基于单片机的仓库温湿度系统设计论文.docx

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基于单片机的仓库温湿度系统设计论文

工业职业技术学院

HenanPolytechnicInstitute

毕业设计任务书

类　别：

　三年制高职

专业：

　计算机控制

班级:

计控0902

姓名：

郭慧杰

毕业设计题目：

基于单片机控制的仓库温湿度

监测系统的设计

指导教师：

王慧

负责人签字：

2011年12月2日

摘要：

仓库是人们用于存放重要物品的地方，它部环境的好换直接决定着存放物品的质量，仓库温湿度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温度与湿度的监测工作。

随着现代化的发展以及现代生产要求，人们发现需要实现仓库的智能化管理，而仓库温室度监测系统是一种性能良好的调控方式，主要应用于仓库、温室以及一些对温湿度有一定要求的区域。

本文设计了一种以AT89S51单片机为核心的低成本、高精度、微型化LED显示温湿度监测系统，并使用一些常用芯片。

系统由单片机、温湿度检测电路、报警电路以及显示电路构成。

由芯片AT89S51控制温湿度传感器检测到温湿度值进行存储转换，从而在显示电路中数码管中显示出来。

本系统具有易安装检测、软件功能完善，工作可靠、准确度高等优点。

本文讲述了单片机技术研制成功的温湿度的监测系统的基本原理，温湿度传感器信号采集通过单片机来实现方案。

采用软件校正，提高了测量精度和整机的可靠性。

实现使用表明，极大的调高了安全性、可靠性和准确度。

关键词：

仓库，温湿度传感器，单片机AT89S51，报警，软件校正

Abstract

Thewarehouseispeopleisusedatimportantitemsfortheplacewheretheinternalenvironmentofgoodchangedirectlydeterminethedepositqualityoftheitem,warehousetemperatureandhumiditydirectlyaffectthereserveservicelifeandsuppliestheworkingreliability.Toensurethesmoothimplementationoftheworkofdaily,themainissuewastostrengthenthetemperatureandhumidityinthewarehouseofthemonitoringwork.Alongwiththedevelopmentofmodernandmodernproductionrequirements,peoplefoundthatneedtorealizeintelligentmanagementofthewarehouse,andwarehousegreenhousedegreesmonitoringsystemisakindofthegoodperformanceofregulationandcontrolmethods,mainlyusedinwarehouse,greenhouseandsomeofthetemperatureandhumiditywithspecialdemandsofthearea.

ThispaperintroducesadesignAT89S51asthecoretothelowcost,highprecision,miniaturizationLEDdisplaytemperatureandhumiditymonitoringsystem,andusesomecommonlyusedchip.Bysingle-chipmicrocomputersystem,temperatureandhumiditydetectioncircuit,alarmcircuitanddisplayacircuit.BychipAT89S51controltemperatureandhumiditysensordetectiontotemperatureandhumidityvaluestoreconversion,thusinthedisplaycircuitdigitaltubedisplay.Thissystemiseasytoinstalldetection,softwarefunctionisperfect,reliableandadvantagesofaccuracy.

Thisarticletellsofthesinglechipcomputertechnologyresearchandthetemperatureandhumidityofthesuccessofthemonitoringsystem,thebasicprinciplesoftemperatureandhumiditysensorsignalacquisitionthroughthesinglechipmicrocomputertoscheme.Thesoftwarecorrectionandimprovethemeasuringprecisionandreliabilityofthewholemachine.Implementationsuseshowthatgreatraisedsafety,reliabilityandaccuracy.

Keywords:

Warehouse,temperatureandhumiditysensor,microcontrollerAT89S51,alarm,softwarecorrection

第一章绪论

1.1课题背景

在现代工业现场，随着科技的进步和自动化发展，温湿度监测系统在某些行业中要求越来越高，特别是在大中型的仓库管理系统中，防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要容，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。

本课题即以上述问题为出发点，设计实现仓库温湿度监测系统，该系统不仅采集各抽样点的温度值与湿度值，而且能够迅速处理，友好的将数据结果显示给用户，并储存结果以便以后的对比研究。

