数字温湿度检测系统设计之第三章.docx

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数字温湿度检测系统设计之第三章

3系统硬件设计

为了实现检测系统的智能化，系统的硬件设计包括单片机最小系统的设计、温湿度测量回路的设计、显示电路的设计、报警电路的设计和电源电路的设计。

3.1单片机的选择

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。

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8位CPU和在系统可编程Flash，使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。

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。

AT89S52的主要性能：

（1）与MCS-51单片机产品兼容

（2）8K字节在系统可编程Flash存储器

（3）1000次擦写周期

（4）全静态操作：

0Hz～33Hz

（5）三级加密程序存储器

（6）32个可编程I/O口线

（7）三个16位定时器/计数器

（8）八个中断源

（9）全双工UART串行通道

（10）低功耗空闲和掉电模式

（11）掉电后中断可唤醒

（12）看门狗定时器

（13）双数据指针

（14）掉电标识符

本设计选用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为本系统的CPU，由时钟电路和复位电路构成以单片机AT89S52为核心的单片机最小系统。

3.1.1时钟电路

时钟电路的主要任务是为AT89S52单片机正常工作需要提供一个稳定的工作频率。

根据AT89S52单片机时钟周期的要求，回路需要选用频率为12MHz的晶振。

时钟电路由电容和陶瓷谐振器晶振组成，作为单片机的时钟源，AT89S52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL0和XTAL1，在XTAL0和XTAL1端口接上时钟电源即可构成时钟电路。

本设计中采用内部时钟产生方式，在XTAL0和XTAL1两端跨接晶振，与内部的反相器构成稳定的自激振荡器，其发出的时钟脉冲直接送入单片机内定时控制部件。

电容C5和C6对频率有微调作用，电容C5和C6应尽可能的安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠的工作。

3.1.2复位电路

复位电路的功能就是对CPU进行实时检测，当CPU落入“死循环”之后，能及时发现并使整个系统复位。

若失控的程序进入“死循环”，通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。

通过不断检测程序循环的运行时间，如果发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理。

本设计中采用“看门狗”芯片DS1232作为复位电路。

DS1232是由美国DALLAS公司生产的“看门狗（WATCHDOG）”集成芯片，具有性能可靠、使用简单、价格低廉的特点。

在DS1232内部集成有看门狗定时器，当DS1232的ST端在设置的周期时间内没有有效信号到来时，DS1232的RST和————RST端将产生复位信号以强迫单片机复位。

DS1232提供了可直接连接复位按键的输入端PA（第1脚），在该引脚上输入低电平信号，将在RST和————RST端输出至少250ms的复位信号。

这一功能对于防止由于干扰等原因造成的单片机死机是非常有效的。

DS1232还能够实时监测向单片机供电的电源电压，当电源电压VCC低于预置值时，DS1232的第5脚和第6脚输出互补复位信号RST和————RST。

预置值通过第3脚（TOL）来设定，当TOL接地时，RST和————RST信号在电源电压跌落至4.75V以下时产生，当TOL与VCC相连时，只有当VCC跌落至4.5V以下时才产生RST和————RST信号。

当电源恢复正常后，RST和————RST信号至少保持250ms，以保证单片机的正常复位。

看门狗定时器的定时时间由DS1232的TD引脚确定，看门狗定时器的周期输入信号ST可以从单片机的地址信号、数据信号或控制信号中获得。

DS1232具有以下特点：

具有8脚DIP封装SOIC贴片封装形式，可以满足不同设计要求，在单片机失控状态下可以停止和重新启动单片机，单片机掉电或电源电压瞬变时可自动复位单片机，精确的5％或10％电源供电监视，不需要分立元件，其引脚如图3-1所示。

DS1232的引脚功能如下：

PA：

按键复位输入端；

TD：

看门狗定时器延时设置端；

TOL：

5％或10％电压监测选择端；

GND：

地线；

RST：

高电平有效复位输出端；

RST：

低电平有效复位输出端；

ST：

周期输入端；

Vcc：

电源。

图3-1DS1232引脚图

本设计中，PA接开关SW3实现单片机的按键复位功能，TOL与VCC相连，当VCC跌落至4.5V以下时产生RST和————RST信号，ST与AT89S52单片机的AEL/___P相连，实现AT89S52对DS1232的时钟周期输入，RST与AT89S52单片机的RESET连接，由RST发出复位信号，实现AT89S52单片机工作系统的复位功能。

