实验室温湿度监控系统的设计论文Word文档下载推荐.docx
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第1章绪论2
11课题研究的目的及意义2
12国内外测温湿技术及其发展趋势2
第2章系统总体方案设计与选择论证4
21系统主要单元的选择与论证4
22系统总体原理框图4
第3章系统的硬件设计5
31单片机AT89C51简介5
32AT89C51引脚及介绍5
33SHT11传感器7
comSHT11传感器简介7
comSHT11传感器内部结构及工作原理7
34显示模块9
com1602液晶简介9
com1602液晶与AT89C51接口电路9
35键盘电路设计10
com制电路10
com各功能键作用分配10
36蜂鸣器电路的设计11
com报警模块的选择11
com本设计蜂鸣器工作原理11
37时钟与复位电路的设计12
38单片机与上位机通讯电路设计12
comRS-232C简介13
com232简介13
第4章系统软件设计15
41系统软件总体设计15
42主程序设计15
43数据采集及处理子程序设计17
44键盘液晶显示程序设计17
结论与展望20
致谢21
参考文献22
附录A温湿度检测系统仿真图23
附录B外文文献及译文24
附录C主要参考文献的题录及摘要30
附录D系统源程序32
插图清单
图2-1系统总体原理框图4
图3-1AT89C51引脚图5
图3-4SHT11内部原理图8
图3-51602液晶与AT89C51接口电路10
图3-6键盘控制电路11
图3-7三极管驱动的蜂鸣音报警电路12
图3-8时钟电路图12
图3-9复位电路12
图3-9232芯片控制电路14
图4-4液晶显示流程图17
表格清单
表3-3P3口的第二功能6
表3-4SHT11的命令代码8
引言
温湿度测量是现代检测技术的重要组成部分在保证产品质量节约能源和安全生产等方面起着关键的作用因此能够确保快速准确地测量温湿度的技术及其装置普遍受到各国的重视近年来利用智能化数字式温湿度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温湿度测技术的一种发展趋势本文介绍的温湿度检测系统以智能化数字式温湿度传感器与PIC微处理器有机结合构成了一种新型温湿度检测系统该系统具有性能可靠测温准确结构简单造价低廉等特点并兼具线路简捷使用灵活抗干扰性好可移植性强等优点可在工程实际中得到广泛应用
随着电子技术的发展将组成CPU的部件集成在一块半导体芯片上这个具有CPU功能的大规模集成电路芯片就称之为微处理器MPU微处理器的出现推动了微型计算机的发展同时也引起了电子设计技术领域的探到变革电子技术专业人员使之可以把微处理器部件像其他集成电路一样嵌入到电子系统中使电子系统具有可编程序的智能化特点开辟了计算机技术在电子技术领域应用的广阔大地
将微处理器存储器IO电路集成到一块半导体芯片的技术再次推动了这种嵌入式技术的发展单片微型计算机是这种设计技术中的一个典型代表单片机适用于测量和控制领域它以芯片形式嵌入到电子产品或系统中起到电脑作用受到电子专业技术人员的青睐单片机以其体积小可靠性高功能的专门化为特点沿着与适用微处理器不同的方向发展它的出现和发展标志着单片嵌入技术已经成为电子系统设计的一个重要发展方向
本课题主要为采用单片机实现数据采集与温湿度检测的制作突出民用产品的低成本多动能的特点按照选题要求应实现温湿度的测量并且能够实现数字钟和测量部分的通过键盘进行控制
第1章绪论
11课题研究的目的及意义
科学技术是第一生产力科技的进步离不开大量的科学实验科学实验是科技进步的重要前提随着人们对科学实验的要求越来越高如何在最优的条件下进行科学实成为众多实验室首要考虑的问题很多的实验对环境条件的要求非常的苛刻而温度和湿度又是环境中最基本的两个条件也是最不容易保障的指标而且它们都有可能对实验产生较大的影响
例如微生物实验室某些微生物对生存环境的要求特别的严格只有在特定的温度湿度条件下才可以存活并生长温度湿度稍有改变就有可能导致它们的死亡甚至导致实验的失败物理实验室里的某些高精度电子仪器对温湿度也很敏感只有工作在特定的环境下才能保证它们的精度所以必须维持一个恒定的温湿度值在化学实验室里某些实验必须在特定的温湿条件下进行否则不仅得不到的应有的结果甚至会发生危险这些都对实验室的温湿度监控提出了高要求
在生命科学设施计量校准实验室和电子制造环境温度和湿度往往需要监测和报警显示724以保障产品和工艺在环境监测实时数据报告以确保环境符合规格是至关重要的在我们的生活中我们要时刻关心环境的变化只有很好的把握好环境的差异变化我们才能更好的生存与发展
