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基于单片机的温湿度监测与控制
摘要
本次设计是采用MSC-51系列单片机中的AT89S51和DHT11的低成本的温湿度的检测系统。
本设计主要包括硬件电路的设计和系统软件的设计。
硬件电路主要包括单片机、温湿度传感器、显示模块、报警器以及键盘等5部分，由DHT11温湿度传感器及1602字符型液晶模块构成系统显示模块，该系统电路简单、工作稳定、集成度高，调试方便，测试精度高，具有一定的实用价值。
其中测温湿度控制电路由温湿度传感器和预设温度值比较报警电路组成，用户根据需要预先输入预设值，当实际测量的温湿度大于预设的温湿度数值时，发出报警信号（蜂鸣器蜂鸣）。
软件部分包括了主程序、显示子程序、测温湿度子程序。
本次设计采用的DHT11温湿度传感器是一款含有已校准数字输出的温湿度复合传感器，传感器包括一个电阻式感湿原件和一个NTC测温元件，并与一个高性能的8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
单片机AT89S51是一款低消耗、高性能的CMOS8位单片机，由于它强大的功能和低价位，因此在很多领域都是用它。
【关键词】温度测量湿度测量AT89S51DHT11
ABSTRACT
ThisdesignistheuseofMSC-51SeriesMCUAT89S51andDHT11inthelow-costtemperatureandhumiditydetectionsystem.Thisdesignincludesthedesignofhardwareandsystemsoftwaredesign.Hardwarecircuitincludesamicrocontroller,temperatureandhumiditysensors,displaymodule,thealarmandthekeyboard5,theDHT11temperatureandhumiditysensorand1602constituteasystemofcharacterLCDmoduledisplaymodule,thesystemcircuitissimple,stable,highintegration,commissioningConvenient,highprecision,hassomepracticalvalue.Temperatureandhumiditycontrolcircuitinwhichthetemperatureandhumiditysensorsandcomparethevalueofthepresettemperaturealarmcircuit,theuserinputrequiredpre-defaultvalue,whentheactualtemperatureandhumiditymeasurementsoftemperatureandhumidityisgreaterthanthepresetvalue,analarmsignal（beeBuzzerbeep）.Softwarepartincludesthemainprogram,displayroutines,subroutinessidetemperatureandhumidity
ThedesignusestheDHT11temperatureandhumiditysensorsisadigitaloutputwithacalibratedtemperatureandhumiditycombinedsensor,thesensorincludesaresistanceandasenseoftheoriginalwetNTCtemperaturemeasurementdevices,andwithahigh-performance8-bitmicrocontrollerconnected.Therefore,theproducthasexcellentquality,fastresponse,anti-interferenceability,highcostandotheradvantages.AT89S51isalowconsumptionofitem-level,high-performanceCMOS8bitmicrocontroller,becauseofitspowerfulfeaturesandlowprice,souseitinmanyfields.
