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温度湿度实时监测与报警系统设计毕业论文精品
温度湿度实时监测与报警系统设计毕业论文-精品
2020-12-12
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温度湿度实时监测与报警系统设计
学院信息电子技术
专业电子信息工程
班级
学籍号
姓名
指导教师
佳木斯大学
2008年6月15日
摘要
本课题设计的是一套计算机控制的温度、湿度实时监测与报警系统，可以应用于多种需要采集温、湿度数据的场合，本文完成了整个系统的软硬件设计。
系统采用数据的采集到汇总及响应的设计思想。
其中温度、湿度传感器是并行连接到单片机上的，数据分别进入单片机，再分别进行分析和处理。
数据采集器的核心部件为单片机，主要完成对其所连接的传感器的测量与控制以及得到的响应。
系统中，作为主机的单片机是整个系统的核心，它要接收前端的采集数据，还要分析与处理它们；并控制后端的响应：
数据的显示和声光的报警效应。
系统的活动筋脉――软件，是用汇编语言编写的，起到单片机芯片的数据处理、温湿度数据的显示和报警等功能。
本系统的温度终端采用Dallas公司的数字温度传感器DS18B20，湿度终端采用Honeywell公司的相对适度传感器HIH3610，根据A/D转换进行数据采集，从而送到单片机中，在这，我采用ATMEL公司生产的AT89C51单片机和LCD显示器来实现参数的检测和显示。
关键词：
单片机（AT89C51）；温度传感器；湿度传感器；A/D转换；汇编语言。
ABSTRACT
Theissueisthedesignofacomputer-controlledtemperature,humidityandreal-timemonitoringandalarmsystem,canbeappliedtoavarietyofsamplingtemperatureandhumiditydataoccasions.Wecompletedthewholesystemhardwareandsoftwaredesign.
Thesystemusesdatacollectedandsummarizedinresponsetothedesign.Includingtemperature,humiditysensorisconnectedinparalleltothemicrocontroller,thedatawereenteredmicrocontroller,respectivelyforanalysisandprocessing.DataAcquisitionSystem,thecorecomponentoftheMCU,completeditsmainsensorisconnectedtothemeasurementandcontroloftheresponse.System,asahostofSCMisthecoreofthewholesystem,itshouldreceivethefront-enddataacquisition,weshouldalsoanalyzeanddealwiththem;andcontroltheback-endresponse:
datashowthealarmsound-effects.Systemactivitiesfasciiti--softwareiswritteninassemblylanguage,whichservessinglechipdataprocessing,temperatureandhumiditydatadisplayandalarmfunctions.
ThetemperatureofthesystemusingterminalDallascompany'sDigitalTemperatureDS18B20sensor,HoneywellhumidityterminalusingtherelativelymodestHIH3610sensor.AccordingtoA/Dconversion,dataacquisition,whichsenttothemicroprocessorand,inthis,IusedATMELCorporationAT89C51productionandLCDparameterstoachievethedetectionandsignificantlysaid.
Keywords:
SCM（AT89C51）;Temperaturesensor;Humiditysensor;A/Dconversion;Assemblylanguage.