做好温度和湿度的防范工作比如说在一些实验室生物的成长和温湿度是离不开的它们只有在适宜的环境下在适宜的温度和湿度下才能成长的更快我们才能获取更大的效益另外一些仓库也需要实时知道温湿度的具体变化什么样的物品在什么样的环境下比较适宜等等
现代社会越来越多的实验都要求在严格的环境条件下完成而温度和湿度是实验室最基本的环境条件也是对实验影响较大的因素一般温湿度控制系统中的温湿度测量均采用热敏电阻与湿敏电容这种传统的模拟式温湿度传感器一般都需要设计信号调理电路并经过复杂的校准和标定过程因此测量精度难以保证且在线性度重复性互换性等方面也存在一定问题这种传感器只适合那些测量点数较少对精度要求不高的场合因此设计出一款精度高稳定性好成本低的温湿度检测控制系统将具有一定的市场
12国内外测温湿技术及其发展趋势
随着人们的生活及其生产水平的不断提高对生活环境和生产环境的要求就显的尤为重要温湿度的控制就是一个典型的例子因此温湿度检测系统就是现代生产生活中应运而生的一种智能快捷方便可靠的检测系统特别是在实验室做实验中如果检测得不准确就会发生许多的生产事故如实验过程中对温度的检测不当就会导致生产效率的降低和产品质量的下降而现在所使用的温湿度检测系统通常都是精度为1℃或01℃的水银煤油或酒精温度计进行的温度检测和用传统的物理模拟量的方法进行的湿度检测这些温湿度检测计的刻度间隔通常都很密不容易准确分辨读数困难而且他们的热容量还比较大达到热平衡所需的时间较长因此很难读准并且使用非常不方便
在传统领域中温度测量是通过物质的物理热胀冷缩原理来实现的物质的选择可以是气体也可以是液体还可以是金属我们一般常用的水银玻管温度计就是一种常见的通过金属物质热胀冷缩原理制成的温度测量器具在计量检定中很多温度的检定都依靠它来标定他的优点是结构简单使用方便测量精度相对较高价格低廉缺点是测量上下限和精度受玻璃质量与测温介质的性质限制只能近距离观测而且有毒并且由于易碎不适宜运输和传递
国内对温湿控制技术研究起步较晚自20世纪80年代以来在引进吸收国外高科技温室生产技术的基础上我国进行了温室中温度湿度和二氧化碳等单项环境因子控制技术的研究1982年中国农业科学院建立了全国农业系统的第一个计算机应用研究机构1995年北京农业大学研制成功的WJG一1型实验温室环境监控计算机管理系统仅仅是进行单因子控制操作性和可靠性均不够理想
温湿度传感器正朝着集成化智能化系统化的方向发展与此同时温湿度测量技术也在不断进步在工农业生产气象环保国防科研航天等部门经常需要对环境温度与湿度进行测量及控制准确测量温湿度对于生物制药食品加工造纸等行业更是至关重要的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目前温湿度测量领域的新技术不断涌现新产品也层出不穷
第2章系统总体方案设计与选择论证
在本章中我们将实验室温湿度环境监测系统的总体设计及其主要功能特点进行简单的分析并给出它的特点实现功能系统的简单操作以及对单片机及其控制系统的了解
21系统主要单元的选择与论证
方案一采用XC9000系列的FPGA该类器件具有并行处理能力能快速的响应外部的各种数字信号但在数据处理方面过于复杂而且芯片价格较昂贵
方案二采用单片机作为控制核心单片机数学运算功能较强在程序相互调用方面处理方便灵活性能稳定适合实际应用且单片机技术发展较为成熟价格便宜基于以上分析采用单片机控制可更为简便灵活地实现系统功能故拟采用方案二
22系统总体原理框图
该系统主要由以下功能系统构成中央控制处理器AT89C51组成的主机系统环境数据采集系统输出显示与键盘控制系统等
主要的系统电路有电源电路温度传感器与湿度传感器电路显示电路报警电路键盘输入控制电路和通信电路等
该系统的主要特点有
1该产品的互换性好响应速度快抗干扰能力强外围电路简单易懂因此体积小
2该系统能用软件的方式控制硬件所有用软件方式设计的系统向硬件系统的转换是由有关开发软件自动完成的易操作
系统总体原理框图如图2-1所示
图2-1系统总体原理框图
第3章系统的硬件设计
本设计的硬件系统主要由主控模块显示模块温湿度采集模块键盘模块和蜂鸣器模块组成
31单片机AT89C51简介
AT89C51是一个低功耗高性能CMOS8位单片机片内含4kBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存储技术制造兼容标准MCS-51指令系统及AT80C51引脚结构芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案
AT89C51具有如下特点40个引脚4kBytesFlash片内程序存储器128bytes的随机存取数据存储器RAM32个外部双向输入输出IO口5个中断优先级2层中断嵌套中断2个16位可编程定时计数器2个全双工串行通信口片内时钟振荡器此外AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式空闲模式下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PDIPTQFP和PLCC等三种封装形式以适应不同产品的需求
