基于51单片机的简易温湿度测量仪.docx

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基于51单片机的简易温湿度测量仪

编号：

____________

审定成绩：

____________

毕业设计（论文）

设计（论文）题目:

____基于51单片机的简易温湿度测量仪_

单位（系别）：

___电子信息工程系_____

学生姓名：

__傅胤翔___________

专业：

___通信工程___________

班级：

12

学号：

____0111081045________

指导教师：

____石鑫____________

答辩组负责人：

______________________

填表时间：

2012年5月

重庆邮电大学移通学院教务处制

摘要

单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）简称单片机,又称MCU（MicroControllerUnit）,是将计算机的基本部分微型化,使之集成在一块芯片上的微机.片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。

随着科技的发展，单片机已不是一个陌生的名词，它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。

单片机单芯片的微小体积和低的成本，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。

本文所涉及的是市场占有率最高的是MCS—51系列，因为世界上很多知名的IC生产厂家都生产51兼容的芯片。

生产MCS—51系列单片机的厂家如美国AMD公司、ATMEL公司、INTEL公司、WINBOND公司、PHILIPS公司、ISSI公司、TEMIC公司及南韩的LG公司、日本NEC、西门子公司等。

到目前为止，MCS—51单片机已有数百个品种，还在不断推出功能更强的新产品。

【关键词】单片机温度测控

ABSTRACT

MCS-80C51Basedonthetemperatureofthe51SCMmeasurementinstrumentAbstract:

SingleChipMicrocomputerhereinafterreferredtoasthesinglechipmicrocomputer,alsoknownasMCU（MicroControllerUnit）,thecomputeristhebasicpartofminiaturization,makeintegrationonasinglechipmicrocomputer.PiececontainsCPU、ROM、RAM、ParallelI/O、serialportsI/O、thetimer/counter、interruptcontrol、Thesystemclockandthesystembus,etc.Withthedevelopmentoftechnology,SCMisnotastrangenouns,,Itistheemergenceofthehistoryofmoderncomputertechnology,Becausethebirthofthesinglechipmicrocomputermarksformalformthecomputergeneralcomputersystemsandembeddedcomputersystemtwobranches.Singlechipmicrocontrollertinysizeandlowcost,Canbewidelyembeddedinsuchastoyshouseholdappliancesrobotinstrumentsautomotiveelectronicindustrialcontrolunitofficeautomationequipmentfinancialelectronicsystemshipterminalsandpersonalinformationcommunicationproduct,becomeamodernelectronicsystemisthemostimportantintelligenttool.ThispaperisrelatedtothemarketshareisthehighestMCS51series,becausemuchoftheworldfamousICmanufacturersareproduction51compatiblechipproductionMCS51seriesmicrocontrollermanufacturerssuchastheAMDATMELcompanyINTELcompanyWINBONDcompanyPHILIPScompanyTEMICcompanyandSouthKoreaISSIcompanyLGcompanyJapanNECSiemensag,etcsofar,MCS51SCMhashundredsofspecies,alsoincontinuouslyintroducemorepowerfulnewproducts.

