智能多点温湿度的巡回检测系统的设计学士学位论文.docx
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智能多点温湿度的巡回检测系统的设计学士学位论文
毕业论文
题目：
智能多点温度、湿度巡回
检测系统的设计
学 院
专业年级
学生姓名学号
指导教师职称
日期
摘要3
一绪论4
1课题的现状及研究意义4
2本文研究内容及设计方案5
二硬件设计5
1本方案设计的系统硬件总体框图5
2AT89C51单片机主控模块5
2.1AT89C51的结构和特点6
2.2时钟电路9
2.3复位电路9
3电源转换电路模块10
4按钮控制模块11
5多点SHT11温湿度测量模块11
5.1SHT11结构与特点11
5.2SHT11的工作时序12
6数据显示模块13
6.1HJ1602的结构与优点13
6.2引脚和指令14
7光声报警模块16
8温湿度控制模块16
三系统软件设计17
1系统整体的程序流程17
2液晶显示模块程序流程19
3传感器模块流程图20
四结束语21
五参考文献22
六附录22
1电路图22
2程序23
智能多点温度、湿度巡回检测系统的设计
摘要
随着经济的跨越式发展，温湿度在生产和日常生活中扮演着重要的角色，随着温湿度的检测的应用越来越广泛，传统的人工检测模式已经满足不了人们需求。
许多的事故都是因为传统的人工检测模式的缺点而引起的。
所以一种智能的多点并且能远程进行温湿度检测的系统才能满足人们对生活和环境以及工作上的要求。
它是一种快捷，智能，方便可靠的系统。
本设计是上以AT89C51单片机为核心，进行数据接收、分析及处理，配合温湿度传感器SHT11，以及相关的外围电路组成的检测系统，可以接收所测环境的温度和湿度信号，检测人员可以通过LCD1602显示的数据，实时监控环境的温度和湿度情况。
本设计结构简单，可靠性高，测点多，精度高，稳定性好。
能远程监测环境的温湿度，适用于多个场合的需求。
关键词：
SHT11；AT89C51;温湿度控制；
Abstract
Withtherapideconomicdevelopment,temperatureandhumidityplaysanimportantroleinproductionanddailylife,asthetemperatureandhumiditytestingincreasinglyused,thetraditionaldemandformanualdetectionmodeisnotforeveryone.Manyoftheaccidentsarecausedbecauseofthedisadvantagesofthetraditionalmanualdetectionmode.Anintelligentmulti-pointtemperatureandhumiditydetectionandremoteaccesstothesystemcansatisfypeople'slivesandtheenvironment,andworkrequirements.Itisaquick,smart,reliableanduser-friendlysystem.OnthisdesigniswithAT89C51microcontrollercore,forreceiving,analyzingandprocessingofdata,withthetemperatureandhumiditysensorSHT11,aswellasrelatedperipheralcircuitoftestsystem,youcanreceivethesignalmeasuredthetemperatureandhumidityoftheenvironment,officersdetecteddatathatcanbedisplayedbyLCD1602,real-timemonitoringthetemperatureandhumidityoftheenvironment.Thissimplestructure,highreliability,testpoints,highprecision,goodstability.Remotemonitoringoftemperatureandhumidityoftheenvironment,thedemandformultipleapplications
Keywords:
SHT11；ATC89C51;Thetemperatureandhumiditycontrolsystem;
一绪论
1课题的现状及研究意义
