基于单片机温湿度测量系统的研究与设计.docx

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基于单片机温湿度测量系统的研究与设计

河南机电高等专科学校

综合实训论文

实训题目：

基于单片机温湿度测量系统的研究与设计

系部：

电子通信工程系

专业：

应用电子技术

班级：

应电113班

姓名：

苏宝华

学号：

110415230

2013年10月日

摘要

温湿度的测量应用范围是很广的，对温湿度测量系统的研究也具有深远意义，本课题针对国内外对温湿度测量系统的研究与发展状况，分析了目前温湿度测量系统存在的主要问题，设计了一种基于单片机的温湿度测量系统，对某些有着特殊要求温度和湿度的场合实现长期、稳定、定时、自动的检测。

本设计主要由硬件电路和软件电路两部分组成，系统通过温湿度检测电路，把采集到的信号传给单片机，通过单片机来处理采集到的信号并通过LCD显示出来，如果温湿度过高或过低，报警电路会自动报警。

它以AT89C52单片机为核心，采用SHT11集成温湿度传感器实现一种智能、快捷、方便的温湿度测量系统，整个系统由温湿度检测电路、时钟电路、LCD显示电路、键盘电路、报警电路和单片机等组成。

设计的系统结构简单紧凑、功耗较低、抗干扰能力强、总体性能比较好，符合了智能仪器仪表小型化的潮流，为今后开发高性能和商品化的温湿度测量仪器奠定了良好的基础。

关键词单片机，温湿度，SHT11传感器

摘要……………………………………………………………..……….….……..…Ⅰ

目录…………………………………………………………………………………Ⅱ

绪论……………………………………………………………….….…………………1

第1章……………………………………………………………….….……………1

1.1概述..........................……………………….…………….…..……1

1.2国内外研究现状………………….……………………………..……1

1.2.1国外研究现状…………………………………………………………………1

1.2.2国内研究现状…………………………………………………………………1

1.3温湿度检测的发展状况以及存在的问题………………………………………1

1.4课题研究的主要内容……………………………………………………………2

第2章系统硬件部分设计…………………..….…………………………….…....……4

2.1AT89C52单片机介绍………………………………………………….……………...4

2.2温湿度测量电路的设计……………………………………………...……....…9

2.2.1SHT11简介………………………………………………………………………9

2.2.2SHT11主要性能特点……………………………………………………………9

2.2.3SHT11工作原理…………………………………………………………………10

2.2.4SHT11输出特性…………………………………………………………………10

2.2.5运行条件………………………………………………………………………11

2.2.6安装注意事项…………………………………………………………………11

2.2.7SHT11与单片机连接……………………………………………………………12

2.3LCD显示电路设计…………………………………………………………………12

2.3.1LCD1602简介…………………………………………………………………12

2.3.2LCD1602的特性…………………………………………………………………12

2.3.3LCD1692引脚功能………………………………………………………………13

2.3.4指令集……………………………………………………………………………13

2.3.5LCD1602与单片机连接…………………………………………………………14

2.4时钟电路设计……………………………………………………………………15

2.4.1DS1302简介…………………………………………………………………15

2.4.2DS1302工作原理………………………………………………………………15

2.4.3DS1302结构及引脚功能……………………………………………………15

2.4.4DS1302与单片机连接………………………………………………………16

2.5键盘电路设计……………………………………………………………………17

2.5.1键盘工作原理……………………………………………………………………17

2.5.2独立式键盘与单片机的连接……………………………………………………18

2.6报警电路设计……………………………………………………………………18

2.7抗干扰措施……………………………………………………………………19

第3章系统软件设计…………………………………………………………………21

3.1系统总体流程图…………………………………………………………………21

3.2温湿度采集模块软件设计…………………………………………………………22

3.3LCD显示模块软件设计……………………………………………………………24

3.4时钟模块软件设计………………………………………………………………28

