室内温湿度光强检测仪的设计与实现详解.docx
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室内温湿度光强检测仪的设计与实现详解
青岛农业大学
毕业论文（设计）
题目：
室内温湿度、光强检测仪的设计与实现
姓名：
张桓
学院：
理学与信息科学学院
专业：
电子信息科学与技术
班级：
1003
学号：
20108468
指导教师：
车晓岩
2014年6月10日
毕业论文（设计）诚信声明
本人声明：
所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得青岛农业大学或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
论文（设计）作者签名：
日期：
2014年6月3日
毕业论文（设计）版权使用授权书
本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查阅和借阅。
本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。
本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为青岛农业大学。
论文（设计）作者签名：
日期：
年月日
指导教师签名：
日期：
年月日
室内温湿度、光强检测仪的设计与实现
摘要：
改革开放以来，中国的经济飞速发展，人们的生活水平有了质的飞跃，人们对家居生活质量的要求也日益提高。
如何提高人们生活舒适度成为急需解决的问题。
科学监控室内各项环境参数已成为现代家居生活的发展的趋势。
本设计方案运用STC89C52RC单片机、BH1750FVI光强度传感器模块、DHT11温湿度传感器模块以及LCD1602液晶显示模块设计了湿度、温度、光照信息采集显示系统，同时运用单片机处理光强度传感器模块采集的数据来实现对灯光的控制。
该设计方案实现了对家居环境中温度、湿度、光照强度的监测，并且解决了家居环境中光强度的部分调节等问题。
关键词:
STC89C52RC单片机、DHT11温湿度传感器、BH1750FVI光强度传感器、宜人家居
Indoortemperatureandhumidity,lightintensitydetectordesignandimplementation
Abstract:
Sincethereformandopeningup,China’srapideconomicdevelopment,people'sstandardoflivinghasbeenaqualitativeleapinthequalityoflifeofpeopleonthehomerequirementsareincreasing.Howtoimprovethecomfortofpeople'slivesbecomesanurgentproblem.Scientificmonitoringofindoorenvironmentalparametershasbecomethedevelopmenttrendofmodernhomelife.TheuseofdesignSTC89C52RCmicrocontroller,DHT11temperatureandhumiditysensors,BH1750FVIlightintensitysensormoduleandLCD1602LCDmoduledesigntemperature,humidity,lightdisplaysysteminformationcollection,whiletheuseofsingle-chipprocessingofdatacollectedlightintensitysensormoduletoachievethelightingcontrol.Thisdesignisrealizedinthehomeenvironmentmonitoringtemperature,humidityandlightintensity.Italsosolvesthepartialadjustmentoflightintensityinthehomeenvironmentandotherissues.
Keywords:
STC89C52RCmicrocontroller，DHT11temperatureandhumiditysensors，BH1750FVIlightintensitysensor，PleasantHome
