基于arm和sht11的温湿度检测报警装置设计论文.docx

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基于arm和sht11的温湿度检测报警装置设计论文

毕业设计（论文）

密级：

公开

温湿度检测报警装置设计

DesignofTemperatureandHumidityDetectionAlarmSystem

学院：

信息科学与工程学院

专业班级：

电子信息工程0803

学号：

080402075

学生姓名：

杨越

指导教师：

王湘明（副教授）

2012年6月

摘要

随着科技的发展，温度的检测与控制是工业生产过程中比较典型的应用之一。

随着人类生产生活环境不断改善，对物质需求不断提高，出现智能温度检测器、室内净化器等一系列改善温度检测的高科技产品，很大地提高了人类的生活质量。

然而这并不能满足仓库温度检测对生产生活的需求，传统的温度检测系统大多数是以传统的水银或者热电偶温度计为基础，精度有限，而且只能达到温度检测的功能，但是并不能根据温度的变化采取报警动作，采用人力监控的方法会导致工作效率低下，浪费人力资源，所以不断开发利用新型数字温度检测报警系统，本文设计了温度检测及报警系统。

此系统采用了单片机的检测电路，能够自动、准确检测环境空气的相对温度以及湿度，并将检测数据通过A/D转换后，送到处理器中，然后通过编写好的软件程序，将当前环境的相对温度值通过液晶屏幕来显示；而且，通过软件编程，再加上相应的报警电路，设计出可以自动报警的温度检测装置：

当被测环境过高时，系统自动发警报，来提示附近温度超出规定标准，相关人员可以根据报警情况及时调节温度，使空气温度保持在理想的状态。

提高了工作效率，同时也节省了人力资源。

关键词：

温湿度；检测；报警；单片机

Abstract

Withtheadvancedscienceandtechnology,thetemperatureoftheinspectionandcontrolisanindustrialproductionprocessisthetypicalapplication,asoneofthetestthetemperatureincreases,theproductionandlivingconditionshaveconstantlyimproved,thetemperature,thedetectorcleanerimprovethedetectionaseriesofhightechnologyproducts.however,thiscannotsatisfythetemperatureoftheinspectionrequirementsforlife,traditionallythetemperaturetestingsystemcanonlytestthetemperaturebutcannotalarmwhentemperaturebecometoohigh,sodevelopmentandutilizationofthenewfigureshavebeendetected,thetemperaturecontrolsystemdesignthetemperatureoftheinspectionandAlarmsystems.

Thesystemoftestingthecircuithasamonolithicintegratedcircuitsthatautomatically,accuratetestingoftheenvironmentoftherelativeairtemperatureandwilldetectthedatathroughadaftertheconversiontoprocessors,andthenthroughsoftwareprogramming,thecurrentenvironment,therelativevaluetoadecimalnumber,thenbywhichtoshow；and,throughsoftwareprogramming,plusappropriatecontrolcoupling,Designcanautomaticallytestthepresentenvironmentoftheroomtemperature：

airtemperatureistoohigh,thesystemautomaticallythealarm,topromptthetemperatureisnotsuitableforstorageofproducts,wegothroughtheairorothercooler,tolowerthetemperatureofthewarehouse,whentheairtemperatureistoolow,thesystemautomaticallyadjusttheairconditioner,andtheairtemperatureattheidealstate.Improvetheworkefficiency,butalsosavemanpowerresources.

