机房温湿度监控系统设计毕业设计.docx

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机房温湿度监控系统设计毕业设计

毕业设计

题目：

机房温湿度监控系统设计

学院（系）：

物理与电信工程学院

年级专业：

电信1102班

学号：

学生姓名：

指导教师：

2015年4月18日

机房温湿度监控系统设计

[摘要]温湿度与机房有着非常密切的关系。

本设计实现的是机房温湿度监控系统，通过温湿度传感器SHT10实现对温度、湿度的检测，将温湿度信号通过传感器进行信号的采集并转换成数字信号，再运用单片机STC89C52进行数据的分析和处理，显示和报警电路提供信号，用户需要输入预设值，当实际测量的温湿度值大于预设的温湿度值时，发出报警信号（蜂鸣器蜂鸣），显示部分采用1602LCD显示所测温湿度值。

系统结构简单、实用，调试方便，提高了测量精度和效率。

[关键词]温湿度；SHT10；单片机；STC89C52；检测；报警

Designoftemperatureandhumiditymonitoringsystemforcomputerroom

Abstract:

Temperatureandhumidityhaveaverycloserelationship.Isthedesignandimplementationofthecomputerroomtemperatureandhumiditycontrolsystem,achievedthroughthetemperatureandhumiditysensorSHT10detectionoftemperature,humidity,temperatureandhumiditysignalthroughthesensorforsignalacquisitionandconvertedintodigitalsignals,andthenusetheSCMSTC89C52fordataanalysisandprocessing,displayandalarmcircuitprovidesasignal,theuserneedstoinputthepresetvalue,whentheactualmeasurementoftemperatureandhumidityvalueisgreaterthanthepresettemperatureandhumidityvalue,issuedalarm（buzzer）,displaypartadoptsLCDdisplaythetemperatureandhumidityvalues.Thesystemstructureissimple,practical,convenientdebugging,improvesthemeasurementaccuracyandefficiency.

Keywords:

temperatureandhumidity;SHT10;MCU;STC89C52;detection;alarm

目录

引言1

1系统总体方案设计1

1.1功能要求1

1.2 设计思路1

1.3 总体设计框图1

2芯片介绍2

2.1STC89C52芯片2

2.2SHT10传感器简介4

2.3 1602液晶显示器4

3硬件电路的设计6

3.1单片机最小系统的电路6

3.2显示电路的设计7

3.3温度传感器接口电路设计7

3.4超限处理电路部分7

3.5电源电路8

4系统软件设计9

4.1总体系统软件设计9

4.21602液晶显示模块设计9

4.3 传感器模块设计10

5硬件调试10

6结束语11

致谢11

参考文献11

附录12

引言

现代通信机房有着众多的通信设备，这些设备对通信机房的环境要求会比较高，特别是温湿度环境。

这些设备工作时，温度和湿度的任何变化都可能会导致这些通信设备不能正常工作，严重时甚至可能会导致通信系统崩溃。

因此，必须把温湿度控制在这些通信设备正常工作的范围之内，研究可靠的机房温湿度控制系统，已经成为当前的需要。

然而传统的温湿度监测模式是依靠人工轮流值班的方式来测量和记录信息。

这种方法效率低下而且不利于人才资源的利用，许多事故都是由人为因素造成的，而且人工维护缺乏完整的管理系统。

所以需要研制一种结构简单的测控系统来达到自动调节温湿度。

温湿度检测系统就是现代生产中应运而生的的检测系统，特别是在生产中如果检测得不准确就会发生很多的生产事故。

因此为了给人们工作、科研、生活提供更好更方便的设施，对现在的温湿度控制器的设计和改良有着很大的现实意义。

国外对温湿度控制技术研究比较早，始于20世纪70年代。

先是使用模拟式的组合仪表，采集现场信息进行指示、记录和控制。

80年代末的时候出现了分布式控制系统。

现在正开发计算机的多因子综合控制系统。

目前世界各国的温湿度测控技术发展很快，其中有些国家向着完全自动化、无人化的方向发展。

我国对温湿度测控技术的研究始于20世纪80年代。

我国技术人员在发达国家温湿度测控技术的基础上，掌握了温湿度室内微机控制技术，这项技术只限于对温湿度的单项环境因子的控制。

在我国温湿度测控设施计算机应用中，总体上向实用化和综合性应用阶段发展。

在技术上方面，从单片机控制的单参数单回路系统方面居多，仍没有真正意义上多参数综合控制系统。

我国温湿度测量控制情况还没有达到工厂化的程度，在生产实际中还有许多问题困扰着我们，有着装备配套的能力差，产业化的程度低，软硬件不能共享和可靠性差的缺点。

在以后的温湿控系统的研究中会更智能化，集成化。

系统的各项性能指标也会更准确，更稳定可靠。

温湿度应用领域非常广泛，如药品储存，动物养殖，档案管理，食品行业，空调等狭小空间工业设备测温和控制。

太阳能供热，制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量等。

1系统总体方案设计

1.1功能要求

该系统主要由温湿度采集部分、CPU、1602显示模块和超限电路处理部分构成，以STC89C52单片机作为核心处理器。

主要完成的功能有以下几点：

1、通过数字温湿度传感器SHT10采集温湿度数据，即时传输给单片机；

2、单片机将收到的信号进行分析和处理，将采集到时温湿度实时数据送给1602液晶显示屏； 

3、通过1602液晶显示屏完成温湿度的数据显示； 

4、给定温度湿度数值，设置不同的温湿度，接入蜂鸣器，实现越限报警； 

1.2 设计思路 

电路总体上分为温湿度采集部分、中央处理器、显示模块以及报警模块部分。

以STC89C52单片机最小系统作为核心控制电路，控制SHT10传感器采集的温湿度的转换，控制1602液晶屏的显示，以及蜂鸣器的报警。

具体显示内容及方式由软件来完成。

采集温湿度方面由SHT10传感器来完成，它是一个数字温湿度传感器、内置模数转换，可以直接与单片机相连接。

而1602液晶显示屏是插针式，也可以直接与单片机相连接。

因此不需要手动焊接等复杂的过程。

具体步骤是：

按照原理图将传感器、1602液晶显示屏分别接入单片机。

通过SHT10传感器采集当前的温湿度值、再经单片机，将处理后的数据传送到液晶屏上显示出来。

并且接入蜂鸣器。

设置温度值，实现越限报警。

1.3 总体设计框图 

按照系统功能的具体要求，在保证实现其功能的基础上，尽可能降低系统成本。

总体设计方案围绕上述思想，初步确定系统的方案如图1.1所示。

从图中可以看出，系统有微处理器模块、1602液晶显示模块、SHT10传感器模块、按键电路、复位电路、按键电路、晶振电路、报警电路和电源电路组成。

在方案设计中，遵循简洁至上的原则，因此所有的外围模块采用串行方式与微处理器模块接口。

该设计以STC89C52单片机为控制核心，实现温湿度采集及显示的基本功能。

在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步的设计各个单元功能模块，系统的硬件部分可以分为传感器的使用、单片机控制、1602液晶显示和实现报警四大部分。

2芯片介绍 

2.1STC89C52芯片 

功能特性：

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，如图2.1所示。

STC89C52具有以下标准功能:

8k字节Flash,256字节RAM，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，AT89S52 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RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM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。

主要性能：

与MCS51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：

0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。

 STC89C52如图2.1所示。

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时[1]，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，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口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八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八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口，如表2.1所示：

表2.2表示了P3口的第二功能。

表2.1管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（计数器0外部输入）

P3.5T1（计数器1外部输入）

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）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节[2]。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率[2]的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，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），不管是否有内部程序存储器。

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，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

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。

 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶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。

有余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无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

2.2SHT10传感器简介

SHT10是家庭中Sensirion温湿度传感器系列。

微型电路板上有被传感器集成的传感元件和信号处理电路，该传感器采用专利技术cmosens，保证高可靠性和长期稳定性的产品。

传感器包括一个电容式高分子湿敏元件和一个能隙材料温度元件，和14位A/D转换器、串行接口电路进行无缝连接。

所以，这个产品有较卓越的质量，迅速的响应，良好的抗干扰能力，高性价比的优点。

SHT10如下2.2所示：

（1）引脚介绍：

脚1和4：

信号地和电源，其工作电压范围是2.4～5.5V；

脚2:

DATA引脚为三态结构，用于读取传感器数据.当向传感器发送命令时,DATA在SCK上升沿有效且在SCK高电平时必须保持稳定。

脚3：

串行数字接口,为时钟线；

（2）SHT10的工作原理

SHT10是单片集成数字温湿度传感器，因此测量精度高，可精确计算露点，也不会产生因温度梯度变化的温度和湿度传感器之间的误解。

所有的信号调节芯片内完成，利用I2C总线实现通信，数据和时钟传输完成，直接输出数字信号。

SHT10温湿度传感器的性能都比其他类型的更好。

第一是传感器的信号强度的增加与传感器抗干扰性能的提高，保证传感器的长期稳定性，和A/D的转换，可以减少传感器噪声敏感的应用。

第二是在传感器芯片加载校准数据，保证温湿度传感器都具有相同的功能，具有100%的互换性。

第三是该传感器可直接通过与任何类型的微处理器I2C总线、单片机系统连接，从而降低硬件接口电路的成本，简化了接口模式。

2.3 1602液晶显示器 

1602液晶显示器是一种专门为字母、数字、符号等点阵液晶显示，目前常用的16×1，16×2，20×2和40×2行的字符型液晶显示模块。

长沙太阳电子有限公司1602字符的液晶显示器。

一般1602字符型液晶显示器实物如图2.3所示：

（1）1602LCD主要技术参数

显示容量为16*2个字符；

芯片工作电压位4.5-5.5V；

工作电流为2.0mA；

模块最佳工作电压为5.0V；

字符尺寸为2.95*4.35mm.

（2）引脚说明：

引脚1：

VSS为地电源。

引脚2：

VDD接5V正电源。

引脚3：

VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最低，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

引脚4：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器[3]。

引脚5：

R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平 ,R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

引脚6：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

引脚7：

D0～D7为8位双向数据线[4]。

引脚15：

背光源正极。

引脚16：

背光源负极[5]。

（3）指令说明

1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令。

它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的（说明：

1为高电平，0为低电平）。

指令1：

清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。

指令2：

光标复位，光标返回到地址00H 。

指令3：

光标和显示模式设置 I/D：

光标移动方向，高电平右移，低电平左移 。

S：

屏幕上所有文字是否左移或者右移。

高电平表示有效，低电平则无效 。

指令4：

显示开关控制。

 D：

控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示。

 C：

控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标。

 B：

控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁 。

指令5：

光标或显示移位。

S/C：

高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标 。

指令6：

功能设置命令。

DL：

高电平时为4位总线，低电平时为8位总线。

N：

低电平时为单行显示，高电平时双行显示。

F：

低电平时显示5X7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符 （有些模块是 DL：

高电平时为8位总线，低电平时为4位总线）。

指令7：

字符发生器RAM地址设置 。

指令8：

DDRAM地址设置。

指令9：

读出忙信号和光标地址。

 BF为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙，模块就能接收相应的命令或者数据[4]。

指令10：

写数据。

指令11：

读数据。

（4） 内存地址映射：

液晶显示模块是一个慢的显示器件，因此在每个指令必须确认的忙标志模块到低电平，则表明不忙，否则命令失败。

要显示的字符应该输入的字符显示的地址，这意味着可以显示字符[5]。

1602 内部显示地址如图2.4所示：

例如第2行的第1个字符的地址为40H，使光标直接定位在40H的第一个字符的第二行吗？

这是不行的。

因为最高D7需要恒定在1的高水平来写地址显示的，所以实际写入的数据应该为01000000B（40H）+10000000B（80H）=11000000B（C0H） [6]。

程序在开始的时候对LCD模块功能进行了初始化设置，约定显示格式。

需要注意的是，显示字符的光标是自动往右移的，不需要人工干预。

每次输入指令是用来确定液晶模块忙子程序延迟，然后输入字符代码41H。

（5）液晶显示原理

液晶显示原理是液晶的物理特性的使用，通过对其显示区域的控制电压，有电就可以显示图形。

薄的液晶显示器，适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示。

它已被广泛应用于许多领域，如手提电脑，数码相机，PDA等移动通信工具[7]。

3硬件电路的设计

3.1单片机最小系统的电路

在该设计的温度控制系统设计中，控制核心是STC89C52单片机，该单片机为51系列增强型8位单片机，它有32个I/O口，片内含4KFLASH工艺的程序存储器，便于用电的方式瞬间擦除和改写，而且价格便宜，其外部晶振为12MHz，一个指令周期为1μS。

