基于51单系统微型计算机的温湿度监测系统的设计.docx
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基于51单系统微型计算机的温湿度监测系统的设计
基于51单系统微型计算机的温湿度监测系统的设计
摘要：
随着现代医学的发展，医疗检查和治疗越来越离不开大型的医疗检查设备。
这些设备的正常运行对环境温湿度有较高的要求。
环境温度的变化会导致部分元件的工作参数漂移，影响电路的稳定性和可靠性；湿度过高也会影响元件的正常工作，甚至造成元件的击穿损坏，导致设备故障。
因此，控制环境的温湿度，充分发挥系统的性能，延长机器的使用寿命，从而保证数据的安全性和准确性，是非常重要的。
特别是年湿度和温差的比较在大面积地区，医疗设备因温湿度变化引起的故障更为普遍，严重影响了正常的诊疗工作，大大增加了设备维修成本。
一般来说，医疗机构设备维修人员较少，难以及时预测和分析及时发现和排除设备故障。
因此，更好地控制环境温湿度，可以充分发挥系统的性能，减少维护时间和成本，延长设备的使用寿命，保证数据的安全性和准确性。
因此，根据机房的分布特点，设计开发了基于传感器网络的温湿度监测系统，有效地减少了设备故障的发生。
本文介绍了设计温湿度计的基本方法与监测原理，其组成部件主要是单系统微型计算机。
本系统能通过随时随地测评温湿度并设置温湿度上下限，完成温湿度的数据采集、数据处理和数据显示。
经过实验检测显示，该设计对温湿度的控制有方便实用、操作易懂的特点，提升了被控对象的各项技术指标。
关键词:
单系统微型计算机；温度监测；湿度监测
创新点：
实现蓝牙与移动设备的互联
第1章引言
1.1研究背景
据我们所知，随着科学的高速发展和人们生活的需求日益增多，近年来的单系统微型计算机的应用越来越广泛。
一般的温湿度监测不仅设计繁琐，而且准确度极低，而应用单系统微型计算机将使这个问题解决的很好。
在当今社会，温湿度是一个很重要的参考数据，在医学应用上，有许多要严格把控温度和湿度的设备越来越多，只有在特定温湿度条件下才能正常高效工作，因此温湿度的监测也是至关重要。
而从前的监测技术太落后，显然不能满足当代工业，医学产业等对温湿度高准确度监测的需求。
这几年来科学家们研发了几种测温技术，这些测温技术不仅能很好的提高监测精度，而且能使产品的质量很大程度上提高。
我们的单系统微机AT89C51具有高集成度，较强通用性，功能更强等多个优点，并且体积很小，质量轻，能耗低，所以在工业科技生产和日常生活当中引用广泛，本课题就是以单系统微型计算机AT89C51作为主要元器件进行设计应用。
监测温湿度的原始方法是使用各种温度计对被测对象直接测量从而读取温湿度，如我们经常使用的水银温度计。
随着医疗产业各种设备的需求增加，人们对温度和湿度的监测有了更高的需求。
随着科技的高速发展和不断创新，最新的传感器技术，特别是温湿度传感器检测技术方面。
，已经渗透到我们生活的方方面面，温湿度监测在医学生领域发挥着不可或缺的作用。
此外，单系统微型计算机广泛应用于各个领域，而将其作为数字温湿度计的核心部件只是具体应用的一个例子。
目前，尤其在医学产业对温湿度的要求更为苛刻，如部分检查仪器需要在超导环境下才能高速运行，才能对病人病灶更加准确的检查或治疗，部分高精度的监测仪器对温湿度的要求更特殊，随着恶劣工作环境对温湿度监测技术的要求，单系统微型计算机的发展越来越受到重视。
1.2研究现状
不可否认，我国现有现有温湿度技术水平跟其他科技发达国家相比，我国监测温湿技术能力仍然需要进一步改进和学习。
我国一般正常的监测温湿度的技术，也只能对环境变化平缓的温度和湿度进行监测，如果将其用于特殊恶劣的工作环境下，我国的这方技术还不能满足需求。
但是，随着我国电子科技产业高速发展，各方面技术不断提高，该方面也有较大的进步
据我所知，单个系统计算机是集成在芯片上的计算机系统，具有计算机系统的主要元件和功能。