【Keywords】TemperaturemeasurementHumiditymeasurementAT89S51DHT11
前言
一、问题的提出及其研究意义
目前随着生活质量的不断提高，人们的生活水平越来越高，所以对环境的要求也越来越高，环境控制的也成了人们安居乐业的基础，成了共建和谐环境的重要环节。
尤其是目前生活节奏的加快，许多白领都出现了亚健康的状态，因此家庭温湿度的检测对于现代家庭来说也变得刻不容缓了。
因此为了满足最适宜人们生活的最佳温度和湿度，我们需要研究一种家庭式的，便于提醒和控制温湿度的装置，人们可以根据不同季节以及个人的需要进行不同的调整，以便达到最佳的居住环境，这不仅仅是对于环境要求的进步，同时也体现了现代文明的发达与先进。
1、问题的提出
为了更加有效的保证人们生活环境的安逸和舒适，同时也为了人们生活的更加健康，人们已不满于目前的居住环境，对家庭提出了更高的要求，智能化被引进了家庭，并且迅速在全国乃至世界范围内普遍发展开来，由于自然环境污染越来越严重，城市人口越来越多等，适宜人们生活的温度以及湿度越来越难以达到标准，常见的南北气候差异，北方冬天异常干燥，南方却阴冷潮湿，而对于我们来说，如何有效地在合适的时间内对环境作出相应的措施却始终难以把握，因此我们需要采取有效的措施，以满足人们的要求。
2、研究的意义
随着城市居民生活节奏的加快以及人民生活水平的不断提高，人们对于亚健康的问题越来越关注，因此对于居住环境的要求也越来越高，舒适的环境已不仅仅限于宽敞豪华的住宅，同时也希望在自己的小家里也会有大自然的调节作用，能够根据人类的需要，设定相应的温湿度。
因此研究温湿度的控制非常有必要，它可以优化组合社区资源，提升服务水平，推动反房地产等其他行业的发展，为他们带来新的商机。
二、国内外现状
最近几年，国内外温湿度传感器测量系统正向着集成化、智能化发展，随着科研人员的不断努力，该类型系统取得的巨大的成就。
现代温湿度传感器测量系统技术主要以数据采集为依据，主要类型包括：
虚拟仪器、智能仪器、数字式仪器等等。
伴随电子科学技术的进一步发展，数据采集系统也发生了日新月异的变化，其整体的性能、实用性方面都有所改进。
因此，依托于数据采集结构而发展的温湿度传感器测量系统在实际应用中也发挥这越来越重要的作用。
目前，许多外国大型企业都很重视传感器的研发工作，例如，日本的Figaro公司、芬兰的Vaisala公司等，都致力于传感器的发展和完善，以保障其在整个销售市场的竞争力。
在九十年代，先后出现了集成温度湿度测量套件和应用于湿度传感器的测试系统，这个新技术的产生都大大刺激了传感器的进一步发展。
与此同时，国内许多机构也在传感器测试装置的研发上不断探索、研发。
例如通过采用传统电子仪器进行设计研发而成的多种动态测试系统、动进样装置的气体传感器智能测试系统等等，这些成绩都体现了我国在传感器领域取得的成就。
当然，随着科技的进步，传统的温湿度测试技术在稳定性、精度等方面已经无法满足市场的需求，因此，针对新一代传感器的探究显得尤为重要。
三、本文研究的目的和研究方向
1、本文研究的目的
为满足现代家庭对于居住环境温湿度的不同需求，我们可以随时进行调节，对于不利情况能够及时的作出显示，并能够采取相应的措施提醒用户进行调整，以达到最适宜的温湿度。
2、本文研究的主要内容
首先我们必须了解温湿度控制对于家庭对于现代人们的重要性，其次我们才能够对此作出更好的判断，以求更好的解决用户所需要的问题。
温湿度的控制是我们研究的主要内容。
数字化温湿度检测的方法为一旦环境中的温湿度发生变化时，湿度传温度感器和湿度传感器随着温湿度的变化而变化，然后将变化的电阻通过转换电路和转换信号检测为与之对应变化的电压，然后把模拟电压信号由A/D转换器转换为数字信号并送入到单片机中，对采集到的信号单片机进行滤波处理并通过查表得到实际测量的湿度值[1]，之后通过单片机的各外部接口电路显示该温湿度值。
该系统通过
键盘设定最适宜的温度和湿度，传感器向中央控制系统输送监测信息，超过预设值的话，蜂鸣器就会报警提醒，用户即可作出调整。
四、本论文的章节安排
本次论文只要有四章，其中第一章主要介绍了本次论文，特别是软件设计方面需要几种软件的主要介绍和功能特点，分别是C语言,Ptoteus,Protel;第二章主要主要是对设计总体方案的论述，同时仔细介绍了几个主要的元器件，分别是：
单片机的选择，温度传感器，湿度传感器，以及LCD；第三章主要介绍了硬件设计及其内容，首先介绍了本次设计所要达到的目的和要实现的功能，然后分为四个部分，分别介绍了原理图的设计，然后各个主要模块：
