数字温湿度计的设计论文.docx

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数字温湿度计的设计论文

数字温湿度计的设计

摘要

温度和湿度是两个最基本的环境参数，人们生活与温湿度息息相关。

在工农业生产、气象、环保、国防、科研等部门，经常需要对环境温度与湿度进行测量和控制。

准确测量温湿度在生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要的。

因此研究温湿度的测量方法和控制具有重要的意义。

本论文介绍了一种以单片机AT89C52为主要控制器件，以DHT91为数字温湿度传感器的新型数字温湿度计。

本设计主要包括硬件电路的设计和系统软件的设计。

硬件电路主要包括主控制器，测温湿控制电路和显示电路等。

主控制器采用单片机AT89C52，温湿度传感器采用盛世瑞恩半导体公司生产的DHT91，显示电路采用8位共阳极LED数码管，驱动电路用八个PNP型的小电压大电流三极管（S9012）。

测温湿控制电路由温湿度传感器和预置温湿度值比较报警电路组成，当实际测量温湿度值大于预置温湿度值时，发出报警信号（发光二极管点亮）。

软件部分主要包括主程序，测温湿度子程序，显示子程序和按键子程序等。

本次设计采用的DHT91数字温湿度传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D器以与串行接口电路在同一芯片上实现无缝，从而具有超快响应，抗干扰能力强，性价比高等优点。

用DHT91与AT89C52做的数字温湿度计不仅外围电路简单，而且测量精度比较高。

关键词：

温度测量,湿度测量，AT89C52，DHT91

THEDESIGNOFDIGITAL

THERMOMETERSANDHYGROMETER

ABSTRACT

Temperatureandhumidityaretwobasicenvironmentalparameters.people'slivesarecloselyrelatedtotemperatureandhumidity.Intheindustrialandagriculturalproduction,meteorology,environmentalprotection,nationaldefense,scientificresearch,andotherdepartments,weoftenneedtoambienttemperatureandhumiditymeasurementsandcontrol.Accuratemeasurementoftemperatureandhumidityinthepharmaceutical,foodprocessing,papermakingandothersectorsisessential.Sothetemperatureandhumiditycontrolandmeasurementmethodisofgreatsignificance.

Thispaperpresentsanewdesignofdigitalthermometersandhygrometer.Itincludesamaincontroldevice-microcontrollerAT89C52andadigitaltemperatureandhumiditysensor.Thisdesignincludeshardwareandsystemsoftware.Thehardwaredesignincludesamaincontrollercircuit,TemperatureandHumiditymeasurementandcontrolcircuitsandshowcircuit.MaincontrollerusesSCMAT89C52.temperatureandhumiditysensorusesDHT91whichisyieldedbySensirion（aSemiconductorCorp）.ShowcircuitisatotalofeightcircuitsusingdigitalLEDoftheanode.DrivershowcircuituseseightofthePNPsmallvoltagehighcurrenttransistor（S9012）.TemperatureandHumiditycontrolcircuitincludesthetemperatureandhumiditysensorandpresettemperatureandhumidityvaluescomparedalarmcircuit.Whentheactualmeasurementoftemperatureorhumidityvaluesisgreaterthanthepresettemperatureorhumidityvalues,thealarmsignal（Lightemittingdiodeislit）issent.Themajorsoftwareincludesthemainroutines,temperatureandhumidityroutines,showroutinesandkeysroutines.

Thedigitaltemperatureandhumiditysensor（DHT91）inthisdesignincludesacapacitivepolymersensingelementforpowerconsumptionmakesittheultimatechoiceforevenrelativehumidityandabandgaptemperaturesensor.Boththemostdemandingapplicationsareseamlesslycoupledtoa14bitanalogtodigitalconverterwitha14andtheA/D,aswellasserialinterfacecircuitsinthesamechipontherealizationofaGaplinktoasuper-fastresponse,anti-interferencecapabilityandcost-effectiveadvantages.ThedesignofdigitalthermometersandhygrometerwithAT89C52andDHT91notonlyhasasimpleexternalcircuit,butalsohasahigh-precisionmeasurement.

