基于单片机温湿度监测系统设计.docx
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基于单片机温湿度监测系统设计
基于单片机机房温湿度监测系统设计
学院（系）：
自动化学院
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年月日
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摘要
随着科技的进步，新的通信仪器也不断被发明出来，为了使通信仪器始终工作在最佳状态并且达到最长使用寿命，对通信机房的环境要求也越来越苛刻。
温湿度控制系统的功能是对机房内空气的温度、湿度、洁净度、空气流速等参数进行调节以满足人体舒适和通信机房机器工作的要求。
本文设计了一种基于AT89C51的温湿度的控制系统，系统以单片机为主，将温湿度传感器、通信接口等器件联系起来，对数据进行处理转换。
通过温湿度控制技术将温湿度控制在一定范围内，并且尽量提高温度控制的精确度。
系统利用空调和风机的协调控制进行温湿度改变，同时通过风机充分利用室外的温湿度来保持室内的温湿度，可以避免单独用空调的不断电控制时造成的电能浪费，从而达到节能的目的。
本系统采用可靠性好，温湿度测量精确度高的SHT11温湿度传感器以达到更高的控制精度。
本设计控制方法简单，通过简单的人机交互将需要的温度范围设定好，然后通过对机房温湿度的实时监测将温湿度反馈，在不满足温度设定时，系统发出警报通知工作人员打开空调工作。
在湿度控制方面原理也类似，通过键盘设定湿度，然后当湿度不满足时，系统发出警报通知工作人员采取相应措施使湿度达到设定湿度范围。
本设计人机交互简单，只需按键盘的上下键即可进行温度的设定，具有很好的实用推广作用。
关键词：
单片机；温湿度监测；温湿度控制
Abstract
Withtheadvancementoftechnology，newcommunicationequipmenthasalsobeendevised，inordertomakethecommunicationequipmentisalwaysworkinginthebestconditionandachievethelongestservicelifeofthecommunicationsroomenvironmentalrequirementshavebecomemoredemanding.Temperatureandhumiditycontrolsystemfunctionsistheengineroomairtemperature，humidity，cleanliness，airvelocityandotherparametersadjustedtomeethumancomfortandtelecommunicationsroommachineworkrequirements.
ThisarticleisdesignedbasedonAT89C51temperatureandhumiditycontrolsystem，amicrocontroller-basedsystemwillbetemperatureandhumiditysensors，communicationinterfacesandotherdeviceslinkedtothedataprocessingconversion.Temperatureandhumiditycontrolbythetemperatureandhumiditycontrolinacertainrange，andtomaximizetheaccuracyofthetemperaturecontrol.Theuseofairconditioningandfansystemscoordinatedcontroltemperatureandhumiditychanges，throughfulluseoftheoutdoorfantokeepthetemperatureandhumidityindoortemperatureandhumidity，airconditioningalonecanavoidtheconstantpowercontrolenergywastecaused，soastoachieveenergy-savingpurposes.Thesystemusesahighreliability，highaccuracymeasurementoftemperatureandhumiditySHT11temperatureandhumiditysensorstoachievehighercontrolprecision.
Thedesignofthecontrolmethodissimple，throughsimpleinteractivesetthedesiredtemperature，andthenthroughtheroomtemperatureandhumidityofthereal-timemonitoringthetemperatureandhumidityfeedback，whenthetemperaturesettingisnotsatisfied，sendingasignaltotheair-conditioningoperationuntilreachesthesettemperature，timeandthensendasignaltotheairconditioningcontrolterminal，makeitstopworkinginordertoachievethepurposeofenergysaving.Inthehumiditycontrolprincipleissimilar，setthehumiditythroughthekeyboard，andthenwhenthehumidityisnotsatisfied，airconditioningandfanworkinordertoachievethepurposeofhumidificationordehumidification，whenthehumidityreachesthesethumidityrange，air-conditioningandfanoffintoenergymode.
Thedesignofhuman-computerinteractionissimple，justpressthekeyboardarrowkeystosetthetemperature，hasgoodpracticalroleinthepromotion.
