基于单片机的温湿度报警系统设计.docx

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基于单片机的温湿度报警系统设计

基于单片机的温湿度报警系统设计

摘要：

温度与湿度有着密不可分的关系，因此，也有温湿度一体的说法。

与传统的单一的温度测量系统或者湿度测量系统相比较，温湿度一体的测量系统则更加方便，更具有实用性。

温湿度的测量与报警系统在许多领域有着实际应用。

随着单片机技术研究的不断成熟和传感器技术的发展,各种电子式的测量工具也逐渐出现在的人们的日常生活与工作中。

本文将介绍的是基于单片机的温湿度报警系统的基本原理和实现方法。

关键词：

单片机；传感器；温湿度；报警系统

DesignofTemperatureandHumidity Warming SystemBasedon Microcontroller

Abstract：

Temperatureand humidity arecloselyrelated，so,wecansaythattemperatureand humidity theyareinone.Cmparedtothetraditionalmeasurementsystemthatonlyfortemperatureorhumidity,thetemperatureandhumiditymeasurementsystemismoreconvenientandfunctional.Temperarureandhumiditymeasuringalarmsystemhasbeenappliedinmanyfields.Withthedevelopmentofmicrocontrollerandsensortechnology,moreandmoreelectronicmeasuringinstrumentstobeusedinourdailylifeandwork..Thisarticlewillintroducetheoperationalprincipleandhowtoachieveaboutthedesignoftemperatureandhumidity warming systembasedon microcontroller.

KeyWords：

microcontroller；sensor；temperatureandhumidity；warmingsystem

1简介

1.1选题的背景与意义

温度和湿度是环境的两项重要指标参数，他们之间有着十分密切的关系。

例如，人体的体感并不单纯受温度或是湿度的影响，而是两者综合作用的结果，因而有温湿度一体的说法。

不适宜的温湿度不仅会对人的日常生活工作产生影响，如果室内温湿度过高，人体散热就比较困难。

反之，过低会使得空气干燥，人多呼吸道便会干涩难受。

除了对人体本身的影响外，同样在某些特定的场所，不适合的温湿度会造成极其严重的影响。

例如对物品的存放也有影响，室内的温湿度过高，衣物便容易发霉，虫蛀。

食品容易发霉变。

在社会生产，科学研究中，温湿度同样有着重要的影响，在生命科学设施，计量/校准实验室和电子制造环境中，温湿度往往需要时时监测与报警显示，以保证产品和工艺。

比如一些养殖场，牲畜的生长，只有在适宜的环境下，在适宜的温湿度下，才能成长的更快，从而获得更大的效益。

另外，温湿度也是监测火灾的两项主要指标。

然而不同场合对温湿度的要求不同，同样的，控制温湿度的手段也不同。

而什么时候应该进行温湿度的调节呢？

所以，本次的研究课题“基于单片机的温湿度报警系统设计”，便是由此目的得出。

让使用者可以及时的在温湿度超出限制值得知报警信息，从而进行相关的温湿度调控。

1.2功能介绍

随着工业自动化的不断发展，传感器技术被应用与多种行业之中。

而温度和湿度这两个重要的参数指标，更是许多测控系统所必须考虑的参数指标。

本次的设计的目的，便是实现对温度和湿度这两个指标的测量并显示，并在某一指标或两个指标通识超出限定值时进行报警。

本次设计的采用单片机作为系统的控制核心，利用传感器获取待测温湿度，然后将信号传递至单片机，经过单片机的处理之后通过显示系统进行显示。

假如某一指标或者两个指标同时超出限定值，将进行报警处理。

限定值允许操作人员在测量范围内自行设定。

虽然本次设计的原理十分简单，但是非常实用。

1.3国内外研究、发展动态

随着现代集成电子、通信、计算机等技术地快速发展，传感器也向着集成化，数字化发展，这样大大降低了成本，提高了测量准确性和精度。

温湿度传感器的研发得到了国内外的高度重视，很多国外的政府和公司投入了大量的人力、物力和财力。

如美国“国家纳米技术”（NationalNanotechnologyInitiative）计划，还有AD、MAXIM、Sensiron等知名芯片制造商。

它们的典型产品有MAX6625/6626温度传感器，SHT1X/SHT7X温湿度传感器，这些传感器采用数字化技术，以数字化形式直接输出测量值，具有测量误差小、分辨率高、抗干扰能力强、测量数据能够远程传播、带串行总线接口等优点。

国内的一些公司也已经开始了在这些方面地研究，并取得了一些重要成果，如JUCSAN公司，它的JCJ200Y产品耐温高达600℃，已成功应用在印染行业纱锭自动烘干系统、食品自动烘烤系统。

