单片机仓库恒温恒湿监控系统的设计详细C源代码和原理图.docx

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单片机仓库恒温恒湿监控系统的设计详细C源代码和原理图

摘要

社会向前走的越来越快，人们在生产活动中对物资的存储质量越来越看重，所以对物资存储的环境也相对的更加看重了。

而防潮、霉、腐、爆是我们仓库日常管理的重心，也是评判仓库好坏的决定性参数。

因为它直接决定了仓库储物的安全与否。

为了维持良好的储物环境，所以对仓库的温度和湿度的监测与控制也就成了重中之重。

过去仓库里面测量温度和湿度的方法是：

湿度表，温度计，湿度纸等，人工进行监测，温度高了就降温，湿度高了就通风，这些方法不仅工人成本高，而且还不能实时的监测仓库的温度和湿度。

当仓库温湿度不符合要求的时候也不能及时的进行更改，因而仓库储物的质量得不到足够的保证。

因此大家需要一款成本低、使用简单，能够精确测出温湿度，并且对温湿度不符合标准的仓库及时做出反应的温湿度监控系统。

现在单片机在我们生产生活的过程当中所占的比重越来越大，其作用也越来越被大家所认可，基于单片机的仓库温湿度监控系统由此而生。

本设计的主要研究内容为：

基于89C51单片机的监控系统，温度采集；湿度采集；语音报警；温湿度显示。

相比于过去的温湿度采集方式而言，有测量精确，测量X围宽，读数方便等特点。

关键词：

89C51单片机；温度传感器；湿度传感器；温湿度显示；语音报警

Abstract

Societyforwardfasterandfaster,peopleintheproductionofmaterialsstoragequalityaremoreandmoreimportant,sothematerialstorageenvironmentisrelativelymoreimportant.Andmoisture,mildewandrot,blastingisthefocusofourwarehousedailymanagement,alsoisgoodorbadthedecisiveparameterevaluationwarehouse.Becauseitdirectlydeterminesthesafetyofthewarehousestorageornot.Inordertomaintainagoodstorageenvironment,sothetemperatureandhumiditymonitoringandcontrolofthewarehousehavebeetoppriority.Insidethewarehousetomeasurethetemperatureandhumidityofthemethodis:

hygrometer,thermometer,moistureofpaper,suchasartificialmonitoring,hightemperaturecooling,andventilationtohumidityishigh,costishigh,themethodnotonlyworkersbutalsocannotbereal-timemonitoringofthetemperatureandhumidityofwarehouse.Whenthewarehousetemperatureandhumidityisnotinconformitywiththerequirementscan'ttimelymakechanges,andthusthequalityofthewarehousestorageisnotenough.

Soweneedalowcost,simpletouse,canaccuratelymeasuretemperatureandhumidity,andtemperatureandhumiditydonotconformtothestandardofwarehousetorespondinatimelymannerofthetemperatureandhumiditymonitoringsystem.Microcontrollerintheprocessofourproductionandlivingnowaccountsformoreandbigger,theeffectisbeingmoreandmorerecognizedbyeveryone,thewarehousetemperatureandhumiditymonitoringsystembasedonsinglechipmicroputeres.

Themainresearchcontentofthisdesignis:

monitoringsystembasedon89c51,temperatureacquisition;Humidityacquisition;Voicealarm;Temperatureandhumiditydisplay.Wayofcollectingthedataoftemperatureandhumiditythaninthepast,themeasurementprecision,widemeasuringrange,easyreading,etc.

