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数字湿度计教材
电子与信息工程学院
本科毕业设计
论文题目基于单片机的简易数字湿度计的设计
学生姓名李莉
学号063621043
专业电子信息科学与技术
班级063621
指导教师赵东
2010年5月
摘要
本文用单片机设计了一个数字湿度计，并给出了数字湿度计设计框图，硬件组成及软件系统。
本系统以单片机AT89C52为核心部件，由数码管显示、TLC555振荡电路等模块组成。
将湿敏元件HS1101测得的数据通过555振荡电路以频率的形式输出，再由定时引脚接入单片机，通过程序控制将测得的频率与规定值进行比较，通过公式转换成相应的湿度并由数码管显示出来。
经测试表明，所设计的湿度计具有输出稳定、控制方便等优点。
关键词：
湿度传感器；HS1101；AT89C52
ABSTRACT
Thispaperdesignedadigitalhygrometerbyusingthesinglechipcomputer,includingtheframedrawing,hardwarestructureandsoftwaresystem.ItconsistedofLEDdisplaymodulesandTLC555oscillationcircuitmoduleswhichcenteringonAT89C52singlechipcomputer.ThesystemusedtheHS1101humiditysensorchipasameasurementdevice.ThedataobtainedaftertreatmentNE555oscillatorcircuitthroughtheT0pinofsinglechipcomputerbywayoffrequency.ComparedthedatewithratedvaluethroughtheprogrammecontroltransformtotherelavanthumiditywhichwasdisplayedonLED.Thetestshowsthatthehygrometerdesignedwithoutputofstability,highaccuracyandeasycontrol.
KEYWORDS:
Humiditysensor;Hs1101;At89c52
一绪论
概述
湿度，被定义为表示大气干燥程度的物理量。
即在一定的温度下在一定的体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥;水汽越多，则空气越潮湿。
湿度测量技术的发展已有200多年的历史，人们早就发现了人的头发随大气湿度变化而伸长或缩短的现象，因而制成了毛发湿度计。
但是人们对于湿度传感器中的湿敏元件的认识，是从1938年美国F.W.Dunnore研制成功浸涂式氯化锂湿敏元件才开始的。
无论是在科研、实验生产、粮食储备、军火储备还是植物生长、大学校园里面的实验室元器件的保养[1]，都与湿度的测量、传输和控制都有着密不分的关系。
环境的湿度有人们的视野里出现，并其重要性逐渐提高，使湿度的测控具有与环境温度的测控有着相同的重要意义。
为了确保生产过程中得到很好的质量保证，为了确保各类元器件能够很好延续使用生命周期，湿度测量的提出已经引起了工作者的注意。
在现代社会信息科技的不断迅速发展中，计算机技术、网络传输和湿敏元件的高速更新，使得湿度的测量正朝着自动化、网络化发展[4]。
现在技术中，对湿度的测量有方法多种多样，也较为容易实现。
但精度和反应度却是各种方法中的瓶颈，本系统的设计就是从精度上和高反应度上进行测控、选器件、系统的设计，尽可能使做出来的系统可以更好更精确更实时地检测到湿度的变化，并及时读取数据进行处理，最终显示出来，使得工作者能够在最短的时间内对环境不断发生变化的湿度有着实时的了解，并可以针对不同的状况做出不同的反应。
湿度测控的意义
每个环境都有着自己的微小气候，在其中湿度有着非常重要的影响力。
高湿容易使人体散热量增加、容易使人体丧失热蒸发机能，导致热疲劳。
湿度高于70%为高气湿，人将感到不适；低于30%为低气湿，人感到口鼻干燥；最舒适的湿度为40%～60%。
所使用的各种仪器设备中，空气湿度对其影响是非常明显的，无论是使用过程对精度的影响，还是在保养过程中使得容易老化，容易被侵蚀。
综上所述，无论是从人体健康的角度还是从元器件使用的角度上看，对的湿度测控的意义都是非常重大的。
湿度的现状与发展
人们研究湿度测量的历史也算是久远，对湿度测控也更是随着实验信息技术的发展而不断更新换代。
湿度测控的发展大致经历了以下三个阶段：
传统的分立式湿度测量；模拟集成湿度传感器测量；智能湿度传感器测量。
智能湿度测控是传感器的未来测量发展的一个重要的方向，也是湿度测控的必然发展，更是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。
进入21世纪的第一个年代，智能湿度测控技术正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器测量和网络传感器测控、研制单片测量系统等高科技的方向迅速发展。
总之，随着计算机技术、应用电子技术、传感器智能化技术、机械电子一体化技术和计算机网络技术研究的发展，湿度测控已经成为各个国家在保养电子元器件、实时监测室内湿度等国际市场竞争力的前沿性研究领域。