3.5报警电路软件设计…………………………………………………………………28

第4章仿真与调试………………………………………………………………………30

4.1电气原理图…………………………………………………………………………30

4.2部分参考程序………………………………………………………………………30

4.3仿真结果…………………………………………………………………………44

结束语…………………………………………………………………………………49

致谢…………………………………………………………………………………50

参考文献…………………………………………………………………………………51

第1章绪论

1.1概述

温湿度测量是现代检测技术的重要组成部分，在保证产品质量，提高产品量，节约资源和安全生产方面起着非常重要的作用。

因此，能够确保快速、准确的测量温湿度的技术及其装置受到各国的重视。

随着信息产业的发展及其工业化的进步，温度和湿度不仅仅变现在以上几个方面直接或间接影响人类基本生活条件，还表现在对生物用品、医药卫生、科学研究、国防建设等方面的影响。

针对以上情况，实现对温湿度的准确可靠测量显的尤其重要。

近年来，利用智能化数字式温湿度传感器以及实现温湿度信息的在线检测已成为温湿度检测技术的一种发展趋势。

本文介绍的温湿度检测系统，以智能化数字化温湿度传感器与52单片机有机结合，构成一种温湿度检测系统。

该系统具有性能可靠、测温准确、结构简单、价格低廉、抗干扰能力强等优点，可在工程实际中得到广泛应用。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

国外对温湿度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。

先是采用模拟式的组合仪器，采集现场信息并进行指示、记录和控制。

80年代末出现了分布式控制系统。

目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。

现在世界各国的温湿度测控技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。

1.2.2国内研究现状

我国对于温湿度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。

我国工程技术人员在吸收发达国家温湿度测控技术的基础上，才掌握了温湿度室内微机控制技术，该技术权限于对温湿度的单项环境因子的控制。

我国温湿度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。

在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。

我国温湿度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中任然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性等特点。

1.3温湿度检测的发展状况以及存在的问题

传统的温度和湿度检测系统主要有以下几种：

（1）水汽压（e）：

是水汽在大气总压力中的分压力。

它表示了空气中水汽的绝对含量的大小，以毫巴为单位。

（2）相对湿度（rh）：

湿空气中实际水汽压e与同温度下饱和水汽压E的百分比，相对湿度的大小能直接表示空气距离饱和的相对程度。

空气完全干燥时，相对湿度为零。

相对湿度越小，表示当时空气越干燥。

当相对湿度接近于100%时，表示空气很潮湿，越接近于饱和。

（3）露点（或霜点）温度：

指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度。

（4）干湿球温度表：

用一对并列装置、形状完全相同的温度表，一支测气温，称干球温度表，另一支包有保持浸透蒸馏水的脱脂纱布，称湿球温度表。

（5）湿度表（计）：

利用脱脂人发（或牛的肠衣）具有空气潮湿时伸长，干燥时缩短的特性，制成毛发湿度表或湿度自记仪器，它的测湿精度较差，毛发湿度表通常在气温低于—10℃时使用。

（6）电阻式湿度片：

利用吸湿膜片随湿度变化改变其电阻值的原理，常用的有碳膜湿敏电阻和氯化锂湿度片两种。

前者用高分子聚合物和导电材料碳黑，加上粘合剂配成一定比例的胶状液体，涂覆到基片上组成的电阻片；后者是在基片上涂上一层氯化锂酒精溶液，当空气湿度变化时，氯化锂溶液浓度随之改变从而也改变了测湿膜片的电阻。

（7）薄膜湿敏电容：

是以高分子聚合物为介质的电容器，因吸引（或释放）水汽而改变电容值。

它制作精巧，性能优良，常用在探空仪和遥测中。

（8）露点仪：

能直接测出露点温度的仪器。

使一个镜面处在样品湿空气中降温，直到镜面上隐现露滴（或冰晶）的瞬间，测出镜面平均温度，即为露（霜）点温度。

它测湿精度高，但需光洁度很高的镜面，精度很高的温控系统，以及灵敏度很高的露滴（冰晶）的光学探测系统。

使用时必须使吸入样本空气的管道保持清洁，否则管道内的杂质将吸收或放出水分造成测量误差。

随着智能检测系统的飞速发展，基于单片机的温湿度检测系统将多传感器系统结合在一起。

如何把多传感器集中于一个检测控制系统，综合利用来自多传感器的信息，获得对被测对象的可靠了解和解释，以利于系统做出正确的响应、决策和控制，是智能检测控制系统中需要解决的首要问题。

