基于单片机的配电房温湿度测控系统设计.docx
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基于单片机的配电房温湿度测控系统设计
基于单片机的配电房温湿度测控系统设计
毕业设计基于单片机的温湿度智能控制装置设计，共39页，14668字
中文摘要:
粮库的检测控制系统分为监测终端和采集终端两个部分。
本课题设计的是采集终端部分，这个部分是由单片机和传感器构成，实现了对粮库内温度和湿度的实时检测，使管理人员可以实时掌握粮库内的温湿度情况。
系统采用分布式结构和多单片机设计思想，由信号采集、显示控制和数据处理三部分组成。
系统将传感器采集来的数据送入单片机中进行处理，并通过RS485总线传至显示控制机统一显示并做出判断,实现超限报警。
在本课题中，温度传感器采用直接输出数字量的DS18B20，湿度传感器选用HSllO0。
将HSll00和555定时器组成振荡电路，则传感器所测的湿度信号和振荡电路输出的电压信号的频率成线性关系，该频率信号直接送入单片机进行处理。
关键词单片机温度传感器湿度传感器
目录
1绪论1
1.1粮情检测技术的国内外研究动态1
1.2本课题的主要研究内容2
1.3本课题的设计要求3
2单片机的选择和使用4
2.1单片机技术的介绍4
2.2单片机AT89C51的简介4
3系统的总体设计10
3.1系统的总体设计框图10
3.2系统各部分功能的描述10
4硬件电路设计12
4.1信号采集电路的设计12
4.2显示和控制电路的设计20
5软件设计24
5.1系统主程序的设计24
5.2温度采集程序的设计26
5.3湿度传感器的设计30
5.4键盘显示程序的设计34
结束语39
致谢40
参考文献41
摘要
随着传感器在生产和生活中的更加广泛的使用，利用复合传感器实现对各种场合的温度及湿度的测试和控制得到更快的开发。
本文介绍了利用SHT71数字式温湿度传感器原理及方法，其中和AT89C52单片机结合而成的温湿度综合测控系统设计。
并以Sensiron公司率先研制SHT系列智能化湿度/温度传感器为基础，给出了一个设计实例:
用SHT结合单片机实现对环境的温湿度测量显示及控制，提供了系统的设计方法、单片机程序源代码和使用程序的设计。
本文旨在通过一个设计实例使大家了解数字式温湿度复合型传感器的原理及使用；及对应的测控系统的设计方法及手段。
关键词：
SHT，AT89C52单片机，测量和控制，温湿度
目录
摘要 I
ABSTRACT II
1绪论 1
1.1课题的背景和意义 1
1.2本设计的内容和实现方法 2
2单片机系统 3
2.1MCS-51单片机 3
2.1.1MCS-51单片机特点、功能简介 3
2.1.2单片机的扩展，键盘及显示系统 4
2.1.3基于单片机的系统设计方法 6
2.2AT89C52单片机特点、功能介绍 7
3温湿度传感器的介绍 12
3.1传感器原理及前景简介 12
3.1.1传感器的原理 12
3.1.2传感器技术的发展前景：
14
3.2温湿度传感器简介 15
3.3温湿度传感器发展 17
3.3.1温湿度一体化传感器的发展和使用 17
3.3.2SHTxx系列数字式传感器简介 18
3.4基于SHT71的测控系统设计 18
3.4.1SHT71传感器简介 18
3.4.2SHT71的性能指标 18
3.4.3SHT71的典型使用电路 19
3.4.4SHT71和微控制器数据通讯的校验方法 20
4硬件设计 22
4.1硬件设计系统框图 22
4.2单片机和SHT71传感器的接口设计 22
4.2.1SHT71的引脚和内部构成 22
4.2.2SHT71和微处理器的接口设计 23
4.2.3SHT71的基本工作原理 24
4.2.4AT89C52单片机和SHT71传感器的接口设计 24
4.3单片机键盘和显示部分的实现 25
4.3.1键盘部分 25
4.3.2单片机显示部分 27
4.4单片机控制接口部分 28
5软件部分设计 30
5.1SHT71传感器的控制 30
5.1.1SHT71传感器的基本工作原理 30
5.1.2SHT71的数据测量和控制 30
5.1.3测量程序流程 33
5.2单片机外围电路软件设计 33
5.2.1LED显示系统软件设计 33
5.2.2键盘控制流程 35
