温湿度监控系统设计报告书.docx
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温湿度监控系统设计报告书
综合实训报告书
实训项目名称：
温湿度监控系统设计
学院：
信息与电子工程学院
姓名：
专业班级：
学号：
指导教师：
时间：
2019年1月7日至2019年1月11日
说明
1.综合实训进行期间，学生应按教学计划，将每天的学习情况（包括学习内容、遇到问题及解决办法、心得体会等）如实进行记录。
2.综合实训结束时，根据综合实训内容和学习记录书写综合实训报告书。
3.指导教师应综合考虑学生的学习态度、报告内容和实际操作情况等，进行评定，给出综合成绩。
1实训任务
温度与湿度这两个参数对人们的生产生活有着非常重要的影响，而且温度和湿度有着密不可分的联系。
人不单纯的受到温度或者湿度的影响，而是受温度和湿度两个方面的综合作用。
在工业生产需要实时的监控温湿度，在农业生产中有些时候也需要实时的监控温湿度。
在人们的生活当中，温湿度对人们的一个比较明显的影响：
在人们的卧室中，温湿度对人们的睡眠质量也有着重要的影响，实时地监控温湿度可以为改善人们睡眠质量提供条件。
通过温湿度测量系统，用户可以了解其工作生活环境的温度和湿度的情况，以做出相应的应对措施，改善其生活的环境。
所以，各种温湿度测量控制系统以各种家电（例如：
空调、增湿器）或者智能硬件为载体进入个人用户家庭。
（1）实现温度和湿度的测量；
（2）湿度的测量范围:
0%~100%RH;温度的测量范围:
0℃~50℃;
（3）湿度的测量精度:
±2.0%RH;温度测量精度:
±0.2℃
（4）在LCD显示屏上显示数据和结果；
（5）设置温度和湿度的上限值；
（6）超出预设定的值，自动报警。
低于设定值，自动停止报警。
2实训目的
该实训课程是一门以传感器原理及应用为基础，综合利用光学、精密机械、电子学和计算机技术解决各种工程应用课题的技术学科。
它在现代测量与控制技术中，非电量测最与探测占很大一部分。
传感器原理及应用实验沙及多种学科领域，它与工程光学，电子学，计算机等课程关系密切。
通过此实训课程的学习，激发学生实践动手和创造能力，使学生具备传感器原理图设计的能力，利用传感器检测非电量信号的能力，提高学生的实际操作能力，使用仪器仪表的能力，结果的分析处理能力等，提高学生的综合素质与职业能力，为学生的职业生涯发展奠定基础。
（1）实训了解传感器系统设计的思路、方法和步骤。
（2）训练和提高设计的基本技能，培养思维方式，提高动手能力和综合思考问题的能力。
（3）了解温湿度测试原理。
（4）绘制温湿度测量电路原理图，掌握温湿度测量电路工作原理。
（5）学习温湿度擦混感器的特性与应用。
（6）根据温湿度测量原理，设计温湿度传感器的硬件结构电路。
（7）以数字的形式显示所温湿度监控系统测量的温湿度值。
3实训要求
对传感器原理与应用具有更深的理解，将传感器模块与51单片机模块进行相结合操作，熟知温湿度传感器的每个模块的原理与应用、51单片机端口的原理与应用，将书上所学的原理知识运用到实物上面来。
（1）根据实训任务书，利用网络、书籍、文献对相关资料进行查找。
（2）选用集成温度传感器设计室内或仓库的温度检测系统。
（3）画出温湿度传感器模块原理图。
（4）设计检测电路，及与单片机的接口电路。
（5）编写出温湿度测量的系统程序，利用单片机模块和温湿度模块进行测温和测量湿度，用液晶显示出数字。
（6）对实物测量进行误差分析，写出分析结果。
（7）整理书写实验报告。
（8）实训分析及总结。
（9）整理书写实验报告。
4实训内容和步骤
4.1湿度模块
设计思路：
HS1101是变介质型电容式传感器。
测量电路以HS1101为敏感元件，感受空气湿度，空气湿度的不同会改变它的电容值，经过555定时器组成的多谐振荡器，以HS1101充当充放电电容，产生高、低电平，即一定周期的矩形波。
将信号通过单片机外部中断测量其频率，通过频率-湿度对应表计算其湿度值。
4.1.1HS1101湿敏电容
HS1101是基于独特工艺设计的电容原件，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它也可以得到很大的应用。
它具有长时间饱和下快速脱湿，快速反应时间，高可靠性与长时间稳定性的特点。
HS1101在温度Ta=25℃，工作频率为10KHz时的C—RH反应曲线如图1：
图1C—RH反应曲线
可知，HS1101具有很好的线性度的特点。
4.1.2NE555定时器
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的引脚功能及应用都是相容的，只是型号不同因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也大不相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需要少数的电阻和电容，便可产生所需要的不同频率的脉冲信号。
555定时器内部电路结构及封装引脚图如图2：
图2555定时器内部电路结构及封装引脚图
引脚功能：
1引脚：
GND地线；2引脚：
TR触发器；3引脚：
OUT输出；
4引脚：
RES复位。
当次端为低电平时，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何种电平，电路输出总是为低电平。
该引脚不用时应该处于高电平。
5引脚：
