基于单片机的温湿度检测系统硬件设计.docx

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基于单片机的温湿度检测系统硬件设计

基于单片机的温湿度检测系统硬件设计

摘要

随着人们的生活及其生产水平的不断提高，对生活环境和生产环境的要求就显的尤为重要,温湿度的控制就是一个典型的例子，因此温湿度检测系统就是现代生产生活中应运而生的一种智能、快捷、方便可靠的检测系统，特别是在工业生产中如果检测得不准确就会发生许多的生产事故。

如化工生产中对温度的检测不当就会导致生产效率的降低和产品质量的下降。

而现在所使用的温湿度检测系统通常都是精度为1℃或0.1℃的水银、煤油或酒精温度计进行的温度检测和用传统的物理模拟量的方法进行的湿度检测。

这些温湿度检测计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。

要为现代人工作、科研、生活提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。

本设计是以单片机（AT89S52）为核心，配合温度传感器（DS18B20）和湿度传感器（HIH-3610），以及相关的外围电路组成的检测系统，可以接收所测环境的温度和湿度信号，检测人员可以通过数码管显示的数据，实时监控环境的温度和湿度情况。

所有的测量操作都可以通过主机控制软件来实现，温度和湿度传感器得到的测量信号，经电路转换为电信号，然后湿度通过光电耦合送到单片机进行数据处理，经软件分析处理后送显示装置。

本系统是硬件设计,可靠性高，结构简单，实现了对温湿度的自动调节。

系统还应用RS232与上位机相连接，可以设置自动记录温度、湿度的相关的参数，也可以设置每隔一定的时间自动记录，可用在气象的观察方面。

关键词：

AT89S52单片机，温度传感器，湿度传感器，LED显示

DesignofTemperatureandHumidityDetectionHardwareSystemBasedonMicroproccessor

ABSTRACT

Aspeople'slivingandproductionlevelscontinuetoimprove,Livingenvironmentandproductionenvironmentfortherequirementsofmostimportancetopeople.Temperatureandhumiditycontrolisatypicalexample,thetemperatureandhumiditydetectionsystemcameintobeingofmodernproductionandlifeofasmart,fast,convenientandreliabledetectionsystems,particularlyintheindustrialproductionwilloccurifthetestwasnotpreciseManyindustrialaccidents.Suchaschemicalproductioninthedetectionofimpropertemperaturecancausereducedproductivityandproductqualitydecline.Andnowthetemperatureandhumiditydetectionsystemusedisusuallyanaccuracyof0.1℃or1℃mercury,keroseneoralcoholthermometerfortemperaturemeasurementandtheuseoftraditionalmethodsofphysicalanaloghumiditytesting.Thetotalscaleoftemperatureandhumiditytestingisusuallyverycloseintervals,noteasytoaccuratelydistinguish,readingdifficulties,andtheirrelativelylargeheatcapacity,thetimerequiredtoreachthermalequilibriumlonger,makingitdifficulttoreadaccurate,andveryinconvenienttouse.

Workformodern,scientificresearchandtoprovidebetterandmoreconvenientfacilitiesneedtostartfromasinglechiptechnology,alltowardthedigitalcontrol,intelligentcontroldirection.Thedesignisbasedonmicrocontroller（AT89S52）asthecore,withthetemperaturesensor（DS18B20）andthehumiditysensor（HIH-3610）,andrelatedperipheralcircuitsofthedetectionsystem,canreceivethemeasuredsignalistemperatureandhumidityenvironment,inspectorscanthroughthedigitaldisplayofdata,real-timemonitoringtheenvironmenttemperatureandhumidityconditions.Allofthemeasurementoperationcanbeachievedbythehostcontrolsoftware,temperatureandhumiditysensorsaremeasuringthesignal,thecircuitisconvertedtoelectricalsignals,thenamplifiedbyacertainchipconvertertothemicrocontrollerfordataprocessing,thesoftwareanalysisdisplaydeviceprocessingevacuation.

Thesystemincludeshardwareandsoftwaredesign,highreliability,simplestructuretorealizetheautomaticadjustmentoftemperatureandhumidity.ApplicationRS232systemalsoisconnectedwiththehostcomputer,youcansetupautomaticrecordingoftemperature,humidityrelatedparameterscanalsobesetautomaticallyrecordsthetimeintervalscanbeusedintermsofmeteorologicalobservation.