第1章绪论
本章首先介绍了课题研究的目的和意义，温度、湿度数据实时采集与监测技术的发展历程，然后简要描述了温度、湿度监测与报警系统的组成，最后介绍本课题的主要特点。
1.1课题研究的背景和意义
在现代工业现场，随着科技的进步和自动化水平的提高，电缆的用量越来越大，电缆的安全保护已成为不可忽视的问题。
从国内外有关电缆火灾的统计资料显示，许多电缆火灾是由于电缆头击穿绝缘引起的。
因此为电缆配置在线温度监测系统，对于电缆接头电缆密集的场所，就显得尤为重要。
粮食是人类生存的必需品，温度与湿度是保存好粮食的先决条件，我国的公粮现在均集中存放在国家或地方的仓库中，最大的粮库方圆几公里，仓库库房数为数十个，测点可达数千个。
按照国家粮食保护法规，必须定期抽样检查各点的粮食温度与湿度，已确保粮食的存储质量。
档案馆中的档案资料同样会受到外界空气温度与湿度变化的影响，纸张纤维热胀冷缩，使强度降低，湿度过大会使霉菌和害虫滋长，以致造成资料变质。
由此可见，温度、湿度监控在人们现实生活生产中应用已经日渐广泛，在发电厂、纺织、食品、医院、仓库、农业大棚等众多的应用场所，对温度、湿度参量的要求都非常严格，因此能否有效对这些领域的温、湿度数据进行实时监控和控制是一个必须解决的重要前提。
本课题即以上述问题为出发点，设计实现了温度、湿度的实时监测系统，该系统不仅能实时采集各抽样点的温度值与湿度值，而且能够迅速处理，友好的将数据结果显示给用户，并储存结果以方便以后的对比研究。
1.2温度、湿度数据采集与监测技术的发展历程
最早的也是最简单的实现对温度、湿度的监测是采用人工的方式，这种方式不仅效率底，劳动时间长，而且会由于抽样的不具代表性使得监测结果失去其原有的意义。
该方式还有一个弊端——其应用场所有很大的局限性，工作人员不可能直接测量地下电缆的表面温度；去提取存有炸药、鞭炮等危险品仓库温湿度数据的工作人员还要承担一定的风险。
后来随着电子技术的出现与进步，科技人员开始采用温度与湿度传感器代替原始的温度计与湿度计，开发了以单片机为核心的监测系统，并佐以接口芯片将结果显示在LCD数码显示管上，单片机可直接控制打印机监测数据。
这种方式在很大程度上提高了工作效率，并扩展了应用范围。
但其中所采用的温度、湿度传感器直接输出为模拟电压信号，该信号在传输过程中易损耗，影响系统精度，且传输距离较近，需要经过A/D转换芯片才能被单片机接收。
每个测试点都需要各自独立的信号线，为了实现多点监测，不仅需要成百上千条信号线，还需要多路模拟转换快关电路轮流对多个测试点进行连续监测，从而增加了整个系统的环节，使其难于维护，价格昂贵。
今年来，伴随微处理器芯片和网络通信技术的发展，为了简化系统设计并降低成本，各个公司及科研机构开始致力于相关领域的探索，使得温湿度数据监测数字化、网络化的实现成为可能。
各个公司都在测试点直接将模拟信号数字化等特点，一方面减少了系统环节，另一方面保证了系统的精度。
同时各软件公司开发的可视化软件开发工具，更是向着效率高、功能强大的方向努力，从而为获得良好的检测功能奠定了基础。
1.3温度、湿度监测与报警系统的组成
该系统的构成大体上可以分为三部分：
一是温湿度参数的测量转换，二是测量数据
图1-1系统组成原理图
的传输，三是数据的集中显示与处理。
其系统框图如图1-1所示。
下面对以上三部分分别加以介绍。
1.3.1温湿度测量
该部分是系统的主要环节，由原理图中温湿度采集模块来完成数据的获取与处理，在系统中将各温湿度采集模块称为数据采集器。
温度传感器的种类很多，根据其输出方式及接口方式的不同，大体可以分为模拟温度传感器和数字温度传感器。
模拟温度传感器输出的模拟信号，必须经过专门的接口电路转换成数字信号后才能由微处理器进行处理。
数字温度传感器输出的数字信号，一般只需要少量外部元器件就可直接送至微处理器进行处理。
美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持单总线接口的温度传感器。
单总线独特而且经济的特点，使用户可以轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活，而且由于芯片送出的温度信号是数字信号，因此省去了外部A/D转换，简化了硬件电路。
适度测量方法也是多种多样，但是与温度相比，它是比较难于测量的。
其主要原因是，由于空气中所含的水蒸气相对空气来说是微量的，而且水蒸气对各种物质的影响也是错综复杂的。
一直以来被广泛使用的湿度传感器从原理上主要分为吸附型和非吸附型，水分子吸附在物体表面和渗入物体内部后，直接影响物体的电器物理性能，利用这一特性可以制成多种吸附型湿度传感器。
近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。
湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度、温度监测系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。
其中由Honeywell公司开发生产的线性电压输出式集成湿度传感器，其典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520，主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。
1.3.2数据的集中显示和处理
该系统的使用最终是要面向用户的，因此用户检测软件的开发将决定系统能否方便高效地运行。
随着面向对象编程技术的发展，各种面向对象编程语言如Vb、Vc、Delphi等逐渐成为用户软件开发的得力工具，在现有的一些监测系统软件设计中都有应用实例。
用户软件功能一般包括数据读取与显示、报警参数的设置、数据记录等。
经过单片机处理过的温湿度数据若已超过报警参数的范围，则需要发出报警信号，将系统中完成报警功能的模块称为报警模块。
综上所述，温度、湿度监测系统的设计方法虽然不尽相同，但最终目的是安全可靠的运行，这在计算机技术飞速发展的今天已经变得越来越容易。
对于温度与湿度数据，采用分布式计算机监测系统，可以大大提高各应用现场的现代化管理水平，比如电缆沟温度在线监测、电机及其接线盒温度在线监测、仓储（粮仓、冷库、油罐）监测、空调与楼宇监测等。
由此可见，温度、湿度的监测系统将具有很好的应用前景。
1.4本课题的主要特点
本课题采用基于并行数据采集和综合处理的设计思想来设计温度、湿度实时监测与报警系统。
温度与湿度传感器直接采集到数字数据，可以直接到AT89C51单片机中处理。
我在监测的显示方面是用的液晶显示器；报警采用小的彩色闪光灯，给我们作为示警的作用。
温度与湿度测量均采用单总线器件，简化了系统的设计，提高了数据监测的智能化程度。
数据采集器采用双隔离供电方式，保证了系统能在恶劣的环境条件下工作。
用汇编语言开发了用户监测软件，全图行界面，并且具有监测、报警、数据记录、历史显示等多种功能。
第2章系统的总体结构
本章首先介绍了该系统的功能，然后详细描述系统的总体设计，和各个部件的介绍及说明；结合其结构框图说明了系统的工作过程。
2.1系统的硬件组成
本系统的硬件组成，我把它分为三个阶段：
前端采集、中端处理和后端响应。
在前端采集中，我们的硬件主要有温度传感器和湿度传感器，它们是系统的神经触手；中端处理中，它是我们系统的心脏，主要是一个单片机，这里我选用51系列的单片机，型号为AT89C51单片机；在后端响应中，主要硬件组成有显示器、时钟、复位、报警等外围电路构成。
如下图2－1硬件组成图。
图2－1硬件组成图
2.2系统的主要硬件简介
1、在此系统中，我选用了AT89C51单片机作为本系统的中心处理器。
AT89C51单片机是INTEL公司的MCS-51系列单片机，这里，利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点，力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。
本系统选用的89C51芯片时钟可达12MHz，运算速度快，控制功能完善。
其内部具有128字节RAM，而且内部含有4KB的EPROM不需要外扩展存储器，可使系统整体结构更为简单、实用。
2、本系统的温度传感器，我采用Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20，它具有体积小、适用电压宽、经济和支持“一线总线”接口的温度传感器。
测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内,精度为±0.5°C。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量，如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
3、该系统的湿度检测采用了美国Honeywell公司成产的相对湿度传感器HIH3610。
Honeywell的相对湿度传感器是热固聚酯电容式具有信号处理功能的传感器，线性放大输出、工厂标定，独特的多层结构能非常好地抵抗环境的侵蚀，诸如湿气、尘埃、脏物、油、及一些化学品。
4、系统采用液晶显示器，其以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。
时钟电路采用DS12C887芯片，它为24引脚双列直插式封装，晶体振荡器、振荡电路、充电电路和可充电锂电池等一起封装在芯片的上方，组成一个加厚的集成电路模块，电路通电时其充电电路便自动对可充电电池充电，充足一次电可供芯片时钟运行半年之久，正常工作时可保证时钟数据十年内不会丢失。
报警器――采用了断续的声音或闪烁的灯光，因为在用声音或灯光报警时，连续的声响或常亮的灯光往往不易引起人们的警觉等。