Vc控制电压。
Vc为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
6引脚：
TH阈值。
7引脚：
DIS放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
8引脚：
Vcc电源。
双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
4.1.3测量电路
测量电路由HS1101为核心和555定时器组成多谐振荡电路，如图3：
图3555定时器组成的多谐振荡电路
（1）电路原理图和输出电平对应表
电路上电后，开始对电容HS1101充电，使得VTH和VTR管脚不同电平时输出状态不同。
表1HS1101充电时输出电压Uo的不同状态：
表1HS1101充电时输出电压Uo的不同状态
VTH
VTR
UO
放电管T
<2/3Vcc
<1/3Vcc
1
截止
<2/3Vcc
>1/3Vcc
1
不变
>2/3Vcc
>1/3Vcc
0
导通
（2）测量原理
555定时器产生的矩形脉冲，一个周期的时间为：
T=TH+TL=ln2（2R3+R2）C，其中TL=CR3ln2，TH=ln2（R2+R3）C；可知占空比：
D=TH/TL=（R2+R3）/（2R3+R2），由此可知，R1越小矩形波越接近于方波，但不能低于一个最小值，此处约为52%，电路中R4为限流保护电阻。
HS1101感受一定湿度时电容值不同，从而会产生频率不同的矩形脉冲信号，图4为一定湿度时产生的脉冲信号。
图4一定湿度时定时器产生的脉冲信号
湿度计算由HS1101湿度-电容反应曲线可知，湿度为55%时对应其电容值为181.5pF，由以上公式T=ln2（2R3+R2）C可以算出，湿度：
55%，频率为：
6607Hz由公式:
（F55为55%湿度对应下的频率，此处为6607Hz）F（Hz）=F55（Hz）（1.1038-1.9368x10-3xRH+3.0114x10-6xRH2-3.4403x10-8xR3）可以计算出不同湿度下对应的频率值。
如表2：
表2不同湿度下对应的频率值
RH
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
F（Hz）
7289
7163
7040
6918
6795
6671
6545
6414
6277
6134
5982
555定时器产生的脉冲信号由单片机测量与上表对应，即可计算湿度值。
4.2温度模块
设计思路：
是以MF11NTC型热敏电阻为敏感元件，经过利用LM324N运算放大器组成的测量电路，输出电压值经过A/D转换，反馈给单片机，经过反运算计算出温度值。
4.2.1MF11热敏电阻
MF11是负温度系数型热敏电阻，即电阻值随着温度的升高而减小。
MF11系列是为测量温度而设计，其次，它还可以用于温度补偿电路等。
4.2.2LM324N低功率四运算放大器
LM324系列器件带有真差动收入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著的优点。
该四放大运算器可以工作低到3.0V或者高到32V的电源下，四个独立放大器是高增益，内部频率补偿运算放大器。
它的封装引脚图如图5：
图5LM324封装引脚图
4.2.3测量电路
（1）电路原理图
测量温度0℃——50℃，电压输出0V时对应温度为0℃，电压输出5V时，对应温度为50℃，原理图如图6。
图6温度模块测量电路
电路有三路组成：
1）U2:
A组成电压跟随器，用于前级与后级的隔离，避免彼此之间产生影响。
2）U2:
B组成减法器控制电压输出，使后级放大输出电压0~5V
3）U2:
C电压放大电路，对前级输出的电压信号进行放大。
（2）输出电压计算
设一级U2:
A输入电压为U3，即热敏电阻压降为U3；二级U2:
B输出电压为U7，U7=2U3-0.98；三级U2:
C输出电压为U0，则U0=-7U7，U0=-7（2U3-0.98）；这样可以近似认为温度为0°C时，输出电压为0V；温度为50°时，输出电压为5V；
4.3A/D转换模块
4.3.1PCF8591（8位A/D和D/A转换）
（1）芯片封装引脚如图7：
引脚功能介绍
AIN0-AIN3：
模拟输入（A/D转换）
A0-A2：
硬件地址（可编程）
Vss：
负电压供应端
SCL：
I2C-总线时钟输入
SDA：
I2C-总线数据的输入/输出
OSC：
振荡器输入/输出
EXT：
外部/内部开关振荡器输入
AGND：
模拟地VREF：
参考电压输入
图7PCF8591封装引脚图
AOUT：
模拟电压输出端（D/A转换）
VDD：
正电压供应端
4.3.2PCF8591电路连接
PCF8591可编程硬件地址A0~A2令其状态为100，模拟输入通道选择0通道，参考电源为5V。
模拟地为0V，同时，PCF8591使用时时钟输入端与数据输入/输出端必须接上拉电阻，电路图如图8：
图8A/D和D/A转换电路
前级经过运算由LM324N模拟运算输出的电压信号通过A/D转换器通道0进行转换，经过以下公式进行运算电压，进而计算温度。
电压计算公式：
VAOUT=VAGND+
VAGND=0V
4.3.3温度计算
（1）热敏电阻的计算公式：
Rt=R*e（B*（1/T1-1/T2））
MF11-5K热敏电阻B=3800
Rt：
热敏电阻在T1温度下的阻值
R：
热敏电阻在T2常温下的标称阻值
这里的T1、T2指的是K度即开尔文温度，K度=273.15+摄氏度