温湿度与社会的生产与生活有非常密切的关系，拌随着人们生活水平的逐渐提高，人们对自己的生存环境的关注意识越来越强，温湿度同时也是工业与农业的生产中常见、基本的重要工艺参数，比如机械、家居、电子、服务、石油等各类广泛需要对温度湿度的进行检测与控制，所以对温度湿度的检测及控制的研究有非常重要的意义。
随着电气，计算机类等科技技术的迅猛发展，智能化、自动化、简单化的生产管理模式己迫在眉睫，而且因为生产规模的不断扩大，传统的人工检测记录的方式已经不能满足生产和生活的需要，因此一种管理简单，运行可靠及科学的温湿度检测系统便由此产生。
以人为基础,每次检查和恻量周围环境的温湿度都是依靠人工来轮流进行的,这种落后的传统的温湿度检测和监控模式很容易造成生产上的损失。
在这种模式下，不仅效率地下不利于人才人才资源的充分利用，而且缺乏科学性，许多重大事故都是由人为因素造成的，人工维护缺乏完整的管理系统而智能多点温湿度检测巡回系统不但可以解决人才资源的浪费，管理的不及时的问题，而且还可以生产效率也会大大的提高，其缘由就是由于它的多点智能化设计所决定的温湿度监控系统主要应用于控制空间的温室和相对湿度。
从系统的控制角度来看属于纯滞后控制。
技术已经非常纯熟。
全世界的智能多点温湿度检测巡回系统从减少生产成本,增强可靠性,操作的简洁性,和提高检测的灵敏性上从仍然在不断的进步.普遍看来,它的系统结构已经采用网络连接的方式,实现一线总线的现场总线技术，以达到实现远程诊断与远程控制的目的。
在另一方面来看，构成系统整体的技术和管理，无论是硬件模块还是软件模块，国内外都已经普遍使用相应的模块来集成。
2本文研究内容及设计方案
本文研究的是智能多点温湿度的巡回监测系统，用于目前对温度、湿度的测量打赌限于近距离单点测量，本文设计要完成远距离的多点温度、湿度的自动巡回检测系统，能对远距离的多点温湿度进行自动巡回测量，以数字形式把温度显示出来。
本设计是采用以AT89C51单片机为核心，结合温湿度传感器SHT11等器件，用LCD1602液晶显示器显示数据以及报警元件，以多通道的方式对远距离多点温湿度自动巡回检测系统。
所有的操作都是通过主机的软件来实现，传感器的测量信号经过电路转换成电信号，送至ATC89C51进行分析以及处理，在通过显示装置显示数据。
如果测量的温湿度超过设定值会自动报警。
此方案的通用性非常强，具有一定的使用价值。
二硬件设计
1本方案设计的系统硬件总体框图
硬件总体框图
2AT89C51单片机主控模块
MCS---51系列单片机是国际公司Intel在1980年推出的高性能8位单片机，MCS--51的典型产品有三种，主要基本型产品为：
8031（不含ROM）/8051（芯片上含有4KB的ROM）/8751（芯片上含有4KBEPPROM），相对应的产品是低功耗型和增强型产品，MCS--51它们虽然都是8位的单片机，但是容易操作和掌握，具有性价比高、产品的兼容性强、品种多而齐全等特点，并且有关其软硬件应用方面上的设计材料非常丰富和齐全，是设计系统方案所需单片机的首选。
单片机工程技术人员和有这方面的爱好者大都已经熟悉和掌握这种单片机系列的应用。
在二十世纪的八、九十年代，MCS-51系列是在世界上的应用是最为广泛的单片机机型之一。
（1）AT89C51的结构和特点
AT89C51是一个8位具有高性价比，低功耗，高性能的cmos单片机，AT89C51器件内含4K字节大小的ISP，可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，在存储方面上不容易丢失，而且采用的是ATMEL公司的高密度的性能制造，它的兼容标准是MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内部集成了通用的8位CPU（中央处理器）和ISP存储单元。
高性价比和强大的兼容性、功能使微型计算机的AT89C51可以为许多生产和生活中涉及有关控制的应用系统提供一种的解决方案。
AT89C51具有如下结构：
2个16位可编程定时计数器，32个外部（I\O）双向输入/输出口，40个引脚，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），4kBytesFlash片内程序存储器，片内时钟振荡器，还有5个中断优先级，2层中断嵌套中断，,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路。
此外，AT89C51的振荡频率可通过软件进行设置达到省电的模式。
