库房温湿度监测系统设计方案.docx

1、库房温湿度监测系统设计方案库房温湿度监测系统设计 方案1.1选题背景防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量 的重要指标。 它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。 为保证日常工作 的顺利进行， 首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。 但传统的方法是用 与湿度表、毛发湿度表、 双金属式测量计和湿度试纸等测试器材， 通过人工进行 检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。 这种人工 测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。因此我们 需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。1.2设计过程及工艺要求（1）基本功能

2、；1检测温度、湿度；2显示温度、湿度；3过限报警。（2）主要技术参数1温度检测范围：-30C -+50C；2测量精度：1OC；3湿度检测范围 ： 0%-100%RH；4检测精度 ： 5%RH；5显示方式 ： LCD1602 显示；6报警方式 ：三极管驱动的蜂鸣音及红色 LED 常亮报警。7用户扩展 ：预留 6 点模拟量输入端，包括 3 路温度采集通道， 3 路湿度采 集通道。1.3论文的结构组成本论文分为四部分：绪论：主要阐库房温湿度监测系统设计对库房储存货物的重要性，应用的 广泛性及库房温湿度监测系统所需要的基本功能，说明主要完成的任务及设计思 想，介绍本论文的组成。第二章：主要介绍库房温湿

3、度监测系统硬件原理框图及软件实现方案，并 通过比较硬件电路组成部分和软件部分各种实现方案，最终确立最佳方案。第三章：介绍以单片机AT89S52为信息处理核心的库房温湿度监测系统的 硬件设计电路，详细分析各单元的硬件电路，并给出相关电路原理图。第四章：根据仪器的硬件构成和功能要求，给出相应的软件设计及主要程 序流程图。2库房温湿度监测系统设计总体方案设计2.1系统硬件电路方案本设计中，温湿度监测的实现是通过温湿度传感器采集库房温湿度信息输出电压信号，经AD信号转换电路把电压信号转换为数字信号并传入单片机。 然后,经单片机进行处理比较用户通过按键输入的温湿度极限值进行比较。 最后由单片机决定是否输

4、出报警信号。按键指令及信息输入图 2 1 温湿度监测系统硬件原理图由图 2-1可知，硬件电路的基本组成主要包括：温湿度传感器， A/D 转 换电路，单片机信息处理电路，报警电路及显示电路，按键指令及信息输入 电路。其各部分电路具体功能如下：1温湿度传感器：温湿度传感器主要是将物理信号转化为电压信号， 电压信号，方便 A/D 芯片的转换，温湿度传感器的精度，灵敏度、抗干 扰能力及安装方式决定了温湿度传感器的精度，因此其选型对整个设计 具有决定性的作用。2 A/D 转换芯片电路： 按照控制要求， 总共需要 4*3*2+1=25 个模拟量 输入点，为符合要留余量的控制要求，所以要求有 25 个以上的

5、模拟量 输入点，完成把物理信号转化为数字信号，同时在温湿度传感器精度完 成要求的同时只有模数转换芯片的转换精度达到要求才能完成控制任 务，因此对 A/D 转换芯片的选型也非常重要。3 按键指令及信息输入电路：此电路主要完成报警复位、总操作复位 /确定（开关液晶背光）、温度极限上调、湿度极限上调、温度极限下调、 湿度极限下调等等功能，属于人机交流部分，使整个系统更加合理，人 性化。对于整个系统的完善，有至关重要的作用。但由于按键占用 I/O 口太多所以要采取模拟量转换数字量的方式进行信息输入。 4 单片机信息处理电路：不言而喻，这部分电路对于整个系统而言相 当人的大脑，其主要包括了整个单片机（

6、51 系列）的最小系统，各个模 块电路连接等。当然最主要的是他的软件要正常运行。5 稳压电源电路：此电路主要为此系统使用 DC5V 电源供电的单元模 块提供高质量的 DC5V 电源。6 报警电路：此电路主要完成当库房温湿度值超过设定值时，发出报 警信号，其中包括声响信号和光信号。7 信息显示电路：显示电路是人机交互平台的重要组成部分，主要可 以完成显示实时的温湿度值、设定值、报警提示及报警种类的显示的功 能。但根据以往经验，也是整个系统耗电最高的一个部分，由于其显示信息数量较为简单，所以可以选择较小的显示屏。考虑到每个模块都可以有多种实现方案，下面通过比较各种方案，来选 择最优化的实现方案。2

