湿度检测系统.docx

1、湿度检测系统 课程设计题目：湿度检测系统学生姓名：学 号：院 （系）：专 业：班 级：指导教师姓名及职称：目 录引言.(3)1硬件电路分析(3)1.1 单片机的工作原理 (3)1.2 SHT1x7x系列单片集成传感器 .(6)1.2.1 SHT1x7x系列单片集成传感器的特性 .(6)1.2.2 SHT1x7x系统结构.(7)2电路原理图.(9)参考文献.(10)湿度检测系统软件工程 物联网应用与技术2010级 指导教师： 引言：随着单片机技术的高速发展，由于其具有集成度高，处理功能强，可靠性好，系统结构简单，价格低廉，易于使用等优点，单片机已经得到了广泛的应用。在现代化的工业生产中，温度和时

2、钟是常用的参数。本设计就是利用AT89C51单片机来对时钟挂历和温度进行控制，并实时显示出来。具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点。摘 要：本设计是利用AT89C51单片机为控制芯片，通过SHT1x7x系列单片集成传感器检测实时湿度。关键词：89C51单片机；湿度；SHT1x7x系列单片集成传感器；1 硬件电路分析1.1单片机AT89C51工作原理AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K

3、字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示。主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线

4、两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路管脚说明：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，

5、将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管

6、脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振

7、荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由

8、外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和

9、陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。1.2 SHT1x7x系列单片集成传感器SHT1x7x系列单片集成传感器是Sensirion公司最近推出的一种可以同时测量湿度、温度和露点的传感器，不需外围元件直接输出经过标定了的相对湿度、温度及露点的数字信号，可以有效解决传统温、湿度传感器的不足。SHT1x7x系列单片集成传感器是利用CMOSensTM技术制造的，如图1所示。 内部集成了湿度敏感元件和温度敏感元件、放大器、一个14 b的AD转换器、标定数据存储器以

10、及数字总线接口以及稳压电路。由于温度传感器和湿度传感器在硅片上是紧靠在一起，可以精确地测定露点，不会因为两者之间的温度差而引入误差；直接通过AD据是存放在芯片上OTP存储器中的标定系数，输出是经过标定的数字信号，可以确保传感器的性能指标一致性、稳定性好、成本低、使用方便。1.2.1 SHT1x7x系列单片集成传感器的特性SHT1x7x系列电源电压适用范围宽：2455 V。测量精度高：湿度的精度为35，温度的精度为05（在20时）。待机时电流低于3A。传感器的数字输出是通过两线数字接口直接连到微处理器上去，便于进行系统设计。管脚描述如表1所示。SHT1x7x送出的温度、湿度数据必须经过转换，才能

11、表示实际的温度和湿度，其公式如下1其中：TC表示摄氏温度；RHTrue表示相对湿度。d1，d2和温度分辨率有关，C1，C2，C3，t1，t2和湿度的分辨率有关，其对应关系如表2和表3所示。 1.2.2 SHT1x7x系统结构测试电路使用AT89C2051对传感器进行读写。其电路如图2所示。SHT1x7x系列传感器采用SCK，DATA进行通信，但是其协议有别于I2C总线2。当一个SCK高电平时，DATA出现低电平，然后SCK变为低电平，接着当SCK高电平时DATA变为高电平则表示开始数据读写（启动序列），如图3和图4所示。然后是3 B的地址5 B的命令，然后在SCK继续发送一个周期的时钟表示AC

12、K，这时传感器开始测量，约1155210 ms（分别对应81214位精度）后，传感器在DATA上送出低电平表示测量结束，然后送出测量数据和校验和。为保证测量的可靠，应核对校验和。控制指令如表4所示。 主要程序return val； 2.电路原理图参考文献1 彭介华 主编 电子技术课程设计指导 高等教育出版社2 戴佳,戴卫恒.51单片机C语方应用程序设计实例精讲M.电子工业出版社3 谭浩强.C程序设计 M.第二版.北京：清华出版社,1999.1-400.4 李群芳 张士军 黄建 编者 单片微型计算机与接口技术 电子工业出版社5 彭喜元 姜守达 编者 新编MCS-51单片机应用设计6 郁有稳 常健