1.2温湿度监测系统的应用

温湿度监测系统广泛应用于工农业、医疗和科研领域。

温度与湿度测量是生产和研究工作环境中，至关重要的两项参数，直接关系到产品的质量和试验工作的成败。

在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门,经常需要对环境温湿度进行测量及控制。

但在常规的环境参数中,湿度是最难准确测量的一个参数。

用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法,早已无法满足现代科技发展的需要。

这是因为测量温湿度要比测量温度复杂的多,温度是个独立的被测量,而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。

此外,湿度的校准也是一个难题。

国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。

从目前的发展现状来看，最热门的研究领域也许是各种类型的仿生传感器了，而且在感触、刺激以及视听辨别等方面已有最新研究成果问世。

从实用的角度考虑，多功能传感器中应用较多的是各种类型的多功能触觉传感器，譬如人造皮肤触觉传感器就是其中之一，这种传感器系统由PVDF材料、无触点皮肤敏感系统以及具有压力敏感传导功能的橡胶触觉传感器等组成。

据悉，美国MERRITT公司研制开发的无触点皮肤敏感系统获得了较大的成功，其无触点超声波传感器、红外辐射引导传感器、薄膜式电容传感器、以及温度、气体传感器等在美国本土应用甚广。

1.3温湿度检测系统的意义

温湿度监测系统无疑是当前单片机传感器技术发展中一个全新的研究方向，日前有许多学者正在积极从事于该领域的研究工作。

如将某些类型的传感器进行适当组合而使之成为新的传感器，如用来测量流体压力和互异压力的组合传感器。

又如，为了能够以较高的灵敏度和较小的粒度同时探测多种信号，微型数字式三端口传感器可以同时采用热敏元件、光敏元件和磁敏元件；这种组配方式的传感器不但能够输出模拟信号，而且还能够输出频率信号和数字信号。

近年来，国外在温湿度监测系统研发领域取得了长足进步。

温湿敏传感器正从简单的温湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

第二章系统整体设计

当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。

对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务，而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。

传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。

工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。

计算机程序也可以分解为小的子程序或模块，而这些子程序或模块可以分别进行开发和测试。

这种方法就称为模块化程序设计（modularprogramming）。

模块最重要的属性是它们应该尽可能的独立和自包含。

另外，一般将它们设计成执行一个特定的、定义好的函数，它有一个入口点和一个退出点。

同时，模块常常很短（通常只有50到100条指令）和高度聚的。

模块化程序设计有很多优点。

不管对于开发者还是用户来说，小的、自包含的单元都更易于设计和理解底层的逻辑。

模块化程序设计使开发更方便，这是因为每个模块都可以独自得以完善。

2.1系统的设计过程及要求

具体来说该学生的主要任务是在系统硬件电路的基础上，利用MCS-51单片机C语言编写程序，连接硬件电路并驱动系统运行。

单片机控制仓库温湿度监测系统运行时要实现以下功能：

首先，系统能实现仓库的温度、湿度实时测量功能；其次，将测量到的温湿度含量显示在数码管上；然后，实现系统温度、湿度超限报警功能（设置有一定的温湿度围）。

单片机控制仓库温湿度监测系统在设计时对其测量的数据要求：

温度检测围：

-30℃-+50℃；测量精度：

0.5℃；湿度检测围：

10%-100%RH；检测精度：

1%RH；显示方式：

温度用三位数码管显示湿度用三位数码管；显示报警方式：

三极管驱动的蜂鸣音报警。

2.2系统具体方案

系统的温度采集利用温度传感器DHT11采集数据送给单片机，单片机将采集的数据送给数码管显示以便操作人员直观方便的了解当前的温湿度条件，系统正常工作时设定了一个温湿度围温度检测围：

-30℃-+50℃，湿度检测围：

10%-100%RH，如果采集的温度在这个设定围，则单片机控制系统正常工作；如果采集的温度不在设定的温度围，则说明环境温度条件不满足工作需求，这时单片机控制一个蜂鸣器发出警报，停止工作；当采取措施后环境温度变化到设定围时，蜂鸣器停止警报，重新正常工作，此过程，通过温湿度传感器采集信息，单片机控制主流程使整个系统运作起来。

