基于LM75A和HS1101的智能温度湿度检测系统设计与实现毕业论文.docx
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基于LM75A和HS1101的智能温度湿度检测系统设计与实现毕业论文
分类号:
TP368UDC:
D10621-408-(2011)0603-0
密级:
公开编号:
成都信息工程学院
学位论文
基于LM75A和HS1101的智能温度湿度检测系统
设计与实现
文作者姓名:
申请学位专业:
电子信息工程
申请学位类别:
工学学士
指导教师姓名(职称):
论文提交日期:
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据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得成都信息工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
签名:
日期:
2011年06月12日
关于论文使用授权的说明
本学位论文作者完全了解成都信息工程学院有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。
本人授权成都信息工程学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)
签名:
日期:
2011年06月12日
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺:
所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名:
日 期:
指导教师签名:
日 期:
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作者签名:
日 期:
学位论文原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
日期:
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名:
日期:
年月日
导师签名:
日期:
年月日
基于LM75A和HS1101的智能温度湿度检测系统
设计与实现
摘要
随着计算机技术的发展,智能温度和湿度的检测系统在农业、工业、国防、仓储等领域有着极为广泛的应用。
本文设计了一种基于51单片机的智能温度和湿度检测系统,通过STC89C52RC单片机的控制与处理,采用测量范围在0%~99%之间的湿度传感器元件HS1101和测量范围在-55℃~+125℃之间的温度检测器元件LM75A,从而测量出当前空气相对湿度和温度,显示在4位数码管。
并且设置了湿度和温度的上限制,一旦检测的湿度或温度超过了设定值,就会启动报警装置。
该产品具有体积小巧、成本低、可靠性高,测量精度高等优点。
关键词:
单片机;湿度;温度;检测
DesignandImplementationofanIntelligentTemperatureandHumidityDetectionSystemBasedonLM75AandHS1101
Abstract
Withcomputertechnologydevelopment,automaticmeasurementandcontroloftemperatureandhumidityarewidelyappliedtoagriculture,industry,nationaldefense,storageandotherfields.Atemperatureandhumiditymeasurementsystembasedon51MCUisdesignedinthispaper,bycontrolandtreatmentofSTC89C52RC,usethehumiditysensorelementHS1101thattherangebetween1%~99%andtemperaturesensorelementLM75Athattherangebetween-55℃~+125℃.Accordinglymeasuresthecurrentrelativehumidityandtemperature,andrevealsontheLED.Andsetthehumidityandtemperature,whenthedetectionofthehumidityortemperatureexceedingthesetvalue,willstartthealarm.Thisproducthasacompactsize,lowcost,highreliabilityandmeasurementprecision.
keywords:
MCU;Humidity;Temperature;Detection
1引言
1.1课题背景
