温湿度测量系统的软硬件设计 学位论文.docx

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温湿度测量系统的软硬件设计学位论文

引言

温湿度参数是一些生产生活中重要的参数和控制目标，在现代生产生活中，温度和湿度的监测与控制有着十分重要的意义。

传统的测试温度和湿度的方法是通过一定的测试仪器人工逐点进行检测，这种方法费时费力，效率低且误差大。

本文介绍的检测装置不仅具有可以自动检测温度和湿度的功能，而且还可以通过键盘选择需要检测点对应的通道进行显示功能。

不仅提高了传统温度和湿度的检测性能，而且还可以改变初始值对室内或者生产环境的温湿度进行控制，也可以使用于温湿度要求较高的场所，例如实验室，生产车间，仓库等使用都非常方便。

近年，随着设施农业的迅猛发展，尤其是温室大棚，无土栽培，节水灌溉，工厂化养殖等在生产上得到前所未有的大发展，实现了农业工厂化生产，企业化运作，但美中不足是智能化程度与智能化普及率过低。

虽然也有不少单位或个人引进了一些国外的计算机智能控制系统，如温室环境控制系统，施肥灌溉控制系统，工厂化育苗智能系统等。

也真正实现了数字化、智能化、自动化，但投资过大，系统故障维护不便，而且经济效益过低，许多农业高科技园区多存在这个制约瓶颈。

实现农业智能化对于大部分农民来说还是可望而不可及。

开发低价位实用型的农业智能温湿度控制系统已迫在眉睫，对于推进我国农业智能化进程具有极为重要的意义，同时也具有很大的市场商机计。

本系统是以单片机为核心，配合数字温度传感器、模拟湿度传感器以及报警、显示等相关的电路组成。

可以接收所测环境的温度、湿度，检测人员可以通过显示的数据，实时监控环境的温度、湿度情况。

所有的测量操作都可以通过主机控制软件来实现。

由温度传感器、湿度传感器得到的测量信号，经电路传送到单片机进行数据处理，通过软件分析处理后送到显示装置，CPU根据检测到的温度、湿度结果，判断这时的温度、湿度是否在开始设定好的范围内，若不在，启动系统的报警器进行蜂鸣报警。

[3]

第1章绪论

目前，在生活和生产的各个领域中，在许多情况下都要对环境的温湿度进行限定，其中包括人的生活工作环境、仪器设备的工作环境以及动植物的生长环境等。

随着人民生活的改善和工业的发展，安全问题就变的更加重要。

环境的温湿度一旦超过限定值，势必会对所处环境的人或设备造成影响，更甚者会给个人和社会造成巨大的损失和社会影响。

本课题主要介绍了以单片机AT89C52为核心的温湿度测量系统的硬件设计,现场温、湿度信号采集分别使用单线数字温度传感器DS18B20和湿度传感器HIH-4000。

从测试现场采集到的温、湿度信号经A/D转换器TLC1549送单片机进行处理，经单片机处理后的信号通过接口芯片MAX1483与上位机相连进行串行通信，从而实现了现场温、湿度信号准确采集。

CPU根据检测到的温度、湿度结果，判断这时的温度、湿度是否在开始设定好的范围内，若不在，启动系统的报警器进行蜂鸣报警。

1.1课题的背景及意义

温度和湿度是现代生产生活中重要的被控参数，特别在仓库、食品储运、医疗卫生事业、图书馆文物档案管理、建筑验收等行业中，更具有举足轻重的作用。

对于不同的场所，所需要的温湿度高低范围不同、精度不同，所采用的测量元器件也就不同，另外测量的方法以及对其控制的方式也有所不同；产品工艺不同、控制精度不同、时效不同，则对数据采集的精度和采用的控制算法也不同，因而，对温湿度的测控方式是多种多样的。

对温湿度数据进行长期记录和控制，在很多制造过程、存储、运输、观测和试验应用中都是非常必要的。

准确测量监控温湿度数值的变化对一些材料和物品的安全提供了重要保障，尤其在药品和食品行业。

温湿度测量是现代测量新发展出来的一个领域，尤其是湿度的测量更是不断前进。

温度是个独立的被测量，湿度要受到大气压强和温度的影响，经历了伸缩法、干湿球法、泠凝法露点法、氯化锂法露点法、电阻法、电容法、电解法，使湿度测量技术日渐成熟。

时至今日，由于我们不再满足于单独的温度或湿度的测量，尤其是一些场所的监控直接要求实时记录其全过程温湿度变化，并依据这些变化认定生产过程的安全性，提高产品质量。

在温湿度测量系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用，单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在工业生产中成为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大。

