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湿度传感器设计
摘要
生活上，合适的空气湿度有益于人们的身体健康；工业上，芯片的封装，设备的维护以及工厂的装配等，都需要在合适的湿度下进行。
该课题对空气的湿度进行研究，采用单片机和湿度模块组成的湿度控制系统，对环境的湿度进行数据采集、处理。
系统通过测量当前环境的绝对湿度，及时、精确地了解空气湿度的变化，并将当时绝对湿度值与预设的上下限值进行比较，如果不在合适的空气湿度范围内，系统会自动发出报警。
关键词：
单片机；湿度传感器；DHT11湿度传感器
Abstract
Life,moderateairhumidityisbeneficialtopeople'shealth;industrial,chippackaging,equipmentmaintenanceandfactoryassembly,undertheappropriatehumidity.Thesubjectofairhumidityresearch,usesthemonolithicintegratedcircuitandthehumiditymodulesofhumiditycontrolsystem,theenvironmenthumiditydataacquisitionandprocessing.Thesystemisadoptedtomeasuretheabsolutehumidityoftheenvironment,timely,accuratelyunderstandingchangesinthehumidityoftheair,andthentheabsolutehumidityvaluewithapresetupperandlowerlimitvaluesarecompared,ifnotintherangeofsuitableairhumidity,thesystemwillalarmautomatically.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;humiditysensor;DHT11humiditysensor
1绪论
1.1目的及意义
在工农业生产和日常生活中，对湿度的测量及控制始终占据着重要地位。
在现代农业大棚种植或是室内畜牧业、气象、环保、国防、科研、航天以及现代生活的各个方面，经常需要对环境湿度进行测量及控制。
本设计就在此基础上，设计一种基于STC89C52单片机控制的智能湿度检测系统。
1.2发展状况
进入21世纪后，特别在我国加入WTO后，国内产品面临巨大挑战。
各行业特别是传统产业都急切需要应用电子技术、自动控制技术进行改造和提升。
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。
制药行业里也基本如此。
而在食品行业里，则基本上凭经验，很少有人使用湿度传感器。
值得一提的是，随着农业向产业化发展，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。
但目前，在湿度测试领域大部分湿敏元件性能还只能使用在通常温度环境下。
在需要特殊环境下测湿的应用场合大部分国内包括许多国外湿度传感器都会“皱起眉头”！
例如在上面提到纺织印染行业，食品行业，耐高温材料行业等，都需要在高温情况下测量湿度。
一般情况下，印染行业在纱锭烘干中，温度能达到120摄氏度或更高温度；在食品行业中，食物的烘烤温度能达到80-200摄氏度左右；耐高温材料，如陶瓷过滤器的烘干等能达到200摄氏度以上。
在这些情况下，普通的湿度传感器是很难测量的。
2系统的整体设计
2.1设计内容
本次设计分为两个内容：
硬件部分、软件部分。
硬件以单片机为核心，配以湿度模块电路、键盘电路、数模转换电路、显示电路和报警电路。
主要实现以下功能：
（1）通过湿度模块电路对环境的湿度进行数据采集；
（2）通过单片机对采集的数据进行处理；
（3）当环境湿度低于或者高于设置湿度时启动报警。
湿度检测系统是一个智能化的系统，它的软件主要实现功能：
（1）单片机能够控制湿度模块对空气的湿度进行采样；
（2）把采集的数据通过单片机处理，再以十进制的形式显示出来；
（3）按键和显示电路可对设置的报警上下限值进行更改，并通过显示电路显示出来。
2.2系统完成的技术指标
（1）实时显示绝对湿度，系统的精度为10mg/L；
（2）采用3位数码管进行湿度显示；
（3）显示报警上限值为180mg/L，下限值为90mg/L；
（4）湿度超过上下限湿度时进行报警；
（5）数码管采用动态显示方式。
2.3系统构成与框图
本次设计的系统框图见图1.1所示。
图1.1系统框图
单片机控制湿度模块AM1001对环境的湿度进行检测并通过单片机处理用数码管显示出来，键盘电路可设置报警的上下限值，当环境湿度高于上限或者低于下限报警值时，启动报警电路，即蜂鸣器响。
2.4系统设计
（1）设计之前，查找资料。