在日常生活中,空气湿度和温度直接影响人们的生活与生产。
如在电子设备机房,为了保持设备运行良好,延长设备使用寿命。
对湿度及温度都有较高要求。
在生活中,当环境湿度过低时,人体会感觉皮肤干燥不舒服。
而湿度过大时,体表汗液不能及时排除蒸发,人体不舒适度会增大。
此外如仓库、博物馆、资料室、实验室等对湿度和温度要求较高的场合,湿度和温度检测的应用前景也很广泛。
所以,温湿度检测系统的广泛应用是必然的,且随着人们生活水平的提高,多功能、自动化产品越来越受欢迎。
智能温湿度检测系统采用数码管显示,可得到直观且准确的数据,让用户对室内湿度的把握更准确。
1.2本课题研究的意义
基于该产品的需求,研究并提供一个小巧、高性价比、多功能的智能温度和湿度检测系统很有必要的,物廉价美是每个产品能受到用户欢迎的主要原因。
因此,配置简单、功能完善、体积适宜是本次研究主要的着重点。
本文选用LM75A数字温度检测芯片和HS1101电容式湿度传感器分别作为温度和湿度的感应器件。
应用最简单的设计达到最实用的功能。
1.3本课题的研究方法
本论文所完成的任务是通过产品对环境大气相对湿度和空气温度进行检测,并通过数码管立即显示,同时当温度超过设定温度时及时报警。
设计中采用Keil与Proteus连调仿真,再结合硬件调试的办法。
第一章引言,主要介绍智能温湿度检测系统的背景及以后的发展,并且简单描述该课题的意义。
第二章温度和湿度的测量,分别描述温度和湿度的表示方法和温度传感器及湿度传感器的发展史。
第三章硬件电路设计,主要介绍智能温度和湿度检测系统的硬件设计。
详细的从功能的模块上阐述工作原理。
第四章软件设计,主要通过流程图简单介绍编写程序的思维和程序的各个功能。
第五章调试与测试。
描述本课题的调试过程和相关的数据,分析调试过程中遇到的问题和解决方案。
在设计完成时的测试方式。
第六章结论和展望,对本课题进行总结和对该设计的发展进行展望。
2湿度和温度测量
2.1空气湿度的表示方法
人们通常采用绝对湿度、相对湿度和饱和差三种不同量度方式来表示空气湿度。
1、绝对湿度。
指每立方米空气中含有的水汽的克数。
通常用水汽压的大小来表示,其单位为百帕或毫米。
绝对湿度大,空气比较潮湿;绝对湿度小,空气比较干燥。
而在一定温度下,空气中的水汽含量有一个最大的限度,达到这个限度时的水汽压,叫饱和水汽压。
饱和水汽压随着空气温度的增高而迅速变大。
2、相对湿度。
指空气中的实际的水汽压(即绝对湿度)与当时温度下饱和水汽压的百分比。
相对湿度是一个百分数,没有单位。
相对湿度小,说明当时的空气远没有达到饱和状态,空气干燥;相对湿度大,表明接近水汽压饱和,空气潮湿。
这种表示方法,方便于对不同温度下的湿度进行比较,其用途最为广泛,
3、饱和差。
指测量时的温度下的饱和水汽压和空气中实际的水汽压之间的差值。
饱和差越小,说明空气越潮湿,饱和差越大,说明空气越干燥。
人们经常采用相对湿度来表示空气的湿度,本文设计的产品也采用相对湿度的表示方式[1]。
2.2湿度传感器的发展史
最早的湿度检测法是达芬奇用羊毛或人头发制成的毛发湿度计。
这种机械式湿度检测仪曾在测湿历史上发挥重大作用。
但是随着电子技术的发展,人们开始对电子湿度传感器进行研究。
1939年,顿蒙利用材料的电气特性研制出世界上第一个湿度传感器。
顿蒙湿度传感器是利用电解质制成的。
根据电阻值的变化可以检测相对湿度。
但是,这种传感器的检测范围太小,要想测量较宽的湿度变化必须使用多个特性不同的传感器。
同时进入测湿市场的还有利用聚合物薄膜或碳膜吸湿膨胀原理制作的湿度传感器。
然而,这些传感器都不能批量生产,因为它们的制作过程需要大量的人工技巧,因此需要庞大的生产资金。
后来,人们又开始研究如何用半导体制造湿度传感器,于是研制出若干种以陶瓷金属氧化物为主要材料的湿度传感器。
测试了用含金属氧化物的厚膜硅或胶体涂印的传感器。
此外,还通过减小胶体电阻的办法提高响应速度。
陶瓷湿度传感器会由于吸水、界面捕获现象和环境中,分子等因素而使性能变坏。
为防止这种情况,又研制出能耐受定时加热清洗的传感器元件。
本文设计所采用的湿度传感器为湿敏电容式传感器。
湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。
当环境湿度发生改变时,湿敏电容的介电常数发生变化,使其电容量也发生变化,其电容变化量与相对湿度成正比。
湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化,但其精度一般比湿敏电阻要低一些。
国外生产湿敏电容的主要厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。