Keywords:

89C51;thetemperaturesensor;Humiditysensor;Temperatureandhumiditydisplay;Voicealarm

摘要…………………………………………………………………...…Ⅰ

Abstract…………………………………………………………….......Ⅱ

第一章绪论……………………………………………………….……...1

1.1选题背景…………………………………………………….………1

1.2设计过程及工艺要求…………………………………………….....2

第二章方案的比较……………………………………………………....2

2.1温度传感器的方案选择………………………………………….…2

2.2湿度传感器的方案选择……………………………………….……3

2.3信号采集通道的选择…………………………………………….…4

第三章系统总体设计……………………………………………….…...6

3.1信号采集………………………………………………………….....7

3.1.1温度传感器…………………………………………………….…7

3.1.2湿度传感器………………………………………………..……13

3.1.3多路开关……………………………………………………..…15

3.2信号分析与处理…………………………………………………..17

3.2.1A/D转换……………………………………………………..….17

3.2.2AT89C51简介………………………………………………...…21

3.2.3工作方式……………………………………………………..…27

3.2.4数据存储器的掉电保护…………………………………..……28

3.2.5系统时钟的设计……………………………………………..…28

3.3显示与报警……………………………………...…………………29

3.3.1显示电路…………………………..…..…………………...……29

3.3.2报警电路………………………………….………………..……29

第四章软件设计…………………………………………………..……31

结论与展望…………………………………………………………..…35

参考文献……………………………………………………………......36

附录A……………………………………………………………...........38

附录B……………………………………………………………...........39

第一章绪论

1.1选题背景

电子学和计算机科学等技术的快速发展革新了传统的仪器和测量方法，给我们的时代插上了腾飞的翅膀。

传统的测量仪器精度不高、麻烦、智能化低、人工成本也大，现代测量技术和智能仪器的发展给我们的生活带来了翻天覆地的变化，极大的提高了生产力，同时降低了边际成本。

传感技术是现代测量技术和智能仪器的基础。

传感技术越来越先进，现在的传感技术不仅能够在很多种复杂恶劣的环境下使用，稳定性良好，而且精度相当高。

现在的传感器和里面的结构都微型化了，做工也越来越精密，工艺也越来越精湛。

使得传感器逐渐从传统结构向以微机械加工的微结构技术方向发展。

随着传感器的发展，传感器的功能逐渐变多，并且越来越可靠、耐用，能够适应各种环境，在各种环境下使用。

并且，现在的传感器越来越趋于集成化，所谓集成化就是由一种功能向多种功能发展，也就是说现在的传感器器相对于传统的传感器而言具备了同时检测几种参数的能力。

近年来，智能手机发展迅猛，现在除了老人用非智能手机以外，年轻的一代基本都用上了智能手机，所以现在非智能手机被称为老人机，因为只有老人使用。

当然我这并不是嘲讽老人，我只是想说智能手机的普及，和传感器的智能化有着千丝万缕的关系。

不仅仅是手机，现在家用电器都走上智能化道路了，这些技术以后一定会发展的越来越成熟。

还有一个新兴名词，就是传感器的网络化。

所谓传感器的网络化就是把传感器和通信技术相结合，实现网络传输数据，并且可以远程传输。

这得益于我们通信技术的快速发展。

随着我们时代的快速发展，社会的竞争加剧。

商家对成本的管控也越来越看重，仓库里面的环境如果做的好，是有利于产品的长期存放的，同时会减小不必要的损失。

反之，如果仓库的环境不利于产品存放，或者由于某些原因，对仓库的管理不够到位，导致仓库的温度或者湿度等指标达不到要求，则会导致产品质量受损，造成不必要的损失。

并且过去很多仓库里面的温湿度基本上都是有人工去测量的，这样的有几个有缺陷的地方，比如费时费力、不能时时监测、成本高等等。

因此，市场上需要一种造价比较低、操作简单而且能够做到精准测量的测量仪器。

1.2设计过程及工艺要求

一，功能

•监测温湿度

•显示温湿度

•过限报警

