毕业设计具有动态显示的环境测控系统.docx

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毕业设计具有动态显示的环境测控系统

具有动态显示的环境测控系统

摘要

本文主要介绍了温湿度的检测，包括温度传感器、湿度传感器、单片机接口及其应用软件的设计，大体分为以下几大部分：

介绍了国内外温湿度检测技术，并且分析了温度检测技术的未来发展方向；根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集、数据处理、数值的在线显示以及时钟电路的时间显示；简略介绍了该仪表的软件部分；对该温湿度检测系统的未来发展进行了展望。

温湿度检测【1】是以8051单片机【2】系统和温湿度相结合的温度测量系统。

本系统的数学模型合理，测量方法容易实现。

实际仪器采用抗干扰、低零漂、低温漂的电子元件，性能稳定。

该测量仪总体特点是使用简便、实用、使用对象广、并且实现了自动化。

关键词：

温度测量，湿度测量，数据采集，单片机

THEDESIGNOFTEMPERATUREANDHUMIDITYDETECTIONSYSTEMBASEDONSCM

ABSTRACT

Inthispaper,includingtemperatureandhumiditytesting,temperaturesensors,humiditysensors,microcontrollerinterfacesandapplicationsoftwaredesign.Itcanbedividedintothefollowingparts:

introductionoftemperatureandhumiditydetectiontechnologyathomeandabroad,andanalysisofthefutureoftemperaturemeasurementtechnologiesdevelopment.Thisstemisdesignedaccordingtotheactualuseofthecorrespondingmicrocontrollerhardwaresystemthatenablesdataacquisition,dataprocessing,numericalcircuit-linedisplayandclocktimedisplay;brieflydescribesthesoftwarepartoftheinstrument;thetemperatureandhumiditytestingsystemofthefuturedevelopmentprospect.

Temperatureandhumiditydetectionsystemisbaseon8051thecombinationoftemperatureandhumidity,thetemperaturemeasurementsystem.Thesystemmathematicalmodelisreasonable,easymeasurement.Theactualinstrumentsusedanti-interference,lowzero-drift,lowtemperaturedriftofelectroniccomponents,performanceandstability.Thegeneralcharacteristicofmeasuringinstrumentiseasytouse,practical,widelyusedobjectandautomated.

KEYWORDS:

TemperatureMeasurement，Humiditymeasurement，DataAcquisition，Single-chipMicrocomputer

目　录

前　言

现实生活中，温、湿度的测量和控制在纺织工业、林业、化工领域中也同样有着广泛的应用。

传统的温、湿度测量方法采用测试器材，通过人工进行检测，这种人工测试方法费时费力，因而有必要研制仓库的自动温、湿度控制系统，以便实时检测温、湿度，并根据所测的数据控制加湿器、空调器等设备的运行，确保有合适的温、湿度环境。

这里提出的温湿度自动控制系统可实时检测仓库的温湿度，根据检测结果对温、湿度加以控制，同时还具有在线修订温、湿度控制上下限，温、湿度显示和报警功能，并可向主控室传送数据。

比如一个工厂仓库环境监测系统，湿度和温度值是两个重要的显示和分析指标，必须定期抽样检查库房各点的温度和湿度，以便及时采取相应的措施。

采用先进的技术监测这些环境因子，通过自动监测系统进行环境控制，降低生产成本，呈越来越流行的趋势。

本文所介绍的温湿度控制系统以AT89C51单片机为控制核心，结合传感器、通讯和数字电子电路技术，实现了温度和湿度检测与库房温度和湿度的有效控制，降低经济损失和劳动强度。

89C51单片机是常用于控制的芯片，在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果。

温度的采集是系统的重点，本系统采用美国DALLAS公司的一款可编程单总线数字式温度传感器DS18B20进行温度采集。

本系统采用HS1101温湿度测量是现代检测技术的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。

因此,能够确保快速、准确地测量温湿度的技术及其装置普遍受到各国的重视。

近年来,利用智能化数字式温湿度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温湿度测技术的一种发展趋势。

