湖南工业大学智能多路温湿监测系统设计Word文档格式.docx

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自动化101

最终评定成绩

2014年5月

摘要

对粮仓温湿度检测系统进行研究，报告了现在世界粮仓温湿度系统控制的重要性。

系统由温湿度传感器和AT89C51构成，硬件电路：

AT89C51、SHT11温湿度传感器、LCD1602显示、报警器以及按键五个部分组成；

系统温湿度检测模块传采Scnsirion公司SHT11温湿度传感器，它集成了NTC测温元件和电阻式湿敏元件为一身；

其它主要由由温湿度传感器和报警器电路设置组成，按照我们所需的测量效果进行上下限设置，如果测量值超出上下限设定就会报警（采用蜂鸣器蜂鸣）；

用LCD1602作为系统的显示模块。

软件部分采用主程流程图、温湿度检测流程图、显示流程图组成。

AT89C51是一款低消耗、高性能的CMOS8位单片机、功能强大、性价比高可用于各行各业；

SHT11温湿度传感器属于温湿度集成复合型的传感器；

AT89C51与SHT11相连接组成的温湿度检测系统具有抗干扰能力强、性价比高、稳定性好、反应速度快，该系统价格低可以适用于各行各业。

关键词：

ATC89C51，SHT11传感器，1602液晶显示屏，报警

ABSTRACT

Thearticlewasfocusedonstudyingthetemperatureandhumiditydetectionsystemofgranary,theimportanceofcurrentworld'

sgranarytemperatureandhumiditycontrolsystemwasreported.ThesystemwascomposedoftemperatureandhumiditysensorsandAT89C51.ThehardwarecircuitsincludeAT89C51,SHT11temperatureandhumiditysensors,LCD1602display,alarmsandkeyfiveparts.ThesystemoftemperatureandhumiditydetectionwasusedtheScnsirioncompanySHT11temperatureandhumiditysensor,whichintegratestheNTCtesttemperatureandhumiditysensorelementtogether,theothersmainlyaremainlyconsistedofthetemperatureandhumiditysensorsandalarmcircuit.Weseteduptheupperandlowerlimitsbasedonourdesiredeffectonthemeasuremen,itwouldbeclarmed（usingbuzzerbeeps）ifthemeasuredvalueexceedstheupperlimitanditusedLCD1602displaymoduleasasystem.Thesoftwarepartwascompriseofmainprocessflowdiagram,temperatureandhumiditytestingflowchart,displayflowchart.

AT89C51isalow-cost,high-performanceCMOS8bitmicrocontroller,whichhasthepowerfulfunction,cost-effectiveandhighavailabilityinallwalksoflife.SHT11temperatureandhumiditysensorsarebelongedtointegratedtemperatureandhumiditysensors.ThetemperatureandhumiditydetectionsystemwasconnectedwithAT89C51andSHT11,whichhasthemeritsofanti-interferenceability,highcost,goodstability,fastresponse,lowpriceanditcanbeappliedtoallindustries.

Keywords:

ATC89C51,SHT11sensor,1602LCDscreen,alarm

第1章引言

1.1研究背景

我国是一个农业大国，每年都有大量的新粮收获也有部分陈粮积压，由于储存不当造成造成大量的粮食浪费，给国家和人民造成了巨大的经济损失，粮仓的性能成为粮食质量的决定因素[1]。

当今世界科技技术不断进步，很多行业都可以运用单片机进行系统控制，在科研机构、粮仓、温室大棚、烘干房等各个领域都可以运用单片机技术，而且该技术越来越成熟的发展。

粮仓、温室大棚等对温湿度要求高的场所，控制系统的自我检测能力需求也越来越高，对室内温、湿度的测量完全可以采用单片机技术来完成。

我国是一个人口众多的大国，科学储粮是保障人民粮食供应，促进社会安定的大事，粮仓温度的监测在科学储粮中占有重要地位[2]。

在大部分粮食储存行业，主要的粮仓温湿度检测是有人工测量来完成的；

一般情况下储存粮食的仓库相对不是很集中，一个仓库的面积也十分巨大，仓内有多个监测点站，因而人工监测工作量大、效率低、检测周期长、容易漏检、而且测量器件损坏率高，测试精度难以保证[3]。