由时钟电路和看门狗DS1232电路构成的单片机最小系统如图3-2所示。

图3-2　单片机系统最小系统图

3.2温湿度传感器的选择

温湿度传感器的选择是本设计的核心问题，传统的模拟式温湿度传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过负复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，并且在重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。

目前国际上新型传感器正从模拟式向数字式、智能化和网络化的方向发展。

鉴于上述原因，本系统采用SHT11作为测量温湿度的传感器。

一般情况下，我们生活环境中的温度都在-20~+40℃之间，所以选用智能化的集成温湿度传感器芯片SHT11，足以满足我们的设计要求。

SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的基于CMOSensTM技术的新型数字温湿度传感器芯片，该芯片将CMOS芯片技术与传感器技术完美的结合起来，发挥出它们强大的优势互补作用，广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。

SHT11的主要特点如下：

（1）将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、C总线接口全部集成于芯片（COMensTM技术）；

（2）可给出全校准相对湿度及温度值输出；

（3）带有工业标准的C总线数字输出接口；

（4）具有露点值计算输出功能；

（5）具有卓越的长期稳定性；

（6）是只读输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位；

（7）小体积（7.65×5.08×23.5mm）,可表面贴装；

（8）具有可靠的CRC数据传输校验功能；

（9）片内装载的校准系数可保证100%互换性；

（10）电源电压范围为2.4—5.5V；

（11）电流消耗，测量时为550μA,休眠时为3μA。

3.2.1SHT11的工作原理

SHT11的DATA引脚在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿后有效，所以，AT89S52单片机可以在SCK高电平时读出数据，而当其向SHT11发送数据时，则必须保证DATA上的电平状态在SCK高电平段稳定。

在需要输出高电平时，单片机将置为高阻状态，由外部的上拉电阻将信号拉至高电平，从而实现高电平输出。

SHT11首先由两个传感器分别测量相对温度和湿度信号，经过放大电路放大后分别送到14位的ADC进行A/D转换、标准和纠错，最后通过二线制的串行接口，将相对温度和湿度的数据送至AT89S52单片机，最后利用AT89S52单片机完成非线性补偿和温度补偿，SHT11的引脚如图3-3所示。

图3-3SHT11的引脚图

SHT11各引脚功能如下：

GND：

接地端；

DATA：

串行数据输出/输入端；

SCK：

串行口时钟输入端；

VDD：

接电源端；

NC：

不连接。

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，除保持电容式的原有特性外，还可以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得出露点，同时不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，而且还将信号放大电路、模/数转换器、校准数据存储器、标准I2C总线等电路集成在一个芯片内。

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A/D转换器相连，可以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。

传输开始：

初始化传输时，应首先发出“传输开始”命令，该命令可在SCK为高电平时使DATA由高电平变为低电平，并在下一个SCK为高时将DATA升高，接下来的命令顺序包含三个地址（目前只支持“000”）和5个命令位，当DATA脚的ack位处于低电平时，表示SHT11正确接收到命令。

连接复位顺序：

如果与SHT11传感器的通讯中断，下列信号顺序会使串口复位，当DATA线处于高电平时，触发SCK9次以上（含九次），此后接着发一个“传输开始”命令。

温湿度测量时序：

当发出了温湿度测量命令后，控制器就要等到测量完成。

使用8/12/14位的分辨率测量分别需要大约11/55/210毫秒的时间，为表明测量完成，SHT11会使数据线为低，此时单片机必须重新启动SCK，然后传送两字节的测量数据与1字节的校验码，控制器必须通过使DATA为低来确认每一个字节，通讯在确认CRC数据位后停止。

如果没有用校验，则单片机就会在测量数据后保持SCK为高来停止通讯，SHT11在测量和通讯完成后会自动返回睡眠模式。

需要注意的是，为了使SHT11的温升低于0.1℃，此时的工作频率不能大于标定的15%（如：

12位精度时，每秒最多进行三次测量）。

低电压检测：

SHT11工作时可以自行检测VDD电压是否低于2.45V，准确度为±0.1V。

下载校准系数：

为了节省能量并提高速度，在每次测量前都要重新下载校准系数，从而使每一次测量节省8.2ms的时间。

测量分辨率设定：

将测量分辨率从14位（温度）和12位（湿度）分别减到12位和8位可应用于高速或低功耗场合。

由于将传感器与其它功能电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其它类型的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芯片的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而A/D转换同时完成，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部装载的校准数据保证了每一只湿度传感器具有相同的功能，具有100%的互换性。

