温湿度环境监测系统设计与实现解决方案.docx

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温湿度环境监测系统设计与实现解决方案

温、湿度环境监测系统设计与实现解决方案

[摘要]温湿度是一种最基本的环境参数，温湿度的测量方法和装置对现在的生活、生产具有重要的意义。

此温湿度测量系统是基于单线式温度传感器DS18B20、电容式湿度传感器、单片机STC89C52对温度湿度分别测量并通过液晶显示屏1602经行显示。

温度传感器DS18B20是单线式，体积超小，硬件开消超低，抗干扰能力强，精度高，附加功能强的理想单片机温度传感器，可实时根据指令给出温度数据，可读性高。

其结构简单、经济实用、清洗效果好,具有很高的实用价值。

本系统具有可读性高，稳定性高，反应速度快，测量值准确的特点。

关键词：

单片机，温温度，DS18B20，传感器，液晶显示器

第一章引言

现代电子技术日新月异，各种新型的自动控制系统也越来越多地运用到人们的日常生活、工业生产等领域，它不但可以提高劳动生产率，而且可以使控制的设备或执行的操作更加精确。

传感器是信息采集的重要工具，传感器技术与通信技术（信息传输）和计算机技术（信息处理），构成了现代信息技术的三大支柱，它们在信息系统中分别起着“感觉”，“神经”，和“大脑”的作用。

现代电子产品正在以前所未有的革新速度，向着功能多样化，体积最小化，功耗最低化的方向发展。

它与传统电子产品在设计上的显著区别：

一是大量使用大规模可编写芯片，以提高产品性能，缩小产品体积，降低产品功耗；二是广泛运用现代计算机技术，以提高电子设计自动化程序，缩短开发周期，提高产品的竞争力。

单片机的单芯片的微小体积和极低的成本，可广泛地嵌入到电子系统，办公自动化、舰船、个人信息终端及通信产品等方方面面，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。

测量温湿度的关键是温湿度传感器，温湿度传感器的发展经历了三个发展阶段：

①传统的分立式传感器，②模拟集成传感器，③智能集成传感器。

目前，国际上新型温湿度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。

本文介绍智能集成温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1101的结构特征；以STC89C52单片机为控制器，以1602型LCD为显示器的温湿度测量装置；单片机对温、湿度传感器的控制程序，温、湿度的读取，16进制到BCD码转换以及LCD显示程序。

使用DS1820的测温系统电路简单，测温精度高，连接方便，占用处理器I/O端口少。

使用HS1101的湿度传感器价格低廉，精度高，软件资源丰富。

但是较小的硬件开销意味着相对复杂的软件补偿，传感器与处理器间采用串行的数据通信，因此在进行软件设计时设计汇编程序时I/O的时序就显得较为复杂。

温湿度是最基本的环境参数，人们的生活与其息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温湿度，在农业生产中也离不开温湿度的测量，因此研究温度和湿度的测量方法和装置具有重要的意义。

第二章设计方案

在本章中，我们将温、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。

2.1计算机、电子技术发展概述

近年来，计算机技术迅猛发展，使得计算机在工业，农业，国防科研及日常生活的各个领域显示了日益旺盛的生命力，它已成为各国工业发展水平的主要标志之一，是发展新技术，改造老技术的强有力的武器，计算机使人类面临着一个新的赞赏技术和工业革命，它的作用远远超过了因蒸汽机和电的出现而产生的工业革命。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，单片机的发展正朝着CMOS化，低功耗，小体积，大容量，高性能，低价格和外围电路的内装化等几个方面发展。

近几年，由于CMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化，此种芯片除了低功耗外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态，并且单片机一般采用精简指令集结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度，提升信息处理功能，中断和定时控制功能，在一般上还具有串行扩展技术，随着低价位OTP及各种类型片内程序存储器的发展，加之外围接口不断进入片内，特别是IIC，API等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。

这就引导我们利用单片机来实现对数显可调稳压电源的控制。

随着电子技术的迅速发展，计算机已深入渗透到我们的生活中，就51系列而言，由于Intel公司将其内核使用权以专利互换或出售的形式转给世界许多著名IC制造商，随着计算机技术的不断发展，在工业测量控制领域内单片机的应用越来越广泛。

同时，随着超大规模集成电路工艺和集成制造技术的不断完善，单片机的硬件集成度也不断提高，已经出现了能满足各种不同需求、具有各种特殊功能的单片机，这类单片机具有集成度高、性能价格比优越、货源充足等优点，在工业测量领域内获得了极为广泛的应用价值。

现代的电子产品朝密集型发展，而电子产品的温度特性普遍比较差，这就对温、湿度的监测提出了新的要求。

若采用国外进口的温、湿度监测系统，虽然其性能较好，但是结合国情，其价格相当昂贵，又是全英文，推广起来较困难。

就是在以上问题出现的情况下，我们设计出一个利用集成温度传感器及湿度传感器，配合单片计算机系统，从软件的编制上实现对各外围硬件的控制，最终实现对当前环境温、湿度进行监测。