KEYWORDS:

temperaturemeasurement,humiditymeasurements,AT89C52,DHT91

前言

温度与湿度与人们的生活息息相关。

在工农业生产、气象、环保、国防、科研等部门，经常需要对环境温度与湿度进行测量与控制。

准确测量温湿度在生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要的。

传统的温度计是用水银柱来显示的，虽然结构简单、价格便宜，但是它的精确度不高，不易读数。

传统湿度计采用干湿球显示法，不仅复杂而且测量精度不高。

而采用单片机对温湿度进行测量控制，不仅具有控制方便，简单和灵活等优点，而且可以大幅度提高温度控制的技术指标。

用LED数码管来显示温湿度的数值，看起来更加直观。

测量温湿度的关键是温湿度传感器。

过去测量温度与湿度是分开的。

随着技术的进步和人们生活的需要出现了温湿度传感器。

温度传感器的发展经历了3个阶段：

传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化、网络化的方向发展。

湿度传感器也是经历了这样一个阶段逐渐走向数字智能化。

现今国外用的最多的温湿度传感器是SHTxx系列。

不过很多客户都反应SHTxx不方便手工焊接，很容易在焊接的时候，由于温度过高造成传感器直接损害，因此利用SHTxx传感器重新在国封装得到了DHT9x系列。

SHTxx系列单芯片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。

它应用专利的工业COMS过程微加工技术（CMOSens®），确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D器以与串行接口电路在同一芯片上实现无缝，从而具有超快响应，抗干扰能力强，性价比高等优点。

采用DHT91数字温湿度传感器与单片机AT89C52相连外围电路比较简单。

所以，本次设计以DHT91数字温湿度传感器为例，介绍基于单片机的数字温湿度计的设计。

第一章设计任务要求和温湿度计的发展史

§1.1设计任务与要求

设计一个以单片机为核心的温湿度测量系统，可实现的功能为：

（1）测量温度值精度为±1℃，测量湿度值精确

1%；

（2）系统允许的误差围为1℃和1%以；（3）系统可由用户预设温度值和湿度值，测温围－40℃—＋125℃，测湿围0—100%；

（4）超出预设值时系统会自动报警，即发光二极管亮；

（5）系统采用数码管显示，能显示设定温湿度值和测得的实际温湿度值。

§1.2设计数字温湿度计的依据和意义

温度与湿度与人们的生活息息相关。

在工农业生产、气象、环保、国防、科研等部门，经常需要对环境温度与湿度进行测量与控制。

准确测量温湿度在生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要的。

传统的温度计是用水银柱来显示的，虽然结构简单、价格便宜，但是它的精确度不高，不易读数。

传统的湿度计采用干湿球显示法，不仅复杂而且测量精度不高。

而采用单片机对温湿度进行控制，不仅具有控制方便，简单和灵活等优点，而且可以大幅度提高温度控制的技术指标。

用LED来显示温湿度的数字看起来更加直观。

采用DHT91数字温湿度传感器作为检测元件，能够同时测试温度和湿度。

这类传感器不仅易于焊接，而且只有四针管脚，减少了外围电路的设计。

DHT91传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D器以与串行接口电路在同一芯片上实现无缝，从而具有超快响应，抗干扰能力强，性价比高等优点。

DHT91传感器可以直接读出被测的温湿度值。

同时单片机可以把测量出的数据通过串口传到计算机上，来完成工业中的自动控制，给工业生产带来了极大的便利。

用单片机控制的温湿度计不仅硬件电路简单，而且测量精度比较高。

用数码管显示测量值看起来比较美观。

总之，无论在日常生活中还是在工业、农业方面都离不开对周围环境进行温湿度的测量。

因此，研究温湿度的控制和测量具有非常重要的意义。

§1.3温度计的发展史

温度计是测温仪器的总称。

根据所用测温物质的不同和测温围的不同，有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、辐射温度计和光测温度计等。

最早的温度计是在1593年由意大利科学家伽利略（1564～1642）发明的。

他的第一只温度计是一根一端敞口的玻璃管，另一端带有核桃大的玻璃泡。

使用时先给玻璃泡加热，然后把玻璃管插入水中。

随着温度的变化，玻璃管中的水面就会上下移动，根据移动的多少就可以判定温度的变化和温度的高低。

这种温度计，受外界大气压强等环境因素的影响较大，所以测量误差大。

后来伽利略的学生和其他科学家，在这个基础上反复改进，如把玻璃管倒过来，把液体放在管，把玻璃管封闭等。

比较突出的是法国人布利奥在1659年制造的温度计，他把玻璃泡的体积缩小，并把测温物质改为水银，这样的温度计已具备了现在温度计的雏形。

以后荷兰人华伦海特在1709年利用酒精，在1714年又利用水银作为测量物质，制造了更精确的温度计。

他观察了水的沸腾温度、水和冰混合时的温度、盐水和冰混合时的温度；经过反复实验与核准，最后把一定浓度的盐水凝固时的温度定为0℉，把纯水凝固时的温度定为32℉，把标准大气压下水沸腾的温度定为212℉，用℉代表华氏温度，这就是华氏温度计。