空闲模式下，中央微处理器（CPU）会暂时停止工作，而TO、T1定时计数器，随机存取数据存处器（RAM）、，片外的中断系统、多个串行口会不停止的继续工作。
AT89C51在掉电模式下，停止振荡器的工作，不为单片机提供时钟信号，停止芯片的其它一切功能，只保存单片机内部的RAM的数据，直到片外中断系统被激活或者芯片的硬件全部复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。
AT89S51单片机综合了微型处理器的基本功能。
按照实际需要，同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性，所以在本系统中就选用价格较低、工作稳定的AT89C51单片机作为整个系统的控制器[3]。
图4AT89C51单片机的片内硬件组成结构
总线型非总线型
图589C51的引脚封装
40个引脚按其功能可分为如下3类：
电源及时钟引脚——VCC、VSS；XTAL1、XTAL2。
控制引脚——PSEN、ALE/PROG、EA/VPP、RST。
I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚[4]。
【引脚电器性能】
AT89C51单片机的P口特点：
P0口：
是一个八位漏极开路输出型双向I/O端口。
当PO（0-7）作为输出端口使用时，8个端口都能吸收电流，然后驱动TTL输入，对端口输入1信号时，PO（0-7）可作为高阻抗的输入端用。
在一般的实际应用系统案例中,必须在访问期间将激活内部的上拉电阻。
在访问数据存储器或者单片机的外部程序时，它是时分多路转换的（低8位）地址数据总线。
P1口：
是一个八位双向（输入|输出）I/O端口,P1口内部带有上拉电阻。
端口口的输出缓冲器可驱动（以输出或吸收电流的方式）4个TTL输入。
要想P1（0-7）端口作为输入口使用，则必须对写8个端口写入1信号，并且使用AT89C51单片机内部的上拉电阻把端口拉到高电位。
P2口：
P2.0-P2.7是一个八位准双向（输入|输出）I/O端口，P2口的内部带有上拉电阻。
P2口的输出缓冲器可驱动（以输出或吸收电流的方式）4个TTL输入。
当对端口写1信号时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平的位置，这时可作输入口使用。
使用时，因为端口内部有上拉电阻的作用，引脚被输入的外部时钟信号拉为低电平，向外输出一个电流（Iil）。
在访问16位外部地址的外部数据存储器和外部程序存储器时，P2口会送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口引脚上的专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容，在整个访问期间不会改变。
P3口：
（P3.0—P3.7）是一个8位的双向I/O端口，端口的内部带有上拉电阻。
P3端口的输出缓冲器可驱动（以输出或吸收电流的方式）4个TTL输入。
当有需要这些端口作为输入口使用时，需要对端口写1信号，然后利用器件内部上拉电阻，把P3口拉到高电平位置。
因为内部有上拉电阻，引脚会被外部输入的信号拉为低电平，此时会输出一个电流（Iil）。
在稳定的状态条件下Io低被外部限制如下：
1、每个管脚的最大IOL值为15mA注85规格
2、每个8位口的最大IOL值为26mA
3、IOL输出最大总和为71mA
4、如果IOL的值超过测试条件VOL设定值有某种程度的可能性会超过相应的规格，因此不能保证超过测试电流。
AT89C51运算器的内部单元：
1、算术/逻辑部件ALU：
完成加减乘除的算术和布尔代数的逻辑运算，目的是通过运算的结果，来达到影响PSW的某些位，从而为运算的出错，转移，十进制的修正，判断等提供准确有力的依据。
2、累加器A：
在算术、逻辑运算中存放一个操作数或结果，在与I|O（输入|输出）接口和外部存储器连接打交道时，进行数据传送都必须经过A来完成。
3、寄存器B：
在乘法和除法的运算中要使用寄存器B。
当除法时，寄存器B会用来存放除数及它的余数。
当乘法时，寄存器B会用来存放乘数以及积的高字节；而不作乘除的时候，B可以用作通用寄存器。
4、程序状态标志寄存器PSW：
用来存放某些特征，这些特征是当前指令执行后的操作结果，PSW的作用是为下一条指令的执行提供依据。
（2）时钟电路
AT89C51单片机的每个功能部件的运行都是以时钟信号为准，一拍一拍，有条不紊、节奏一致地工作。
时钟电路的质量有很重要的意义，它会直接的影响单片机系统的稳定性，其缘由是因为单片机的时钟频率会直接影响本方案单片机的运行速度，进而影响整个设计系统的可行性、稳定性。
