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4.1系统外围器件介绍14

4.1.174LS16414

4.1.274LS08与门15

4.1.3CD402415

4.1.4AT24C0216

4.1.5ADC080917

4.2硬件设计及原理图19

4.2.1LCM1602液晶显示及驱动19

4.2.2数据采集模块20

4.2.3串口通信模块27

4.2.4电源模块：

28

4.2.5报警电路28

4.3总设计硬件图29

4．4本章小结30

5系统软件设计31

5.1系统软件框图31

5.2系统各模块流程图及部分程序31

5.2.1初使化程序31

5.2.2矩阵键盘扫描32

5.2.3温湿度报警值设置模块34

5.2.4温湿度值采集、处理及显示模块37

5.2.5与PC机通信模块40

5.2.6报警状态判断模块42

5.3系统中两种数字滤波软件实现流程图43

5.4本章小结44

6理论公式推导及系统测试45

6.1湿度的推导公式过程：

45

6.2系统干挠处理及系统测试46

6.2.1系统干挠处理46

6.2.2系统测试46

6.2.3测试工具47

7总结和致谢48

7.1系统设计总结48

7.2致谢48

参考文献49

附录一系统设计过程中的调试工具50

附录二部分单片机程序及注释50

附录三VB上位机通信平台程序60

1绪论

1.1设计背景

人类的生存和社会活动与温湿度密切相关。

随着现代化的实现，很难找出一个与温湿度无关的领域来。

据报道，我国每年有相当物品因存放在较高的温度环境或潮湿环境下，因侵害而受巨大损失。

在一些大型的仓库中，比如粮食的储存，我们知道粮食在储藏期间,由于受环境、气候和通风条件等因素的变化，粮仓内温度或湿度会发生异常，极易造成粮食的霉烂、或发生虫害；

再如一些化学药品、精密仪器等其存放要求湿度为15%以下，而以往传统的控湿防潮方式和目前这些设备很难达到要求。

因此如何扩宽控湿的范围和精度一直是人们迫切的希望。

1.2温、湿度检测技术的发展和现状分析

1.2.1温度检测技术

温度是一种最基本的环境参数，人们的生活与环境的温度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温度，在农业生产中也离不开温度的测量，因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。

测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展经历了以下三个发展阶段：

①传统的分立式温度传感器

②模拟集成温度传感器

③智能集成温度传感器

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。

集成温度传感器主要包括模拟集成温度传感器、智能温度传感器（亦称数字温度传感器）两大类。

模拟集成温度传感器是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。

模拟集成温度传感器的特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

其典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。

智能温度传感器是在20世纪90年代中期问世的。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

有的产品还带多路转换器（MUX）、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；

并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。

典型产品有DS18B20、MAX6654、LM76等。

本文将介绍智能集成温度传感器DS18B20的结构特征及控制方法，并对以此传感器和AT89S52单片机为控制器构成的温度测量装置的工作原理及软硬件设计，作了详细的介绍和研究。

该装置适用于人们的日常生活和工、农业生产的温度测量。

1.2.2湿度检测技术

相比之下，测量湿度要比测量温度更复杂，这是因为温度是个独立的被测量，而湿度却受大气压强和温度的影响。

早在18世纪人类就发明了干湿球和毛发湿度计，而电子式湿度传感器是近几十年．特别是近20年才迅速发展起来的。

随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越来越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。

湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。

近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了很大的进步。

湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度、温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

湿度传感器分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。

空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。

湿度传感器具有如下特点：

湿度传感器的精度应达到±

2%～±

5%RH，达不到这个水平很难作为计量器具使用，湿度传感器要达到±

3%RH的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温（20℃±

10℃）和洁净的气体中测量的。

在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%RH水平的产品很少，一般都在±

2%左右，甚至更高。

湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.2～0.8%RH/℃范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。

温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。

采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。

湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。

多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。

校正湿度要比校正温度困难得多。

温度标定往往用一根标准温度计作标准即可，而湿度的标定标准较难实现，干湿球温度计和一些常见的指针式湿度计是不能用来作标定的，精度无法保证，因其要求环境条件非常严格，一般情况，（最好在湿度环境适合的条件下）在缺乏完善的检定设备时，通常用简单的饱和盐溶液检定法，并测量其温度。

对市场上湿度传感器产品的几点分析：

国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物、氯化锂和金属氧化物。

电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。

但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。

市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品，往往达不到上述水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，30%RH以下，80%RH以上感湿段变形严重。

