大型仓库网络化智能温湿度监控系统设计Word文件下载.docx
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HumiditymeasurementusingacapacitiverelativehumiditysensorHS1101;
Sothatthesystemcanbeeasilyimplementedastemperature,humidity,real-timecontrol.
Keyword:
Singlechip89C51;
DS18B20temperaturesensors;
HS1101humiditysensor；
LCDpanel;
softwarecircuit.
1绪论
1.1选题背景
防爆、防霉、防腐、防潮是大型仓库日常工作的重要内容，是衡量大型仓库管理质量的重要指标。
它是直接关系到仓库储存寿命和操作的可靠性。
为了保证日常工作的正常进行，最重要的问题是要加强对仓库温湿度监测。
然而，传统的方法是使用湿度计，毛发湿度计，双金属测量仪等测试工具，通过手工测试，不符合的温度和湿度要求的库房通风，除湿和冷却工作。
这不仅降低了控制精度，时效性差，操作人员的劳动强度。
即使一些用户使用半导体二极管作为温度传感器，但由于其互换性差，效果不理想。
因为温度过高或过低，仓库存储产品故障或因高湿度造成仓库事故时有发生，甚至危及工作人员的安全。
所以，监控温度和湿度的实施是非常重要的，有利于促进建设和管理为一体的高科技企业相结合的监控和管理企业级数据仓库监控作为一个功能多样的数字家庭行业发展。
仓库温湿度监测系统除了应用于仓库也可以应用在其他行业。
如纺织行业中，有严格要求的温度和湿度，直接影响纺织空调系统的正常生产和经济效益的可靠性和安全性。
大多数空调系统控制，当前纺织落后模式操作不方便。
空调系统的能源消耗，严重时会损坏机器，较高的经营成本。
因此，设计一个易于操作，功能齐全，可靠的温度和湿度控制系统，提高设备使用效率，降低事故发生率有积极的作用。
1.2国内外发展情况
目前，国内仓储调节温度和湿度的控制措施包括：
中央空调系统配备了一个集中，局部空间使用恒定的温度和湿度，空调，除湿机，加湿器，使用湿度材料。
通过调整温度和湿度环境控制符合储备存储环境标准要求的温度和湿度测量仪器测量。
常用的温度和湿度的测量仪器有：
液体膨胀式温度计，双金属型测量仪，自动记录湿度计，温度和湿度记录仪微电子。
温度和湿度测量仪器分布在各个仓库，温湿度监测数据收集传统手段人工检验记录，然后汇总记录。
由于仓库的数量多，面积大，完善的检测让工作人员再次花费了大量的时间。
使用手工抄表模式，每日记录的温度和湿度是极其有限的，而且在夜间也无法巡查记录。
近年来，温湿度测控领域发展迅速，并且随着数字技术的发展，温湿度的测控芯片也相应的登上历史的舞台，能够在工业、农业等各领域中广泛使用。
鉴于此，本设计对基于单片机的温湿度监测系统进行了相关研究。
本设计是通过单片机控制来实现对仓库周围环境的温湿度进行测量。
而全新的数字化温湿度传感器是全新概念的温湿度传感器，采用了智能线性化技术，使用了全新的生产工艺，发扬了数字化、网络化的特点，实现高精度、高互换性、方便的现场校准/安装，是实用性、方便性和先进性的统一。
1.3课题设计要求
本设计通过按钮设定合适的温度和湿度，由传感器向最小系统输送监控信号，超过预定值的话，发光二极管器变亮，控制温、湿度的设备即可作出对应的调整，回到正常范围内，系统正常运行。
根据实际的需求，我们提出了测温湿组件的基本功能，需要说明的是，在这里你看不到传统的温湿度显示功能，因为实际上工作人员根本不可能到现场去记录温湿度的显示。
同时增加了组件的测温湿度免维护自由增减功能，以适应系统的自由加减。
温度上下限的设置为：
当温度高于30℃时，发光二极管器变亮；
而当温度低于30℃时不亮。
湿度上下限的控制为：
当湿度大于15%时，发光二极管器变亮；
而当温度低于15%时不亮。
该设计能够实现温湿度的同时检测，温湿度传感器能够根据外界温湿度的变化将环境值在液晶模块显示。
（1）课题实现的基本功能；
①
检测温度、湿度，预设值为30℃，湿度15%；
②
显示温度、湿度；
③
过限报警，发光二极管器变亮。
（2）课题主要技术参数
温度的检测范围
：
-30℃～+150℃；
测量的精度
0.5℃；
湿度的检测范围
0%～100%RH；
④
检测的精度
1%RH；
⑤
显示方式
LCD1602液晶模块显示。
⑥
报警方式
LED指示灯发光报警。
2系统总体方框图
温湿度的检测系统主要由以下几个功能块模块构成：
中央控制处理器ATC89C51模块；
温湿度数据采集模块：
输出显示模块：
键盘控制模块等。
温湿度的检测系统的主要有以下几种特点：
（1）温湿度的检测系统有互换性好，响应速度快，抗干扰能力强等特点，是实用性、方便性和先进性的统一。
（2）温湿度的检测系统能够用软件的方式控制硬件，所用软件方式设计的系统向硬件系统的转换是由相关开发软件自动完成的，操作容易。
（3）可以由组合设计转向自由设计，所以该设计操作方便、功能完善、工作可靠。
可适合大规模的现场操作。
图1基于DS18B20和HS1101的温湿度监测系统方框图
3元器件的选择
3.1AT89C51介绍
proteus软件中AT89C51引脚图如下图2所示
图2proteus中AT89C51引脚图
AT89C51各个引脚介绍：
VCC/GND：
供电电源。
P0口：
是地址/数据总线复用口。
作输出口时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高输入阻抗端使用。