Keyword：

temperature；testing；alarm；MCU

第1章绪论

1.1选题意义

湿度和温度是测量领域内十分重要的被测对象。

不管是人类赖以生存的居住环境，还是工农业生产，亦或者是军事、气象观测等领域都需要对温度和湿度进行测量和控制。

随着电子技术、计算机技术、通信技术、传感器及传感器材技术的迅速发展，测量领域内对温度和湿度的检测也取得了跨越式的发展！

可以说对温湿度的测量与控制水平直接影响到人类的所有活动。

1.1.1生活环境与温湿度的关系

现代人类对生活环境的要求越来越高，尤其是温湿度的影响，温度高了或者低了都直接影响着这个社会，而湿度低了或高了也同样影响着我们的生活以及其他物种的生存条件。

1.1.2检测温湿度的意义

湿度和温度是众多领域中需要检测的重要环境参数。

不仅在工业、现代农业，还是在气象卫星、仓库保管等领域，对温度和湿度的测量都是随处可见的。

对温度和湿度的测量与监控也是十分有意义的。

对湿度和温度进行合理有效的调控不仅可以节约能源还更有利各行业安全健康的发展。

在工业领域，各种现代化的机器设备都需要考虑其所在工作环境的温湿度。

电器设备是工业领域最常使用也是使用最多的基础设备。

温湿度的高低对电器设备的研发者来说是必须要考虑的重要课题。

工程师在设计电器产品的时候必须要考虑设计出的产品将来工作环境中温湿度的大小，使用过程中散热通风的问题。

选择合适的材料并且对电气设备外表面进行合理有效的封装可以提高电气设备的使用寿命。

大型的电器设备长期处于高电压、大电流和满负荷运行，其结果是造成热量集结加剧，由电流热效应造成的危害直接影响电器设备的绝缘设施，危害机器的正常运转和操作人员的人身安全，所以就要求对电气设备的温湿度状况进行测量控制。

温湿度对植物、动物的生长都有一定的影响，当温度达到了植物和动物生长所能承受的最高值和最低值时，这些植物和动物就会慢慢的消失，或者演变成其他的一些物种，同样湿度也对动植物的生长有着不可小视的影响，所以对一定的温湿度我们必须测量。

同时我们也必须要记录大气的温湿度的变化，这样我们才更能对我们的生活的环境的变化有个直观的了解。

1.2国内外发展趋势

近年来，国内外在湿度和温度传感器研发领域取得了长足进步。

温湿度传感器正从结构复杂、功能简单向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件，也将温度、湿度测量技术提高到新的水平。

国内数字温湿度仪测量温湿度采用的主要方法有:

“温—阻”法和“湿—阻”法,即采用电阻型的温湿度传感器,利用其阻值随温湿度的变化测定空气的温度和相对湿度[1]。

受传感器灵敏度的限制,这类温湿度仪的精度不可能很高,一般条件下还可以满足需要,但是在环境实验设备等对精度要求颇高的场合就难以满足要求了。

目前，国外对温湿度传感器技术的研究也有了较大的进展，特别是用电阻式温湿传感器发展更快，人们不仅在电阻式陶瓷温湿度传感器特性方面做了大量工作，而且在高分子电阻式湿度传感器上做出可喜的研究成果。

1.3主要工作任务

在对各类湿度、温度传感器原理介绍的基础上，根据本毕业设计实际的任务要求，完成湿度、温度传感器芯片的选型，系统芯片的选择，并设计显示接口电路、电源电路、报警电路、部分功能电路的程序。

系统开始工作后，根据初始条件读取湿度值和温度值，测量数据经处理后，将其与设定的湿温度值比较，如果发现当前的温湿度超限，则发出报警信号，未超限时，系统显示正常的湿温度度值。

1.4本章小结

本章主要介绍了所选课题的研究意义、温湿度测量国内外的发展趋势、系统的主要性能指标、及主要任务。

温湿度检测是本设计的核心，也是以后各章节着重介绍的内容。

第2章系统方案选择和工作原理

2.1系统综述

根据本设计第一章要求的性能指标，方案设计时不仅要考虑怎么样实现测量一定精度的温湿度信号值的基本功能，还要考虑温湿度超限时系统的报警功能。

根据设计要实现的功能，还要考虑系统控制芯片扩展口分配方案。

选择LPC1768单片机就能够满足设计要求。

作为工业用的环境检测类仪器，系统工作的可靠性，实用性，长久性指标也是系统在设计时值得考虑的几个因素。

2.2系统设计方案选择

根据目前国内外市场上常用的各种温湿度检测仪器，结合本设计的设计任务要求，能实现本设计要求的方案基本上有以下三种。

（1）纯模式

这种方案所有的电路均采用模拟电路构成，包括湿度、温度信号的采样、放大电路、报警电压的电位调节设置，模拟比较器的选用以及驱动超限报警电路，模拟的电磁结构的指针式显示电路等，尽管这种电路也能起到温度，湿度的实时测量与报警，但是不能获得湿度、温度的历史数据，显示方式也不够直观，在抗干扰性能上由于电路没有足够的判断能力可能会增加误报警从而引起错误动作，而且在价格上也无优势可言，由上述原理构成的这类仪表被称之为第一代仪表，目前设计的仪表中极少使用这类结构。