除电阻式、电容式湿敏元件之外,还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件(利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率)、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。
2.3空气温度的表示方法
温度的表示方式有几种,我们常用的是摄氏度的表示方式,但不同的国家和不同的环境为了方便人们会用不同的表示方式,
1、摄氏温度。
目前被通常使用的一种温度表示方式,是设定在一个标准大气压下水的冰点为零度,沸点为100度,其中间分成100等分,每个等分被定为1摄氏度。
2、绝对温度。
是从物理学考虑到的最低温度(-273.15℃)作为0度;1度的刻度和摄氏相同,单位用K表示,"0"K被假定为分子的热运动处于静止状态时的温度;称之为“绝对温度”。
绝对温度T(K)=摄氏温度t(℃)+273.15(1-1)
3、华氏温度。
早前规定冰和食盐的混合物温度为0度,冰点为32度,人们的体温为96度的表示方法,单位为:
℉;后来更改为水的温度为32度,沸点为212度中间分为180等分。
摄氏温度t(℃)=5/9×[华氏温度(℉)-32](1-2)
华氏温度(℉)=9/5×摄氏温度t(℃)+32(1-3)
国际实用温标是一个国际协议性温标,它与热力学温标相接近,而且复现精度高,使用方便。
目前国际通用的温标是1975年第15届国际权度大会通过的《1968年国际实用温标-1975年修订版》,记为:
IPTS-68(Rev-75)。
但由于IPTS-68温示存在一定的不足,国际计量委员会在18届国际计量大会第七号决议授权予1989年会议通过了1990年国际温标ITS-90,ITS-90温标替代IPTS-68。
我国自1994年1月1日起全面实施ITS-90国际温标。
1990年国际温标(ITS-90)简介如下。
1.温度单位 热力学温度(符号为T)是基本功手物理量,它的单位为开尔文(符号为K),定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。
由于以前的温标定义中,使用了与273.15K(冰点)的差值来表示温度,因此现在仍保留这各方法。
根据定义,摄氏度的大小等于开尔文,温差亦可以用摄氏度或开尔文来表示。
国际温标ITS-90同时定义国际开尔文温度(符号为T90)和国际摄氏温度(符号为t90)2.国际温标ITS-90的通则,ITS-90由0.65K向上到普朗克辐射定律使用单色辐射实际可测量的最高温度。
ITS-90是这样制订的,即在全量程中,任何温度的T90值非常接近于温标采纳时T的最佳估计值,与直接测量热力学温度相比,T90的测量要方便得多,而且更为精密,并具有很高的复现性。
3.ITS-90的定义第一温区为0.65K到5.00K之间,T90由3He和4He的蒸气压与温度的关系式来定义。
第二温区为3.0K到氖三相点(24.5661K)之间T90是用氦气体温度计来定义.第二温区为平衡氢三相点(13.8033K)到银的凝固点(961.78℃)之间,T90是由铂电阻温度计来定义.它使用一组规定的定义固定点及利用规定的内插法来分度.银凝固点(961.78℃)以上的温区,T90是按普朗克辐射定律来定义的,复现仪器为光学高温计[2]。
2.4温度传感器的发展史
温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段:
1、传统的分立式温度传感器(含敏感元件),主要是能够进行非电量和电量之间的转换。
2、模拟集成温度传感器/控制器。
3、智能温度传感器。
目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。
温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类:
一类是接触式温度传感器,一类是非接触式温度传感器。
接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触,通过热传导及对流原理达到热平衡,这时的示值即为被测对象的温度。
这种测温方法精度比较高,并可测量物体内部的温度分布。
但对于运动的,热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象,这种方法将会产生很大的误差。
非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。
常用的是辐射热交换原理。
此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象,也可以测量温度场的温度分布,但受环境的影响比较大。
3硬件电路设计
图3-1硬件原理框图
本系统电源电路采用稳定的5V电压,使电路进行工作正常。
单片机的定时/计数器来测量由湿度传感器电路所产生的频率值,并经过单片机的程序处理后,转换为相应的空气相对湿度,显示在数码管上。