近年来，温湿度测量报警系统的研究发展迅速。

国际上先进的测控技术、自动化技术、PLC技术、现场总线技术、传感器技术以及数字信息技术的发展都为温湿度测控系统的研制和开发提供了条件，使温湿度的设定、显示更加直观，精度进一步得到提高，智能化程度越来越高，温湿度检测的功能集成化大幅提高。

现代的温湿度测控报警系统逐渐取代了传统的简单数据采集系统。

它们的发展正从由分立元件组成的系统向微型化、集成化、数字化、智能化、微功耗、网络化、多参数测量的测量报警系统转变，而且还不断地改进测量的技术和方法，比如在系统中添加自动非线性补偿、自动温度补偿、自动校准等功能，来满足测量的精度和恶劣环境下的特殊要求。

温湿度测控报警系统在纺织工业、冶金、化工、建材、食品、温室种植以及气象预报和科研实验室等诸多领域都有广泛的应用，而这些领域对温湿度测量系统的要求也各不相同。

目前人们为了满足不同的市场的需求，已经开发出了很多种基于不同微处理器的温湿度测量报警系统。

现在国内外常见的温湿度测量系统有以下一些：

（1）基于单片机控制的温湿度测量报警系统；

（2）基于PLC的温湿度测量报警系统；

（3）集散型温湿度测量报警系统；

（4）基于FPGA控制的温湿度测量报警系统；

（5）基于DSP控制的温湿度测量报警系统。

虽然已经开发出这么多不同种类的温湿度测控报警系统，但是一般常用的还是单片机或DSP作为主控芯片。

单片机又称为微控制器，由单片集成电路芯片构成，内部含有CPU（中央处理器），存储器和I/O接口电路，定时器/计时器等功能。

单片机具有体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等优点，故可以广泛应用于国民经济的各个领域，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要作用。

例如在智能仪器仪表、机电一体化、实时控制和人类生活中都得到了非常广泛的应用。

DSP也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。

随着通信、计算机网络等技术的快速发展，采用上位机（PC）与单片机或DSP构成的小型控制系统在现代智能温湿度测控领域地运用越来越广泛。

它利用单片机和DSP价格低、功能强、抗干扰性能好、温限宽等优点，又结合上位机的软硬件支撑，已经在很多领域中用于温湿度监测、报警与控制。

总之，现在国内外温湿度测量系统的研究都是朝着微型化、数字化、智能化的方向发展，并且不断地改进技术来满足市场的需求。

2系统介绍和方案论述

2.1任务要求

本次设计的任务要求为：

利用单片机作为主控制器，选用合适的模块搭建系统，实现对环境中的温度以及湿度的测量和显示。

并对超额指标进行报警。

2.1.1技术参数

1、测量湿度范围：

20-90%RH

2、测量湿度精度：

±5％RH

3、测量温度范围：

0-50℃

4、测量温度精度：

±2℃

5、显示测量结果

6、实现手动设置报警上下限

7、实现报警功能

2.2系统设计的方案确定

本次的设计目的是测量空气中的温湿度，并进行显示。

在某一指标或两个指标同时超出限定值时进行报警，选用了单片机作为主控系统。

因此还需要采集温湿度信息的采集模块，作为显示的显示模块，用于报警的报警模块已经用作限定值设定的键盘输入模块。

所以，本次设计的大体系统框图如图2-1所示。

图2-1系统框图

2.2.1单片机的选择

综合考虑设计所需的功能和设计成本，本次设计选用STC89C52芯片作为主控制器。

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

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，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

综合考虑编程环境，成本和内存占用等因素。

具体根据设计需要选用STC89C52RC单片机。

2.2.2采集模块的选择

考虑电路的复杂度和选用材料的成本问题，本次设计选用DHT11数字温湿度传感器。

DHT11数字温湿度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。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

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DHT11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。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

产品为4针单排引脚封装。

连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

2.2.3显示模块的选择

考虑综合显示效果，采用LCD液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示大量字母，图形，显示多样，清晰可见，但是价格一般，需要的接口线较少。

2.2.4键盘模块的选择

由于本次设计所要用到的功能按键较少，故不采用复杂的矩阵键盘方案，直接使用3个功能按键和1个复位按键作为本次设计的键盘模块。

2.2.5报警模块的选择

为了更加直观快速的进行报警，本次设计选用传统的声光报警模式作为本次设计的报警模块。

采用LED灯和蜂鸣器的结合报警方式。

3系统工作原理分析

本次设计选用STC89C52RC单片机作为主控制器，DHT11数字式温湿度传感器作为温湿度采集模块。

显示模块选用LCD1602，报警模块选用LED与蜂鸣器结合的声光报警模块。

设置了键盘按键用于复位和设置温湿度上下限。

接通电源后，由DHT11温湿度传感器采集环境中的温湿度信息，经过STC89C52RC处理后在LCD1602上进行显示。

通过键盘设置温湿度上限数值。

如果某一项参数或者两项参数同时超出设定值，则通过报警模块进行报警，相应的LED警报灯常亮，蜂鸣器发出声响。

图3-1系统流程图

4硬件电路设计

4.1单片机电路设计

本次设计所选用的主控制模块是由深圳宏晶公司生产的，加强型的51系列单片机，STC89C52RC单片机。

4.1.1STC89C52单片机介绍

本次设计最终采用的是STC89C52单片机。

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS八位微控制器，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，使用经典的MCS-51内核，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