（2）由PCF8591计算的电压信号VOUT，即为经LM324放大输出的信号。
前面已指出U0=-7（2U3-0.98），U0=VOUT，U3即为热敏电阻两端的压降，U3=0.49-VOUT/14，由热敏电阻计算公式可计算出温度值。
4.4单片机最小系统
4.4.1电路原理图
图9单片机最小系统
4.4.2单片机最小系统的组成
单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。
（1）电源供电模块：
对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。
（2）复位电路：
单片机复位电路是为了在电路跑飞时使电路恢复到初始状态，原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。
当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。
复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。
具体数值可以由RC电路计算出时间常数。
复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。
上电复位：
STC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。
按键复位：
按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。
（3）振荡电路：
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。
有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。
如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。
STC89C52使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。
4.5显示模块
图10LCD1602液晶显示器
（1）显示模块是以LCD1602液晶显示屏显示，它共有16个引脚，1、为负电源端；2脚为正电源端；3脚为液晶显示器对比度调节；RS引脚为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；RW为读写信号线，高电平时读操作，低电平时进行写操作；E端为使能端；D0~D7为8位双向数据线；15脚为背光电源正极；16脚为背光电源负极。
（2）LCD1602读/写操作时序图：
图11LCD1602读/写时序图
基本操作时序：
1）读状态：
输入：
RS=L，RW=H，E=H
2）写指令：
输入：
RS=L，RW=L，D0~D7=指令码，E=高脉冲
3）读数据：
输入：
RS=H，RW=H，E=H
4）写数据：
输入：
RS=H，RW=L，D0~D7=数据，E=高脉冲
5实训取得的结果
设计的最终结果是使温湿度测量仪测量并且显示温度，实现温湿度数据的发送与接收，从而实现利用温湿度传感器进行测量，以数字的形式显示测量数据。
它的硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、电源、温度与湿度传感器电路四部分，其中温度模块是以MF11NTC热敏电阻为核心，由LM324输出电压信号，再经过A/D转换，反馈给单片机；湿度模块是以HS1101湿敏电容为核心，测量电路为多谐振荡器电路产生脉冲信号，由单片机外部中断1采集其频率进而计算湿度；单片机采用STC89C52，利用其P2口和P1口用来驱动液晶显示屏目显示和设置温湿度的相关数据。
显示电路采用简单实用的LCD1602液晶显示屏。
单片机的数据口直接驱动。
实现测量，并且在液晶上显示温度和湿度。
经过实验表明，这套系统软硬件设计合理、执干扰能力强、安时性良好，实验结果符合预期要求。
5.1电路原理图
图12温湿度检测系统原理图
5.2实物图
图13温湿度检测系统实物图
5.3程序代码
#include
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
ucharcodetab[]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'};
staticuintHz;
staticuintflg=0;
sbitRS=P1^5;//数据/命令选择端（H/L）
sbitRW=P1^6;//数/写选择端（H/L）
sbitEN=P1^7;//使能信号
sbitSCL=P1^3;
sbitSDA=P1^4;
voidDelayMS（uintValMS）
{
uintuiVal,ujVal;
for（uiVal=0;uiValfor（ujVal=0;ujVal<113;ujVal++）;
}
voidDelay5us（）
{
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
}
/*************温度测试**************/
//起始信号
voidIIC_Start（）
{
SDA=1;
SCL=1;
Delay5us（）;
SDA=0;
Delay5us（）;
}
//停止信号
