基于单片机的多功能湿温度测量仪的设计.docx
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基于单片机的多功能湿温度测量仪的设计
基于单片机的多功能湿温度测量仪的设计
摘要：
本次设计采用的单片机AT89C52和DHT11的温度湿度的检测系统。
分为硬件电路设计和单片机程序设计。
硬件电路包括单片机、温湿度传感器、显示模块、报警模块以及按键。
之所以采用AT89C52和DHT11温湿度传感器及OLED显示模块，是要保证工作稳定、集成度高、测量精度高、成本低，其中测温湿度控制电路由温湿度传感器和预设温度限制以及报警电路组成，根据需要通过按键预先输入温湿度的上下限，当实际测量的温湿度大于或小于预设的限制时，蜂鸣器发出报警信号并报警灯亮红。
单片机程序主要包括主程序、显示子程序、测量温湿度和设置温湿度上下限子程序。
关键词：
单片机AT89C52；DHT11；OLED显示；矩阵键盘；报警电路
1.问题的提出及其研究
目前随着生活质量的不断提高，人们的生活水平越来越高，所以对环境的要求也越来越高，环境控制的也成了人们安居乐业的基础，成了共建和谐环境的重要环节。
尤其是目前生活节奏的加快，许多白领都出现了亚健康的状态，因此家庭温湿度的检测对于现代家庭来说也变得刻不容缓了。
因此为了满足最适宜人们生活的最佳温度和湿度，我们需要研究一种家庭式的，便于提醒和控制温湿度的装置，人们可以根据不同季节以及个人的需要进行不同的调整，以便达到最佳的居住环境，这不仅仅是对于环境要求的进步，同时也体现了现代文明的发达与先进。
1.1问题的提出
为了更加有效的保证人们生活环境的安逸和舒适，同时也为了人们生活的更加健康，人们已不满于目前的居住环境，对家庭提出了更高的要求，智能化被引进了家庭，并且迅速在全国乃至世界范围内普遍发展开来，由于自然环境污染越来越严重，城市人口越来越多等，适宜人们生活的温度以及湿度越来越难以达到标准，常见的南北气候差异，北方冬天异常干燥，南方却阴冷潮湿，而对于我们来说，如何有效地在合适的时间内对环境作出相应的措施却始终难以把握，因此我们需要采取有效的措施，以满足人们的要求。
1.2研究的意义
随着城市居民生活节奏的加快以及人民生活水平的不断提高，人们对于亚健康的问题越来越关注，因此对于居住环境的要求也越来越高，舒适的环境已不仅仅限于宽敞豪华的住宅，同时也希望在自己的小家里也会有大自然的调节作用，能够根据人类的需要，设定相应的温湿度。
因此研究温湿度的控制非常有必要，它可以优化组合社区资源，提升服务水平，推动反房地产等其他行业的发展，为他们带来新的商机。
1.3本文研究的目的
为满足现代家庭对于居住环境温湿度的不同需求，我们可以随时进行调节，对于不利情况能够及时的作出显示，并能够采取相应的措施提醒用户进行调整，以达到最适宜的温湿度。
1.4本文研究的主要内容
首先我们必须了解温湿度控制对于家庭对于现代人们的重要性，其次我们才能够对此作出更好的判断，以求更好的解决用户所需要的问题。
温湿度的控制是我们研究的主要内容。
数字化温湿度检测的方法为一旦环境中的温湿度发生变化时，湿度传温度感器和湿度传感器随着温湿度的变化而变化，然后将变化的电阻通过转换电路和转换信号检测为与之对应变化的电压，然后把模拟电压信号由A/D转换器转换为数字信号并送入到单片机中，对采集到的信号单片机进行滤波处理并通过查表得到实际测量的湿度值，之后通过单片机的各外部接口电路显示该温湿度值。
该系统通过键盘设定最适宜的温度和湿度，传感器向中央控制系统输送监测信息，超过预设值的话，蜂鸣器就会报警提醒，用户即可作出调整。
2.设计任务与要求
2.1目的
（1）熟悉DHT11湿温度传感器的原理及应用。
（2）利用AT89C52单片机各个部件结合完成湿温度测量功能的实现。
（3）熟悉通过按键设置湿温度上下限。
（4）熟练掌握单片机的原理和protues制图原理。
2.2设计任务
熟练使用protues绘制电路图，熟练使用KEIL建立C52工程，学会用DHT11温湿度传感器及OLED来显示湿温度，通过按键预先输入温湿度的上下限。
3.器件选定
将单片机用作测控系统时，总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。
对于测量系统而言，其核心任务是怎么样获得准确的被测信号；而对测控系统来说，不可缺少的环节是对条件的监测和对被控对象状态的测试，传感器是实现测量与控制的第一环节，是测控系统的关键部分，一切准确的测量和控制都将在传感器对于原始信号的准确可靠的转换和捕捉，工业生产过程的自动化测量和控制，基本主要依赖各种传感器来控制和检测生产过程中的各种量，使系统和设备在最佳状态正常运行，从而保证生产的高质量和高效率。
