毕业设计论文基于单片机的环境温湿度检测系统.docx
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毕业设计论文基于单片机的环境温湿度检测系统
摘要
环境温湿度检测系统是日常生活、工业生产和农业管理中广泛使用的一种设备。
该设备具备以下主要功能：
实时检测出环境中的温度和湿度参数值，并显示出来，根据设定的报警限予以报警指示，可以和上层控制器通信。
随着单片机的大规模应用，单片机在检测系统中也越来越多的被使用。
本设计以AT89S52这款低功耗、高性能、在系统编程的8位单片机为系统控制处理核心，由单总线数字温湿度传感器DHT11、数码管显示屏、LED与蜂鸣器、通信串口和按键控制输入等五个部分组成，从而实现环境问世的监测系统的主要功能。
后期的探索设计——换用红外遥控控制和LCM为显示屏、外加时钟和存储芯片、增加照度检测电路，极大地提升了系统的性能，使系统不仅可以检测并显示环境温度、湿度和照度变量，而且可以按照时间顺序存储适量的数据。
此外，系统有降压整流和稳压滤波电路，可用交流市电（220V）、各种安全直流电（5~24V）、太阳能电池等为系统供电，并且可以存储少量电能（900mAh）,因此，系统有较宽的工作电压，可满足多种应用场合。
本设计由Protel画出了电路原理图和PCB图，并由此完成了硬件的制作，使用C51语言对单片机进行编程控制，并模块化仿真，最后通过综合调试，符合预期的设计要求。
关键词：
AT89S52单片机DHT11传感器PCB设计温湿度检测
Abstract
Environmenttemperatureandhumiditydetectionsystemisakindofequipmentwhichiswidelyusedindailylife,industrialproductionandagriculturalmenagement.Theequipmenthasfollowingmainfunction:
detectingthetemperatureandhumidityparametersintheenvironmentreal-timeanddisplaythem,givingalarmindicationaccordingtothesetlimits,andbeingabletocontactwithuppercontroller.
WiththeSCMusedlarge-scalely,theSCMismoreandmoreusedindetectionsystem.Thisdesign,usesthe8-bitSCMnamedAT89S52,whichhasalotofadvantagessuchaslow-powerdissipation,high-performanceandISP,andmadeupoffiveparts:
single-wiredigitaltemperatureandhumiditysensor,digitrondisplay,LEDandbuzzer,serialcomunicationsandkeysinput,thusperformthefunctionofenvironmenttemperatureandhumiditydetectionsystem.Theexplorationdesigninlaterstage,includinginfraredremotecontrolandLCMdisplay,clockandmemorychips,andilluminationdetectioncircuit,immenselypromotesthepropertyofthesystem,makesitnotonlydetecteanddisplaythetemerature,humidityandillumination,butalsostoresomedatainorderoftime.
Inaddition,withstep-downrectifierandstabilivoltfiltercircuit,thesystemcanuseutilitypowerAC220V,differentsafetyDC5~24V,solarbatterytosupplypower,andstoresomeelectricenergyabout900mAh,sothatithasawidepowersupplyvoltageandmeetsdifferentapplicationplaces.
ThedesigngivesthecircuitdesignschematicsandPCBdiagramwithProtel,andcompletesthehardwarepartoftheproduction,andusesC51languagesystemtoaccomplishthecontrolprogramofSCM,andsimulateseverypartsuccessfully.Throughthesyntheticaldebugging,thedesignachievestherequireddesigns.