随着电子技术的发展，将组成CPU的部件集成在一块半导体芯片上，这个具有CPU功能的大规模集成电路芯片就称之为微处理器（MPU）。

微处理器的出现，推动了微型计算机的发展，同时也引起了电子设计技术领域的探到变革—电子技术专业人员，使之可以把微处理器部件像其他集成电路一样嵌入到电子系统中，使电子系统具有可编程序的智能化特点，开辟了计算机技术在电子技术领域应用的广阔大地。

将微处理器、存储器、I/O电路集成到一块半导体芯片的技术再次推动了这种嵌入式技术的发展，单片微型计算机是这种设计技术中的一个典型代表。

单片机适用于测量和控制领域，它以芯片形式嵌人到电子产品或系统中起到“电脑”作用，受到电子专业技术人员的青睐。

单片机以其体积小、可靠性高、功能的专门化为特点。

沿着与适用微处理器不同的方向发展。

它的出现和发展，标志着单片嵌入技术已经成为电子系统设计的一个重要发展方向。

本课题主要为采用单片机实现数据采集与温湿度检测的制作。

突出民用产品的低成本多动能的特点。

按照选题要求应实现温湿度的测量，并且能够实现数字钟和测量部分的通过键盘进行控制。

用来测量湿度值，该传感器广泛应用于办公室、家庭、汽车驾驶室和工业过程控制系统等，对空气湿度进行监测。

第1章绪论

1.1课题背景

环温湿度测量是现代检测技术的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。

因此,能够确保快速、准确地测量温湿度的技术及其装置普遍受到各国的重视。

近年来,利用智能化数字式温湿度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温湿度测技术的一种发展趋势。

1.1.1国内外测温湿技术

目前，国内大中型工厂库房在仓储管理中由于技术和资金上的原因，多数仅限于只对温度进行监测，当温度超标时进行强制通风和翻仓，即使如此，处理不及时或因设备人力条件有限仍会造成大量损失。

实现库房储藏物的温度升高主要是由于湿度引起的，库房储藏物本身的水分过高或连续的高湿天气将导致储藏物新陈代谢加快而放出热量，放热引起的温升又使代谢进一步加剧以至发霉变质，这种恶性循环一旦形成很难进行有效控制，因此，库房在进行温度监测的同时，必须重视对空气湿度的监测，以利于提前采取有效措施控制库房储藏物的升温而发生霉变。

由此看来，做好温湿度的监控工作是至关重要的，重要的一点，怎样才能做好温湿度的监控工作呢．才能使我们从中获益，生活更有保障．由此可以看出做好温湿度的防范工作其核心是如何准确地实时地获取温湿度的数据，并且对此采取相应措施。

1.1.2发展前景

在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境温度与湿度进行测量及控制。

准确测量温湿度对于生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要的。

相比之下，测量湿度要比测量温度更复杂，这是因为温度是个独立的被测量，而湿度却受大气压强和温度的影响。

目前，温湿度测量领域的新技术不断涌现，新产品也层出不穷。

主要表现在以下两方面：

（1）温湿度传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件；

（2）在温湿度测量系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等项新技术。

1.1.3温湿度测量领域的发展趋势

1.广泛采用新技术、新工艺

随着科技的进步，许多新技术和新工艺被应用到温湿度测量领域中。

例如，瑞士sensorn公司采用CMOSens®（Ce-mo-Sens）专利技术为高精度温湿度传感器系统设置精度。

其特征是将半导体芯片（CMOS）与传感器技术融合，为开发高集成度、智能化、高精度、高可靠性的湿度／温度检测系统提供了解决方案。

该项技术亦称“Sensmitter”，它代表传感器（sensor）与变送器（transmitter）的有机结合。

尽管SHT11/15属于传感器范畴，但具有创新性的CMOSens®技术使之兼有变送器的功能，便于实现系统集成。

Honeywell公司生产的HIH－3610型湿度传感器，能在高温，有化学液体或气体的环境下正常工作，例如可以测量含有氨、苯、甲醛等有害气体的鸡棚或猪舍中的相对湿度。

