基于单片机的库房温湿度监测系统设计.docx

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基于单片机的库房温湿度监测系统设计

基于单片机的库房温湿度监控系统设计

摘要

温度、湿度和人类的生产、生活有着密不可分的联系，同时，也是工业生产中最常见、最基本的参数。

作为最常见的参数，温度和湿度已经不再是两个相互独立的物理量，而应该在系统中综合考虑。

温湿度会直接影响到储备物资的使用寿命以及工作可靠性。

为了保证日常工作的正常进行，首要问题便是要加强库房内的温湿度的监控工作。

传统的温湿度监控是利用湿度表、毛发湿度表、温度计和双金属式测量计等设备，通过人工检测的方式，对不符合温度、湿度规定的库房进行通风、降温、增湿、去湿等操作。

但这种方法极其浪费劳动力，而且温湿度测试的误差较大，随机性较大。

利用单片机控制传感器对温湿度进行监控，具有监控效率高、体积小、价格低、使用灵活等优点，并且满足了库房温湿度监控的要求。

本次设计通过使用STC89C52RC单片机控制DHT11温湿度传感器，对数据进行分析，通过LCD1602液晶显示屏显示处理后的数据，用二极管和嗡鸣器进行警报，从而实现温湿度监控的功能。

关键词：

STC89C52RC单片机，DTH11温湿度传感器，LCD1602液晶显示屏，二极管和嗡鸣器报警

Microcontroller-basedTemperatureandHumidityMonitoringSystem

Abstract

Temperature,humidity,andtheproductionofhumanlifeisinextricablylinkedto,andalsotheindustrialproductionofthemostcommon,mostbasicparameters.Asthemostcommonparameters,temperatureandhumidityarenolongertwomutuallyindependentphysicalquantities,butshouldbeconsideredinthesystem.Temperatureandhumiditywilldirectlyaffectthelifeandreliabilityofreservematerials.Inordertoensurethenormaldailywork,themostimportantissueistostrengthenthemonitoringofworkingtemperatureandhumidityinsidethewarehouse.

Traditionaltemperatureandhumiditymonitoringistheuseofhygrometer,hairhygrometer,athermometerandbimetaltypegaugesandotherequipment,manualinspectionbytheway,donotmeettemperatureandhumidityrequirementsoftheTreasuryventilation,cooling,humidification,dehumidification,etc.operating.However,thismethodisextremelywastefuloflabor,andalargeerroroftemperatureandhumiditytesting,greaterrandomness.

UseSCMcontrolsensorstomonitortemperatureandhumidity,highmonitoringefficiency,smallsize,lowcost,flexible,etc.,andtomeettherequirementsoftheTreasurytemperatureandhumiditymonitoring.

ThisdesignbyusingSTC89C52RCSCMDHT11temperatureandhumiditysensors,analyzethedata,displaydataprocessedbyLCD1602LCDdisplay,andperformthewarningbuzzdiode,therebyrealizethefunctionoftemperatureandhumiditymonitoring.

ThisdesignthroughtheuseofmicroprocessorcontrolledSTC89C52DHT11temperatureandhumiditysensor,analyzethedata,by1602theLCDdisplay,LEDandbeeperbuzzingbealert,torealizethefunctionoftemperatureandhumiditymonitoring.

Keywords：

STC89C52microcontroller,DTH11temperatureandhumiditysensors,1602LCDandbuzzalarm

第1章绪论

1.1课题的背景

在我们日常生活中，温湿度，无处不在，同时它又与我们的生产工作密不可分。

随着科技发展，温度和湿度已经从两个独立的物理量，逐渐演变成一个物理量，在生产生活中需要进行综合考虑。

库房中，温湿度的升高或降低，都会对库房内的产品产生影响，最主要的就是影响产品的寿命和精确性。

为了保证日常工作的正常进行，首要问题便是要加强库房内的温湿度的监控工作。

传统的温湿度监控是利用湿度表、毛发湿度表、温度计和双金属式测量计等设备，对不符合温湿度管理要求的库房，通过人工检测的方式，进行除湿，增湿，降温以及升温等操作。

但这种方法极其浪费劳动力，而且温湿度测试的误差较大，随机性较大。

现如今，随着技术的进步，科技的发展，越来越多的领域在使用单片机，它有用小巧，低功耗，性价比高的的优点，逐渐成为我们生活生产中不可或缺的一部分，操作简单，容易上手，高集成度使它能够适应各种环境以及应用的场景，为许多问题提供解决方案，单片机渐渐在我们生活中扮演越来越重要的角色，其功能也愈发增多，越来越普及。

