仓库温湿度监测系统的设计.docx

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仓库温湿度监测系统的设计

毕业论文

——仓库温湿度监测系统的设计

院（系）：

物理与电子工程学院

专业：

电子信息科学与技术

班级：

0621班

******

学号：

********

指导老师：

***

完成日期：

2009年5月11日

仓库温湿度监测系统的设计

摘要：

介绍一个适用于仓库的温湿度测控系统,是一种利用AT89S51单片机为核心、基于SHT10温湿度计的设计原理，详细说明了温湿度计的电路结构、SHT10数据传输格式、温度、湿度数据采集软件设计。

通过硬件电路设计和软件程序设计并实施实验的数字式温湿度计具有智能化、高精度、高可靠性等优势。

实践证明,该系统可用于对温湿度要求较高的库房及其他场合,具有经济实用、性能价格比高、安装方便、结构灵活等优点。

关键词：

仓库；单片机；SHT10；数字式；温度；湿度

Warehousetemperatureandhumiditymonitoringsystem

Abstract:

OnefortemperatureandhumiditymonitoringandcontrolwarehousesystemisasinglechipusingAT89S51coretemperatureSHT10hygrometerbasedonthedesignprinciple,adetaileddescriptionofthecircuittemperaturehygrometer,SHT10datatransmissionformat,temperature,humiditydataacquisitionsoftwaredesign.Hardwarecircuitdesignandsoftwaredesignandimplementationoftheexperimentaltemperaturedigitalhygrometerwithintelligent,highprecisionandhighreliabilityadvantages.PracticehasprovedthatthesystemcanbeusedtorequireahighertemperatureandhumidityoftheTreasury,andinotherfora,witheconomicalandpractical,highcostperformance,installationconvenience,theadvantagesofflexiblestructure.

Keywords:

Warehouse;single-chipmicrocomputer;SHT10;digital;temperature;humidity

第一章前言4

1.1引言4

1.2本课题研究的目的和意义4

1.3本论文的内容5

第二章系统总体设计6

2.1功能需求分析6

2.2总体设计9

2.3相关芯片介绍11

第三章硬件电路设计24

3.1温湿度传感器接口设计24

3.2显示模块设计25

3.3按键电路设计25

第四章软件设计27

4.1主程序设计27

4.2温湿度传感器SHT11工作原理29

4.3显示模块程序设计33

第五章测试与总结34

第一章前言

1.1引言

目前，国内大中型库房在仓储管理中由于技术和资金上的原因，多数仅限于只对温度进行监测，当温度超标时进行强制通风和翻仓，即使如此，处理不及时或因设备人力条件有限仍会造成大量损失。

实现库房储藏物的温升主要是由于湿度引起的，库房储藏物本身的水分过高或连续的高湿天气将导致储藏物新陈代谢加快而放出热量，放热引起的温升又使代谢进一步加剧以至发霉变质。

这种恶性循环一旦形成很难进行有效控制。

因此，库房在进行温度监测的同时，必须重视对空气湿度的检测，以利于提前采取有效措施控制库房储藏物升温而霉变。

本文所介绍的温湿度控制系统以AT89S52单片机为控制核心，结合传感器SHT10、通讯和数字电子电路技术，实现了温度和湿度检测与库房温度和湿度的有效控制，降低经济损失和劳动强度。

1.2本课题研究的目的和意义

近几年据海关统计结果显示,我国粮食进出口同比均呈下降趋势,我国粮食供求开始进入紧平衡阶段[1]。

在粮食供给能力逐渐弱化的情况下，我们必须注意到贮存粮食的科学性和有效性。

贮粮仓库的现代管理也是当前粮食系统改造的重大项目之一。

而在粮仓管理过程当中最重要的是控制仓内的温度和湿度温湿度会直接影响粮食的贮存质量。

不仅如此，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及控制。

准确测量温湿度对于生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要的[1]。

在温湿度测量技术不断发展完善的今天，温湿度传感器也正在朝集成化、智能化、系统化方向发展。

主要表现在以下两方面：

（1）温湿度传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件；

（2）在温湿度测量系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等几项新技术。

防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。

它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。

为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。

但传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。

这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。

因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。

目前对仓库的环境进行实时和有效监控,是生产生活中经常碰到的问题。

很多物品的存储,如:

农产品、军械等需要仓库内的温度、湿度保持在一个合理平衡的状态,而仓库内的环境指数会随昼夜和季节的变化而变化。

大部分仓库用来调节仓库内环境的设备一般是空调、吹风机、排气扇,其中吹风机和排气扇主要用来保持室内空气流通和清新,且只需要一直保持工作状态,人工干预的频度不大,而空调主要是用来调节温度和湿度这两个环境指标,需要不断地调整这两个指标以适应环境的变化。

仓库环境监控系统的目标就是实时自动化采集环境数据,分析处理后执行相应的指令来控制相应的环境调节设备,从而使被监控的环境保持稳定状态。

仓库内的温度、湿度需要保持在一个范围内,仓库的人员进出状况必须被记录下来。

本文介绍一套基于MCS-51单片机的温湿度测控系统设计了一个简单经济、稳定可靠、高效实用的小型仓库环境温湿度监测系统,能够明显提高粮食的贮存质减少仓储保管人员带来较大的经济效益。

从上面的介绍可以看到，目前对仓库的环境进行实时和有效监控特别是仓库内部温湿度的控制已经要求到了相当高的水平，为了给我们仓库温湿度的控制工作变得更简单、高效、便捷、可靠，我们急需加强在这个领域的研究。

本文以高速、高精度数字温湿度系统的设计为研究方向，学习了C++、MCS-51单片机电路的设计理论和设计方法等理论知识，希望这些学习经验对自己以后的研究生活能够有一定的帮助。

1.3本论文的内容

在通过对现实生产和生活中一些仓库内部环境的综合考查后及进行了系统地理论分析后,我们总结了一定的实际资料和宝贵经验,并通过对C++、MCS-51单片机电路的设计理论和设计方法的学习,在老师的指导和同学们的帮助下终于设计出了这套仓库温湿度监测系统，本论文共包括前言、系统总体设计、硬件电路设计、软件设计、测试与总结等五大部分，详细介绍了仓库温湿度监测系统的原理分及应用，并在附录中附加上了该系统的运行程序，以便于参考。

第二章系统总体设计

2.1功能需求分析

2.1.1系统基本功能

~检测温度、湿度

~显示温度、湿度

~过限报警

2.1.2主要技术参数

~ 温度检测范围：

 -30℃-+50℃

~ 测量精度：

      0.5℃

~ 湿度检测范围：

 10%-100%RH

~ 检测精度：

      1%RH

~ 显示方式：

     LCD液晶显示

~ 报警方式：

     三极管驱动的蜂鸣音报警

2.1.3方案的比较和论证

当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号送得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。

对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。

传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。

工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。

A.温度传感器的选择

方案一：

采用热电阻温度传感器。

热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。

现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。

其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。

铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。

缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。

按IEC标准测温范围-200～650℃，XX电阻比W（100）=1.3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±（0.15℃+0.002|t|），B级为±（0.3℃+0.005|t|）。

铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。

在工业中用于-50～180℃测温。

方案二：

采用AD590，它的测温范围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。

M档在测温范围内非线形误差为±0.3℃。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。

使用可靠。

它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，借口也很简单。

作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。

AD590的测量信号可远传百余米。

方案三：

采用SHTxx系列单芯片传感器，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转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。

因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

每个SHTxx传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

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。

两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

综合比较以上三个方案，方案二和方案三更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。

B.湿度传感器的选择

测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。

电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。

方案一：

采用HOS-201湿敏传感器。

HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ～1KHZ，测量湿度范围为0～100%RH，工作温度范围为0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。

这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。

然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。

方案二：

采用HS1100/HS1101湿度传感器。

HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。

不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。

相对湿度在1%---100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04pF/℃。

可见精度是较高的。

方案三：

采用SHTxx系列单芯片传感器，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。

（同上）

综合比较三个方案，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。

而且还不具备在本设计系统中对温度-30～50℃的要求，因此，我们可选方案二或方案三来作为本设计的湿度传感器使用。

通过A和B一共六个方案的分析，结合传统仓库温湿度监测系统时选取温度/湿度传感器方案的比较和论证，我们最终采用SHTxx系列单芯片传感器，因为它配合MCS-51单片机能够更方便达到本论文仓库温湿度监测系统的目的，并且在本论文中以SHT10温湿度传感器为代表来详细介绍该温湿度监测系统的实现过程。