即使在饱和状态下，传感器也很容易从短期凝结中恢复过来。

HIH－3610芯片上有一层起保护作用的亚硝酸盐钝化层，在安装过程中不易损坏。

2.提高测量精度和分辨力

目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9～12位A／D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625℃。

由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃。

我国台湾省豪尔泰克（HOLTEK）公司推出的HT7500型医用数字体温计集成电路，测温精度高达±0.1℃（或±0.2℃），这是其他温度计（包括精密水银温度计和数字温度计）所难以达到的技术指标。

SHT11/15型智能化湿度／温度传感器系统测量相对湿度的范围是0～100％，分辨力达0.03％RH，最高精度为±2％RH。

测量温度的范围是－40℃~＋123.8℃，分辨力为0.1℃。

测量露点的精度＜±1℃。

在测量湿度、温度时A/D转换器的位数分别可达12位、14位。

利用降低分辨力的方法可以提高测量速率，减小芯片的功耗。

SHT11/15的产品互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，不需要外部元件，适配各种单片机，可广泛用于医疗设备及温度／湿度调节系统中。

3.增加测试功能

新型智能温度传感器【5】的测试功能也在不断增强。

例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。

DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。

另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。

在HIH－3602C型集成湿度传感器内部还增加了1000Ω的铂热电阻，可构成湿度／温度测量仪。

4.非线性和温度补偿及自动校准技术

测量湿度时必须对湿度传感器进行非线性补偿和温度补偿。

新型智能温湿度传感器可实现自动补偿。

以SHT11/15为例，其输出的相对湿度读数值（N）与被测相对湿度（RH）呈非线性关系。

当环境温度TA＝＋25℃时，利用下式可补偿非线性：

RH＝（C1＋C2N＋C3N2）％＝（－4＋0.0405N－2.8×10－6N2）％

（1）

举例说明：

将N＝1000代入

（1）式中计算出补偿后的相对湿度RH＝33.7％。

当TA≠＋25℃时，还需要对相对湿度传感器进行温度补偿，补偿公式为

RHT＝RH＋（T－25）·（0.01＋0.00008N）％

（2）

举例说明，假如实际温度T＝＋30℃，利用式

（2）不难算出RHT＝33.7％＋0.45％＝34.15％，这就是对相对湿度进行温度补偿后的最终结果。

在SHT11/15出厂前，每只传感器都在湿度室中做过精密校准，校准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。

在使用湿敏电阻测量线对湿度时，可利用对数放大器对湿敏电阻的指数特性曲线进行线性化，使之近似于线性关系。

温湿检测系统【6】在工业生产中应用越来越来广泛。

具有广阔的发展前景，其市场需求日益增加，具体在以下几个方面：

（1）粮食储备仓库及蔬果、蛋肉存储仓库的温度、湿度控制

（2）温室种植、各种禽兽养殖场的温度、湿度控制

（3）厂房环境温度、湿度的控制

（4）实验室环境的温度、湿度控制

（5）电力系统的温度、湿度控制

第2章系统整体设计方案

2.1环境监控系统整体结构

环境监测系统整体结构，下位机中的温湿度监测即是本系统所要实现的，主要有单片机和传感器组成，主要完成现场温湿度采集与处理，并通过总线与中间机进行数据传递。

中间机主要负责对下位机的控制，实现对不同方位温湿度的循环采集，并对其进行处理，将数据发送到上位机，中间机与下位机之间采用RS485总线方式连接。

上位机根据用户设定，定时向中间机发出读取环境参数数据的命令，并接受返回的数据值，显示并打印数据。

2.1.1系统硬件说明

环境温湿度监测系统的整体设计方案包括硬件设计方案和软件设计方案。

硬件以微控制器作为核心，外接晶振、电源、复位电路、温度测量电路、湿度测量电路、LED显示电路【7】、通信电路组成，硬件设计方案如图2-1所示。

2.1.2系统软件说明

根据系统的功能要求，本着节约开发成本、增加系统可扩展性、提高系统可靠性、降低系统功耗的原则进行温湿度监测系统的硬件设计。

本系统采用单片机AT89C51作为整个系统的核心，利用单片机现有的接口组织外围硬件模块。

为了减少系统面积，降低系统功耗，对于温度测量模块和湿度测量模块都需要进行筛选，选择DS18B20数字温度传感器、HS1101湿度传感器接振荡电路实现的湿度的测量、LED作为显示模、采用RS485总线作为与其他设备通信的接口。