，如，核心处理器CPU、并行端口I/O、、A/D与D/A转换系统、总线系统定时与中断系统。
随着科学技术的进步，现在大部分单系统微型计算机功能也很强大。
单系统微型计算机还可以连接各种各样的外围电路，如时钟电路、晶振口，输入输出端口、传感器、定时器、复位电路，等等，我们应用单系统微型计算机可以对各种的数据同时进行采集处理。
如连接温湿度传感器DS18B20等芯片，也就可以对被测对象进行温度和湿度的监测。
1.3设计要求
以AT89C51单系统微型计算机为主要核心完成医疗设备环境下的温湿度监测系统的设计，完成如下任务：
1、数码管能实时显示当前医疗设备环境温湿度数据。
2、温湿度监测系统应能够及时准确的采集所测环境的温湿度实时数据，并具有上下限报警功能。
3、设备具有按键及时启停，手动设置温湿度报警上、下限功能，实现自动报警
4、绘制设备硬件原理图，软件实现方案及系统编程。
5、利用软件实现蓝牙与移动设备互联
第2章系统总体方案设计
2.1系统的设计指标
本设计的温湿度计能够对被测医疗器械工作环境进行温度和湿度及时准确地监测，并将其测得的温湿度值显示在LCD数码管上，然后与事前先设置的温湿度范围上下限相比较，若超过温湿度的最高最低限制，则通过蜂鸣报警器报警，同时报警指示灯闪烁，直到温湿度回到规定的范围为止。
另外，还能够通过按键自己设置温度范围。
综上所述，系统设计的要求如下：
1.开机工作，启动温湿度监测设备，检测各元件工作情况。
2.正负温湿度识别（正温湿度红灯亮，负温湿度绿灯亮）。
3.温度传感器的监测设定范围是-10℃～65℃。
4.软件预设上限温度32℃，下限温度零下10℃。
5.系统监测实时结果超过温湿度上下限即实现报警功能，报警灯闪烁，鸣器震动并警示蜂鸣，并在负温湿度时蜂鸣报警器震动频率较正温度急促。
6.系统支持手动设置温度正负温度限制。
2.2系统的实现原理
本系统使用温湿度传感器，并与单系统微型计算机连接共同组成温湿度监测系统，从而完成监测温湿度。
温湿度传感器对温湿度的变化反馈十分迅速，它能够及时准确的把测得的温湿度转化为一连串的电平信号，这时我们可以通过LCD数码管将其测得的温湿度值显示出来，可供参考和读取。
如，温度传感器DS18B20是一种高集成度的温度传感器，它能够根据当前试验检测环境温度的变化产生一串实时数字信号。
不同的环境温度将会产生的差异性数字信号，通过该电平信号能够准确及时地得到当下实验环境的温度值，从而实现温度的实时监测。
2.3系统的实现方案分析
利用温度传感器DS18B20作为直接的外部监测器件提供实时温度，由于集成度高的DS18B20不需要复杂的外围电路。
其体积小的特点，除节省实验电路板外，温度传感器DS18B20是高封装的，微控制器与之直接链接。
监测温度范围为~-10~-~65℃，抗干扰。
另外，选择HS1101传感器作为湿度传感器，通过实验环境中的水分含量来改变所用电容器的介电常数，并采集实验环境中的水分百分比。
通过LCD数码管显示，HS1101传感器、高反馈、稳定，且适合实验环境等。
单系统微型计算机AT89C52作为系统主要组成元器件，但这里采用LCD7位数码管进行温度值和湿度百分比的显示元件，直观，清晰，易分辨。
并且LCD数码管体积小，价格经济。
第3章系统硬件设计
3.1系统总体结构
本设计的系统结构由单系统微型计算机系统、温湿度传感器模块、数码管显示模块和电源模块以及报警电路组成，系统总体结构如图
系统总体结构图
该系统以AT89C52单系统微型计算机为核心，初始化启动，使DS18B20数字温度传感器和HS1101湿度传感器向其发送温湿度实时数据，再发送温湿度转换命令使传感器模拟温度信号转换为数字信号。
同时，显示器上显示出当前实验环境的温度,当温湿度超出事先设定的上下限范围时，蜂鸣报警器发出警报。
3.2单系统微型计算机最小系统设计
单系统微型计算机目前已经是自动控制理论的中坚力量。
掌握单系统微型计算机原理及其应用已经非常实用，单系统微型计算机的应用十分广泛，对于控制领域、医疗器械、工业生产等方面，都非常重要