KEYWORDS:

AT89S52microcontroller,temperaturesensor,humiditysensor,LEDdisplay

1绪论

1.1课题的研究背景

工业生产中有些场合需要使用精密的机台设备，这些设备的精密度高、价格高，因此为了保证产品的质量及机台的使用寿命，对其环境的要求也很高，尤其的是对温度、湿度的控制。

随着信息产业的发展及工业化的进步,温度和湿度不仅仅表现在以上几个方面直接或间接影响着人类基本生活条件,还表现在对生物制品、医药卫生、科学研究、国防建设等方面的影响。

针对以上情况，研制可靠且实用的温湿度控制器显得非常重要。

常用温湿度传感器的非线性输出及一致性较差，使温湿度的测量方法和手段相对较复杂，且给电路的调试带来很大的困难。

传统的温湿度测量多采用模拟小信号传感器，不仅信号调理电路复杂，且温湿度值的标定过程也极其复杂，并需要使用昂贵的标定仪器设备。

因此对于温湿度控制器的设计有着很大的现实生产意义。

本文设计的是基于单片机AT89S52的温湿度检测和控制系统，主要以广泛应用的DS18B20和HIH-3610作为温度和湿度的检测，该仪器具有测量精度高、硬件电路简单、并能很好的进行显示，可测试不同环境温湿度的特点。

另外和控制电路相连，可以进行加湿电路和除湿电路的控制，使温度和湿度参数在预先设定的范围内，不需要人的直接参与。

本系统还通过RS232和上位机相连，可以设置每隔一定的时间进行温度和湿度的采集，上传到上位机，以供查询。

1.2温湿度传感器技术的现状及发展趋势

在后工业化时代，信息技术对社会的发展及科技的进步起了决定性作用，传感器技术、通信技术、计算机技术构成了信息技术的三大支柱。

传感器技术是2l世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。

从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。

我国从20世纪80年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。

21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术必将得到较大的发展。

传统的温度测量是从金属（物质）的热胀冷缩开始。

水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。

可是它的缺点是只能近距离观测，而且有毒。

代替它的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低。

在电气时代主要发展了金属热敏电阻。

如铜电阻、镍电阻、铂电阻等，它们的特点是稳定性好、耐高温，如铂电阻有的可达六、七XX。

但它们的缺点是灵敏度低，当传输线路长短不等时，需要进行温度补偿。

热敏电阻的另一分支是金属氧化物半导体型热敏电阻，作为测温用的是负温度系数热敏电阻（NTC）,它由多种金属氧化物粉混合烧结而成，其主要优点是灵敏度高。

过去的缺点是一致性差，现由于改进配方问题基本解决，测量精度可达0.1%以内，能满足工业要求。

更高温度测量需使用热电耦。

该类热电偶最高测量温度可达+3000℃，是目前冶炼不可缺少的仪器设备。

不过它的缺点是线性不好，冷端需要温度补偿[3]。

近年发展起来的有PN结测温器件。

这类器件的优点是在-50℃~+150℃范围内有良好的特性，体积小、响应时间快、价格低。

但它的缺点是一致性差、不易做到互换，而且PN结易受外界、幅射的影响，稳定性难以保证。

石英晶体温度检测器的测量精度较高，一般可检测到0.001℃，可作标准检测之用。

光纤传感器技术是本世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。

检测精度在±1℃以内，测温范围可以从绝对0~+2000℃。

激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量。

用氦氖激光源的激光作反射计，可测很高的温度，精度达1%；用激光干涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度，上限可达+3000℃，专门用于核聚变研究，但在工业上应用还需进一步开发和实验。

微波波温度检测器是利用在不同温度下，温度与控制电压成线性关系的原理制成的。

这种检测器的灵敏度为250kHz/℃，精度为1%左右，检测范围为+20~+1400℃。

近几年来，随着微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的发展，人们开发出将温度传感器和数字电路集成在一起的新型数字式集成温度传感器。

数字式温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路，有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

与模拟传感器相比，数字式传感器在精度、分辨率、可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点，由于采用数字反馈方式，比较器的失调电压和零点漂移不会影响温度的转换精度，而且，输出的温度数据和相关的温度控制量可以适配各种微控制器。

