仓库温湿度监测系统毕业设计之欧阳历创编.docx
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仓库温湿度监测系统毕业设计之欧阳历创编
仓库温湿度监测系统
时间：
2021.02.09
创作人：
欧阳历
摘要
在电子科技的快速发展的同时，诞生于集成电路技术的单片机系统应用越来越广泛。
单片机的发展，促进了工业测控领域的发展，其中对于仓库温湿度的监测要求不断增高。
那么，由原始的人工监测仓库温湿度方法已经慢慢发展到利用单片机实现自动监测。
本文主要介绍基于单片机的仓库温湿度监测的相关系统的硬件和软件设计内容。
系统设计结构简单、实用，相比传统监测方法，在监测精度这一方面大幅度被提升，节省了人力物力与时间。
关键词：
STC89C51单片机；温湿度；DS18B20；HS1101
Warehousetemperatureandhumiditymonitoringsystem
ABSTRACT
Withthedevelopmentofelectronictechnology,withthedevelopmentofverylargescaleintegratedcircuittechnologyandthebirthofthesinglechipmicrocomputerapplicationsystemismoreandmorewidely.MCUdevelopment,promotethedevelopmentinthefieldofindustrialmeasurementandcontrol,includingforincreasingmonitoringrequirementoftemperatureandhumidityinthewarehouse.So,fromtheoriginalmanualmonitoringwarehousetemperatureandhumidityusingsinglechipcomputertorealizeautomaticmonitoringhasbecomepossible.Thispapermainlyintroducestherelatedwarehousetemperatureandhumiditymonitoringsystembasedonsinglechipmicrocomputerhardwareandsoftwaredesignofthecontent.Systemstructureissimpleandpractical,andimprovesthemeasuringprecisionandefficiency.
KEYWORD:
STC89C51;Temperatureandhumidity；DS18B20；HS1101
前言
目前，国内在一些需要控制温度与湿度的场所，比如仓库管理这些地方，多数仅仅针对于对温度进行监测，却忽略了对湿度这项也十分重要的参数进行监测。
当仓库的温度值产生异常时（即温度值比一般正常值高太多或者低太多）便立即通过通风透气或者升温的方式进行调节实时温度。
同时，湿度会造成仓库储藏物的温度升高，仓库储藏物自身的水分过高或者长期的外界高湿度天气环境也会加快储藏物新陈代谢从而释放出热量，由此引发的温度升高又将加剧新陈代谢致使储藏物变质发霉。
就这样形成一种难以再控制调节的恶性循环。
所以，仓库不仅仅只需要检测温度，同时也必须对空气湿度也进行实时监测，这样方便提前采取相应的措施去调控仓库的温湿度，防止储藏物因温湿度的变化而产生的变质发霉情况。
此次方案设计的温湿度监测系统方案是以AT89C51单片机为整体的控制器核心，然后接入传感器、显示模块以及数字电子电路技术，将这三者相结合，实现了实时监测仓库的温度和湿度的目标，降低了因为温湿度所造成的一系列经济损失，节省人力物力与时间。
第一章绪论
1.1课题的提出及意义