1绪论
1.1选题背景及意义
改革开放以来，中国的经济飞速发展，现代化水平不断提高，人们的生活水平有了质的飞跃，人们对家居生活质量的要求也日益提高。
因此，智能宜人家居将是中国未来亿万家庭的必要选择。
宜人家居的研究和应用越来越受到重视。
而宜人家居最主要的几大参数指标为温度、湿度和光强度。
如何提高人们生活舒适度成为急需解决的问题。
科学的监控室内各项环境参数已经成为现代家居生活的发展趋势。
温湿度和光强这些宜居舒适环境所相关的的数据也变成了人们改善居住环境最直观、最基础的参数。
本次设计与实现便是在次目的下基于单片机以及温湿度传感器和光强传感器进行的。
主要来实现温湿度的检测与显示、光强的检测显示及LED灯光的控制调节。
1.1.1课题背景
在人类的生产生活中，温度和湿度发挥着极其重要的作用，不论你生活在世界上的哪一个角落，在你的日常生活中都要与湿度和温度相伴相随。
在古代，人们用冰窖来存储食物，利用的是低温，而烹饪食物利用的是高温，同时，有些粮食采摘下来后需要晾干才能利于保存，这是由于粮食湿度大容易腐败造成的。
随着现代化工业生产的出现，温湿度与工业生产之间的联系也越来越密切。
温湿度对各种各样的工业生产都有着极大的影响，因此大多数工厂都不得不考虑温湿度对产品生产的影响。
而随着人们生活态度的转变，对生活质量要求的提高，人们对了解居住环境的温湿度数据有着越来越确切的需求。
光照强度的大小关系着人们是否能清楚的看见东西，并且影响着人们的睡眠质量，以及日常生活的品质。
同时，有研究说光照强度影响着人类的心理活动。
因此，在我国所有新建、改建及扩建住房都有着严格的关照强度标准。
例如，在图书馆与办公室光照强度要达到300lx，在学校教室课桌面要达到300lx，而黑板面要达到500lx等等。
同时，关照强度在另一方面有着更强大的作用，这另一方面即为农蓄业。
在农业方面举个例子，新疆与西藏的棉花比沿海地区的产量高且质量好就是因为这两地光照强度高，能使棉花有更长时间的光照时间。
由此可见，光照强度在我们人类的生产生活中具有无可替代的作用。
不仅在生产活动中，在日常生活当中也扮演着重要角色。
由于温湿度和关照强度与人们生产生活息息相关，所以人们很早就开始了对温湿度和光强的监测。
人们以前对于温湿度数据的测定都是靠挂在室内的温度计和湿度计来监测，通过人工读取数值的方法来确定周围环境的温湿度。
而对于光强，人们大多都是通过肉眼的直接感官来判断，用亮、暗、黑来表示。
这种监测技术太过于人工，操作很不方便，并且所得到的数据也不直观更不准确。
伴随科学技术的发展，以前的这些方法显然已经没有能力完成现在的研究要求，现在迫切需要一种更好更新的技术来解决这一问题。
21世纪的今天是一个信息化的时代，我们的生活已经离不开各种信息化设备，例如，移动电话，掌上电脑，笔记本电脑等等。
除了我们日常生活中见到的电脑外，还有一种小型电脑也在为我们的日常生活服务，这种设备被称为单片机。
“单片机”的称呼由英文名称“SingleChipMicrocomputer”直译而来，缩写为SCM。
[1]它作为控制核心被应用在许多领域，而本设计方案也是将单片机作为室内监测的控制核心，它有着许多的优点。
例如：
体积小、功能全、功耗低抗干扰能力强、控制方便灵活等。
也正是由于单片机具有上述的这些优点，它非常适合用于室内的环境参数监测控制，所以本设计方案就是以C51单片机为控制核心来实现对室内环境监测而进行研究和设计的。
1.1.2选题的现实意义
随着单片机和传感器技术的飞速发展，它们在各种环境的监测中也扮演着越来越重要的角色。
但是，传统的应用于室内的环境监测的工具，数据读取难度大，易受干扰和损耗，测量误差也比较大。
为了攻克这些难题，本设计方案将采用数字式传感器模块来采集数据、通过单片机处理后，直接发送到LCD液晶显示器上。
本设计方案能够对室内的温度、湿度、光照强度进行采集、处理和显示输出。
利用数字温湿度传感器、数字光强传感器采集室内温度、湿度、光照强度信息，再使用单片机将信息数据处理，传送给LCD液晶显示器显示。
同时，鉴于光照强度的数据的采集，本设计方案将扩展智能LED灯光控制功能，这将方便于人们日常生活，体现出宜人家居，智能生活的生活理念。
1.2国内外的应用现状及趋势
在现代环境测控技术应用于实际方面，国内跟国外还是存在很大的差距的，总体来说西方发达国家起步较早，所以发展水平相对比较高，技术更为先进。
国内由于起步的较晚，所以在监测技术方面和系统的人机交互设计方面还有不少值得我们学习提高的地方。