蜂鸣器电路，晶振电路以及显示电路；第四章主要介绍了软件流程的过程以及介绍了一些主要模块的程序。
五、本章小结
本章主要介绍了本次设计的研究意义，国内外的现状，以及本次研究的主要研究目的和方向，并且介绍了本次设计的主要章节安排和每章节所要实现的内容。
第一章工具简介
系统单片机代码采用C语言编写，proteus为仿真环境，protel为原理图画图工具软件。
第一节C语言
一、C语言的优点
C语言的运算符丰富，它包括的范围相当广泛，是的C语言的运算类型及其丰富，并且表达方式的类型多样化，能够实现在高级语言中不能实现的运算，它有32个关键字，9种控制语句，和汇编语言一样，它能够对于位，字节和地址进行操作；数据类型很丰富，能实现各种复杂的数据类型，同时还加入了指针的概念，使得效率更高，同时支持图形编辑，以及多种显示器等；他所应用的结构式语言，这种方式会让程序有层次，一目了然，同时语法显示不严格，设计自由度高；C语言提供给用户的方式是一函数的形式，塔门可以方便调用，使得程序完全结构化；地址的访问上，能够访问物理地址，对硬件进行直接操作；适用范围广，能够适用于多重操作，例如：
DOS、UNIX等，同时适用于多种机型。
二、C语言的缺点
它的缺点主要是数据封装的安全性不高，因此这一点也成为了C语言和C++的最大的区别，另一方面由于语法以及变量的类型没有严格限制，也造成了较低的安全性，再者从应用角度来说，它比较其他的高级语言来说较为难以掌握。
第二节Proteus
单片机的教学以及实验教学的虚拟平台上，proteus是主要的比较先进的手段，在资金以及设备维护的问题上，它能够在硬件设备有限的情况下采用不同的方法，步进能将实例形象化，也可以使得运行过程形象化，能够得到传统演习方式无法达到的效果；它能够提供27000多的仿真器件，同时能够模拟仿真和数字仿真，能够直接在原理图上进行虚拟编程，然后显示输出想要达到的效果；它能够使得仿真软件使得抽象的程序和原理图变得形象化，同时提供了虚拟的控制按钮，可以控制程序的运行，停止；目前它是我们课程设计毕业设计中最普遍应用的工具，时间花接种，提供了许多实际中无法满足的元件库，同时我们可以无限次，随机的修改电路设计。
第三节Protel
一、软件特色
Protel99SE共分为5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、原理图混合信号仿真、自动布线器、PLD设计。
它具有一些特殊特点：
能够生成超过30种的电气连接网络表，体内更是具有很强的编辑功能，原理图以及PCB中同样的期间可以同样的被选中，允许在原理图和PCB进行双向查找元件。
引脚等。
与国际化的标准保持一致，能够混合仿真，同时具有智能的覆铜和放置汉字的功能，而且还可以与AUTOCAD等软件进行数据交换，在我们需要打印的时候能够提供打印预览，它具有的3D功能让我们在制版前看到想要装配的结果等等。
二、仿真特点
它具有强大的分析功能，用户可以分析电路的各个方面，能够提供交流小信号、瞬态分析、传输函数分析等；同时具有庞大的仿真模型库，拥有20多个模拟和数字期间仿真元件库，同时还有大量的数字器件和其他的集成电路器件；它还具有丰富的仿真信号源，同时还提供了完整的线性以及非线性受控源。
第四节本章小结
本章主要介绍了设计过程中所需要的软件，主要有三个，分别是：
C语言,Proteus.Protel,本章对于各个软件、功能等做了详细的解释说明。
第二章设计任务分析及方案论证
本章详细介绍了本次设计的主要任务，以及对于所要实现的内容加以分析，同时详细的介绍了主要元器件的选择，以及各自的特性。
第一节设计任务要求和温湿度控制的发展
一、设计过程及其工艺要求
设计一个以单片机为核心的温湿度控制系统，需要实现的功能为：
①能够准确的显示当前的温度以及湿度。
温度检测的范围0℃-60℃，测温精度：
±2℃；湿度检测范围20%-100%RH，测湿精度：
±5％RH。
②能够自主调节当前需要温度以及湿度的预设温湿度值，在系统上面有调节按钮，可随时根据需要增加或者减少预设值。
③一旦发现超过了预设值，蜂鸣器蜂鸣报警。
④报警方式为三极管驱动的蜂鸣音报警。
⑤系统的显示方式均为四位显示，采用LCD显示。
二、设计温湿度计的根据和意义
温度和湿度与人们的生活息息相关，在工农业生产，气象，环保，国防，科研等部门，经常需要对环境温度及湿度进行测量，准确测量温湿度在生物制药，食品加工，造纸等行业更是至关重要的，传统的温度计是用水银显示的，虽然结构简单，价格便宜，但是精度不高，而且不易计数，但是采用单片机进行控制，不仅具有控制方便，简单灵活等优点，而且可以大幅度提高温度控制的技术指标，用LCD显示起来会更加的直观方便。