二、技术参数

•温度检测X围：

-30℃～+50℃

•测量精度：

0.5℃

•湿度检测X围：

10%-100%RH

•测量精度：

1%RH

•显示方式：

温湿度四位显示

•报警方式：

三极管驱动的蜂鸣音报警

第二章方案的比较

单片机作为测控系统的核心，任何系统都要有信号的输入通道，单片机收到信号以后对信号进行分析与处理。

所以站在系统的角度来说，准确的获取外界信息是最重要的，如果信息获取的不够准确，那后面的信息的分析与处理也就没有任何意义了，系统也就不能够准确的对信息做出反应了。

因此准确的获取被测量信息是至关重要的一环。

对于获取信息，非传感器莫属，我们一切的电子信息，基本上都是来自于传感器，都是靠传感器去监测各种数据，完了以后传达给系统的分析层，分析完了以后接着对信息进行处理。

所以选用的传感器一定要符合要求，符合我们所需要的各种各样的条件，并且要准确。

2.1温度传感器的方案选择

方案一：

热电阻温度传感器。

原理是利用电导体的电阻随温度变化的属性制作而成的温度测量器件。

这种测温器件精度较高，测量的X围也比较大，并且可以远距离测量。

可是这种测温器件里面的电阻一般是金属，有些还是稀有金属，这样的话就有一些缺点了。

比如抗氧化性不能满足条件啊，价格高啊，性价比不高，电阻率不能满足要求等等。

铂电阻可以满足精度和温度系数的要求，但是价格贵，不利于广泛的普及。

铜电阻温度系数满足要求，价格不不贵，可是它的电阻率低。

并且铜电阻的抗氧化能力不强。

方案二：

AD590。

AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。

在4V至30V电源电压X围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1µA/K。

片内薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在298.2K（25°C）时输出298.2µA电流。

AD590适用于150°C以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。

低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。

应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。

除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测以及风速测定等。

AD590可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温度测量。

AD590特别适合远程检测应用。

它提供高阻抗电流输出，对长线路上的压降不敏感。

任何绝缘良好的双绞线都适用，与接收电路的距离可达到数百英尺。

AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。

由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。

2.2湿度传感器的方案选择

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。

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、酪酸醋酸纤维等。

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。

电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。

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。

方案一：

HOS-201湿敏传感器。

它是高湿度的开关型的传感器：

工作电压：

1V的交流电以下

频率是：

50HZ-1000HZ

测量的湿度X围是：

0-100%RH

工作时的温度X围：

0-50℃

阻抗：

在湿度为75%RH、标准温度为25℃时阻抗为1MΩ

HOS-201湿敏传感器本来是一种开关用图的传感器，它可以用来在低频带内进行测量，所以它一般是去判定在某一特定值之上或下的目标电平。

此外，HOS-201湿敏传感器仅仅是在一定条件下满足函数属性，很多的生产实践中都有用到这种属性。

方案二：

HS1100/HS1101湿度传感器。

这种温度传感器是全互换性，既在标准环境下不需校正；它可以长时间饱和下快速脱湿；还可以自动化焊接，包括波峰焊或水浸；HS1100/HS1101湿度传感器拥有良好的稳定特征；

