基于单片机的湿度采集系统设计 2.docx
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基于单片机的湿度采集系统设计2
XXXXX学院
单片机课程设计报告
题目：
基于单片机的湿度采集系统设计
学生姓名
Xxx
学号
0911112
专业
电子信息工程
班级
2009级1班
指导教师
张x
学部
计算机科学与电气工程
课程设计时间
2012年5月19日
基于单片机的湿度采集系统设计
摘 要
人体对生存环境的湿度有很高的要求，相对湿度以50%-70%为好，冬季最好不低于40%，夏季不高于80%。
如果湿度过大，极易导致衣服皮革受潮发霉、电器及精密仪器受潮受损；春季细菌滋生，易诱发呼吸道疾病，风湿病；夏季人体散热困难，增加中暑机会；冬季会加速热的传导，使人倍觉寒冷。
在科研单位或实验室，生产车间，如果环境温度控制不好，也将对实验结果和产品质量造成极大的影响。
因此，精确的湿度控制尤为重要。
本设计以STC89C52为控制核心，通过使用湿度传感器HS1101完成湿度信号的采集，通过555芯片转换电路将电容信号转为频率信号后，送给单片机STC89C52，再有单片机对信号进行处理，最后由显示电路显示结果，报警电路实时报警，从而完成湿度检测系统的全部功能。
本设计的完成使一定空间内的环境湿度得到有效的控制与调节，满足了人体对环境湿度的要求，具有很高的价值。
关键词：
湿度传感器、单片机、报警、显示
Abstract
Thehumanbodytothesurvivalenvironmenthumidityhashighrequirements,therelativehumidityin50%70%forgood,winterhadbetternotlessthan40%,thesummerisnothigherthan80%.Ifthehumidity,easilyresultindampclothesleathermildewy,appliancesandprecisioninstrumentmoisturedamage;Springbacteriagrowth,easycauserespiratorydisease,rheumatism;Thesummerheatdifficulthumanbody,increasetheheatopportunity;Wintercanspeeduptheheatconduction,makethepersontimesfeelcold.Inscientificresearchunitsorlaboratory,productionworkshop,iftheenvironmenttemperaturecontrolisbad,willtheresultsoftheexperimentandproductqualitycausedtremendousinfluence.Therefore,theaccuratehumiditycontrolisespeciallyimportant.
ThisdesigntoSTC89C52ascontrolcore,throughtheuseofhumiditysensorHS1101completehumiditysignalcollection,throughthe555chipcapacitortotransformcircuitwillsignalfrequencysignalafter,toSTC89C52microcontroller,anothersinglechipmicrocomputertosignalprocessing,thelastshowcircuitbyshowresults,alarmcircuitreal-timealarm,thusfinishallofthefunctionsofmoisturedetectionsystem.Thedesignofthespaceofcompletecertainenvironmentalhumiditygeteffectivecontrolandadjustment,satisfythehumanbodytotherequirementofenvironmenthumidity,hastheveryhighvalue.