其系统具体方案流程如图2.1所示。

图2.1系统具体方案流程

2.3本课题的研究容

1.设计相应的信号采集电路、执行电路等硬件电路。

2.实现各环境要素的自动监测。

3.通过单片机C语言编制数据采集、分析处理、显示、修改、参数设置、控制等程序功能模块。

4.研究装置的软硬件抗干扰措施，提高系统工作的可靠性和稳定性。

2.4关键技术介绍

2.4.1温湿度传感器DHT11

为了消弱由于环境温度造成的系统误差，实现更精确的测量计算，在设计到时候，我们也同样需要温度补偿电路，通过单片机进行控制。

这里我们就选用一种比较简单好用的温度补偿系统——DHT11数字温湿度传感器。

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，暖通空调、测试及检测设备、汽车、数据记录、器消费品、自动控制、气象站、家电、湿度调节、医疗、除湿器等方面。

DHT11数字温湿度传感器实物如图2.2所示。

图2.2DHT11数字温湿度传感器

①DHT11数字温湿度传感器性能如表2.1

参数

条件

Min

Typ

Max

单位

湿度

分辨率

1

1

1

%RH

16

Bit

重复性

±1

%RH

精度

25℃

±4

%RH

0－50℃

±5

%RH

互换性

可完全互换

量程围

0℃

30

90

%RH

25℃

20

90

%RH

50℃

20

80

%RH

响应时间

1/e（63%）25℃，1m/s空气

6

10

15

S

迟滞

±1

%RH

长期稳定性

典型值

±1

%RH/yr

温度

分辨率

1

1

1

℃

16

16

16

Bit

重复性

±1

℃

精度

±1

±2

℃

量程围

0

50

℃

响应时间

1/e（63%）

6

30

S

表2.1DHT11数字温湿度传感器性能

②DHT11数字温湿度传感器外部封装：

每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式储存在OTP存中，传感器部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

产品为4针单排引脚封装。

连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

DHT11的供电电压为3－5.5V。

传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。

电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。

DHT11数字温湿度传感器引脚如图2.3及各引脚的功能如表2.2所示。

12341234

图2.3DHT11数字温湿度传感器引脚

Pin

名称

注释

1

VDD

供电3－5.5VDC

2

DATA

串行数据，单总线

3

NC

空脚，请悬空

4

GND

接地，电源负极

表2.2引脚的功能

③DHT11数字温湿度传感器特点：

（1）相对湿度和温度测量

（2）全部校准，数字输出（3）卓越的长期稳定性（4）无需额外部件（5）超长的信号传输距离（6）超低能耗（7）4引脚安装（8）完全互换。

④DHT11数字温湿度接口说明：

建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻，大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。

DHT11的供电电压为3－5.5V。

传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。

电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。

温湿度传感器与单片机控制部分的连接原理图2.3所示。

图2.3温湿度传感器与单片机连接图

⑤DHT11数字温湿度串行接口（单线双向）DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:

一次完整的数据传输为40bit,高位先出。

数据格式:

8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据

+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据

+8bit校验和

数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位即校验和数据为前四个字节相加。

传感器数据输出的十位编码的二进制数据。

数据（湿度、温度、证书、小数）之间应分开处理。

如果，某次从传感器上读取如下5Byte数据：

Byet4Byet3Byet2Byet1Byet0

0010110100000000000111000000000001001001

整数小数整数小数校验和

湿度温度校验和

由以上数据就可得到温度和湿度的值，计算方法：

Humi（湿度）=Byet4*Byet3=45.0（%RH）

Temp（温度）=Byet2*Byet1=28.0（℃）

Jiaoyan（校验）=Byet4+Byet3+Byet2+Byet1=73（=Humi+Temp）（校验正确）

注意：

DHT11一次通讯时间最大3ms，主机连续采样间隔建议不小于100ms。

用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。

从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。

采集数据后转换到低速模式。

（1）通讯过程DHT11开始发送数据流程图如图2.5所示、主机复位信号和DHT11响应信号流程图如图2.6所示。

图2.5DHT11开始发送数据

总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。

DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80us低电平响应信号。

主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后,读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可,总线由上拉电阻拉高。

图2.6主机复位信号和DHT11响应信号

总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每一bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1。