7、.1.1 温湿度传感器的选择传感器又称为换能器、 变换器等。 温湿度传感器是温湿度测系统中重要的组 成部分，其基本功能是将库房的温度和湿度这样一些物理量 （非电量 ）转换成为便 于测量的电量。 温湿度传感器的精度、灵敏度、 抗干扰能力及安装方式决定了温 湿度传感器测量精度，因此其选型对整个设计具有决定性的作用。目前，温湿度信号的测量方式较多，但在测温方面主要有：1金属热电阻：温度 / 热改变电阻阻值2热电偶：温度 / 热量使导体产生温差电动势3半导体热敏电阻：温度 / 热量改变电阻阻值4红外释热测温：温度改变红外热辐射5色温法：温度改变金属颜色变化（炼钢）6石英：温度改变石英震荡频率7形变：温

8、度使双金属片弯曲在测湿度方面主要有：1动态法（双压法、双温法、分流法） ，双压法、双温法是基于热力学 P、V 、 T 平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混 合。由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，却因设备复杂， 昂贵，运作费时费工，主要作为标准计量之用，其测量精度可达 2%RH -1.5%RH。2静态法（饱和盐法、硫酸法） ，静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的 方法，简单易行。但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的 稳定要求较高。用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。特别在室 内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡 68

9、 小时。3露点法，干湿球法和形形色色的电子式传感器法。露点法是测量湿空气达到 饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。计量用的精 密露点仪准确度可达土 0.2C甚至更高。但用现代光一电原理的冷镜式露点仪 价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。4干湿球法，这是 18 世纪就发明的测湿方法。历史悠久，使用最普遍。干湿球 法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的： 即在湿球附近的风速必需达到 2.5m/s以上。普通用的干湿球温度计将此条件 简化了，所以其准确度只有57%RH,明显低于电子湿度传感器。显然干湿球 也不属于静态法，不要简单地认为只要提高两支温度计的

10、测量精度就等于提 高了湿度计的测量精度。综合以上信息，为符合系统设计需要和综合系统造价，以后产品的推广与安装， 特选用北京港北中天科技有限公司生产的 GB 系列温湿度传感器。2.1.2 温湿度传感器的参数等相关信息GB-6000B（ CR）温湿度变送器性能可靠，价格优惠。采用进口瑞士原装温湿测量单元， 电路采用数字化处理信号隔离放大， 截频干扰设计（抗干扰能力强，防雷击）过压保护，限流保护，等设计其具体参数如下：温度测量范围：-40-120C（中间量程任选）湿度测量范围：0-100%Rh温度测量误差： 05C湿度测量误差： 3%Rh温度测量漂移：年飘移量 0.01C湿度测量漂移：常温及低湿状态

11、下，三年飘移量 1-2%Rh,高温高湿状态下(40C, 80Rh)每年飘移 1%RH。供电范围：1236VDC输出信号：420mA或05VDC或010VDC 或防护等级：IP65采样频率： 2ms接线图：图22 GB-6000B ( CR)温湿度变送器硬件接线图外形尺寸:图2 3 GB-6000B (CR)温湿度变送器外观及尺寸2.1.3单片机型号选择市场上单片机种类繁多且功能各异， 价格也相差很大，现在简单介绍一下我们常用单片机：1PIC单片机：是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗 低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，代码保密性好。2EMC单片机：是台湾义隆公司的产品

12、，有很大一部分与 PIC 8位单片机兼容，且相兼容产品的资源相对比 PIC的多，价格便宜，有很多系列可 选，但抗干扰较差。3ATMEL单片机(51单片机)：ATMEI公司的8位单片机有 AT89、AT90两 个系列，AT89系列8051系列单片机相兼容，静态时钟模式，AT90系列 单片机是增强RISC结构、全静态工作方式，也叫 AVR单片机。4PHLIPIS 51PLC系列单片机（51单片机）：PHILIPS公司的单片机是基于 80C51内核的单片机，嵌入了多种功能功能,这使51LPC在高集成度、低 成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。5HOLTEK 单片机：台湾盛扬半导体的单片