1.2.1国外的研究现状
一些欧美国家因为他们发展科技较早，所以在环境监测方面的研究也是走在我们的前面，早在1949年，美国就建成了第一座人工气候室，开展了植物对自然环境的适应能力与抵抗能力的基础应用研究。
在上世纪70年代日本、韩国等国家的相关技术也陆续发展起来，并且取得了很大的进步。
现在，由于电子信息技术在全世界范围内得到了急速发展，环境监测技术也得到了进一步的提高。
如今，欧美发达国家的环境监测技术已经发展的比较成熟，并且形成了一系列的相关标准，这些标准很多成为相关领域的国际标准。
现在他们不仅能对像光照、温度、湿度和二氧化碳等常规的环境信息进行科学监测，而且还能对植物营养液浓度等关乎植物生长的因素进行科学监测。
在他们的实验室中各种门类的传感器都已发展到了非常先进的水平。
他们设计生产的高级传感器与控制器契合程度非常高，甚至，有些国家在实现现代化的基础上朝着智能化和无人化的方向发展。
1.2.2国内的发展现状
在国内，与此相关的技术开始的相对较晚，上世纪七十年代以前我国的环境监测还基本停留的全人工作业的阶段。
改革开发以后，政府大力发展经济，引进先进技术。
经过近40年的发展，我国的环境监测产业发展已经具有专业化、规模化、管理水平高的特点。
但是由于受到西方国家科技壁垒的影响，我国无法大规模引进西方国家的先进技术。
但是，本着世界大融合的趋势，以及我们自力更生的精神，我国的科学技术也将向着科技的最前沿努力奋进。
虽然和发达国家有差距，但是并不影响我们向着智能化的宜人家居前进。
[2]
总的来说，在环境监测技术这方面，国内的技术水平跟国外的技术水平还是有着比较大的差距。
目前国内的环境监测技术研究还只是停留在对某个单一因素的监测和控制阶段，可是实际当中，各种室内的环境因素都是相互影响的。
一种数据的变化也将有其他环境数据伴随着变化，并且各种因素的变化也相当的复杂，所以仅仅监测某一个数据是远远不够的。
因此在环境方面，我们国内还是任重道远的。
1.3课题设计目标
本文设计采用C51单片机、数字式温湿度传感器DTH11与数字式光照强度传感器BH1750FVI进行设计。
能够实现对室内的温度、湿度、光照强度进行采集、处理和液晶显示输出。
基本原理是利用数字温湿度传感器、数字光强传感器采集室内温度、湿度、光照强度信息，再使用单片机将信息数据处理，传送给LCD液晶显示器显示。
同时，鉴于光照强度的数据的采集，本设计方案将扩展智能LED灯光控制功能。
[3]
2系统硬件设计
2.1总体设计方案
图2-1室内环境监测系统总体设计方案
2.2电源设计的方案
在本设计方案中，几大模块的电源电压都是5V直流电压，要供电给单片机小系统和LCD显示模块以及两个信息采集传感器等。
因此，本设计方案采用一个220V转9V的变压器，经过桥堆整流后再输入到LM7805转为5V。
[4]以下为电源电路设计方案。
图2-2电源电路的设计
2.3环境数据采集模块设计
环境数据采集模块是否能够设计成功直接关系到整个设计方案的成败，因为是否能够采集到准确的环境数据关系着本设计方案能否顺利的完成既定目标，所以环境数据采集模块的设非常重要。
在本设计方案中共有两个环境信息采集模块，一个是温湿度数据采集模块，另一个是光照强度数据采集模块。
温湿度数据采集模块选用DHT11来采集温湿度，光照强度数据采集模块选用BH1750FVI收集光强数据。
2.3.1温湿度模块设计
由于温湿度与人的生活息息相关，人们很早就开始了对它们的监测，相关传感器种类繁多。
本设计将采用最新的DHT11数字温湿度传感器（图2-3）。
DHT11数字温湿度传感器是一个已校准的数字信号复合传感器，它利用专业的数字采集技术和温湿度传感技术，确保了元件具有很强的可靠性与优越的长期稳定性。
它内部包含一个NTC测温元件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，输出数字信号，采用单线制串行接口，连接方便。
[5]因此该元件具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
考虑到这些优点，本设计方案选用DTH11温湿度传感模块。
1、DHT11性能参数：
表2-1DHT11性能参数
编号
名称
参数
1
相对湿度
分辨率：
0.1%RH16Bit
重复性：
±1%RH
精度：
25℃±2%RH
-40~80℃±5%RH
迟滞：
<±0.3%RH
互换性：
可完全互换
响应时间：
1/e（63%）25℃6s
