实验室温湿度监控系统的设计论文Word文档下载推荐.docx

1、第1章 绪 论 211课题研究的目的及意义 212国内外测温湿技术及其发展趋势 2第2章 系统总体方案设计与选择论证 421 系统主要单元的选择与论证 422系统总体原理框图 4第3章 系统的硬件设计 531 单片机AT89C51简介 532 AT89C51引脚及介绍 533 SHT11 传感器 7com SHT11 传感器简介 7com SHT11 传感器内部结构及工作原理 734 显示模块 9com 1602液晶简介 9com 1602液晶与AT89C51接口电路 935键盘电路设计 10com制电路 10com 各功能键作用分配 1036蜂鸣器电路的设计 11com 报警模块的选择 11

2、com 本设计蜂鸣器工作原理 1137时钟与复位电路的设计 1238单片机与上位机通讯电路设计 12com RS-232C简介 13com 232简介 13第4章 系统软件设计 1541 系统软件总体设计 1542 主程序设计 1543 数据采集及处理子程序设计 1744 键盘液晶显示程序设计 17结论与展望 20致谢 21参考文献 22附录A温湿度检测系统仿真图 23附录B外文文献及译文 24附录C 主要参考文献的题录及摘要 30附录D 系统源程序 32插图清单图2-1系统总体原理框图4图3-1 AT89C51引脚图5图3-4 SHT11内部原理图8图3-5 1602液晶与AT89C51接口

3、电路10图3-6键盘控制电路11图3-7三极管驱动的蜂鸣音报警电路12图3-8时钟电路图12图3-9复位电路12图3-9 232芯片控制电路14图4-4液晶显示流程图17表格清单表3-3 P3口的第二功能6表3-4SHT11的命令代码8引言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本文介绍的温湿度检测系统以智能化数字式温湿度传感器与PIC 微处理器有机结合构成了一种新型温湿度检测系统该系统具有性

4、能可靠测温准确结构简单造价低廉等特点并兼具线路简捷使用灵活抗干扰性好可移植性强等优点可在工程实际中得到广泛应用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IO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

5、领域它以芯片形式嵌入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 第1章 绪 论 11课题研究的目的及意义科学技术是第一生产力科技的进步离不开大量的科学实验科学实验是科技进步的重要前提随着人们对科学实验的要求越来越高如何在最优的条件下进行科学实成为众多实验室首要考虑的问题很多的实验对

6、环境条件的要求非常的苛刻而温度和湿度又是环境中最基本的两个条件也是最不容易保障的指标而且它们都有可能对实验产生较大的影响 例如微生物实验室某些微生物对生存环境的要求特别的严格只有在特定的温度湿度条件下才可以存活并生长温度湿度稍有改变就有可能导致它们的死亡甚至导致实验的失败物理实验室里的某些高精度电子仪器对温湿度也很敏感只有工作在特定的环境下才能保证它们的精度所以必须维持一个恒定的温湿度值在化学实验室里某些实验必须在特定的温湿条件下进行否则不仅得不到的应有的结果甚至会发生危险这些都对实验室的温湿度监控提出了高要求在生命科学设施计量校准实验室和电子制造环境温度和湿度往往需要监测和报警显示724以保

7、障产品和工艺在环境监测实时数据报告以确保环境符合规格是至关重要的 在我们的生活中我们要时刻关心环境的变化只有很好的把握好环境的差异变化我们才能更好的生存与发展 做好温度和湿度的防范工作比如说在一些实验室生物的成长和温湿度是离不开的它们只有在适宜的环境下在适宜的温度和湿度下才能成长的更快我们才能获取更大的效益另外一些仓库也需要实时知道温湿度的具体变化什么样的物品在什么样的环境下比较适宜等等 现代社会越来越多的实验都要求在严格的环境条件下完成而温度和湿度是实验室最基本的环境条件也是对实验影响较大的因素一般温湿度控制系统中的温湿度测量均采用热敏电阻与湿敏电容这种传统的模拟式温湿度传感器一般都需要设计

8、信号调理电路并经过复杂的校准和标定过程因此测量精度难以保证且在线性度重复性互换性等方面也存在一定问题这种传感器只适合那些测量点数较少对精度要求不高的场合因此设计出一款精度高稳定性好成本低的温湿度检测控制系统将具有一定的市场12国内外测温湿技术及其发展趋势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实验室做实验中如果检测得不准确就会发生许多的生产事故如实验过程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

9、度为1或01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在传统领域中温度测量是通过物质的物理热胀冷缩原理来实现的物质的选择可以是气体也可以是液体还可以是金属我们一般常用的水银玻管温度计就是一种常见的通过金属物质热胀冷缩原理制成的温度测量器具在计量检定中很多温度的检定都依靠它来标定他的优点是结构简单使用方便测量精度相对较高价格低廉缺点是测量上下限和精度受玻璃质量与测温介质的性质限制只能近距离观测而且有毒并且由于易碎不适宜运输和传递

