便携式数字湿度检测仪的设计.docx
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便携式数字湿度检测仪的设计
便携式数字湿度检测仪的设计
DesignofPortableDigitalHumidity
郑重声明
本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于培养单位。
学生签名：
日期：
便携式数字湿度检测仪的设计
摘要:
温湿度的测量在仓储管理、生产制造、气象观测、工农业生产、科学研究以及日常生活中被广泛应用。
本论文提出了一种基于AT89S52单片机的温湿度检测系统设计实现方案，以AT89S52为主控芯片，选用温湿度传感器SHT-11对数据进行采集，经单片机处理后送液晶显示。
该检测系统具有以下功能：
对环境温湿度的检测并显示出温湿度值。
文中主要介绍了温湿度检测原理，系统硬件设计、工作原理及软件设计与实现。
本系统具有体积小，成本低，制作简单等优点，可以应用于精度要求不是很高的环境温湿度检测。
关键字：
单片机；温湿度检测；AT89S52；SHT11
中图分类号：
TP212
PortableDigitalHumidityDetector
Abstract:
Temperatureandhumiditymeasurementsarewidelyusedinwarehousemanagement,production,weatherobservation,agriculturalandindustrialproduction,scientificresearchanddailylife.ThispaperpresentsaAT89S52Microcontrollerbasedtemperatureandhumiditydetectionsystemdesignandimplementationplan,AT89S52asthemainchiptochoosetheSHT-11temperatureandhumiditysensorsfordatacollection,afterMCUprocessing,sendingliquidcrystaldisplay.Thedetectionsystemhasthefollowingfunction:
Detectionoftemperatureandhumidityontheenvironmentanddemonstratethevalueoftemperatureandhumidity.
Thepaperintroducestheprincipleoftemperatureandhumiditytesting,systemhardwaredesign,operatingprincipleandsoftwaredesignandimplementation.Thissystemhastheadvantagesuchassmall,lowcostandsimpleproduction,Canbeappliedtotheenvironmentisnotveryhighprecisiontemperatureandhumiditytesting.
Keyword:
MCU;Temperatureandhumiditytesting;AT89S52;SHT11
Classification:
TP212
目次
1绪论
1.1选题背景及意义
现代湿度测量方案最主要的有两种：
干湿球测湿法，电子式湿度传感器测湿法。
[1]
早在18世纪人类就发明了干湿球湿度计，干湿球湿度计的准确度还取决于干球、湿球两支温度计本身的精度，湿度计必须处于通风状态，只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能达到规定的准确度。
干湿球湿度计的准确度只有5%-7%RH。
干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。
[2]
干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。
与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。
所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。
电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。
湿度传感器生产厂商在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达2%~3%RH。
在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降，湿度传感器年漂移量一般都在±2%左右，甚至更高。
一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期需重新标定。
电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命不如干湿球湿度传感器。
湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。
所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。
[3]
当今常用的干湿温差湿度计已经沿用了100多年。
实际并不能用它直接读出温度值，而是通过干湿温度差来算出或从表上查出湿度值，因此极为不便，更不利于现代化工业过程控制和自动化控制。
为此早在上个世纪30年代就开始探询真正能感湿的材料和湿敏元件，也曾开发出能感湿的电解质型半导体陶瓷型和有机高分子感湿材料，其中又以新出现的高分子聚合物型感湿材料最多，发展最快，应用也最广泛，尤其是电阻型，电容型湿度传感器因响应快，灵敏度高，抗干扰能力强而逐步取代了无机半导体陶瓷型传感器占据主要地位。
高分子湿敏元件是20世纪70年代发展起来的一类新的湿敏元件[7]，一般是由两梳状电极涂敷一层高分子感湿材料而制成的，感湿材料的电阻随环境温度的变化而变化，通过测量电阻来测量温度。
一般情况下，湿敏元件制成后，根据实测参数来设计外围处理电路，制成湿度传感器。
现在研究和开发的高分子湿敏元件中，高分子电阻型湿敏元件已经引起了人们极大的兴趣和关注。
该类元件具有湿敏特性好，灵敏度高，线性度好，使用范围宽，寿命长，响应时间短，一致性好，制作工艺简单，成本低，易于集成化等优点，因而在气象、纺织、集成电路生产、家用电器、食品加工、蔬菜保鲜等方面得到了广泛应用，是近年来研究最多发展最快的湿度传感器之一。
但半个世纪以来无论是无机半导体陶瓷型传感器还是有机高分子电容型电阻型传感器，他们的稳定性和可靠性都不理想。
如电阻型高分子湿敏元件，稳定性，抗水性和抗干扰性差；电容型高分子湿敏元件只适于在低温时使用，且制造过程复杂，成品率低，一致性差，成本高，价格贵。
这些一直阻碍它们的发展，于是，现阶段仍然大量采用干湿温差湿度计[4]。
目前我国从事湿敏产品研制和生产的单位有130余家，其中有科研所、大专院校、工厂企业，但能形成规模化生产的单位却很少，经济效益好的单位更是寥寥无几。