访问外部RAM时，这组口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期激活内部的上拉电阻。
P1口：
输入输出I/O，P1口写入1后，内部上拉为高，可用作输入。
P2口：
可用作输入输出I/O，还可用作外部程序存储器或数据存储器的高八位地址。
P3口：
不仅可作标准输入输出I/O，也可作为AT89C51一些特殊功能口，
管脚备选功能
P3.0RXD（串行数据接收）
P3.1TXD（串行数据发送）
P3.2/INT0（外部中断0申请）
P3.3/INT1（外部中断1申请）
P3.4T0（定时器0外部输入）
P3.5T1（定时器1外部输入）
P3.6/WR（外部RAM写选通）
P3.7/RD（外部RAM读选通）
RST：
复位信号的输入。
当输入的复位信号延续2个周期以上高电平时即为有效信号，用于单片机的复位操作。
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。
PSEN：
在读外部ROM时PSEN非有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
EA/VPP：
当EA为低电平时，对ROM的操作时是针对在外部程序存储器（0000H-FFFFH）。
当EA端为高电平时，对ROM的操作时是从内部程序存储器开始。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入与内部时钟电路的输入。
XTAL2：
反向振荡器的输出。
3.2温度传感器的论证及选取
方案一：
采用热电阻温度传感器。
热电阻是利用导体的电阻随着温度变化的特性制成的测温元件。
现在应用比较多的有铜、镍、铂等热敏电阻。
主要有精度高、测量范围大、可以远距离测量等特点。
铂的物理、化学性能极稳定，它的优点是抗氧化能力强，容易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高。
因此铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。
它的缺点是价格比较贵，温度系数小，受磁场影响大，在还原介质中容易被玷污。
IEC标准测温范围为-200～650℃，当XX电阻比W（100）=1.3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±
（0.15℃+0.002|t|），B级为±
（0.3℃+0.005|t|）。
方案二：
采用AD590。
AD590测温范围为-55℃～+150℃之间，而且精度非常高。
M档测量温度非线形误差为±
0.3℃。
AD590可承受44V的正向电压与20V的反向电压，因此就算反接器件也不会损坏。
当接入直流电源时就能工作，不需要线性校正，所以使用起来也比较方便。
电流输出型传感器同电压输出型传感器相比，它抗外界干扰能力强很强。
方案三:
采用DS18B20。
DS18B20数字温度传感器，测温范围－55℃～＋125℃，测量温度地分辨率为0.5℃。
采用单线接口，DS18B20在与处理器相连时只需要一条通讯口线就可实现单片机与DS18B20的双向通讯。
多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，而且还能实现多点测温。
其工作电源在3～5V左右。
其使用中可不要外围元件；
测量结果以9～12位数字量方式进行串行传送。
综合方案一，二与方案三，我们选择方案三作为本设计的温度传感器。
3.3湿度传感器的论证及选取
测量空气的湿度，方法也有很多种，该原理是基于诱导从周围的空气中吸收水分，间接得到的性质的物质的物理或化学变化量的水和周围空气的湿度的物质。
吸湿后其电阻是基于电阻式，电容式湿度和潮湿起来的原始聚合物材料的介电常数和体积将被改变和湿度的测量。
采用HS1100/HS1101湿度传感器。
HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
它的特点是不需校准的完全互换性，高可靠性和稳定性好，响应时间快速，专利设计的固态聚合物结构，有顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，不仅适用于线性电压输出和频率输出两种电路，而且适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程。
相对湿度在1%—100%RH范围内；
电容量由10pF变到200pF，其误差不大于±
2%RH；
响应时间不大于于5s；
温度系数为0.03pF/℃。
比较器件一与器件二，器件一虽然满足测量精度与湿度范围的要求，但是只限于一定范围内使用时才具有良好的线性，不可以有效地利用其线性特性。
而且还不具备在本设计系统中对温度-30～150℃的要求。
因此，我们选择器件二来作为本设计的湿度传感器。
3.4LCD方案比较
选取液晶显示器（LCD），LCD的特点是体积小、重量轻、功耗低、超薄等，近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪表、仪器和低功耗电子产品中。
LCD可分为段位式LCD、点阵式LCD和字符式LCD。
其中，段位式LCD和字符式LCD能用于数字和字符的简单显示，但不能满足图形曲线和汉字显示的要求；
而点阵式LCD既可显示字符、数字，还可显示各种图形、汉字以及曲线，并且还可实现上下左右滚动，动画功能，左右滚动，分区开窗口，闪烁等功能，应用十分广泛。