13、 程继红 编著 传感器原理及工程应用 西安电子科技大学出版社基于一线总线的温湿度传感器设计慧聪网2005年3月7日14时43分信息来源：传感器世界 摘要：采用Honeywell公司相对湿度传感器HIH3610，配合DALLAS公司一线总线器件DS2438设计出一种完全符合一线总线规范的温湿度传感器。文中对传感器结构进行了详尽的阐述。 关键词：一线总线; 温湿度传感器; 计算机测量; 中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1006-883X(2003)04-0020-04 一 、概述 由传统的温湿度传感器构成的计算机温湿度测控系统，需要使用电源、信号、地线等多根导线，并要求系统为其提

14、供电源和模拟量输入接口，同时对信号传输距离、电磁干扰也要求较为严格，尤其是在测量点数较多时，上述问题显得尤为突出，这不仅使系统成本增加，也使系统可靠性大为降低。而如果沿着电缆线也能传送电源的话，那么就可替代外部电源来为系统供电。一种巧妙的、从数据线上“窃电”的方法，使得多个器件可挂接在同一根电缆线上，并双向传送数据，同时为器件提供电源，这就是单总线微网技术。这种方法不仅节省了额外的连线和远端电源，有效地降低了成本，更有意义的是单总线上挂接的器件具有全球唯一的序列号，和自定时控制器，因此简化了温湿度测控系统设计。 目前DALLAS公司提供了多种一线总线温度传感器，如DS1820、DS18B20、

15、DS18S20等，采用上述器件并利用单总线微网技术，可轻松构成全数字化的万点测温系统。但对于湿度的测量，DALLAS公司并未提供相应的传感器，这就给利用单总线微网技术测量温湿度带来不便，针对这种情况，我们采用Honeywell公司相对湿度传感器HIH-3610，配合DALLAS公司一线总线器件DS2438设计出一种完全符合一线总线规范的温湿度传感器，可直接挂接在一线总线上，构成一线总线温湿度测控系统。 二、一线总线温湿度传感器结构 挂在一线总线上的器件必须满足以下几方面的要求： 低功耗：一线总线的电源通常由一个连接于3V5.5V电源端的4.7k上拉电阻提供，其提供的电源能量是非常有限的，故要求

16、一线总线器件必须满足低功耗的特性。 具有唯一的身份码：一线总线是通过身份码来识别挂在同一总线上的不同器件的，因此要求每个一线总线器件均具有全球唯一的64位ROM识别码。 必须满足一线总线器件的时序要求。 根据上述对一线总线器件的要求设计出的一线总线温湿度传感器如图1所示。这里选用了具有功耗低特性的HIH-3610湿度传感器，以满足一线总线对低功耗的要求，选用了一线总线器件DS2438以满足身份码及时序要求，下面对上述器件予以详细介绍。 三、 HIH-3610集成湿度传感器 HIH-3610是美国Honeywell公司生产的相对湿度传感器，该传感器采用热固聚酯电容式传感头，同时在内部集成了信号处

17、理功能电路，因此该传感器可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容值转换成线性电压输出的任务，同时该传感器还具有精度高、响应快速、高稳定性、低温漂、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点，其性能指标如表1所示，输出电压与相对湿度的关系曲线如图2所示。 由特性指标及输出电压与相对湿度关系曲线可得出如下结论： HIH-3610在供电电压为5V时，其消耗电流仅为200A，故完全可满足一线总线对器件低功耗的要求。 HIH-360输出电压为： Vout= Vsupply0.0062(sensor%RH)+0.16 即输出电压Vout不仅正比于湿度测量值，且与电源电压值Vsupply有关，若Vsupply固定为5