系统软件整体设计流程图如图2-2所示。

系统通电后，首先对各器件进行初始化，然后开始进行温度测量、湿度测量，进而显示温度和湿度值并进行数据的传输。

本系统的主函数较为简单，主要为每个模块的软件实现。

第3章环境测控硬件系统各个组成

3.1环境测控硬件各个模块

本系统采用89C51作为核心控制器，适合许多场合，可以满足多方面的性能要求。

温度的采集是系统的重点，本系统采用美国DALLAS公司的一款可编程单总线数字式温度传感器DS18B20【8】进行温度采集。

本系统采用HS1101用来测量湿度值，该传感器广泛应用于办公室、家庭、汽车驾驶室和工业过程控制系统等，对空气湿度进行监测。

3.1.1CPU的选用

89C51是Intel公司于80年代初推出的8位嵌入式微控制器（内部数据总线为8位，外部数据总线为8位），它与MCS-96系统中的其它芯片相比，具有性能高、功能全、售价低廉、使用方便（48PINDIP）等优点。

89C51在工业应用方面有许多明显的特点，它具有灵活方便的8位总线外围支持器扩展功能，而在数据处理方面又有8位微机的快速功能。

由于大的高度集成化已把许多常驻用的输入检测输出控制通道都制作在同一块硅片上，大大地灵活了外部连线，增强了系统的稳定性并且速度快（时钟12MHz），非常适合于工业环境下安装使用。

因此本系统CPU选用89C51芯片。

89C51单片机引脚采用40双列直插式封装结构。

89C51系统CPU中的主要组件有：

高速寄存器阵列、特殊功能寄存器（SFR）、寄存器控制器和算术逻辑单元（RALU）。

它与外部通讯是通过特殊功能寄存器SFR或存储器，控制器进行的。

8051系统的CPU的主要特色是体积小，重量轻，抗干扰能力强，售价低，使用方便。

此外，通过SFR还可以直接控制I/O、A/D、PWM、串行口等部件的有效运行。

CPU内部的一个控制单元和两条总线寄存器阵列和EALU连接起来。

这两条总线是：

16位地址总线（A-BUS）和8位数据总线（D-BUS）。

数据总线仅在RALU与寄存器阵列或SFR之间传送数据，地址总线用作上述数据传送的地址总线或用作与寄存器控制器连接的多路复用地址/数据总线[7]。

CPU对片内RAM访问是直接访问和通过寄存器R0,R1间接访问的。

89C51工作时所需的时钟可通过其XTALL输入引脚由外部输入，也可采用芯片内部的振荡器。

其工作频率为6～12MHz。

在本系统中采用11.0592MHz频率。

3.1.2温度测量模块

传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果

DS18B20数字温度传感器可以将测量到的温度结果以串行数字信号输出，易于微控制器连接，DS18B20出厂时都刻有唯一的的一个64位序列号并存入其ROM中，所以可以在一根总线上挂多个DS18B20，这样就可以很方便的构成单线多点温度测量系统，从而节省大量的引线和逻辑电路。

DS18B20内部结构图如下图所示。

图3-1DS18B20内部结构图

DS18B20内部结构主要由4部分组成，如图3-1所示：

64位光刻ROM：

光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，即ID。

它的作用是使每一个DS18B20的地址都不相同，可以实现在相同的总线上挂多个DS18B20的目的。

64位光刻ROM的排列是开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

非挥发的温度报警触发器TH和TL：

DS18B20温度传感器的内部存

储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM，后者存放高温度和低温度触发器TH，TL和结构寄存器。