1.2研究意义

我们要保证粮仓仓库内的温湿度，以保证粮食在储藏期间内不会出现变质霉烂给我国农民经济造成一定损失。

粮仓温度常温下、湿度较大的情况下，粮仓内的谷物就会发生腐烂变质。

当空气中相对温度比较高时、相对湿度也比较低的情况下，霉菌可以依附在谷物、墙壁进行繁殖生长最终使粮食霉变。

研究表明，我国南方潮湿多雨，尤其是在5～9月份霉变的发生频率高达34%，其温、湿度及空气中水汽含量搭配得当，仓库中的粮食霉变几率就高尤其在7、8月份，粮仓经常发生霉变；

储粮害虫一般最适湿度在70%～75%，如果粮堆内的空气相对湿度保持在65%以内，保持与其平衡的水分，就可以抑制粮食上几乎全部微生物的活动[4]。

1.3粮仓温湿度检测控制技术的发展现状

近年来，工农业生产领域逐渐开始采用大规模集成电路技术、计算机技术和通信网路技术，我国对粮仓温湿度监测系统的研究，在硬件方面和软件方面都得到了突飞猛进的发展。

当今的个个传感器公司传感器技术都在迅速发展，以便可以更好适应当今世界对粮食存储的要求。

国际众多国家和地区的的仓库温湿度检测系统技术相对比较完善，给我过温湿度检测系统的发展树立很好的榜样充分的吸收国外在粮仓仓库监测方面的先进技术和经验、也使我国粮仓仓库温湿度自动检测方向有了突飞猛进的发展。

不过相对来说但功耗过大，产品的性价比不高，没能达到我们所期待的的理想效果。

中国的仓库环境综合控制系统，在充分吸收国内外先进科技技术的同时，要敢于总结积极主动的创新，开发那些满足适合我国气候多变的自然环境，逐渐的向世界高科技的智能化仓库温湿度检测系统看齐。

在对不同的农作物产品上，要有专用的、综合配套的、经济效果明显的，属于中国知识产权的产品和科技技术。

（1）广泛采用新技术、新工艺

随着科技的进步，许多新技术和新工艺被应用到湿度测量领域中[4]。

例如：

DTSX200测温传感器是日本横河公司生产的；

可以用于测量封闭地下油砂和油页岩层温度的变化，最先进的地方是可以采用太阳能供电。

（2）增加新的功能

新型智能湿度传感器的测试功能也在不断增强[5]。

例如，美国DALLAS公司生产的DS1629，自身可以显示时间属于的智能型的湿度传感器，可广泛用于测量湿度传感系统中。

（3）分辨力、精度不断提高

现在，众多公司都在生产精度等级高、分辨能力强的智能型的传感器，SHT11型温湿度传感器可以能精准的测量相对湿度，当然测量温度和露点也是没有问题的。

在温室大棚、粮仓仓库、烤烟房等温湿度等级高的温湿度检测系统，我们都可以采用SHT11型温湿度传感器进行温湿度的测量。

SHT11技术指标：

露点的测量精度达到正负1度、测量精度最高可达正负2个精度等级、相对湿度测量范围高达百分之百、分辨力达0.03％RH、温度的测量范围比较广、分辨率可精确到零点零零几。

1.4本课题研究的主要内容

根据毕业设计任务书可知：

对硬件系统的设计温湿度检测系统的温度测量范围：

-10～50℃、湿度测量范围：

10%～90%RH、精度：

±

5%RH、使其具有很强的实用性。

对软件系统的设计：

要实现超限报警、数码显示、确保系统安全可靠的正常运行能实现温度、湿度的检测和显示以及超限报警。

第2章系统硬件软件研究

2.1硬件研究

在没有推广单片机技术之前的粮仓仓库温湿度检测主要采用人工检测的方法进行温湿度检测的，在仓库中将温度计放入特定的位置进行测量，多点测量的时候，主要采用人工读数的方法在同业时间段进行监测，进而采取相应的措施。

由于人工读数存在一定的视觉误差，测量温度的温度计测量精度等级很难达到系统要求，测量温度时不能同时测量与记录，当粮仓粮食温湿度过高时，就会造成粮食发生变质腐烂，给国家企业造成不必要的损失造。

