基于宏晶12单片机的温湿度监测与控制系统的设计Word格式.docx
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二、器件选定6
第二章硬件设计15
第一节主控制电路和测温时控制电路15
第二节主要模块的电路16
一、系统的报警电路16
二、晶振电路17
三、显示电路18
四、传感器电路18
五、复位电路19
六、电机控制电路…………………………………………………………………...19
第四章软件设计20
第一节系统软件流程图20
第二节编程思想……………………………………………………………….21
第三节运行结果…………………………………………………………………...........21
总结…………………………………………………………………..................................22
参考文献…………………………………………………………………..........................23
前言
一、问题的提出及其研究意义
目前随着生活质量的不断提高，人们的生活水平越来越高，所以对环境的要求也越来越高，环境控制的也成了人们安居乐业的基础，成了共建和谐环境的重要环节。
尤其是目前生活节奏的加快，许多白领都出现了亚健康的状态，因此家庭温湿度的检测对于现代家庭来说也变得刻不容缓了。
因此为了满足最适宜人们生活的最佳温度和湿度，我们需要研究一种家庭式的，便于提醒和控制温湿度的装置，人们可以根据不同季节以及个人的需要进行不同的调整，以便达到最佳的居住环境，这不仅仅是对于环境要求的进步，同时也体现了现代文明的发达与先进。
1、问题的提出
为了更加有效的保证人们生活环境的安逸和舒适，同时也为了人们生活的更加健康，人们已不满于目前的居住环境，对家庭提出了更高的要求，智能化被引进了家庭，并且迅速在全国乃至世界范围内普遍发展开来，由于自然环境污染越来越严重，城市人口越来越多等，适宜人们生活的温度以及湿度越来越难以达到标准，常见的南北气候差异，北方冬天异常干燥，南方却阴冷潮湿，而对于我们来说，如何有效地在合适的时间内对环境作出相应的措施却始终难以把握，因此我们需要采取有效的措施，以满足人们的要求。
2、研究的意义
随着城市居民生活节奏的加快以及人民生活水平的不断提高，人们对于亚健康的问题越来越关注，因此对于居住环境的要求也越来越高，舒适的环境已不仅仅限于宽敞豪华的住宅，同时也希望在自己的小家里也会有大自然的调节作用，能够根据人类的需要，设定相应的温湿度。
因此研究温湿度的控制非常有必要，它可以优化组合社区资源，提升服务水平，推动反房地产等其他行业的发展，为他们带来新的商机。
二、国内外现状
最近几年，国内外温湿度传感器测量系统正向着集成化、智能化发展，随着科研人员的不断努力，该类型系统取得的巨大的成就。
现代温湿度传感器测量系统技术主要以数据采集为依据，主要类型包括：
虚拟仪器、智能仪器、数字式仪器等等。
伴随电子科学技术的进一步发展，数据采集系统也发生了日新月异的变化，其整体的性能、实用性方面都有所改进。
因此，依托于数据采集结构而发展的温湿度传感器测量系统在实际应用中也发挥这越来越重要的作用。
目前，许多外国大型企业都很重视传感器的研发工作，例如，日本的Figaro公司、芬兰的Vaisala公司等，都致力于传感器的发展和完善，以保障其在整个销售市场的竞争力。
在九十年代，先后出现了集成温度湿度测量套件和应用于湿度传感器的测试系统，这个新技术的产生都大大刺激了传感器的进一步发展。
与此同时，国内许多机构也在传感器测试装置的研发上不断探索、研发。
例如通过采用传统电子仪器进行设计研发而成的多种动态测试系统、动进样装置的气体传感器智能测试系统等等，这些成绩都体现了我国在传感器领域取得的成就。
当然，随着科技的进步，传统的温湿度测试技术在稳定性、精度等方面已经无法满足市场的需求，因此，针对新一代传感器的探究显得尤为重要。
三、本文研究的目的和研究方向
1、本文研究的目的
为满足现代家庭对于居住环境温湿度的不同需求，我们可以随时进行调节，对于不利情况能够及时的作出显示，并能够采取相应的措施提醒用户进行调整，以达到最适宜的温湿度。
2、本文研究的主要内容