AT89C5单片机的芯片内部集成了一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，它为单片机的运行工作提供了所需要的时钟，这个内部振荡器电路的输出端和输入端引脚为XTAL1，输出端为XTAL2。
微调电容C1、C2与地端相连，并且两个电容分别连接着输入端引脚和输出端引脚，石英晶体Y1的作用是提供一个震荡源，这些都构成一个稳定的内部振荡器（自激振荡器）。
而外部时钟方式时外部时钟电源直接接到XTAL1端，XTAL2端悬空。
图6内部方式
（3）复位电路
复位是单片机的初始化操作，只需给AT89C51的复位引脚RST加上大雨2个机器周期（即24个时钟震荡周期）的高电平就可使AT89C51复位。
复位电路通常采用上自动复位和按钮复位两种方式。
上电复位的方式是通过外部复位电路给电容C充电，然后加至RESET引脚一个短时间的高电平信号，随着VCC对电容C的充电过程，次信号会逐渐回落，所以从根本上说。
RESET引脚上的高电平信号的持续时间取决于电容C的充电时间。
因此RESET引脚上的高电平信号必须保持足够长的时间，这样才能保证系统能可靠地复位。
值得注意的是按键手动复位有电平和脉冲两种形式[5]。
图7复位电路
3电源转换电路模块
由于单片机的工作电压为+5v,而用户的供电电压一般为220v的交流电，所以必须进行电源的转换，以保证单片机的正常工作。
电源转换电路如下，该电路为输出5V电源的电路，采用6V*2的变压器对220V的输入交流电进行降压，由两个二极管组成全波整流电路，经整流放大至1.2倍，其中在电源转换电路中起滤波作用的是大电容C1,C3、C5。
C2、C4小电容在电路中起的是消除电感效应，消除干扰的作用，IC采用集成稳压器7805，把电压稳定在5V。
其中三端稳压器的作用是消除电网电压输入对输出的影响，从而使输出的电压更加稳定。
当电源转换电路输出端的电压较大时（当然此方案所需的电压是5V），三端稳压器应装配能散热材料，比如散热板等。
这样器件使用的寿命得以
延长，设计更加的合理。
图8电源转换电路
4按钮控制模块
这里有三个按键，第一个是用来切换温、湿度；第二个增加设定值；
第三个是减小设定值。
电路如下图
图9按钮控制电路
5多点SHT11温湿度测量模块
（1）SHT11结构与特点
SHT11是具有保护作用的电容式的结构，这些电容是保护着传感器芯片。
传感器的芯片是由聚合物覆盖层和微型的检测电极系统共同组成的，SHT11在消除外界测量环境的干扰时，还能保持传感器的原有特性（电容式温湿敏器件）。
SHT11集成了湿度传感器和温度传感器，是一个单一的个体。
SHT11的特点是不会产生由温、湿度值传感器之间随温度的梯度的变化而引起的误差，得出的露点很精确，测量得到温湿度的数值的精度较高。
CM0SENSTM技术不是简单的将温湿度传感器结合在一起，主要的是还将校准数据存储器、14位的A\D（数\模）转换器、标准Ｉ2Ｃ总线、信号放大器等全部电路硬件和硬件集成在一个芯片内,而且还是无缝连接。
总之是一种采用高度集成的方式的温湿度传感器芯片,SHT11提供的数字输出是全量程标定,有着卓越的可靠性与稳定性，所以本系统采用SHT11作为温湿度传感器。
SHT11的结构特点和工艺制造使其具有以下优点:
（1）防止被浸泡而损坏，器件即使被液体浸湿,在自然烘干后其性能也可以得到恢复,并且在恢复后芯片运行时不会出现超出允许范围之内的误差;
（2）具有高度的可靠性,因为采用了优化的高集成电路方式,极大的防止和减小了受外界电子信号的干扰而元件失效的风险,并且由于SHT11温湿度传感器内部的输入的模拟信号可以快速的转化为数字信号输出,所以精确度比靠外围数模转换电路处理后输出的模拟信号高。
（3）芯片的测量精度较高,一些传感器常受外界的不稳定电压干扰，但SHT11因片内的稳压电路使得测量的温湿度值的精度不会受不稳定电压的影响,温度测量精度为0-0.5摄氏度,湿度在0%-100%RH。
测量范围内都能保持0%-5%的测量误差;
（4）在任意互换SHT同系列的芯片时，并不需要在互换后进行重新校正,这样可以方便设计的温湿度测量系统运行维护。
（5）体积仅为7.5mm@5mm@2.5mm,功耗低（电流的消耗:
工作时为550LA,休眠时则为3LA，平均状态是28LA,2.4-5.5V宽电压供电）,在电池供电的状态都可让其能长时间、稳定运行。
（6）SHT11的反应非常迅速,小于4s。
SHT11的众多优点使其成为各类高标准温湿度测量系统设计应用的首选.