LCD产品制造涉及光学、电机、化工、半导体、材料等各中领域，上下游所需技术层面非常广泛，很少有厂商能从材料到成品全部都能做，因此各领域分工非常明显。
LCD产业材料包括ITO导电玻璃、玻璃基板、背光模块、彩色滤光片、液晶、偏光板、液晶驱动IC等；
中游则是集合了各种材料，包过制造LCD面板和模块，提供给下游厂商使用。
选取LED显示器，LED是英文lightemittingdiode（二极管）的缩写，能将电信号好转化为光信号器件。
它的四周是用环氧树脂密封的，这样可以保护内部芯线，所以LED的抗震性好。
二极管的最主要的部分是一个p型半导体和n型半导体构成的晶片，在p型半导体和n型半导体中有一个过渡层，称为pn结。
如果在PN结加入反向电压，少数的载流子会难以注入，因此不会发光。
当它处于工作状态，二极管阳极电流向阴极，半导体晶体会显示紫外到红外光的不同种颜色的光，光的强弱与电流大小有关。
综上所述，我们选择方案一，因其可以同时显示多个数据，故选之。
1602LCD的指令说明及时序：
1602液晶模块控制器共有11条控制指令，如表1所示。
表11602LCD控制指令
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
2
光标返回
*
3
置输入的模式
I/D
S
4
显示开、关控制
D
C
B
5
光标、字符移位
S/C
R/L
6
置功能
DL
N
F
7
置字符存储器的地址
字符存储器的地址
8
置数据存储器的地址
数据存储器的地址
9
读忙标志活的地址
BF
计数器的地址
10
到CGRAM、DDRAM写数
要写数据
11
到CGRAM、DDRAM读数
读数据
Proteus软件中LCD屏选用的元器件如图3所示
图3LCD屏
1602LCD引脚说明：
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VEE为对比度调整端，使用时需要加一个10K电位器来调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，“1”时为数据寄存器、“0”时为指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，：
“1”为读操作，“0”为写操作。
第6脚：
E端为使能端，当E端由“1”跳变成“0”时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
4系统硬件电路
4.1最小系统设计
其中包括内部时钟电路，复位电路与晶振电路。
单片机AT89S51的晶振电路采用无源晶振，微调电容取33pf。
复位电路采用的是按键复位。
图4最小系统系统硬件电路
4.2传感器接口电路图
4.2.1温度传感器接口电路图
DS18B20是数字型温度传感器，可直接以数字方式传输所采集的当前环境温湿度，DS18B20采用的是单总线通信，因此只需将单片机的一个I/O端口与DS18B20的通信接口连接就可以实现数据的采集和传送，其中单片机P2.4与DQ相接。
相对于其他电路来说比较简单。
如图5所示：
图5温度传感器硬件电路
4.2.2湿度传感器接口电路图
湿度检测采用HS1101型湿度传感器，HS1101是HUMIREL公司生产的变容式相对湿度传感器，采用独特的工艺设计。
设计的电路如图6所示。
图6湿度传感器硬件电路
555芯片外接电阻R1，R2与一个电容，构成对HS1101的充电回路。
7脚通过芯片内部的晶体管对地短路实现对HS1101的放电回路，并将引脚2，6端相连引入到片内比较器，构成一个多谐波振荡器。
其中3脚与单片机T0口相接。
HS1101作为一个可以变化的电容器，在仿真图中由Cx代替，连接2和6引脚。
充电、放电的时间分别为
t充电=Cx（R2+R1）ln2
t放电=CxR1ln2
由于HS1101湿度与电容的函数关系可知相对湿度与电容的关系可看成直线段，所以有
f=1/（t充电+t放电）=1/[Cx（R2+2R1）ln2）]
=1.442695/[（R1+2R2）Cx]
假设
R1=560K,R2=560K
可知
f=1.442695/[（1680）K*C]
已知Cx:
161pF～193pF
那么有
f:
5334Hz~4449Hz
又RH=0~100%由此可以看出，空气相对湿度与555芯片输出频率存在一定反比关系。
可以通过微处理器采集555芯片的频率，然后查表即可得出相对湿度值。
表2常见的相对湿度对照表（空气温度：
30℃）
RH%
20
30
40
50
60
70
80
90
100
F/Hz
5334
5253
5164
5079
4995
4921
4843
4734
4667
4547
4449
其中当电容为173pF时，空气相对湿度为52%。
4.3LCD显示电路图与按键电路
显示模块选用1602字符型液晶模块，它是目前工控系统中使用最广泛的液晶屏之一，由于它显示的质量高，电路图如图7所示，1602字符型液晶模块是点阵型液晶，驱动方便，经过编程后显示内容多样化。
显示器的7-14端口与单片机的P0口相接；
RS与P2.6相接；
E与P2.7相接。
按键K0、K1、K2与单片机的P2.0、P2.1、P.3相接。
图7LCD显示与按键电路图
4.4数据采集与处理的设计
DS18B20的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个可电擦除的EERAM。
高
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