首先我们必须了解温湿度控制对于家庭对于现代人们的重要性，其次我们才能够对此作出更好的判断，以求更好的解决用户所需要的问题。
温湿度的控制是我们研究的主要内容。
第一章设计任务分析及方案论证
第一节设计任务要求和温湿度控制的发展
一、设计过程及其工艺要求
设计一个以单片机为核心的温湿度控制系统，需要实现的功能为：
①能够准确的显示当前的温度以及湿度。
温度检测的范围0℃-60℃，测温精度：
±
2℃；
湿度检测范围20%-100%RH，测湿精度：
5％RH。
②若温度低于设定的标准值，电机1正转，高于标准值，电机1反转（可加速或减速）；
若湿度低于设定的标准值，电机2正转，高于标准值，电机2反转（可加速或减速）。
③一旦发现超过了预设值，蜂鸣器蜂鸣报警，指示灯点亮。
二、检测温湿度的根据和意义
温度和湿度与人们的生活息息相关，在工农业生产，气象，环保，国防，科研等部门，经常需要对环境温度及湿度进行测量，准确测量温湿度在生物制药，食品加工，造纸等行业更是至关重要的，传统的温度计是用水银显示的，虽然结构简单，价格便宜，但是精度不高，而且不易计数，但是采用单片机进行控制，不仅具有控制方便，简单灵活等优点，而且可以大幅度提高温度控制的技术指标，用LCD显示起来会更加的直观方便。
采用DHT11数字温湿度传感器作为检测元件，能够同时检测温度和湿度，它不仅仅易于焊接，而且只有四个管角，减少了外围电路的设计。
DHT11传感器包括一个电容式聚合体测湿原件和一个能隙式测温元件。
DHT11能够直接独处被测温湿度值，同时单片机可以把测量的数据通过串口传到计算机，来完成控制。
带来了极大的方便，用单片机控制的温湿度不仅硬件电路相对简单，而且测量精度高。
总之无论是在日常生活中还是在工业，农业方面都离不开温湿度的测量，因此研究温湿度的测量具有相当重要的意义。
第二节设计总体方案及其方案论证
一、设计总体方案及其论证
本设计要实现的功能是：
实时显示当前环境的温湿度，当测得的温湿度达不到预设的标准值时，系统会以蜂鸣器鸣响、指示灯点亮的方式进行报警提示，并且电机会根据实际的温湿度值进行调控,用户可以控制电机转速的快慢。
依据功能设定，本系统主要分为以下三个模块：
温湿度采集模块数据处理模块用户交互模块其中温湿度采集模块使用的是DHT11数字温湿度传感器，它使用单总线方式，接口简单，而且无需另外校准。
分辨率为8bit，完全能够满足日常环境温湿度的检测要求。
数据处理模块使用的是STC12C5A60S2单片机，其完成温湿度数据的采集、运算和逻辑控制的功能。
用户交互模块主要由按键、1602点阵液晶和蜂鸣器构成。
其中按键用于用户设定温湿度阈值，1602用于数据显示，蜂鸣器用于提示用户。
按照系统的设计功能所要求的，温湿度监控系统原理图如下图2.1所示：
图2.1温湿度监控系统原理图
单片机作为主控制器，主要负责处理由温湿度传感器送来数据，并把处理好的数据送向显示器模块，数据温湿度传感器主要用来采集周围的环境参数，并把所采集到得数据送向单片机，按键电路主要是用来完成单片机的复位操作和调节电机的转速。
蜂鸣器电路和LED指示灯用来判断周围的温度或者湿度是否超出设定数值，显示电路主要用来显示当前的温湿度。
二、器件选定
将单片机用作测控系统时，总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。
对于测量系统而言，其核心任务是怎么样获得准确的被测信号；
而对测控系统来说，不可缺少的环节是对条件的监测和对被控对象状态的测试，传感器是实现测量与控制的第一环节，是测控系统的关键部分，一切准确的测量和控制都将在传感器对于原始信号的准确可靠的转换和捕捉，工业生产过程的自动化测量和控制，基本主要依赖各种传感器来控制和检测生产过程中的各种量，使系统和设备在最佳状态正常运行，从而保证生产的高质量和高效率[6]。
1、温湿度传感器
DHT11数字温湿度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，它应用专用的温湿度传感和数字模块采集技术，具有很高的稳定性和可靠性，DHT11传感器内含一个NTC测温和一个电阻式感湿元件，并与一个8位的高性能单片机相连接，在精确的湿度校验室中DHT11传感器进行过校准，以程序的形式校准系数储存在0TP内存中，检测信号的时候，在处理过程中传感器内部要调用这些校准系数，采用单线制的串行接口，使系统集成可以有较低的功耗，而且更加简单快速，信号传输距离超过20米，作为一个数字温湿度传感器DHT11具有响应快速、抗干扰强、性价比高等优点，它的性能指标如下：