3.1单片机AT89C52简介
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
3.2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，它应用专用的温湿度传感和数字模块采集技术，具有很高的稳定性和可靠性，DHT11传感器内含一个NTC测温和一个电阻式感湿元件，并与一个8位的高性能单片机相连接，在精确的湿度校验室中DHT11传感器进行过校准，以程序的形式校准系数储存在0TP内存中，检测信号的时候，在处理过程中传感器内部要调用这些校准系数，采用单线制的串行接口，使系统集成可以有较低的功耗，而且更加简单快速，信号传输距离超过20米，作为一个数字温湿度传感器DHT11具有响应快速、抗干扰强、性价比高等优点，它的性能指标如下：
湿度测量范围为20％～90％RH；湿度测量精度为±5％RH；温度测量范围为0～50℃，温度测量精度为±2℃，工作电压3．0～5．5V，相应时间<5S，DHT1l采用4针单排引脚封装,传感器通电后，需要等待1s，这是因为要越过不稳定的状态，在此期间不需发送指令,电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。
图3.2典型的应用电路
3.2.1DHT11引脚说明
表3.2.1DHT11引脚说明
pin
名称
注释
1
VDD
供电3－5.5V
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，悬空
4
GND
接地，电源负极
3.2.2应用信息
电阻式湿度传感器暴露在化学物质中会受到干扰，导致灵敏度下降，当处于极限状态时，传感器可以通过程序处理，回复到初试的校准状态，在不符合规范的范围内使用传感器，不仅会导致几乎3%的临时漂移信号，而且会加速产品的老化，转为正常的使用范围后，会渐渐恢复校准状态；温度是影响气体相对湿度的关键，因此测量时最好让湿度传感器工作温度相同。
3.3OLED显示
OLED显示屏是指有机电激发光二极管（OrganicLight-EmittingDiode，OLED）由于同时具备自发光，不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单等优异之特性，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。
3.3.1发光原理
有机发光显示技术由非常薄的有机材料涂层和玻璃基板构成。
当有电荷通过时这些有机材料就会发光。
OLED发光的颜色取决于有机发光层的材料，故厂商可由改变发光层的材料而得到所需之颜色。
有源阵列有机发光显示屏具有内置的电子电路系统因此每个像素都由一个对应的电路独立驱动。
OLED具备有构造简单、自发光不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广等优点，技术提供了浏览照片和视频的最佳方式而且对相机的设计造成的限制较少。
3.3.2OLED模块特点
OLED为自发光材料，不需用到背光板，同时视角广、画质均匀、反应速度快、较易彩色化、用简单驱动电路即可达到发光、制程简单、可制作成挠曲式面板，符合轻薄短小的原则，应用范围属于中小尺寸面板。
显示方面：
主动发光、视角范围大；响应速度快，图像稳定；亮度高、色彩丰富、分辨率高。
工作条件：
驱动电压低、能耗低，可与太阳能电池、集成电路等相匹配。
适应性广：
采用玻璃衬底可实现大面积平板显示；如用柔性材料做衬底，能制成可折叠的显示器。
由于OLED是全固态、非真空器件，具有抗震荡、耐低温（-40℃）等特性，在军事方面也有十分重要的应用，如用作坦克、飞机等现代化武器的显示终端。
OLED模块较LCD显示屏优势在于便于安装，应用场合主要是工业现场，军工行业，地质勘探，石油煤炭勘探等行业。
3.4AT24C02
AT24C02是一个2K位串行CMOSE2PROM，内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。
AT24C02有一个8字节页写缓冲器。
该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。
在单片机上的应用广泛，可以实现掉电数据不丢失功能。
图3.424C02引脚连线
4.硬件设计