Keywords:
humiditysensorandsingle-chipmicrocomputer,alarm,display
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基于单片机的湿度采集系统设计
第1章绪 论
1.1本设计的意义
随着信息时代的到来，作为获取信息的手段—传感器技术得到了显著的发展，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。
传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。
因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。
传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。
因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。
另一方面，传感器的被检测信号来自于各个应用领域，每个领域都是为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。
湿度传感器是其中重要的一类传感器，其发展速度之快，以及应用之广，可谓是划时代的。
1.1.1背景和意义
在人的日常生活中，居住空间也是一个人工环境。
空气污染，直接威胁人的身体健康；噪音污染，影响人的情绪、工作、休息和饮食，可以导致神经衰弱；温度过热过冷，导致人的不适；空气过湿，将使人们感到沉闷和窒息；空气干燥，又会使人的口腔感到不适，甚至可能发生咽喉炎等疾病。
如果能使系统自动控制这个常见的空间，人的生活将更舒适。
众所周知，空气是多种气体的混合物，其主要成分是由氧气、氮气以及总数不到1%的稀有气体和二氧化碳组成，此外空气中还有一种重要的、数量上经常变化的成分—水汽。
通常，空气中水汽的含量用湿度表示。
空气湿度与人类关系密切。
人们的日常生活和生产活动及动植物的生存，都与周围环境的湿度息息相关，从日常生活、家电、交通、医疗、气象、工农业都需要进行湿度测量。
1.1.2应用
湿敏传感器在工业、农业、气象、医疗以及日常生活等方面都得到了广泛的应用，特别是随着科学技发展，对于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工作。
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;使用寿命要长，稳定性好;响应速度快，湿滞回差小，重现性好;灵敏度高，线形好，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。
1.2本设计的功能
传感器安装在应用环境内，是由湿度传感器及相应调理电路组成。
其中湿度传感器采用HS1101湿度传感器，测量精度高，响应迅速，能直接将湿度信号转换为电容信号输出。
根据湿敏电阻在湿度改变时，阻值发生相应变化的特性，设计转换电路将采集到的湿度信号转换为电容值，送555芯片处理。
1.3本设计的要求
1）根据目标系统的要求初步掌握总体结构设计的方法和构思，从中选择一种最佳设计方案（自顶向下或自底向上）。
2）根据系统结构规模的要求，掌握单片机外部扩充系统硬件设计的基本过程。
3）根据任务要求和硬件设计要求，首先画出系统功能框图或系统结构草图，然后进行各控制模块的电路原理图设计。
4）熟练掌握Protel99或ProtelDXP软件使用方法和一些使用技巧，能够保证所设计的原理图符合电气规则和PCB符合相应设计规则。
5）熟练掌握Keil等软件或开发平台的使用方法，能够通过汇编或C语言编程编写出符合控制要求的单片机固件程序。
6）最终按要求完成课程设计报告（统一模版）
第2章本设计系统结构介绍
2.1系统结构框图及工作流程介绍
该系统由HS1101温度传感器搜集温度信息，并转换成电容信号传送给555芯片，将电容信号转化为频率，输出波形，传送给单片机STC89C52进行处理计算。
计算结果反馈给1602液晶显示器，将湿度值反馈给用户。
当湿度高于或者低于一个范围的时候，激活报警电路，电铃响起。
其中，用户可以通过按键调节温度范围，满足所需要求。
（如图2-1）
图2-1设计框图
2.2湿度传感，转换模块
图2-2湿度传感，转换电路图
2.2.1HS1101传感模块介绍
传感器安装应用环境内，是由湿度传感器及相应调理电路组成。
其中湿度传感器采用HS1101湿度传感器，测量精度高，响应迅速，能直接将湿度信号转换为电容信号输出。
根据湿敏电阻在湿度改变时，阻值发生相应变化的特性，设计转换电路将采集到的湿度信号转换为电容值，送555芯片处理。
（如图2-2）
●HS1101特点
该传感器具有以下特点：
在标准环境下不需校正，长时间饱和下快速脱湿，可用于线性电压或频率输出，反应时间短等优点。
该湿度传感器置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被单片机采集。
1）全互换性在标准环境下不需校正；
2）长时间饱和下快速脱湿；
3）可以自动化焊接，包括波峰焊或水浸；
4）高可靠性与长时间稳定性；
5）专利的固态聚合物结构；
6）可用于线性电压或频率输出回炉；
7）快速反应时间。
2.2.2555芯片转换模块介绍
系统中，湿度为缓变信号，而且转换成的电容信号为低电平缓变信号，对转换的要求不高，所以选用555。
（如图2-2）
●555芯片介绍
555定时器（时基电路）是一种用途广泛的模拟数字混合集成电路。
1972年由西格尼蒂克斯公司（Signetics）研制；设计新颖、构思奇巧，备受电子专业设计人员和电子爱好者青睐；它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器和压控振荡器等多种应用电路。
2.3显示模块介绍
显示电路采用液晶显示电路对湿度值行实时显示。
●1602介绍
字符型液晶是一种用5×7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可分1行16个字、2行16个字、2行20个字等。
