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电子测量大作业申法超
华东交通大学
电子测量大作业
题目基于单片机的温湿度传感器设计
课程名称电子测量
院部名称信息工程学院
专业通信工程
班级通信(卓越)2011—1
学生姓名申法超
学号20110610080124
指导教师黄德昌
引言
温度是表示物体冷热程度的物理量,微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。
在整个宇宙当中,温度无处不存在。
无论在地球上还是在月球上,也无论是在炽热的太阳上还是在阴冷的冥王星上,这一切无不由于空间位置的不同而存在着温度的差别。
湿度是表示大气干燥程度的物理量。
在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少,则空气越干燥;水汽越多,则空气越潮湿。
空气的干湿程度叫做“湿度”。
在此意义下,常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示。
湿度表示气体中的水蒸汽含量,有绝对湿度和相对湿度两种表示方法。
绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量,一般其单位是克/立方米,绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度;相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比,它的值显示水蒸气的饱和度有多高。
温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系,同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数,例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度、湿度的检测与控制。
并且随着人们生活水平的提高,人们对自己的生存环境越来越关注,而空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响,所以对温度、湿度的检测就非常有必要了。
目录
引言1
摘要3
ABSTRACT4
第一章绪论5
1.1设计的目的和意义5
1.2设计的内容和要求5
1.3本章节的论文安排6
第二章系统的整体策划方案6
第三章系统硬件设计7
3.1单片机的选用7
3.2传感器的选用8
3.3液晶驱动电路设计10
3.4报警电路设计10
3.5控制输入电路设计11
3.6晶振电路设计11
3.7复位电路设计12
第四章软件设计12
4.1主要程序功能描述12
4.2键盘显示模块12
4.3采样转换模块13
4.4DHT11数据采集模块流程图14
4.5温湿度控制模块15
4.6报警上下限调整程序流程图15
4.7总体电路设计16
第五章系统调试与仿真17
5.1软件调试17
5.2硬件调试18
5.3遇到的问题及解决办法19
第六章总结与展望20
参考文献20
附录:
源程序代码22
摘要
随着科学技术的日新月异,人类社会取得了长足的进步!
在居家生活、工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门,经常需要对环境中的湿度和温度进行测量及控制。
本设计设计了一个智能化的温湿度测量应用系统。
本系统采用技术成熟的DHT11作为测量湿度和温度的传感器。
控制系统芯片采用技术成熟,功能强大、价位低廉大众化的AT89C51单片机。
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。
每个DHT11传感器都在精确的湿度校验箱中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中,传感器内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。
LCD显示电路,声光报警电路都由AT89C51单片机控制。
同时设计了能给系统提供稳定工作电压的电源电路。
为了提高系统的抗干扰性能,对湿度、温度的检测采用了硬件抗干扰和软件抗干扰的综合方法。
最后设计了系统各个功能部分的软件程序。
由本设计课题做成的温湿度检测系统结构简单、价格便宜、量程宽,具有较高的可靠性、安全性及实用性。
本设计以STC89C52这款低功耗、高性能、在系统编程的8位单片机为系统控制处理核心,由单总线数字温湿度传感器DHT11、1602液晶显示屏、LED与蜂鸣器、按键控制输入等四个部分组成,从而实现环境温湿度检测系统的主要功能。
本设计由Protel画出了电路原理图和PCB图,并由此完成了硬件的制作,使用C51语言对单片机进行编程控制,并模块化仿真,最后通过综合调试,符合预期的设计要求。
关键词:
STC89C52单片机,温湿度检测,DHT11传感器,PCB设计
ABSTRACT
Withadvancesinscienceandtechnology,humansocietyhasmadegreatprogress!
Inthelifethatoccupythehome,industrialandagriculturalproduction,weather,environmentalprotection,nationaldefense,scientificresearch,aerospaceandotherdepartments,oftenneedtohumidityandtemperaturemeasurementandcontrolintheenvironment.Thisdesignhasdesignedaintelligenttemperatureandhumiditymeasurementapplications.ThissystemadoptsthematuretechnologyofDHT11asameasurementofhumidityandtemperaturesensor.ChipcontrolsystemUSESthematuretechnology,powerfulfunctionsandlowpricepopularAT89C51.DHT11digitaltemperatureandhumiditysensorisacontainshasbeencalibrateddigitalcompositesignaloutputofthetemperatureandhumiditysensor.Itdedicateddigitalmoduleacquisitiontechnologyandthetemperatureandhumiditysensortechnology,ensurethattheproducthasaveryhighreliabilityandexcellentlong-termstability.SensorconsistsofaresistancetypemoistureelementandaNTCtemperaturemeasuringelement,andconnectedtoahigh-performance8-bitmicrocontroller.EveryDHT11sensorcalibrationinprecisehumiditycheckbox.CalibrationcoefficientintheformofaprogramstoredintheOTPmemory,insidethesensorintheprocessofdetectingsignalprocessingtoinvokethecalibrationcoefficient.Singlewireserialinterface,thesystemintegrationbecomessimpleandfast.TheLCDdisplaycircuit,soundandlightalarmcircuitiscontrolledbyAT89C51.Anddesigntothesystemtoprovidestableworkingvoltageofthepowercircuit.Inordertoimprovetheanti-interferenceperformanceofthesystem,thehumidity,temperaturedetectionusingtheantijammingsynthesismethodofthesoftwareandhardwareanti-interference.Thesystemhasthefunctionofeachpartofthesoftwareprogramisdesigned.Madefromthedesignprojectoftemperatureandhumiditydetectionsystemstructureissimple,cheap,widerangeandhashighreliability,safetyandpracticality.