（2）数字式

这种方案在信号的采样、放大电路、报警设置以及报警电路等环节与第一种方案区别不大，只是在放大电路后采用了A/D转换电路，它将模拟量转换成数字量，然后经过驱动电路进行数码显示，它最大的好处是显示直观，这是模拟式产品向智能式产品过渡的中间型产品，属于第二代仪表，在上个世纪80年代的设计中大都采用这种结构的方案，在日常生活中看到的大都是未被替换的产品。

在目前的设计中，基本上是不采用这种方案的[2]。

（3）智能式

这是目前检测类仪器首选的方案，利用目前成熟的计算机技术，依靠计算机强大的处理能力，对数据前向通道采集到的湿度，温度数据进行判断、处理、存储，并可采用十分简单的方法通过显示驱动芯片将显示信息送出进行数码显示。

对测量所得结果超限时的报警处理可以按照测量时间的不同情况分别设置不同的报警值。

系统将会对测量回路巡回监测。

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，而湿度却受其它因素（大气压强、温度）的影响。

所以湿度的测量比温度的测量要复杂的多。

目前国内外对温度和湿度测量产品有很多，但是大部分的产品都是用红外热辐射的传感器制作的。

这种产品结构复杂，价格昂贵并不适用于大气的测量。

本设计使用比较常见的温湿度传感器和价格便宜的电子元器件，实现检测系统的智能化。

它还具有较高的安全性，可靠性，适用于一般的家庭。

鉴于国外欧美等国家微电子技术的发展，在不少的测试领域，将一个系统的所有电路，包括CPU都集成在一块芯片上，构成一个集成的系统，况且这也是目前仪表发展的方向。

所以本设计采用集成芯片SHT11作为温湿度传感器。

鉴于以上情况，本课题考虑到国内目前的现状，构成器件的来源以及微电子技术的发展趋势，本设计决定采用智能化的设计方案设计。

从节约能源和成本及使用方便的角度考虑，每一个设计都要本着满足设计要求的前提下，尽量简单方便快捷的设计。

这个原则适用各个领域。

由于各种不可克服的误差和适用环境的影响，检测仪表都存在一定的误差。

不过我们还要竭尽所能的降低误差，提高设计的精度。

2.3系统工作原理

根据上述的方案选择和本课题的设计目标，加上目前智能仪表的一般特点，实现本设计智能测量系统的核心是LPC1768单片机。

湿度和温度信号检测可以使用传统的电阻式温湿传感器测量，也可以采用集成的智能温湿传感器芯片测量。

集成传感器芯片内部自带有信号放大电路。

放大电路是提高单片机对信号进行识别的有效方法，而且在复杂电路的各种设计领域中是最常用也是必须要采用的方法。

由温湿度传感器检测到的温湿度信号经过芯片内部的A/D转换电路，将模拟信号转化成数字信号后通过IIC总线输入通道传送给单片机。

为了提高测量的精度，提高信号的转换质量，作为模拟信号转化成数字信号的A/D转换器，对其本身的性能要求也很高，因此传感器芯片内要有性能良好的A/D转换器。

作为智能化的检测仪器，由LED实现的显示器使人们直观的观看到测量到的温度和湿度的值。

在本设计系统中，正常情况下，显示电路可以实时的显示室内的温度和湿度。

当温度和湿度超限时，报警电路可以立即发出警报，以便实现坏境温度和湿度的调整。

2.4系统的性能指标

根据生活环境，设计本产品的主要技术指标为：

（1）测温范围：

－40—＋128.3℃；湿度测量范围为0—100%Rh

（2）温度测量精度：

±0.1ºC

（3）湿度测量误差：

≤4%Rh

（4）可设置报警值，当湿度温度超限时，发出报警信号

（5）电源工作范围：

DC4.5～5.5V

2.5本章小结

本章介绍了设计测量仪器的三种方式。

最传统的是纯模模式。

随着科学技术的进步，采用这种设计方案设计出来的产品由于自身的缺陷性已满足不了当今社会的要求，所以基本上被淘汰了。

数字式检测仪表目前在实际应用中也很少用到。

智能式是目前检测仪表设计采用的主流方案，也是本设计选用的方式。

根据设计要求，本章对系统工作的原理也做了简要说明。

第3章系统的硬件设计

3.1系统所用芯片

3.1.1LPC1700简介

LPC1700系列Cortex-M3微控制器用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。

ARMCortex-M3是下一代新生内核，它可提供系统增强型特性，例如现代化调试特性和支持更高级别的块集成。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器的操作频率可达100MHz。