先对湿度的概念进行了解，并了解一些湿度传感器的工作原理。
空气湿度是指空气潮湿的程度，可用相对湿度（RH）表示。
相对湿度是指空气实际所含水蒸气密度和同温下饱和水蒸气密度的百分比值。
人体在室内感觉舒适的最佳相对湿度是，49％～5l％，相对湿度过低或过高，对人体都不适甚至有害。
绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，一般其单位是克/立方米。
绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度。
绝对湿度只有与温度一起才有意义，因为空气中能够含有的湿度的量随温度而变化，在不同的温度中绝对湿度也不同，因为随着温度的变化空气的体积也要发生变化。
但绝对湿度越靠近最高湿度，它随温度的变化就越小。
（2）分析系统的主要性能；
（3）对整个电路的流程进行分析；
（4）硬件的准备以及焊接；
（5）用c语言进行软件的编写并仿真；
（6）将硬件和软件进行系统仿真直至完成设计。
3硬件设计
3.1STC89C52简介
图1.2STC89C52
本次设计所使用的单片机如图1.2所示。
STC89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线。
STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
主要功能特性
（1）兼容MCS51指令系统
（2）8k可反复擦写（>1000次）FlashROM
（3）32个双向I/O口
（4）256x8bit内部RAM
（5）3个16位可编程定时/计数器中断
（6）时钟频率0-24MHz
（7）2个串行中断
（8）可编程UART串行通道
（9）2个外部中断源
（10）共8个中断源
（11）2个读写中断口线
（12）3级加密位
（13）低功耗空闲和掉电模式
（14）软件设置睡眠和唤醒功能
引脚简介：
（1）VCC（40脚），接＋5V电源正端
GND（20脚），接＋5V电源地端
（2）XTAL1（19脚），接外部晶振的一个引脚。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。
当采用外部振荡器时，此引脚应接地。
XTAL2（18脚），接外部晶振的另一个引脚。
在片内接至反相放大器的输出端和内部时钟电路的输入端。
当采用外部振荡器时，此脚接外部振荡器的输出端。
（3）控制信号线
RESET（9脚）：
复位信号输入端，复位/掉电时内部RAM的备用电源输入端。
ALE（30脚）：
地址锁存允许/编程脉冲输入，用ALE锁存从P0口输出的低8位地址。
在对片内EPROM编程时，编程脉冲由此输入。
PSEN（29脚）：
外部程序存储器读选通信号，低电平有效。
EA（31脚）：
访问外部存储器允许/编程电压输入。
EA为高电平时，访问内部存储器；低电平时，访问外部存储器。
3.2DHT11湿度检测模块
图1.3DHT11湿度模块
检测模块如图1.3所示。
3.2.1湿度检测模块选择思路
要对当前环境湿度进行检测，并且需要和单片机结合，最好便是用传感器来检测环境湿度，通过单片机进行数据处理后显示出来。
传感器的选择需要精度高，而且便于单片机控制。
3.2.2DHT11湿度模块
本次设计使用DHT11湿度传感器。
DHT11湿度模块，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
引脚说明：
（1）Pin1：
（VDD），电源引脚，供电电压为3-5.5V。
（2）Pin2：
（DATA），串行数据，单总线。
（3）Pin3:
（NC），空脚，悬浮。
（4）Pin4（VDD），接地端，电源负极。
3.3液晶显示模块
图1.4液晶模块
本系统显示采用了工业字符型液晶模块1602，如图1.4所示。
可显示2行16个字符，能方便显示英文字母大小写、阿拉伯数字、常用符号等。
通过自定义还可显示简单的汉字。
本液晶模块的电路的连接图如图3-3所示，第1脚和第2脚分别接到了电路的GND和VCC，这2个脚是液晶工作的电源输入脚。
第3脚通过一个10K的电位器连接到地端，可通过调节该电位器来调节液晶的对比度。
第4脚是液晶的寄存器控制脚，接到了单片机的P12脚上。
第5脚是液晶的读写控制脚，接到了单片机的P13脚上。
第6脚是液晶的使能脚，接到了单片机的P14脚上。
第7脚到第14脚是液晶的数据/地址8位总线，接到了单片机的P0口上。
最后第15脚和第16脚是液晶的背光电源脚，直接连接系统VCC和GND。
1602LCD主要技术参数：
（1）显示容量:
16×2个字符
（2）芯片工作电压:
4.5—5.5V
（3）工作电流:
2.0mA（5.0V）
（4）模块最佳工作电压:
5.0V
（5）字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
引脚说明：
（1）VSS：
接地
（2）VDD：
接5V正电源
（3）VL：