第3章系统硬件的设计
本系统采用了ATMEL公司生产的AT89C51芯片作为系统的核心部件，并辅以前端传感器数据采集、检测电路、扩展电路、报警电路、复位电路以及相关外围电路，用来采集温度和湿度的数字信号，以实现监测系统参数测试的实时检测、数据计算和声光报警等。
AT89C51单片机内含4KB的Flash存储器，并与MCS-51完全兼容、工作性能优良、使用灵活，有较高的性价比。
3.1AT89C51单片机的介绍
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的
图3－1AT89C51的引脚排列图
MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
如图3－1是AT89C51的引脚排列图。
1、主要特性：
与MCS-51兼容；4K字节可编程闪烁存储器寿命：
1000写/擦循环数据保留时间：
10年；全静态工作：
0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。
2、管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表3－1所示：
表3-1P3口特殊功能
引脚
特殊功能
说明
P3.0
RXD
串行数据输入口
P3.1
TXD
串行数据输出口
P3.2
外部中断0输入线
P3.3
外部中断1输出线
P3.4
T0
定时器0外部事件计数输入
P3.5
T1
定时器1外部事件计数输入
P3.6
外部RAM写选通
P3.7
外部RAM读选通
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3、振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
4、芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
5、AT89C51单片机的内部结构如图3-2所示。
图3-2单片机内部原理
中央处理器CPU：
它是单片机的核心部件，由运算器、控制器和专用寄存器三部分组成组。
它的运算器（ALU）是一个极强的运算器，可做四则运算和逻辑运算。
AT89C51的ALU是由一个加法器、两个八位暂存器和一个布尔器构成的。
其时钟频率可达12MHZ。
CPU的定时控制部件由控制逻辑、指令寄存器IR、译码器和振荡器OSC等电路组成。
IR用于存放从程序储存器中取出指令码，定时控制逻辑用于对IR译码，并在OSC被合下产生指令的时序脉冲来完成指令。
储存器：
AT89C51的存储器有片内和片外之分，而在它们里又有程序存储器ROM和数据存储器RAM之分。
片内ROM：
AT89C51有4K的ROM，地址范围0000H-0FFFFH，它可固化程序来完成单片机想要完成的功能。
片内RAM：
共有128字节，范围00H-7FH，分为工作寄存器区、位寻址区和堆栈区。
I/O接口和特殊功能部件：
I/O端口是AT89C51单片机对外实现控制和信息交换的必经之路。
AT89C51的I/O接口共有四个口，32条I/O线。
每个口都有一个锁存器，定义为专用寄存器P0～P3。
下面分别介绍一下各口功能：
P0口既可做地址/数据总线使用，也可做I/O口做使用；P1口是一个准双向口，作通用I/O口使用，还可做数据总线使用；P2口既可做地址总线使用，也可做I/O口使用。
P3口是一个多功能口，即可作通用I/O口使用，也可提供各种特殊功能。
3.2温度检测电路
本系统的温度传感器，采用了DALLAS公司生产的DS18B20。
DS18B20是DALLAS公司生产的数字温度传感器，可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。
它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。
3.2.1温度传感器DS18B20
1、DS18B20的简介
独特的单线接口方式，只需一个接口引脚即可通信；
每一个DS18B20都有一个唯一的64位ROM序列码；
在使用中不需要任何外围元件；
可用数据线供电，电压范围：
＋3.0V～＋5.5V;
测温范围：
－55℃～＋125℃，在－10℃～＋85℃范围内精度为±0.5℃，分辨率0.0625℃。
等效的华氏温度范围是－67℉～＋257℉；
通过编程可实现9～12位的数字读数方式。
温度转换成12位数字信号所需时间最长为750ms，而在9位分辨模式工作时仅需93.75ms；
用户可自设定非易失性的报警上下限值；
告警搜索命令可识别和定位那些超过报警限值的DS18
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