无论高档次或低档次的电容式湿敏元件，长期稳定性都不理想，多数长期使用漂移严重，湿敏电容容值变化为pF级，1%RH的变化不足0.5pF，容值的漂移改变往往引起几十RH%的误差，大多数电容式湿敏元件不具备40℃以上温度下工作的性能，往往失效和损坏。

电容式湿敏元件抗腐蚀能力也较欠缺，往往对环境的洁净度要求较高，有的产品还存在光照失效、静电失效等现象，金属氧化物为陶瓷湿敏电阻，具有湿敏电容相同的优点，但尘埃环境下，陶瓷细孔被封堵元件就会失效，往往采用通电除尘的方法来处理，但效果不够理想，且在易燃易爆环境下不能使用，氧化铝感湿材料无法克服其表面结构“天然老化”的弱点，阻抗不稳定，金属氧物陶瓷湿敏电阻也同样存在长期稳定性差的弱点。

氯化锂湿敏电阻，具有最突出的优点是长期稳定性极强，因此通过严格的工艺制作，制成的仪表和传感器产品可以达到较高的精度，稳定性强是产品具备良好的线性度、精密度及一致性，是长期使用寿命的可靠保证。

目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。

这些产品可分成以下三种类型：

线性电压输出式集成湿度传感器。

典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。

其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。

线性频率输出集成湿度传感器。

典型产品为HF3223型。

它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。

这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。

频率/温度输出式集成湿度传感器。

典型产品为HTF3223型。

它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。

当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。

1.3系统简介

1.3.1系统功能简介

本系统实现的功能如下：

对环境温、湿度数据的采集、处理、存储、显示以及通过控制器串行口上传至上位PC机，并且可以在上位PC机VB控制平台上显示实时采集到的温、湿度值，绘制出温、湿度波形。

系统下位机可以和上位机联合工作，又可以单独工作，即通过矩阵键盘可以对系统温、湿度报警值进行设置并存储，利用LCM1602对系统采集到的温湿值进行显示等功能。

1.3.2系统设计简介

图1系统结构图

系统采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为控制器。

其显示界面采用LCM1602显示温湿度传感器所检测到的实时数值，它是2行16列字符型液晶显示模块。

并且显示屏在系统的设置模式下显示按键输入值，具有显示输入对错提示的功能。

数据采集部分分别用到DALLAS公司的DS18B20数字温度传感器，用到Honeywell公司的HIH-3610湿度传感器配合ADC0809作为系统湿度采集部分。

系统扩展了一个片外存储器EEPROM用以保存系统设置的报警值，故而具有掉电数据不丢失的功能。

另外系统的控制器在处理报警时，采用定时器T0中断，在中断程序中查询当前有没有报警申请、处于哪一类报警申请，从而产生不同的控制信号，驱动蜂鸣器发出不同的报警声音。

与PC机的通信，采用的是串行异步通信方式，从单片机TXD和RXD端的TTL电平到PC机的标准RS232电平的转换，系统采用美信公司的MAX232芯片。

1.4本章小结

本章主要介绍到系统的设计背景，温湿度的检测技术及发展前景，另外还简要介绍了本系统的设计和功能。

2方案选择

2.1控制模块

方案一、采用ATMEL公司产品AT89S52单片机作为系统控制模块。

采用ATMEL公司生产的AT89S52系列的单片机作为主控制器。

其特点是支持ISP在线可编程写入技术。

串行写入、其频率高达33MHz,故其速度更快、内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路，稳定性更好。

AT89S52是一款高性能、低功耗8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器。

AT89S52具有如下特点：

40个引脚、8kBytesFlash片内程序存储器、256bytes随机存取数据存储器（RAM）、32个外部双向输入/输出（I/O）口、5个中断源，2层优先级中断嵌套、2个16位可编程定时/计数器、1个全双工串行通信口、看门狗（WDT）电路。