Keywords:
AT89S52SCM,DHT11sensor,serialcommunication,temperature
andhumiditydetection,PCBdesign
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
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指导教师签名：
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
第一章前言
本章主要叙述了温湿度检测系统设计的一些基本情况，包括目的意义、市场现状、设计要求和实施方案等几个部分。
1.1设计的目的意义调查
现代社会，随着国家的经济不断发展，人们的生活水平逐渐提高，在衣食住行基本满足之后，追求一种健康长寿的生活方式已经成为时代的潮流。
家庭居室，工作场所是人们每天较长时间生活的两个环境，而环境中的温度和湿度变化则和人们的生理、心理等身体健康状况息息相关。
相关研究结果摘录如下；
据生理学家研究，室内温度过高时，会影响人的体温调节功能，由于散热不良而引起体温升高、血管舒张、脉搏加快、心率加速。
冬季，如果室内温度经常保持在25度以上，人就会神疲力乏、头晕脑胀、思维迟钝、记忆力差。
同时，由于室内外温差悬殊，人体难以适应，容易患伤风感冒。
如果室内温度过低，则使人体代谢功能下降，脉搏、呼吸减慢，皮下血管收缩，皮肤过度紧张，呼吸道粘膜的抵抗力减弱，容易诱发呼吸道疾病。
因此，科学家们把人对‘冷耐受”的下限温度和”冷耐热”的上限温度，分别定为11度和32度。
然而，人的体感并不单纯受气温或气湿两种因素的影响，而是两者综合作用的结果。
通过实验测定，最适宜的人的室内温湿度是：
冬天温度为18至25度，湿度为30%至80%。
夏天温度为23至28度，湿度为30%至60%。
在此范围内感到舒适的人占95%以上。
在装有空调的室内，室温为19至24度，湿度为40%至50%时，人会感到最舒适。
如果考虑到温湿度对人思维活动的影响，最适宜的室内温度应是工作效率最高的值。
温度应是18度，湿度应是40%至60%，此时，人的精神状态最好，思维最敏捷。
因此，随时关注环境的温湿度变化而由此采取措施对人们的健康生活和高效工作有着重要的意义。
除此之外，工业生产、农业管理和医疗护理等环境中的温湿度也是两项重要的检测控制参数，对安全生产、粮食丰收和病人康复等意义重大。
部分要求数据如下：
由此看来，研究设计环境温湿度检测系统十分有必要。
1.2设计的市场现状分析
纵观市场，温湿度检测技术已经比较成熟，已有的各种温湿度检测产品，五花八门，犹如八仙过海，各显神通，如A2000家用温湿度报警表、YD-808A工业用温湿度显示器等产品。
从功能上分析这些产品可以看出，一个比较完整的环境温湿度检测系统应该具备以下主要的四个功能：
（1）实时检测出环境中的温度和湿度参数；
（2）检测的参数值显示在显示设备上（如数码管，液晶显示器等）；
（3）根据环境要求，设定温度湿度报警的上下限值，并实时报警；
（4）与上层监控设备通信（如PC），实现数据传输（双向或单向）；
因此，本设计也应该具备这些功能，并且对每一个部分进行优化设计，也可以扩展系统功能。
除了功能上的分析之外，再看这些产品的造价和供电情况，有以下两个问题：
（1）价格太高，不符合普通消费者的消费水平，如A2000家用温湿度报警表，淘宝网上售价300左右；
（2）供电都比较单一，规定在直流6V,9V,12V或交流220V等，除了购买产品主体之外，还需要一个特定的电源适配器；
综上所述，本设计设计出的环境温湿度检测系统，除了具备市场上已有产品的功能之外，还应尽量降低制作价格，确保有较宽的工作电压。
1.3设计的内容要求说明
根据上述市场调查情况和毕业设计任务书的要求，本设计的研究内容包括以下几个方面：
1、基本要求
（1）主要检测环境变化中的温度和适度参数；
（2）温湿度参数显示在LED数码管屏幕上；
（3）可以设置温湿度报警点，并能按照设置实时报警；
2、控制要求
（1）根据需求，温湿度数据可以发送给上层监控设备，如普通电脑等；