32AT89C51引脚及介绍
com引脚介绍
VCC电源电压
GND地
P0口P0口是一组8位漏极开路型双向IO口也即地址数据总线复用口作为输出口用时每位能驱动8个TTL逻辑门电路对端口写1可作为高阻抗输入端口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位和数据总线复用在访问期间激活内部上拉电阻在Flash编程时P0口接收指令字节而在程序校验时输出指令字节校验时要求外接上拉电阻
P1口P1是一个内部带上拉电阻的8位双向IO口P1的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路对端口写1通过内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内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号校验期间P1接收低8位地址
P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO口P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路对端口写1通过内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内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I在访问８位地址的外部数据存储器如执行MOVXRi指令时P2口线上的内也即特殊功能寄存器在整个访问期间不改变Flash编程或校验时P2也接收高位地址和其它控制信号
P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向IO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时它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口作输入端口时被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流IP3口除了作为一般的IO口线外更重要的用途是它的第二功能P3口的第二功能如下表3-3
表3-3P3口的第二功能
端口功能第二功能端口引脚第二功能RXDP30串行输入口T0P34定时计数器0外部输入TXDP31串行输出口T1P35定时计数器1外部输入INT0P32外中断0WRP36外部数据存储器写选通INT1P33外中断1RDP37外部数据存储器读选通RST复位输入当振荡工作时RST引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机复位ALEPROG当访问外部程序存储器或数据存储器时ALE地址锁存允许输出脉冲用于锁存地址的低8位字节即使不再访问外部存储器ALE仍以时钟振荡频率的16输出的正脉冲信号因此它可对外输出时钟或用于定时目地要注意的是当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲如有必要可通过对特殊功能寄存器SFR区中的8EH单元的D0位置位可禁止ALE操作
PSEN程序储存允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号当AT89S51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访问外部数据存储器高有两次有效的PSEN信号
EAVPP外部访问允许欲使CPU访问外部程序存储器地址0000H－FFFFHEA端必须保持低电平接地需注意的是如果加密位LB1被编程复位时内部会锁存EA端状态如EA端为高电平接VCC端CPU则执行内部程序存储器中的指令Flash存储器编程时该引脚加上＋12V的编程电压VPP
XTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端
XTAL2振荡器反相放大器的输出端
33SHT11传感器
comSHT11传感器简介
SHT11数字式温湿度传感器是由瑞士的Sensation公司设计的是一种带有两线制串行接口的复合式传感器片内实现了对数据的调试及其标定并且测量精度可以调节分辨率可以达到8位12位或14位可由用户自行设定输出的数据还带有CRC校验保证了数据传输的准确性其加工工艺采用了特殊的COMS过程微加工技术生产出的产品可靠性非常的高并且能够长期工作在非常稳定的状态