温度与湿度是一项在许多地方中都要监测的重要环境因素。
不管是在工业还是农业、仓库保管等领域中，温度和湿度肯定都要必须实时监测的。
对于温湿度进行合理有效的监测一方面可以节约大量的资源，另一方面对于各行业安全健康的发展也十分有利。
仓库管理平时的主要工作内容就是要注意潮湿，腐烂，爆炸和霉变，这些也是评判仓管工作情况如何的一项标准。
它们是直接影响储藏物的保质时间的重要因素。
为了高效率高质量的完成仓库管理的工作，我们首先必须要提高仓库中温度与湿度的监测工作力度。
对于仓库温湿度的测量工作，其实一直都在进行着。
但是以往的方法是将温度计、湿度测量工具等一些普通测量工具放置在仓库的各个位置，然后人工的去定时拔出温度计湿度计进行读数记录数据，由此完成温湿度的测量，然后判断某处温湿度是否达标，对于不符合标准的库房通过通风、除湿和降温等方式进行调节。
很明显，我们发现此种人工检测的方法费时费力、效率不高，而且由于是人工读数，所以可能会产生一些误差，因此我们需要一种相对传统方法造成本比较低、操作方法简单、测量精度高的温湿度监测方法。
1.2国内外现状及发展趋势
早期仓库监测主要采用温度计量法，这种传统方法是根据经验在仓库多个测量点放置温度计，然后仓库的管理工作人员定期每隔一段时间拔出温度计读数记录，从而判断出此时仓库温度值的高低，再决定下一步如何处理储藏物资。
仓库的监测系统在科技迅速发展下有了很大幅度的改进与提升。
在过去的几年内，国内外原先成本高昂、结构复杂、功能单一的仓库温湿度监测系统正在慢慢朝着一个成本低、智能化、多参数检测的方向大力发展。
当前，“温-阻”法与“湿-阻”法曾经是国内仓库监测系统的两种主要方案,这样的方案原理就是使用电阻型的温湿度传感器,被测量区域环境的温度跟湿度的参数数值发生变动的话，电阻值也会跟着发生一系列变化，由此判定出仓库内空气的温度以及空气的湿度值。
然而此种方案下，温湿度测控系统的精度因为传感器自身灵敏度而受到一定的影响,所以精度不会太高,这样对于一些精度要求比较高的场合比如实验室设备难以满足其条件。
一直以来，国内的研究机构一直都在努力的研究传感器测量装置，比如根据以传统电子仪器设计为设计基础的多种动态测试系统等等，这么多研究课题和领域的相继成功都代表了国内在传感器领域中不断发展与进步。
在国内不断发展的同时，国外传感器领域也被一些大型企业公司重视，不断的发展与完善。
九十年代时便设计出了集成温度湿度测量系统等，新科技的不断产生更加促进了传感器的持续大力发展。
众所周知，时代在进步，科技在发展，传统的温湿度测量技术不管是在灵敏度还是在精度上都已经无法再满足现在这个市场的需求了，因此，最重要的便是再设计研究出一个符合满足新时期人们工作需求传感器。
第二章温湿度监测系统的方案确定
2.1设计要求
根据设计任务书中的要求以及考虑到设计出成品的现实实用性，可以确定出方案设计的主要参数为：
温度测量范围：
－20—＋45℃；
湿度测量范围：
0—100%Rh；
温度测量精度：
±0.01ºC；
湿度测量误差：
≤5%Rh；
电源电压的工作范围：
DC4.5～5.5V；
2.2系统总体方案设计
本设计系统要实现的功能：
可以测量出仓库库房实时环境温度和相对湿度值，仓库管理工作人员可以根据各个库房的实际情况设定出温度湿度限值，当温度、湿度数据出现异常，蜂鸣器就会释放出明显的报警信号，以此警示工作人员及时处理。
通过对于各种类型的湿度，温度传感器原理深刻了解后，根据设计的要求以及刚确定的设计参数，选择出合适的单片机控制芯片以及温湿度两种传感器。
以单片机为核心而设计的温度湿度监测系统，将由由AT89C51单片机进行控制，并且以温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1101作为温湿度的检测部件，同时结合超限处理模块构建而成的，这样才能达到高精度高实用性的标准，从而满足了系统可以简捷方便地有效监测温湿度的要求。