10、国内对温湿控制技术研究起步较晚自20世纪80年代以来在引进吸收国外高科技温室生产技术的基础上我国进行了温室中温度湿度和二氧化碳等单项环境因子控制技术的研究1982年中国农业科学院建立了全国农业系统的第一个计算机应用研究机构1995年北京农业大学研制成功的WJG一1型实验温室环境监控计算机管理系统仅仅是进行单因子控制操作性和可靠性均不够理想温湿度传感器正朝着集成化智能化系统化的方向发展与此同时温湿度测量技术也在不断进步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

11、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第2章 系统总体方案设计与选择论证在本章中我们将实验室温湿度环境监测系统的总体设计及其主要功能特点进行简单的分析并给出它的特点实现功能系统的简单操作以及对单片机及其控制系统的了解21 系统主要单元的选择与论证 方案一采用XC9000系列的FPGA该类器件具有并行处理能力能快速的响应外部的各种数字信号但在数据处理方面过于复杂而且芯片价格较昂贵 方案二采用单片机作为控制核心单片机数学运算功能较强在程序相互调用方面处理方便灵活性能稳定适合实际应用且单片机技术发展较为成熟价格便宜基于以上分析采用单片机控制可

12、更为简便灵活地实现系统功能故拟采用方案二22系统总体原理框图该系统主要由以下功能系统构成中央控制处理器AT89C51组成的主机系统环境数据采集系统输出显示与键盘控制系统等主要的系统电路有电源电路温度传感器与湿度传感器电路显示电路报警电路键盘输入控制电路和通信电路等该系统的主要特点有1该产品的互换性好响应速度快抗干扰能力强外围电路简单易懂因此体积小2该系统能用软件的方式控制硬件所有用软件方式设计的系统向硬件系统的转换是由有关开发软件自动完成的易操作系统总体原理框图如图2-1所示图2-1 系统总体原理框图第3章 系统的硬件设计本设计的硬件系统主要由主控模块显示模块温湿度采集模块键盘模块和蜂鸣器模块

13、组成31 单片机AT89C51简介AT89C51是一个低功耗高性能CMOS 8位单片机片内含4k Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存储技术制造兼容标准MCS-51指令系统及AT80C51引脚结构芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案AT89C51具有如下特点40个引脚4k Bytes Flash片内程序存储器128 bytes的随机存取数据存储器RAM32个外部双向输入输出IO口5个中断优先级2层中断嵌套中断2个16位可编程定时

14、计数器2个全双工串行通信口片内时钟振荡器此外AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式空闲模式下CPU暂停工作而RAM定时计数器串行口外中断系统可继续工作掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位同时该芯片还具有PDIPTQFP和PLCC等三种封装形式以适应不同产品的需求32 AT89C51引脚及介绍com 引脚介绍VCC电源电压GND地P0口P0口是一组8位漏极开路型双向IO口也即地址数据总线复用口作为输出口用时每位能驱动8个TTL逻辑门电路对端口写1可作为高阻抗输入端口在访问外部数据存储器或程序存储器时这组口线分时转换地址低8位和

15、数据总线复用在访问期间激活内部上拉电阻在Flash编程时P0口接收指令字节而在程序校验时输出指令字节校验时要求外接上拉电阻P1口P1是一个内部带上拉电阻的8位双向IO口P1的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路对端口写1通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平此时可作输入口作输入口使用时因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号校验期间P1接收低8位地址P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO口P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路对端口写1通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平此时可作输入口作输入口使用时因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I在访问位地址的外部

16、数据存储器如执行MOVX Ri 指令时P2口线上的内也即特殊功能寄存器在整个访问期间不改变Flash 编程或校验时P2也接收高位地址和其它控制信号P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向IO口P3口输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路对P3口写入1时它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口作输入端口时被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流IP3口除了作为一般的IO口线外更重要的用途是它的第二功能P3口的第二功能如下表3-3表3-3 P3口的第二功能端口功能 第二功能 端口引脚 第二功能 RXDP30 串行输入口 T0P34 定时计数器0外部输入 TXDP31 串行输出口 T1P

17、35 定时计数器1外部输入 INT0P32 外中断0 WRP36 外部数据存储器写选通 INT1P33 外中断1 RDP37 外部数据存储器读选通 RST复位输入当振荡工作时RST引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机复位ALEPROG当访问外部程序存储器或数据存储器时ALE地址锁存允许输出脉冲用于锁存地址的低8位字节即使不再访问外部存储器ALE仍以时钟振荡频率的16输出的正脉冲信号因此它可对外输出时钟或用于定时目地要注意的是当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲如有必要可通过对特殊功能寄存器SFR区中的8EH单元的D0位置位可禁止ALE操作PSEN程序储存允许PSEN输出是外部程序存储器

18、的读选通信号当AT89S51由外部程序存储器取指令或数据时每个机器周期两次PSEN有效即输出两个脉冲访问外部数据存储器高有两次有效的PSEN信号EAVPP外部访问允许欲使CPU访问外部程序存储器地址0000HFFFFHEA端必须保持低电平接地需注意的是如果加密位LB1被编程复位时内部会锁存EA端状态如EA端为高电平接VCC端CPU则执行内部程序存储器中的指令Flash存储器编程时该引脚加上12V的编程电压VPPXTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端XTAL2振荡器反相放大器的输出端33 SHT11 传感器com SHT11 传感器简介SHT11 数字式温湿度传感器是由瑞士的 Sen