湿度测量范围为20％～90％RH；
湿度测量精度为±
5％RH；
温度测量范围为0～50℃，温度测量精度为±
2℃，工作电压3．0～5．5V，相应时间<
5S，DHT1l采用4针单排引脚封装,传感器通电后，需要等待1s，这是因为要越过不稳定的状态，在此期间不需发送指令,电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波[7]。
典型的应用电路如图2.2下：
图2.2典型的应用电路
DHT11实物图如下图2.3：
图2.3DHT11实物图
（1）串行接口（单线双向）
采用单总线数据格式,DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分。
通讯过程如图2.4所示
图2.4通讯过程
总线空闲状态为高电平的时候主机把总线拉低等待DHT11响应,DHT11能检测到起始信号，主机必须把总线拉低，至少大于18ms。
DHT11一旦接收到主机的开始信号，接着就等待开始信号的结束,然后发送80us的低电平响应信号，要读取DHT11的响应信号,必须等待开始信号的结束，并延时等待20-40us后才能够接受，主机发送开始信号后,这时候就可输出高电平或切换到输入模式,接着总线由上拉电阻拉高。
DHT11发送响应信号的时候总线为低电平,DHT11把总线拉高80us之前,必须等到响应信号发送，准备发送数据时,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,数据位是0或1是由高电平的长或短来决定。
假如响应信号的读取为高电平,但是DHT11无响应响应,这时候说明路线可能连接不正常，当最后一bit数据传送结束后，DHT11把总线拉低50us,接着总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。
数字0信号表示方法如图2.5所示
图2.5数字0信号表示方法
数字1信号表示方法.如图2.6所示：
图2.6信号1表示方法
（2）电气特性
VDD=5V，T=25℃，除非特殊标注，其中主要的电气特征如表2.1所示：
表2.1电气特征
参数
条件
min
typ
max
单位
供电
DC
3
5
5.5
V
供电电流
测量
0.5
2.5
Ma
平均
0.2
1
待机
100
150
Ua
采样周期
秒
次
注：
采样周期间隔不得低于1秒钟
（3）性能说明
如表2.2所示：
表2.2性能说明
Min
Typ
Max
分辨率
8
Bit
%RH
精度
25℃
4
重复性
温度
0-50℃
量程范围
0℃
30
90
50℃
20
80
长期稳定性
典型值
%RH/yr
迟滞
℃
互换性
可完全互换
响应时间
1/e（63%）
6
S
50
2
（4）DHT11引脚说明，如表2.3所示
表2.3DHT11引脚说明
pin
名称
注释
VDD
供电3－5.5V
DATA
串行数据，单总线
NC
空脚，悬空
GND
接地，电源负极
⑤应用信息
电阻式湿度传感器暴露在化学物质中会受到干扰，导致灵敏度下降，当处于极限状态时，传感器可以通过程序处理，回复到初试的校准状态，在不符合规范的范围内使用传感器，不仅会导致几乎3%的临时漂移信号，而且会加速产品的老化，转为正常的使用范围后，会渐渐恢复校准状态；
温度是影响气体相对湿度的关键，因此测量时最好让湿度传感器工作温度相同。
⑥封装信息，如图2.7：
如图2.7DHT11的封装信息
2、单片机
1）描述
STC12C5A60S2单片机引脚图如下图所示：
图2.8STC12C5A60S2单片机引脚图
2）主要性能
●高速：
一个时钟周期，增强型8051内核，速度比8051快8~12倍；
●宽电压：
5.5~3.3V；
●增加外部掉电监测电路，可在掉电时将数据保存进EEPROM，正常工作时无需操作EEPROM;
●低功耗设计：
空闲模式，掉电模式；