在工业生产如：

用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等，在日常生活中如：

热水器、电热毯、温室温湿度控制等等，都用到了单片机的控制原理。

随着生产的发展，在工业中，上述设备对温湿度的控制要求越来越高，随着人们生活水平的提高，对日常用品的自动化也提出了更高的要求，单片机的不断更新换代，满足了上述的要求，达到自动控制品质的目的。

1.2课题在国内（外）现状及发展趋势

科学技术的发展与测量技术的发展是密切相关的。

测量技术达到的水平愈高，则科学技术上的成就会愈加深广。

而科学技术的发展，特别是新材料、新结构的传感器研制成功，以及微型计算机的广泛开发，在测量系统的准确性、快速性、可靠性和抗干扰性等方面发挥了明显作用。

传感器属于信息技术的前沿尖端产品，被广泛用于工农业生产、国防、科研和生活领域。

温湿度测量系统的主要不同之处在于所选用的传感器。

温度和湿度传感器按照输出信号的类型分类都可分为模拟式传感器和数字式传感器。

采用模拟式传感器的温湿度采集系统电路繁琐，得到的数据精度由于A/D转换等原因不可能提高，另外模拟信号在长距离的传输过程中，抗电磁干扰能力较弱，会对测量结果造成误差。

数字式传感器不仅不存在上述问题，同时对系统的设计带来了极大方便。

在本设计中，将采用数字式温度传感器和模拟式湿度传感器。

由于本设计中要同时对温度和湿度进行测量，可以采用两个独立的传感器，即温度传感器和湿度传感器，分别检测温度和湿度。

[5]

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，温湿度传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件。

在温湿度测量系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等项新技术。

温湿度测量系统的研究具有广阔的前景，将会给人类带来巨大的经济效益和社会效益，它不仅推动企业技术进步，也会推动人类在其他领域的进步。

随着控制技术的不断发展,PID调节成为主要的控制策略，它是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好，可靠性高等优点，被广泛用于工业工程控制。

各个应用场合的温度和湿度都在一定范围内波动，由于它们的热容量很大，温度和湿度的动态响应惯性大，是一个非线性、大滞后的复杂系统，所以既难测，难控，又难以获得精确的数学模型，采用传统PID控制方法难以达到人们提出的控制要求，随着智能控制理论的发展，智能控制与常规的PID控制相组合，形成所谓的智能PID控制，这种新型的控制器已得到广泛的应用，它具有不依赖精确数学模型的特点，对系统的参数变化具有更好的鲁棒性。

模糊控制正成为越来越热门的控制技术。

模糊控制器不依赖于对象的模型，但是其自适应能力有限，调整比较困难，需要经验丰富的专家或设计者。

自适应控制是在控制对象未知的情况下，或者控制对象的参数发生变化时调整控制器的控制方法或参数，使控制系统达到预定的控制品质，自适应PID控制具有自适应控制和普通PID控制器两方面的优点。

它有自动辩识被控过程参数，自动整定控制器参数，能够适应被控过程参数的变化等一系列优点，它又具有PID控制器结构简单，鲁棒性好，可靠性高，为现场工作人员和设计工程师们所熟悉的优点，自适应PID控制中要求系统能够根据被测参数，环境及原材料的成本的变化而自动对系统进行调节，使系统随时处于最佳状态，因此它是微机控制系统的发展方向。

1.3课题的目的和主要内容

在温湿度测量系统的硬件设计中，设计者可能会根据不同的现场环境采用不同原理的传感器来设计采集系统，若采用的传感器工作原理上有很大的不同，则系统的设计方案和结构也有很大的差异。