传感器生产普遍受到相关行业，尤其是大中型企业经营情况的影响，这种迹象表明，我国湿敏产品前景不容乐观。
此外，由于阻抗型高分子湿度传感器导电机理为水分子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率当用直流电源由于电解作用会使其极化故不能对元件使用直流电源，检测时请使用电桥阻抗（LCR）测试设备。
并且由于其阻抗随相对湿度变化成对数变化，所以不能直接用简单电桥等电路直接测量显示，需要采用相应调理电路。
随着现代化工农业技术的发展以及人民生活环境的改善，适时准确地测量周围环境和土壤的含水量在国民经济发展的许多领域中具有广泛的应用，传统采用温度计和机械式湿度记录仪的湿度检测法，由于其测量结果精度低、误差大、数据读取容易出现故障，已不再满足现代检测需要，计算机管理与控制系统将是我国工农业生产走向现代化的必由之路，高精度的检测工具的使用也成为现代化控制的关键[8]。
如在农业上为了科学地对土壤进行管理，需要经常测试土壤含水量；在水利工程中，如水文站、堤坝上也需要经常测试土壤含水量，此外，湿度测量在环保、气象、国防施工中更是不可缺少的测量项目，如何使这种烦琐的测量以及相关数据处理实现自动化，成为人们急需解决的重要课题[9-11]。
湿度与人们的日常生活密切相关[12]，新一代智能化、高精度、多类型、多功能温湿度测量仪的研制势在必行[13]。
因此，对湿度检测系统的研究设计也具有客观现实意义。
1.2论文的主要内容
本论文主要内容是设计出一款便携式湿度检测仪，该检测系统具有以下功能：
对环境温湿度的检测并显示出温湿度值。
主要介绍了湿度检测的发展状况，以及目前的现状和前景,对温湿度检测系统进行方案设计与硬件的选型，其中主要是硬件电路的设计及湿度检测系统的软件设计，最终实现对环境温湿度进行检测，得到具体数值。
2温湿度检测系统的设计方案与硬件的选型
2.1温湿度检测系统的总体方案设计
本系统主要包括如下三个模块：
温湿度检测，主控芯片AT89S52，1602液晶显示。
系统采用单片机作为控制核心，由数字温湿度传感器对被测环境进行采集数据，由液晶显示器对进过单片机处理过的数据进行显示，总体设计如图2.1所示。
系统硬件电路设计图见附录1。
图2.1系统设计原理框图
2.2温湿度检测系统的器件选型
2.2.1单片机的选型
本系统以AT89S52单片机作为系统的控制器。
AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89S52具有如下特点：
40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes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，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
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需要用并行编程器下载（接线多而且复杂），AT89S52可以支持isp下载，可以在89s52系统板上面预留isp下载接口，而且isp下载线可以很方便的自制的，用个74hc373，几个电阻，连接电脑并口就可以用软件将hex文件下载至AT89S52了，方便快捷比较适合本系统设计。
图2.2AT89S52管脚图
部分管脚功能：
AT89S52P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
EA/VPP——外部访问允许,欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
XTAL1:
内部振荡器反向放大器输入端、内部时钟发生器输入端。
XTAL2:
内部振荡器反向放大器输出端。
2.2.2显示模块的选型
本系统采用的LCD（ORLCM：
LiquidCrystalDisplayModule）是内置KS0066控制器及兼容型控制器字符型液晶显示模块。
该模块是一种用5×7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可分为1行16个字、2行16个字。
其特点如下：
（1）具有字符发生器ROM可显示192种字符（160个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符，见表2.4.3）。
（2）具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个5×8点阵字符或4个5×11点阵字符。
（3）具有80个字节的RAM。
（4）标准的接口特性，适配M6800系列MPU的操作时序。
（5）提供各种控制命令，如清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。
（6）+5V电压，反视度（明暗对比度）可调整。
（7）内含振荡电路，系统内含重置电路。
（8）低功耗、长寿命、高可靠性。
（9）模块应用一般有三种电源：
逻辑电压、液晶驱动电压、背光电压。
LCD的内部结构可分位三个部分：
LCD控制器、LCD驱动器、LCD显示装置。
LCD与单片机（MCU）之间是利用LCD的控制器进行通信的。
该液晶模块采用标准14脚接口，其管脚定义见表2.1。
其中，VSS为电源地，VDD接5V电源，VL为液晶显示器的对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，通过改变该管脚外接变位器阻值来改变VL电压从而调节对比度。
RS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，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
RS、RW和E为三条控制线，当RS和RW共同为低时可以写入指令或显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平，RW为低电平时可以写入数据。
E端为使能端，当E端由高电平变成低电平时，液晶模块执行命令。
D0~D7为8位双向数据线。
A和K分别为背光显示器电源+5V和背光显示器接地。
表2.1液晶模块1602管脚功能
表2.2寄存器选择控制表
注：
关于E=H脉冲——开始时初始化E为0，然后置E为1，再清0。
busyflag（DB7）：
在此位为被清除为0时，LCD将无法再处理其他的指令要求。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。
因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如'A’。
以下是1602的16进制ASCII码表：
表2.31602的16进制ASCII码表
表2.4显示地址
液晶显示模块的指令系统如表2.5~表2.15所示。
表2.5清屏
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
00000001
运行时间（250kHz）：
1.64ms；功能：
清DDRAM和AC值。