最后，传感器可直接通过I2C总线与任何类型的单片机连接。

3.2.2SHT11的传输特性

（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如图3-4所示。

图3-4SHT11传感器相对湿度数字输出特性曲线

由图3-4可以看出，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，可以按如下公式修正湿度值：

RHIinera=C1+C2×SORH+C3×SORH²（3-1）

式中：

RHlinear为经过线性补偿后的湿度值，SORH为相对湿度测量值，C1、C2、C3为线性补偿系数。

系数取值如下：

传感器分辨率为12位时，C1=-4,C2=0.0405,C3=-2.8×10–6。

传感器分辨率为8位时，C1=-4,C2=0.648,C3=-7.2×10–4。

（2）温度值输出

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

T=d1+d2×SOT。

式中：

d1、d2为特定系数，当电源电压位5V，且温度传感器的分辨率为14位时，d1=4，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

露点是一个特殊的温度值，是空气保持某一定湿度必须达到的最低温度。

当空气的温度低于露点时，空气容纳不了过多的水分，这些水分会变成雾、露水或霜。

空气的露点值可根据相对湿度和温度值得来，具体的计算公式如下：

LogEW=0.66077+7.5×T/（273.3+T）+log10（RH）-2（3-2）

Dp=[（0.66077-LogEW）×273.3]/（LogEW-8.16077）（3-3）

式中：

T为当前温度值，SORH为相对湿度值，Dp为露点。

3.2.3I2C总线简介

对于较复杂的单片机应用系统，元件与芯片之间短距离通信的物理线路往往比较多，这样不仅增加了硬件应用系统设计的难度，而且也不利于系统稳定性，成了系统设计中的一个瓶颈。

针对这一问题，Philips公司提出了I2C总线协议，I2C总线协议有效地解决了这一问题。

I2C（Inter-IntegratedCircuit）总线是Philips公司开发的两线式串行总线，用于连接单片机及其外围设备。

由于I2C总线仅用于两根信号线，并支持多主控工作方式，所以I2C总线在电子产品设备中应用非常普遍。

I2C总线规程运用主/从双向通信原则，器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器，主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。

因此，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能，总线必须由主器件（通常为微控制器）控制

I2C总线中的SDA和SCL均为双向I/O线，通过上拉电阻接正电源。

当总线空闲时，两根线都是高电平。

连接总线的器件输出级必须是集电极或漏极开路，以形成线“与”功能。

I2C总线是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据，在CPU与被控I2C之间进行双向传送，最高传送速度100kbit/s。

I2C总线在传送数据的过程中共有4种基本类型信号，分别是：

开始信号、数据传输信号、应答信号和结束信号。

（a）开始信号：

SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据，所有的命令都必须在开始条件以后进行。

（b）结束信号：

SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据，所有的操作都必须在停止条件以前结束。

I2C总线开始和停止数据传送的时序图如图3-5所示。

开始停止

图3-5I2C总线开始和停止数据传输时序图

（c）数据传输信号：

在开始条件以后，时钟信号SCL的高电平周期期间，当数据线稳定时，数据线SDA的状态表示数据有效，即数据可以被读走，开始进行读操作。

在时钟信号SCL的低电平周期期间，数据线上数据才允许改变，每位数据需要一个时钟脉冲。

（d）应答信号：

接收数据的SHT11收到8bit数据后，向发送数据的单片机发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据，这要求单片机必须产生一个与确认位相应的额外时钟脉冲（第9个脉冲）。

若单片机确认失败，单片机必须发送一个数据结束信号给从器件，这时SHT11必须使SDA线保持高电平，使单片机能产生停止条件。

I2C数据传输和信号应答时序图如图3-6所示。

数据线保持允许数据变化

稳定数据有效

图3-6I2C总线有效数据传输时序图

3.3温湿度测量回路设计

为了实现多点测量，系统采用了四个SHT11芯片，由于AT89S52单片机不具备I2C总线接口，所以只能用单片机通用I/O口线来虚拟I2C总线，用P1.6来虚拟数据线SDA，P1.7口线来虚拟时钟线SCL，并接上4.7K

的上拉电阻。

SHT11温湿度芯片通过两个虚拟的I2C总线连接在AT89S52单片机的P1.6和P1.7口上，电源VCC和接地GND端接入一个0.1uF的去耦电容。

电源接上上拉电阻后，连在两个控制开关后分别接在单片机的P1.0和P1.1口。

开关SW1用来切换温度和湿度测量，SW2用来控制切换四个SHT11测量。

SHT11首先由温度传感器、湿度传感器分别检测出相对湿度和温度信号，然后经过内部的放大电路放大后分别送到ADC中进行A/D转换、标准和纠错，最后通过二线制的串行接口，将相对湿度和温度的数据送至AT89S52单片机，再利用AT89S52单片机完成非线性补偿和温度补偿。

