数显温湿度播报及报警系统设计大学论文.docx
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数显温湿度播报及报警系统设计大学论文
数显温湿度播报及报警系统设计
VoiceBroadcast,AlarmSystemofTemperatureandHumidityShowedbyLCD
姓名：
学号：
专业：
__________________
年级：
2011级
系别：
物理与电子工程学院
完成日期：
指导教师：
周萍
海南师范大学
本科生毕业论文（设计）独创性声明
本人声明所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中没有抄袭他人研究成果和伪造数据等行为。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
论文（设计）作者签名：
日期：
本科生毕业论文（设计）使用授权声明
海南师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。
本人授权海南师范大学可以将本毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复印手段保存、汇编毕业论文（设计）。
论文（设计）作者签名：
日期：
指导教师签名：
日期：
目录
1.引言1
2.方案设计与论证2
2.1微控制器的选择3
2.2控制芯片的选择.4
2.3温度传感器的选择5
2.4稳压芯片的选择7
2.5LCD1602的论证8
3.电路的设计9
3.1系统总体框图.10
3.2稳压电源电路11
3.3单片机系统电路12
3.4显示与数据预置电路13
3.5数据采集电路14
3.6电路板PCB图及实物图15
4.程序的设计16
4.1程序功能描述与设计思路.17
4.2程序总流程18
5.测试环境结果分析19
5.1测试结果及分析................................20
5.2编译环境......................................21
5.3小结..........................................22
参考文献23
附录（源代码）23
摘要
本设计采用成本较低，且内存足够本人使用下载方便的STC12C5A60S2单片机、温湿度传感器SHT10、时钟芯片DS1302、液晶显示芯片LCD1602、语言芯片ISD1760、蜂鸣器等基本实现了数显温湿度播报及报警的功能。
该系统选AT89C52单片机作为微控制器，涉及了温湿度的测量，显示，以及一些其他的简易控制。
实物设计分为单片机微控制部分，LCD1602显示部分，声光报警部分，温湿度传感器部分，语音报警部分和按键部分。
以单片机STC12C5AS2为核心，采用SHT10来检测温湿度，并通过LCD1602来温湿度、时间和日期的交替显示，以及采用了语音芯片实现语音播报功能，温湿度超过设定值时将通过声光信息发出报警。
【关键词】：
DS1302；温湿度传感器SHT10,按键；单片机；ISD1760；LCD1602；蜂鸣器
Abstract
Thisdesigneradoptsthelowercostandcommonlyusedsinglechipmicrocomputer（STC12C5A60S2）、thetemperatureandhumiditysensor（SHT10）、theclockchip（DS1302）、theliquidcrystaldisplaychip（LCD1602）、voicechip（ISD1760）、buzzerandsoonachievedfunctionsofthissystem.ThissystemusesAT89C52singlemicrocomputerchipasmicrocontroller,involvesthemeasurementoftemperatureandhumidity，display，andothersomesimplecontrol。
Physicaldesignisdividedintosinglechipmicrocontrolparts,LCD1602displaypart,soundandlightalarm,temperatureandhumiditysensors,voicealarmpartsandbuttons.ThissystemisbasedonMCUofAT89C52.ItcandetecttemperatureandhumiditywiththesensornamedSHT10,andalternatelyshowedtemperature、humidity、timeanddateonLCD1602.Italsohasthefunctiontobroadcast.Whenthetemperatureandhumiditymorethanthepresetone,youwillbesentthesoundinformation.