在硬件的设计上，所有元器件都采用了通用型产品，使得设计出来的产品生产及维修都相当方便，可以有效地降低成本，同时另外一点就是能用软件实现的功能尽量选用软件进行操作，更加突出了产品的简单性和高可靠性，因此，我们这一设计方法是一个值得推广的方法，接下来我们就对方案与设计原理方框图进行比较分析。

2.2系统主要单元的选择与论证

2.2.1单片机控制模块的选择论证

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。

2.2.2温度湿度检测模块的选择与论证

方案一：

选用DHT11作为温湿度检测模块。

DHT11是一款数字输出的复合传感器，包含一个电阻式感湿元件和NTC式温度检测元件，可测20~90%RH湿度，误差5%RH，0~50摄氏度，误差2摄氏度。

方案二：

选用DS18B20温度传感器和HS1101湿度传感器。

DS18B20是一线式数字温度传感器，具有独特的单线式接口方式，测量范围在55℃～125℃，误差为±0.5℃。

最高精度可达0.0625℃。

HS1101是电容式湿度传感器，可测相对湿度范围在0%~100%RH，误差为±2%RH。

方案选择，有上述数据可知，根据需要（温度测量范围为-10-50℃，湿度为0-100%；温度测量误差为0.1℃，湿度测量误差为3%RH；），从设计要求的精度来看，本方案更优。

综上所述，虽然方案一具有综合作用，但是方案二的测试范围和精度都由于方案一，故本模块采用方案二。

2.2.3显示模块的选择与论证

方案一：

采用12864液晶模块显示测得的数据，可显示较多组的数据，字体较大，可清晰读数，但12864液晶模块价格昂贵，接线复杂，故不采用。

方案二：

采用1602液晶模块显示所测数据，1602液晶接线简单方便，同时也能满足显示需要，价格远低于12864液晶。

因此，本方案为首选方案。

综上所述，显示模块选择方案二。

2.3主要器件选取与系统方框图

为了使设计具有高可靠性，与实际运用的紧密结合性，从经济、实用的角度出发，我们对室内温、湿度控制系统进行精心的设计，在设计过程中，我们综合多方面的知识进行分析，对于本系统的设计，其控制部分的电路基本相同，主要不同的是对温、湿度传感器的选用，下面就各种不同的传感器构成的温、湿度监测系统进行分析与对比。

2.3.1温度传感器的选取

一、热膨胀式温度计

该温度计是利用膨胀法来测量温度的一种仪表。

膨胀式温度计按选用的物质不同可分为液体膨胀式温度计，气体膨胀式温度计（压力式温度计）和固体膨胀式温度计三大类。

对于液体膨胀式温度计，根据填充的工作液不同又可分为水银温度计和有机液体温度计；固体膨胀式温度计，按结构又可分为双金属温度计和杆式温度计两种。

膨胀式温度计可以用作标准仪器，广泛用于测量设备，管道和容器的温度；在医疗卫生和食品工业中也得到了广泛的应用。

膨胀式温度计具有结构简单，制造和使用方便，价格便宜以及精度高等优点。

缺点：

不便于远距离测温（压力式温度计除外），结构脆弱，易坏。

二、电阻温度计

热电阻是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的一种感温元件。

使用热电阻作感温元件的温度计常称为电阻温度计。

常用的热电阻有：

铜电阻、铂热电阻和镍热电阻。

热电阻必须与二次仪表配合使用才能指示出被测介质的温度。

热电阻的测温原理是基于金属导体的电阻值随温度的变化而变化的特性，再用显示仪表测出热电阻的电阻值从而得出与电阻值相应的温度值。

这种测温的方法已广泛运用于工业生产与民用生活中，在此基础上，人们还将热敏电阻与信号放大、模数转换集成在一块芯片中，开发了集成温度传感器，使得设计出来的温度自动控制系统既简单可靠性又高，因此在业内运用极广。

优点：

电阻温度计具有测量精度高，性能稳定，灵敏度高，应用范围广，可远距离测温，便于微机实时处理，并能实现温度自动控制和记录。

三、热电偶

热电偶是用两种不同成份的导体焊接在一起，两端温度不同时，在回路中就会有热电势产生，因此热电偶是通过测量热电势从而测量温度的一种感温元件，它是一种变换器，它能将温度信号转变为电信号再由显示仪表显示出来。

热电偶测量温度的基本原理是热电效应。

它是热电效应理论的具体应用之一。

在温度测量中得到了广泛的应用。

优点：

测量精度高，结构简单，动态响应快，可作远距离测量，测温范围广。

四、石英温度传感器测温仪

石英温度传感器的测温原理是以石英晶体片作为测温元件，将温度变化的模拟量转化为石英晶体震荡频率的数字量，再将此频率信号进行转换，并显示其温度值。

石英晶体温度传感器稳定性很好，灵敏度可达0.001℃以上。

缺点：

响应速度较慢，测温速度约为一秒钟一次，显然不适合快速测温场合。

五、DS18B20传感器

（1）适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，寄生电源方式下可由数据线供。

（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内。

（5）温范围－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内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内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。

经过以上分析，结合本系统的运用需要，决定选用电压电流式集成温度传感器DS18B20作为系统的测温传感器。

2.3.2湿度传感器的选取

湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。

湿度检测较之其它物理量的检测显得困难，这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多；另外，液