1m/s空气6s
长期稳定性：
<±0.5%RH/yr
2
温度
分辨率：
0.1%RH16Bit
重复性：
±0.2℃
量程范围：
25℃±0.2℃
-40~80℃±1℃
响应时间：
1/e（63%）10S
3
电气特性
供电：
DC3.5-5.5V
供电电流：
测量0.3mA待机60μA
采样周期：
次大于2秒
由DHT11的性能参数可以看出，测量的所有相对湿度和温度数据全部都经过校准，数字式输出，拥有卓越的长期稳定性，无需额外部件，并且可以进行超长距离的信号传输，能耗非常小，输出数据精度高。
2、引脚接线说明：
图2-4DHT11引脚说明
表2-2DHT11引脚说明
Pin
名称
注释
接口
1
VDD
供电3－5.5VDC
VCC-5V
2
DATA
串行数据，单总线
P2.3
3
NC
空脚，请悬空
悬空
4
GND
接地，电源负极
GND
DHT11温湿度一共有4个引脚，如图2-4和表2-2所示，引脚1pin接电源，用来给传感器供电；引脚2pin与单片机的P2.3口相连，用来与单片机进行数据传输；引脚3pin要悬空；引脚4pin接地。
2.3.2光照强度模块设计
本设计方案在光照强度数据的采集方面，将同样采用数字光强传感器。
随着全球科技水平的不断提高，光照强度传感器也由过去的小众高端产品才能匹配的高端元件回落到大众产品中。
在此，本方案将采用BH1750FVI光强度传感器。
BH1750FVI 是一种两线式串行总线接口的数字型光强度传感器，可以根据收集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度。
它拥有较高的分辨率，可以探测较大范围（1lx-65535lx）的光强度变化。
图2-5BH1750FVI光强度传感器
1、BH1750FVI元件特点：
1）支持I2C BUS接口（f/s Mode Support）。
2）光谱灵敏度特性接近视觉灵敏度（峰值灵敏度波长典型值:
560nm）。
3）输出对应亮度的数字值。
4）输入光的范围非常广泛（相当于1-65535lx）。
5）功率降低,低电流化。
6）拥有50Hz/60Hz除光噪音功能，测量的稳定
7）支持1.8V逻辑输入接口。
8）无需其他外部件。
9）光源依赖性弱（卤素灯，荧光灯，白炽灯，白光LED，日光灯）。
10）有两种可选的I2C slave地址。
11）小误差变动在±20%。
12）受红外线影响很小
根据其元件特点可以看出，BH1750FVI元件有光源依赖性弱，受红外线影响小，输出范围广，接近视觉灵敏度，功耗低的优点，这完全符合我们本次方案设计的需求。
2、BH1750FVI参数
BH1750FVI数字光强传感器主要参数，见表2-3所示：
表2-3BH1750FVI参数
参数符号额定值单位
电源电压Vmax4.5V
运行温度Topr-40~85℃
储存温度Tstg40~100℃
反向电流Imax7mA
功率损耗Pd260mW
测量精度S/A1.44times
3、BH1750FVI引脚接线说明：
表2-4BH1750FVI引脚说明
Pin
名称
功能说明
接线口
1
SDA
C接口SDA端口
P2.1
2
SCL
C接口SCL端口
P2.0
3
GND
接地
GND
4
5V
5V电源
5VD电源
5
3V3
3V电源
悬空
2.4LED灯光模块
本设计模块作为单片机的输出控制模块，将根据BH1750FVI光强元件所采集的数据来控制LED灯点亮的个数。
即当光强度大的时候，LED灯亮的少或者不亮，而当光强度较小的时候，LED点亮的多。
由此来控制室内光强度始终在人们生活最舒适的大小。
本模块功能原理图如图2-6所示。
图2-6LED灯光模块原理图
1、LED接口说明
8个LED灯将采用共阳极连接，因为单片机的I/O端口电流无法点亮多个发光二极管。
每一只LED分别连接一个电阻防止烧毁，将阴极一端分别接在74HC573锁存器上，由于在本设计方案中，单片机的P0、P2口均被占用，因此需要使用单片机的P1口。
由于单片机驱动多个发光二极管时，使得每根口线的电流都达到饱和，整个并口就超过负载范围。
[6]
2、LED点亮说明：
当单片机I/O口输出0（低电平）时，LED点亮。
2.5液晶显示模块
在本设计方案中采用显示模块是单色液晶显示屏（LCD），其型号为LCD1602，在本设计方案中具体电路图如图2-7所示。
图2-71602液晶显示电路
其主要接口说明如表2-5所示，而其技术参数如表2-6所示。
表2-5接口信号说明表
编号
符号
引脚说明