MCUAT89C52是8位控制器，低能耗和高性能，闪存。
它的主要接口与引脚的特点如下。
其引脚图如图2所示：
P0口：
与其他的端口不同，端口P0没有输出上拉负载电阻。
由于当用作输出端口I通用时输出级是开漏电路，当输出用于控制NMOS输入时，外部上拉谐振器通常具有大约10kC。
在此期间，任何输出都可以驱动4个负载。
当作为入口时，第一种类型1进入端口锁。
当P0端口用作地址/数据原理时，不需要外部上拉截止器。
当端口P0用作magistral时，每个输出可以处理8个ls-typettl的负载[1]。
。
图2单系统微型计算机AT89C52引脚图
P1～P3口：
端口P1至P3通过上拉负载电阻连接，其输出对应于ls型ttl的四个负载，当用作输出端口时，传统的TTL或NMOS电路可以正常操作端口P1至P3MCU系列AT89c51[1]。
由于起动级通过拖拉机谐振器连接，因此不必使用外部拖拉机谐振器，微控制器端口的输出功率通常为几毫安，因此当用作输出为晶体管的基极供电时，储存器在基极和端口上为高，起到限制输出功率的作用。
应该放在中间一排[1]。
。
P3口用作第二功能：
使用第二个端口功能p3引脚时，有8个不同的引脚，当该位用作第二个功能输入时，该位的锁定输出由内部器件自动设置，W仍然是一个，并且，当FET断开时，该位是高输入，因为当端口不提供第二功能时，NAND3门的输出为低，因此，第二引脚能量信号被发送到CPU以由缓冲器直接处理，因为读取引脚信号无效并且三个缓冲器无效。
当端口引脚P3用作第二个功能时，该引脚不能用作通用端口I/O.[1]。
P3口各个引脚的第二功能见下图1。
RST:
RST是复位信号并且输入是有效的。
当MCU正常工作时，高电平的两个机器周期将导致MCU在电源打开时复位。
由于振荡器需要一些启动时间，因此引脚的高电平必须保持10ms以上才能确保正确的复位[1]。
ALE:
ALE是一个地址锁存信号，每个机器周期产生两个正脉冲。
在访问芯片外部的存储器时，下降沿用于控制外部地址锁定以锁定下部8位端口从端口P0的出口。
未连接外部引脚时，此引脚的输出可用作时钟信号，因此可以外部或时间发送时钟[1]。
。
PROG：
为片内程序存储器的编程脉冲输入端，低电平有效[1]。
PSEN：
片外程序存储器读选通信号输出端，每个机器周期输出两个负脉冲，低电平有效。
在访问片外数据存储器时，该信号不出现[1]。
EA/VPP：
EA选择芯片外部程序存储器的输入信号，当引脚为低电平时，使用程序的外部存储器，使用程序存储器，VPP芯片是内置的程序存储器输入端子[1]
XTAL1：
该引脚连接外部晶体的一端和节奏电容器以及内置振荡电路，并产生由外部空气指定的振荡频率，该引脚使用外部时钟来引入外部时钟脉冲[1]。
XTAL2：
该引脚连接到外部晶体的另一端，XTAL2截止电容连接到内部反相放大器的输出，因此使用外部时钟时该引脚接地[1]
3.3DS18B20简介
温度和湿度传感器最常用作不同温度传感器之一。
早期使用模拟温度和湿度传感器，如热敏电阻，随着环境温度的变化，它们的电阻值根据一定的函数关系线性变化，然后收集储层上的电压，然后收集其电阻值根据线性变化函数计算当前环境温度。
DS18B20是第一个驱动达拉斯半导体一线接口的温度传感器。
它具有结构紧凑、功耗低、效率高、抗干扰能力强、易于微处理器配置等优点。
用于处理器处理的专用数字信号。
HS1101这些相对湿度传感器可以根据电容器元件的批量生产。
当需要补偿时，可以广泛应用。
它是完全可更换的，不需要在标准环境下校准，长期饱和，可靠性高，长期稳定，干燥快，响应时间快。
3.3.1温度传感器DS18B20引脚介绍
温度传感器DS18B20有两种封装：
TO-92直插式三脚封装和SOIC贴片式八脚封装，其中三脚TO-92直插式使用的更多的封装。
封装引脚如图3所示。
温度传感器DS18B20的引脚定义