5.3控制部分软件设计 35
致谢 38
参考文献 39
附录Ⅰ 40
附录Ⅱ 48
库房智能化温湿度测量系统
第一章 绪论 1
1.1 选题背景 1
1．2 设计过程及工艺要求 1
第二章 方案的比较和论证 2
2..1温度传感器的选择 2
2.2湿度传感器的选择 3
2.3单片机系统选择 4
2.4显示模块 5
2.5确定方案 5
第三章仓库温湿度检测的总体布局设计 6
第四章硬件电路系统总体设计 8
4．1温度传感器设计 9
4.1.1DS18B20原理 9
4.1.2温度传感器DS18B20工作过程 11
4.1.3 DS18B20电路连接 12
4.2湿度传感器设计 12
4.2.1湿度传感器的选择 13
4.2.2湿度传感器Hsllol的工作原理和性能 13
4.2.3湿度传感器HSll01湿度信号的温度补偿 16
4.3键盘和显示电路设计 17
4.4输出控制电路设计 20
4.4.1加热控制 20
4.4.2加热和风门控制 21
4.5串行通信接口电路设计 22
4.6单片机选型 23
4.6.1主要性能 23
4.6.2功能特性描述 24
第五章系统的软件设计 26
5.1主程序的设计 27
4.2 C模块程序设计 30
5.3LED显示程序设计 32
5.4报警电路程序设计 33
5.4本章小结 33
附录A系统原理图 34
附录B系统程序补充 34
附录C：
部分系统程序 35
目录
1课程设计的目的………………………………………………1
2课程设计题目描述和要求……………………………………1
3课程设计报告内容……………………………………………1
4总结……………………………………………………………11
5参考文献……………………………………………………………11
6附录一：
总电路图……………………………………………………12
7附录二：
程序清单……………………………………………………13
1.课程设计的目的：
温度、湿度是工农业生产的主要环境参数．对其进行适时准确的测量具有重要意义。
利用单片机对温、湿度控制。
具有控温、湿精度高、功能强、体积小、价格低，简单灵活等优点，很好的满足了工艺要求。
此次设计致力于训练学生综合运用单片机的基本知识，独立设计基本硬件电路及程序实现的能力，加强学生理论和实践相结合的能力
2.课程设计题目描述和要求:
满足课程设计的技术要求
完成课程设计的技术材料
按课程设计的时间安排，按时完成
采用MCS51系列单片机为核心
利用温湿传感器测量温室的温度和湿度，将测量值经A/D送至单片机
记录并采用LED显示温室的温度和湿度
完成硬件原理图
完成程序流程图设计
3.课程设计报告内容
3.1系统基本方案
根据设计要求，系统可分为控制模块、温度/湿度显示模块、上/下限报警模块、语音播报模块等。
系统框图如图1所示：
图1系统总框图
3.2各模块方案选择和论证
3.2.1主控模块
方案一：
采用FPGA作为系统的控制器。
FPGA（现场可编程门阵列）可以实现各种复杂的逻辑功能，它把所有的器件都集中在一块芯片上，体积小，稳定性高。
同时FPGA可用EDA软件仿真调式,易于进行功能扩展。
但是由于本系统对数据处理的速度要求并不是很高，而FPGA的管脚也比较多，布线起来会比较复杂，成本也会偏高。
方案二：
采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为系统的控制器。
51系列的单片机的使用简单，软件编程灵活。
自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且功耗低、体积小、技术成熟和成本低。
3.2.2显示模块
方案一：
采用LCD显示。
LCD具有轻薄短小、低耗电量，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辩率高，抗干扰能力强等特点。
但由于只需要显示温度和湿度值，信息量少，且LCD液晶显示的成本相对来说比较高。
方案二：
采用普通的LED数码管作为显示器件。
数码管具有低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，操作简单；编程容易，资源占用较少。
3.2.3语音播报模块
方案一：