ThisdesignwithSTC89C52thiskindoflowpowerconsumption,highperformance,8-bitmicrocontrollerprogrammingsystemforthesystemcontrolcore,byasinglebusdigitaltemperatureandhumiditysensorDHT11,1602LCD,LEDandbuzzer,buttoncontrolinputandsoonfourparts,soastorealizethemainfunctionsoftheenvironmentaltemperatureandhumiditydetectionsystem.
ThisdesignbyProteldrawthecircuitprinciplediagramandPCBdiagram,andthuscompletedtheproductionofhardware,UsingC51languagetocontroltheMCUprogrammingandmodularsimulation,finallythroughintegrateddebugging,meetTheexpecteddesignrequirements.
Keywords:
STC89C52single-chipmicrocomputertemperatureandhumiditydetection,DHT11sensorandPCBdesign
第一章绪论
1.1设计的目的和意义
现代社会,随着国家的经济不断发展,人们的生活水平逐渐提高,在衣食住行基本满足之后,追求一种健康长寿的生活方式已经成为时代的潮流。
家庭居室,工作场所是人们每天较长时间生活的两个环境,而环境中的温度和湿度变化则和人们的生理、心理等身体健康状况息息相关。
相关研究结果摘录如下:
据生理学家研究,室内温度过高时,会影响人的体温调节功能,由于散热不良而引起体温升高、血管舒张、脉搏加快、心率加速。
冬季,如果室内温度经常保持在25℃以上,人就会神疲力乏、头晕脑涨、思维迟钝、记忆力差。
同时,由于室内外温差悬殊,人体难以适应,容易患伤风感冒。
如果室内温度过低,则使人体功能下降,脉搏、呼吸减慢,皮下血管收缩,皮肤过度紧张,呼吸道粘膜的抵抗力减弱,容易诱发呼吸道疾病。
因此,科学家们把人对“冷耐受”的下限温度和“热耐受”的上限温度,分别定为11℃和32℃。
在注意室内温度调节的同时,还应注意室内的湿度。
夏天,室内湿度过大时,会抑制人体散热,使人感到十分闷热、烦躁。
冬天,室内湿度大时,则会加速热传导,使人觉得阴冷、抑郁。
室内湿度过低时,因上呼吸道粘膜的水分大量散失,人会感到口干、舌燥,甚至咽喉肿痛、声音嘶哑和鼻出血等,并易患感冒。
所以,专家们研究认为,相对湿度上限值不应超过80%,下限值不应低于30%。
然而,人的体感并不单纯受气温或气湿两种因素的影响,而是两者综合作用的结果。
通过实验测定,最宜人的室内温湿度是:
冬天温度为18至25℃,湿度为30%至80%;夏天温度为23至28℃,湿度为30%至60%。
在此范围内感到舒适的人占95%以上。
在装有空调的室内,室温为19至24℃,湿度为40%至50%时,人会感到最舒适。
如果考虑到温、湿度对人思维活动的影响,最适宜的室内温度应是工作效率最高的值。
温度应是18℃,湿度应是40%至60%,此时,人的精神状态最好,思维最敏捷。
因此,随时关注环境的温湿度变化而由此采取措施对人们的健康生活和高效工作有着重要的意义。
1.2设计的内容和要求
本设计的研究内容包括以下几个方面:
1、基本要求
(1)主要检测环境变化中的温度和湿度参数;
(2)温湿度参数显示在1602液晶屏幕上;
(3)可以设置温湿度报警点,并能按照设置实时报警;
(4)报警方式包括指示灯和蜂鸣器;
2、制作要求
(1)造价低廉,工作可靠;
(2)供电方式:
USB供电或者5V电源;
(3)做出产品样机,调试通过,可正常工作。
因此,本温湿度检测系统的设计应以这2个方面的要求为依据,从而进行各
个部分的详细设计。
1.3本章节的论文安排
本次论文只要有六章,其中第一章为绪论,主要介绍了本次论文研究的目的及主要内容,总体上理清论文的思路;第二章主要是对系统的整体策划方案进行了大致介绍;第三章是对系统硬件设计的论述,有单片机、传感器的选用和液晶驱动电路、报警电路、控制输入电路、复位电路等的设计;第四章主要则是介绍了软件内容的设计;第五章是系统调试与测试,包括软件调试和硬件调试;第六章对本次作品进行了总结和展望。
第二章系统的整体策划方案
基于单片机的环境温湿度检测系统实施方案构想如下:
1、由温度和湿度传感器对环境中的温度和湿度变量进行采样;
2、单片机和传感器通信,获得采样数据并暂存;
3、单片机对数据进行预处理(如校验等),对有效数据再进行以下四种处理
操作:
(1)驱动显示电路,把数据显示在1602液晶上;
(2)扫描输入的控制信号,设定报警限值;
(3)根据设定的报警,驱动报警电路工作,予以报警指示;
4、在系统供电端有稳压滤波电路或电能存储器件,保证系统正常工作;
5、选用价格低廉的器件或设计电路,减少花费;
6、在以上方案都实施的情况下,对系统进行优化创新设计,强化功能。