单片机是整个系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而完成特定的功能,硬件实现上采用模块化设计，每一模块只实现一个特定功能，最后再将各个模块搭接在一起,这种设计方法可以降低系统设计的复杂性，本系统主要硬件设计包括单片机、温湿度传感器、显示模块、报警模块以及按键，测温湿度控制电路由温湿度传感器和预设温度限制以及报警电路组成。
4.1主控制电路和温湿度控制电路
本次硬件的核心就是AT89C52，其他的外围电路都是围绕它所设计的。
数字温湿度传感器的DHT11的DATA口连接单片机AT89C52的P3.4口。
显示电路就是把第13、14、15、18、19引脚和单片机的P1.0、P1.2、P1.1、P1.3、P1.4口分别相连，当温度或湿度高于预设值的时候蜂鸣器蜂鸣报警，增加单片机的输出能力，增加单片机的输出电流，故使用电阻排来完成。
本系统采用的是上电复位，充电之后，RST被拉至高电平，单片机进入工作状态。
AT89S51中有一个用于构成内部正当其的放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器构成自激振荡器，他们与电容C1，C2接在放大器的反馈电路中构成并联震荡电路，虽然电容没有一个严格的要求，但是电容的大小会轻微影响振荡频率的高低、温度稳定性以及振荡器工作的稳定性。
图4.1系统电路图
4.2蜂鸣器的设计连接
微型计算机控制系统中，为了安全起见，对于一些重要的参数或系统，都设定有紧急状态报警系统，以便于提醒操作人员注意，或者采取紧急措施，本设计采用把计算机采集的数据进行数据处理、标度变换、数字滤波之后，与该参数上下限与给定值进行比较，如果高于上限值则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示。
本设计采用峰鸣音报警电路。
如图4.2所示。
蜂鸣器额定电流≤30Ma,而对于单片机P3口的灌电流为15mA,由此可见，仅靠单片机的P3口电流是不能驱动蜂鸣器的，必须使用晶体管放大电路，为了使单片机的功率更小，所以使用PNP型晶体管,当外部环境的温度或者湿度超过预设值的时候，基级变为低电平，蜂鸣器导通鸣叫。
图4.2蜂鸣器电路
4.3晶振电路
单片机系统都有晶振，在单片机系统中晶振的作用非常大，全称叫做晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生所需时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机的运行速度就会越快，单片机的一切指令执行都是建立在单片机晶振所提供的时钟频率。
在通常的工作条件下，普通的晶振频率的绝对精度可以达到百万分之五十，高级晶振精度更高，有些晶振还可以由外加的电压在一定范围内调整频率，称为压榨振荡器，在共振的状态下晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体工作，以提供稳定，精确的单频振荡。
单片机晶振的作用是为系统提供及本周的时钟信号，通常一个系统共用一个晶振，以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，而是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，可以用于同一个晶振项链的不同锁相环来提供的。
单片机的晶振电路采用无源晶振，微调电容取22uf。
图4.3晶振电路
4.4传感器电路
DHT11是数字型温湿度传感器，可直接以数字方式传输所采集的当前环境温湿度，DHT11采用的是单总线通信，因此只需将单片机的一个I／O端口与DHT11的通信接口连接就可以实现数据的采集和传送，相对于其他电路来说比较简单。
图4.4传感器电路
5软件设计
软件设计是本次设计中不可缺少的环节，贯穿了整个毕业设计，是本次设计能够完成的最重要的环节之一。
5.1主程序
#include
#include
#include
#include
#include
sbitled=P3^7;
sbitled1=P3^2;
sbitbuzz=P2^3;
sbitkey_set=P1^5;
sbitkey_jia=P1^6;
sbitkey_jian=P1^7;
uchartemp_old,humi_old;
uchartemp_up,temp_down;
ucharhumi_up,humi_down;
ucharset_f;
voidjiexianw（）;