引脚功能说明如图：
3.3.2DS18B20内部结构与特点
DS18B20的内部结构主要用于寄生电源，温度传感器，64位ROM接口和单主机接口，用于中间数据存储的高速RAM存储器，用户自定义的温度上限和下限存储设备TH和TL触发器，存储逻辑操作和控制，8位CRC生成器等[1]。
。
DS18B20中的温度传感器可以监测温度并可以监测温度。
例如，12位转换。
它以2位读取补码的形式提供，具有16位字符扩展，其中S是字符节拍，12位被转换。
战斗数据存储在两个8位RamachDS18B20中[1]。
温度格式DS18B20以二进制表2.2示出，前五位是字符位[1]。
通过将监测值乘以0.0625可以获得实际温度[1]。
温度小于0,5位数为1，监测值必须反转，再乘以0.0625得到实际温度[1]。
图4DS18B20温度值格式表
1、配置寄存器
DS18B20配置寄存器各字节意义如图3下：
图3DS18B20寄存器中各位内容
2、高速暂存存储器
在发出温度转换命令之后，由温度传感器转换的温度值以两个补充的形式记录在存储器的前两个字节中[1]。
相应的温度计算：
当S=0字符位时，二进制位直接转换为十进制，当s=1时，完成代码首先转换为原始代码，然后转换为十进制计算该值。
第九字节是过度控制的字节[1]。
温度传感器DS18B20暂存寄存器分布如图5所示。
3.3.3 DS18B20温度监测通信协议
MCUAT89S51不在设备上运行单个主协议，因为DS18B20使用1-Wire主协议，在一条数据线中执行两种数据传输方式，我们DS您需要使用该软件模拟一个主要约会，以便在DS18B20完成数据处理。
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性。
该协议定义了几种信号的时序：
初始化时序、读时序、写时序。
所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从属设备，而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始[1]，
DS18B20的一线工作协议流程是：
初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输，其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序[1]。
它们的工作的时序如下图所示。
图5（a）初始化时序
DS18B20的初始化过程：
1.先将数据线置“1”。
2.延时时间要尽可能短。
3.数据线拉到“0”。
4.延时600微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。
5.数据拉到“1”。
6.延时等待。
7.若CPU读取数据线值“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要达到最小值。
8.将数据线再一次拉高至“1”后结束。
图5（b）写时序
DS18B20的写操作过程：
1.数据线先置“0”。
2.延时确定的时间为15微秒。
3.按从低位到高位的顺序依次发送字节，一次只发送一位[1]。
4.延时的时间即为45微秒。
5.将数据线拉到‘1’。
6.重复上
（1）到（6）的操作直到所有的字节已经全部发送完。
7.最后将数据线拉高。
图5（c）读时序
DS18B20的读操作过程：
1.将数据线拉高至“1”。
2.延时时间两微秒。
3.将数据线拉低至“0”。
4.延时时间为15微秒。
5.将数据线拉高到“1”。
6.延时15微秒。
7.在读数据线的状态时候得到了1个状态位，并对其进行数据处理。
8.延时时间即为30微秒。
3.4系统硬件设计
3.4.1 复位电路模块
该系统接管按钮复位电路。
如果未按下按钮，请重置电容器。