（2）可以按照时间顺序，以一定格式将温湿度数据导出保存，以便进行再分析处理；
3、制作要求
（1）造价低廉，工作可靠；
（2）工作电压较宽，满足不同的供电测试条件；
（3）做出产品样机，调试通过，可以正常工作；
因此，本温湿度检测系统的设计应以这三方面的要求为依据，从而进行各个部分的详细设计。
1.4设计的实施方案构想
基于单片机的环境温湿度检测系统实施方案构想如下：
1、由温度和湿度传感器对环境中的温度和湿度变量进行采样；
2、单片机和传感器通信，获得采样数据并暂存；
3、单片机对数据进行预处理（如校验等），对有效数据再进行以下四种处理：
（1）驱动显示电路，把数据显示在数码管上；
（2）扫描输入的控制信号，设定报警限值；
（3）根据设定的报警，驱动报警电路工作，予以报警指示；
（4）扫描输入的控制信号，根据需要发送数据给上层设备，在设备上进行数据再处理或保存；
4、在系统供电端有稳压滤波电路或电能存储器件，保证系统正常工作；
5、选用价格低廉的器件或设计电路，减少花费；
6、在以上方案都实施的情况下，对系统进行优化创新设计，强化功能；
因此，本系统的设计应按照这个思路进行具体设计，把每一步的构想转化为现实的设计。
系统的结构图如下：
第二章硬件的设计
根据绪论中的分析说明，可以明确温湿度检测系统的硬件电路分为电源稳压、传感器检测、数码管显示驱动、报警驱动、输入控制、数据发送等六大部分，其中后五个部分都以单片机为核心，由单片机来进行控制处理，因此单片机的选用至关重要。
2.1单片机的选用
自从20世纪70年代，因特尔公司推出第一代单片机以来，单片机的发展如雨后春笋。
各大电气商、半导体商根据不同的控制需求，尤其在嵌入式系统控制方面，以因特尔公司的51单片机的框架结构为基础，研发了各种各样的、功能强大的单片机。
而今，我们已经进入了一个单片机可广泛选择的、百花齐放的时代。
因此，选用一款价格低廉，性能优良的单片机已不再困难。
在MCS-51单片机8051的基础上，ATMEL公司开发的AT89系列的单片机自问世以来，以其较低廉的价格和独特的程序存储器——快速闪存器为用户所亲莱，尤其是AT89S52这款单片机，它有以下几个特点：
1、与MCS-51单片机产品兼容，完全可采用51指令系统用汇编或C51编程；
2、8K字节在系统可编程FLASH存储器，并且有1000次擦写周期，这使得。
调试程序和下载程序十分方便；
3、全静态操作，工作频率范围为0Hz~33MHz，频率范围宽，便于系统功耗控制；
4、三级加密程序存储器，使程序和系统更加难以仿制，确保了产品的知识产权；
5、32个可编程I/O口线，每个I/O都可以独立或联合使用，实现不同的数据操作，而且PI端口的高三位第二功能为ISP编程，实现在系统调试；
6、三个16位定时器/计数器，其中定时器2也可以作为串口波特率的产生；
7、八个中断源，分为两个优先级，可软件设置；
8、一个全双工通用异步接收发送数据借口，以便与外设进行串行数据通信；
9、有低功耗空闲和掉电模式，掉点后可由中断唤醒，可设置掉电标识符；
10、宽工作电压范围，VCC为2.7~5.5V，与TTL电平和CMOS电平兼容；
总之，AT89系列单片机与MCS-51系列单片机相比，前者和后者有兼容性，但前者的性能价格比等指标更为优越。
因此，选用AT89S52单片机可实现温湿度检测系统的功能，下图为该单片机的DIP40封装外观和引脚功能：
图2-1单片机的引脚图
根据单片机的推荐外围电路，复位（10K电阻，10uf电容）、晶振（12MHZ，电容22pf）电路设计如上图所示：
图2-2单片机复位电路
图2-3单片机晶振电路
2.2传感器的选用
2.2.1初期设计
本设计的初期构想是用一个温度传感器和一个湿度传感器来检测环境中的温度和湿度参数，其中温度传感器选用单总线数字温度传感器DS18B20，湿度传感器选用数字式湿度传感器SHT11，则检测部分功能框图如下：
图2-4传感器初期设计方案
比较DS18B20和SHT11,这两个传感器的通信都比较复杂，具体过程为：
主机发起通信、传感器确认通信、主机给传感器写命令字、传感器给主机发送检测数据，且SHT11还要求外部输入串行时钟信号。
