仓库温湿度检测系统设计综述.docx
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仓库温湿度检测系统设计综述
黑龙江农垦科技职业学院毕业论文
题目：
仓库温湿度检测系统设计
学生姓名：
曹世明
学生学号：
200901010318
所学专业：
机电一体化
指导教师：
张艳秋
研究方向：
单片机与传感器应用
黑龙江农垦科技职业学院
年月日
黑龙江农垦农业职业技术学院
毕业论文（设计）申请表
学生姓名
曹世明
学号
200901010318
所学专业
机电一体化
所在系部
机电工程系
毕业论文（设计）
编号：
题目：
仓库温湿度检测系统设计
系部审批：
年月日
黑龙江农垦农业职业技术学院
毕业论文（设计）任务书
论文题目
仓库温湿度检测系统设计
毕业论文（设计）的要求：
主要参考资料：
[1]刘志强，罗庆生．一种智能化温度检测系统的设计[J]．中国测试技术，2003，29（3）：
95-98
[2]高光天．传感器与信号调理器件应用技术[M]．北京：
科学技术出版社，2002，84-85
[3]J.Kramar，J.Jun.TheMoleeularMeasuringMaehine.Proceedingsofthe1998InternationalConfereneeonMeehatronieTeehnology，1998，Page:
477~487
[4]阳成军．用单总线器件组建温湿度测控系统硬件设计[J]．传感器世界2004
（2）：
38-39
学生年月日
指导教师年月日
摘要
温湿度是影响货物存储质量的重要因素。
本课题设计的是一种基于单片机的绿色食品去湿干燥智能控制系统，实现了对食品温度和湿度的实时检测，使管理人员可以实时监控食品温湿度情况以便确定合适的温湿度指标进行储藏。
本文采用AT89S52单片机为控制核心，由DHT11温湿度传感器及1602字符型液晶模块构成温湿度采集及实时显示系统，实现对测量对象的温湿度精确测量与自动控制。
本系统由上位机和下位机构成，下位机主要完成食品温湿度的采集与处理，将其传至1602液晶显示，并做出判断实现超限报警。
同时，下位机还通过RS232总线将温湿度数据传至上位机，上位机可实时显示当前的温度与湿度值。
实验结果表明，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。
关键词:
单片机温湿度AT89S52RS232自动控制
第1章绪论
1.1背景及意义
防潮、防霉、防腐、防爆是食品日常存储工作的重要内容，是衡量食品储藏质量的重要指标，它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。
为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强物品温度与湿度的监测工作。
但传统的方法是用温度计与湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的食品进行通风、干燥等工作。
这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。
因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量控制仪。
1.2国内外发展现状
目前温湿度检测技术和物品智能去湿干燥系统的研究已具备温湿度检测、超温报警、自动生成各种报表、自动存储历史数据并据此自动生成温湿度变化曲线等功能，供仓储管理人员查询分析之用。
1.2.1温度测量方面
温度是一个重要的物理量，其检测方法有多种，常用的有电阻式、热电偶式、PN结型温度传感器[1]、石英谐振型温度传感器以及光线传感器等，它们都是基于温度变化引
目前国外在温度超高精度测量中，大都使用标准铂电阻温度传感器。
例如:
美国国家实验室（NSIT）采用标准铂电阻温度传感器对纳米测试装置的工作腔进行测试，其测试精度为0.001℃[7,8]。
国内方面，清华大学以石英晶体传感器作为测温元件，将温度变化的模拟量转化为石英晶体振荡频率的数字量，通过测量频率可以计算出温度值，它可以测出0.001℃的温度变化量。
1.2.2湿度测量方面
近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。
湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，将湿度测量技术[9]提高到新的水平。
湿敏传感器的种类很多，大体上可以分为三类:
电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器以及有机高分子聚合物湿度传感器[10]。
（1）电解质湿度传感器，如氯化铿湿度传感器，灵敏度高，但在高湿环境中容易产生解，从而影响原的，缩短其用寿命。
（2）半导体陶瓷湿度传感器，如铬酸镁一二氧化钦湿敏传感器以及钒酸狸一二氧化钦湿敏传感器。
它们主要利用陶瓷烧结体微结晶表面在吸湿和脱湿过程中电极之间电阻的变化来检测相对湿度。
这类传感器适合于高温和高湿领域中使用。
（3）高分子材料湿敏传感器，如聚乙烯醇、醋酸纤维素、聚酸胺等材料制成的传感器，响应速度快、精度高，但是耐老化和抗污染能力不如陶瓷传感器。
国外在湿度传感器研制方面起步较早，目前日本、德国、美国处于国际领先地位，测量范围可实现全湿范围测量，且精度可达到士2%RH。
国内湿度传感器研制与生产方面，开始于二十世纪八十年代，且研究单位多于生产厂家，多数从事电解质、陶瓷类以及高分子类传感器的研发。
1.3温度、湿度检测技术的发展趋势
温度传感器的种类很多，测温范围也比较宽，可高达几千度，低可接近绝对零度，但在测量精度、稳定性、抗干扰等方面仍存在许多问题。
如铂电阻温度计，虽然测量范围宽，精度高但其抗震动能力差；热敏电阻温度计灵敏度高、体积小、响应速度快但其稳定性较差;热电偶温度传感器缺点则是灵敏度低。
因此，进一步改进敏感元件的制作工艺及结构，充分利用微处理技术发展数字化、集成化和自动化的温度传感器，同时探索新的敏感机理，寻求新型温度敏感元件也是温度传感器的发展方向之一[11]。
湿度传感器在工业、农业、医疗、气象以及日常生活等方面都得到了广泛的应用，特别是随着科学技术的发展，湿度的检测和控制越来越受到人们的重视并进行了大量的研制。
通常，理想的湿敏传感器的特性要求是：
适合于在宽温、湿范围内使用，测量精度要高；使用寿命长，稳定性好:
响应速度快，湿滞回差小，重现性好;灵敏度高，线性好，温度系数小;制造工艺简单，易于批量生产;转换电路简单，成本低;抗腐蚀，耐低温和高温特性等[12]。
湿敏传感器正在从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。
第2章温湿度测量系统方案设计
2.1系统总体设计
温湿度测量系统设计主要是基于单片机对数字信号的高敏感性和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号等，本系统主要包括主控模块、温湿度采集模块、显示模块、报警模块、键盘模块以及系统软件等部分的设计。
2.2系统的整体构架