此时，只要RST在两个及以上的周期内为通路高电平，就可以正常复位，按下按钮，用两个谐振器去给VCC电源分压，并复位到RST引脚。
产生重置执行。
复位电路如图6所示。
图6复位电路
3.4.2 时钟电路设模块
时钟系统的作用：
将外部振荡器连接到振荡器，并且在频率共享处理之后传送的高频脉冲变为单系统微计算机的内部时钟信号，其用作用于系统中元件的协调操作的控制信号。
必须这样做。
如果没有时钟信号，则无法更改发射器的状态。
。
时钟电路如图7所示：
图7时钟电路
3.4.3 报警电路模块
当被测环境温度超过设置的温度上下限时，我们需要进行报警处理，这里用到的是蜂鸣报警器。
通常，蜂鸣报警器电流为10mA，端口I/OMCU可承受几毫安的电流。
这就是您需要向驱动器添加试用版的原因。
当4级为低电平时，三极管导通并且曲柄上施加电压5V，因此当P1.4上为高电平时，声音信号扩散，三极管关闭，曲柄不振铃。
报警电路如下图8所示：
图8报警电路
3.4.4显示电路模块
显示系统是单芯片控制系统的组成部分，单芯片应用系统通常使用7段数字LED灯作为显示器。
。
LED数码管显示器可以分为共阴极和共阳极两种结构。
（1）共阴极结构：
如果所有的发光二极管的阴极接在一起，称为共阴极结构[1]；
（2）共阳极结构：
如果所有的发光二极管的阳极接在一起，称为共阳极结构[1]。
七段LED显示器是由7个LED按—定的图形排列组成，如图9所示，七段LED显示器的各个二极管分别称为a、b、c、d、e、f、g段，有些七段显示器增加一个dp段表示小数点，也称为八段LED显示器[1]。
图9典型七段LED器件
将数字管脚连接到单系统微机数据输出端口，输出控制数据可以让数码管指示不同数字和字符一般是不同的，8位LED控制字节数据是段选择代码。
7段LED段选码如下图所示。
本设计使用了四位共阴极动态显示方式，可以直接读取温度值，显示温度可以精确到1.0摄氏度。
下图为显示电路的连接图。
3.4.5按键电路模块
该电路采用弹性按键K1,K2,K3,K4,。
按键电路的可以手动设置温度的上下限。
按下K4键，即进行温度的上下限报警切换，通过了按K1键和按K2键调节温度上限和下限后，最后，再按下K3键确认设置。
按键电路图如下图：
3.4.6温度检测电路模块
该电路中的温度传感器使用DLS的数字DS18B20温度传感器。
该芯片具有极简的硬件接口，易于使用，具有很强的实用性。
在该系统中，引脚P1.1MCU连接到传感器DS18B20的数据端口。
。
具体的温度检测电路如下图：
3.4.7湿度检测电路模块
该电路中湿度传感器采用了HS1101数字湿度传感器。
该芯片的硬件接口不复杂，使用方便，并无需过多的电路，具有良好的连通性。
该系统中具体的湿度监测部分原理如下图：
湿度采集原理图
第4章单系统微型计算机的温湿度网络远程监控系统分析与设计
4.1系统性能需求
基于单系统微机温湿度网络的远程监控系统主要基于两点：
一是医疗器械，温湿度网络收集器所处的环境位于大功率医学设备上。
第二个是我们文物保护环境中温度和湿度的变化。
第三个危险品仓库。
无线温湿度监测系统安装简单，兼容，易于携带，数据库环境安全可靠，无线设备软件与设备之间通信稳定，反应讯速。
自动报警。
热量和能量消耗。
由于使用了无温湿度监测系统和温湿度无线网络设备所处的环境，温湿度网络设备应具有：
（1）体积小：
温湿度传感器容易安装在任何大型设备上，如在文物箱子里，这不会影响美观：
（2）散热性能良好：
距离大功率医疗设备非常近，它会从医疗设备上吸收大量的热。
（3）能耗低：
由于系统设计的主要目的是低能耗，各组件的综合能耗应尽可能的低，（4）通讯稳定：
设备通讯稳定，收集的温湿度数据实时发送到移动设备服务器。
实现实时监控，并尽快控制温湿度。
无线温湿度监控系统的设备服务器应具有：
（1）通讯稳定性：
无线设备服务器端通讯稳定，数据采集设备发送的温湿度数据可实时传输，以应对及时，