采用DHT11数字温湿度传感器作为检测元件，能够同时检测温度和湿度，它不仅仅易于焊接，而且只有四个管角，减少了外围电路的设计。
DHT11传感器包括一个电容式聚合体测湿原件和一个能隙式测温元件。
DHT11能够直接独处被测温湿度值，同时单片机可以把测量的数据通过串口传到计算机，来完成控制。
带来了极大的方便，用单片机控制的温湿度不仅硬件电路相对简单，而且测量精度高。
总之无论是在日常生活中还是在工业，农业方面都离不开温湿度的测量，因此研究温湿度的测量具有相当重要的意义。
三、露点意义
1.定义或解释
①使空气里原来所含的未饱和水蒸汽变成饱和时的温度，叫做露点。
②空气的相对湿度变成100％时，也就是实际水蒸汽压强等于饱和水蒸汽压强时的温度，叫做露点。
2.单位
习惯上，常用摄氏温度表示。
3.说明
①人们常常通过测定露点，来确定空气的绝对湿度和相对湿度，所以露点也是空气湿度的一种表示方式，比如当测得了在某一气压下空气的温度是20℃，露点是12℃那么，就可从表中查得20℃时的饱和蒸汽压为17.54mmHg，12℃时的饱和蒸汽压为lO.52mmHg，则此时空气的绝对湿度p=10.52mmHg，空气的相对湿度．B=（10.52/17.54）×100％=60％。
采用这种方法来确定空气的湿度，有着相当重大的实用价值，但很关键的一点就是要求我们需要学会露点的测定方法。
②露点的测定在农业上意义很大，由于空气的湿度下降到露点时，空气中的水蒸汽就凝结成了露，如果露点在O℃以下，那么气温下降到露点时，水蒸汽就会直接凝结成了霜，知道了露点就可以预报是否会发生霜冻，以便于农作物受到损害。
⑨气温和露点的差值越小，表示空气越接近于饱和，气温和露点越接近，也就是此时的相对湿度百分比值大，这时候人们会感觉气候潮湿，气温和露点差值大，就说明此时的相对湿度百分比值小，人们会感觉气候干燥，对人体来说最适中的相对湿度是60～70％。
④严格来说露点时的饱和气压和空气当时的水气压强是不相等的，未饱和汽的压强随温度的变化是遵循Pt=P0（1+t/273），因此在日常的温差下压强的变化很小，我们可以近似地当作不变来处理。
第二节设计总体方案及其方案论证
一、设计总体方案及其论证
本设计要实现的功能是：
实时显示当前环境的温湿度，并且允许用户设定温湿度阈值，当环境温湿度超过阈值时，系统会以蜂鸣器鸣响的方式进行报警提示。
依据功能设定，本系统主要分为以下三个模块：
温湿度采集模块
数据处理模块
用户交互模块
其中温湿度采集模块使用的是DHT11数字温湿度传感器，它使用单总线方式，接口简单，而且无需另外校准。
分辨率为8bit，完全能够满足日常环境温湿度的检测要求。
数据处理模块使用的是AT89S51单片机，其完成温湿度数据的采集、运算和逻辑控制的功能。
用户交互模块主要由按键、1602点阵液晶和蜂鸣器构成。
其中按键用于用户设定温湿度阈值，1602用于数据显示，蜂鸣器用于提示用户。
按照系统的设计功能所要求的，温湿度监控系统原理图如下图2.1所示：
图2.1温湿度监控系统原理图
单片机作为主控制器，主要负责处理由温湿度传感器送来数据，并把处理好的数据送向显示器模块，数据温湿度传感器主要用来采集周围的环境参数，并把所采集到得数据送向单片机，按键电路主要是用来完成单片机的复位操作和温湿度初始值的设定。
蜂鸣器电路就是用三极管来实现的，用来判断周围的温度或者湿度是否超出设定数值，显示电路主要用来显示当前的温湿度。
二、器件选定
将单片机用作测控系统时，总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。
对于测量系统而言，其核心任务是怎么样获得准确的被测信号；而对测控系统来说，不可缺少的环节是对条件的监测和对被控对象状态的测试，传感器是实现测量与控制的第一环节，是测控系统的关键部分，一切准确的测量和控制都将在传感器对于原始信号的准确可靠的转换和捕捉，工业生产过程的自动化测量和控制，基本主要依赖各种传感器来控制和检测生产过程中的各种量，使系统和设备在最佳状态正常运行，从而保证生产的高质量和高效率[6]。
1、温湿度传感器
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的温湿度传感和数字模块采集技术，具有很高的稳定性和可靠性，DHT11传感器内含一个NTC测温和一个电阻式感湿元件，并与一个8位的高性能单片机相连接，在精确的湿度校验室中DHT11传感器进行过校准，以程序的形式校准系数储存在0TP内存中，检测信号的时候，在处理过程中传感器内部要调用这些校准系数，采用单线制的串行接口，使系统集成可以有较低的功耗，而且更加简单快速，信号传输距离超过20米，作为一个数字温湿度传感器DHT11具有响应快速、抗干扰强、性价比高等优点，它的性能指标如下：