另一方面,单片机直接读取温度传感器中检测的温度值,再由单片机处理后传给数码管显示。
如果测量温度超过设定的温度值,温度传感器立即向单片机发出信号,启动报警系统。
显示方式是通过按键控制的,由按键来控制湿度显示和温度显示的切换,在显示中,分别用“C”和“H”来表示温度和湿度的单位符号。
根据以上分析,可将本电路划分为:
电源电路和单片机电路模块、数码管显示和键盘控制模块、湿度检测模块、温度检测模块和报警电路模块。
硬件结构框图如图3-1所示。
3.1电源电路和单片机电路模块
图3-2电源电路模块
电源电路模块中,电源两端并联一个10uF的电解电容与105电容作为电源去耦电容。
而电源和地的接线也是独立的,是为了在实际操作中避免电源与地的短路,而且也让产品的操作更加方便。
图3-3单片机电路模块
本电路使用的STC89C52RC单片机是一种低功耗、高性能、高抗干扰的CMOS8位微控制器,它的结构与MCS-51单片机产品完全兼容,8K字节在系统可编程Flash存储器,三个16位定时器/计数器,六个中断源,32个可编程I/O口,1000次擦写周期,全双工UART串行通道,低功耗空闲和掉电模式,掉电后中断可唤醒,看门狗定时器等[3]。
单片机电路部分包括复位电路与晶振电路。
复位电路部分采用上电复位方式。
方便在使用过程中产品的复位。
复位后单片机所有引脚高电平有效。
单片机电路图如图3-2所示。
晶振电路采用的是11.0592M的晶振和两个22pF电容组成使单片机正常工作。
3.2湿度检测模块
本设计湿度检测模块使用的湿度传感器HS1101是法国Humirel生产的电容式湿度传感器。
它具有以下特点:
1.全互换性,在标准环境下不需校正。
2.长时间饱和下快速脱湿。
3.可以自动化焊接,包括波峰焊或水没
4.高可靠性与长时间稳定性。
5.专利的固态聚合物结构。
6.可用于线性电压或频率输出回路。
7.快速反应时间。
可见HS1101是不仅具有较高精度,还具有高可靠性的湿度传感器。
它的湿度
响应曲线接近线性,能够使设计更加的方便可靠。
图3-4HS1101的湿度电容响应曲线
HS1101是基于独特工艺设计的固态聚合物结构,在电路中等效于一个电容器,其电容值随所测空气的相对湿度的增大而增大。
具有极好的线性输出,在相对湿度为0%RH~100%RH的范围内,电容的容量由163pF变化到202pF,其误差不超过±2%RH;湿度量程为1%RH~99%RH,工作的温度范围为-40℃~+100℃;湿度输出受温度影响极小(温度系数仅为0.04pF/℃);常温下使用不需要温度补偿,也不用进行校准[4]。
HS1101是一种在高分子薄膜上形成的电容。
高分子薄膜上的电极是一种很薄的金属微孔蒸发膜,水分子被两端的电极被高分子薄膜吸附或释放,随着其水分子的吸附或释放,高分子的介电系数将发生相应的变化。
由于介电系数随空气的相对湿度变化而变化,所以只要测定HS1101的电容值就可得到相对湿度。
其湿度电容响应曲线如图3-4所示。
为了能让单片机方便的读取HS1101电容值的变化,将HS1101接入555非稳态电路,把电容值的变化转换为频率值的变化,这样可以直接由单片机测出,不需要再经过A/D器件,简化了电路的设计。
图3-5所示[5],HS1101作为电容变量接在555芯片的TRIG与THR两引脚上,引脚DIS用作电阻R4的短路,在R4上串联一个可变电阻,用作实际操作中调节R4的的阻值,使频率的计算更加方便。
等量电容HS1101通过R1与R4充电到门限电压,通过R4放电到触发电平,然后R1通过引脚7短路到地,555振荡器输出口脚3与单片机14脚T0连接,达到输出频率到单片机的目的。
图3-5湿度传感器电路模块
555电路的非平衡电阻R2用作内部温度补偿,目的是为了引入温度效应,使他与HS1101的温度效应相匹配,由于不同型号的555内部温度不常有所不同,R2的值必须与特定的芯片相匹配,为了保证在55%RH的典型湿度值时频率为6271HZ,R4也要做稍许修正。
表3-1[6]给出了本次设计中采用的频率输出参数(参考点:
28℃,相对湿度:
50%,输出频率:
6271Hz)[7]。
表3-1频率输出典型参数
RH/%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
频率/HZ
6852
6734
6618
6503
6388
6271
6152
6029
5901
5766
5623
3.3温度检测模块
本次设计温度检测模块选用的是LM75A温度检测芯片。
它的特性如下:
1、提供环境温度对应的数字信息,直接表示温度。
2、对某一特定温度做出反应,可以配置成中断或者比较器模式。
3、小型8脚封装。
4、具有I²C总线接口。
5、宽电源电压范围:
2.8V~5.5V。
6、温度范围:
-55℃~+125℃。
7、提供0.125℃精度的11位ADC。
8、温度精度:
-25℃~+100℃时为±2℃,-55℃~+125℃时为±3℃.