当温度到达低温或高温的时候，温度报警触发器会发出警报。

高速暂存RAM：

高速暂存存储器包含了8个连续字节，字节0和字节1是侧得的温度信息，其中字节0的内容是温度的低8位，字节1的内容是温度的高8位。

字节2和字节3是TH,TL的易失性拷贝，字节4是结构寄存器的易失性拷贝，这3个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。

字节5，6，7用于内部及算。

字节8是冗余检验字节。

DS18B20的设置位有一个字节，该字节各位的定义为TMR1R011111。

每一位进行针对18B20的读写前，都需要对DS18B20进行设置。

从上面的定义可以看出，该字节的低5位一直都是1，TM位是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式及测试模式。

在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要进行改动。

R1和R0用来设置分辨率，具体的分辨率定义如表所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。

DS18B20有两种封装模式：

3脚和8脚封装，管脚排列如图5所示，其中3脚封装较为常用。

图3-2DS18B20封装和引脚

DS18B20的特性如下：

（1）适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，寄生电源方式下可由数据线供。

（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。

（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

（5）温范围－55℃~＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。

（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。

（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

（9）负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

（10）精度高、抗干扰能力强、工作稳定可靠。

DS18B20与处理器的连接原理图如图3-3所示。

本系统选用3脚封装模式，DS18B20可通过两种方式供电：

外加电源工作方式和寄生电源方式。

前者需要外加电源，正负极分别接VDD及GND；后者不需要外加电源，当总线（信号线）为高时稳定电源的提供是通过单线上的上拉电阻实现，总线信号为低时，则由其内部的电容供电，在此种方式下VDD接地。

本系统采用3脚封装的DS18B20，引脚功能分别为GND、电源VDD、信号DQ，选用外加电源工作方式。

采用此种方式能增强DS18B20的抗干扰能力，保证工作的稳定性。

图3-3DS18B20连接原理图

3.1.3湿度测量模块

HS1101电容式传感器在电路构成中等效于一个电容器件，采用侧面开放式封装，只有两个引脚，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大，但不允许直流方式供电。

将电容的变化量准确的转变为计算机易于接受的信号，一般采用将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。

HS1101与555相连的振荡电路如图3-4所示。

电源电压工作范围是+3.5V～+12V，R18是防止输出短路的保护电阻。

集成定时器555芯片外接电阻R19、R20与湿敏电容C，构成了对C的充电回路。

7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电电路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器，将相对湿度值变化转换为频率信号输出。

输出频率范围是6033～7351Hz，所对应的相对湿度为0～100﹪RH。

通电后，电源沿着Vcc→R20→R19→C对HS1101充电。

经过t1时间后湿敏电容的压降Uc就被充电到TI～C555的高触发电平（Uh=0.67Vcc），使内部比较器翻转，OUT的输出变成低电平。

然后C开始放电，放电回路为CR19D内部放电管地，经过t2时间后，Uc降到低触发电平（U1=0.33Vcc），内部比较器再次翻转，使OUT的输出变成高电平。

这样周而复始地进行充、放电，形成了振荡。

充电时间计算公式为：

t1=C（R19+R20）ln2

放电时间计算公式为：

t2=CR19ln2

输出波形频率（f）为：

f=1/T=1/（t1+t2）=1/C（2R19+R20）ln2

占空比（D）为：

D=t1/T=t1/t1+t2=R19+R20/（2R19+R20）

通常取R4<

例如，取R19=575K，R20=50K,将555振荡电路输出的方波信号送入单片机的T0引脚，定时器/计数器0工作在计数方式，定时器/计数器1工作在定时方式。

空气的相对湿度通过555振荡电路就转变为与之成线性关系的频率信号，用这种测量频率法测出方波信号的频率，从而也就测出了空气的相对湿度。

图3-4HS1101与555相连的振荡电路

3.1.4LED显示模块

数码管实际上是由7个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。

我们分别把他命名为A,B,C,D,E,F,G,H。

数