1.2国内外发展状况以及单片机的发展动态

1.2.1单片机的发展现状：

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了四个发展阶段：

第一阶段处于低性能单片机的探索阶段，主要应用于工业领域；第二阶段处于高性能单片机阶段，单片机的使用逐渐范围扩大，技术也在不断地进步和发展；第三阶段单片机的内存逐渐扩大，可以完成的功能也越多；第四阶段处于微控制器全面发展阶段，各种各样形式以及型号的单片机层见叠出，使用规模不断扩大，而体型上也越来越小，性价比也越来越高，在生产生活中也越来越普及。

1.2.2温湿度传感器及监控系统的发展现状：

80年代使用温湿度记录仪，在纸上画出温度和湿度的曲线图，并录制到U盘，由电脑读取分析，消耗许多时间才能得到最后的结论。

90年代使用多路温湿度显示器，适合监控点较少，时间较短的场合，应用范围并不广泛。

90年代末使用有限温湿度监控系统，初具现状模型，利用模拟信号，数字信号，通过互联网的方式传出，能实现监控，记录，存储，警报等功能。

缺点是，排线较多，容易被破坏，线路易出现老化，松动，虚接等问题。

21世界出现了半无线温湿度监控系统，但是在没有布线以及局域网的地方无法监控，而且使用时间久了容易引起虚接，老化等问题，很快就被时代所淘汰。

时至今日，由于单片的普及以及应用，出现了一大批由单片机作为控制核心的温湿度监控系统，其特点是拆装方便，易于更换，体积小，功能全，能根据需求，满足不同场景的需要。

由单片机作为核心控制系统的库房温湿度监控系统已经成为现如今监控行业的一种发展趋势。

1.3课题的意义

STC系列单片机是常作为控制核心的控制芯片，在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化控制方面都有着卓越的成效和广泛的应用。

用STC系列单片机作为库房温湿度控制系统的控制部分，能够实现温湿度监控的自动控制，而且STC系列单片机学习较为简单，性价较高，稳定性较强。

此次毕业设计的内容可以解决人工检测库房时，管理不及时，浪费人力精力等问题。

只要事先设定好控制范围，当库房温湿度高于或低于预设范围时，系统将会发出警报，嗡鸣器将会发出警报，同时提示是什么值超过了范围。

值班人员便可以知晓哪个库房出现了问题，出现了什么问题，可以及时做出处理，降低了工作难度，提高值班人员的工作效率，大大减少了劳动力。

并且液晶屏能实时显示当前数据，温湿度的变化，便于工作人员采取措施。

1.4课题的主要内容

在进行课题设计前，先查询相关资料，明确思路，线路的连接，然后才开始进行设计。

本次研究的控制系统采用STC89C52RC单片机作为控制模块。

其余的元器件将会围绕控制模块来进行设计，实现正常的工作以及功能的要求。

此次毕业设计的温湿度监控系统主要的设计内容是：

1、温度值及湿度值的控制范围能够由用户根据不同库房、不同时段、不同采集点的需求进行更改并通过显示器显示。

2、通过采集当前的温度值及湿度值，准确地将当前值进行范围对比，对超出预定范围的数据进行及时地发出警报，进行报警。

1.5基本工作原理

电路总体上分为温湿度采集模块、控制模块、显示模块以及警报模块四个部分。

温湿度采集模块由DHT11传感器组成，它是一个数字式温湿度传感器，内置模数转换器，可以直接与单片机相连接，而不需要进行数据的转换，而且DHT11传感器能同时测量温度值与湿度值，可以使连接路线更加简洁，焊接制作也更加方便；控制模块由STC89C52RC单片机组成，具有反应速度快速，抗干扰能力强，对工作环境要求低的特点；显示模块由LCD1602液晶屏组成，它是插针式液晶屏，可以直接与单片机相连接，免去了手动焊接等复杂的过程，易于拆装，其显示内容通过软件编程来完成；警报模块由嗡鸣发出嗡鸣声进行警报，再由LED灯发光提示。

工作时，首先用按钮设定温湿度的预定范围（分别设置上限以及下限），以STC89C52RC单片机作为核心控制电路，DHT11传感器采集当前的温湿度并将电信号转换为数字信号传送给单片机，经过单片机处理后，发出数字信号并转换成电信号控制LCD1602液晶屏的显示，同时根据数据处理的结果控制嗡鸣器和二极管的警报。