18、V，则其值仅由相对温度值决定，但由于一线总线上的供电电压值为变量，故要求在进行湿度测量的同时还应测量电源电压Vsupply的值。 HIH-3610测量的湿度值还与环境温度有关，故应进行温度补偿，补偿公式为： RH=(sensor%RH)/1.0546-0.0216T 式中：T为环境摄氏温度值。 因此，为得到准确的湿度测量值，还应在测量湿度的同时测量环境温度和一线总线电源电压值。 四、 一线总线器件DS2438 为实现上述参数的计算机测量，要求所选用的器件不仅能完成温度、湿度和电压值的测量，还应满足一线总线对器件身份码及时序的要求，因此只有选用一线总线器件才能同时满足上述要求。若选用DS2450

19、一线总线A/D转换器，并配合一线总线数字温度传感器DS1820，虽可完成温湿度测量功能，但会增加传感器的软件硬件复杂程度，故这里选用DALLAS公司的智能电池监视器件DS2438，该器件主要特性如下： 一线总线接口，只有一根信号线与CPU连接； 无需备份电源，可用数据线供电； 片内10位精度的电压ADC，（010V输入10位，05V输入9位）； 片内10位精度的电流ADC（带符号）； 片内13位精度的温度传感器； 温度测量范围-55125，测量精度为0.5； 片内40Byte的E2PROM，可用于保存电池参数、充电时间； 片内实时时钟； 64Bit ID ROM。 由上述特性可知DS2438硬

20、件资源有2个ADC和一个温度传感器，电压ADC对010V输入信号实现10位变换或通过内部多路开关对05V输入信号实现9位变换，用来读取加在电源引脚上的电压。电流ADC用来测量大电池电流流经外部0.05W电阻时产生的电压，具有带符号的10位精度，全量程电压为250mV。DS2438还有一个类似于DS18B20的13位温度传感器，其测温精度为0.5，除此之外该器件还具有实时时钟功能及提供了40字节非易失性存储器。由上述介绍可知，DS2438较多的硬件资源，恰好可满足本设计中温湿度测量的需要。 本系统利用DS2438内部的温度传感器实现环境温度的测量，此温度一方面由于温度值输出，另一方面用于湿度测量

21、时温度值的补偿。然后利用DS2438内部的电压ADC，通过多路开关切换分别得到湿度测量值和湿度测量时一线总线的电压值。这样，通过DS2438可获得温湿度测量值及温度补偿值。 此外，利用DS2438内部的E2PROM可存储温度传感器HIH3610的标定技术参数，如型号、件号、卷宗、流水号，5V电压下的标定值、精度等，由此可知，选用DS2438使传感器的软硬件设计得到简化。 五、供电电路 由图1可见，使用DS2438可方便地把一个电压输出的湿度传感器转换成智能化的具备多点测量功能的一线总线温湿度传感器。此外由于需从一线总线上获取电源提供给DS2438和HIH3610，故还应设计相应的电源电路。电源

22、电路由VD1、VD2及电容C1构成，其中肖特基二极管BAT54S和电容C1构成半波整流电路，在总线空闲时为DS2438供电，C1为0.1F的容量足以满足HIH3610所需的200A工作电流，这实际上也是一线总线器件内部所采用的寄生供电方式，只是在本系统中用分立器件方式实现。肖特基二极管VD2接在一线总线与地线之间，目的是将负向信号偏移限制在-40V以内以实现电路的保护功能。 六、结束语 本文根据一线总线规范设计出一种一线总线温湿度传感器，一线总线主机可根据读取的湿度值、温度值及电压值经计算后得到实际的湿度值，同时可利用存储在DS2438 E2PROM中的传感器标定参数对传感器输出值进行修正，以减少传感器标识误差。因此本传感器具有较高的智能化程度和测量精度。同时由于每个传感器均挂在一条总线上，从而大大减少了布线及安装费用，使采用单总线微网技术构成的多点温湿度测量系统成为可能，因而具有广泛的应用前景。