片上Flash允许ROM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Flsah，使其为众多嵌入式控制应用系统提供灵活的解决方案。

STC89C52RC的特点：

STC89C52RC有很宽的工作电源电压，可为2.7～6V,当工作在3V时，电流相当于6V工作时的1/4。

STC89C52RC工作于12Hz时，动态电流为5.5mA，空闲态为1mA,掉电状态仅为20nA。

这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。

STC89C52RC具体有以下几个特点：

STC89C52RC与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；

片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；

全静态工作,工作范围:

0Hz～24MHz；

三级程序存储器加密；

128×8位内部RAM；

32位双向输入输出线；

两个十六位定时器/计数器

五个中断源,两级中断优先级；

一个全双工的异步串行口；

间歇和掉电两种工作方式

超强抗干扰:

高抗静电（ESD保护）,轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰；

宽电压,不怕电源抖动；

宽温度范围,-40℃~85℃；

禁止ALE输出;；

超低功耗:

1、掉电模式:

典型功耗<0.1μA；

2、空闲模式:

典型功耗2mA；

3、正常工作模式:

典型功耗4mA-7mA；

4、掉电模式可由外部中断唤醒,适用于电池供电系统,如水表、气表、便携设备等

STC89C52RC的引脚说明：

图4-1STC89C52RC引脚图

STC89C52RC引脚功能：

1、电源:

（1）VCC：

芯片电源，接+5V；

（2）VSS：

接地；

2、时钟:

XTAL1、XTAL2：

晶体振荡电路反相输入端和输出端。

3、控制线:

控制线共有4根：

ALE/PROG:

地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

（1）ALE功能：

用来锁存P0口送出的低8位地址

（2）PROG功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

PSEN:

外ROM读选通信号。

RST/VPD:

复位/备用电源。

（1）RST（Reset）功能：

复位信号输入端。

（2）VPD功能：

在Vcc掉电情况下，接备用电源。

EA/Vpp:

内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

（1）EA功能：

内外ROM选择端。

（2）Vpp功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

4、I/O口线：

P0、P1、P2、P3共四个八位口。

4.1.2单片机电路连接图

图4-2单片机连接电路图

如图4-2所示，为本次设计的单片机电路连接原理图。

晶体振荡电路中，XTAL1脚为振荡电路的输入端，XTAL2脚为振荡电路的输出端，在XTAL1脚和XTAL2脚外接频率为12MHz的石英晶体和2个电容值为30PF的振荡电容。

9脚接+5V电源，20脚接地。

9脚连接复位按键电路。

单片机的P0.0～P0.7脚接1602液晶显示器的DB0～DB7脚，并且接入排阻作为上拉电阻，P2.7引脚接1602液晶显示器的E脚，P2.6脚接1602液晶显示器的RW脚，P2.5脚接1602液晶显示器的RS脚，以上就是单片机与1602液晶显示器的所有连接。

P2.0脚连接用于湿度报警指使用的LED灯。

P2.1脚连接用于温度报警指使用的LED灯。

P2.4脚连接蜂鸣器报警电路。

P3.3脚用于连接温湿度采集模块。

P1.0脚，P1.2脚，P1.3脚分别用于连接3个功能按键。

4.1传感器电路设计

4.1.1DHT11介绍

DHT11数字温湿度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，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

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DHT11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

产品为4针单排引脚封装，连接方便。

图4-3DHT11实物图

应用领域：

暖通空调、测试及检测设备、汽车、数据记录器、消费品、自动控制气象站、家电、湿度调节器、医疗、除湿器

产品特性：

（1）相对湿度和温度测量

（2）全部校准，数字输出

（3）卓越的长期稳定性

（4）无需额外部件

（5）超长的信号传输距离

（6）超低能耗

（7）4引脚安装

（8）完全互换

电气参数：

表4-1DHT11电气参数

VDD=5V，T=25℃，除非特殊标注

参数

条件

min

typ

max

单位

供电

DC

3

5

5.5

V

供电电流

测量

0.5

2.5

mA

平均

0.2

1

mA

待机

100

150

uA

采样周期

秒

1

次

注:

采样周期间隔不得低于1秒钟。

性能参数：

表4-2DHT11性能参数

参数

条件

Min

Typ

Max

单位

湿度

分辨率

1

1

1

%RH

8

Bit

重复性

±1

%RH

精度

25℃

±4

%RH

0－50℃

±5

%RH

互换性

可完全互换

量程范围

0℃

30

90

%RH

25℃

20

90

%RH

50℃

20

80

%RH

响应时间

1/e（63%）25℃，1m/s空气

6

10

15

S

迟滞

±1

%RH

长期稳定性

典型值

±1

%RH/yr

温度

分辨率

1

1

1

℃

8

8

8

Bit

重复性

±1

℃

精度

±1

±2

℃

量程范围

0

50

℃

响应时间

1/e（63%）

6

30

S

应用信息：

（1）工作与贮存条件

超出建议的工作范围可能导致高达3%RH的临时性漂移信号。

返回正常工作条后，传感器会缓慢地向校准状态恢复。

要加速恢复进程/可参阅7.3小节的“恢复处理”。

在非正常工作条件下长时间使用会加速产品的老化过程。

（2）暴露在化学物质中

电阻式湿度传感器的感应层会受到化学蒸汽的干扰，化学物质在感应层中的扩散可能导致测量值漂移和灵敏度下降。

在一个纯净的环境中，污染物质会缓慢地释放出去。

下文所述的恢复处理将加速实现这一过程。

高浓度的化学污染会导致传感器感应层的彻底损坏。

（3）恢复处理

置于极限工作条件下或化学蒸汽中的传感器，通过如下处理程序，可使其恢复到校准时的状态。

在50-60℃和<10%RH的湿度条件下保持2小时（烘干）；随后在20-30℃和>70%RH的湿度条件下保持5小时以上。

（4）温度影响

气体的相对湿度，在很大程度上依赖于温度。

因此在测量湿度时，应尽可能保证湿度传感器在同一温度下工作。

如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板，在安装时应尽可能将DHT11远离电子元件，并安装在热源下方，同时保持外壳的良好通风。

为降低热传导，DHT11与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可能最小，并在两者之间留出一道缝隙。

（5）光线

长时间暴露在太阳光下或强烈的紫外线辐射中，会使性能降低。

（6）配线注意事项

DATA信号线材质量会影响通讯距离和通讯质量,推荐使用高质量屏蔽线。

焊接信息：

手动焊接，在最高260℃的温度条件下接触时间须少于10秒。

注意事项：

（1）避免结露情况下使用。

（2）长期保存条件：

温度10－40℃，湿度60％以下。

（3）测量分辨率分别为8bit（温度）、8bit（湿度）。

4.2.2DHT11内部结构分析

引脚说明：

表4-3DHT11引脚说明

Pin

名称

注释

1

VDD

供电3－5.5VDC

2

DATA

串行数据，单总线

3

NC

空脚，请悬空

4

GND

接地，电源负极

典型连接：

DHT11的供电电压为3－5.5V。

传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。

电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。

建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。

图4-4典型连接图

图4-5DHT11封装图

4.2.3传感器电路连接图

如图4-6所示，是本次设计中，DHT11数字式温湿度传感器的连接电路。

温湿度传感器DHT11的数据接口3脚直接与单片机的P3.3脚相连。

DHT11数字温湿度传感器采用单总线数据格式，一次完整的数据输出为40bit，高位先出，分别为8bit湿度整数数据，8bit湿度小数数据，8bit温度整数数据，8bit温度小数数据以及8bit校验和。

为了提高稳定性，在数据端和正电源之间加一个10K的上拉电阻。

4脚连接+5V电源。

1脚接地。

2脚悬空。

图4-6DHT11传感器连接电路图

4.3显示电路设计

4.3.1LCD1602介绍

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。

LCD1602是指显示的内容为16×2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块。

引脚说明：

表44LCD1602引脚说明

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

1

2

3

4

5

6

7

8

GND

VCC

VO

RS

R/W

E

DB0

DB1

电源地

电源正极

液晶显示偏压

数据/命令选择

读/写选择

使能信号

数据

数据

9

10

11

12

13

14

15

16

DB2

DB3

DB4

DB5

DB6

DB7

BLA

BLK

数据

数据

数据

数据

数据

数据

背光源正极

背光源负极

（1）第1脚GND：

电源负极。

（2）第2脚VCC：

接+5V直流电源。

（3）第3脚VO：

液晶显示器对比度调整端，接地时对比度最高，接正电源时对比度最低，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个1KΩ的电位器设定对比度。

（4）第4脚RS：

寄存器选择端，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。

（5）第5脚R/W：

读/写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作当RS和R/W同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为高电平、R/W为低电平时可