这种通信的复杂，不仅体现在硬件电路的设计上，而且体现在程序的设计上，并且串行通信对时序要求比较严格，这样对单片机来说将是一个巨大的挑战，何况单片机还要进行其他的后续控制处理。
除此之外，这两大传感器的价格都不菲，DS18B20在8元左右，而SHT11则在50元左右，这对支付能力也是一个巨大的考验。
因此，这种方案不可取，必须寻求其他的传感器解决方案，从而简化硬件电路和程序设计，让单片机有更多的内外部资源来处理后续操作。
2.2.2最佳方案
后期采用单总线数字温湿度传感器DHT11。
这款传感器由广州奥松电子科技有限公司研发，与单片机的通信十分简洁方便，无需外接时钟信号，通信如下：
图2-5单总线数字温湿度传感器DHT11与单片机通信
除此之外，它还有很多突出的优点:
（1）温湿度传感器的一体化结构能同时对相对湿度和温度进行测量，并以数字信号输出，从而减少用户对信号的预处理负担；
（2）独特的单总线数据传输线协议使得读取传感器更加便捷，而且还有全部校准数据字节，编码方式为8位二进制数；
（3）40位二进制数据输出，高位先出，格式为：
湿度整数部分8位，小数部分8位；温度整数部分8位，小数部分8位，最后8位为校验字节，为前32位数据的和。
（4）宽工作电压，几乎与AT89S52的电压相同，为3~5.5V，而且功耗较低，通信最大电流为2.5mA。
其简要的性能参数如下表所示；
表2-1温湿度传感器DHT11性能参数
从表中可以看出，它的测量范围较小，但对实验或民用已经足够了，如果要工业使用的话，可选用该公司的同类工业级产品AM323，测量范围为-55.0~+125.0度，测量范围为0.0~100.0%RH,并且可以和DHT11完全互换。
2.2.3电路设计
按照说明书的要求，DHT11与单片机的连接距离小于20米时，需要在VCC和DATA引脚之间接一个5K左右的电阻，因此电路设计如下：
图2-6温湿度传感器DHT11与单片机连接电路
至此，传感器的硬件电路设计完成，另一部分的工作就是编程问题，在下一章节介绍。
2.3数码管驱动电路设计
2.3.1数码管的选用
由于温湿度传感器DHT11测温范围为0～50℃，测湿范围为20～90%RH，温度和湿度都是两位数据，因此可以用两个两位一体的数码管来显示温湿度数据，共阴极或共阳极都可以，本设计中选用两个型号为FJS5202FH型共阳极红色两位一体的数码管。
2.3.2驱动电路的设计
数码管驱动软件设计有两种方案，一种是静态驱动，即四位数码管的段选信号和位选信号，分别接入控制器的端口，需要8×4+4=36个端口；另一种是动态驱动，段选信号线公用，而位选信号分开控制，需要8+4=12个端口。
考虑到单片机可用的I/O引脚只有32个，为不扩展引脚而外加芯片，因此采用动态驱动方式较合理。
数码管驱动电路一般也有两种设计方案，一种是使用八D锁存芯片74HC373或74LS373锁存驱动，另一种是用三极管放大驱动。
市场上74HC373芯片较74LS373芯片价格便宜也为2元左右一块，而三极管只有0.2元左右，四个三极管共8角钱，相对来说比较经济实惠，因此选用后一种方案。
而相关器件电气参数为：
（1）红色共阳极数码管（实际上是八个并联的红色LED）的电压范围1.5～2.0V，最大工作电流为20mA×8=160mA;
（2）单片机每个引脚灌电流（外部电流流入单片机）大约为24mA，拉电流（单片机电流流入外设）小于1mA。
根据这两项参数，初步确定三极管选用90系列PNP型，用集电极接数码管位选引脚，基极用电阻限流后接单片机引脚予以位选控制。
再考虑数码管电流的限定，符合要求的三极管只有8550和9012，其简要参数见下表：
表2.2可选三极管参数
由表可以看出，8550的电流和功率都很大，既浪费资源又不利于降低系统功耗，因此选用9012较为合适。
因此，这部分的电路设计如下：
图2.7数码管段选信号与单片机连接电路
图2.8数码管位选信号与单片机连接电路
用单片机P0端口作为数码管段选信号，P2端口的高四位作为位选信号，四个电阻的粗略大小为：
R=（VCC-VEB）/Ib=（5.5V-0.7V）/1mA=4.8K，可选用E24系列的电阻4.7K或5.1K。