13、机，价格便宜，种类较多，但 抗干扰较差，适用于消费类产品。6TI公司单片机（51单片机）：德州仪器提供了 TMS370和MSP430两大系 列通用单片机.TMS370系列单片机是8位CMOS单片机，具有多种存储 模式、多种外围接口模式；MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集 成度较高的 16 位低功耗单片机。综合以上信息， 为满足系统设计需要和综合系统造价， 以后产品的推广与安 装，特选用ATMEL公司生产的AT89S52系列的单片机。2.1.4 AT89S52 单片机参数等相关信息1AT89S52主要性能与 MCS-51 单片机产品兼容； 32个可编程 I/O 口线；三个 16位定时器

14、/计数 器；八个中断源；全双工 UART 串行通道；低功耗空闲和掉电模式；看门狗定 时器；双数据指针。2AT89S52功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编 程 Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash， 使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O 口线，看门狗定时 器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路

15、。3AT89S52的引脚结构P0.4.-LETLT-Ll图2 4AT89S52的引脚结构4AT89S52引脚功能介绍VCC :电源GND:地P0 口： P0 口是一个8位漏极开路的双向I/O 口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“ 1”时，弓I脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0 口也被作为低8位地址/数据复用。在 这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0 口也用来接收指令 字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口： P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8位双向I/O 口，p1输出缓冲器 能驱动4个TTL逻辑

16、电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉 高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内 部电阻的原因，将输出电流（IIL ）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数 器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）， 具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1 口接收低8位地址字节。引脚第二功能：P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2EX （定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI （在系统编程用）P1.6 MISO （在系统编程用）P1.7 SCK （在系

17、统编程用）P2 口： P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8位双向I/O 口，P2输出缓冲器 能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉 高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内 部电阻的原因，将输出电流（IIL ）。在访问外部程序存储器或用16位地址读 取外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR ）时，P2 口送出高八位地址。 在这种应用中， P2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8位地址（如 MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2 口输出P2锁存器的内容。在flash编程和 校验时，P2 口也接收高8位地址字节和一

18、些控制信号。P3 口： P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， p2 输出缓冲器 能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉 高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内 部电阻的原因，将输出电流（IIL ）。P3 口亦作为AT89S52特殊功能（第二功 能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。 引脚第二功能P3.0 RXD （串行输入）P3.1 TXD （串行输出）P3.2 INT0（外部中断0）P3.3 INT0（外部中断0）P3.4 T0 （定时器0外部输入）P3.5 T1

19、 （定时器1外部输入）P3.6 WR（外部数据存储器写选通）P3.7 RD（外部数据存储器写选通）RST:复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机 复位。看门狗计时完成后， RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存 器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG :地址锁存控制信号（ALE ）是访问外部程序存储器时，锁存低 8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉 冲。在一般情况下， ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作 为外部定时器或时钟使用。

20、 然而，特别强调， 在每次访问外部数据存储器时， ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“T, ALE 操作将无效。这一位置“ 1”， ALE 仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时 有效。否则， ALE 将被微弱拉高。这个 ALE 使能标志位（地址为 8EH 的 SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当 AT89S52 从外部程序存储器执行外部代码时， PSEN 在每个机器周期被激活 两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号

21、。为使能从 0000H到FFFFH的外部 程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该 接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1: 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2: 振荡器反相放大器的输出端。5AT89S52的内部资源AT89S52 有 6个中断源:两个外部中断（ INT0 和 INT1 ），三个定时中 断（定时器 0、1、2）和一个串行中断。这些中断如图 1 0所示每个中断源都 可以通过置位或清除特殊寄存器 IE 中的相关中断允许控制位分别使得中断 源有效或无效。IE还包括一个中断允许总控制位 EA，它能一次禁止所

22、有中 断。如表5所示，IE.6位是不可用的。对于AT89S52, IE.5位也是不能用的。 用户软件不应给这些位写 1。它们为 AT89 系列新产品预留。定时器 2 可以 被寄存器 T2CON 中的 TF2 和 EXF2 的或逻辑触发。程序进入中断服务后， 这些标志位都可以由硬件清 0。实际上，中断服务程序必须判定是否是 TF2 或 EXF2 激活中断，标志位也必须由软件清 0。定时器 0 和定时器 1 标志位 TF0和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。它们的值一直到下一个 周期被电路捕捉下来。然而，定时器 2 的标志位 TF2 在计数溢出的那个周 期的S2P2被置位，在同一个周期被