目前，数字式温度传感器的总线技术已实现了标准化、规范化，主要有单线（1-Wire）总线、

总线、SMBus总线和SPI总线。

温度传感器做为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。

受半导体器件本身限制，数字式传感器还存在一些不够理想的地方。

比如实际应用时需加修正值，测温范围不宽，一般为-50～+l50℃。

虽然存在一些不足，但是充分利用微处理器技术发展数字化、集成化和自动化的温度传感器仍是温度传感器的发展方向之一。

国外在湿度传感器研制方面起步较早，目前日本、德国、美国处于国际领先地位，测量范围可实现全湿范围测量，且精度可达到±2%RH。

国内湿度传感器研制与生产方面，开始于二十世纪八十年代，且研究单位多于生产厂家，多数从事电解质、陶瓷类以及高分子类传感器的研制与开发。

近几年，国外湿度传感器有了较大的发展，特别是电阻式湿度传感器发展更快，人们不仅在电阻式陶瓷湿度传感器特性方面做了大量工作，而且在高分子电阻式湿度传感器上做出可喜的研究成果，这种传感器稳定性好、精度高、响应特性优，这是应当引以重视的技术动向。

根据工业自动化控制的需要，国内外正在开展新一代湿度传感器的研制与开发。

目前，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、温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

随着大规模集成电路技术和光通信技术的发展，信息的传输、处理技术有了突破性的进展，发展相对滞后的传感器技术业已得到全世界的普遍重视。

因此，今后一个时期传感技术将成为人们研究的新热点，并有可能形成较大产业。

传感器技术未来将向以下几个方面发展：

（1）高精确度。

为了提高测控精度，必须使传感器的精度尽可能地高。

（2）小型化。

很多测试场合要求传感器具有尽可能小的尺寸。

（3）多功能集成化。

研究多功能集成传感器是传感器发展的一个重要方向。

有两种类型。

一种是将传感器、放大器及温度补偿电路等集成在同一芯片上，减小体积，增强了抗干扰能力。

另一种是在一个芯片上集成多种功能敏感元件或同一功能的多个敏感元件。

例如温湿度一体化传感器，一个芯片可同时检测温度和湿度。

（4）数字化。

为了使传感器与计算机直接接口，致力于数字式传感器研究是很重要的。

（5）智能化。

这种传感器一般是计算机与传感器相结合的复杂系统。

它兼有检测、信息处理、推理、联想和控制等各种功能，重点是具有逻辑功能，是传统传感器无法比拟的。

智能传感器的出现将是传感技术中的一次飞跃。

1.3本课程设计的主要内容

本设计主要做了如下几方面的工作:

一是确定系统的总体功能设计方案，二是进行智能传感器的硬件电路的设计，三是单片机及通信接口的硬件电路设计。

本文将信息采集技术、信息传输技术、信息存储技术及信息处理技术等相互融合，将温室环境多种参数监测和单片机控制理论相结合，提出一种切实可行的温室环境监测系统，可以全面、实时、自动地对监测数据进行自动记录、存储和处理，并将有关信息根据现场实际情况，采用最有效方式送入计算机进行处理，并可对监测系统进行远程控制。

满足了对作物生长状态实行全面、实时、长期监测的要求。

与传统监测系统相比，本系统具有以下优点：

（1）传感器设计成智能型，可以增加系统数据采集速度，减轻监控计算机的负担。

（2）增加了辅助存储功能，在监控计算机不工作的时候，采用多媒体存储卡存储采集据。

（3）单片机的设计提高了系统的监测速度，系统的可靠性、实时性都有很大的提高。

（4）对模拟设备采集到的数据，为防止失真，采用了数据插值算法。

（5）利用蜂鸣器，超限报警。

1.4本论文结构

本论文共有五章，分别对无线测温系统硬件设计部分和监控软件部分进行详细的介绍。

第一章绪论，介绍温湿度传感器的发展状况。

第二章是系统总体设计方案的确定，温湿度传感器，单片机，显示模块的选择。

第三章是对检测系统的硬件电路功能描述，包括温度信号采集模块、湿度采集模块、单片机、温度报警模块等。

第四章是系统的硬件设计和连接，包括显示模块的连接、温度和湿度采集模块和单片机的连接、报警电路的设计等。

第五章是总结与展望。

2系统总体方案设计

该系统以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统。

该系统，可分为温度测量电路、湿度测量电路、显示电路、蜂鸣器报警电路，与上机位连接电路。

选用的主要器件有:

温度传感器DS18B20，湿度传感器HIH-3610，单片机AT89S52，6数码管显示模块，MAX232，集成定时器555芯片等。

2.1系统功能的设计

系统要完成的设计功能如下：

（1）实现对温室温湿度参数的实时采集，测量空间多点的温度。

湿度根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温、湿度敏感点进行测量，由单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，实现温湿度的智能、多空间点的测量。

（2）实现超限数据的及时报警。

（3）现场监测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力。

并具有存储、远程通信功能。

（4）通信系统具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。

与计算机通讯功能，采用RS232串行通讯方式最远传输距离为20米。

（5）长时间测量数据记录功能：

可以根据需要设置数据记录时。

间间隔，数据存入数据存储器。

要求达到的技术指标：

测温范围：

-20℃~100℃

测温精度：

0.5℃

测湿范围：

0-100%RH

测湿精度：

2.5%RH

2.2系统设计原则

要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。

（1）可靠性

高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准则。

提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑：

使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出通道抗干扰措施；进行软硬件滤波；系统自诊断功能等。

（2）操作维护方便

在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利于系统的推广。

因此在设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法。

同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。

2.3系统总方案的选定

2.3.1主控制器方案的选型

单片机的选择

单片机是系统的控制核心，所以单片机的性能关系到整个系统的好坏。

因此单片机的选择，对所设计系统的实现以及功能的扩展有着很大的影响。

单片机种类很多，在众多51系列单片机中，较为常用的是ATMEL公司的AT89C51和AT89S52单片机，AT89C51片内4K，ROM是Flash工艺的，使用专用的编程器自己就可以随时对单片机进行电擦除和改写，片内有128字节的RAM。

而AT89S52含有在系统可编程的Flash存储器，片内有8K闪存，RAM的容量也较AT89C51大，为256字节。

显然这种单片机优点更多，开发时间也大为缩短。

因此，在本次设计中选用了ATMEL公司的AT89S52单片机。

温度传感器选用

随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，数字式温度传感器也得到了快速发展，世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列。

这些产品的出现极大的丰富了设计工程师的选择对象。

在如此众多的产品中选择出合适的器件，应该把握以下几点：

外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用MCU的I/O

引脚数情况如何，因为MCU的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约；与MCU的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。

目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有Philips公司的I2C总线、Motorola公司的SPI总线、NationalSemiconductor公司的Microwireplus总线、DallasSemiconductor公司的1-Wire总线和Siemens公司的Profibus总线等。

常用的数字温度传感器主要有：

（1）AD7418是美国模拟器件公司（ADI）推出的单片温度测量与控制用集成电其内部包含有带隙温度传感器和10位A/D转换器。

测温范围为-55℃~+125℃，具有10位数字输出温度值，分辨率为0.25℃，精度为±2℃，转换时间为15~30ms。

具有体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境干扰等优点。

AD7418可以级联至多8片在同一个I2C总线上。

（2）LM74是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、A/D数转换器，并具有SPI/Microwire兼容总线接口的数字温度传感器。

具有抗干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。

在传感器通电工作后自动按一定速率对温度进行检测，并在片内寄存器中存储转换的温度值，主机可以在任意时刻读出传感器温度值。

LM74具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过10μA,适用于对功率消耗有严格限制的系统。

LM74的模数转换器为12位外加符号位，因此在其有效工作范围内可达0.0625℃的分辨率，转换时间为425ms。

（3）MAX6575L/H是美国MAXIM公司的一种单总线式数字温度传感器，具有较好的线性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。

测温范围为-40~+125℃，其误差范围：

在25℃时优于±3℃在85℃时优于±4.5℃，在125℃时优于±5℃。

但是MAX6575L/H在其测温范围内非线性误差较大，因此，当它用于高精度温度测量时，必须对其进行非线性补偿。

它最多允许在一根MCU的I/O总线上同时挂接8个MAX6575L/H进行多点温度测量。

为了避免多个传感器同时测温时有重叠的现象MAX6575提供了“L”和“H”两种型号的传感器,它们的使用方法相同,而且每一种型号的传感器又可以通过时间选择引脚。

但是，MAX6575L的远距离传输特性并不理想，传输范围只能在5m以内，超过此范围将采集不到被测温度数据，这也是这种器件的一个弊端。

（4）DS18B20是美国Dallas半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。

DS18B20的测温范围-55~+125℃，最高分辨率可达0.0625℃，由于每一个DS18B20出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。

Dallas公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特点：

（1）适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性；

（2）