ARMCortex-M3CPU具有3级流水线和哈佛结构，带独立的本地指令和数据总线以及用于外设的稍微低性能的第三条总线[3]。

ARMCortex-M3CPU还包含一个支持随机跳转的内部预取指单元。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器的外设组件包含高达512KB的Flash存储器、64KB的数据存储器、以太网MAC、USB主机/从机/OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4个UART、2条CAN通道、2个SSP控制器、SPI接口、3个I2C接口、2-输入和2-输出的I2S接口、8通道的12位ADC、10位DAC、电机控制PWM、正交编码器接口、4个通用定时器、6-输出的通用PWM、带独立电池供电的超低功耗RTC和多达70个的通用I/O管脚[1]。

图3-1LPC1768基板

图3-2LPC1768简化方框图

图3-3LPC1768方框图CPU和总线

3.1.2特性

ARMCortex-M3处理器，可在高至100MHz的频率下运行，并包含一个支持8个区的存储器保护单元（MPU）；

ARMCortex-M3内置了嵌套的向量中断控制器（NVIC）；

具有在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）功能的512KB片上Flash程序存储器。

把增强型的Flash存储加速器和Flash存储器在CPU本地代码/数据总线上的位置进行整合，则Flash可提供高性能的代码；

64KB片内SRAM包括：

32KBSRAM可供高性能CPU通过本地代码/数据总线访问；

2个16KBSRAM模块，带独立访问路径，可进行更高吞量的操作。

这些SRAM模块可用于以太网、USB、DMA存储器，以及通用指令和数据存储；

AHB多层矩阵上具有8通道的通用DMA控制器，它可结合SSP、I2S、UART、模数和数模转换器外设、定时器匹配信号和GPIO使用，并可用于存储器到存储器的传输[2]；