23、电路捕捉下来。AT89S52内部具有看门狗定时器及3个16位可编程定时器/计数器。16 位是指他们都是由16个触发器构成，故最大计数模值为216 _1 0可编程是指 它们的工作方式由指令来设置，或者当计数器用，或者当定时器用，并且记 数（定时）的范围也可以由指令来设置。这种控制功能是通过定时器方式控 制器TMOD来完成的。存储器结构：MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程 序存储器和数据存储器都可以64K寻址。程序存储器：如果EA引脚接地， 程序读取只从外部存储器开始。对于 89S52,如果EA接VCC，程序读写 先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址

24、，寻址地 址为：2000HFFFFH。数据存储器：AT89S52有256字节片内数据存储器。高128字节与特 殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址， 而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功 能寄存器（SFR）。例如，下面的直接寻址指令访问0A0H （P2 口）存储单元 MOV 0A0H , #data使用间接寻址方式访问高128字节RAM。例如，下面的间接寻址方式 中，R0内容为0A0H，访问的是地址0A0H的寄存器，而不是P2 口（它的 地址也是0A0H）。MO

25、V R0 , #data堆栈操作也是简介寻址方式。高128字节数据RAM也可用于堆栈空间。2.1.5 AD转换芯片的选择以及相关的参数模数转换芯片主要完成模拟量转换为数字量的功能， 方便单片机读取，根据 系统要求，此处并不需要高速型的转换芯片，因为一般高速高精度 AD转换芯片 价格较为昂贵，而低速芯片不但价格便宜且能满足系统要求， 像ADC0809就是一 款价格便宜，应用广泛，性能稳定性都经过时间检验的好产品， 其主要参数如下： 主要特性1） 8路8位A/ D转换器，即分辨率8位2） 具有转换起停控制端。3） 转换时间为100卩s4） 单个+ 5V电源供电5） 模拟输入电压范围0+ 5V,不需

26、零点和满刻度校准。6） 工作温度范围为-40+ 85摄氏度7） 低功耗，约15mW/2内部结构ADC0809是CMO沖片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、 地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近。3r ccxe f 种 GND 比硬件引脚图珥 巩 二蠢 J1DDB JDLC JiLE片 二馥 图2 5 ADC0809的引脚结构4外部特性ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图 13. 23所示。下面说明各引脚功能。IN0IN7: 8路模拟量输入端。2-12-8 : 8位数字量输出端。ADDA ADDB ADDC 3位地址输入线，用于选通8路模拟输

27、入中的一路ALE地址锁存允许信号，输入，高电平有效。START A/D转换启动信号，输入，高电平有效。EOC A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电 平（转换期间一直为低电平）。OE数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZREF( +)、REF (-)：基准电压。Vcc：电源，单一+ 5V。GND 地。ADC0809的工作过程是：首先输入 3位地址，并使ALE=1将地址存入 地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升 沿

28、将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低， 指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/ D转换 结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 OE输入高电 平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。2.1.6 LCD液晶屏的选择以及相关的参数对于液晶显示屏的选择只要满足同时显示实时温度、 湿度。可以同时显示设定温度极限值、湿度极限值。报警信息等等，显示信息量不大。众所周知，液晶 屏显示面的大小与其价格成正相关。所以选择一款较小的显示屏就可以完成本系 统相关功能。LCD1602就是一款性价比较高的液晶显示屏，其相关参数如下

29、：接口信号说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6二使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极表2-1 :引脚接口说明表第1脚：VSS为地电源。第2脚：VD取5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄 存器。第5脚：R/W为读写信

30、号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和 R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命 令。第714脚：DOD7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。2主要技术参数显示容量:16 X2个字符芯片工作电压：4.5 5.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95 X 4.35(WX H)mm3硬件实物外观图 2 6 LCDI602 正面图 2 7 LCD1602 反面4外形尺寸图2 8 LCD1602硬件尺寸51602LCD的指令说明及时序序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0