Keywords：
SCM，；temperatureandhumiditymonitor，；temperatureandhumiditycontrol
第1章绪论
1.1设计背景及意义
现代通信机房通信设备密集，提高了对通信机房安全性的要求，因此对温度和湿度的控制也更加重视。
任何温度和湿度的急剧变化都可能会导致这些通信设备不能正常工作或失效，严重时甚至可能会导致通信系统崩溃。
因此，研究可靠的通信机房温度和湿度控制系统，已经迫切成为当前的需要。
温度和湿度控制使用人工手段有许多缺点和不足之处，如占用人力资源，控制精确度太低，不能预测温度和湿度的变化趋势等[1]。
综合各种核心通信设备的最佳工作环境，可以设定通信机房的温度范围为22至24摄氏度，相对湿度在35％〜50％之间[2]。
人工加热，加湿，通风和制冷设备的操作控制费时费力，而且精确度不高。
基于单片机的通信机房温湿度控制系统，却能够满足通信机房温度和湿度的监测和控制要求。
温湿度控制系统的功能是对机房内空气的温度、湿度、洁净度、空气流速等参数进行调节以满足人体舒适和电信机房机器工作的要求。
它使得电信机房的仪器能处在最佳工作状态，达到最长的使用寿命[3]。
本设计采用单片机作为核心设备，单片机具有体积小、灵活性强、功能强大等众多优点，越来越广泛地应用于智能仪表、工业控制、日常生活等许多领域。
本文的基于单片机的通信机房温湿度控制系统设计主要在于让使用者可以从现场或者远处精确监测并且控制通信机房的温度和湿度[4]。
1.2国内外动态及发展前景
目前先进国家通信机房的自动化水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。
其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能够获得较好的操作性能指标。
单片微型计算机是随着超大规模集成电路的技术的发展而诞生的。
由于它具有体积小，功能强，性价比高等优点，所以广泛应用于通信装置，电子仪表，家用电器，节能装置，军事装置，机器人，工业控制等诸多领域，使产品小型化，智能化，既提高了产品的功能和质量又降低了成本，简化了设计。
国内外大部分控制算法都采用PID算法及改进的PID算法，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、兼容性好、可靠性高等优点，被广泛应用于通信机房的温湿度控制。
当用计算机实现后，数字PID控制器更显示出参数调整灵活、算法变化多样、简单方便的优点。
随着生产的发展，对控制的要求也越来越高，随之发展出许多以计算机为基础的新型控制算法，如自适应PID控制、模糊PID控制、智能PID控制等等[5]。
我国目前的温湿度控制总体技术水平处于发达国家20世纪80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的PID控制器为主，他只能适应一般温度控制，难于高控制精度的温湿度控制。
在较高精度控制场合和高智能化控制场合领域内，国内技术还不成熟[6]。
控制算法方面，国内基本上都是采用PID算法，或者改进的PID算法。
很少有采用在书面资料上描述的现代先进算法。
因此我国的温湿度控制技术与发达国家还有一定的差距。
温控器控制性能方面，国内：
0.1℃控制精度的温控器，现在国内有好几个品牌都能够达到这个标准。
但0.01℃控制精度就难说了，更高的控制精度就基本上没有了。
国外：
有好几个品牌能达到0.01℃控制精度，有个别品牌能达0.005℃控制精度[7]。
检测性能方面，国内温控器的温度漂移基本上都是0.1℃以上。
国外的有几个品牌温度漂移能保持在0.03℃以下。
对于通信机房的温湿度监测系统的发展前景，有人提出了以下几点：
（1）监视/控功能系统具有通过遥信、遥测、遥控和遥调，所谓“四遥”功能，对整个系统进行集中监控管理，实现少人值守和无人值守的目标。
（2）系统可实时收集各设备的运行参数、工作状态及告警信息。
系统能对智能型和非智能型的设备进行监控，准确的实现遥信、遥调、遥控及遥调等四遥功能。
即既能真实的监测被监控现场对象设备的各种工作状态、运行参数，又能根据需要远程地对监控现场对象进行方便的控制操作，还能远程的对具有可配置运行参数的现场对象的参数进行修改。
（3）系统设置各级控制操作权限。
如果需要并得到相应授权，系统管理人员可以对系统监控对象、人员权限等进行配置；系统值班操作人员可以对有关设备进行遥控或遥调，以便处理相关事件或调整设备工作状态，确保机房设备等在最佳状态下运行[8]。
（4）告警功能
a）无论监控系统控制台处于任何界面，均应及时自动提示告警，显示并打印告警信息。
所有告警一律采用可视、可闻声光告警信号。
b）不同等级的告警信号应采用不同的显示颜色和告警声响。
紧急告警标识为红色标识闪烁，重要告警为粉红色标识闪烁，一般告警为黄色标识闪烁。
c）发生告警时，应由维护人员进行告警确认。
如果在规定时间内（根据通信线路情况确定）未确认，可根据设定条件自动通过电话或手机等通知相关人员。
告警在确认后，声光告警应停止，在发生新告警时，应能再次触发声光告警功能。
d）具有多地点、多事件的并发告警功能，无丢失告警信息，告警准确率为100%。