1
E
使能信号
2
R/W
读写控制信号（H/L）
3
RS
数据/命令选择端（H/L）
4
V0
LCD偏压输入
5
VDD
电源正极
6
VSS
电源地
7
BLA
背光源正极
8
BLK
背光源负极
9
D0~7
DataI/O0~DataI/O7
表2-6主要技术参数说明
编号
名称
参数
1
字符尺寸：
4.95X7.95mm
2
模块最佳工作电压：
5.0V
3
显示容量：
16X2个字符
4
工作电压：
4.8~5.2V
5
工作电流：
2.0mA
6
工作温度：
0~+50℃
7
背光源电流：
<150mA
8
储存温度：
-20~+70℃
2.6C51单片机处理系统
“单片机”的称呼由英文名称“SingleChipMicrocomputer”直译而来，缩写为SCM。
所谓单片机就是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理功能的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口、中断系统、定时/计数器以及串行接口等功能的电路集成到一块芯片上而构成的小而完善的计算机系统。
51单片机自1983年至今，不断的自我完善，具备了体积小、功能全、功耗低抗干扰能力强等特点，形成了长盛不衰的局面。
[7]
本次方案设计将采用由宏晶公司生产的STC89C52RC单片机，在5V电压下最高时钟频率能达到80MHz，拥有8K字节的Flash程序存储空间、512字节的数据存储空间、大于2K字节的EEPROM、8个中断源和3个定时器。
图2-6STC89C52RC单片机最小系统
1、STC89C52RC引脚接口介绍
对选用的STC89C52RC单片机主要引脚接口在在本文中只简单的做一些介绍，如表2-4：
表2-4引脚分类说明
分类
引脚说明
主电源引脚（2根）
VCC（40Pin）：
电源输入，接＋5V电源
GND（20Pin）：
接地线
外接晶振引脚（2根）
XTAL1（19Pin）：
片内振荡电路的输入端
XTAL2（18Pin）：
片内振荡电路的输出端
控制引脚（4根）
RST/VPP（9Pin）：
复位引脚，出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG（30Pin）：
地址锁存允许信号
PSEN（29Pin）：
外部存储器读选通信号
EA/VPP（31Pin）：
程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
可编I/O引脚
4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。
2、设计方案引脚接口说明
本设计方案用到的引脚接口主要有P0口、P1口、P2口，其余按照最小系统连接即可。
其中P0口将作为LCD1602的数据端口，P1口将作为LED灯光模块连接端口，而P2口中，P2.0和P2.1将作为BH1750FVI光强模块的数据读取端口，P2.3作为DHT11温湿度模块的数据读取端口，P2.5、P2.6和P2.7作为LCD1602的模式命令控制端口。
3系统软件部分设计
硬件部分的连接已经完成，现在只要将各模块的工作逻辑程序及驱动程序写入到51单片机中即可。
在本设计方案中，一共有4个逻辑模块，分别是：
DHT11温湿度检测模块、BH1750FVI光强度检测模块、LCD1602液晶显示模块以及LED灯光控制模块。
3.1系统总流程图
图3-1设计总流程图
51单片机上电后，首先对各个元件进行初始化，完成后开始工作。
温湿度传感器与光强度传感器采集当前环境的温湿度和光照强度信息传输给51单片机。
单片机数据处理后，分别传送给液晶屏显示和LED灯光控制。
至此，本系统设计的全部功能得到实现。
3.2温湿度传感器模块
温湿度传感器DHT11主要用来监测室内环境中的温湿度数据，这一模块的软件部分主要是来对传感器进行初始化，即对它进行驱动。
同时，接收数据后，对其进行数据处理以便于在液晶显示器LCD1602上显示。
3.2.1温湿度数据流程图
图3-2DHT11温湿度传感器流程图
当单片机上电后，DHT11温湿度传感器将数据由单片机的P2.3口传入单片机内，单片机接收数据后，进行处理，送入LCD液晶显示器进行显示。
3.2.2温湿度传感器程序设计
首先对温湿度传感器进行初始设
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