基于单片机的温湿度测量系统设计正文.docx
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基于单片机的温湿度测量系统设计正文
基于单片机的温湿度测量系统设计
1引言
现代的生产生活中，环境因素是主要影响因素之一，尤其是农业生产离不开环境控制，其中的温度、湿度是环境的两项主要指标。
目前我国农业正处于从传统农业向以优质、高产、高效益为目标的现代农业转化的新阶段[1]。
因此，温湿度测量控制技术作为农业生产速生、优质、高产的手段，也是农业现代化的重要标志[2]。
温湿度测量系统对于农产品的生产和贮存环节都是十分重要的。
在生产环节中，温室大棚现已得到广泛应用，但我国温室环境控制目前仍靠人工经验来管理，严重影响了农业生产的效率，阻碍了农业生产的发展，因此，采用先进的人工智能技术，科学、合理、有效地控制影响作物的环境因子，通过微型计算机控制设备进行环境控制，以便给农作物生长提供一个最佳的环境，做到既提高产品的质量、产量、经济价值和社会效益，同时尽量降低生产成本，这对温室环境施行自动检测和控制是非常必要的。
温室检测控制设施的关键技术是温湿度控制[3]。
在贮存环节中，粮库粮食安全储藏的主要参数是粮库的温度和湿度，但大部分粮库目前还是采取人工测温的方法，这不仅使粮库工作人员工作量增大，且工作效率低，尤其是大型粮库的温度检测任务如不能及时彻底完成，则有可能会造成粮食大面积变质。
因此，一套完善的温湿度测量系统是十分必要的[4][5]。
此次设计的是基于单片机的温湿度测量系统，此系统是以MCS-51系列单片机为核心构成的温湿度精确检测，并能实现超限报警及实时显示功能。
本系统还设有串口数据发送模块，能够将采集的数据传送给计算机，供技术人员记录处理。
2系统总体设计与分析
2.1总体方案
根据设计功能要求，系统可分如下部分：
✓温度监控：
对环境温度进行测量，并通过单片机处理实时显示环境温度。
✓湿度监控：
对环境湿度进行测量，并通过单片机处理实时显示环境湿度。
✓报警处理：
当温度、湿度越限时，发出报警提示信号。
✓显示：
LCD实时显示温湿度及时钟日期。
✓键盘控制：
调整温湿度上下限、时钟。
✓串口通信：
将采集的数据定时发送给PC机。
2.2系统方案论证
当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号通过输入通道，由单片机拾取必要的输入信息。
对于测量系统而言[6]，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，除对被控对象状态的信号测试外，还要将测试数据与控制条件对比并实时控制相应执行设备。
传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。
工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量[7]。
本系统中，我们选择SHT11来作为本设计的温湿度传感器。
SHT11单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专利的工业COMS过程微加工技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接曰电路在同一芯片上实现无缝连接。
因此，该产品具有品质草越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点[8]。
每个SHT11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[9]。
两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则[10]。
3系统硬件设计
本系统硬件包括：
温湿度采集转换模块、单片机及附属电路、键盘控制、LCD显示、时钟模块、报警电路、RS232串口通信模块等部分的设计。
系统整体电路框图如图3.1所示。
图3.1系统整体电路框图
3.1温湿度采集转换模块硬件设计
3.1.1SHT11介绍
SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于COMSensTM技术的新型温湿度传感器。
该传感器将COMS芯片技术与传感器技术结合起来，从而发挥出它们强大的优势互补作用。
SHT11温湿度传感器的主要特性如下：
Ø将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片（COMSensTM技术）；
Ø可给出全校准相对湿度及温度值输出；
Ø带有工业标准的I2C总线数字输出接口；
Ø具有露点值计算输出功能；
Ø具有卓越的长期稳定性；
Ø湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位；
Ø小体积（7.65×5.08×23.5mm），可表面贴装；
Ø具有可靠的CRC数据传输校验功能；
Ø片内装载的校准系数可保证100%互换性；
Ø电源电压范围为2.4～5.5V；
Ø电流消耗,测量时为550uA，平均为28uA，休眠时为3uA。
SHT11温湿度传感器采用SMD（LCC）表面贴片封装形式，管脚排列如图3.2所示，其引脚说明如下[11]：
（1）GND：
接地端；
（2）DATA：
双向串行数据线；
DATA三态门用于数据的读取。
DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。
数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。
为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。
需要一个外部的上拉电阻将信号提拉至高电平。
上拉电阻通常已包含在微处理器的I/O电路中。
（3）SCK：
串行时钟输入；
SCK用于微处理器与SHT11之间的通讯同步。
由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。
（4）VDD电源端：
0.4～5.5V电源端；
SHT11的供电电压为2.4～5.5V。
传感器上电后，要等待11ms以越过“体眠”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，用以去藕滤波[12]。