表2.6归位
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
0000001*
运行时间（250kHz）：
1.64ms；功能：
AC＝0，光标、画面回HOME位。
表2.7输入方式设置
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
000001I/DS
运行时间（250kHz）：
40μs；功能：
设置光标、画面移动方式。
其中：
I/D＝1：
数据读、写操作后，AC自动增一；
I/D＝0：
数据读、写操作后，AC自动减一；
S＝1：
数据读、写操作，画面平移；
S＝0：
数据读、写操作，画面不动。
表2.8显示开关控制
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
00001DCB
运行时间（250kHz）：
40μs；功能：
设置显示、光标及闪烁开、关。
其中：
D表示显示开关：
D＝1为开，D＝0为关；
C表示光标开关：
C＝1为开，C＝0为关；
B表示闪烁开关：
B＝1为开，B＝0为关。
表2.9光标、画面位移
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
0001S/CR/L**
运行时间（250kHz）：
40μs；功能：
光标、画面移动，不影响DDRAM。
其中：
S/C＝1：
画面平移一个字符位；
S/C＝0：
光标平移一个字符位；
R/L＝1：
右移；R/L＝0：
左移。
表2.10功能设置
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
001DLNF**
运行时间（250kHz）：
40μs；功能：
工作方式设置（初始化指令）。
其中：
DL＝1，8位数据接口；DL＝0，4位数据接口；
N＝1，两行显示；N＝0，一行显示；
F＝1，5×10点阵字符；F＝0，5×7点阵字符。
表2.11CGRAM地址设置
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
01A5A4A3A2A1A0
运行时间（250kHz）：
40μs；功能：
设置CGRAM地址。
A5~A0＝0~3FH。
表2.12DDRAM地址设置
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
1A6A5A4A3A2A1A0
运行时间（250kHz）：
40μs；功能：
设置DDRAM地址。
其中：
N＝0，一行显示A6~A0＝0~4FH；
N＝1，两行显示，首行A6~A0＝00H~2FH，次行A6~A0＝40H~67H。
表2.13读BF及AC值
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
01
BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0
功能：
读忙BF值和地址计数器AC值。
其中：
BF＝1：
忙；BF＝0：
准备好。
此时，AC值意义为最近一次地址设置（CGRAM或DDRAM）定义。
表2.14写数据
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
10
数据
运行时间（250kHz）：
40μs；
功能：
根据最近设置的地址性质，数据写入DDRAM或CGRAM内。
表2.15读数据
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
11
数据
运行时间（250kHz）：
40μs
功能：
根据最近设置的地址性质，从DDRAM或CGRAM数据读出。
2.2.3温湿度传感器的选型
本系统选用数字温湿度传感器SHT-11对环境进行温湿度检测。
特点：
相对湿度和温度一体测量；精确露点测量；全量程标定，无需重新标定即可互换使用；超快响应时间；两线制数字接口（最简单的系统集成，较低的价格）；超小尺寸（7.5×5×2.5mm）；高可靠性（工业CMOS工艺）；优化的长期稳定性；可完全浸没水中；基于请求式检测，因此低能耗；具有湿度传感器元件的自检测能力；传感器元件加热应用，亦可获得极高的精度和稳定性。
工作原理：
首先由两个传感器分别产生相对湿度和温度信号，经过放大后分别送到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，将相对湿度和温度的数据送至微控制器，再利用微控制器完成非线性补偿和温度补偿。
[1]
内部结构：
其内部结构如图2.3所示，主要包括：
相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位ADC、校准存储器E2PROM、RAM、CRC（循环冗余校验码）寄存器、二线制串行接口和低压监测电路等。
该芯片的DATA引脚在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿之后有效，所以，微控制器可以在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，微控制器将置为高阻态，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。
图2.3SHT-11内部结构图
详细规格
相对湿度传感器（RH）
范围:
0-100％RH
精度:
±3％RH（20到80％RH）
响应时间:
≤4秒
复现性:
±0.1％RH
分辨率:
0.03％RH
工作温度:
-40℃到+120℃
温度传感器（T）
范围:
-40℃到+120℃
精度:
±0.5℃在25℃时；±0.9℃（0到40℃）
响应时间:
≤20秒
复现性:
±0.1℃
分辨率:
0.01℃
电气数据
能耗:
典型30µW（@5V，12-bit，测量周期2秒）
供电范围:
2.4到5.5V典型1µW（@2.4V，8-bit，测量周期2分）
检测电流：
0.5mA待机电流:
0.3µA
电源引脚
SHT11的供电电压为2.4~5.5V。
传感器上电后，要等待11ms以越过“休眠”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。
串行接口（两线双向）
SHT11的串行接口，在传感器信号的读取及电源损耗方面，都做了优化处理；但与I2C接口不兼容。
串行时钟输入（SCK）
SCK用于微处理器与SHT11之间的通讯同步。
由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。
串行数据（DATA）
DATA三态门用于数据的读取。
DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。
数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。
为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。
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