2.2总体设计

该仓库温湿度监测系统主要是利用AT89S52单片机为核心、基于SHT10温湿度传感器对仓库内环境温湿度的采集监测，最终通过LCD1602液晶显示模块准确、快捷地显示出仓库内所存货物的温度和湿度，从而达到仓库温湿度监测的目的。

以下就是本系统的总体设计。

进

一

步

细

化

图1仓库温湿度监测系统总体设计

2.2.1算法介绍（输出转换为物理量）

相对湿度

为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，建议使用如下公式1修正输出数值：

<公式1>

简化的修正算法，可参阅应用说明“相对湿度与温度的非线性补偿”。

对高于99%RH的那些测量值则表示空气已经完全饱和，必须被处理成显示值均为100%2RH。

湿度传感器对电压基本上没有依赖性。

图2从SORH转换到相对湿度

湿度传感器相对湿度的温度补偿

当实际测量温度与25℃（~77℉）相差较大时，应考虑湿度传感器的温度修正系数：

表1温度补偿系数（相当于~0.12%RH/℃@50%RH）

温度

由能隙材料PTAT（正比于绝对温度）研发的温度传感器具有极好的线性。

可用如下公式将数字输出转换为温度值：

<公式2>

表2温度转换系数

在极端工作条件下测量温度时，可使用进一步的补偿算法以获取高精度。

可参阅应用说明“相对湿度与温度的非线性补偿”。

3.3露点

由于湿度与温度经由同一块芯片测量，SHT10可以同时实现高质量的露点测量。

可参阅应用说明“露点计算”。

2.3相关芯片介绍

2.3.1AT89S52

主要性能

　　AT89S52与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：

0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。

　　功能特性描述

　　AT89S52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。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52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。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，

32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，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，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52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。

8位微控制器8K字节在系统可编程FlashAT89S52

　　P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

　　P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

　　此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

　　在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

　　引脚号第二功能

　　P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

　　P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

　　P1.5MOSI（在系统编程用）

　　P1.6MISO（在系统编程用）

　　P1.7SCK（在系统编程用）

　　P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

　　P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

　　P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

　　在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

　　端口引脚第二功能

　　P3.0RXD（串行输入口）

　　P3.1TXD（串行输出口）

　　P3.2INTO（外中断0）

　　P3.3INT1（外中断1）

　　P3.4TO（定时/计数器0）

　　P3.5T1（定时/计数器1）

　　P3.6WR（外部数据存储器写选通）图3AT89S52单片机

　　P3.7RD（外部数据存储器读选通）

　　此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存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是单片机复位。

　　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仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，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）。

需注意的是：

如果加密位LB1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。

2.3.2数字温湿度传感器SHT10

SHT10传感器由相对湿度传感器，温度传感器，校准存储器，14位A/D转换器，信号放大器和I2C总线接口构成。

SHT10具备卓越的长期稳定性，露点值计算输出功能，全较准、数字输出功能，免外围电路，完全低功耗，采用表面贴片封装或四脚互换封装，体积微小，全自动降能功能。

图4SHT10

SHT10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转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。

因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

每个SHTxx传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

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。

两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

产品提供表面贴片LCC（无铅芯片）或4针单排引脚封装。

特殊封装形式可根据用户需求而提供。

以下是它的内部结构框图。

图5SHT10内部结构框图

以下便是SHT10传感器的的性能说明，见表3。

表3SHT10传感器性能说明

下面用曲线图来介绍SHTxx系列单芯片传感器（SHT1x）相对温度、湿度和露点的具体情况，见如下图所示曲线。

图6相对湿度、温度和露点的精度曲线

温湿度传感器SHT10性能特点

1.将温湿度传感器、信号放大、A/D转换、I2C总线线接口全部集成于一芯片;

2.带有工业标准的I2C总线数字输出接口;

3.可给出全校准相对湿度及温度值输出;

4.具有露点值计算输出功能;

5.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