多层AHB矩阵内部连接，为每个AHB主机提供独立的总线。

AHB主机包括CPU、通用DMA控制器、以太网MAC和USB接口。

这个内部连接特性提供无仲裁延迟的通信，除非2个主机尝试同时访问同一个从机[4]；

分离的APB总线允许在CPU和DMA之间提供更多的带宽，更少的延迟。

CPU无须等待APB写操作完成；

串行接口

–以太网MAC带RMII接口和相关的DMA控制器；

–USB2.0全速从机/主机/OTG控制器，带有用于从机、主机功能的片内PHY和相关的DMA控制器；

–4个UART，带小数波特率发生功能、内部FIFO、DMA支持和RS-485支持。

1个UART带有modem控制I/O并支持RS-485/EIA-485，全部的UART都支持IrDA；

–CAN控制器，带2个通道；

–SPI控制器，具有同步、串行、全双工通信和可编程的数据长度；

–2个SSP控制器，带有FIFO，可按多种协议进行通信。

其中一个可选择用于SPI

其它外设：

70个（100个管脚封装）通用I/O（GPIO）管脚，带可配置的上拉/下拉电阻。

AHB总线上的所有GPIO可进行快速访问，支持新的、可配置的开漏操作模式；GPIO位于存储器中，它支持Cortex-M3位带宽并且由通用DMA控制器使用；

12位模数转换器（ADC），可在8个管脚间实现多路输入，转换速率高达1MHz，并具有多个结果寄存器。

12位ADC可与GPDMA控制器一起使用；

10位数模转换器（DAC），具有专用的转换定时器，并支持DMA操作；

4个通用定时/计数器，共有8个捕获输入和10个比较输出。

每个定时器模块都具有一个外部计数输入。

可选择特定的定时器事件来产生DMA请求[5]；

1个电机控制PWM，支持三相的电机控制；

正交编码器接口，可监控一个外部正交编码器；

1个标准的PWM/定时器模块，带外部计数输入；

实时时钟（RTC）带有独立的电源域。

RTC通过专用的RTC振荡器来驱动。

RTC模块包括20字节电池供电的备用寄存器，当芯片的其它部分掉电时允许系统状态存储在该寄存器中。

电池电源可由标准的3V锂电池供电。

当电池电压掉至2.1V的低电压时，RTC仍将会继续工作。

RTC中断可将CPU从任何低功率模式中唤醒；

看门狗定时器（WDT），该定时器的时钟源可在内部RC振荡器、RTC振荡器或APB时钟三者间进行选择；

支持ARMCortex-M3系统节拍定时器，包括外部时钟输入选项；

重复性的中断定时器提供可编程和重复定时的中断；

标准JTAG测试/调试接口以及串行线调试和串行线跟踪端口选项；l

仿真跟踪模块支持实时跟踪；l

4个低功率模式：

睡眠、深度睡眠、掉电、深度掉电；l

单个3.3V电源（2.4V–3.6V）。

温度范围为-40℃-85℃；l

4个外部中断输入，可配置为边沿/电平触发。

PORT0和PORT2上的所有管脚都可用作边沿触发的中断源；l

不可屏蔽中断（NMI）输入；l

时钟输出功能，可反映主振荡器时钟、IRC时钟、RTC时钟、CPU时钟或USB时钟的输出状态；

当处于掉电模式时，可通过中断（包括外部中断、RTC中断、USB活动中断、以太网唤醒中断、CAN总线活动中断、PORT0/2管脚中断和NMI）将处理器从掉电模式中唤醒；

每个外设都自带时钟分频器，以进一步节省功耗；

带掉电检测功能，可对掉电中断和强制复位分别设置阀值；

片内有上电复位电路；

片内晶振工作频率为1MHz到24MHz；

4MHz内部RC振荡器可在±1%的精度内调整，可选择用作系统时钟

3.1.3结构概述

ARMCortex-M3包含三条AHB-Lite总线，一条系统总线以及I-code和D-code总线，后二者的速率较快，且在TCM接口的用法类似：

一条总线专用于指令取指（I-code），另一条总线用于数据访问（D-code）。

这二条内核总线的用法允许同时执行操作，即使同时要对不同的设备目标进行操作[6]。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器使用多层AHB矩阵来连接上Cortex-M3总线，并以灵活的方式将其它总线主机连接到外设，允许矩阵的不同从机端口上的外设可以同时被不同的总线主机访问，从而能获取到最优化的性能。

图1.2所示为多层矩阵连接的详细情况[7]。

APB外设使用多层AHB矩阵的独立从机端口通过两条APB总线连接到CPU。

这减少了CPU和DMA控制器之间的争用，可实现更好的性能。

APB总线桥配置为缓冲区写操作，使得CPU或DMA控制器无需等待APB写操作结束。

3.1.4ARMCortex-M3处理器

ARMCortex-M3是一个通用的32位微处理器，它具有高性能和超低功耗的特性[8]。

Cortex-M3还提供许多新的特性，包括Thumb-2指令集、低中断延时、硬件除法、可中断/可持续的多次加载和存放指令、对中断的自动状态进行保存和恢复、紧密结合中断控制器与唤醒中断控制器、多条内核总线可同时用于访问[9]。

采用这样的流水处理技术，使得各个器件的处理和存储器系统可以连续进行操作。

通常，当一个指令正在执行时，第二个指令正在进行解码，而第三个指令正在存储器中被取指出来[9]。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器使用Cortex-M3CPU的r2p0版本，其中包含了下面所标记的众多可配置选项。

系统选项：

包含嵌套的向量中断控制器（NVIC）。

NVIC包括SYSTICK定时器；

包含唤醒中断控制器（WIC）。

WIC可实现更有效的选项，将CPU从低功耗模式中唤醒；

包含存储器保护单元（MPU）；

包含ROM表。

ROM表提供了调试部件到外部调试系统的地址；

调试相关的选项：

包含JTAG调试接口；

包含串行线调试。

串行线调试允许仅使用两条线进行调试操作，简单的跟踪功能可增加第三条线；

包含嵌入式跟踪宏单元（ETM）。

ETM提供指令跟踪功能；

包含数据观察点和跟踪（DWT）单元。

DWT允许数据地址或数据值匹配为跟踪信息或触发其它事件。

DWT包含4个比较器和计数器以用于特定的内部事件；

包含指令跟踪宏单元（ITM）。

软件可写ITM以发送信息到跟踪端口；

包含跟踪端口接口单元（TPIU）。

TPIU编码并向外面提供跟踪信息。

这可以在串行线浏览器管脚（SerialWireViewerpin）或4位并行跟踪端口上实现；

包含Flash修补和断点（FPB）。

FPB可产生硬件断点并且在代码空间中重新映射特定的地址到SRAM作为更改非易失性代码