湿度X围：

RH0-100%RH

曲线精度：

（10%-90%）+/-2%RH

漏电流：

Ix1nA

温度效应：

Tcc0.04pF/℃

平均灵敏度：

（33%~75%RH）△C/%RH0.34pF/%RH

响应时间：

小于5S

电容量：

16pF-200pF

误差：

小于±2%RH（精度很高）

HS1100和HS1101分别是顶部接触和侧部接触，能够比较方便的在生产活动中使用。

现在的很多工厂的生产都已经走向智能化的道路，传感器功不可没。

经过对比发现：

方案一尽管准确度上符合要求，它也能够测得足够宽，可是它仅在某个区域内满足函数关系，我们能够多去使用这种特征。

只是它的温度X围在这里不适合。

所以，此次试验使用方案二。

2.3信号采集通道的选择

本次毕业设计，输入的是信号，信号是温度信号。

本次设计的信号是双通道的。

并且属于模拟信号。

所以要求是多路的构造。

信号采集通道的选择方面，主要有两种选择，一种是并行式的（如图2-1），还有另外一种就是分时式的（如图2-2）。

两种通道各有各的特点。

并行通道目前已经广泛应用于多个领域，比如：

智能终端，大数据处理，物联网，云服务，流量计算等等。

所谓并行性就是指一个器件能够同时做两件或两件以上的事情。

所以并行性几乎存在于各个系统，因为生产活动中一般都会有大量的数据都需要实时的进行传输。

多路并行模拟输入通道可以大大地降低我们的成本，另外这种模拟输入通道比较简单，设计起来并不难。

信号调理电路多路分时模拟输入通道。

所谓分时，就是指某一资源可以供给多方使用。

就好比一台电脑可以连接耳机、鼠标、U盘等多个终端，这就是分时的一种方式。

多路分时模拟通道的设计比较复杂，运行的速度也不够快，对采样保持电路和模拟数字转换器的要求也比较高。

可是经过对比，结合本毕业设计，发现第二种通道更加符合要求。

我们可以通过下面的框图来做个比较。

...

....

...

