基于单片机的室内温湿度监控系统毕业论文文档格式.docx
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二、LCD1602以及应用-16-
三、报警电路-18-
第五节按键电路设计-18-
第六节复位电路-19-
第七节振荡电路-20-
本章小结-20-
第四章系统软件设计-21-
第一节程序开发环境及设计原则-21-
第二节主程序流程图-21-
第三节温度模块程序设计-22-
第四节湿度模块程序设计-23-
第五节显示子程序设计-23-
第六节按键模块程序设计-24-
本章小结-25-
第五章系统的仿真与实现-26-
第一节Proteus仿真-26-
第二节系统的实现-27-
本章小结-29-
结论-30-
致谢-31-
参考文献-32-
附录-33-
一、英文原文-33-
二、英文翻译-38-
三、电路设计图-42-
四、源程序-43-
前言
室温湿度监控系统广泛应用于社会生活的各个领域，适用于家电、食品、汽车、材料和电力电子等行业。
随着科技水平的提高，温湿度监控系统作为实现设备小型化，智能化和自主知识创新的重要元素，目前在国防、航空、交通、能源、工业、通信和人们的日常生活等各个领域，越来越发挥着极其重要的作用，对传感器技术要求越来越高，需求越来越迫切。
床干起技术已称为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。
因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号。
使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。
传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响整个系统的性能。
因此，不仅必须掌握它的原理构造，还必须懂的传感器经过适当的接口电路调试才能满足信号的处理、显示和控制要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。
此外，传感器的被测信号来自各个领域，每个领域都为了改革生产力、提高工作效率，各自都在开发研制适合应用的传感器，温湿度传感器是其中最重要的一类传感器，其发展速度之快，以及其应用广泛，并且还有很大的潜力。
此次设计是室温湿度监控系统，应用性较强，以STC89C51单片机为核心，结合温湿度传感器采集信号来完成整个监控系统的设计。
本设计充分完整的完成了各个硬件电路的设计和软件等各个子程序的相互结合和设计，提出了一种安全实用的室温湿度监控系统。
适合任何室温湿度系统的监控，比如粮仓、储藏室、机房、蔬菜大棚、军用重地以及其他的一些室场所，该系统具有操作方便，控制灵活等优点，极大的满足了室温湿度监控系统的要求和设计。
第一章绪论
随着近些年科技的不断发展和进步，很多的领域对温湿度监控的要求越来越高，而且监控围越来越广，因此，对温湿度监测技术的要求也随之越来越高。
现在的温湿度监控系统已经应用于很多不同的地方，如实验室温湿度监控、储藏室温湿度监控、大棚温湿度监控、粮仓温湿度监控以及其他重要的室场所等。
在不同的场合下对温湿度监控系统的要求也不相同，要求的精度也越来越高。
第一节温湿度监控技术的研究背景
温湿度是一个基本的物理量，它是工业生产过程中嘴普遍、最重要的工艺参数之一。
随着工业的不断发展，对温湿度测量的要求也越来越高，而且测量围也越来越广。
因此，对温湿度检测技术的要求也越来越高。
随着科技的不断发展，温湿度检测技术也不断进步，目前的温湿度监测使用的温湿度监测计种类繁多，应用也比较广泛，大致包括以下几种方法：
（1）利用物体热胀冷缩的原理制成温湿度计
利用原理制成的主要有双金属温湿度计、压力式温湿度计、玻璃温湿度计等，其中双金属温湿度计在现在各个领域应用比较广泛。
（2）利用热电效应技术制成温湿度检测元件
利用此技术制成的温湿度检测元件主要是热电偶。
热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。
热电偶具有结构简单、制作方便和测量围广等优点。
（3）利用热阻效应技术制成温湿度计
用此技术制成的温湿度计大致可以分为电阻测温湿元件、导体测温湿原件、陶瓷温湿敏原件。
（4）利用热辐射原理制成的温湿度计
热辐射温湿计常分为两种：
一种是单色辐射温湿计，一般称为光学温湿计；
一种是全辐射高温计。
它的原理是物体吸收热辐射之后，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射。
第二节温湿度监控技术的研究现状
一、温湿度监控系统的研究现状
自70年代以来，由于工业控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅速发展以及自动控制理论和设计的推动下，国外温湿度监控系统发展快速，并在智能化，参数自整定等方面取得成果，在这方面，日本、美国、德国、瑞典等国已经走到了世界前列，掌握了领先的技术，并且都已经生产出了一批商品化的、性能优异的温湿度监控器和仪器仪表，在各行业广泛应用。
其特点是适应于大惯性、大滞后等复杂的温湿度监控系统，具有参数自定功能和自学功能，即温湿控制对象，参数以及特性进行自动整定，并根据历史经验以及控制变化的情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。