最后作为仓库温湿度监测的设备，设计系统所选择的元器件的成本高低，系统本身的实用性，灵敏度，也是我们设计时必须要考虑的要素。
硬件和软件两部分共同实现此系统设计的全部功能，传感器信号数据的采集等是由硬件部分实现的，对信号进行处理和数据显示等功能则由软件部分实现的。
2.2.1控制芯片AT89C51单片机
AT89C51是一种由单块集成电路芯片组成的标准单片机，可以说就像是一台微型计算机，它同样拥有计算机的各种主要部分，其中控制处理数据核心模块有：
中央处理器，永久性数据存储或短暂性数据存储的存储器、具有数据传输等功能的可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等等，另外单片机还需要接一些驱动器、锁存器、指令寄存器、地址寄存器等等辅助电路，这些辅助电路会和单片机主要部分用总线等连接在一起，弥补单片机自身的缺陷，因而使得单片机数据传输、信号控制等等功能特别强大，而且工作可靠稳定。
所以，AT89C51单片机又被称作MCU，只要将一些适合的软件和外部设备和它相互结合在一起，就能够组成一个单片机控制系统。
图2.1AT89C51内部结构框图
其引脚图如图2.2所示：
图2.2AT89C51引脚图
1、主要特性：
（1）32可编程I/O线；
（2）2个16位的定时器/计数器；
（3）和MCS-51兼容；
（4）5个中断源；
（5）可编程串行通道；
（6）低功耗的闲置和掉电模式；
（7）时钟电路。
2、引脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0、P1、P2、P3为4个8位的可编程并行I/O口，这种I/O口都由一个存储器和一个驱动器组成，因此可以被用来实现与外部设备中数据的并行输入/输出，单片机主要是通过这4个八位口和外界联系的。
在单片机数据的传输过程中，对这些寄存器进行编址，CPU就可以对接口电路中输入/输出数据进行寄存器读/写操作。
P0口：
P0口是特殊功能寄存器，有地址/数据总线之称，是1个标准8位并行I/O口，在此八位口作为通用的I/O口的时候，当它用做输出口，内部总线和P0口的相位是相同的，在脉冲触发了的时候，内部总线就会向端口引脚输出数据。
当P0口输入数据的时候，存在的输入方式有2个，即读端口和读引脚。
读引脚的时候，端口引脚上的数据会在由缓冲器后读入到内部总线。
在读端口那个时候，锁存器的状态通过缓冲器进入到内部总线。
P0口用作地址/数据总显得时候，一种是由P0引脚输出地址/数据信息，另外一种便是由P0输入数据。
P0口输出级的结构上的特点主要就是没有内部上拉电阻，所以使用时需要外接上拉电阻，然后就会产生高电平，当P0是地址/数据总线的作用时候，这个时候不再需要接上拉电阻[1]。
P1口：
特殊功能寄存器P1口是1个准双向的八位并行口，一般情况下作用是当成通用口。
P1口和P0口的输出结构是不同的，P1口的里面自带上拉负载和电源连接在一起。
P1口不仅仅只是做一般的I/O口，其中的五位还有另外的功能。
P1.0、P1.1口用于定时器2，P1.5、P1.6、P1.7用于ISP功能，在PC上编译好的程序通过P1.5、P1.6、P1.7这三根ISP接口线在线下载，也就是可以直接把相关数据下载到了89C51单片机的内存中。
P2口：
P2作为特殊功能寄存器，是一个准双向的8位并行口，不仅可以作为通用的I/O口使用，还有一个作用就是可以用作高8位地址线使用。
在结构上面，将P2口和P1口两者相比，只是多了一个部分，那就是转换控制，作用是普通I/O口和高8位数据地址线两个之间的转换。
当P2口只是作为普通输入输出端的时候跟P0口、P1口的功能是一样的。
当P2口被作为高八位地址线时，系统扩展片外存储器，P2口和P0口分别输出高八位地址和低八位地址。
P3口：
该口作为特殊功能寄存器，是一个多功能的准双向8位并行口，每位除了可以作普通的I/0口使用之外，也有着第二输出功能。