【Keywords】singlechipA/DtemperaturemeasurementandcontrolMCS-80C51

目录

前言1

第一章温湿度测量的目的及要求2

第1节作品设计目的

第2节作品设计内容及要求

第3节第三节本章小结

第二章部分器件简介4

第一节烟雾传感器4

一、烟雾传感器介绍6

二、MQ-2的构成及工作原理9

第二节LM3939

一、LM393简介与特点及应用10

二、LM393功能结构10

第三节单片机10

一、单片机的概述10

二、AT89C5111

第四节蜂鸣器21

第五节本章小结23

第三章51单片机烟雾探测警报系统的硬件设计及实现24

第一节MQ-2模块设计24

第二节蜂鸣器电路设计25

第三节51单片机烟雾探测警报器整体设计实现26

第四节本章小结27

第四章51单片机烟雾探测警报系统的软件编写及调试28

第一节系统的软件编写28

第二节程序调试35

第三节本章小结36

结论37

致谢38

参考文献39

附录40

一、英文原文40

二、英文翻译41

三、工程设计及图纸42

四、源程序43

五、其他44

前言

随着科学技术的日新月异，人类社会取得了长足的进步！

在居家生活、工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境中的湿度和温度进行测量及控制。

本设计设计了一个智能化的温湿度测量应用系统。

本系统采用技术成熟的DHT11作为测量湿度和温度的传感器。

控制系统芯片采用技术成熟，功能强大、价位低廉大众化的AT89C51单片机。

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。

每个DHT11传感器都在精确的湿度校验箱中进行校准。

校准系数以程序的形式储存在OTP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。

LCD显示电路,声光报警电路都由AT89C51单片机控制。

同时设计了能给系统提供稳定工作电压的电源电路。

为了提高系统的抗干扰性能，对湿度、温度的检测采用了硬件抗干扰和软件抗干扰的综合方法。

最后设计了系统各个功能部分的软件程序。

由本设计课题做成的温湿度检测系统结构简单、价格便宜、量程宽，具有较高的可靠性、安全性及实用性。

第一章温湿度测量的目的及要求

第一节作品设计目的

在重要的设备房间中，设备对温、湿度等运行环境的要求非常严格。

对于面积较大的房间，由于气流及设备分布的影响，温湿度值可能会有较大的区别。

所以应根据主房间实际面积在房间加装温湿度传感器，以实时客观检测房间内的温、湿度。

在监控本系统，温湿度一体化传感器将把检测到的温湿度值实时传送到监控主机中，并在监控界面上以图形形式直观地表现出来。

管理员可实时了解房间各点的实际温湿度值，一旦房间内实际温、湿度值越限，系统将自动弹出报警框并触发报警，提示管理员通过调节送风口的位置、数量，设定空调的运行温湿度值，尽可能让房间各点的温湿度趋向合理，确保房间设备的安全正常运行。

第二节作品设计内容及要求

1．设计一个温湿度侧量电路，要求：

（1）用单片机通过编程来控制温湿度的显示

（2）液晶要准确显示外界的温、湿度的大小

（3）具有超温、湿度测量报警装置

2．用中、小规模集成电路组成测量系统，并在实验仪器（可在面包板）上进行组装、调试。

3．画出各单元电路图、整机功能框图和逻辑电路图，写出设计和实验总结报告

第二节本章小结

明晰设计理念，了解方案设计，基本掌握单片机检测气敏传感器再驱动蜂鸣器报警流程。

第一章部分器件简介

第一节烟雾传感器

一、烟雾传感器介绍

烟雾传感器，就是将空气中的烟雾浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。

离子式烟雾传感器

该烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。

它在内外电离室里面有放射源镅241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。

在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。

一旦有烟雾窜逃外电离室。

干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。

烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。

光电式烟雾传感器

光电烟雾报警器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过发出警报。

光电感烟探测器可分为减光式和散射光式，分述如下：

减光式光电烟雾探测器

该探测器的检测室内装有发光器件及受光器件。

在正常情况下，受光器件接收到发光器件发出的一定光量；而在有烟雾时，发光器件的发射光到受到烟雾的遮挡，使受光器件接收的光量减少，光电流降低，探测器发出报警信号。

　　散射光式光电烟雾探测器

该探测器的检测室内也装有发光器件和受光器件。

在正常情况下，受光器件是接收不到发光器件发出的光的，因而不产生光电流。

在发生火灾时，当烟雾进入检测室时，由于烟粒子的作用，使发光器件发射的光产生漫射，这种漫射光被受光器件接收，使受光器件的阻抗发生变化，产生光电流，从而实现了烟雾信号转变为电信号的功能，探测器收到信号然后判断是否需要发出报警信号。

气敏式烟雾传感器

气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。

它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器。

它的应用主要有：

一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等。

它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。

其中气敏传感器有一下几种类型：

可燃性气体气敏元件传感器,包含各种烷类和有机蒸气类（VOC）气体,目前大量应用于抽油烟机、泄漏报警器和空气清新机;

（2）一氧化碳气敏元件传感器,一氧化碳气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等一氧化碳泄漏和不完全燃烧检测报警;（3）氧传感器,氧传感器应用很广泛,在环保、医疗、冶金、交通等领域需求量很大;（4）毒性气体传感器,主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体。

气敏式烟雾传感器的典型型号有MQ-2气体传感器。

该传感器常用于家庭和工厂的气体泄漏装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。

二、MQ-2的构成及工作原理

MQ-2具有广泛的探测范围，高灵敏度与快速回复，优异的稳定性和寿命长，简单的驱动电路等特点。

可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜液化气，丁烷，甲烷，丙烷，氢气，酒精，烟雾等的探测。

MQ-2由气体敏感层（二氧化锡），电极（金），测量电极引线（铂），电热器（镍鉻合金），陶瓷管（三氧化二铝），防爆网（100目双层不锈钢），卡环（镀镍铜材），基座（胶木），针状管脚（镀镍铜材）构成。