9、可编程温度阀值和之后设定点。
10、低功耗设计,工作电流为250uA,掉电模式为3.5uA。
LM75A是一个使用了内置带隙温度传感器和∑-△模数转换技术的温度-数字转换器,它也是一个温度检测器,可提供一个过热检测输出。
LM75A包含许多数据寄存器:
配置寄存器(Conf),用来存储器件的某些配置,如器件的工作模式、OS工作模式、OS极性和OS故障队列等(在功能描述一节中有详细描述);温度寄存器(Temp),用来存储读取的数字温度;设定点寄存器(Tos&Thyst),用来存储可编程的过热关断和滞后限制,器件通过2线的串行I²C总线接口与控制器通信。
LM75A还包含一个开漏输出(OS),当温度超过编程限制的值时该输出有效。
LM75A有3个可选的逻辑地址管脚,使得同一总线上可同时连接8个器件而不发生地址冲突。
LM75A可以在-55℃~+125℃的温度范围内将温度直接转换为数字信号存储在内部寄存器中,并可实现0.125℃的精度。
MCU可以通过I²C总线直接读取其内部寄存器中的数据,并可通过I²C对4个数据寄存器进行操作,设置成不同的工作模式[8]。
图3-6温度传感器模块
如图3-6所示,LM75A的时钟和数据串口及OS过热关断输出与单片机相接,并且分别接10K的上拉电阻,而A0,A1,A2数字输出的地址线全部接地,表示只有一个地址。
温度的报警是由LM75A设置的,由于该芯片中设定点寄存器(Tos&Thyst),特定用来存储可编程的过热关断和滞后限制,器件通过2线的串行I²C总线接口与控制器通信。
LM75A还包含一个开漏输出(OS),当温度超过编程限制的值时该输出有效。
所以当设置了过热关断点和滞后点以后,检测温度达到设置温度值,OS输出有效,单片机收到OS是信号后,启动报警装置,当检测温度下降到滞后点后,OS输出无效,报警接触。
图3-7[9]所示的就是OS的响应温度时序图。
图3-7OS响应温度
*=OS可通过读寄存器或使器件进入关断状态来复位。
假设故障队列在每个Tos和Thyst交叉点处都被满足。
3.4数码管显示和键盘控制模块
本设计由于STC89C52RC单片机P0口没有内部上拉电阻,所以在接数码管时需要外接上拉电阻。
本设计采用一个4位8段共阴数码管作为显示,由P0口提供段选,P2.4-P2.7提供位选码,上拉电阻选用2.2K的排阻。
本设计提供一个按键作为温度和湿度显示的切换功能。
连接的是P2.2口。
3.5报警电路模块
当前温度和湿度值分别超过LM75A内设定的温度和单片机设定的湿度值时,单片机将置低P2.3,三极管Q1导通,蜂鸣器将发出报警声。
报警电路模块如图3-8所示。
图3-8报警电路原理
4软件设计
软件设计是本次设计的另一个重点,在此次设计中,采用C语言进行程序的编写,程序可读性较高,易理解和修改。
对频率的计数采用中断方式,节省CPU资源,读出
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