P3口与P1口的结构相比，多了一个缓存器和与非门，从而实现了多功能。
P3口被当成普通的输入输出端的时候，输出的时候，第二输出功能置为高电平，与非门打开，锁存器经过与非门输出到引脚端，输入的时候，写存器置为高电平，引脚信号在这个时候读入中央处理器。
P3口作为第二功能引脚的时候，第二功能端为输出，信号会通过与非门和场效应管送到引脚。
当P3口的第二功能端是作为输入的时候，数据经过缓存器输入到输入功能端。
P3口的第二功能作用介绍如下表：
表2.1P3口的第二功能作用用
RST：
复位输入。
ALE/
：
在SFR8EH地址上置“0”就可以禁止ALE的输出了。
这个时候，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。
：
片外ROM选通控制信号端，一般也就是在低电平的时候有用，但是因为目前基本上都不用片外程序存储器了，所以此引脚也基本都不使用了。
3、结构特点：
（1）中央处理器（CPU）
CPU其实就是一块超大规模的集成电路，拥有很强的运算和控制功能，能严格的执行指令，按照指令去完成各项操作，对于各种操作定时，有条不紊地工作，完成对数据的算术运算跟逻辑运算。
（2）程序存储器（内部ROM）
AT89C51单片机里的ROM是只读存储器，可以将数据永久的保存在单片机里面，所以系统拥有极高的可靠性。
（3）数据存储器（内部RAM）
AT89C51单片机的数据存储器一般存放着一些经常会改变的中间运算结果，标志位，数据暂存等信息。
但是一旦出现断电等情况，这些数据就会消失，所以必须在使用的时候重新将这些数据写入。
（4）定时器/计数器
定时器有2种，即是定时器0（T0）和定时器1（T1），这2种定时器的结构原理和工作方式都是一模一样的，并且功能是可以改变的，只需要对工作方式，定时时间，量程，启动方式等的指令改变，只有把指令写进定时/计数器的特殊功能寄存器后，才可以实现不同的作用。
特殊功能寄存器座位计数器使用的时候，脉冲信号是AT89C51单片机外部产生的，并且这个信号的频率幅值是不稳定的，会随机发生变化；如果单单只是当定时器使用时，这个时候传输稳定的频率和幅值的脉冲信号。
（5）串行口
串行通信的数据会按照顺序依次发出和接收。
单片机内部设置了UATR串行接口，是一个可编程的端口，不仅仅可以同步移位，异步接收和发送，还可以设置各种波特率，多机通信，使用灵活方便。
（6）中断系统
AT89C51的中断既和硬件有关，也和软件有关。
在程序正常运行时，单片机有内部，外部原因需要CPU立即响应并处理时，则可以终止当前程序，待处理结束后，可以返回接着执行原程序。
2.2.2温度传感器
科技在不断的发展和进步着，新型的温度传感器种类也在不断增加着，当然应用也慢慢广泛多样化，总的方向上是由模拟式类型向各个类型方向上发展的，比如数字式等类型。
在这一类的相关传感器里面，DS18B20温度式传感器是比较有代表性。
它的接口能够和控制核心直接相连，操作起来灵活方便。
图2.3DS18B20电路
2.2.3湿度传感器
测量空气湿度有多种方式，殊途同归，不管用何种方式去测量湿度，它们的原理都是通过物质去吸收其周围空气中的水分，然后导致物质本身的物理或化学性质产生了一些变化，我们根据这些变化间接的可以推导出这种物质的吸水量以及我们需要的空气湿度数值。
这次设计我选择了HS1101这一种湿度传感器。
HS1101是一种电容传感器，它具有以下几种特点：
运行可靠，响应速度很快，稳定性高。
HS1101适用于两种电路，分别是频率输出电路和线性电压输出电路。
HS1101测量范围：
相对湿度100%RH以下，误差不高于±2%RH，温度系数则是0.04pF/℃。
图2.4HS1101电路
2.2.4显示模块
液晶显示器具有许多其它显示器不具备的优点，比如重量轻，所占空间小，耗功低等。