这样就造成不必要的重复性劳动以及物力财力上的浪费。

基于此考虑，本课题尝试设计一种通用的温湿度检测系统，根据不同的检测环境，只需要更换不同型号的传感器并调整与之相适应的参数即可完成不同环境的检测。

本设计的主要内容有：

1）比较目前常用的温湿度检测方案，选择满足系统要求的方案。

2）以ATMEL公司的AT89C52为核心，设计其外围工作电路。

3）完成键盘输入、LED显示、存储器及RS485串行通信等外围电路的设计。

4）根据系统方案和硬件结构来设计软件系统，使用KEIL开发环境来编写和调试汇编源代码，完成指定的功能。

第2章系统方案比较及确定

2.1方案的比较

温湿度采集系统的主要不同之处在于所选用的传感器，所选用的传感器不同，系统

的设计方案将会有很大的不同。

温度和湿度传感器按照输出信号的类型分类都可分为模

拟式传感器和数字式传感器。

由于本设计中要同时对温度和湿度进行测量，这样还将对

采用两个分立的传感器和采用集成温湿度传感器这两种方案进行比较。

2.1.1采用模拟式传感器和数字式传感器的比较

模拟传感器输出的信号是模拟量信号，对于温度传感器，模拟式传感器的一般输出

与温度成一定关系的电阻值或电压差；对于模拟量输出的湿度传感器，可分为电阻和电

容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜，其中以电容式湿度传

感器最为常见。

数字式传感器输出的信号是数字量信号，数字式湿度传感器一般都是带

温度补偿和频率转换的，用户将不必再关心传感器与CPU之间的连接问题，而只要掌握

此类传感器的数据读写操作即可。

采用模拟式传感器的温湿度采集系统电路繁琐，得到

的数据精度由于A/D转换等原因不可能提高，另外模拟信号在长距离的传输过程中，抗

电磁干扰能力较弱，会对测量结果造成误差。

数字式传感器不仅不存在上述问题，同时

对系统的设计带来了极大方便。

通过比较，在本设计中，采用数字式温度传感器和模拟

式湿度传感器。

2.1.2采用两个分立的传感器和采用集成温湿度传感器的比较

很多时候，温度和湿度都是分开进行检测的，日常生活中，可以看到温度采集系统

或湿度采集系统。

但在本设计中，将对温度和湿度进行同时检测。

这样，在系统设计中，

可以采用两个单独的传感器，即温度传感器和湿度传感器。

也可以采用集成了温度传感

器和湿度传感器的一个传感器。

综合考虑，本设计采用两个分立的传感器。

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2.1.3控制器的选择

单片机是设计中的核心部分，有了它可以编出不同的程序。

单片机种类很多，包括Microchip公司的PIC系列单片机，Motorola公司的M68系列单片机，其中最常用的单片机是Intel公司的51系列单片机，它包括8031、8051、8751等几种类型。

由于8031片内不带程序存储器ROM，使用时需要扩展外部程序存储器，首先浪费了一些口线，其次增加了产品的开发和生产成本。

而且用户若想对EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯照射将其内容擦除之后才可写入。

这种擦除方式延长了实验中程序调试的时间，即延长了开发周期。

8051片内有4K的ROM，虽然无须扩展外部存储器，但是自己无法将程序烧写到其ROM中，只能由芯片厂商代工，并且是一次性的。

因此其不适合产品的开发与设计，只适合产品的成批量生产。

8751与8051基本一样，但8751片内有4K的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中，但EPROM改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写，在系统开发中同样不适用。

在众多的51系列单片机中，较为常用的是ATMEL公司的AT89C51单片机，因它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，使用专用的编程器就可以随时对单片机进行擦除和编写程序。

其片内还有128字节的随机存取数据存储器。

显而易见，这种单片机对开发设备的要求较低，开发时间也大大缩短。

本设计中控制器选用的是ATMEL公司AT89C52单片机，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

[1]

2.1.4温度传感器的选择

Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，再其内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。

一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。

温度数字量转换时间200ms（典型值），应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统，并以9位数字量的形式反映器件的温度值。

现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活，使您可以充分发挥“一线总线”的长处。

适用电压为3V~5V，与DS1820软件略有不同，9~12位分辨率可调，TO-92、SOIC及CSP封装可选，经济型版本无E2PROM适合自己的经济的测温系统。

同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范围内,精度为±0.5℃。

DS1820的精度较差为±2℃。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

与DS1820不同，新的DS18B20支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。

而且新一代产品更便宜，体积更小。

DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5℃。

可以选择更小的封装方式，更宽的电压适用范围。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在E2PROM中，掉电后依然保存。