二系统工作原理
系统设计方案
系统基于达盛公司的CPU开发板E—PLAY设计，采用AT89C52单片机作微控制器，由湿度传感器HS1101与555构成多谐振荡器，再由单片机进行测频，经转换即可得到湿度值。
利用数码管进行实时数据显示。
系统结构如图2-1所示。
图2-1系统组成框图
系统工作原理
HS1101湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器，相对湿度的变化和电容值呈线性规律。
在555振荡电路，HS1101湿度传感器充当振荡电容。
首先对电容进行充电，通过电压比较器使输出为低电平，然后电容放电，输出为高电平，从而形成方波输出。
由单片机的T0、T1的定时计数功能，测试1S内的脉冲次数，转换成对应的湿度，显示输出。
三硬件电路的设计
湿度的定义
湿度指的是相对湿度，用％RH表示。
即气体中（通常为空气中）所含水蒸气量（水蒸气压）与其空气在相同情况下饱和水蒸气量（饱和水蒸气压）的百分比。
在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周围的大气里总是含有或多或少的水汽。
大气中含有水汽的多少，表示大气中的干、湿程度，用湿度来表示，也就是说，湿度表示大气干湿程度的物理量。
大气湿度有两种表示方法：
绝对湿度与相对湿度。
绝对湿度：
绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量，其表示为
（3-1）
式中：
――被测空气的绝对（
/
，
/
）；
――被测空气中水汽的质量（
，
）；
V――被测空气的体积（
）。
相对湿度：
相对湿度是气体的绝对湿度（
）与同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度（
）之比，常用%RH来表示。
即
（3-2）
式中：
――待测气体的水汽分压；
――同一温度下水蒸汽的饱和水汽压[3]。
湿度传感器HS1101
湿度传感器HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。
可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。
它有以下几个显著的特点：
互换性，在标准环境下不需校正
长时间饱和下快速脱湿
可以自动化焊接，包括波峰或水浸
高可靠性与长时间稳定性
专利的固态聚合物结构
可用于线性电压或频率输出回路
快速反应时间
HS1101的简单物照图如图3-1所示
图3-1HS1101物照图
20406080100
相对湿度
图3-2湿度-电容相应曲线
相对湿度在0%～100%RH范围内；电容量由162pF变到200pF,其误差不大于
2%RH；响应时间小于5s；温度系统为0.04pF/℃。
可见其精度是较高的。
其湿度－电容响应曲线如图3-2所示
表3-1HS1101常用参数
参数
符号
参数值
单位
工作温度
Ta
-40～100
℃
储存温度
Tstg
-40～125
℃
供电电压
Vs
10
Vac
湿度范围
RH
0～100
%RH
焊接时间@=260℃
t
10
S
湿度测量电路
HS1100湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器，相对湿度的变化和电容值呈线性规律。
在自动测试系统中，电容值随着空气湿度的变化而变化，因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化，才能进行有效地数据采集。
用555集成电路组成振荡电路，HS1100湿度传感器充当振荡电容，从而完成湿度到频率的转换。
基于TLC555振荡电路的湿度测量
HS1101湿敏传感器是采用侧面开放式封装，只有两个引脚．有线性电压输出和线性频率输出两种电路。
在使用时，将2脚接地，这里选用频率输出电路。
该传感器采用电容构成材料，不允许直流方式供电，所以我们使用555定时器电路组成单稳态电路。
如图3-3所示。
图3-3TLC555振荡模块
具体电路分析如下。
电源电压工作范围是UCC=+3．5一+12V。
利用一片CMOS定时器TLC555，配上HS1101和电阻R2、R4构成单稳态电路，将相对湿度值变化转换成频率信号输出。
输出频率范围是7351～6033Hz，所对应的相对湿度为0～100％。
当RH=55％时，f=6660Hz。
输出的频率信号可送至数字频率计或控制系统，经整理后送显示。
R3为输出端的限流电阻，起保护作用。
经过t1时间后湿敏电容的压降Uc就被充电到TLC555的高触发电平（Uh=0.67Ucc），使内部比较器翻转．OUT端的输出变成低电平。
然后C开始放电，放电回路为C—R2一D一内部放电管一地。
经过t2时间后，Uc降到低触发电平（Ul=0.33Ucc），内部比较器再次翻转．使OUT端的输出变成高电平。
这样周而复始的进行充、放电，形成了振荡。
充电、放电时间计算公式分别为：
tl=C（R2+R4）In2；t2=CR21n2；
输出波形的频率（f）和占空比（D）的计算公式如下：
f=l／T=l／（tl+t2）=I／C（2R2+R4）In2；
D=tl／T=tl／tl+t2=R2+R4／（2R2+R4）；
主控芯片AT89C52