将先进科技技术运用到温、湿度检测控制系统中，使之发生突飞猛进的发展，原先的系统采用的是数据采集多条线路，现在的系统主要采用采用矩阵式布线技术进行采集；

各种各样样材料的热电偶、热电阻器件，也给传感器带来了多方面的选择；

在数据传输方面主要采用串行传输方式，方便可对粮仓进行多点进行巡回检测，检测精度也大大的提高了，电阻传感器相对来说灵敏度比较低，在检测过程中会出现测量精度达不到当今粮仓所需要的精度等级。

本设计主要采用温湿度相融合检测技术：

主要用于粮仓仓库温湿度检测信号的采集和显示，当检测的数据发生异常时，发送报警信号；

而且通过以单片机技术为核心的检测系统将采集信息实时传送到系统数据库。

2.1.1湿度传感器

在自然界中，通常有水和生物的地方，在其周围的大气里总含有或多或少的水汽，大气中含水的多少，表明了大气的干湿程度，用湿度表示[6]。

在物理学和气象学中表示湿度的方法有不少，常用的方法是用绝对湿度、相对湿度、露点湿度等来表示。

绝对湿度一般我们用单位V的大气中所含水汽的质量表示；

我们一般称测空气中的水汽分压与同一温度下水的饱和水汽压的比值的百分数为相对湿度，空气温度下降水的饱和水汽压也会逐渐减少的。

由此可知，空气的温度越低时，在同样空气水汽分压下，则空气的水分压与相同温度下降到某一温度时，空气的水汽分压依然相等。

在这个时候会有露珠出现，空气中的水汽气会转换为液体形形式，我们可以称这种特殊的温度为空气的露点或露点温度，单位℃，空气中的水汽分压也可以通过空气中的露点进行测量，空气的水汽分压亦可以称之为空气的露点温度下的水饱和水汽压。

湿度传感器是可以测量粮仓、温室大棚的湿度变化，由于自身还有湿度敏感元器件，可以根据物理化学反应，将测量的数字湿度信号转化为模拟电流号。

湿度检测一般是比较比较困难，这首先是因为空气中的水蒸汽含量要比空气少得多；

另外，液态水可以将一些电解质材料溶解进而影响传感器使用寿命，一些液态水里面会含有酸碱物质，湿敏材料在酸碱的影响腐蚀老化，所以在使用湿敏材料传感器是尽量暴露于外界环境中。

在工业生产中，湿度的测控直接关系到产品的质量。

精密仪器，半导体集成电路与元器件制造厂所，湿度的测控就显得更加重要[7]。

常见的湿度传感器有电阻式、高分子型、电容式和半导体结构的传感器，我国工业自动化生产、农业温室大棚、家庭湿度调节等各领域都可以采用传感器进行湿度测量，湿度不仅与工农业生产品质有关，而且也可以作为环境监测的条件。

湿敏器件也逐渐高精度、智能化、集成化、体积也越来越小方向发展。

2.1.2数字湿度传感器的类型

国内外都在加速研究湿度传感器发展，以来应对国际需求。

湿敏传感器也逐渐向智能化、集成化和价格低廉。

当今社会上有的最多的湿度传感器是集成湿度传感器：

测量范围广、反应速度快、线性度要好、测湿性能、一致性、灵敏度、安全可靠、抗腐蚀防老化等优点。

集成湿度传感器的种类有3种。

（1）HIH-3610

是Honeywell公司出厂的含有信号处理功能的热固聚酯电容式相对湿度传感器。

出厂前给传感器进行数据定义，它包含多层结构，可以有效地抵抗环外界环境的腐蚀老化，工作范围：

湿度测量范围达到100%、温度测量-40～+85℃、高精度±

2%RH线性输出十分好、极速反映15s、200μA驱动电流、抗腐蚀、稳定性好。

该传感器具有精度高、响应快速、高稳定性、低温漂、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点。

（2）DHT11温湿度传感器

是温湿度复合型传感器。

它有两部分组成：

数字采集模块和温、湿度传感模块，产品拥有可靠性、高稳定性。

DHT11型传感器拥有反应速度快、物美价廉、抗干扰能力强、安全可靠等优点，主要是因为它将NTC测温元件和电阻式感湿元件融合一起并和8位单片机直接相连。

每个DHT11传感器都需要做温湿度校验，达到安全质量要求后才能出厂。

我们可以通过存储OTP内存中设定的校准数据，对传感器内部检测信号进行处理过程中采用DHT11的温湿度检测系统简易快捷、体积相对小、功能消耗低、传感器信号传输的距离可一达到20米以上。