【Keywords】：
DS1302；Thetemperatureandhumiditysensor（SHT10）；Button；singlechipmicrocomputer；ISD1760；LCD1602；buzzer
1.引言
当下日新月异的经济发展模式，对生产管理体系的要求也越来越趋近于机械化,自动化，各行各业都是如此,带有温湿度上下限报警功能的数显温湿度播报及报警系统能够监控车间，机房，医药库房，农用大棚等等正是顺应了这一趋势。
例如食品会在一定的温度下才得以完好储存，超过这个温度就会发生食品不安全问题，引发消费者和商家的纠纷。
温室大棚的蔬菜也只能在设定的温度下才能生长，不会死亡，给农民带来收入。
以及档案的保存也只能在一定的温度下才能使保存年限更加长久。
尤其是现在的医药行业更是对温湿度的要求甚至可以说是苛刻。
在以前，这些都需要效率十分低下的人工轮流值班，巡回看守，定时去测量，记录，这其中机会产生很多的不客观因素，甚至有些极端环境下人也无法测量，为了更高效，更准确的得到人们想要的数据，并能够在不适环境下及时做出补救就必须有一套科学的，先进的管理方法，用以对不同环境各个时期所需的温度及湿度等进行实时的监控，超出预设值及时报警。
数显温湿度播报及报警系统代表了一类自动控制的方法，具有十分重要的实际意义。
STC12C5A60S2单片机是最简单也是最常用的控制芯片，其功能强，易于学习，体积小，价格低的特点使得它在智能仪器仪表、工业检测控制等方面广泛的被使用，并且在大学期间我们所用的控制器基本是它，所以使用它也会节省我们的时间，阶跃我们的成本。
当然，用其作为温湿度控制系统的例子也非常多。
使用STC12C5A60S2型单片机设计数显温湿度播报及报警设计系统，可以及时、准确的反映室内的温度以及湿度的变化以及记录这些变化发生的日期时间并能在温度湿度超过的设定的上下限时发出警报。
2．方案设计与论证
2.1微控制器的选择与论证
方案一：
选用ARM高性能芯片，但因本科阶段所学并不是该芯片，且它价格昂贵，不适于用于做毕业设计，故在此否决方案一。
图2.1.1ARM芯片
方案二：
使用大规模可编程器件，如本科所学FPGA，CPLD,但综合考虑也不采用。
方案三：
采用一片AT89C52芯片来作为微控制器，功能强，体积小，价格低廉，关键这块芯片我们可以熟练使用。
它的性能也足够本设计使用。
方案四：
选择STC12C5A60S2，和AT系列同样强大，只因AT系列并口编程方式，下载时需要一个74HC244来做并口通信电路，本人觉得麻烦，就选择了通过串口编程的STC系列，但是因程序没有时间最优化，占据内存很大，又懒得优化所以选择了方案四所选择的芯片。
图2.1.2单片机STC12C5A60S2
2.2温湿度传感器的选择与论证
温湿度传感器根据现有的条件，主要有两种选择：
方案一：
采用温湿度传感器DHT11，它有出色的长期稳定性，功耗也非常低，超长的信号传输距离，可是由于精度达不到本设计要求，故排除此方案。
图2.2.1DHT11温湿度传感器芯片
方案二：
使用将温湿度传感器，信号放大调理，A/D转换，总线接口集于一身的SHT10芯片，并且考虑到价格问题，我选择了贴片形式的芯片。
所以本系统中采用SHT10。
图2.2.2SHT10温湿度传感器
2.3时钟电路的选择与论证
方案一：
采用DS12C887来实现日历时钟的显示，DS12C887自带内置晶振元和锂电池，并口操作，功能齐全，但考虑到成本过高，且怕买到翻新或者是旧的芯片，电池不够用，决定不予使用。
图2.3.1DS12C887时钟芯片
方案二：
使用DS1302芯片作为时钟电路模块主要芯片，随时串口操作，功能单一，外部带有晶振，但是价格相对较低，故选择方案二。
图2.3.2DS1302时钟芯片
2.4LCD显示模块的选择
显示电路采用LCD1602液晶显示，模块小，使用起来也相对方便，操作很简单。
图2.4.1LCD1602芯片
2.5语音芯片的选择与论证
方案一：
采用ISD1400语音芯片，该语音芯片的外围电路驱动非常简单可行，可是它的录音时间非常短暂，仅仅只有20秒钟，录音效果也没有ISD1760好，因此在本模块中不予使用。
图2.5.1ISD1400语音芯片
方案二：
使用芯片ISD1760，它的高性能，以及集成度也非常高，这里选择它来完成语音播报功能。
图2.5.2ISD1760
故，选择方案二。
3．硬件电路的设计
3.1总体框图
图3.1.1系统组成原理框图
3.2单片机最小系统
单片机最小系统由STC12C5A60S2,，晶振电路和复位电路组成。
单片机STC12C5A60S2
外围焊接了插针，引出I/O口，便于后期调试。
晶振电路使用12M晶振，产生固定的时钟信号，用于单片机的触发操作；晶振的引脚1和引脚2分接30pF电容用于滤波，使时钟信号更加平稳。
复位电路的REST端接单片机的复位端引脚9，当按键K1按下时，单片机的复位端引脚9通高电平，单片机产生复位。
图3.2.1最小系统原理图
3.3按键电路
按键电路由可自复位按钮组成，按键K3-k8的一端通过跳线和单片机的I/O连接，另一端接公共地。