报警时，嗡鸣器发出嗡鸣声，LED灯发出提示光。

当需要控制多个库房时，可将多个库房内，温湿度监控系统的两组发光二极管统一接到一个中央显示框内，并且对其进行标注。

当某一库房温湿度超出控制范围时，相应的二极管将会发光，工作人员在总控制中心就可以根据发光的二极管进行判断是哪一间库房，哪一个值超标，及时作出处理。

例如下图1-1所示。

图1-1多个库房处理器示意图

第2章控制系统总体设计方案

2.1功能要求

1、DHT11传感器及时采集温度值和湿度值，并即时将数据反馈给中央处理器模块。

2、单片机将接收到的信号进行分析处理，并将处理后的数据传输给LCD1602液晶显示器，同时进行数据对比判断。

3、LCD1602液晶显示器显示处理后的数据，即当前值以及监控范围值。

4、单片机将当前温度值、湿度值数据和监控范围值进行对比判断，从而控制嗡鸣器和二极管，实现警报。

2.2设计的思路

根据设计的需要，以STC89C52RC单片机为核心，其他元器件围绕其进行设计。

首先需要在电路中接入DHT11数字温湿度传感器，进行温度值、湿度值的采集，接着单片机进行数据的分析和判断、处理。

电路中接入LCD1602液晶显示器，单片机将处理后的数据传输到显示器上，显示当前的温度值和湿度值。

电路中接入嗡鸣器，如其中一个及以上的数值越过给定范围，嗡鸣器将发出警报，同时分别给温度值和湿度值接入一组二极管，来提示，数值的过高还是过低，从而体提醒工作人员进行调整。

2.3设计方案的选择

2.3.1传感器的选择方案

方案一：

温度、湿度传感器分开。

DS18B20是单片机常用的温度传感器，具有体积小，高性能，性价比高，精度高等优点，硬件电路连线方便，适用多种温度检测系统。

测量范围为-55℃~125℃，其中在测量范围为-10℃~85℃时，误差范围±0.5℃。

RH202湿敏电阻是单片机常用的湿度传感器，具有性价比高，外形小巧，湿度测量范围宽，并且长期稳定的特点。

测量范围95%RH以下（非结露状态），误差范围±5%RH。

方案二：

温度传感器、湿度传感器不分开。

经过网上查询资料，筛选与比较，决定方案二选择DHT11传感器，它包含了一个湿敏电阻和一个热敏电阻，能够同时测量温度和湿度，并且自带模数装换，能够直接与单片机相连，省去了数字信号与电信号互相转换的步骤，简化电路。

DHT11传感器为针插式传感器，有四个引脚，连接方便，不易在焊接时被烧毁，损坏后可直接拆下更换。

综上所述，方案一的温湿度值精确度比方案二的精确度更高，但考虑到成本，以及焊接问题，方案二的精度范围能满足大部分库房监控的要求，并且性价比更高，拆装更换更方便，运行时稳定性更高，反应速度更快，成本更低廉，线路更简单易懂。

故选择方案二。

2.3.2显示器的选择方案

方案一：

选用12864液晶显示屏。

该显示屏采用的是128×64点阵的汉字图形液晶显示模块，内置8192个中文汉字，128个字符，可直接与CPU接口连接。

方案二：

选用LCD1602液晶显示屏。

该显示屏是绘晶科技公司生产的LCD1602数字显示屏。

显示16×02（16列2行），能显示数字和字母，32个字符，并且拥有一个一个字符显示，从左到右或从右到左等各种显示效果。

综上所述：

两种方案在编程制作方面难度差不多，原理也差不多。

相比方案二的显示屏，方案一显示内容更加形象具体。

但12864液晶屏的价格LCD1602显示屏的十几倍，不易购买到，拆装不便，而LCD1602液晶屏显示的内容足够满足此次设计的要求，并且LCD1602显示屏是针插式液晶屏，容易更换和拆装，性价比更高，并且容易购买到。