主要是由于DHT11传感器采用单线制串行接口，可以适用于各种温湿度检测场合。

（3）SHT11

是瑞士Sensirion公司生产的智能温湿度传感器。

它的芯片内部包括信号温湿度传感器、放大器进行信号放大、二线串行接口、14位A/D转换器进行模/数转换，融合了CMOS芯片技术与传感器技术，使传感器具有价格低廉、性价比高、体积小高度集成化、对环境变化适应能力强、硬件接口电路简单等优点。

2.1.3温度传感器

温度是衡量冷热程度的标尺。

温度既可以用于表示日常生活的感觉，又可以作为物理单位定量第表示物理现象。

一般多把感觉的温度定为相对温度，物理温度定为绝对温度[8]。

温度的测量方法主要有：

接触式测温和非接触式测温。

接触式工作原理是热平衡原理，常见的测温元件有热电偶、热电阻、膨胀式温度计等。

感温元件可以直接暴漏在测温环境中或者与直接被测介质直接接触，根据热平衡原理即可测出温度值；

非接触式测温基于热辐射原理或电磁原理，测温时，感温元件不直接与被测介质接触，通过辐射实现热交换，达到测量的目的，例如：

红外测温仪、光学高温计等[9]。

目前广泛使用温度传感器有4类：

热电偶、热电阻、热敏电阻集成电路传感器[10]。

热电偶用来测200℃以上的高温，热电阻用来测低温。

在石油化工企业常见的价格低廉温度传感器是热电偶，热电偶温度测量是基于热电效应测温的。

它可以测量200℃以上的高温，具有使用操作方便、测量温度精度高、热惯性小等优点。

2.1.4数字式温度传感器的类型

温度传感器也逐渐向集成化、智能化方向发展，世界上多家公司生产新型的数字温度传感器，应用十分广泛。

温度传感器选择时要注意：

测量精度高不高、分辨率大小、性价比高以便节约成本；

温度传感器的外围电路应尽量简单；

温度传感器的总线负载应该保证满足多点测量温度时的需要。

常见的数字类型温度传感器的种类有3种。

（1）LM74

是美国国家半导体公司生产的数字温度传感器：

集成了Delta-Sigma型模/数转换器、带隙式温度传感器、以及含有SPI/Microwire兼容总线接口。

给LM74传感器进行通电做业，传感器开始进行温度进行检测，并将测量的温度信号经过转化后送往单片机存储在片内寄存器中，单片级可以随时对传感器温度值进行读写。

LM74传感器可以利用12位A/D转换器进行模数转换、测量温度范围为-55℃～+155℃、工作电压为3.0V至5V、分辨率可以精确到2位小数。

（2）数字温度传感器AD590

是AD公司生产的，利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。

AD590被测温度一定时，可以作为恒流源使用，作为恒流元件AD590很适合适合远距离传送，AD590具备高精度测量、测温范围广、价格低廉可以用来测温和热电偶的温度补偿。