语音芯片ISD2560具有较强功能的一种电脑语音录放器件，其集成度高、音质好、使用方便等优点使用在很多需要语音服务的场合。
如电脑语音钟、语音型数字万用表、手机话费查询系统以及公共汽车报站器等。
方案二：
语音芯片ISD1420，控制简单、控制管脚和TTL电平兼容，且具备分段录音功能，便于和单片机连接，在这次设计中采用此芯片作为语音播报模块。
3.2.4A/D转换模块
方案一:
采用MAX187A/D转换器，是属于12位串行口的转换器。
使用方便，结构简单，所占用单片机的I/O口较少，节省了资源的占用，但由于此芯片成本较为昂贵，固不采纳此方案。
方案二:
采用ADC0809转换芯片，其中A/D转换器用于实现模拟量向数字量的转换，由于模拟转换电路的种类很多，选择A/D转换器从速度，精度和价格方面考虑，其内部是8路模拟选通开关，以及相应的通道抵制锁存译码电路，转换时间是128μS左右，单电源供电。
3.2.5温度和湿度采集模块
方案一:
采用DS1822芯片作为温度采集模块，DS1822和DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。
省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的使用，是经济型产品。
方案二:
采用DS18B20数字温度计作为温度采集模块，其精度可达到0.0625摄氏度。
它具有线路简单，体积小,一线总线的特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
综上所述，采用方案二比较合适。
3.2.6湿度采集模块
用HSM20G芯片作为湿度采集模块,它具有采用电阻式传感元件,成本低、互换性好,湿滞小、耐高湿,抗污染、微型化,温湿度一体,线性电压信号输出。
3.2.7系统各模块的最终方案
结合系统自身要求和实际使用中的利益问题,我们最终选择了以下方案作为此次作品设计的最终方案:
（1）主控模块:
采用AT89S52单片机作为系统的控制器
（2）显示模块:
采用普通的LED数码管作为系统的显示器件
（3）语音播报模块:
采用语音芯片ISD1420；
（4）A/D转换模块:
采用ADC0809转换芯片；
（5）温度和湿度采集模块:
采用DS18B20数字温度计和HSM20G湿度传感器。
3.3系统的硬件设计和实现
3.3.1系统硬件概述
本系统采用AT89S52单片机作为控制核心，，对采集到的湿度模拟电压信号通过ADC0809进行分析处理，实现A/D转换，以便数码管显示其湿度值。
本设计可以手动设置温度/湿度的上、下限值，如只要有一样和设定的值不符合时，即温度/湿度过高或过低，则该系统会发出语音报警，起到防患功能，同时继电器
立即切断电源，实现系统的保护。
（电路原理图见附录一）
3.3.2主要单元电路的设计
3.3.2.1主控电路的设计
本系统设计使用AT89S52单片机作为系统的控制核心。
采用单片机的P1口控制数码管显示温度和湿度值。
P2口和ADC0809连接，实现湿度模拟电压量转换为数字量便于单片机处理。
键盘控制采用P0口，其中P0.0是温度的设置，P0.1是湿度的设置，P0.2/P0.3是分别对温度和湿度的上/下限值进行设置。
P0.4是DS18B20温度传感器的接线口，P0.6是ISD1420语音芯片的接线口。
原理图如图2所示：
图2AT89S52电路原理图
3.3.2.2显示模块的设计
系统采用动态显示方式驱动6个数码管工作,其中4个数码管用来显示温度值，2个用来显示检测到的湿度值。
用74LS138的输入端来选择位码，单片机的
P1口控制数码管的断码。
如检测到的温度和湿度发生变化时，数码管即会发生相应的变化，起到时时显示功能。
如图3所示：
图3显示模块电路原理图
3.3.2.3语音播报电路的设计
语音播报模块采用语音芯片ISD1420构成，该芯片能够高质量地完成声音录制和还原，最大录音时间为20秒，具备分段录音功能，其工作电压在4.5V—5.5V范围，使用直接电平/边缘存
储技术，省去了A/D、D/A转换。
其内部集成了大容量的EERPOM，不再需要扩展存储器，便于和单片机连接。
语音播报模块电路如图4所示。