●通用I/O口（36/40/44个），复位后为准双向口/弱上拉，可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉、推挽/强上拉、仅为输入或高阻、开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不得超过100mA;
●先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令；
●全双工异步串行口（UART）,兼容普通8051的串口；
●工作频率0~35MHz，相当于普通8051的0~420MHz；
●4个16位定时器，兼容普通的8051T0、T1定时器,2路PCA实现2个定时器；
●硬件看门狗（WDT）
以及其他配置和性能。
3.LCD
①字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块
②LCD1602主要技术参数：
，如图表2.4所示
表2.41602的主要技术参数
工作电压:
4.5—5.5V
容量
16×
2个字符
最佳工作电压
5.0V
工作电流
2.0mA
字符尺寸
2.95×
4.35（W×
H）mm
③引脚功能说明如下图表2.5所示：
表2.5引脚接口说明表
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表编号
符号
引脚说明
正极
VSS
地
VL
液晶显示偏压
RS
数据/命令选择
R/W
读/写选择
E
使能信号
7
D0
数据
D1
9
D2
10
D3
11
D4
12
D5
13
D6
续表2.5
14
D7
15
BLA
背光源正极
16
BLK
背光源负极
1602液晶模块的读写操作，屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
⑤管脚图，如图2.9所示：
图2.9LCD1602的管脚图
其中实物图如图2.10所示
图2.101602字符型液晶显示器实物图
LCD1602主要有两种，主要区别在于是否背光，它的控制器主要为HD44780，带背光的比不带背光的厚，在应用中是否带背光并不影响使用，两者尺寸差别如下图2.11所示：
图2.111602LCD尺寸图
1602LCD的RAM地址映射及标准字库表
液晶显示模块是一个比较慢的显示器件，因此在执行指令之前要首先确认模块的忙标志处于低电平，表示空闲，不然此指令失效，输入显示字符地址后会显示字符，图2.12是1602的内部显示地址。
图2.121602LCD内部显示地址
第二章硬件设计
单片机是整个系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而完成特定的功能,硬件实现上采用模块化设计，每一模块只实现一个特定功能，最后再将各个模块搭接在一起,这种设计方法可以降低系统设计的复杂性，本系统主要硬件设计包括电机控制电路、蜂鸣器电路、指示灯电路、晶振电路，LCD显示电路以及温湿度传感器电路。
第一节主控制电路和测温时控制电路
本次硬件的核心就是STC12C5A60S2，其他的外围电路都是围绕它所设计的。
数字温湿度传感器的DHT11的DATA口连接单片机AT89S51的P2.0口。
显示电路就是把LCD1602的D0~D7和单片机的P0.0~P0.7口分别相连，当温度或湿度达不到预设值的时候蜂鸣器蜂鸣，指示灯点亮报警，增加单片机的输出能力，增加单片机的输出电流，故使用电阻排来完成。
本系统采用的是按键手动复位，RST被拉至高电平，单片机进入工作状态。
STC12C5A60S2中有一个用于构成内部振荡器的放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器构成自激振荡器，他们与电容C1，C2接在放大器的反馈电路中构成并联振荡电路，虽然电容没有一个严格的要求，但是电容的大小会轻微影响振荡频率的高低、温度稳定性以及振荡器工作的稳定性。
具体的原理图如图3.1：
图3.1系统电路原理图
第二节主要模块的电路
一、系统的报警电路