voidIIC_Stop（）
{
SDA=0;
SCL=1;
Delay5us（）;
SDA=1;
Delay5us（）;
}
//非应答信号
voidIIC_NOack（）
{
SCL=0;
SDA=1;
SCL=1;
Delay5us（）;
SCL=0;
}
bitIIC_ReadAck（）
{
bitAckFlag;
ucharuVal=0;
SCL=0;
Delay5us（）;
SDA=1;
SCL=1;
Delay5us（）;
while（（SDA==1）&&（uVal<255））
{
uVal++;
AckFlag=SDA;
}
SCL=0;
if（AckFlag==0）
return1;
else
return0;
}
//写入一个字节，先操作高位
voidInPutOneByte（ucharuDat）
{
uchariVal;
for（iVal=0;iVal<8;iVal++）
{
SCL=0;
Delay5us（）;
SDA=（uDat&0x80）>>7;
Delay5us（）;
SCL=1;
uDat<<=1;
}
SCL=0;//以备下次输入数据
}
//输出一个字节,先操作低位
ucharOutPutOneByte（）
{
uchariVal;
ucharuVal;
SDA=1;//释放总线
for（iVal=0;iVal<8;iVal++）
{
SCL=0;
Delay5us（）;
SCL=1;
Delay5us（）;
uVal<<=1;
if（SDA）
uVal|=0x01;
else
uVal&=0xfe;
}
SCL=0;
returnuVal;
}
bitwrite_PCF8591address（）
{
IIC_Start（）;
InPutOneByte（0x92）;
if（!
IIC_ReadAck（））
return0;
InPutOneByte（0x40）;
IIC_NOack（）;
IIC_Stop（）;
return1;
}
ucharread_PCF8591data（）
{
ucharDATA;
IIC_Start（）;
InPutOneByte（0x93）;
if（!
IIC_ReadAck（））
return0;
DATA=OutPutOneByte（）;
IIC_NOack（）;
IIC_Stop（）;
returnDATA;
}
/*************湿度测试**************/
voidDectectBusyBit（void）
{
P2=0xff;//读状态值时，先赋高电平
RS=0;
RW=1;
EN=1;
DelayMS
（1）;
while（P2&0x80）;//若LCD忙，停止到这里，否则走起
EN=0;//之后将EN初始化为低电平
}
voidWrComLCD（ucharComVal）
{
DectectBusyBit（）;
RS=0;
RW=0;
EN=1;
P2=ComVal;
DelayMS
（1）;
EN=0;
}
voidWrDatLCD（ucharDatVal）
{
DectectBusyBit（）;
RS=1;
RW=0;
EN=1;
P2=DatVal;
DelayMS
（1）;
EN=0;
}
voidLCD_Init（void）
{
WrComLCD（0x38）;//16*2行显示、5*7点阵、8位数据接口
DelayMS
（1）;
WrComLCD（0x38）;
//WrComLCD（0x38）;//重新设置一遍
WrComLCD（0x01）;//显示清屏
WrComLCD（0x06）;//光标自增、画面不动
DelayMS
（1）;//稍作延时
WrComLCD（0x0C）;//开显示、关光标并不闪烁
}
voidDisplay（uintRH,uintT）
{
WrComLCD（0x80）;//选择第一行
if（RH==100）
{
WrDatLCD（'C'）;
WrDatLCD（'u'）;
WrDatLCD（'r'）;
WrDatLCD（'r'）;
WrDatLCD（'e'）;
WrDatLCD（'n'）;
WrDatLCD（'t'）;
WrDatLCD（''）;
WrDatLCD（'R'）;
WrDatLCD（'H'）;
WrDatLCD（':
'）;
WrDatLCD（tab[RH/100]）;
WrDatLCD（tab[（RH%100）%10]）;
WrDatLCD（tab[RH%10]）;
WrDatLCD（'%'）;
}
else
{
WrDatLCD（'C'）;
WrDatLCD（'u'）;
WrDatLCD（'r'）;
WrDatLCD（'r'）;
WrDatLCD（'e'）;
WrDatLCD（'n'）;
WrDatLCD（'t'）;
WrDatLCD（''）;
WrDatLCD（'R'）;
WrDatLCD（'H'）;
WrDatLCD（':
'）;
WrDatLCD（tab[RH/10]）;
WrDatLCD（tab[RH%10]）;
WrDatLCD（'%'）;
WrDatLCD（''）;
}
WrComLCD（0xC0）;//选择第二行
WrDatLCD（'T'）;
WrDatLCD（'e'）;
WrDatLCD（'m'）;
WrDatLCD（'p'）;
WrDatLCD（':
'）;
WrDatLCD（tab[T/100]）;
WrDatLCD（tab[（T%100）
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