该电路的S3键为录音键，S1、S2键为播放键，A0-A7为地址选择端，将ISP1420的A0-A7直接和单片机的P1口相连，就可以实现录音地址选择功能，再将播放键接于P0.6口以实现单片机控制的实时播放功能。
电源VCCA、VCCD其内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线，但由于该芯片的干扰较小，因此两者可短接在一起。
ISD1420引脚信息表如表1所示：
图4语音播报模块电路原理图
表1ISD1420引脚信息表
名称 管脚 功能 名称 管脚 功能
A0-A5 1-6 地址 AnaOut 21 模拟输出
A6、A7 9、10 地址（MSB） AnaIn 20 模拟输入
VCCD 28 数字电路电源 AGC 19 自动增益控制
VCCA 16 模拟电路电源 Mic 17 麦克风输入
VSSD 12 数字地 MicRef 18 麦克风参考输入
VSSA 13 模拟地 PLAYE 24 放音、边沿触发
SP+、- 14、15 喇叭输出+、- REC 27 录音
XCLK 26 外接定时器 RECLED 25 发光二极管接口
NC 11 空脚 PLAYL 23 放音、电平触发
3.3.2.4温度/湿度采集电路的设计
温度传感器电路：
采用DS18B20温度传感器进行采集温度值，其精度可达到0.0625摄氏度。
DS18B20是由DALLAS半导体公司生产的单线智能温度传感器
。
属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。
它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。
它的性能特点是采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它I/O口线和微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位），测温范围为-55℃-+125℃，测量分辨率为0.0625℃,内含64位经过激光修正的只读存储器ROM，适配各种单片机或系统机，用户可分别设定各路温度的上、下限，内含寄生电源。
DS18B20采用一线通信接口。
因为一线通信接口，必须在先完成ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。
在进行单片机操作处理时，首先对DS18B20进行复位操作，将数据线拉低并保持4
80-960μS再释放，然后由上拉电阻拉高15-60μS，最后再由DS18B20发出响应低电平60-240μS即完成复位操作。
和单片机连接如图5所示：
图5DS18B20和单片机连接
写时间隙：
单片机先将数据线拉低1μS以上，再写入数据。
当主机总线
T0时刻从高拉至低电平时,就产生写时间隙,从T0时刻开始15US之内应将所需写的位送到总线上,DS18B20在T0后15-60US间对总线采样。
若低电平，写入位是0；若高电平，写入的位是1。
连续写2位间的间隙应大于1US。
2．读时间隙：
主机总线T0时刻从高拉至低电平时，总线只须保持低电平17TS，之后在T1时刻将总线拉高，产生读时间隙，读时间隙在T1时刻后T2时刻前有效。
TZ距T0为15捍S，也就是说，TZ时刻前主机必须完成读位，关在T0后的60S—120FZS内释放总线。
DS18B20引脚功能表如表2所示：
表2DS18B20引脚功能表
序号 名称 引脚功能描述
1 GND 接地信号
2 DQ 数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
3 VDD 可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
湿度传感器：
HSM-20G湿度传感器的特点是采用电阻式传感元件，成本低、互换性好，湿滞小、耐高湿，抗污染、微型化，温湿度一体，线性电压信号输出。
HSM-20G湿度传感器其原理是每变化0.03V湿度所增加的值为1%，其输出的电压值需经过ADC0809转换为数字量，以便单片机处理从而让数码管显示湿度值。