微型计算机控制系统中，为了安全起见，对于一些重要的参数或系统，都设定有紧急状态报警系统，以便于提醒操作人员注意，或者采取紧急措施，本设计采用把计算机采集的数据进行数据处理、标度变换、数字滤波之后，与该参数与给定值进行比较，如果不符合则进行报警，否则正常进行显示。
本设计采用蜂鸣器报警电路。
如图3.2所示。
蜂鸣器额定电流≤30Ma,而对于STC12C5A60S2单片机，P1口的灌电流为15mA,由此可见，仅靠单片机的P1口电流是不能驱动蜂鸣器的，必须使用晶体管放大电路，为了使单片机的功率更小，所以使用PNP型晶体管,当外部环境的温度或者湿度超过预设值的时候，基级变为低电平，蜂鸣器导通鸣叫。
图3.2蜂鸣器电路
同时LED指示灯也点亮进行报警提示，如图3.3所示。
图3.3LED电路
二、晶振电路
单片机系统都有晶振，在单片机系统中晶振的作用非常大，全称叫做晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生所需时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机的运行速度就会越快，单片机的一切指令执行都是建立在单片机晶振所提供的时钟频率。
在通常的工作条件下，普通的晶振频率的绝对精度可以达到百万分之五十，高级晶振精度更高，有些晶振还可以由外加的电压在一定范围内调整频率，称为压榨振荡器，在共振的状态下晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体工作，以提供稳定，精确的单频振荡。
单片机晶振的作用是为系统提供及本周的时钟信号，通常一个系统共用一个晶振，以便于各部分保持同步，有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而是通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率，可以用于同一个晶振项链的不同锁相环来提供的。
单片机STC12C5A60S2的晶振电路采用无源晶振，微调电容取22pf。
图3.4即为晶振电路。
图3.4晶振电路
三、显示电路
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生，它已作为很多电子产品的通过器件，比方在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
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3.5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。
图3.5显示电路
四、传感器电路
DHT11是数字型温湿度传感器，可直接以数字方式传输所采集的当前环境温湿度，DHT11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DHT11的通信接口连接就可以实现数据的采集和传送，相对于其他电路来说比较简单。
如图3.6所示：
图3.6DHT11传感器电路
五、复位电路
本次设计采用的是按键手动复位，按下按键K7后，单片机得电成功复位。
如图3.7所示：
如图3.7复位电路
六、电机控制电路
本次采用H桥法来驱动2相直流电机，控制正转和反转，加速和减速信号由单片机输出。
如图3.8所示：
图3.8H桥驱动电机电路图
第四章软件设计
第一节系统流程图
根据温湿度监测显示控制系统功能，系统软件流程图如图4.1所示；
图4.1系统软件流程图
第二节编程思想
本次设计主要是能够实时显示出当前确切的温湿度，并且达不到预设值的时候能够发出蜂鸣并点亮LED进行报警。
一旦接通电源，接着LCD初始化，采用八位的数据端口，两行显示，5*7的点阵，其中第一行显示实时的湿度值，第二行显示的是实时的温度值。
在程序设计中，分别定义温湿度参数的上下限，根据数据转换过来的数值，判断是否超过了预设值，本次设计温度下限值设定为18℃，上限值设定为20℃；
湿度下限值设定为30%，上限值设定为35%。
如果测得的温度或湿度值超出了上下限值，那么蜂鸣器便会蜂鸣警报，同时对应的LED点亮。
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