本系统采用本系统采用美国Atmel公司生产的AT89S52单片机[13]作为控制核心，对温湿度传感器采集到的温湿度数字信号进行分析处理，然后输出到LCD液晶显示器显示其温、湿度值。
本设计可以通过键盘手动设置温度/湿度的上、下限值，该设定值为系统阈值。
温湿度传感器将检测到的值传输给单片机，通过分析比较，当检测数值超出阈值时，驱动蜂鸣器报警，以便管理人员及时切断电源，实现系统的保护。
系统硬件结构框图见图2-1。
2.3系统方案的论证与选择
2.3.1单片机的选择
单片机是整个系统的控制核心[14]，它空值周围器件协调工作，从而完成特定的功能。
方案一：
采用AT89C51单片机。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的，片内含4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51不支持ISP（在线更新程序）功能，且4个时钟周期完成一个指令周期，处理速度较慢，适用于要求时时性不高的系统中。
方案二：
采用AT89S52。
AT89S52是美国Atmel公司生产的一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，采用的工艺是Atmel公司的高密度非易失存储器技术；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AT89S52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，具有价格低廉、性能可靠、抗干扰能力强等特点。
综合本系统需要满足的技术指标以及硬件设计的性价比我们选择方案二。
单片机AT89S52
数字温湿度传感器
矩阵键盘
TTL232转换电路
MAX232
上位机
LCD显示
报警
图2-1仓库温湿度检测系统硬件结构框图
2.3.2显示器的选择
方案一：
采用LED数码管。
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。
如果检测到的温度与湿度发生变化时，数码管即会发生相应的变化，起到实时显示功能。
LED数码管亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定，从而得到了广泛的应用，但相对制作复杂成本高。
方案二：
采用1602液晶屏。
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
相对而言，液晶显示器显示质量高、体积小、功耗低等特点，而且其电路设计简单，操作更加方便。
因此我们选择方案二。
2.3.3传感器的选择
传感器是实现测量与控制的首要环节，是检测系统的关键部件。
方案一：
采用热电阻温度传感器和HOS-201湿敏传感器。
热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。
现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。
其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。
铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。
缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。
铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。
在工业中用于-50～180℃测温。
HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ～1KHZ，测量湿度范围为0～100%RH，工作温度范围为0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。
这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。
然而，这种传感器只限于一定范围内使用时才具有良好的线性，从而有效地利用其线性特性，而且它还不具备在本设计系统中对温度-30～50℃的要求。
方案二：
采用DHT11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，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能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。
综上所述，我们选择方案二来作为本系统的温湿度传感器。
2.3.4键盘模块的选择
方案一：
采用独立式键盘。
独立式键盘，即直接用I/O端口线构成的单个按键电路，每个独立式按键单独占有一根I/O端口线，且不相互影响；独立式按键接口灵活，结构简单，但是每个按键必须占用一根I/O端口线，故在按键数量较少时才采用这种结构形式。
方案二：
采用矩阵式键盘。
矩阵式键盘通常是由若干个键按行，列排成矩阵而组成，在行列的交点处对应有一个按键，共16个按键，通常情况下，在按键数量较多或者输入接口资源紧张的情况下通常采用行列式键盘电路。
本系统中，我们选择方案二中的16个按键的矩阵式键盘。
2.3.5报警模块的选择
方案一：
采用语音芯片ISD1420。
ISD1420为美国ISD公司出品的优质单片语音录放电路，它由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。
该芯片具备分段录音功能,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EEPROM，不再需要扩展存储器，便于与单片机连接。
ISD1420的地址模式必须要精确计算录音时间与地址单元的换算，才能确定每段语音的起始地址，除非使用ISD公司生产的ISD1425高级语音编程拷贝机进行自动分段录音并将地址读出，否则使用起来还是很麻烦的。
而操作模式虽然可以不用担心语音地址的问题，但在多段录放上的操作略显繁琐，完成一个功能要进行多个管脚的操作，使用起来不是很方便。
而且ISD1420价格昂贵，货源稀缺，虽功能强大，但不是最佳选择。
方案二：
采用压电式蜂鸣器。
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、报警器、电子玩具、汽车电子设备、定时器等电子产品中作发声器件。
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成，有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）多谐振荡器起振输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
因此该产品电路设计简单，操作更加方便，而且具有很高的性价比。
综上所述，本设计选择方案二作为本系统的报警模块。
3系统硬件设计
本设计的硬件系统主要由主控模块、显示模块、温湿度采集模块、串口通信模块、键盘模块和报警模块组成。
硬件电路设计见仓库温湿度检测系统整体原理图（附录图一）。
3.1主控模块