AT89C52介绍
AT89C52是一功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K的在系统可编程闪烁存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上flash允许程序存储器在线可编程，也适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统上可编程闪烁存储单元，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。
AT89C52具有以下标准功能：
8K字节闪烁存储器，256字节读写存储器，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许读写存储器、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，读写存储器内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止[10]。
AT89C52单片机引脚功能
VCC：
电源。
GND：
地。
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在闪烁编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送“1”。
在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在闪烁编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。
RST：
复位输入。
当晶振工作时，RST引脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
EA/VPP：
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。
为了执行内部程序指令，EA应该接Vcc。
在闪烁编程期间，EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
复位电路
单片机上电时，当振荡器正在运行时，只要持续给出RST引脚两个机器周期的高电平，便可完成系统复位。
外部复位电路是为提供两个机器周期以上的高电平而设计的。
系统采用上电自动复位，上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是Vcc上的电压与电容器上的电压之差，因而RST上的电压与Vcc上的电压相同。
随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压与Vcc上的电压相同。
随着充电的进行，电容器上的电压不断上升，RST上的电压就随着下降，RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效复位。
电容C1可取10~33μF，R取10kΩ，充电时间常数为10×10-6×10×103=100ms。
复位电路的实现可以有很多种方法，但是从功能上一般分为两种：
一种是电源复位，即外部的复位电路在系统通上电源之后直接使单片机工作，单片机的起停通过电源控制；另一种方法是在复位电路中设计按键开关，通过按键开关触发复位电平，控制单片机的复位[10]。
本设计使用了第二种方法，如图3-4所示。
图3-4复位与晶振电路
晶振电路
AT89C52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入、输出端，外接石英晶体或陶瓷振荡器以及补偿电容C2、C3构成并联谐振电路。
当外接石英晶体时，电容C2、C3选30pF±10pF；当外接陶瓷振荡器时，电容C2、C3选40pF±10pF。
AT89C52系统中晶振频率一般在1.2~12MHz选择。
外接电容C2、C3的大小会影响振荡器频率的高低、振荡频率的稳定度、起振时间及温度稳定性。
在设计电路板时，晶振和电容应靠近单片机，以便减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠工作。
在本系统中，选择了12MHz石英晶振，电容C1、C2为30pF。
其电路图如图3-4所示。
测湿电路与单片机的连接
将555定时器的输出引脚与单片机AT89C52的定时输入引脚相连，计数出1秒钟内输入的脉冲个数，此脉冲个数即为555定时器的振荡频率。
显示电路
LED数码管显示器由8个发光二极管中7个长条形发光二极管按a、b、c、d、e、f、g顺序组成“8”字形，另一个点形的发光二极管dp放在右下方，用来显示小数点用，如图3-2（a）所示。
数码管按内部连接方式又可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。
在内部8个发光二极管的阳极连在一起接电源正极，就称为共阳极数码管，如图3-8（b）所示；8个发光二极管的阴极连在一起接地，则称为共阴极数码管，如图3-5（c）所示。
从LED数码管结构可以看出，不同笔段的组合就可以构成不同的字符，例如当笔段a、b、c、d、e、f、g被点亮时，就可以显示数字8。
只要控制7个发光二极管按一定的要求亮与灭，就能显示出十六进制数0~F。