在华氏温度计出现的同时，法国人列缪尔（1683～1757）也设计制造了一种温度计。

他认为水银的膨胀系数太小，不宜做测温物质。

他专心研究用酒精作为测温物质的优点。

他反复实践发现，含有1/5水的酒精，在水的结冰温度和沸腾温度之间，其体积的膨胀是从1000个体积单位增大到1080个体积单位。

因此他把冰点和沸点之间分成80份，定为自己温度计的温度分度，这就是列氏温度计。

华氏温度计制成后又经过30多年，瑞典人摄尔修斯于1742年改进了华伦海特温度计的刻度，他把水的沸点定为零度，把水的冰点定为100度。

后来他的同事施勒默尔把两个温度点的数值又倒过来，就成了现在的百分温度，即摄氏温度，用℃表示。

华氏温度与摄氏温度的关系为：

℉＝9/5℃+32，或℃＝5／9（℉-32）。

现在英、美国家多用华氏温度，德国多用列氏温度，而世界科技界和工农业生产中，以与我国、法国等大多数国家则多用摄氏温度。

随着科学技术的发展和现代工业技术的需要，测温技术也不断地改进和提高。

由于测温围越来越广，根据不同的要求，又制造出不同需要的测温仪器。

§1.4湿度计的由来

湿度计是测量空气含水分多少的仪器。

《史记·天官书》中即有测湿的记载。

我国汉朝初年就已出现湿度计，它是利用天平来测量空气干燥或潮湿的。

天平湿度计的使用方法，是把两个重量相等而吸湿性不同的物体，例如灰和铁，分别挂在天平两端。

当空气湿度发生变化时，由于两个物体吸入的分水不同，重量也就起了变化，于是天平发生偏差，从而指示出空气潮湿的程度。

这就是湿度计的由来。

§1.5露点意义

气温愈低，饱和水气压就愈小。

所以对于含有一定量水汽的空气，在气压不变的情况下降低温度，使饱和水汽压降至与当时实际的水汽压相等时的温度，称为露点（Dewpoint）。

露点温度是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。

形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。

露点温度本是个温度值，可为什么用它来表示湿度呢？

这是因为，当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点温度一样；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。

所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。

在100%的相对湿度时，周围环境的温度就是露点温度。

露点温度越小于周围环境的温度，结露的可能性就越小，也就意味着空气越干燥，露点不受温度影响，但受压力影响。

湿球温度的定义是在定压绝热的情况下，空气与水直接接触，达到稳定热湿平衡时的绝热饱和温度。

第二章设计任务分析与方案论证

§2.1设计总体方案与方案论证

按照系统设计功能的要求，确定系统由5个模块组成：

主控制器，数字温湿度传感器，报警电路，按键电路与驱动显示电路。

图2-1总体电路框图

主控制器的功能有单片机来完成，主要负责处理由数字温湿度传感器送来数据，并把处理好的数据送向显示模块。

数字温湿传感器主要用来采集周围环境参数，并把所采集来的参数送向主控制器。

按键电路主要用来完成单片机的复位操作和温湿度初始值的设定。

这里需要四个按键，一个用来完成单片机的复位操作，一个用来切换显示的数据（是设定值还是实际测得的值），另外两个分别用来设定初始温度和初始湿度的个位和十位。

报警电路就是用一个发光二极管来实现的，用来判断周围环境的温度或者湿度是否超出设定值了，任何一个超出设定值发光二极管就会被点亮。

驱动显示电路主要用来驱动八位数码管发光的。

由于单片机的输出电流太小（只有几mA）不能驱使数码管发光，所以这里必须增加一个驱动显示模块。

§2.2元器件的选择

§2.2.1主控制器芯片

主控制器模块选用单片机AT89C52。

AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电平，高性能CMOS8位单片机，片含8kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）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，与标准MCS-51指令系统与8052产品引脚兼容，片置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，32个可编程I/O口线,3个16位定时/计数器,低功耗空闲和掉电模式。

功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。

AT89C52共有6个中断向量:

两个外中断（INT0和INT1），3个定时器中断（定时器0,1,2），串行口中断和四个双向I/0口。

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，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复位，应为输出驱动级的漏极开路，所以必须外接上拉电阻，否则不能正常工作。

P1口:

P1是一个带部上拉电阻的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TTE逻辑门电路。

对端口写“1”，通过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（ILL）。

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）。

功能特性如下表2-1所示。

表2-1P1.0和P1.1的第二功能

P2口:

P2是一个带有部上拉电阻的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P2写“1”，通过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（ILL）。

P3口:

P3口是一组带有部上拉电阻的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（ILL）。

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，如表2-2所示。

表2-2AT89C52的P3口的第二功能

§2.2.2数字温湿度传感器

测温湿模块选用数字温湿度传感器DHT91。

现今国外用的最多的温湿度传感器是SHTxx系列。

不过很多客户都反应SHTxx不方便手工焊接，很容易在焊接的时候，由于温度过高造成传感器直接损害，因此利用SHTxx传感器重新在国封装得到了DHT9x系列。

SHTxx系列单芯片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。

它应用专利的工业COMS过程微加工技术（CMOSens®）,具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D器以与串行接口电路在同一芯片上实现无缝，从而具有超快响应，抗干扰能力强，性价比高等优点。

其部机构图如下图2-2所示。

图2-2DHT91结构图

§2.2.3驱动显示电路

驱动显示模块选用八位共阳极数码管和八个小功率放大三极管S9012。

由于单片机的端口输出电流太小，这里必须由外界电路来驱动数码管显示。

S9012就是用来驱动这八位数码管显示的。

LED数码管也称半导体数码管，是目前数字电路中最常用的显示器件。

它是以发光二极管作段并按共阴极方式或共阳极方式连接后封装而成的。

图2-2所示是两种LED数码管的外形与部结构，＋、－分别表示公共阳极和公共阴极，a～g是7个段电极，DP为小数点。

LED数码管型号较多，规格尺寸也各异，显示颜色有红、绿、橙等。

LED数码管的主要特点如下：

（1）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、ITL电路兼容。

（2）发光响应时间极短（小于0．1μs），高频特性好，单色性好，亮度高。

（3）体积小，重量轻，抗冲击性能好。

（4）寿命长，使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。

成本低。

因此它被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。

图2-3LED数码管外形和部结构图

小电压大电流的小功率放大三极管S9012的放大倍数共分六级：

D级：

64-91

E级：

78-112

F级：

96-135

G级：

112-166

H级：

144-220

I级：

190-300

§2.3温湿度测量的方法与分析

DHT91是一个两线串行接口的数字温湿度传感器，一个接口是时钟线，一个接口是数据线（支持双向传输）。

它是四针单排封装，一个接电源，一个接地线，另两个直接和单片机的P0_5和P0_6相连。

不过数据线和时钟线上需要接两个10K的上拉电阻，因为AT89C52的P0口部没有上拉电阻。

单片机通过P0_5和P0_6向DHT91发送命令，DHT91接收到命令后做出相应的应答。

由于DHT91部包含一个14位A/D转换器，所以单片机接收到就是数字信号，只需要做相应的处理就能得到所需要的数据。

这里减少了很多外部的电路的连接，用起来比较方便。

第三章硬件电路的设计

§3.1主控制电路和测温湿控制电路

本次硬件设计的核心就是TA89C52

，其他部件都是围绕它设计的。

数字温湿度传感器DHT91

的DATA口和SCK口分别与TA89C52的P0_5口和P0_6口相连。

因为P0口部没有上拉电阻，所以这里在DATA和SCK传输线上分别加了一个10K的上拉电阻。

预置数电路就是三个按键分别与TA89C52的P0_1,P0_2和P0_3口相连，为了降低AT89C52的功耗在按键和单片机的端口间加了个10K的限流电阻。

当有按键按下时单片机收到有效的信号，S1键用来切换显示的模式（分别显示实际所测得的温湿度，预置的温度值和预置的湿度值），S2键用来设置初始温度或者湿度的十位，S3键用来设置初始温度或者湿度的个位。

报警电路就是把个发光二极管和TA89C52的P0_4口相连，当P0_4口为低电平时放光二极管被点亮。

发光二极管的压降一般为1.5—2.0V，其工作电流一般取10—20mA为宜。

使用LED作指示电路时，应该串接限流电阻，该电阻的阻值大小应根据不同的使用电压和LED所需工作电流来选择。

I=（5V-2V）/200Ω=15mA

这个电流能使放光二极管正常放光。

如果电流小于10mA放光二极管的亮度会减弱，如果电流大于20mA发光二极管亮度会更强，但是会有损发光二级管的寿命有时候甚至会直接烧毁发光二极管。

单片机复位有两种：

一种是上电复位，一种是按键复位。

下图用的就是按键复位，当按键按下时单片机的RST口从低电平变为高电平，从而进入复位状态。

当按键松开后，VCC给电容C3充电，从而把RST口拉至电平，单片机进入工作状态。

只要把下图的RESET按键和R2电阻去掉就成了上电复位了。

AT89C52中有一个用于构成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瓷谐振器构成自激振荡器。

外接石英晶体（或瓷谐振器）与电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度与温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用3