VL为液晶显示器对比度调整的端口，对比度的强弱由接电源的不同决定，对比度的调整可以通过一个10k的电位器
（4）RS：
RS是寄存器选择
（5）R/W：
R/W的读和写信号线，高水平低的读操作，写操作
（6）E：
使能端E，当E端由1至0时，液晶模块中的命令开始被运行
（7）至（14）D0-D7：
位双向数据线
（15）BLA：
背光源正极
（16）BLK：
背光源负极
3.4报警模块
图1.5蜂鸣器模块
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
报警电路的要求是电路器件简单，易于控制。
所以报警模块选择单片机设计中最常使用的有源蜂鸣器。
本设计利用单片机的I/O控制三极管的开关状态，进而达到控制蜂鸣器的报警。
由于蜂鸣器工作时，需要的电流比较大，单片机的IO口输出的电流又比较小，所以这里利用三极管的开关管功能来控制蜂鸣器发音，本设计选用的三极管型号是PNP三极管S8550，而且本设计选用的蜂鸣器属于有源蜂鸣器，即在蜂鸣器内部已经内置了震荡电路，单片机无需连续发出高低电平来驱动它，而只要输出高（或低）电平即可，这大大简化了单片机程序的设计。
由于选用的是PNP型而单片机上电IO口默认是高电平的，所以上电时蜂鸣器是不会发出鸣叫的。
3.5按键输入模块
图1.6按键输入模块
在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘。
它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有很大区别，首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。
本设计中由于采用的按键数量较少，只有3个按键，分别是“设置”、“减”、“加”，故采用了独立键盘的方式。
3.6电路的排版连线设计
电路元器件的排版和连线影响到电路的美观和功能的实现，本设计采用protel软件进行排版设计。
制作流程：
（1）将生成的pcb图打印；
（2）按照打印的图纸在板子上进行刻录联系；
（3）将刻录的连线部分用锡进行覆盖；
（4）用蚀铜液把多余的铜腐蚀掉；
（5）打孔，焊接。
4软件设计
4.1总程序流程图
图1.7程序流程图
程序流程图实现步骤：
本系统的软件流程图如图1.8所示，最开始先进行液晶的初始化，包括液晶功能初始化和液晶显示内容初始化，接着就开始进行温湿度的检测，然后判断读取到的温湿度是否在报警的范围之内，如果超出范围，则蜂鸣器鸣叫，且对应的指示灯亮。
检测完温湿度数据后，就判断是否有按键被按下（第一个），有的话，则进入了报警范围设置界面，否则进行一段时间的延时后，就进入下一个循环，从新检测温湿度数据。
4.1.1温湿度DHT11程序
图1.8温湿度DHT11程序流程图
该软件部分的实现步骤为：
（1）DHT11发出读取命令，读取湿度和温度数据以及校验和；
（2）检测数据是否出错；
（3）若数据出错，则丢弃当前数据；若数据符合，则数据被采用，进行下一个程序。
4.1.2LCD1602液晶程序
图1.9LCD1602液晶程序
该程序的实现步骤为：
（1）液晶进行初始化后，对行列坐标进行定位；
（2）显示一个字符；
（3）数据是否显示完成，若否，则重新显示字符；若是，则进行下一个程序。
4.2程序设计
利用C51语言进行编程可以把程序进行模块化编写，然后在主函数里进行调用即可，这样分工明确，框架清晰，给人一目了然的感觉。
程序详见附录一。
4.3串口通信
串口程序如附录三所示。
单片机要与计算机通信，必须通过MAX232（或其他）芯片。
这是因为计算机串口上的电平执行的是RS-232标准，它定义的高低电平和单片机的TTL逻辑电平不兼容。
而MAX232芯片加上几个电解电容，能完成电压的加倍和反相，实现TTL电平和RS-232电平的转换。
单片机的串行口TXD与MAX232的一组电平转换器的TTL输入端（管脚12）相连，经过MAX232转换后，RS-232标准输出端（管脚14）输出的信号进入计算机串口的RXD。
同样计算机串口的TXD与MAX232的RS-232标准输入端（管脚13）相连，经过电平转换后，由TTL输出端（管脚11）输出到单片机的RXD上
DHT11的供电电压为3－5.5V。
传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。
电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。
DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:
一次完整的数据传输40bit,高位先出。
数据格式:
8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。
4.4上位机的程序设计
4.4.1面向对象的编程
面向对象（ObjectOriented,OO）是软件开发方法。