而且消除电源波动的特性、即使工作电压变化范围比较大变化、其电流也仅仅在1μA以下作微小变化。

（3）DS18b20

是Dallas公司出厂的数字类型的温度传感器。

它拥有单线接口方式与微处理器连接时只需要一条口线，方便用来完成微处理器与DS18B20的双向通讯；

最多可以8个DS18B20并联在唯一的三线上、用于进行多点测量、如果传感器数量多的话、电源电压变低、导致信号传输的不稳定波动较大、工作电压范围：

3.0-5.5V/DC、在正常工作中不需要任何外围元件测量、最终的测量数据以9-12位数字量方式串行传送。

可以采用不锈钢Φ6钢管进行保护措施，传感器特点：

体积小、价格低、抗干扰能力强、测量精度等级高的特点，适用于粮仓仓库、温室大棚、烤烟房、冷冻室等。

2.2温湿度传感器的确定

综上所述，主要是对单个的温、湿度传感器进行研究与介绍，如果温湿度检测系统采用温湿度单独测量的话成本就会增加。

根据实际情况考虑节约粮仓测温系统成本，可以利用SHT11检测温、湿度数据：

集成温度和湿度融为一体传感器。

该系统是采用SHT11温湿度传感器进行检测具有：

成本低、误差小、体积小、简单接口电路、性价比高等优点，14位A/D转换器在芯片内部集成，实现信号的模数转换、抗干扰能力强。

该传感器在石油化工企业、温湿度环境监测等领域均可以大力推广，在本次毕业设计中选用SHT11温湿度传感器，进行粮仓仓库进行温湿度数据信号的测量。

2.3软件研究

计算机软件开发在最近几年发展十分迅速，Windows环境下的VisualBasic、Delphi、VisualC++、PowerBuilder的一代又一代的升级和发展，数据功能增强，ODBC驱动程序访问数据系统也在不断增多，并可使用ADO、DAO等各种应用程序开发接口，操纵和管理数据库中的数据和数据库，数据库对象与结构也很方便地对监测系统进行检测、显示、打印等操作，为高性能的测控软件的设计打下坚定地基础。

温湿度检测系统，我们可以使用基于以单片机为核心的系统。

采用C语言进行系统的编程工作、仿真实验使用proteus软件进行。

第3章硬件系统设计

本设计是基于AT89C51单片机作为核心部件系统，采用SHT11进行温湿度信号的测量和模数转换，测量转换后的模拟信号送往单片机。

经处理后传输给LCD1602进行显示温湿度，信号显示采用的液晶屏为5×

7点阵，一行可显示16字两行；

采用按键方式对SHT11进行温湿度设定上下限值；

原件初始化后，SHT11温湿度传感器开始进行温湿度信号的采集和处理，最后通过LCD液晶显示器显示温湿度值；

如果测量信号值超过传感器的温湿度上下限值，通过报警电路进行蜂鸣器报警。

根据设计功能要求，系统主要有：

键盘模块、温湿度检测模块、报警模块、显示模块、复位电路、时钟电路。

系统原理图如3.1所示。

图3.1系统整体结构图

3.1AT89C51单片机简介

ATMEL、PHILIPS和SST成产的与80C51兼容的低功耗，高性能8位89C51单片机具有比80C31更丰富的硬件资源，特别是其内部增加的闪速可电改写的存储器FlashROM给单片机的开发及应用带来了更大的方便。

本设计采用美国ATMEL公司生产AT89C51[11]。

ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

AT9C51一款性能高CMOS8位单片机，片内含4KB程序存储器存储数据和程序和128bytes的随机存取数据存储器（RAM）。

AT89C51采用ATMEL公司的非易失性存储技术生产、高密度，8位中央处理器和Flash存储单元，兼容标准MCS-51指令系统，内部含有十分强大的微型计算机的AT89C51提供了性价比较高的解决方案。

AT89C51总共有40个引脚、2个16位定时器和计数器、32个外部双向输入/输出（I/O）端口、2个全双工串行通信口、2个中断优先级中断接口。

单片机的编程方法有在线和常规编程两种方式。

AT89C51将闪速存储器和微处理器有效的融合成为一体可以大大的节约降低开发成本；

还是一款性价比高、功能强大、价格低廉的单片机。

外接晶体引脚XTAL1和XTAL2：

XTAL1（18脚）接外接晶体和微调电容一端；

XTAL2（19脚）接外接晶体和微调电容另一端[11]。

电源引脚Vcc（40脚）电源端为+5V；

Vss（20脚）接地端。

P1端口：

P1是8位双向I/O口，内部含有上拉电阻，P1可驱动4个TTL输入，可以通过输出缓冲器来完成。

P1端口置1时，通过内部上拉电阻把端口拉倒高电位，这时可做输入口使用。

P2口：

P2是8位双向I/O口，内部含有还带有上拉电阻；

P2输出缓冲器可驱动4个TTL输入。

P2端口置1时，因为管脚被内部拉高上拉电阻，可以输出电流。

P3口：

P3和P1P2口一样属于含有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P3的输出也可以驱动4个TTL输入。

P3端口可以被用作为输入（P3口为1时）此时端口为高电平。

当P3端口为0时作为输入，外部下拉置0，在上拉电阻的作用下P3口将输出电流（Iil）。

P3口还有另外的功能，如表3.1所示。

表3.1P3端口引脚功能

端口引脚

功能

P3.0

RXD（串行口输入）

P3.1

TXD（串行口输出）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器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）

RST是复位输入端，高电平有效；

输入端保持24个时钟振荡周期的高电平时，即可完成复位操作。

ALE/PROG地址锁存信号端。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

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