（a）（b）（c）
图3-5LED数码管电路图
数码管显示码是表述二进制数与数码管所显示字符的对应关系。
例如，从图3-2（b）共阳极数码管可以看出，由于8个发光二极管的阳极已连在一起接到电源正极，所以只要其负端a、b、c、d、e、f、g接地，发光二极管就会亮。
如果将负端接电源正极，由于两端都接到电源正极，没有电位差，所以就没有电流流过，发光二极管不会亮。
0和1代表电平的高低，可以组成8位二进制数，与8个发光二极管的负端a、b、c、d、e、f、g相对应，如表3-2所示。
表3-2数码管显示码
字符
dpgfedcba
共阳笔端码
共阴笔端码
0
11000000
C0H
3FH
1
11111001
F9H
06H
2
10100100
A4H
5BH
3
10110000
B0H
4FH
4
10011001
99H
66H
5
10010010
92H
6DH
6
10000010
82H
7DH
7
11111000
F8H
07H
8
10000000
80H
7FH
9
10010000
90H
6FH
A
10001000
88H
77H
B
10000011
83H
7CH
C
11000110
C6H
39H
D
10100001
A1H
5EH
E
10000110
86H
79H
F
10001110
8EH
71H
为了增强位选信号的驱动能力，将位选端口接在8050三极管的基极，使8050三极管工作在开关状态，大大提高了数码管显示的亮度。
总电路图
图3-6系统总电路图
四系统软件设计
系统软件除了完成对硬件的控制，还要实现输出预置、输出调整等功能。
为了方便系统的调试，整个系统软件采用了模块化设计，主要包括主程序、湿度采集程序、显示程序。
系统主程序流图
系统程序分为两大部分：
系统主程序和TO中断服务程序。
TO的中断服务程序主要是实现555定时器输出频率的计算，而由频率计算湿度则是在主程序中实现的。
对于555定时器输出频率的计算，采用单片机AT89C52的定时器中断的方式实现：
单片机AT89C2052部集成了两个16位的定时器T0和T1，设置单片机定T1定时1s，并允许T0中断；定时器T0则用来对555的输出脉冲进行计数。
每当T1发生1s定时中断时，就读取T0中的计数脉冲个数，T0即为此时555定时器的输出频率，并设置T0的中断标志变量flagT0为1主程序流程如图所示，主要分为三大部分：
系统初始化、湿度采集和数码显示部分。
图4-1系统流程图
湿度采集程序流图
初始化主要包括定时器TO和T1的初始化、中断逻辑初始化等。
然后判断“flag=1？
”。
当flag=1时，表示又发生了一次新的TO定时中断，并目在T0的中断服务程序中已经求出了此时555定时器的输出频率；然后执行求湿度程序，根据频率求出此时湿度。
如果Flag=T0，则表示没有新的响应中断发生，程序直接往下执行
图4-2湿度采集流程图
五系统测试及性能分析
系统硬件调试比较简单，首先检查电路的焊接是否正确，用万用表检测电路板是否存在短路或者断路，经检测后再接上电源，用万用表测量电源部分的各个输出电压值，经调试正常后方接到各部分电路。
测试结果表明，TLC555能够输出波形稳定的方波，频率在5000-6000HZ，略高于我们的理论值。
经检测与电阻值的精确度有关，调整电阻值控制频率范围。
随着电阻的减小，频率输出增大。
湿度的显示模块一定要注意数码管是共阴极还是共阳极。
湿度测量的结果与理论基本相符，随湿度的增大，频率输出也是减小的。
六总结
鉴于当前的基于单片机的测控系统中，温度测控有着广泛的应用来成熟的技术，本课题在提出时是基于另一个新颖的角度――湿度测控。
湿度测控虽然提出较早，但由于其应用的广度和技术的瓶颈，其发展速度有些滞后，除开在温室种植和大型重要仓库中有着重要的地位外，在其它地方往往得不到重视。
本文针对平常的湿度测控作为出发点，设计了一套实时的、全面的、可靠的湿度测控系统。
从最开始的方案分析设计、到后来的系统分析选择，再到最后系统的实现，本人从中学到了不少知识，也积累了很多系统开发的经验。
通过对这个系统的开发，使得我自己对电子设计有了一个比较全面的了解，让我真正体会了设计的基本思路和构架。
本设计由于时间仓促，准备材料不足的情况下，有着不少不足之处。
湿度测控是一个复杂而庞大的系统工程，没有一个长期的工作量是很难使得所得到的系统可以达到十分完善。
本系统只考虑了湿度的测控，对其它环境的测控如果需要扩展，本文并没有给出作答。
本人对该系统的应用前景十分看好，相信未来的对环境的测控中，湿度测控有一个更科学、更智能、更好性能的发展。
致谢
通过这一阶段的努力，我的毕业论文终于完成了，这意味着大学生活即将结束。
在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。
在本论文的写作过程中，我的导师赵东老师给予了极大的帮助，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。
同时我还要感谢在我的同学吴俊才，无论我有什么疑问，他都积极为我解答。
同时，我还衷心的感谢一直在幕后支持我们的老师们，为了让我们顺利的走完踏入社会的最后一步，他们牺牲了大量的个人时间和精力。
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