这些年来，以单片机为核心的各种智能仪表和仪器等产品中都使用到了液晶显示器。
显示模块选用LM016L，也就是1602LCD。
1602LCD主要技术参数：
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
1602LCD的各引脚接口说明如下：
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL，调节显示器的对比度，接地的时候对比度最高。
第4脚：
RS，寄存器选择。
第5脚：
R/W，读写信号线。
高，低电平时分别进行读，写操作。
第6脚：
E端，使能端。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
图2.5LM016L电路
2.3系统设计方案的工作原理
依据系统设计总体要求以及对上述原理的分析，本次工程选择如下的设计方案：
整个设计系统由控制芯片AT89C51、温湿度传感器、液晶显示器、蜂鸣器、温湿度超限处理系统以及其他组件构成。
温度、湿度报警值作为系统阈值由使用人员预先设定；温、湿度传感器将采集到的信号传输给单片机，然后单片机进行信号处理，当判断出数据异常时,立即驱动蜂鸣器报警,提醒工作人员仓库温湿度发生异常，然后系统超限处理模块接收到信号，做出自我调整处理,这样就达到了智能化的目的。
仓库温湿度监测系统的系统整体框图如下图所示：
第三章系统硬件电路及原理图设计
以下将介绍整个系统设计电路的原理以及设计中所用的器件,本章将围绕图3.1对于各部分电路的具体设计进行诠释。
3.1中心系统设计
3.1.1复位电路
单片机的复位功能是十分重要的，复位就是将单片机内部的各个寄存器的值重新回到初始状态的操作。
单片机复位首先将中央处理器以及其他的作用组件都置于一种明确的原始形态，然后再从这种情况下开始运转。
51系列单片机在时钟电路工作之后，在RST端接连不断地给两个个机器周期的高电平便能够实现复位了（一般情况下此时的正脉冲的宽度比10ms大）。
单片机复位分为上电复位和外部复位2种类型。
如图3.2（a）的电位就是上电复位，它的实现方式为电容充电。
在接上电的那刻，RESET引脚和VCC两者的电位相同，RESET电位随着充电电流的减少而下降。
只需要保证RESET是高电平的时间不小于两个机器周期，就可以正常的复位了。
图3.2单片机常见的复位电路
按键复位电路如图3.2（b）所示：
电路不仅能够实现上电复位功能，只需要按下RESET键即可完成这个功能。
这个时候，因为电源VCC在通过电阻R1和R2的分压，所以RESET端就会出现一个复位高电平。
在上电的那一瞬间，电源VCC端和复位端有着相同的电压，同时RST端的电位会因为电容上电压的渐渐上升而慢慢降低。
振荡器振荡建立时间加2个机器周期是上电复位需要的最短时间。
复位电路的电阻和电容一般情况下是可以做实验而得出来的。
3.1.2时钟电路
单片机里面的每个组件与组件之间有条有理的相互协作运行，它在一种基本的节奏下按一定的时间规律顺序会发出信号，这些控制信号在时间上面的互相关系即中央处理器时序。
一般发出这样的电路就是时钟电路。
AT89C51单片机里面有一个单级反相放大器，作用就是组成振荡器，如图3.3所示。
下图中，反相器的输入端跟输出端即是XTAL1，XTAL2。
如果我们在放大器两个引脚上连接一个晶体和电容一起构成的并联谐振电路，然后作为反馈组件的时候，就成为了一个自激振荡器，如图3.4所示。
单片机也能利用外部振荡器然后向内部时钟电路输入一个频率固定的时钟源数据信号。
这个时候，外部信号被接到了XTAL1端口，然后输入给了内部时钟电路，那么XTAL2端悬空就行了，如图3.5所示。
图3.5内部时钟和外部时钟
3.2液晶显示电路设计
在平时的生活里，液晶显示器对大家来说都是十分熟悉普遍的，作为众多电子物品的显示部件，被普遍用在电脑、电视机、空调以及许多其他的电子产品里面，主要显示是各种数字、英文字母、数学符号等一些专用特殊符号和图形。