温湿度监控系统具有精度高、抗干扰能力强等特点。
目前，国外温湿度监控仪表正朝高精度、智能化、小型化等方向发展。
二、国研究现状
我国对于室温湿度监控技术的研究与应用起步比较晚，主要为实验室、储藏室和大棚温室等。
我国工程技术人员在吸收发达国家温湿度监控技术的基础上，才掌握了人工气候室微机监控技术，该技术仅限于温湿度和CO2浓度等单项环境的控制。
我国室设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用性、综合性过渡和发展。
在技术上，一单片机控制的单参数回路最常见，尚无真正意义上的多参数综合监控系统。
与发达国家相比，存在较大差距。
近几年随着现代科技的发展，电子计算机已用于监控室环境。
监控系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。
先编写出最佳的室温湿度管理子程序表，存放在单片机或者电子计算机的记忆装置之中，单片机或者电子计算机再根据程序表确认、修正各室温湿度值以及各点的参数，然后送到终端控制系统的执行指令。
终端控制器会及时向中央控制器输送检测到的有效信息，再根据中央控制器接受到的指令输出控制信号，这时电气设备会接收到最终的信号并且执行各自的功能，从而准确的实现室环境的调节。
该种系统可以达到自动控制降温、除湿、通风。
根据各室环境的不同需要，也可以通过按键将所需要的其他信息直接输入到中央管理装置，在不同的环境条件下可以快速的调节室温湿度的变化值。
（1）广泛采用新技术、新工艺
随着单片机的不断发展和完善，许多新的技术被用到温湿度监控领域。
比如，由美国公司制造且基于MODBUS-RTU协议的温湿度传感器
SLSM1010，是一种实用型的在线监控温湿度传感器，本模块可用于SMT行业温湿度监控、电子设备厂温湿度监控、粮仓温湿度监测、药厂GMP监测系统、环境温湿度监控、电信机房温湿监控、其它需要监测温湿度
的各种场合等。
由于其自带大容量控制能力，可以直接控制大负载的设备。
SLSM1010A温湿度传感器能让SHT11/15在原有性能的基础之上同时兼有变送器的功能，很利于实现系统的集成。
Honeywell公司生产的HIH－3610型温湿度传感器是一种能在高温，有化学气体或液体的环境下正常工作的高性能传感器，可以测量羊圈、猪舍和鸡棚等场所中有害气体的相对温湿度。
HIH－3610芯片之所以在安装的时候不容易损坏，是因为其芯片表面涂有一层亚硝酸盐钝化层起到了非同小可的保护作用。
（2）提高测量精度和分辨力
目前，许多精度较高且分辨率强的温湿度传感器在国推出SHT11/15传感器的测量围在0～100％，最高精度为±
2％RH分辨力达到了0.03％RH。
在测量温度的时候A/D转换器位数达12位，湿度达到14位。
A/D转换器芯片功耗小和测量速率高的特点是因为它采用了降低分辨率的方法设计而成。
SHT11/15型传感器适用于各种单片机的特点，而且它的响应快、互换性好，经常被用于一些很重要的场所。
（3）增加测试功能
新型温湿度传感器的测试功能随时代的发展也在不断增强。
有些智能温湿度传感器增加了256字节的实时日历时钟（RTC）存储等功能。
比如DS1629和DS1624型单线智能温湿度传感器，使其部功能更加强大和完善。
另外，智能温湿度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温湿度测控系统创造了良好的条件。
第三节单片机历史
单片机产生于20世纪末，简单的说它就是把中央处理器、储存器、输入输出接口和定
时/计数器集中在一个芯片上的一种微型计算机。
经过几十年的迅速发展，现在应用领域很广泛。
人们都喜欢追求价格低，性能好的产品，单片机正是因为具有即单体积小、抗干扰能力强、应用方便、价格低廉、灵活性好等优点深受人们喜爱。
单片机中的大部分功能部件都来源于微型计算机，其工作的原理也基本一样，因此单片机虽然也是属于微型计算机的一种，但其具体结构和处理的方法也是有所不同的。
我们知道，微型计算机由微处理器CPU、存储器、I/O接口三大部分通过总线有机的连接在一起，各种外部设备通过接口与微型计算机连接。
各个部分部件分开，功能强大。
单片机是应测控领域的需要而诞生的，在生活中用途很广。
它在温馨计算机的基础之上又增加了许多新的性能在主芯片上集成了大部分功能部件。
另外，还在外部设计了各种转换器以及调制接口，极为方便。
现在一部分单片机已经把A/D、D/A转换器及HSO、HIS等外设集成在单片机中以增强处理能力。
此外，单片机的多机应用也很广泛，主要用在一些大型的自动化控制，这时整个系统分成多个子系统完成各个子程序的实现。
单片微机计算机是随着1971年的Intel公司制造的世界上第一块微处理器芯片4004出现而出现的，并且单片机的发展非常迅速，在其发展期间，相继出现了单片机4位、8位、16位、32位等具有代表性的单片微机计算机。
第一代：
1975年美国德克萨斯仪器公司首次推出了4位单片机TMS-1000，紧接着其他国家也在次单片机的基础之上经过不同的扩展和研发相继推出了自己的4位单片机，国的主要是COP400系列的单片机，性能还不是很完善。
第二代：
美国Intel公司推出8位单片机的出现。
如Fairchild公司的F8系列、ZILOG公司的Z8系列、Motorola公司的6801等系列。
第三代：
1983年以后一个更高性能的单片机问世，它就是，16位的单片机的出现，它的出现把整个单片机的性能推向了一个新的发展阶段，可以说是单片机的一次改革，它的部可以集成了多个CPU接口以及并串行接口，如MCS-96系列、HPC16040系列和783XX等系列。