如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。

当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。

数字0信号表示方法如图2.7所示。

图2.7数字0信号表示方法

数字1信号表示方法如图2.8所示。

图2.8数字1信号表示方法

注:

采样周期间隔不得低于1秒钟。

2.4.2单片机8051

51单片机是基础入门的一种单片机，还是应用最广泛的一种，目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，目前乃至今后很长一段时间将占有大量市场。

国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价稳定性能，占据着国51单片机较大市场。

单片机8051是51系列单片机的一种。

（1）8051片结构：

8051是有8个部件组成，即CPU，时钟电路，数据存储器，并行口（P0～P3）串行口，定时计数器和中断系统，它们均由单一总线连接并被集成在一块半导体芯片上，即组成了单片微型计算机，8051部结构如图2.9所示。

图2.98051部结构

①CPU中央处理器：

中央处理器是单片机的控制核心，完成运算和控制功能。

CPU中央处理器由运算器和控制器组成。

运算器包括一个8位算术逻辑单元（ArithmeticLogicalUnit，简称ALU）、8位累加器（Accumulator，简称ACC）、8位暂存器、寄存器B和程序状态寄存器（ProgramStatusWord，简称PSW）等。

控制器包括程序计数器（ProgramCounter，简称PC）、指令寄存器（InstructionResgister，简称IR）指令译码器（Instructiondecoder，简称ID）及控制电路。

它还可以产生控制信号，把数据从存储器或输入口送到CPU或CPU数据写入存储器或送到输出端口。

②时钟电路：

8051部有时钟电路，只需要外接石英晶体做振荡器和微调电容即可。

晶振频率可选择6MKHz、12MKHz或11.0592MKHz。

③存：

部存储器可分做程序存储器ROM和数据存储器RAM。

④定时/计数器：

8051有两个16位的定时/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成定时的方式和计数的方式，但只能用其中的一个功能，以定时或计数结果对计算机进行控制。

⑤并行I/O口：

8051有四个8位的并行I/O口，P0，P1，P2，P3，以实现数据的并行输出。

⑥串行口：

8051部有一个全双工的串行口，它可以实现单片机与其它设备之间的串行数据通信，该并行口功能较强，既可以做为全双工异步通讯的收发器也可以作为同步移位器用，扩展外部I/O端口。

⑦中断控制系统：

8031有五个中断源，既外部中断1，外部中断0，定时计数中断1，定时计数中断1，串行中断，全部的中断分为高和低的两个优先级。

（2）8051的外部结构及引脚

8051外部结构如图2.10所示。

8051引脚如图2.11所示。

图2.108051外部结构图

图2.118051引脚图

8051单片机采用40管脚双列直插DIP封装，引脚说明如下：

VCC（40引脚）正常运行时提供电源。

VSS（20引脚）接地。

XTAL1（19引脚）在单片机部，它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成了片的震荡器，可以提供单片机的时钟信号，该引脚也是可以接外部的晶振的一个引脚，如采用外部振荡器时，对于8051而言此引脚应该接地。

XTAL2（18引脚）在部，接至上述振荡器的反向输入端，当采用外部振荡器时，对MCS51系列该引脚接收外部震荡信号，即把该信号直接接到部时钟的输入端。

RST/VPD（9引脚）在振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的电平将单片机复位，复位后应使此引脚电平保持不高于0.5V的低电平以保证8051正常工作。

在掉电时，此引脚接备用电源VDD，以保持RAM数据不丢失，当BVCC低于规定的值时，而VPD在其规定的电压围时，VPD就向部数据存储器提供备用电源。

ALE/PROG（30引脚）当8051访问外部存储器时，包括数据存储器和程序存储器，ALE9地址锁存允许0输入的脉冲的下沿用于锁存16位地址的低8位，在不访问外部存储器的时候，ALE仍有两个周期的正脉冲输出，其频率为振荡器的频率的1/6，在访问外存储器的是候，在两个周期中，ALE只出现一次，ALE断可驱动8个LSTTL负载，对于有片EPROM的而言，在EPROM编程期间，此脚用于输入编程脉冲PROG。

（29引脚）此脚输出为单片机访问外部程序存储器的读选通信号，在读取外部指令期间，PSEN非有两次在每个周期有效