故选择方案二。

2.3.3单片机芯片选择方案

方案一：

选用AT89C51系列单片机。

AT89C51系列单片机是美国AYMEL公司生产的低电压、高性能的8位单片机。

AT89C51系列单片机对设备要求低，并且可以对写入的程序加密，可靠性高，市场上的供货量也很充足。

可用5V电压来编程，并且擦写程序时间只要10ms。

方案二：

选择STC89C51系列单片机。

STC89C51系列单片机中，STC89C52RC型号的单片机比STC89C51型号的内存更大，寿命更长，反应更快，其他使用方面、性价比方面两者都差不多，所以此处选择STC89C52RC型号的单片机，其8KB的程序存储器可反复擦写1000余次，指令系统采用MCS-51指令系统，具有可编程反复下载擦除的特点，并且有反应速度快，能耗低，性价比高的特点。

综上所述：

方案一的单片机保密手段更好，两者的指令系统也完全兼容，但AT89C51系列单片机需要购买下载器才可下载程序，而STC89C51系列单片机则可以用USB串口下载，下载软件可以在STC厂家网站下载，更加方便。

并且STC89C51系列单片机是AT89C51系列单片机反应速度的3~30倍，并且STC89C51系列单片机对工作环境要求较低，电压低于5V仍可正常工作，甚至在3V到4V之间也可以工作，并且这一系列单片机的性价比高，持续稳定，价格低，容易买到。

在学校期间，我们的单片机课程学习的就是STC89C51系列单片机，因此，我们对该系列单片机有一定的了解，并且更加容易获得单片机的资源，并且也购买过一些该系列硬件，有了一定的使用经验。

故选择STC89C52RC型号的单片机。

2.4总体设计框图

根据此次设计的功能要求，在保证其能实现功能的基础上，尽可能优化电路，降低成本。

总体设计框图如图2-1所示。

图2-1总体设计框图

从上图中可以看出，系统分为控制模块、DHT11传感器模块、LCD1602液晶显示屏模块、警报模块这四个模块。

此次设计以STC89C52RC单片机为控制核心，实现温湿度采集，数据的分析以及显示屏显示的处理后的数值等基本功能。

此次设计采用模块化设计法，分别设计各个模块，硬件部分可分为，传感器的采集使用，单片机的控制分析，显示屏的显示，嗡鸣器和二极管报警四个部分。

第3章硬件系统的设计

3.1概述

此次毕业设计硬件系统的设计，主要由四个部分组成，分别是控制模块、传感器模块、液晶显示模块以及警报模块。

控制模块是此次设计的核心模块，使用STC89C52RC单片机控制整个温湿度监控系统的运转，并通过各个端口引脚控制其他模块，实现此次设计的功能要求。

警报模块由嗡鸣器和二极管组成，将其接入单片机电路，通过对实时温湿度的监控、对比，给定警报值范围，即给温度值和湿度值分别设置上下限，通过对比，判断是否警报。

传感器模块实时监控当前温湿度值，由于DHT11温湿度传感器数字一体性，包含模数转换模块，输出为电信号，可以直接接入单片机，无需再次进行信号转换。

液晶显示模块，LCD1602液晶显示器，由于现实的是字符串，可以直接接入单片机，无需进行数模转换。

3.2控制模块的设计

3.2.1STC89C52RC单片机的简介

STC89C52RC单片机是由深圳宏晶公司生产的一种小型单片机，是常见的一种电子器件。

其主要特点是采用了8位CPU和Flash存储技术，适用于常规编辑器，降低制造成本，与工业8051系列产品的引脚和指令程序均可以互通，能够为许多嵌入式控制系统提供不同的方案与解决方法。

其主要性能有：

8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、三级加密陈旭存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器、八个中断源、看门狗定时器双数据指针。