DS18B20的性能是新一代产品中最好的！

性能价格比也非常出色！

因此，在本次设计中采用的温度传感器是DS18B20。

2.1.5湿度传感器的选择

在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。

但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。

用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。

这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。

此外，湿度的标准也是一个难题,国外生产的湿度标定设备十分昂贵。

近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。

湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

（1）湿敏元件的特性

湿敏元件是最简单的湿度传感器。

湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。

（2）湿敏电阻

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。

湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。

（3）湿敏电容

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。

当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。

国外生产湿敏电容的主要厂家有Humire公司、Philips公司、Siemens公司等。

除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。

湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。

（4）集成湿度传感器的性能特点及产品分类

目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）

（5）线性电压输出式集成湿度传感器

典型产品有HIH-3610/4000、HM-1500/1520。

其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。

在本次湿度信号采集电路设计中采用的是HIH-4000，它具有湿敏电阻电容的优点，同时也去除了它的缺点，商家在采用时也比较经济。

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2.2总体设计方案的确定

按照系统设计功能要求，确定传感器采用数字式温度传感器DS18B20和模拟式湿度传感器HIH4000，控制器选用通用型单片机AT89C52，充分利用其廉价和高性能的特点，实现数据的实时显示、采样记录以及与PC机的通信，串行通信采用RS485接口MAX1483，显示采用串行接口的显示驱动芯片ZLG7289实现LED的驱动显示，同时采用通用看门狗监控芯片X5045实现对系统进行监控，系统总体结构框图如图2-1所示。

图2-1系统设计总框图

本系统是以单片机为核心，配合数字温度传感器、模拟湿度传感器以及报警、显示等相关的电路组成。

可以接收所测环境的温度、湿度，检测人员可以通过显示的数据，实时监控环境的温度、湿度情况。

所有的测量操作都可以通过主机控制软件来实现。

由温度传感器、湿度传感器得到的测量信号，经电路传送到单片机进行数据处理，通过软件分析处理后送到显示装置，CPU根据检测到的温度、湿度结果，判断这时的温度、湿度是否在开始设定好的范围内，若不在，启动系统的报警器进行蜂鸣报警。

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第3章硬件电路的设计

无论是软件的设计还是硬件的设计，通常都采用模块化的设计思想，即将系统分成若干个独立的模块来设计。

本系统可分为七大模块：

主控制模块、传感器模块、系统监控电路、存储器模块、键盘输入、LED显示和串行通信模块。

在本章中，将详细介绍各个模块的硬件电路设计。

3.1主控制模块

3.1.1AT89C52单片机性能

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场。

1．主要性能有：

兼容MCS-51指令系统

8k可反复擦写（>1000次）FlashROM

32个双向I/O口

256x8bit内部RAM

3个16位可编程定时/计数器中断

时钟频率0-24MHz

2个串行中断

2个外部中断源

2个读写中断口线

可编程UART串行通道

共6个中断源

3级加密位

低功耗空闲和掉电模式

软件设置睡眠和唤醒功能

2．AT89C52引脚说明

VCC:

供电电压

GND：

接地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线复用口。

作为输出口时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

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。

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口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能驱动（收或输出）4个TTL门电路。

P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高电平。

可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时将输出电流，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。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。

如表3-1所示。

如图3-1所示是单片机AT89C52的引脚图。

图3-1AT89C52的引脚图

表3-1P1.0和P1.1的第二功能

引脚号

功能特性

P1.0

T2（定时/计数器2外部脉冲输入），时钟输入

P1.1

T2EX（定时/计数器2捕获/重装触发和方向）

P2口：

P2口为一个内部有上拉电阻的8位双向I/O口，P2作为缓冲器可接收，输出4个TTL门电路，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当作为外部程序地址存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高8位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部8位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高8位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲可驱（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。

此时，被外部拉低P3口将有上拉电阻输出电流。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3-2所示。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST引脚两个机器周期的高电平时间。

本设计中，由于采用了看门狗芯片X5045，将RST引脚与X5045的RST输出连接，由X5045完成对系统上电的复位和电源不正常及程序跑飞时的复位。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在外部程序存储器取址期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部存储器。

注意加密方式“1”时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

表3-2P3口引脚的第二功能

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外中断0）

P3.3

/INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0）

P3.5

T1（定时/计数器1）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通）

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

[2]

3.振荡器的特性

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该放大器可以配置为片内振荡器，晶体振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

由输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