该复合式的传感器内部的集成度非常的高将一个能隙式的测温元件一个聚合体测湿元件一个AD转换器一个加热器以及串行接口电路都集成在了一片742×
488×
25mm的无铅芯片载体上并且采用了无缝连接的工艺极大的增加了产品的抗干扰能力也使得芯片的响应时间非常的短在同类产品中性能非常的突出
为了使用户能够得到非常准确的温湿度信息每个芯片在出厂前都经过了严格的测试并将校正值存于内存中简化了用户对采集数据处理的复杂度同时也大大增加了产品的精度绝对可以成为各种温湿度采集芯片中的佼佼者
SHT11数字式温湿度传感器的应用范围非常的广泛小到智能家居大到自动化控制相比于其他同类产品具有以下几种特点
一集成度高将湿感元件温感元件串行接口电路以及AD转换器等都集成在一片无铅芯片载体上具有超小的外部尺寸
二基于两线制串行接口的数据传输SHT11采用的是两线式串行总线一条数据线DATA一条串行时钟线SCK可进行CRC校验保证了数据传输的准确性
三分辨率可调SHT11内部的AD转换器的分辨率可以通过内部的特殊功能寄存器进行选择8位12位14位满足不同需求
四精度高片内集成的温感元件和湿感元件使SHT11在测量湿度时可以进行温度补偿提高了测量的精度
五体积小SHT11的封装非常的小只有742×
25mm并且在每次测量之后能够自动的进入低功耗工作模式
六可靠性高由于SHT11采用的是特殊的COMS过程微加工技术内部元件实现了无缝连接即使在测量时将其放入水中也可以正常工作
comSHT11传感器内部结构及工作原理
数字式温湿度传感器SHT11是将测湿元件测温元件AD变换串行接口电路等都完全集成在一起结构如图-4所示
该芯片的测湿度部分是一个电容式聚合体湿度敏感器件测温部分是一个能隙式温感器件它们将湿度和温度信息都转换成了微弱的电信号经过运算放大器放大后放大了的电信号直接进入AD转换器最后通过两线制串行接口总线输出数字信号
每个SHT11在出厂之前都会经过严格的测试在具有非常精确的温湿度值的环境中进行校准并将得到的校准系数存储在OTP内存中当进行温湿度测量时芯片会自动用校准系数来校准提高测量精度除此之外为了考证两个传感器的综合性能在SHT11内部还有一个加热器件对其上电后可使芯片的温度提升摄氏度这样就可以对比加热前后的温湿度值当湿度值大于95RH时传感器容易结露增加了系统的响应时间为了避免可以开启加热单元同时功耗自然而然变高了与加热前相比测量值会略有不同
SHT11是通过两线制串行接口与处理器进行数据的传输一个数据接口和一个串行时钟但是又不同于普通的IC总线要通过单片机的普通IO进行模拟通信对SHT11的控制要用5个二进制码来实现
表3-4SHT11的命令代码
命令代码含义00011测量温度00101测量湿度00111读取内部状态寄存器00110写内部状态寄存器11110复位命令其他保留
图3-4SHT11内部原理图
34显示模块
液晶显示器LCD具有功耗低体积小重量轻超薄等许多其它显示器无法比拟的优点近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器仪表和低功耗电子产品中单片机可以通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式IO设备访问形式控制该液晶显示模块本设计采用1602液晶屏液晶显示的原理是利用液晶的物理特性通过电压对其显示区域进行控制通电后就可以显示出图形文字
com1602液晶简介
1602字符型液晶是工业字符型液晶能够同时显示16×
2即32个字符16列2行
1单5V电源电压功耗低寿命长可靠性高
2内置192种字符160个5×
7点阵字符和32个5×
10字符
3具有64个字节的自定义字符RAM可自定义八个5×
8点阵字符
4显示方式STN半透正显
5驱动方式116DUTY15BIAS
6视角方向6点
7背光方式底部LED
8通讯方式4位或8位并口可选
9标准的接口特性适配MC51和M6800系列MPU的操作时序
com1602液晶与AT89C51接口电路
图3-51602液晶显示电路
35键盘电路设计
键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘在本设计中由于按键较多因此选用矩阵式键盘
com制电路
本系统中键盘的作用是实现人机交互功能通过键盘设置温度／湿度的上下限值键盘控制电路如下图所示
图3-6键盘控制电路
com各功能键作用分配
1开关
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