如图3-1所示。

图3-1STC89C52RC芯片

引脚说明：

VCC：

电源电压

VSS：

接地

RST：

复位输入。

：

ALE是访问外部存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

：

外部程序存储选通信号。

指在单片机执行外部代码时，每个周期内有两次信号，但在访问外部数据存储器时，两次有效信号将不会出现。

：

访问外部程序存储器控制信号。

必须接VCC。

注意加密方式1时，内部将锁定为RESET。

P0端口（P0.0~P0.7）：

P0端口是一个8位漏记开路的双向I/O口，每个引脚都能驱动8个TTL负载。

对端口写入“1”时，作为高阻抗输入，当P0端口访问外部程序存储器时，它可以提供低8位地址/数据。

在FLASH编程时，P0端口用于接收指令字节，在FLASH进行校验时，P0端口输出指令字节，此时要求外接上拉电阻。

P1端口（P1.0~P1.7）：

P1端口是一个内部自带上拉电阻的8位双向I/O口。

对端口写入“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉到高电位，作为输出。

P1端口作为输入口时，被外部信号下拉为低电平，将会输出电流。

此外，P1.0（T2）可以时钟输出，P1.1（T2EX）可以定时器/计数器的捕获/重装触发和方向控制。

P2端口（P2.0~P2.7）：

P2端口是一个内部自带上拉电阻的8位双向I/O口。

P2端口的缓冲器可以接收4个TTL的输入。

P2端口作为输入口时，被外部信号下拉为低电平，将会输出电流。

P2端口在访问外部程序存储器和16位外部数据存储器时，在给出地址“1”时，由于内部上拉，当对外部存储器进行读写时，P2端口输出其特殊寄存器的内容，P2端口引脚上的内容在整个访问期间都不会改变。

在FLASH编程和校验时，P2端口接收高位地址和控制信号。

P3端口（P3.0~P3.7）：

P3端口是一个内部自带上拉电阻的8位双向I/O口。

P3端口的缓冲器可以接收4个TTL的输入。

P3端口作为输入口时，被外部信号下拉为低电平，将会输出电流。

此外，P3端口作为一般端口使用外，还可以作为一些特殊功能端口，如下表所示：

表3-1P3端口的特殊功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写）

P3.7

（外部数据存储器读）

3.2.2控制模块的电路原理图

单片机的控制模块，首先传感器读取当前的温湿度值，数据经过单片机的分析，对比，判断后，将处理后的信息传送到显示屏上显示，同时，将判断结果发送给警报装置，控制其是否发出警报。

（实际制作原理图时，因Isis软件中零器件更新跟不上现实中零器件是更新，故图中LCD1602显示器由LM016L代替，除去缺少背光灯两个引脚，其他功能相同。

）如图3-2所示。

图3-2控制模块电路原理图

3.3传感器模块设计

3.3.1DHT11传感器的简介

DHT11温湿度传感器是一个数字式温湿度传感器，内置模数转换器，可以直接与单片机相连接，而不需要进行数据的转换，它包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，能够快速运行，进行数据测量，拥有很高的抗感能力。

每一个DHT11温湿度传感器都需要在极其精确的校验室中进行校验，以保证其温湿度值的精确度与精确性。

它拥有四个接线口，信号传输距离可到20米，可以为各种条件苛刻的场合提供精确的数据，同时它还有体积小，低功耗，高性价比，强抗干扰能力的特点。

传感器内部检测信号的处理需要校准参数，而校准参数由校验室校验获得，以程序的形式储存在内存中，可以确保其拥有很高的精确度，不易出错。

它最大的特点是其特有的针插式设计，可以方便拆解、更换，即插即用，不影响使用。

相比其他同类型的温湿度传感器，例如SHT11传感器，双方性能差不多，性价比也差不多，但SHT11传感器在焊接时对焊接要求高，容易在焊接时损坏传感器，而DHT11传感器则解决了这一问题，降低了焊接的要求，确保传感器不被损坏。

实物图如图3-3所示：

图3-3DHT11传感器实物图

引脚介绍（从左到右）：

引脚1（Pin1）：

VDD，电源，3~5.5V，一般为5V，除非特殊标注

引脚2（Pin2）：

DATA，串行数据，单总线

引脚3（Pin3）：

NC，空脚，无用，悬浮

引脚4（Pin4）：

GND，接地，电源负极

接口介绍：

当连接的线路低于20米时，在电源与接口之间接入一个5K的上拉电阻。

当连接的线路高于20米时，则需要根据当前环境进行选择。

其典型用法如图3-4所示。

图3-4DHT11传感器典型用法

3.3.2DHT11传感器模块电路设计

DHT11传感器连接单片机相对比较简单。

单片机的P2.0连接传感器的Pin2端口，同时用来传输和接收数据的，连接电路是更加方便。

在测量的线路小于20米时，需要在电源与床干起Pin2端口间串联一个5K的上拉电阻；当测量线路大于20米时，则需要根据实际的使用情况来增加电阻.传感器的Pin1端口用来连接单片机的VDD端口，即电源，Pin4端口用来连接单片机的GND端口，即接地端。

DHT11传感器原件的电路原理图如下3-5所示。

图3-5DHT电路原理图

3.41602液晶显示模块

3.4.11602显示屏简介

LCD1602是一种工业字符型液晶屏，能够同时显示16x02即32个字符（