ＳＨＴ１１传感器的内部结构框图如图２所示。
SHT11的温湿度传感器是在极为精确的温湿度室中校准的。
SHT11传感器
中OTP内存预先存放着校准系数。
经过校准的相对温湿度传感器与一个14位的Ａ／Ｄ数模转换器相连，可将转换后的测的数字温、湿度值送给二线I2C总线器件，这样就将数字信号转换为符合Ｉ２Ｃ总线协议标准的串行数字信号。
SHT11保证了传感器的长期能稳定的工作能力，还增强了抗干扰性能力。
传感器对干扰噪声的敏感程度取决于而Ａ／Ｄ（数模）转换所需要的时间，即转换速度。
标定存储器的作用是校准数据，保证了每一只温湿度传感器都功能都相同。
最后，任何类型的微控制器系统和微处理器，都可直接通过I2C总线与SHT11直接连接，这样做的原因是可以节约接口电路的硬件成本，简化了温湿度检测设计系统的接口方式，让整个系统的变得更加简洁。
（2）SHT11的工作时序
首先对数据传输进行初始化，来启动传感器的测量时序，即在第一个SCK时钟高电平位置时，DATA跳转为低电平，在第二个SCK高电平时，DATA跳为高电平。
传感器的测量指令包含8字节，前面3个是地址位，后面是5个命令位（（如00000101，即湿度测量，其中温度的测量代码为0001l，湿度的测量代码为00101）。
单片机发出一组8位测量指令后，DATA在第8个SCK时钟的下降沿被设置为低电平。
再发送第9个SCK时钟作为命令确认，DATA在其下降沿之后，恢复为高电平。
此刻单片机可以暂时停止发送时钟序列，单片机进入空闲的状态，开始准备读取测量的温湿度数据。
传感器在转换结束后，会将DATA置为低电平，单片机继续发出时钟序列，来读取2个8字节的测量数据和1个8字节的CRC奇偶校验。
所有的数据从MSB开始，右值生效。
其中为了确认读取成功，在每个字节传输结束之后，都要发出一个时钟高电平ACK，并将DATA置为低电平。
如果不使用CRC-8校验，控制器可以在读取测量值LSB后，通过保持确认位ACK高电平，来中止数据传输。
工作结束后SHTl1会自动转入休眠模式。
SHT11的工作时序如图所示：
6数据显示模块
（1）HJ1602的结构与优点
这个设计中采用的是HJ1602A，它是一种工业字符型液晶显示器，最多能同时显示16x02即32个字符。
（16列2行）。
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。
液晶显示器现在已经是很多电子产品的重要器件，在计算器、空调、汽车、电流表、电压表、万用表、电子表等很多电子产品中都可以看到，显示的主要是图形、数字和符号。
一般的显示输出方式：
LED数码管、发光管、液晶显示器。
在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件有以下几个优点：
（1）液晶显示器的画面质量高，不会频繁的闪烁。
显示器的每一个点接受收到信号后就恒定保持一种亮度和色彩，一直保持发光状态，并不会像阴极射线管类的显示器样需要不断刷新着新亮点。
（2）液晶显示器是一种数字型的显示器，和单片机系统的接口比其他类的显示器更简单可靠，操作也方便些。
（3）液晶显示器的重量比同类的要轻，并且耗电量也小。
因为液晶显示器是通过显示屏上的电极来控制液晶分子的状态来达到显示的目的，在重量上比同面积的传统类显示器要轻得多。
液晶显示器的功耗是主要消耗在内部的电极和驱动IC上，因而耗电量小得多。
字符型液晶显示模块是一种点阵式LCD，常用的有以下几种：
16*01，16*02，20*02和40*02行等的模块。
下面以1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。
（2）引脚和指令
1）引脚说明：
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为对比度调整端，接地最高，接正电源最低，过高时会产生模糊的影子，可通过一个10K的电位器调整对比度来消除。
第4脚：
RS表示寄存器的选择，低电平：
指令寄存器；高电平时选择数据寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，低电平写操作，高电平读操作。
当RS和R/W的状态同时为低电平时可以显示地址或者写入指令，当R/W为高电平RS为低电平时可以读忙信号，当R/W为低电平RS为高电平时可以写入数据。
第6脚：
E为使能端，当E端电平状态由高电平跳变成低电平时，液晶显示器模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
2）指令：
1602LCD的RAM地址映射以及标准字库表
器件的模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符图有：
英文字母的大小写、常用的符号、阿拉伯数字等，每一个字符都有一个固定的代码。
它的多有操作都是通过指令编程来实现的，如屏幕上文字数据的显示，读写数据和光标的操作（1是高电平，0是低电平）。
指令1：
01H是指令1的指令码，是清除显示的数据，让光标复位到起始位置，地址00H位置。
指令2：
光标复位，光标返回到地址00H。
指令3：
光标和显示设置I/D：
光标移向，高：
右移，低：
左移。
S：
显示的屏幕上所有文字是否左右移动。
高电：
有效，低：
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。
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