此外，空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

方案二、采用如新华龙公司C8051系列或ATMEL公司ATmega系列等高档八位单片机作为本系统控制核心。

这一类高档单片机最显著的特点就是功能全，如空间更大的FLASH和SRAM存储器、双串口、更多的硬件定时器资源等。

但是其价格往往比普通单片机贵。

根据系统设计要求和资源预算，并且考虑系统成本，为了使本系统性价比达到更高，决定选用方案一，即AT89S52单片机作为本系统控制核心模块。

2.2输入模块

方案一：

采用独立式按键作为输入模块，其特点：

直接用I/O口构成单个按键电路，接口电路配置灵活、软件结构简单，但是当键数较多时，占用I/O口较多；

方案二：

采用矩阵式键盘作为输入电路，其特点：

电路和软件稍复杂，但相比之下，当键数越多时越节约I/O口。

本设计使用键盘输入预置报警温、湿度值，若采用独立按键，对数值进行递增递减需频繁按键，为软件设计增加负担，且操作界面不友好。

若采用矩阵式按键，可以方便地输入一个温度值，使操作界面更具人性化，节约了宝贵的I/O口资源。

通过对比，方案二为系统输入模块最佳方案。

2.3显示模块

方案一、采用LED数码管显示。

特点：

成本较低，显示内容局限，需要外围驱动电路；

方案二、采用LCD显示。

成本相对LED较高，显示内容丰富，与单片机可以直接接口。

考虑到本设计要显示的内容较多，且要达到同样的显示效果，采用数码管显示方法很可能要比LCM1602显示成本更高，且目前市场上的LCM1602模块已经十分普及，LCM1602是两行十六列字符型液晶显示屏。

显示亮度高，可显示的内容丰富，故采用LCM1602作为输出显示将是最佳的解决方案。

2.4数据采集模块

2.4.1温度采集模块

用模拟温度传感器，比如普通的热敏电阻。

热敏电阻的温度特性曲线是一条指数曲线，非线性度较大，因此在使用时要进行线性化处理，线性化处理虽然能改善热敏电阻的特性曲线，但比较复杂。

为此常在要求不高的一般应用中，作出在一定的温度范围内温度与阻值成线性关系的假定，才能简化计算。

另外，温度与输出电压量是非线性的，读出的是模拟量，需要A/D转换器进行转换才能送给数码管显示，从而增加了软硬件的负担。

采用数字温度传感器DS18B20作为温度传感器模块，它具有独特的单总线接口方式，需一根总线就能实现控制模块与DS18B20之间的半双工通信。

DS18B20是集传感元件和转换电路于一体的小芯片上。

另外，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10～+85℃范围内，误差为±

0.5℃。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。

适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便，体积更小。

综上分析，DS18B20大大节约了I/O口资源，且软件实现方便，它有精确的转换电路直接送出直观的数据，并且DS18B20拥有较高的温度分辨率0.0625度（采用默认的12位精度时），在价格方面，单个DS18B20市场价7元，与模拟温度传感器加A/D转换器的组合价格相差不大。

用它作为本设计传感器模块最恰当不过，故选择方案二。

2.4.2湿度采集模块

方案一、采用普通的湿敏元件作为湿度采集模块主要部分。

普通的湿敏元件是最简单的湿度传感器。

湿敏元件主要电阻式、电容式两大类。

但其抗腐蚀能力都不是很理想，且湿度的检定法较为复杂，线性都不好。

方案二、采用集成湿度传感器作为湿度采集模块主要部分。

线性电压输出式集成湿度传感器HIH-3610，采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。

根据设计要求中的技术指标，采用方案二完全可以实现系统设计，且HIH-3610内部集成了信号处理电路，故省去复杂的信号处理步骤，所以选择Honeywell公司生产的HIH-3610实现本设计相对湿度值的采集。

2.5本章小结

本章主要阐述了系统的几大模块的方案比较，充分考虑设计的成本，和在确保系统的精度的前提之下，来选择一些硬件资源，进而做出了最合适系统的设计方案选择。

本设计还有部分模块，见论文的硬件设计。

3数字信号处理

3.1数字信号处理简介

数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和技术。

数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。

本系统在数据采集的终端均加入了数字信号处理。

数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。

因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。

数字信号处理的算法需要利用计算机或专用处理设备如数字信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）等。

数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰强、设备尺寸小、造价低、速度快等突出优点，这些都是模拟信号处理技术与设备所无法比拟的。

3.2数字滤波技术简介

3.2.1数据滤波技术的实现意义

数字滤波在数据采集过程中非常重要，它主要适用于随机干扰信号的过滤处理，对于系统误差无能为力，对于硬件设计来说，由于集成度越来越高，所以数字滤波的价值越来越大，每减少一个硬件器件就可以节省可观的成本，如果又运用了合理的算法的话。