最常用的是2行16个字。
2.4按键模块介绍
为了完成预定湿度值的设置，系统中设置了5个按键，分别为开始键，加一键，减一键，设定键和确认键。
通过按键电路可以在不同的季节及不同的天气对室内所需要湿度检测电路控制湿度的范围进行有效的调节。
如图2-3所示，为按键模块电路图。
当按键按下时，波形由高电平转为低电平。
期间，波形会产生抖动，导致系统误以为按键频繁开关，所以并联电容，达到滤波的效果，使波形平稳。
图2-3报警模块电路图
2.4.1报警模块介绍
当所检测室内湿度超过或低于所设定值时，报警电路便发出报警，提醒工作人员对湿度进行控制。
如图2-4，图为报警模块电路图。
根据电路图可以看出，当单片机给报警器高电平时，蜂鸣器不响。
相反，当单片机给报警器高低平时，蜂鸣器会报警。
所以，根据这种特性，系统可以通过编程，控制蜂鸣器响灭。
图2-4报警模块电路图
2.5本章小结
本章的湿度检测系统主要由STC89C52单片机控制电路，湿度检测电路和外围电路组成。
首先，由湿度检测电路将检测点的湿度数据检测出来，然后将信号送至555芯片转换电路进行转换，再将转换后的信号送给单片机处理，通过单片机进行数据比较分析，把实时湿度值送到显示电路进行显示。
当湿度高于或低于规定数值时，单片机发出指令，报警。
由键盘电路可改变预设的湿度范围，从而根据季节和时间等具体需要对湿度检测系统控制的湿度范围进行调节。
注意：
除第一章绪论外，其他每一章都应该有一个本章小结
第3章系统硬件电路设计
3.1单片机最小系统设计
单片机最小系统由复位电路，时钟电路，串行通信电路三部分组成。
（如图3-1）
图3-1单片机最小系统
3.1.1STC89C52简介
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52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。
具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，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。
另外STC89X52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。
最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。
图3-2STC89C52引脚图
●特性：
1）STC89C52RC单片机；
2）8K字节程序存储空间；
3）512字节数据存储空间；
4）内带4K字节EEPROM存储空间；
5）可直接使用串口下载；
6）AT89S52单片机；
7）8K字节程序存储空间；
8）256字节数据存储空间；
9）没有内带EEPROM存储空间。
3.1.2单片机时钟电路介绍
图3-3单片机时钟电路
如图3-3所示，图为时钟电路，其中晶振会产生11.0592MHz的稳定正弦波，用来保证系统拥有稳定的时间。
3.1.3单片机复位电路介绍
图3-4单片机复位电路
根据用户需求，在调整前或其他适当时刻，按动复位按钮，从而还原系统初始数据，便于重新计算相应数据。
如图3-4所示，图为复位模块电路图。
当按键松开时，电路保持低电平，当按键按下时，形成高电平，反馈给单片机，使系统复位。
其中极性电容起滤波作用，防止电路产生抖动。
3.1.4单片机串行通信电路介绍
图3-5单片机串行通信电路
如图3-5，该图为串行通信电路图。
串行通信的作用是将串行口的12V电压与湿度采集系统的5V电压做相互转化，以此来完成相互通信。
3.2湿度传感器介绍
基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。
可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。
在需要湿度补偿的场合他也可以得到很大的应用。
3.2.1主要芯片特点
1）全互换性；
2）在标准环境下不需校正；
3）长时间饱和下快速脱湿；
4）可以自动化焊接，包括波峰焊或水浸；
5）高可靠性与长时间稳定性；
6）专利的固态聚合物结构；
7）可用于线性电压或频率输出回炉；
8）快速反应时间。
3.2.2芯片内部结构介绍
图3-6内部电路方框图
3.2.3芯片应用电路介绍
此电路为典型的555非稳态电路。
HS1101作为电容变量接在555的TRIG与THRES两引脚上，引脚7用作电阻的短路。
3.3转换电路介绍
3.3.1555芯片功能
555定时器（时基电路）是一种用途广泛的模拟数字混合集成电路。
1972年由西格尼蒂克斯公司（Signetics）研制；设计新颖、构思奇巧，备受电子专业设计人员和电子爱好者青睐；它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器和压控振荡器等多种应用电路。
（图3-7为555芯片实物图）
图3-7555芯片实物图
●特点：
1）只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
2）它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。
3）其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
4）它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
3.3.2555芯片内部结构介绍
图3-8555芯片内部结构
3.3.3芯片引脚功能介绍
●Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。
●Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。
触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。
●Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。
周期的结束输出回到O伏左右的低电位。
于高电位时的最大输出电流大约200mA。
●Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用。
●Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。
当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
●Pin6（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。
当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。
●Pin7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
●Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。
供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。
3.3.4芯片应用电路介绍
图3-9湿度传感电路
如图3-9所示，555将湿度传感器采集到的电容信号计算处理，转换成频率信号，并通过3引脚输出波形。
3.41602液晶显示电路介绍
3.4.1主要芯片功能介绍
1602通过D0~D7的8位数据端传输数据和指令。
（图3-10为1062实物图）
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）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，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”。
图3-101062液晶显示器实物图
3.4.2芯片内部结构介绍
1602液晶模块的内部控制器共有11条指令，它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
说明1为高电平，0为低电平）
3.4.3芯片引脚功能介绍
第1脚：
VSS为电源地，接GND。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
液晶显示偏压信号第4脚：
数据/命令选择端（H/L）第5脚：
读/写选择端（H/L）第6脚：
E为使能信号，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。
第7~14脚：
D0~D7为8位双向数据线第15脚：
BLA背光电源正极（接+5V）第16脚：
BLK背光电源负极（接GND）
图3-111602引脚图
3.4.4液晶的指令集
1.初始化设置
1）显示模式设置
指令码
功能
0
0
1
1
1
0
0
0
设置16×2显示，5×7点阵
2）显示开/关及光标设置
指令码
功能
0
0
0
0
1
D
C
B
D=1,开显示；D=0，关显示
C=1,显示光标；C=0,不显示光标
B=1,光标闪烁；B=0,光标不闪烁
0
0
0
0
0
1
N
S
N=1,当读或写一个字节后地址指针加一，且光标加一
N=0,当读或写一个字节后地址指针减一，且光标减一
S=1,当写一个字符，整屏显示左移（N=1）或右移（N=0）
S=0,当写一个字符，整屏显示不移动
2.数据控制
控制器内部设有一个数据地址指针，用户可以通过它们来访问内部的全部80字节RAM。
1）数据指针设置
指令码
功能
80H+地址码（0~27H,40H~67H）
设置数据地址指针
2）读数据
输入：
RS=H,RW=H,E=H;
输出：
D0~D7=数据
3）写数据
输入：
RS=H，RW=L，D0~D7=数据，E=高脉冲；
输出：
无
4）其他设置
指令码
功能
01H
显示清屏：
1数据指针清零
2所有显示清零
02H
显示回车：
数据指针清零
3.4.51602的16进制ASCII码表
图3-12ASCII码表
3.5本章小结
本次课程设计是基于单片机的湿度检测系统的设计，它是最常见的和最典型的过程控制系统，本设计主要针对52型单片机在检测相对过程控制方面的应用，分析湿度控制系统实例。
单片机对室内湿度控制是一种单片机在现实生活中得到应用的一个方面，此系统除具有的检测功能外，还有数据处理功能、湿度显示功能等。
系统采用MCS-52系列单片机AT89C51作为控制核心，门控信号由内部的定时计数器产生，AT89C51完成运算、控制及显示功能。
由于使用了单片机，使整个系统具有极为灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能扩展和改进。
而本次课程设计正是鉴于单片机在这方面的优异性能，来设计一种单片机湿度控制系统。
注意：
除第一章绪论外，其他每一章都应该有一个本章小结
第4章系统软件调试环境介绍
4.1Keil编程软件介绍
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
C51工具包的整体结构，其中Vision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。
开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。
然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。
目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。
ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPRO
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