本系统主控模块采用美国Atmel公司生产的AT89S52单片机作为控制核心，通过DHT11温湿度传感器专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，把采集到的温/湿度数字信号输出到1602LCD显示器，以显示其温/湿度值。
本设计可以手动设置温度/湿度的上、下限值，只要有一样与设定的值不符合时，即温度/湿度过高或过低，则该系统会发出蜂鸣报警，并且自动启动空调设备进行去湿干燥工作，实现系统的智能化。
3.1.1单片机AT89S52简介
单片机AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器，采用的工艺是Atmel公司的高密度非易失存储器技术；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AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案，具有价格低廉、性能可靠、抗干扰能力强等特点。
3.1.2AT89S52的标准功能
AT89S52具有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。
3.1.3单片机AT89S52最小系统
图3-1AT89S52最小系统原理图
AT89S52引脚功能说明：
VCC:
电源
GND:
接地
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。
为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。
在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
3.1.4单片机的控制接口
AT89S52单片机作为系统的控制核心，P0口控制1602液晶显示温度和湿度值。
键盘控制采用P1口，其中P1.0是温度的设置，P1.1是湿度的设置，分别对温度与湿度的上、下限值进行设置。
P2.0是DHT11温湿度传感器的接线口。
具体接线见温湿度控制系统整体原理图（附录图一）。
3.2显示模块
液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法比拟的优点，近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。
单片机可以通过数据总线与控制信号直接采用存储器访问形式、I/O设备访问形式控制该液晶显示模块。
本设计采用1602液晶屏，液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，通电后就可以显示出图形、文字。
在本设计中，应用1602显示方便且工作稳定。
3.2.11602液晶简介
1602字符型液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16×2即32个字符（16列2行）。
注：
为了表示的方便，后文皆以1表示高电平，0表示低电平。
3.2.21602液晶显示特性
（1）单5V电源电压，功耗低、寿命长、可靠性高；
（2）内置192种字符（160个5×7点阵字符和32个5×10字符）；
（3）具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义八个5×8点阵字符；
（4）显示方式：
STN、半透、正显；
（5）驱动方式：
1/16DUTY,1/5BIAS；
（6）视角方向：
6点；
（7）背光方式：
底部LED；
（8）通讯方式：
4位或8位并口可选；
（9）标准的接口特性，适配MC51和M6800系列MPU的操作时序。
3.2.31602液晶物理特性
外形尺寸
80×36×14（mm）
可视范围
64.6（W）×16.0（H）
显示容量
16字符，2行
点尺寸
0.55×0.75（mm）
点间距
0.08（mm）
表3-11602液晶物理特性
3.2.41602液晶管脚功能
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样。
管脚号
符号
功能
1
VSS
电源接地（GND）
2
VDD
电源电压（+5V）
3
V0
LED驱动电压（可调）
4
RS
寄存器选择输入端，输入MPU选择模块内部寄存器类型信号。
RS=0，当MPU进行写模块操作，指向指令寄存器；
当MPU进行读模块操作，指向地址计数器；
RS=1，无论MPU进行读操作还是写操作，均指向数据寄存器。
5
R/W
读写控制输入端，输入MPU选择读/写模块操作信号。
当R/W=0时进行读操作，当R/W=1时进行写操作。
6
E
使能信号输入端，输入MPU读/写模块操作使能信号。
读操作时，高电平有效；写操作时，下降沿有效。
7
DB0
低4位三态、向数据总线0位（最低位）
8
DB1
低4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
低4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
低4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线5位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）
15
A
背光电源正端+5V
16
K
背光电源负端0V
表3-21602液晶管脚功能
3.2.51602液晶字符集
1602液晶模块内部的字符发生存储器存储160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，其中，字与字母同ASCII码兼容。
比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
3.2.61602液晶与AT89S52接口电路
图3-21602LCD与单片机接口电路图
3.3温湿度采集模块
比较传统的模拟温度湿度传感器，和硬件设计要求在本设计中采用DHT11数字式温湿度传感器。
3.3.1DHT11温湿度传感器简介
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，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
DHT11传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能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。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP（OneTimeProgramable）内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，产品为4针单排引脚封装，连接简单方便，使其成为各类应用场合的最佳选择。
3.3.2DHT11引脚及接口
图3-3DHT1
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