使用该单片机完全可以完成设计任务，其最小系统主要包括：

复位电路、振荡电路以及存储器选择模式（EA脚的高低电平选择），电路如下图3.1所示：

3.2显示电路的设计

1602LCD采用标准14脚或16脚接口，RS为寄存器选择器，RS为高电平时选择数据寄存器，为低电平时选择指令寄存器。

R/W为读写信号线，为高电平时进行读操作，为低电平时进行写操作，当RS和R/W同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当RS为低电平时，R/W为高电平时可以读忙信号；当RS为高电平，R/W为低电平时可以写入数据。

E为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。

D0~D7为8位双向数据线[8]。

1602液晶显示模块可以和单片机STC89C52直接接口，电路原理图如3.2所示。

3.3温度传感器接口电路设计

SHT10的微型电路板上有被传感器集成的传感元件和信号处理电路，传感器包括一个电容式高分子湿敏元件和一个能隙材料温度元件，和14位A/D转换器、串行接口电路进行无缝连接。

传感器可直接通过与任何类型的微处理器I2C总线、单片机系统连接，从而降低硬件接口电路的成本，简化了接口模式。

传感器与STC89C52的电路连接图，如图3.3所示

3.4超限处理电路部分

按键起重要的控制作用，当接通电源时，则会给单片机一个初始的高电平状态，当按下按键再弹起的时候，单片机由高电平变换成低电平后又转至为高电平。

所以，由于检测到下降沿信号因此产生外部中断控制信号。

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器。

采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。

超限处理电路部分由按键电路和蜂鸣器组成。

按键电路中KEY1为设置预设值，KEY2为温度或湿度加1，KEY3为温度或湿度减1，KEY4为确定设置值。

当实际测量的温湿度值大于预设的温湿度值时，发出报警信号（蜂鸣器蜂鸣）。

按键电路如图3.4所示，蜂鸣器如3.5所示。

3.5电源电路

如图3.6所示，该图是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。

该电路是把市电220V交流电压过变压器降压至交流12V，通过4个二极管构成的全桥式整流电路整流成为脉动直流，经过一级滤波电容后得到12V的稳定直流，再送至三端稳压集成电路78L05，得到＋5V稳定的直流输出，再使用前滤波，便可以为单片机提供稳定的工作电压[9]。

在下图中，用四个二极管组成了全桥整流电路，C4，C5是一级滤波电容，U4是集成稳压器78L05，C6，C7是二级滤波电容。

R3是一个负载电阻，D2为一个发光二极管。

4系统软件设计 

4.1总体系统软件设计

在对我们所要设计的课题有了整体的了解之后，需要先建立程序框架的流程图，对整个设计划分模块，逐个模块实现其功能，最终把各个子模块合理的连接起来，构成总的程序。

主程序首先要对整个系统进行初始化，然后将采集到的温湿度指令传给系统。

主流程图如图4.1所示：

4.21602液晶显示模块设计 

液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，则此指令失效，要显示字符时要先输入显示字符地址，告诉模块在哪里实现了字符[10]。

软件流程图如图4.2所示：

4.3 传感器模块设计 

SHT10是单片集成数字温湿度传感器，因此测量精度高，可精确计算露点，也不会产生因温度梯度变化的温度和湿度传感器之间的误解。

所有的信号调节芯片内完成，利用I2C总线实现通信，数据和时钟传输完成，直接输出数字信号。

SHT10传感器模块的软件流程图如下图所示:

5 硬件调试 

电路元件安装之前，首先应利用万用表检查各元器件功能是否完好，在确定所有芯片都能使用后开始焊接电路板。

在电路板焊接过程中要充分利用电路原理图，对照着电路原理图和PCB图进行焊接。

焊接过程要十分认真仔细