其工作电压范围为直流电压5.0±0.2V，输出电压范围（对应0-100%RH）为直流电压0.5-3.19V，测试精度为±5％RH，工作电流（最大值）为2mA，储存环境湿度范围为0至99％RH，工作环境湿度范围为10至90％（瞬间可达100％RH），储存环境为-20℃至80℃，工作环境为0℃至50℃。
温室范围为（RH@25℃）最大值2%RH，长期工作稳定性（年漂移率）为±1.5%，响应时间（到达63%比值） 为1分钟。
3.3.2.5继电器控制电路的设计
电磁式继电器具有结构简单、工作可靠、坚固耐用、价格便宜等优点，使用极其广泛，它是最为典型和常用的继电器。
本电路采用常闭继电器由单片机控制，
当温度或湿度异常时，继电器开始工作且开关切断电源，小灯熄灭，从而起到保护系统的作用。
其电路图如图6所示：
图6继电器控制电路图
3.4系统的软件设计
3.4.1系统软件概述
采用软件对系统进行编程比起硬件实现其功能要简单、快捷很多。
本系统的软件设计采用了汇编语言编程，只需对温度/湿度进行相应的采集处理后，即可让数码管时时显示当前的温度和湿度值。
湿度采集的输出电压需要经过ADC0809进行转换为数字量才可让单片机处理。
而语音播报只需接上单片机的I/O口，并对其接口线进行编程方可完成。
总程序流程图如图7所示：
图7系统软件总流程图
3.4.2子程序的设计
3.4.2.1温度采集子程序流程图如图8所示：
图8温度采集子程序流程图
3.4.2.2湿度采集子程序流程图9所示：
图9湿度采集子程序流程图
4.总结
以单片机AT89S52为核心实现对温度、湿度的检测及其控制，运行可靠，操作简单，精度高，响应速度快。
同时，通过LED数码管直观的显示通过控制系统后的温、湿度值．当出现异常现时，通过报警装置发出警告，及时得到处理．从而满足现场需要，具有广泛的使用前景。
这次作品设计和制作不仅是对我们所学知识的一种检验，也是对自身能力的一种提高，通过这次作品设计使我们明白了自身掌握的知识非常欠缺，所要学习的东西还很多。
在整个设计过程中使我们懂得了许多东西，也培养了独立思考和设计的能力，树立了对知识使用的信心，相信会对今后的学习工作和生活有非常大的帮助，并且提高了自己的动手实践操作能力，使自己充分体会到了在设计过程中的成功喜悦。
参考文献：
[1] 刘勇,《数字电路》，电子工业出版社，2004
[2] 王法能，《单片机原理及使用（简明修订版）》，科学出版社出版发行,2001
[3] 赵伟军，《PROTEL99SE教程》，人民邮电出版社，2004
[4] 黄 强，《模拟电子技术》，科学出版社，2003
[5] 徐正惠,胡海影，《单片机原理和使用实训教程》，京科学出版社,2004
[6] 陈晓文，《电子电路课程设计》，北京电子工业出版社,2004
附录一：
系统电路图：
附录二：
程序清单:
温度/湿度上/下限报警子程序流程图略
BIJIAO:
SETBP0.7 ;开始比较时首先关闭报警
SETBP0.6
MOVA,72H
CLRC
SUBBA,52H ;比较温度下限值的十位
JZZAIBI1
;如果十位相等则比个位
JCBAOJING ;如果72H数据小于下限值则直接报警
LJMPBUBAO1
ZAIBI1:
MOVA,71H
CLRC
SUBBA,53H
JCBAOJING ;如果71H数据小于下限值则报警
BUBAO1:
MOVA,50H ;比较温度上限值的十位
CLRC
SUBBA,72H
JZZAIBI2
JCBAOJING
LJMPBUBAO2
ZAIBI2:
MOVA,51H
CLRC
SUBBA,71H
JZBAOJING ;如果71H数据和温度上限值相等则报警
JCBAOJING ;如果71H数据大于温度上限值相等则报警
BUBAO2:
MOVA,75H
CLRC
SUBBA,56H
JZZAIBI3
JCBAOJING
LJMPBUBAO3
ZAIBI3:
MOVA,74H
CLRC
SUBBA,57H
JCBAOJING
BUBAO3:
MOVA,54H
CLRC
SUBBA,75H
JZZAIBI4
JCBAOJING
LJMPBUBAO
ZAIBI4:
MOVA,55H
CLRC
SUBBA,74H
JZBAOJING
JCBAOJING
BUBAO:
RET ;当前显示数据都没有超过温、湿度上下限则不报警
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