在温湿度要求严格的场合，利用多传感技术可以提高系统的可靠性和精度，亦可以提高系统的时间空间的覆盖范围。

1.4课题研究的主要内容

本设计主要作了如下几个方面：

一是确定系统的总体功能设计方案；二是进行自

能传感器的硬件电路和软件系统的设计；三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系

统设计。

本课题针对这些弱点，利用52单片机为核心，连接电源模块（USB接口）、温湿度采集与转换模块、LCD显示模块、键盘控制模块、时钟模块、报警模块及其附属电路，以实现对温湿度的精度、稳定的测量。

本系统具有温、湿度测量精度高、功能高、体积小、价格低、简单灵活等优点，能很好的满足工农业工艺要求。

第2章系统硬件部分设计

本系统硬件部分：

AT89C52单片机、温湿度测量电路、键盘电路、时钟电路、LCD显示电路、报警电路以及其它附属电路的设计。

系统设计的整体框图如下图所示。

系统设计的整体框图

2.1AT89C52单片机介绍

　　AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复檫写的Flash只读程序存储器和256bytes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位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

AT89C52提供以下标准功能：

8K字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16为定时计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信接口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节点工作模式。

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

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

主要特征：

·与MCS—52兼容

·8K字节可重复擦写FLASH闪速存储器

·1000次写/擦循环周期

·全静态工作：

0Hz—24MHz

·三级加密程序存储器锁存

·256×8位内部RAM

·32个可编程I/O线

·3个16位定时器/计数器

·8个中断源

·可编程串行UART通道

·低功耗的闲置和掉电模式

管脚说明：

VCC：

供电电压

GND：

接地

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。

作用输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，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Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校检时，输出指令字节，校检时，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）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见下表

Flash编程和程序校检期间，P1接收低8位地址。

引脚号

功能特性

P1.0

T2，时钟输出

P1.1

T2EX（定时、计数器2）

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O，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P2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）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校检时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

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。

此时，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。

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校检的控制信号。

RST：

复位输出。

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。

一般情况下，ALE仍以时钟震荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对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D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE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禁止位无效。

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AT89C52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，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端

必须保持低电平（接地）。

需注意的事：

如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

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。

外接晶体引脚

XTAL1、XTAL2：

当使用单片机内部振荡器电路时，这两个引脚用来外接石英晶体和微调电容，如下图所示。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

当采用外部时钟时，对于HMOS单片机，XTAL1引脚接地，XTAL2接片外振荡脉冲输入（带上拉电阻）；对于CHMOS单片机，XTAL2引脚接地，XTAL1接片外振荡脉冲输入（带上拉电阻），如下图所示。

外接晶体电路

复位方式

MCS—52单片机有一个复位引脚RET，高电平有效。

在时钟电路工作以后，当外部电路使得RST端出现2个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平，系统内部复位。

复位有两种方式：

上电复位和按钮复位，如下图。

MCS—52复位电路

2.2温湿度测量电路的设计

2.2.1SHT11简介

SHT11时瑞士Sensirion公司推出的基于COMSEnsTM技术的新型温湿度传感器。

该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来，从而发挥出它们强大的优势互补作用。

2.2.2SHT11主要性能特点

·将温湿度传感器、、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片（COMSEnsTM技术）

·可给出全校准相对湿度和温度值输出

·带有工业标准的I2C总线数字输出接口

·具有露点值计算输出功能

·具有卓越的长期稳定性

·湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位

·小体积（7.65×5.08×23.5mm），可表面贴装

·具有可靠的CRC数据传输校验功能

·片内装载的校准系数可保证100%互换性

·电源电压范围2.4-5.5V

·电流消耗，测量时550uA，平均为28uA，休眠时为3uA

SHT11温湿度传感器采用SMD（Lcc）表面贴片封装形状，管脚排列如下图，其引脚说明如下：

由于将传感器与电路部分结合在一起。

该传感器具有比其它的温湿度传感器优越得多的性能。

首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而A/D转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。