湿度测量范围为20％～90％RH；湿度测量精度为±5％RH；温度测量范围为0～50℃，温度测量精度为±2℃，工作电压3．0～5．5V，相应时间<5S，DHT1l采用4针单排引脚封装,传感器通电后，需要等待1s，这是因为要越过不稳定的状态，在此期间不需发送指令,电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波[7]。
典型的应用电路如图2.2下：
图2.2典型的应用电路
DHT11实物图如下图2.3：
图2.3DHT11实物图
（1）串行接口（单线双向）
采用单总线数据格式,DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分。
通讯过程如图2.4所示
图2.4通讯过程
总线空闲状态为高电平的时候主机把总线拉低等待DHT11响应,DHT11能检测到起始信号，主机必须把总线拉低，至少大于18ms。
DHT11一旦接收到主机的开始信号，接着就等待开始信号的结束,然后发送80us的低电平响应信号，要读取DHT11的响应信号,必须等待开始信号的结束，并延时等待20-40us后才能够接受，主机发送开始信号后,这时候就可输出高电平或切换到输入模式,接着总线由上拉电阻拉高。
DHT11发送响应信号的时候总线为低电平,DHT11把总线拉高80us之前,必须等到响应信号发送，准备发送数据时,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,数据位是0或1是由高电平的长或短来决定。
假如响应信号的读取为高电平,但是DHT11无响应响应,这时候说明路线可能连接不正常，当最后一bit数据传送结束后，DHT11把总线拉低50us,接着总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。
数字0信号表示方法如图2.5所示
图2.5数字0信号表示方法
数字1信号表示方法.如图2.6所示：
图2.6信号1表示方法
（2）电气特性
VDD=5V，T=25℃，除非特殊标注，其中主要的电气特征如表2.1所示：
表2.1电气特征
参数
条件
min
typ
max
单位
供电
DC
3
5
5.5
V
供电电流
测量
0.5
2.5
Ma
平均
0.2
1
Ma
待机
100
150
Ua
采样周期
秒
1
次
注：
采样周期间隔不得低于1秒钟
（3）性能说明
如表2.2所示：
表2.2性能说明
参数
条件
Min
Typ
Max
单位
分辨率
8
±
Bit
1
1
1
%RH
精度
25℃
±4
%RH
重复性
±1
%RH
温度
0-50℃
±5
%RH
温度
量程范围
0℃
30
90
%RH
50℃
20
80
%RH
25℃
20
90
%RH
长期稳定性
典型值
±1
%RH/yr
迟滞
±1
℃
互换性
可完全互换
分辨率
8
8
8
Bit
1
1
1
℃
重复性
±1
℃
响应时间
1/e（63%）
6
30
S
量程范围
0
50
℃
精度
±1
±2
℃
（4）DHT11引脚说明，如表2.3所示
表2.3DHT11引脚说明
pin
名称
注释
1
VDD
供电3－5.5V
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，悬空
4
GND
接地，电源负极
⑤应用信息
电阻式湿度传感器暴露在化学物质中会受到干扰，导致灵敏度下降，当处于极限状态时，传感器可以通过程序处理，回复到初试的校准状态，在不符合规范的范围内使用传感器，不仅会导致几乎3%的临时漂移信号，而且会加速产品的老化，转为正常的使用范围后，会渐渐恢复校准状态；温度是影响气体相对湿度的关键，因此测量时最好让湿度传感器工作温度相同。
⑥封装信息，如图2.7：
如图2.7DHT11的封装信息
2、单片机
①描述
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS的8位单片机，片内含4K的可编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATME
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