当K3按下时，P3.2引脚变为低电平，IE0被置为1，请求中断于CPU，执行外部中断0内的程序，调整当前日期、时间；当进入调整日期、时间模式时，每按一次K3时，分别调整秒、分、时、星期、日、月、年数值，按K5为加，按K6为减，最后再按一次K3时，退出该模式，回到初始状态。
当K4按下时，P3.3引脚变为低电平，IE1被置为1，请求中断于CPU，执行外部中断1内的程序；如果P3.3是长按的话，松开后进入摄氏温度与华式温度转换功能；如果是短按的，松开后进入设定最高、最低温湿度报警值模式；当进入设定最高、最低温湿度报警值模式时，每按一次K4时，分别调整最高温度报警值、最低温度报警值、最高湿度报警值、最低湿度报警值，按K5为加，按K6为减，最后再按一次K4时，退出该模式，回到初始状态。
当按下K7时，实现实时播报。
K8为预留键，用于功能扩展。
按键电路的原理图如下图所示：
图3.3.1按键电路原理图
3.4LCD时钟显示电路
LCD时钟显示电路由DS1302，LCD1602和10K电位器组成。
DS1302有8个引脚，引脚1接备份电源端，备份电源由3节1.5V干电池串联供电；引脚8接主电源端，当主电源VCC1电压小于备份电源端VCC2电压0.2V时，由备份电源端给本芯片供电，防止芯片计时停止；引脚2和引脚3接32.768K晶振，提供时钟信号用于芯片自身计时；引脚4接地端；DS1302采用SPI总线驱动方式，引脚5接单片机的I/O口P2.2，引脚6接单片机的I/O口P2.3，引脚7接I/O口P2.4，它们用于DS1302和单片机建立通信连接，读取当前DS1302的时间和日期数据用于LCD1602显示以及写入欲置入本芯片的时间和日期数据。
LCD1602有16个引脚，引脚1接地端，引脚2接电源端，引脚3接电位器的V0引脚2，调节电位器可以调整显示器对比度；引脚4~6接单片机的I/O口P2.5~7，用于LCD的读写控制；引脚7~14接单片机的I/O口P0.0~7，用于传输地址和数据给LCD；引脚15接电源端，引脚16接地端，用于LCD的背光供电。
时钟显示电路的原理图如图所示：
图3.4.1时钟显示电路
3.5温湿度数据采集电路
温湿度数据采集电路由温湿度传感器SHT10组成。
SHT10有8个引脚，引脚1接地端；引脚2接单片机的I/O口P3.1，用于单片机读取传感器的温湿度度数据；引脚3接单片机的I/O口P3.0，用于单片机和SHT10之间的同步通讯；引脚4接电源端；引脚5~8悬空，主要作用是焊接时固定芯片。
图3.5.1温湿度数据采集电路
3.6声光报警系统
声光报警系统由三极管S8550，5V有源蜂鸣器，红、绿色LED灯，100K电阻组成。
S8550是PNP型三极管，B极引脚2接单片机的I/O口P2.0，E极引脚1接蜂鸣器的负极引脚2，C极接地端。
5V有源蜂鸣器自带驱动电路，当导通时就能发出声响。
红色LED灯的负极通过100Ω电阻接单片机的I/O口P2.1，正极接VCC端；100K电阻的作用是限流，防止LED和单片机I/O口灯烧坏。
当温湿度超过设定的范围值时，使单片机的I/O口P2.0和P2.1由高电平变为低电平，红色LED灯由暗变亮，三极管S8550导通，从而蜂鸣器导通发出声响，产生声光报警。
图3.6.1声光报警系统原理图
3.7语音播报电路
图3.7.1语音播报模块
3.8系统总体电路及电路板PCB图
整个系统的原理图和PCB如下：
图3.8.1系统原理图
图3.8.2电路板PCB
4程序的设计
4.1程序功能描述与设计思路
4.2程序流程图
5仿真测试与结果
整个系统仿真全图如下：
图5.1.1仿真全图
能够完成题目所要求的测量并显示温度值、湿度值，并且测量范围、精确度因为芯片选用得当也可以达到，也原原本本可以仿真出来时间和温湿度可以交替显示。
仿真结果如下图所示：
图5.1.2实现日期时间显示
图5.1.3实现温湿度显示
图5.1.4可设定温度最高、最低报警值
图5.1.5可设定湿度最高、最低报警值
图5.1.6实现摄氏温度转换为华氏温度
6测试结果及分析
经过PCB制图，调试出错，焊接万用板等等一切可以节约成本和时间的补救后总算是把实物做好了，调试成功。
结果如下：
图6.1.1实物测试图
图6.1.2实物时间可现实并可调
图6.1.3实现温度可设定最高、最低值并警报
图6.1.4实现湿度可调至最低、最高值并超出范围报警
图6.1.5实现温湿度和时间日期的交替显示
图6.1.6摄氏温度转换为华氏温度
5.2小结
本装置基本达到设计要求，实现了设计要求的当前测量日期、时间，温度、湿度的交替显示。
在测试过程中，基本完成了预定的功能，将误差也控制在了非常小的范围内。
确实该设计还需要有很多改进的地方，例如，程序可以再进行优化，自做电源电路，优化PCB电路板等等。
参考文献
[1]周润景,张丽敏,AltiumDesigner原理图与PCB设计.北京：
电子工业出版社,2011
[2]程国钢，陈跃琴，崔荔蒙，51单片机典型模块开发查询手册.北京：
电子工业出版社，2012
[3]周坚，单片机C语言轻松入门.北京：
北京航空航天大学出版社，2006.
[4]谢维成等.单片机原理与应用及C51程序设计.北京：
清华大学出版社,2009.
[5]（美）罗伯特，C程序设计的抽象思维
附录（源代码）
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