e）系统能对不需要做出反应的告警进行屏蔽、过滤。
f）系统能根据需要对各种历史告警的信息进行查询、统计和打印。
各种告警信息不能在任何地方进行更改。
g）系统除对被监控对象具有告警功能外，还能进行自诊断（例如，系统掉电、通讯线路中断等），能直观地显示故障内容，从而系统稳定具有稳定自保护能力[9]。
第2章系统总体设计
2.1系统概述
此机房温湿度控制系统以单片机为主，将温湿度传感器、通信接口等器件联系起来，对数据进行处理转换。
通过温湿度控制技术将温湿度控制在一定范围内，并且尽量提高温度控制的精确度。
该系统的工作流程：
传感器感应机房内温湿度，将温湿度信息转化成数字信息，通过I2C总线与单片机通信，传输给单片机存储起来，并将此信息与键盘输入的温湿度阈值作比较。
若温湿度在设定阈值内，则表示此时机房温湿度正常；若温湿度不在设定阈值内，则表示此时机房温湿度不正常，单片机控制报警器发出警报，工作人员听到警报采取相应措施调节机房内温湿度。
使机房内温湿度达到设定范围内，警报消除。
同时，单片机将温湿度信息送至液晶显示器实时显示，便于工作人员记录观察。
图2.1系统总体设计框图
2.2器件选型
2.2.1单片机选型
单片机的的选型是一件重要而费心的事情，如果单片机型号选择得合适，单片机应用系统就会经济可靠；如果选择得不合适，就会造成经济浪费，影响单片机应用系统的正常运行，甚至根本就达不到预先设计的功能。
对于一个已经设计好的单片机应用系统来说，它的技术要求和系统功能都应当十分明确。
如果选择功能过于少的单片机，这个单片机应用系统就无法完成控制任务；但是如果选择的单片机功能过于强大，这不但没有必要，还会造成资源浪费，增加实用成本[10]。
本设计对单片机的要求很高，于是选择了性能卓越的AT89C51单片机。
AT89C51是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合[11]。
AT89C51有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C51可以按照常规方法进行编程，但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本[12]。
AT89C51为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核。
主要管脚有：
XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。
RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。
VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义[13]。
图2.2AT89C51单片机
2.2.2传感器选型
现在国内外主要使用的温湿度传感器有DHT90，SHT7x系列，SHT1x系列，THTK-01等。
DHT90和THTK-01在温湿度测量精确度上有所不足，而本设计对通信机房的温湿度监测精确度要求很高，因此排除。
SHT7x系列是立式插针型温湿度传感器，SHT1x系列是贴片型温湿度传感器，在实用方面，贴片型传感器安装简便而且价格相对较低，故选择SHT1x系列传感器[14]。
本设计系统温湿度传感器采用的瑞士生产的SHT11单片集成传感器。
SHT11的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。
由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差[15]。
CMOSensTM技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模／数转换器、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内。
SHT11的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。
SHT11传感器的校准系数预先存在OTP内存中。
经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A/D转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线I2C总线器件，从而将数字信号转换为符合I2C总线协议的串行数字信号[16]。
第3章SHT11传感器
3.1SHT11温湿度传感器的基本原理
SHT11的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。
由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。
ＣＭＯＳｅｎｓＴＭ技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模／数转换器、校准数据存储器、标准Ｉ２Ｃ总线等电路全部集成在一个芯片内。
SHT11传感器的内部结构框图如图3.1所示[17]。