voidDelay_1ms（uinti）;
voidfixed_display（void）
{
OLED_ShowString（0,0,"Temp:
"）;
OLED_ShowString（56,0,"."）;
OLED_ShowString（80,0,"C"）;
OLED_ShowString（0,1,"Humi:
"）;
OLED_ShowString（56,1,"."）;
OLED_ShowString（80,1,"%"）;
if（set_f==0）
{
OLED_ShowString（80,4,""）;
}
if（set_f==1）
{
OLED_ShowString（80,4,"HU"）;
}
if（set_f==2）
{
OLED_ShowString（80,4,"HD"）;
}
if（set_f==3）
{
OLED_ShowString（80,4,"TU"）;
}
if（set_f==4）
{
OLED_ShowString（80,4,"TD"）;
}
}
voiddisplay1（void）
{
if（DHT11_Check（）==1）
{
if（humi_old{
OLED_ShowString（88,1,"up"）;
Delay_ms（50）;
humi_old=Humi_H;
}
else
if（humi_old>Humi_H）
{
OLED_ShowString（88,1,"down"）;
Delay_ms（50）;
humi_old=Humi_H;
}
if（temp_old{
OLED_ShowString（88,0,"up"）;
Delay_ms（50）;
temp_old=Temp_H;
}
else
if（temp_old>Temp_H）
{
OLED_ShowString（88,0,"down"）;
Delay_ms（50）;
temp_old=Temp_H;
}if（temp_up<=Temp_H||temp_down>Temp_H||humi_up<=Humi_H||humi_down>Humi_H）
{
buzz=0;
led=0;
led1=1;
}
else
{
buzz=1;
led=1;
led1=0;
}
jiexianw（）;
}
}
voidjiexianw（）
{
fixed_display（）;
}
voidmain（）
{
if（key_jian==0）
{
delayms（100）;
if（key_jian==0）
{
AT24C02_write_date（0,75）;//写入【湿度上限值】数据保存
AT24C02_write_date（1,45）;//写入【湿度下限值】数据保存
AT24C02_write_date（2,30）;//写入【温度上限值】数据保存
AT24C02_write_date（3,16）;//写入【温度下限值】数据保存
}
}
humi_up=AT24C02_read_date（0）;//读取存储的【湿度上限值】数据
humi_down=AT24C02_read_date
（1）;//读取存储的【湿度下限值】数据
temp_up=AT24C02_read_date
（2）;//读取存储的【温度上限值】数据
temp_down=AT24C02_read_date（3）;//读取存储的【温度下限值】数据
OLED_Init（）;//显示屏初始化
fixed_display（）;//显示固定内容
while
（1）
{
scan（）;//按键检测处理
DHT11_read（）;//读取DHT11温湿度
display1（）;//显示当前温、湿度
}
}
5.2仿真结果
当实际测量的温湿度大于或小于预设的限制时，蜂鸣器发出报警信号并报警灯亮红。
表5.2仿真结果
参考文献
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[5]李建民.单片机在温度控制系统中的应用[M]．江汉大学学报,1996.6
致谢
这次课程设计锻炼了我独立完成设计工作的能力，增加了宝贵的经验，奠定了坚实的基础。
在课程设计初期，对软件的掌握不够透彻，运用也不熟练，经常会遇到大大小小的问题，例如：
一些元器件的连接问题，湿温度传感器问题等等。
每次向老师请教时，不论难易，老师都会很耐心的讲解，帮助我们一步步解决。
课程设计的成功离不开老师的悉心指导和同学的互相帮助。
在此向所有毕业设计的过程中给予我帮助的老师和同学最诚挚的谢意。
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