（2）快速响应，，数据采集设备传输的数据包可以快速响应，还可以检查用户或管理员的温度和湿度数据的当前或历史工作，而且，数据库的3环境现在是安全可靠的：
数据库是整个服务器的核心并存储。
所有温度和湿度数据通过收集器和驱动程序配置信息，安全可靠的数据库，以保证整个系统的正常运行，以及数据库实时的四个合理性通过系统发送存储：
实时-远程系统监控数据库的要求和有效性要求远程温度和湿度监控系统不包含大量过量数据。
4.2功能分析
在保护我们的危险品仓库的过程中，使用几个存在相同问题的仓库，手动阅读数据，将温度计和湿度计放在设备，物品和仓库中。
该方法不能知道及时接收环境的温度和湿度，并且及时应对温度和湿度随时间的异常变化。
通过以上对系统和环境利用的分析以及存在的问题，温湿度传感器采集的温度和湿度无线监测温湿度网络功能的系统可以有的温湿度信息，不仅要求有很高的精度和准确度，而且，它具有良好的稳定性，同时节省了大量的人力资源。
温湿度信息的传输：
由温湿度传感器采集的温湿度信息传输到温湿度无线网络的设备服务器，供用户检查和处理。
温度和湿度信息处理：
处理由焓收集的温度和湿度信息，以显示和存储管理员和用户的有用信息。
应显示数据库实时加权和效率，以及处理温度和湿度信息的实时信息。
，但并不存储所有的温湿度信息，相反，以一定的速度。
借助查询功能：
用户不仅可以实时查看有关温度和湿度的实时信息，还可以浏览历史。
用户权限管理功能：
服务器可以管理整个系统的最高权限，查看温度和湿度的所有信息，还可以监控参数设置和管理所有系统用户和常规用户。
或者，操作员只能看到允许他检查经手的信息。
具有监控参数设定功能，可设定监控时间，温湿度监控周期，温湿度上下限，适当的报警阈值等。
4.3软件架构
温湿度络远程监测设备软件架构图如图所示
对于一般的温湿度采集，监测设备端的数掘采集模块负贵将传感器监测到的数据解析，由主控程序将温湿度打包，附上监测设备的蓝牙和当前的时间，通过蓝牙通信模块发送给服务器。
当网络中时，主控程序调用数据存储模块存储模块及时存储未发送成功的温湿度数据包，蓝牙通信模块还可以接收设备服务器端传输的相应信息，时间信息同步，网络信息配置等。
温湿度无线监控系统服务器端软件架构见图3-3
4.4系统软硬件设计
数字温度传感器将采集到的温湿度信息无线传输给核心处理器，经过处理、打包后，再经由传输芯片通过蓝牙的方式发送给服务器。
当网络不畅通时，温湿度数据存储到铁电存储芯片中。
芯片为整个釆集器提供时钟信息。
电源为提供的工作电压，为其余芯片提供的工作电压。
从监测设备的硬件设计上来看，相比其他的温湿度监测设备，本系统中的监测设备添加了显示屏或者数码管。
这是考虑到若采集区域较大、较分散时，或者要釆集存放仓库的封闭区域内的温湿度时，例如采集某高校不同校区、不同楼宇内的暖气温度，或者库房里的温湿度，不需要人工在每一个监测设备上读取或观测釆集到的数据。
相反地，如果频繁地进入危险品存放的封闭区域，反倒会影响危险品仓库区域内的温湿度稳定。
相比其他的温湿度监测设备常用的串行通信方式或者通信方式，本系统中的监测设备釆取了蓝牙作为主要的通信方式。
这是考虑到蓝牙较为普遍地存在于一般的单位或者家庭，不需额外布线，不受终端的限制，而且只要接入蓝牙，即可访问服务器，实时地进行远程监控和管理。
监测设备节点与蓝牙通信采用协议。
协议是无连接的，发送数据之前需要建立连接，因此减少了开销和发送数据之前的延时，更节省单系统微型计算机的系统资源，降低了监测设备的功耗；监测设备与服务器每次通信的只有若干个字节的数据量，因此在一般的网络中，应用协议是一种最有效的工作方式。
所以，本系统在软硬件设计上实现了经济实惠，实时便捷的目的。
5系统软硬件调试
本设计采用KeiluVision2编写C语言程序，通过它的编译器进行编译、连接，最后将生成的代码下载到单系统微型计算机上。
KeilC51编译器是目前最实用的软件，用于
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