示意图如图3.2.2所示。
图3.2.2SHT11管脚示意图
SHT11传感器默认的测量温度和相对湿度的分辨率为14位、12位，通过状态寄存器可降至12位、8位。
温度测量范围是0-100%RH，对于12位的分辨率为0.03%RH；测量温度的范围为-40-+123.8℃，对于14位的分辨率为0.01℃。
每个传感器芯片都在极为精确的湿度室中标定，校准系数以程序形式存储在OTP内存中，在测量过程中可对相对湿度自动校准，使SHT11具有100%的互换性。
器内部框图见图3.2.3。
图3.2.3SHT11内部框图
其测量原理：
首先利用2只传感器分别产生相对湿度、温度的信号；然后经过放大，分别送至A/D转换器进行模数转换、校准和纠错；再通过二线串行接口将先对湿度和温度的数据送至AT89C51控制器；最后利用控制器完成非线性补偿和温度补偿。
其典型应用电路如图3.2.4所示，引脚说明如图3.2.5所示。
图3.2.4STH11典型应用电路
图3.2.5STH11引脚说明
3.3LCD1602液晶显示模块
显示温、湿度需要较长的显示字码，在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：
发光管、LED数码管、液晶LCD显示器。
在本文中采用液晶显示LCD1602作为显示模块。
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生，当今液晶显示器已经成为市场上很多电子产品的显示器件，比如在电子表、计算器、万用表以及很多家用的电子产品中都可以看到，其显示主要是数字、符号和图形。
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：
显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低
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