当测量控制系统发出温湿度测量命令以后，使用8/12/14位的分辨率测量分别需要大约11/55/210毫秒的时间。

为表明测量完成，SHT11会使数据线为低，此时AT89S52单片机必须重新启动SCK，然后传送两字节的测量数据，AT89S52单片机必须通过使DATA为低来确认每一个字节，通讯在确认后停止，SHT11在测量和通讯完成后会自动返回睡眠模式。

需要注意的是，为使SHT11的温升低于0.1℃，此时的工作频率不能大于标定的15%。

由SHT11和AT89S52单片机组成的测量回路如图3-7所示。

图3-7测量回路电路图

3.4显示电路设计

显示电路作为常用的现场人机接口，尤其是作为测量数据的智能仪表，显示电路的设计是不可缺少的。

作为温湿度测量系统，显示电路的设计也不例外。

在本设计系统中，不仅要显示测量的温湿度值，而且还有不同的温湿度报警参数，故而显示器的设计是十分必要的。

显示器有很多种，大致可分为液晶显示器、发光二极管显示器和CRT显示器三类。

在单片机应用系统中常用的显示器主要是发光二极管显示器（简称LED显示器）和液晶显示器（简称LCD显示器）。

LED显示器具有耗电少、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动、使用寿命长的优点，但显示内容有限，且不能显示图形，而LCD显示器除了具有LED的特点外还能实现图形显示，但其驱动较为复杂。

因为本设计中显示器只需要显示简单的温度和湿度，所以选用LED显示器。

AT89S52单片机的P2口的前四位作为LED显示器的位显示连选接口，通过位选信号送点亮相应的发光二极管，实现LED数码管的动态显示。

AT89S52单片机的P0口作为LED显示器的字型码输入口，点亮的发光二极管显示出相应的数字。

在本设计中，考虑到动态显示器的硬件成本低，所以采用动态显示的共阴极接法，LED与AT89S52组成的显示电路如图3-8所示。

图3-8LED显示电路

3.5报警电路设计

目前智能化的检测仪表设计都自带有报警电路，设计报警电路也是为了更加完善系统的功能。

本设计采用以压电式蜂鸣器和发光二极管为核心的声光报警电路，蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品。

蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹器及共鸣箱、外壳等组成，有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。

多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5～15V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。

压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成，在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。

报警电路的功能是在AT89S52单片机的控制下实现声光报警或解除报警。

当AT89S52单片机检测工作间隙超过规定的量值时，通过报警电路向报警器发出有效信号（高电平有效），声音报警电路接到有效电平后则自动发出预置的报警声，同时红色报警指示灯发出耀眼的红色信号。

当P3.4、P3.5为低电平时，输出零电平，三极管基极为零电平，三极管截止，集电极电流为零，发射极电流为零，声光报警器均不能正常工作。

当P3.4、P3.5为高电平时，输出高电平，三极管基极为高电平，三极管导通，集电极电流不为零，发射极电流不为零，声光报警器均能正常工作，处于报警状态。

报警电路如图3-9所示。

图3-9声光报警电路

3.6电源电路设计

温湿度测量系统的电源一般使用直流电源。

电源部分是整个系统的基础，这部分的稳定工作对整个以单片机为核心的系统的内稳定工作起着至关重要的作用。

AT89S52单片机单片机和SHT11温湿度传感器芯片正常工作电压范围都是DC4.5～5.5V。

为了使系统安全稳定的工作，还需要设计系统的电源电路。

首先+220V的交流电压源需要经过变压器降到10V左右，然后经过桥式整流电路把交流电转变成直流电，整流后的电流经过稳压器LM7805输出稳定的+5V电压。

桥式整流电路由四个型号相同的二极管组成，VD1和VD3两个二极管组成一对桥臂；VD2和VD4两个两个二极管组成一对桥臂。

由于二极管的启动电压比较小，所以经过变压器的电压可以使VD1和VD3二极管组成桥臂在正半周期导通，VD2和VD4两个二极管组成的桥臂在负半周期导通。

稳压器LM7805是由三个管脚的串联型降压式电源芯片，Vin是输入端，Vout输出端，两个端口接去耦电容后接地。

经稳压器LM7805稳压后，电源输出基本不受外输入变动的干扰，而且有效的消除电磁干扰。

稳压器LM7805输出端输出稳定的+5V直流电压，电源电路设计如图3-10所示。

图3-10系统电源电路图