面向对象的概念和应用已超越了程序设计和软件开发，扩展到如数据库系统、交互式界面、应用结构、应用平台、分布式系统、网络管理结构、CAD技术、人工智能等领域。
面向对象是一种对现实世界理解和抽象的方法，是计算机编程技术发展到一定阶段后的产物。
4.4.2上位机图形窗口
上位机是一台可以发出特定操控命令的计算机，通过操作预先设定好的命令，将命令传递给下位机，通过下位机来控制设备完成各项操作。
图形窗口见附录六。
4.4.3上位机流程
图2.0主线程流程图
4.4.4主要程序代码
程序代码详见附录二
5系统调试
5.1硬件调试
（1）在焊接之前对各元器件的好坏进行测试，用万用表进行测量。
（2）检测电路焊接的正确性，是否存在漏焊等。
（3）用万用表的电阻档测量各焊点是否存在虚焊。
5.2软件调试
软件采用keilc51软件进行编写程序并进行仿真运行，如图2.2所示。
图2.1软件编译图
（1）在软件中编辑程序。
（2）编辑结束后对软件的正确性进行仿真。
（3）直至出现以上的结果即没有错误，没有警告。
参考文献
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[8]李朝青.PC机及单片机数据通信技术.
附录
附录一程序
#include
#include
typedefunsignedcharuchar;
typedefunsignedintuint;
sfrISP_DATA=0xe2;//数据寄存器
sfrISP_ADDRH=0xe3;//地址寄存器高八位
sfrISP_ADDRL=0xe4;//地址寄存器低八位
sfrISP_CMD=0xe5;//命令寄存器
sfrISP_TRIG=0xe6;//命令触发寄存器
sfrISP_CONTR=0xe7;//命令寄存器
sbitLCD_RS=P1^2;//LCD1602液晶的RS管脚
sbitLCD_RW=P1^3;//LCD1602液晶的RW管脚
sbitLCD_EN=P1^4;//LCD1602液晶的EN管脚
sbitDHT11_D=P1^0;//温湿度传感器DHT11数据接入
sbitLED_HL=P3^6;//湿度过低报警指示灯
sbitLED_HH=P3^7;//湿度过高报警指示灯
sbitBuzzer_D=P1^1;//蜂鸣器
sbitKey_Set=P1^5;//设置按键的管脚
sbitKey_Down=P1^6;//减按键的管脚
sbitKey_Up=P1^7;//加按键的管脚
ucharSHIDU;//保存湿度
ucharT;//保存温度
ucharAlarm_HL;//湿度下限报警值
ucharAlarm_HH;//湿度上限报警值
/***************************
关闭ISP&IAP
****************************/
voidISP_Disable（）
{
ISP_CONTR=0x00;
ISP_CMD=0x00;
ISP_TRIG=0x00;
}
/**************************************************
从单片机内部EEPROM读一个字节，从0x2000地址开始
***************************************************/
ucharEEPROM_Read（uintadd）
{
EA=0;
ISP_CONTR=0x81;
ISP_CMD=0x01;
ISP_ADDRH=（uchar）（add>>8）;
ISP_ADDRL=（uchar）（add&0xff）;
//对STC89C52系列来说，每次要写入0x46，再写入0xB9,ISP/IAP才会生效
ISP_TRIG=0x46;
ISP_TRIG=0xB9;
_nop_（）;
ISP_Disable（）;
EA=1;
returnISP_DATA;
}
/**************************************************
往单片机内部EEPROM写一个字节，从0x2000地址开始
***************************************************/
voidEEPROM_Write（uintadd,ucharch）
{
EA=0;
ISP_CONTR=0x81;
ISP_CMD=0x02;
ISP_ADDRH=（uchar）（add>>8）;
ISP_ADDRL=（uchar）（add&0xff）;
ISP_DATA=ch;
ISP_TRIG=0x46;
ISP_TRIG=0xB9;
_nop_（）;
ISP_Disable（）;
EA=1;
}
/*********************************************************
擦除单片机内部EEPROM的一个扇区
写8个扇区中随便一个的地址，便擦除该扇区，写入前要先擦除
**********************************************************/
voidSecto
升级会员 