这次设计中我们采用的显示电路可以同时显示温度和湿度，使用此系统的相关人员都可以直接在液晶屏上观察到温度、湿度数值。
液晶显示电路系统如图3.6所示。
3.3温湿度监测系统的电路设计
3.3.1温度测控系统电路设计
将单片机的P3.4接口和DS18B20的DQ端两者连接，用作单独一数据线。
此次测控系统的设计即使只用了一个传感器DS18B20，但是因为不用考虑温度测量和子单片机两者之间相隔距离的问题，为了节省成本一切从简，选择从外面供电的方式，图示如下图3.7。
3.3.2湿度测控系统电路设计
HS1101型电容传感器，在电路里面相当于一个电容元件，它的电容会跟着测量区域里空气的湿度的变化一起变化。
对于怎样把电容的变化量然后准确的转化为计算机信号，一般经常使用的方法有2个:
一种是把HS1101传感器放在运放与阻容组成的桥式振荡电路中，然后把由此产生的正弦波电压信号经过整流、直流放大，再通过A/D转换成数字信号;除此之外，还有一个方法是把HS1101传感器放在555振荡电路里面，把电容转化成和它成反相的电压频率变化信号，然后变化的周期在示波器上面显示出来，最后通过公式可以算出湿度值。
本设计采用后一种方案。
NE555电路的功能为:
当6端和2端同时为“1”时,3端输出为“0”；当6端和2端同时为“0”时,3端输出为“1”。
在这个电路里面,555定时器就是因为这一点可以把频率数据输出来的。
接上电源的时候,因为6和2两端的输入都是“O”,那么定时器3的输出就是“1”；又因为C1两边是0电压,所以C1被CCV经过R2以及R3进行充电,当C1的两端电压达到2CCV/3时,定时电路翻转，6和2两端的输入为“1”,3端输出变为“O”。
这个时候555定时器的内部放电，双极结型晶体管的基极电压为“1”,放电双极结型晶体管导通,这样让C1经过R3和内部放电双极结型晶体管进行放电,当C1两边的电压下降到CCV/3的时候,定时器就会翻转,让3端的输出又变成了“1”,内部放电双极结型晶体管截止,VCC又会经过R2和R3对C1充电,反复循环,这样实现振荡。
为让输出脉冲的占空比例差不多在二分之一左右,那样R3就应该要远远大于R2。
如果受监测区域环境的湿度产生变化了,HS1101两边的电容会由此也产生一定的变化,所以定时电路的输出频率也由此产生了一定变化。
那么，也就是只要把555的输出频率测量出来,然后我们会发现输出频率和湿度会有一定的关系,根据这种关系我们就能间接的推出湿度的数值了。
3.4键盘电路设计
这次系统里面的键盘电路的设计我们采取的设计方式是独立式查询接口方式，使用这个设计方案是因为此种电路相对来说不是很复杂，其中查询的程序也是较简单易懂的，在稳定性这一方面上很好，容易控制。
这次设计，我们可以先设置出温度的上下阀值，然后在液晶屏上显示出来，这样对于温度报警的功能就实现出来了。
这样可以使所设计的系统适应更多的场合。
此次键盘电路设计里面有三个按键，即K1，K2，K3。
其中K1按键是温度参数设置按键，而K2、K3则是温度参数大小调节按键。
开关K1、K2、K3分别与单片机的P2.4、P2.5、P2.6口相连。
在程序的查询模式下，经过I/O端读入按键的状态，如果按键被按下的话，和按键对应的I/O端口的电平就会从高变低。
这样通过K2、K3按键就能调节温度的预设值大小了,同时也能液晶屏上显示出调节过的预设值。
键盘电路设计如图3.9所示。
图3.9按键电路
3.5报警电路设计
在此次设计中报警电路的报警方式是声光报警，首先设置好温度参数的上下阀值，然后通过单片机的中断系统将接收到信号数据信息并经过一定的处理，再与之前设置的限值相互比较，一旦测量到的温度参数数值比上限值高或者比下限值低，那么系统就会
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