图3.1SHT11内部结构图
SHT11的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。
SHT11传感器的校准系数预先存在ＯＴＰ内存中。
经校准的相对湿度和温度传感器与一个１４位的Ａ／Ｄ转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线Ｉ２Ｃ总线器件，从而将数字信号转换为符合Ｉ２Ｃ总线协议的串行数字信号[18]。
由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其它类型的湿度传感器优越得多的性能。
首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而Ａ／Ｄ转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。
其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器都具有相同的功能，即具有１００％的互换性。
最后，传感器可直接通过Ｉ２Ｃ总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。
3.2SHT11温湿度传感器特性
（１）湿度值输出ＳＨＴ１１可通过Ｉ２Ｃ总线直接输出数字量湿度值，其相对湿度数字输出特性曲线如图3.2所示。
图3.2湿度特性曲线
由图３可看出，ＳＨＴ１１的输出特性呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性，可按如下公式修正湿度值：
ＲＨｌｉｎｅａｒ＝ｃ１＋ｃ２ＳＯＲＨ＋ｃ３ＳＯＲＨ２
式中，ＳＯＲＨ为传感器相对湿度测量值，系数取值如下：
１２位：
ＳＯＲＨ：
ｃ１＝－４，ｃ２＝０．０４０５，ｃ３＝－２．８×１０－６
８位：
ＳＯＲＨ：
ｃ１＝－４，ｃ２＝０．６４８，ｃ３＝－７．２×１０－４
（２）温度值输出
由于ＳＨＴ１１温度传感器的线性非常好，故可用下列公式将温度数字输出转换成实际温度值：
Ｔ＝ｄ１＋ｄ２ＳＯＴ
当电源电压为５Ｖ，且温度传感器的分辨率为１４位时，ｄ１＝－４０ｄ２＝０．０１，当温度传感器的分辨率为１２位时，ｄ１＝－４０ｄ２＝０．０４。
（３）露点计算
空气的露点值可根据相对湿度和温度值来得出，具体的计算公式如下：
ＬｏｇＥＷ＝（０．６６０７７＋７．５Ｔ／（２３７．３＋Ｔ）＋[ｌｏｇ１０（ＲＨ）－２]
Ｄｐ＝[（０．６６０７７－ｌｏｇＥＷ）×２３７．３]／（ｌｏｇＥＷ－８．１６０７７）
3.3SHT11传感器的命令与接口时序
ＳＨＴ１１传感器共有５条用户命令，具体命令格式见表１所列。
下面介绍一下具体的命令顺序及命令时序。
表3.1SHT11传感器命令列表
命令
编码
说明
测量温度
00011
温度测量
测量湿度
00101
湿度测量
读寄存器状态
00111
“读”状态寄存器
写寄存器状态
00110
“写”状态寄存器
软启动
11110
重启芯片，清除状态记录器的错误记录11毫秒后进入下一个命令
（1）传输开始
初始化传输时，应首先发出“传输开始”命令，该命令可在ＳＣＫ为高时使ＤＡＴＡ由高电平变为低电平，并在下一个ＳＣＫ为高时将ＤＡＴＡ升高。
接下来的命令顺序包含三个地址位（目前只支持“０００”）和５个命令位，当ＤＡＴＡ脚的ａｃｋ位处于低电位时，表示ＳＨＴ１１正确收到命令。
（2）连接复位顺序如果与ＳＨＴ１１传感器的通讯中断，下列信号顺序会使串口复位：
即当ＤＡＴＡ线处于高电平时，触发ＳＣＫ９次以上（含９次），此后应接着发一个“传输开始”命令。
表3.2
位
类型
说明
缺省
7
保留
0
6
读
工检限（低电压检查）
X
5
保留
0
4
保留
0
3
只用于试验，不可以使用
0
2
读/写
加热
0
关
1
读/写
不从OTP重下载
0
重下载
0
读/写
'1'=8位相对湿度，12位温度分辨率。
'0'=12位相对湿度，14位湿度分辨率
0
12位相对湿度，14位湿度
（３）温湿度测量时序
当发出了温（湿）度测量命令后，控制器就要等到测量完成。
使用８／１２／１４位的分辨率测量分别需要大约１１／５５／２１０ｍｓ的时间。
为表明测量完成，ＳＨＴ１１会使数据线为低，此时控制器必须重新启动ＳＣＫ，然后传送两字节的测量数据与１字节ＣＲＣ校验和。
控制器必须通过使ＤＡＴＡ为低来确认每一个字节，所有的量均从右算，ＭＳＢ列于第一位。
通讯在确认ＣＲＣ数据位后停止。
如果没有用ＣＲＣ－８校验和，则控制器就会在测量数据ＬＳＢ后保持ａｃｋ为高来停止通讯，ＳＨＴ１１在测量和通讯完成后会自动返回睡眠模式。
需要注意的是：
为使ＳＨＴ１１的温升低于０．１℃此时的工作频率不能大于标定值的１５％（如：
１２位精确度时，每秒最多进行３次测量）。
第4章系统硬件设计
4.1室内温湿度监测电路原理及设计过程
可选的温度和湿度传感器SHT11瑞士生产的单片集成的传感器，全量程标定，两线数字输出，湿度测量范围为0〜100％RH，温度范围为-40〜+123.8℃，湿度测量精度为3.
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