19、sation 公司设计的是一种带有两线制串行接口的复合式传感器片内实现了对数据的调试及其标定并且测量精度可以调节分辨率可以达到 8 位12 位或 14 位可由用户自行设定输出的数据还带有 CRC 校验保证了数据传输的准确性其加工工艺采用了特殊的 COMS过程微加工技术生产出的产品可靠性非常的高并且能够长期工作在非常稳定的状态该复合式的传感器内部的集成度非常的高将一个能隙式的测温元件一个聚合体测湿元件一个 AD 转换器一个加热器以及串行接口电路都集成在了一片 74248825 mm 的无铅芯片载体上并且采用了无缝连接的工艺极大的增加了产品的抗干扰能力也使得芯片的响应时间非常的短在同类产品中性能非

20、常的突出为了使用户能够得到非常准确的温湿度信息每个芯片在出厂前都经过了严格的测试并将校正值存于内存中简化了用户对采集数据处理的复杂度同时也大大增加了产品的精度绝对可以成为各种温湿度采集芯片中的佼佼者SHT11 数字式温湿度传感器的应用范围非常的广泛小到智能家居大到自动化控制相比于其他同类产品具有以下几种特点一集成度高将湿感元件温感元件串行接口电路以及 AD 转换器等都集成在一片无铅芯片载体上具有超小的外部尺寸二基于两线制串行接口的数据传输SHT11 采用的是两线式串行总线一条数据线 DATA一条串行时钟线 SCK可进行 CRC 校验保证了数据传输的准确性三分辨率可调SHT11 内部的 AD 转

21、换器的分辨率可以通过内部的特殊功能寄存器进行选择8 位12 位14 位满足不同需求四精度高片内集成的温感元件和湿感元件使 SHT11 在测量湿度时可以进行温度补偿提高了测量的精度五体积小SHT11 的封装非常的小只有 74225 mm并且在每次测量之后能够自动的进入低功耗工作模式六可靠性高由于 SHT11 采用的是特殊的 COMS 过程微加工技术内部元件实现了无缝连接即使在测量时将其放入水中也可以正常工作com SHT11 传感器内部结构及工作原理数字式温湿度传感器 SHT11是将测湿元件测温元件AD 变换串行接口电路等都完全集成在一起结构如图-4 所示该芯片的测湿度部分是一个电容式聚合体湿度

22、敏感器件测温部分是一个能隙式温感器件它们将湿度和温度信息都转换成了微弱的电信号经过运算放大器放大后放大了的电信号直接进入 AD 转换器最后通过两线制串行接口总线输出数字信号每个 SHT11 在出厂之前都会经过严格的测试在具有非常精确的温湿度值的环境中进行校准并将得到的校准系数存储在 OTP 内存中当进行温湿度测量时芯片会自动用校准系数来校准提高测量精度除此之外为了考证两个传感器的综合性能在 SHT11 内部还有一个加热器件对其上电后可使芯片的温度提升摄氏度这样就可以对比加热前后的温湿度值当湿度值大于 95RH 时传感器容易结露增加了系统的响应时间为了避免可以开启加热单元同时功耗自然而然变高了与

23、加热前相比测量值会略有不同SHT11 是通过两线制串行接口与处理器进行数据的传输一个数据接口和一个串行时钟但是又不同于普通的IC总线要通过单片机的普通 IO 进行模拟通信对 SHT11 的控制要用5个二进制码来实现表3-4 SHT11的命令代码命令代码 含义 00011 测量温度 00101 测量湿度 00111 读取内部状态寄存器 00110 写内部状态寄存器 11110 复位命令 其他 保留 图3-4 SHT11内部原理图34 显示模块液晶显示器 LCD 具有功耗低体积小重量轻超薄等许多其它显示器无法比拟的优点近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器仪表和低功耗电子产品中单片机可以通过数据总

24、线与控制信号直接采用存储器访问形式IO设备访问形式控制该液晶显示模块本设计采用1602液晶屏液晶显示的原理是利用液晶的物理特性通过电压对其显示区域进行控制通电后就可以显示出图形文字com 1602液晶简介1602字符型液晶是工业字符型液晶能够同时显示16 2即32个字符16列2行 1 单5V电源电压功耗低寿命长可靠性高 2 内置192种字符160个57点阵字符和32个510字符 3 具有64个字节的自定义字符RAM可自定义八个58点阵字符 4 显示方式STN半透正显 5 驱动方式116DUTY15BIAS 6 视角方向6点 7 背光方式底部LED 8 通讯方式4位或8位并口可选 9 标准的接口特性适配MC51和M6800系列MPU的操作时序com 1602液晶与AT89C51接口电路图3-5 1602液晶显示电路35键盘电路设 计键盘分为独立式键盘和矩阵式键盘在本设计中由于按键较多因此选用矩阵式键盘com制电路本系统中键盘的作用是实现人机交互功能通过键盘设置温度湿度的上下限值键盘控制电路如下图所示图3-6 键盘控制电路com 各功能键作用分配1开关