封装好的MQ-2有六只引脚，四只用于信号输出，两只用于提供加热电流。

外形结构如下图所示

MQ-2工作条件及灵敏度特性图

MQ-2灵敏度特性曲线如下图1

其中：

温度：

二十摄氏度

相对湿度：

65%

氧气浓度：

21%

RL=5K

RS：

元件在不同气体，不同浓度下的电阻值

R0：

元件在洁净空气中的电阻值

图1

MQ-2气敏元件的温湿度特性如下图2

R0：

二十摄氏度，33%RH条件下，1000ppm氢气中元件电阻

RS：

不同温湿度，1000ppm氢气中元件电阻

图2

MQ-2工作原理

直流电压通过引脚直接供传感器MQ－2的加热丝H-H工作，加热丝给传感器MQ－2预热一定时间后，一般大约20秒，才能正常检测烟雾。

当MQ－2所处的环境烟雾在允许范围内时，其两端输出电极H-H间导电率很低，则加在电极间两端H—H电压很低，则输出电压升高。

当烟雾浓度减少，传感器MQ-2导电率升高，加在电极间两端H-H的电压升高，输出电压变小。

在没有被检测的气体环境中，MQ-2输出电压值大小约1V，当电压每增加0.1V左右时，被检测气体浓度增加200ppm左右。

第二节LM393

一、LM393简介与特点及应用

简介

LM393是由两个独立的、高精度电压比较器组成的集成电路，失调电压点，最大为2mv。

它专为获得宽电压范围、单电源供电而设计，也可以双电源供电；而且无论电源电压大小，电源消耗的电流都很低。

特点

●电源电压范围宽：

——单电源：

2v-36v

——双电源：

±1v-±18v

●电源电流消耗很低（0.4mA）

●输入偏执电流低：

25nA

●输入失调电流低：

±5nA

●最大输入失调电压：

正负3mV

●输入共模电压范围接近低电平

●输出饱和电压低：

250mVat4mA

●输出电平兼容TTL,DTL,ECL,MOS和CMOS逻辑系统

应用

主要应用于限幅器、简单的模数转换器、脉冲发生器、方波发生器、延时发生器、宽频压控振荡器、MOS时钟计时器、多频振荡器和高平数字逻辑门电路。

393被设计成能直接连接TTL和CMOS；当用双电源供电时，它能兼容MOS逻辑电路-这是低功耗的393相较于标准比较器的独特优势。

二、LM393功能结构

功能框图

OUTA：

输出A

INA-：

反相输入A

INA+：

同相输入A

GND：

接地端

INB+：

同相输入B

INB-：

反相输入B

OUTB：

输出B

Vcc：

电源电压

第三节单片机

一、单片机的概述

●在一片IC中集成了CPU、MEM、各种I/0接口（如，PIO、CTC、UART，……。

）

●主要用于测控领域，因此，也称其为MCU。

●在应用中，单片机是作为一个功能部件被嵌入在应用系统中，从而构成一个嵌入式系统。

所以，也称单片机为嵌入式微控制器——EMCU。

●单片机分通用型与专用型两大类。

单片机的发展

●第一阶段：

1974-78年，两个芯片构成。

如，仙童的F8。

●第二阶段：

1976-78年，资源少。

如，无串口，存储空间少等。

如，Intel的MCS-48。

●第三阶段：

1978-82年，系统资源较丰富。

如，Intel的MCS-51。

●第四阶段：

1982-现在，种类丰富，应用广泛。

从字长、速度、资源、应用与专用。

单片机的应用

●工业自动化控制

●智能仪表

●消费产品的智能化

●通信设备的逻辑单元

●智能终端及计算机外围设备的控制部件

●武器装备的智能部件

二、AT89C51

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

主要性能参数：

·与MCS-51产品指令系统完全兼容

·4k字节可重擦写Flash闪速存储器

·1000次擦写周期

·全静态操作：

0Hz－24MHz

·三级加密程序存储器

·128×8字节内部RAM

·32个可编程I／O口线

·2个16位定时／计数器

·6个中断源

·可编程串行UART通道

·低功耗空闲和掉电模式

功能特性概述：

AT89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O口线，两个16位定时／计

数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

AT89C51引脚功能

引脚功能说明

●Vcc：

电源电压

●GND：

地

●P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I／O口，也即地址／数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在FIash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

●P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

FIash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

●P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容）在整个访问期间不改变。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。

●P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I／O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示：

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外中断0）

P3.3

INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时／计数器0外部输入）

P3.5

T1（定时／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口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

●RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

●ALE／PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的l／6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的DO位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

●PSEN：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。

●EA／VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址0000H—FFFFH）EA端必须保持低电平，（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

●XTAL1：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

●XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

时钟振荡器

AT89C5l中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见