其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只温湿度传感器都具有相同的功能，即具有100%的互换性。

最后，传感器可直接通过I2C总线与任何类型的微处理器、微控制器系连接，节省了单片机的I/O接口线，降低了成本。

（1）GND：

接地端

（2）DATA：

双向串行数据线

（3）SCK：

串行时钟输入

（4）VDD：

0.4V—5.5V电源端

（5）NC：

空管脚

2.2.3SHT11工作原理

SHT11的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的‘微型结构’检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。

由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差CMOSensTM技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模/数转换器、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内。

SHT11传感器的内部结构图如下图示。

SHT11的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。

SHT11传感器的校准系数预先存在OTP内存中。

经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A/D转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线I2C总线器件，从而将数字信号转换为符合I2C总线协议的串行数字信号。

SHT11传感器的内部结构框图

2.2.4SHT11输出特性

（1）湿度值输出

SHT11可通过I2C总线直接输出数字量湿度值，其相对湿度数字输出特性曲线。

可看出SHT11的输出特性呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性，可按如下公式修正湿度值：

RHIinear=c1+c2S0RH+C3S0RH

式中，SORH为传感器相对测量值，系数取值如下：

12位：

SORH：

c1=-4，c2=0.0405,c3=-2.8×10-6

8位：

SORH：

c1=-4,c2=0.648,c3=-7.2×10-4

（2）温度值输出

由于SHT11温度传感器的线性非常好，故可用下列公式将温度数字输出转换成实际温度值：

T=d1+d2SOT

当电源电压为5V，且温度传感器的分辨率为14位时，d1=-40,d2=0.01,当温度传感器的分辨率为12位时，d1=-40,d2=0.04.

（3）露点计算

空气的露点值可根据相对湿度和温度值来得出，具体的计算公式如下：

LogEW=（0.66077+7.5T/（237.3+T）+[log10（RH）-2]）

Dp=[（0.66077-logEW）×237.3]/（logEW-8.16077）

2.2.5运行条件

测量量程以外的温度会使湿度信号暂时地偏移+3%。

然后传感器会慢慢返回到校准调教。

若将芯片在湿度小于5%环境下加热24小时到90℃，芯片就会迅速恢复高相对湿度、高温度环境的影响，但是，延长强度条件会加速芯片的老化。

2.2.6安装注意事项

由于大气的相对湿度与温度的关系比较密切，因此，测量大气温度时的要点是将

传感器与大气保持同一温度，如果传感器线路板上有发热元件，SHT11应与热源保持良好的通风，为减少SHT11和PCB之间的热传达，应使铜导线最细并在其中加上窄缝，同时应避免使传感器在强光或UV下曝晒。

传感器在布线时，SCK和DATA信号平坦且相互接近，或信号线长于10cm时，均会产生干扰信息，此时应在两组信号之间放置VDD或GND。

2.2.7SHT11与单片机连接

SHT11与单片机连接电路图

2.3LCD显示电路设计

2.3.1LCD1602简介

1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。

每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形。

2.3.2LCD1602的特性

·1602液晶显示器为若干5×8或5×11的点阵显示字符。

每个点阵块为一个字符位，字符间距和行距都为一个点的宽度

·1602液晶主控制驱动电路为HD44780或其他全兼容电路

·提供各种控制命令，如：

清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能

·具有字符发生器的ROM可显示192种字符（160个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符）

·有80字节显示数据存储器DDRAM

·内建有192个5×7点阵的字型的字符发生器CGROM

·8个可由用户自定义的5×7的字符发生器CGROM

2.3.3LC