（5）NC：
空管脚。
3.1.2工作原理
SHT11的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。
由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。
CMOSensTM技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模／数转换器、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内。
SHT11传感器的内部结构框图如图3.3所示[13]。
SHT11的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。
SHT11传感器的校准系数预先存在OTP内存中。
经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A/D转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线I2C总线器件，从而将数字信号转换为符合I2C总线协议的串行数字信号[14]。
由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其它类型的湿度传感器优越得多的性能。
首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而A/D转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。
其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器都具有相同的功能，即具有100%的互换性。
最后，传感器可直接通过I2C总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式[15]。
3.1.3输出特性
（1）湿度值输出
SHT11可通过I2C总线直接输出数字量湿度值，其相对湿度数字输出特性曲线如图3.4所示。
由图3.4可看出，SHT11的输出特性呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性，可按如下公式修正湿度值：
Rhlinear=C1+C2SORH+C3SORH2
式中，SORH为传感器相对湿度测量值，系数取值如下：
12位：
SORH：
C1=－4，C2＝0.0405，C3＝－2.8×10－6
8位：
SORH：
C1＝－4，C2＝0.648，C3＝－7.2×10－4
（2）温度值输出
由于SHT11温度传感器的线性非常好，故可用下列公式将温度数字输出转换成实际温度值：
T=d1+d2SOT
当电源电压为5V，且温度传感器的分辨率为14位时，d1＝－40，d2＝0.01，当温度传感器的分辨率为12位时，d1＝－40，d2＝0.04。
（3）露点计算[17]
空气的露点值可根据相对湿度和温度值来得出，具体的计算公式如下：
LogEW=（0.6607+5T/（237.3+T）+[log10（RH）－2]
Dp=[（0.66077－logEW）×237.3]/（logEW－8.16077）
3.1.4寄存器配置
SHT11传感器中的一些高级功能是通过状态寄存器来实现的，寄存器各位的类型及说明见表1所列[18]。
下面对寄存器相关位的功能说明：
（1）加热
使芯片中的加热开关接通后，传感器温度大约增加5℃，从而使功耗增加至8mA*5v。
加热用途如下：
●通过对启动加热器前后的温、湿度进行比较，可以正确地区别传感器的功能；
●在相对湿度较高的环境下，传感器可通过加热来避免冷凝。
（2）低电压检测
SHT11工作时可以自行检测VDD电压是否低于2.45V，准确度为±0.1V。
（3）下载校准系数
为了节省能量并提高速度，OTP在每次测量前都要重新下载校准系数，从而使每一次测量节省8.2ms的时间。
（4）测量分辨率设定
将测量分辨率从14位（温度）和12位（湿度）分别减到12位和8位可应用于高速或低功耗场合。
表1SHT11状态寄存器类型及说明
位
类型
说明
默认值
7
保留
0
6
读
工检限（低电压检查）
X
5
保留
0
4
保留
0
3
只用于试验，不可以使用
0
2
读/写
加热
0
关
1
读/写
不从OTP重下载
0
重下载
0
读/写
'1'=8位相对湿度，12位温度分辨率。
'0'=12位相对湿度，14位湿度分辨率
0
12位相对湿度，
14位湿度
3.1.5接口电路
AT89C51与SHT11的接口电路如图3.5所示。
图中，SHT11的DATA端口通过一个10K的外部上拉电阻与单片机连接。
由于P2口内部已有上拉电阻，所以本次设计DATA端口连接单片机的P2.7口时不需要上拉电阻。
图3.5AT89C51与SHT11的接口电路
3.2单片机系统硬件设计
本系统中，我们采用美国ATMEL（爱特梅尔）公司生产的AT89C51单片机作为主控芯片[19]。
AT89C51单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K在系统可编程Flash存储器。
使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业8051产品指令和引脚完全兼容[20]。
AT89C51具有以下标准功能：
4k字节Flash，128字节RAM，32位I/O口线，两个16位定时器/计数器，可编程串行通道，5个中断源，低功耗的闲置和掉电模式，片内晶振及时钟电路。
图3.6所示为AT89C51单片机最小系统原理图[21]。
图3.6AT89C51最小系统
图3.7串口通信模块电路
3.3RS232串口通信模块硬件设计
AT89C51有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。
进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换[22]。
采用三线制连接串口，也就是说单片机和电脑的9针串口只连
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