不仅节约了硬件资源，更加完善了设计系统的稳定性。

这也是设计本系统的一项原则。

3.2.2数字滤波与模拟滤波的区别

所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重，故实质上是一种程序滤波。

与此对应的就是模拟滤波，由于模拟滤波牵扯到的其他知识太多，在此不详细介绍了，模拟滤波主要无源滤波（直接用电阻、电容、电感等不外接电源的元件组成的）与有源滤波（如运算放大器等需要外接电源组成的），其目的是将信号中的噪音和干扰滤去或者将希望得到的频率信号滤出为我所用。

数字滤波的出现克服了模拟滤波的很多不足，它具有以下优点：

A．是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好。

B．可以对频率很低的信号实现滤波，克服了模拟滤波的缺陷。

C．可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或参数，具有灵活、方便、功能强的特点。

3.3列举三种数字滤波技术及在本文中的使用

3.3.1递推平均滤波法

方法：

把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据.（先进先出原则），把队列中的N个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。

优点：

对周期性干扰有良好的抑制作用，平滑度高，适用于高频振荡的系统。

缺点：

灵敏度低，对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用较差，不易消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差，不适用于脉冲干扰比较严重的场合，比较浪费RAM。

3.3.2限幅滤波法

根据经验判断，确定两次采样允许的最大偏差值（设为A），每次检测到新值时判断：

如果本次值与上次值之差小于等于A,则本次值有效。

如果本次值与上次值之差大于A，则本次值无效，放弃本次值，用上次值代替本次值。

能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰。

无法抑制那种周期性的干扰，平滑度差。

在系统的温度采集终端加入了程序判断滤波。

根据干挠出现的现象分析，加入限幅滤波能很好地将随机出现的一些跳变干扰滤除。

3.3.3限幅平均滤波法

相当于“限幅滤波法”+“递推平均滤波法”。

每次采样到的新数据先进行限幅处理，再送入队列进行递推平均滤波处理。

融合了两种滤波法的优点，对于偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。

比较浪费RAM。

在本设计中，对于湿度数据的采集，采用了限幅平均滤波法，它溶入了两种滤波的思想。

对系统湿度值采集所出现的跳变干挠，和因温度跳变等原因引起的数据波动进行了相应的处理，滤除了脉冲干扰，并且输出信号平滑。

3.4本章小结

由于本系统要将温度、湿度数据被单片机采集，再用单片机来控制各模块实现相应功能。

为了使单片机能够采集更稳定、更准确的数据，固然离不开数字信号处理，鉴于本设计曾出现的干扰及误差，决定数据采集模块的终端加入了数字滤波。

在温度数据采集之后加限幅滤波，有效地滤除了系统随机脉冲干挠引起的数据采集出错；

在湿度数据采集终端加入了限幅平均滤波，处理因采集所出现的跳变干挠，和温度跳变等原因引起的采集数据波动，使输出更为平滑。

本章内容介绍到系统中所用到的三种数字滤波方法，并对其进行一一分析。

4硬件设计

4.1系统外围器件介绍

4.1.174LS164

利用软件实现模拟串行口，外接74LS164来扩展并行IO口，节约单片机资源，具体应用见4.2.1LCM1602液晶显示及驱动。

74LS164是一个串行输入并行输出的移位寄存器。

并带有清除端。

其中各引脚功能如下：

Q0～Q7：

并行输出端

A、B：

串行输入端

MR：

清除端

CP：

时钟输入端。

VCC：

+5V电源

GND：

地

图274LS164引脚图

图374LS164内部结构图

图474LS164真值表

4.1.274LS08与门

加入74LS08与门是为了解决一个软件调试过程中出现的问题：

当单片机ALE端接到ADC0809采集模块时，程序初使化过程中LCD初始化无法完成。

由于ALE端与单片机的P2端口有关联（单片机地址锁存为ALE及地址线高8位为P2口）。

程序停留在LCD初使化程序中，不能继续往下执行。

加入与门，并且用一个I/O口作为单片机ALE端输出信号的闸门，即可解决此问题。

图574LS08内部结构图

4.1.3CD4024

CD4024是7级二进制串行计数/分频器。

在数据转换模块上CD4024与ADC0809结合构成将湿度采集的模拟信号转换为数字量。

本系统单片机工作频率为11.0592MHz，根据AT89S52单片资料介绍，其ALE端输出晶振频率的六分频周期脉冲，即11.0592MHz/6=1.8432MHz周期方波信号。

又因为ADC0809工作频率范围为480KHz～1MHz，所以，如果要利用单片机ALE信号给ADC0809提供时钟信号，中间必须经过二分频。

所以用到CD4024将单片机ALE的1.8432MHz信号二分频得921.6