2.4报警电路设计
本设计需要指示一种温湿度正常状态、一种数据发送状态和四种超限报警状态，即温度超下限，温度超上限，湿度超下限，湿度超上限，可采用简单的声（蜂鸣器）光（LED）报警电路。
LED颜色和状态及蜂鸣器状态分配如下表所示：
表2.3报警指示状态分配
注：
“——”表示LED熄灭或蜂鸣器无声。
2.4.1蜂鸣器驱动电路
根据蜂鸣器的参数：
电压1.3～1.5V，电流20～80mA，电阻6～8Ω知，可用选用集成放大芯片LM386驱动，但更经济的是用一个三极管9012或8550驱动即可，电路如图所示：
图2.9蜂鸣器报警驱动电路
2.4.2LED驱动电路
根据LED的参数：
电压1.5～2.5V，电流10～20mA，则可用一电阻对电源进行下拉，限流分压后，LED阴极接入单片机予以控制，电阻阻值大约为：
R=（VCC-VLED）/I=（5.5V-2V）/10mA=350Ω，
选用330Ω或360Ω的电阻即可，具体电路如下图所示：
图2.10报警LED驱动电路
2.5控制输入电路设计
本设计的控制输入部分为简单的三个按键，由于单片机默认状态下端口引脚为高电平，可以接上按键与地相连，单片机检测按键端口的电平情况来决定是否有按键按下和哪个按键被按下，抖动问题采用软件延时方式，减少硬件电路设计，电路如图所示：
图2.11控制输入按键连接电路
经过上述对各个模块的分布设计，现在可给出系统主体部分的原理总图。
图2.12系统主体部分原理总图
考虑到PCB设计单面板布线的可行性，单片机的外部资源（端口引脚）分配按下进行：
传感器DHT11数据线——P11；
蜂鸣器HXD驱动三极管基极——P10；
程序调试ISP插座——P15、P16、P17；
按键KEY1、2、3——P32、P33、P35;
串口RXD、TXD——P30、P31；
数码管段选信号、位选信号——P0、P23、P24、P25、P26；
LED绿、黄、红——P22、P21、P20。
2.6串口通信电路设计
单片机AT89S52有一个全双工的UART接口，即RXD（P3.0）和TXD（P3.1），因此可以用来和上层设备如PC通信，但是由于PC的串口使用RS232电平通信协议，而单片机使用TTL电平通信协议，这两种电平的特点见下表：
表2.4RS232和TTL电平标准比较
比较两表，可以看出RS232电平和TTL电平并不兼容，为使单片机和PC通信，必须先转换电平，可采用新型集成芯片MAX232实现数据发送转换和接收转换的双重功能，依据芯片手册上的推荐电路，经合理简化后设计的串口发送数据部分电路为：
图2.13通信串口电路
其中J1与单片机串口相连，J2经针脚到插孔的RS232数据线与电脑相连，即可实现电脑和单片机的全双工通信。
2.7稳定电源电路设计
按照设计要求，系统供电要求多样化，除了交流220V的市电是必用的外，还应该具备其他供电要求，如太阳能电池，各种安全直流电压源等，而且还应该有一定的蓄电能力。
考虑到市电电压太高且为正弦变化，而太阳能电池输出电压不稳定等问题，必须要对市电进行降压，对变动的电压进行稳压，而单片机系统的电压要求在5V左右，因此，可考虑用集成稳压模块LM7805进行终端稳压。
LM7805是三端正5V电源稳压器件，输入电压为直流5～24V，输出电压为4.8～5.2V，最大允许电流为1.5A，有电流限制、热过载保护和短路保护功能，确保输出电压正常稳定。
具体电路设计如下：
图2.14稳压电源电路
该电路有四个电源插座，其中J1为市电AC220V供电输入，J2为太阳能电池或其他输出直流为5～24V的电压源的输入，J3为充电输出接口，可为充电电池（1.2V×4只）恒流充电，J4为系统供电+5V电压输出端口，由此接到系统的电源端。
当用市电供电时，先经过220V/12V的变压器T1把电压降低至有效值为12V的交流电，再用电桥BR1进行全波整流为有效值12V（峰值大约为17.0V）的脉动电压，然后前置电容EC1和C1滤波，经LM7805稳压并后置电容C2滤波，输出大约为稳定的+5V直流电，一部分为系统供电，另
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