图2-1多路并行模拟量输入通道

图2-2多路分时的模拟量输入通道

第三章系统总体设计

此次毕业设计是基于单片机的仓库恒温恒湿监控系统的设计。

温度传感器会随着仓库温度的变化而产生不同的电信号，电信号会传输给处理系统，处理系统会对接受到的电信号做出反应（升温，降温或者保持）。

湿度传感器会随着仓库湿度的变化而产生不同的信号，信号同样会传输给处理系统，处理系统也会根据接受到的电信号而做出反应（加湿，降湿或者保持）。

如此一来，就能够随时保持我们仓库里面的温度和湿度都处在最适宜存储的状态。

本毕业设计是一套基于89C51单片机为核心的监控系统。

详细请参图3-1系统框图

图3-1系统总体框图

由上框图可以看出，本次毕业设计思路清晰：

由信号的收集—分析—最后的处理。

环环相扣，每一步都很重要。

精确的信号收集，把收集到的信号传递给单片机，单片机收到信号以后，再进行分析，最后把结果发送给显示器或者报警器。

3.1信号采集

3.1.1温度传感器

本次毕业设计的温感是AD590。

由美国一家公司制造的。

它的电流和温度满足函数线性关系，也就是说一个温度对应一个电流。

这种温感的阻抗相当高。

同时又能够起到恒流的作用。

这种器件是单片集成型的。

两头都可以感受温度。

AD590在适合在常温下使用。

当其所在环境超过150°C，过高的时候，它就不能正常工作了。

只要是在这个温度点下，它可以用来做任何监测。

另外，它的成本相当低。

并且是单片集成型。

它又不要求有支撑，所以现在在狠多的领域里面都有用到，是用途很广泛的一款。

AD590要进入工作状态的时候，它对电路的门槛要求很低，这就更有利于它的推广与普及。

AD590不仅仅在测温上有很高的造诣。

它还能够检测很多物理量，比如风速。

它还有一个很强大的功能，就是在一定的条件下，可以高速的测温，并且很有效率。

由于它可以具有很高额的电阻，它所占的电压比例大，流过它的电流小，所以它可以用来进行一些远程方面的操作。

电流小，一般绝缘的材料基本上可以使用。

它监测的X围很广，可以长达几百米。

还有一个很重要的特点，它可以几条通道复流。

对于AD590来说，常温下的温度，它基本上都能胜任，并且精度很高。

由于它的Ir/T=1，因此它具有很好线性关系，方便计算，减少了大量的中间程序。

AD590能够感受的X围很广：

-55ºC——150ºC。

常温下的温度基本上都能够测量，不仅仅能够在普通的地区使用，而且在极地也能够使用。

这是相当强大的。

AD590作为一个弱电器件，其能够承受的电压也是很大的。

耐压区域：

-20V——+40V。

这样的好处就是耐用，难以损坏，因为在弱电器件里面，这个耐压区域太广了。

那么AD590究竟有多耐用了，举个例子，如果你不小心把它反接了，它也不会坏。

它的输出电阻也很小，不到1Ω。

AD590还有一个优点，就是很精确。

只要是在它的测量区域内，误差缩小到±0.3ºC。

总之AD590集多优点与一身。

体积小，用起来容易，适应能力很强，同时温度与电流又满足函数关系。

AD590的原理很简单，就是将外部温度的变化转化成电流的变化。

这一点还有别与热电阻，可是比热电阻更加先进，更加科学。

流过热电阻的电流和环境的温度是相关的，环境的温度变了，热电阻里面的电阻的阻值也相应的变化。

所以热电阻里面一般由有这种特性的金属组成，比如铂。

由此可以看出热电阻的造价要贵很多。

相应的，它的可测X围也大很多：

-200V——+500V。

另外这种传感器的内部结构也不简单。

维护起来也不容易。

加之这种传感器体积比较大。

所以这种传感器一般都是用于一些特殊场合，而不是常温。

下面我们给出了AD590的原理框图。

见图3-2。

图3-2AD590的原理框图

AD590工作原理

当外界温度不变时，它的电流不变。

此时将它串接一个5-30V的电压。

同时在后面连上1KΩ阻抗。

这时候输出将和输入成正比。

详细请参见图3-3.

图3-3AD590基本电路

图3-3是PN结温度传感器感受温度部分的核心电路。

T1、T2主要是用来稳定电流。

它们的作用是确保上图中I1和I2一样。

T3、T4为晶休管。

它们的材料是一样的。

作用都是用来感受温度。

相比于T4，T3要特殊一点。

因为它里面的管子要比T4多的多，多N倍。

下面是I1的表达式。

   I1＝ΔUBE／R＝（KT／q）（lnn）／R

因为它能够恒流，内部系统也更加安全。

同时别的因素也影响不了输出电流。

比如电压、电阻。

图3-3中，R经过激光的处理。

对它的阻值进行了校优。

所以标准温度时，能够测量I。

图3-4AD590内部电路

上图是AD590的内部电路。

T1—T4的主要是稳定电流。

T9和T11为晶休管。

T7主要是增加阻抗。

T8、T10也是增加阻抗。

R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻。

它们会帮助出厂前的校正。

T6主要是起到一个保护的作用，并且保持两条支路的协调。

R1、R2充当一个反馈的作用。

同时增加电路中的阻抗。

T1、T4主要增加热量。

C1和R4用来防止寄生振荡。

由图3-4可知，T9、T10和T11发射极I一样。

I=1/3I总。

S发射结：

T9/T10=8。

S发射结T10=S发射结T11。

T9、T10和R5、R6之间有如下关系。

ΔUBE＝（R6－2R5）I／3

需要注意的是，IR6来自于T9。

IR5一部分属于T10，一部分属于T11。

从前面的关系式可知，ΔUBE可以根据R6和R5来改变自己。

也就是说，只要更改R6和R5，ΔUBE能够变成对我们有利的值。

在上式结合图3-4可以看出R5主要是负责第一步的调整。

R6主要是进行第二步的调整。

图3-5AD590实物图和符号

AD590外部是金属。

一共有三个引脚。

其中一个接电压。

一个接电流。

还有一个不用的。

AD590内部比较关键的地方主要是PN结。

大家都知道半导体是介于导体和绝缘体之间的材料。

半导体在通电的时候，里面很多的参数温度对它们的影响都比较大。

这在很多情况下都是不好的，因为如果这样的话，电流就不稳地。

同时也会对这里面的器件造成损害。

所以每当电路里面有PN结的时候，大家一般尽量的去规避这种损害。

可是一旦变成传感器就不一样了，这就相当于是将劣势转变成了它的优势。

并且使用这种传感器还具有很多传感器所没有的一些好处。

比如它良好的线性关系。

比如良好的精确性。

AD590温度传感器的精确性很高，这得益于它里面的结构和组成材料。

PN结的伏安特性与温度又刚好具有很好的相关性。

所以PN结在常温下的温度传感器这一领域才会大行其道。

因为它的特性实在是太好了。

基于AD590良好的线性关系，它