第四代：
近年来，各个计算机厂家相继推出了更高性能的32位单片机，但在测控方面的应用还不够成熟，因此，32位单片机的应为很少。
本章小结
本章主要对温湿度监控技术的研究背景和现状做了充分详细的叙述，同时也对我国国温湿度监控技术和国外进行对比，并且对单片机的发展历史做了介绍。
第二章系统方案设计
第一节总体方案及框图
本系统采用STC89C51单片机作为微处理器，DS18B20作为温度传感器对温度进行监测，HS1101作为湿度传感器与NE555组成湿度测量模块，采用蜂鸣器实现报警功能，使用LCD1602对测得的温湿度值进行显示，使用按键对温湿度的设定值进行修改。
根据此设计系统的总体功能，将其划分为以下几个功能模块：
温度信号采集电路、湿度信号采集电路、按键、LED显示以及报警系统组成，整个系统的构成如图2.1所示。
图2.1系统总体框图
第二节系统流程及功能
本设计可分为三个阶段，即分析阶段，设计阶段和实现阶段。
分析阶段：
为本设计的开始，即作为系统设计的准备阶段以及本设计会涉及到那些元器件和知识，大体上要有一个思路，并初步的确定系统的整套设计方案。
设计阶段：
在已经分析好的基础之上开始着手系统的总体设计，包括系统硬件部分的设计和软件部分的设计。
实现阶段：
到这个阶段说明监控系统的总体设计已经基本完成，剩下的就是连接安装工作并且需要验证设计的可操作性和可实用性即可。
具体的流程可概括如下：
（1）了解系统的总体概况，初步确定系统的设计方案。
（2）对整个监控系统进行软件和硬件的全面的设计。
（3）系统的实现：
对已设计连接好的系统进行调试仿真，确定系统的可行性。
整个监测系统以STC89C51单片机位主芯片，它是接受温湿度信号并且控制其他硬件电路协调正常工作的。
首先DS18B20集成了传感器采集温度信号，信号经过处理放大后送入A/D转换器之中，由此将模拟信号转变成数字信号后送至CPU进行运算处理，其湿度传感器HS1101将采集到的湿度信号通过以NE555定时器为主的单稳态电路转换成数字信号直接送至STC89C51进行处理，在单片机部，CPU根据模拟量与数字量的对应关系，把收到的数字量与温湿度值一一对照，找出合适的温湿度值进行显示，达到测温测湿的目的。
显示部分由LED1602来完成，并可通过键盘输入指令进行控制，充分提高了单片机的工作效率。
本监控系统可对室的温湿度值进行监测，测温围可达到-50～+150℃，根据整个室环境的实际温度变化情况，可将测温围设定为0-70℃，可测湿度测量围是（0-100）%RH，极大的满足了不同环境带来的问题。
所测温湿度数值通过LED1602在数码管上进行显示，并可根据需要设定按键功能控制温湿度的显示和消隐。
整个系统设计测量稳定性好、操作简单、精度高，性能上能够达到远距离测量温湿度的要求，适用于安置在不同的室环境中进行温湿度监测。
本章主要介绍了整个室温湿度监控系统的总体设计，同时分析了整个设计过程中各个部件的工作顺序，比如系统的组成、工作流程以及各个系统最终要实现什么样的功能。
让读者清晰明确的了解到本设计的整体思路和结构。
第三章系统硬件设计
第一节微处理器
微处理器是控制系统的核心部件。
具有控制功能强，体积小，功耗小等一系列的优点，它在工业控制、智能仪表、节能改造、通讯系统、信号处理、家用电器及粮仓等各个环境中得到了广泛的应用。
本设计采用STC89C51作为微处理器。
一、51单片机的主要特性
51单片机的主要特性如表3-1所示。
表3-1STC89C51主要特性表
8K可反复擦写FlashROM
兼容MCS-51指令系统
32个双向I/O口
3个16位可编程定时/计数器中断
3级加密位
2个串口中断
软件设置睡眠和唤醒功能
2个读写中断口线
工6个中断源
低功耗空闲和掉电模式
时钟频率0～24MHz
2个外部中断源
256×
8bit部RAM
可编程UART串行通道
二、STC89C51的引脚介绍
STC89C51系列单片机是宏晶科推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机。
STC89C51单片机的外形结构为40引脚双列直插式封装，其外部管脚如图3.1所示。
（1）VCC:
电源电压
（2）GND:
地
（3）P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复位，在访问期间激活部上拉电阻。
（4）P1口:
P1是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTE逻辑门电路。
对端口写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ILL）。
与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）
（5）P2口:
P2是一个带有部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ILL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口输出P2锁存器的容。
（6）P3口:
P3口是一组带有部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（ILL）。
（7）RST:
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
图3.1STC89C51引脚图
三、STC89C51的最小系统
单片机最小系统是单片机可以工作的最小单元，包括电源、地、复位电路和晶振电路。
在此基础上可扩展外围电路。
STC89C51的最小系统如图3.2所示。
图3.2STC89C51的最小系统
第二节温度测量电路的实现
测温模块采用数字温度传感器DS18B20，它能代替模拟温度传感器和信号处理电路，直接与单片机连接，完成温度采集和数据处理。
DS18B20与STC89C51结合实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。
一、温度传感器的选择
温度传感器的种类很多，在应用于高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器则当仁不让。
超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰能力强，附加功能强，是的DS18B20很受欢迎，因此本系统采用DS18B20作为温度传感器。
二、DS18B20介绍
1.DS18B20的主要特征
（1）适应电压围更宽，电压围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；
（2）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；
（3）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；
（4）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；
（5）温围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±
0.5℃；
（6）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；
（7）在9位分辨率时最多在93.75ms把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms把温度值转换为数字，速度更快；
（8）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；
9.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的部结构与外形
DS18B20部结构主要由四部分组成：
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的管脚排列如图3.3所示：
图3.3DS18B20引脚排列图
DS18B20引脚定义：
（1）GND为电源地；
（2）DQ为数字信号输入/输出端；
（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
3.DS18B20工作原理
DS18B20测温原理如图3.4所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图3.4中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
图3.4DS18B20测温原理框图
三、温度测量电路
采用DS18B20数字温度传感器测量温度，DS18B20与单片机是单线双向通信。
其连接电路如图3.5所示。
图3.5DS18B20的测量电路（DQ端接51单片机的P2.7）
第三节湿度测量电路的实现
一、湿度传感器的选择
在测量室湿度的时候有很多办法可以用到，其基本原理大体相同。
现在很多高分子电容器被广泛应用，其中HS1101作为具有代表性的一种高分子市民电容传感器在高分子薄膜上形成电容，这种传感器吸附周围环境中的水分时介电系数会发生相应的变化，因为介电系数会随着室湿度的变化而不断的变化，所以在测量过程中很方便，我们只需要测量出电容的数值，就可以清楚的得到相对湿度，因为HS1101具有互换性、长期稳定性、测量精度高以及响应时间快等特点，可以应用于一些大型环境检测中，比如粮仓的温度控制、车厢空气以及机房等主要场所空气质量的控制，在很多需要湿度补偿的环境中HS1101也被广泛的被应用。
二、HS1101的性能特点
HS1101的主要性能特点如下：
（1）相对湿度在0%～100%RH围,相对湿度为55%RH时的典型电容值约182pF温度系数为0.04pF/℃可见精度是较高的，如果在常温下使用，就不需要温度补偿和校准。
相对湿度在（33～75）%RH之间时平均灵敏度为0.34pF/%RH。
（2）HS1101有响应快（响应时间小于5S）、线性度高、高可靠性及长期稳定性（年漂移量0.5%RH/年）、常时间饱和下快速脱湿等优点。
供电电压一般选+5V最高不超过+10V。
+5V供电时间的漏电仅为1nA，工作温度围为-40。
C～100。
C。
（3）在一定的条件下产品具有很好的互换性，更换HS1101时不需要重复标定其他的参数。
具有独特的单线接口方式，HS1101微处理器所需的双向通信微处理器和HS1101只有一个I/O口线。
在不改变其它电路的情况下，可以直接
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