因此,本系统的设计应按照这个思路进行具体设计,把每一步的构想转化为
现实的设计。
系统的结构图如下:
图2.1环境温湿度检测系统结构图
第三章系统硬件设计
根据绪论中的分析说明,可以明确温湿度检测系统的硬件电路应分为
传感器检测、液晶显示驱动、报警驱动、输入控制等4大部分,其中后3个部分都以单片机为核心,由单片机来进行控制处理,因此单片机的选用至关重要。
3.1单片机的选用
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52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。
具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,3个16位定时器/计数器,4个外部中断,一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构),全双工串行口。
另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz,6T/12T可选。
因此,选用AT89S52单片机可实现温湿度检测系统的功能,下图为该单片机的DIP40封装外观和引脚功能:
图3.1AT89S52单片机封装外观
STC89C52RC单片机的工作模式
掉电模式:
典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒,中断返回后,继续原程序
空闲模式:
典型功耗2mA
正常工作模式:
典型功耗4Ma~7mA
掉电模式可由外部中断唤醒,适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备。
3.2传感器的选用
我们采用的是单总线数字温湿度传感器DHT11。
这款传感器由广州奥松电子科技有限公司研发,与单片机的通信十分简洁方便,无需外接时钟信号,通信如下:
图3.2单总线数字温湿度传感器DHT11与单片机通信
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。
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内存中,传感器内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。
超小的体积、极低的功耗,信号传输距离可达20米以上,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。
引脚说明
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。
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,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。
除此之外,它还有很多突出优点:
(1)湿温度传感器的一体化结构能同时对相对湿度和温度进行测量,并以
数字信号输出,从而减少用户对信号的预处理负担;
(2)独特的单总数据传输线协议使得读取传感器的数据更加便捷,而且还
有全部校准数据字节,编码方式为8位二进制数。
(3)40位二进制数据输出,高位先出,格式为:
湿度整数部分8位,小数
部分8位;温度整数部分8位,小数部分8位;最后8位为校验字节,为前32
位数据的和。
(4)宽工作电压,几乎与AT89S52的电压相同,为3~5.5V,而且功耗较
低,通信最大电流为2.5mA。
其简要的性能参数如下表所示:
按照说明书的要求,DHT11与单片机的连接距离小于20米时,需要在VCC和DATA引脚之间接一个5K左右的电阻,因此电路设计如下:
图3.3温湿度传感器DHT11与单片机连接电路
至此,传感器的硬件电路设计完成,另一部分工作就是编程问题,在下一章
节介绍。
3.3液晶驱动电路设计
在日常生活中,我们对液晶显示器并不陌生,它已作为很多电子产品的通过器件,比方在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到,显示的主要是数字、专用符号和图形。
显示模块选用1602字符型液晶模块,它是目前工控系统中使用最广泛的液晶屏之一,它显示的质量高,驱动方便,经过编程后显示内容多样化。
电路图如图3.4所示:
图3.4液晶驱动电路
3.4报警电路设计
本设计需要指示一种温湿度正常状态、一种数据发送状态和四种超限报警状态,即温度超下限,温度超上限,湿度超下限,湿度超上限,可采用简单的声(蜂
鸣器)光(LED)报警电路:
图3.5指示灯和蜂鸣器报警电路
3.5控制输入电路设计
本设计的控制输入部分为简单的三个按键(设置功能,加,减),由于单片机默认状态下端口引脚为高电平,可以接上按键与地相连,单片机检测按键端口的电平情况来决定是否有按键按下和哪个按键被按下,抖动问题采用软件延时方式,减少硬件电路设计,电路如图所示:
图3.6控制输入按键连接电路
3.6晶振电路设计
单片机系统都有晶振,在单片机系统中晶振的作用非常大,全称叫做晶体振荡器,它结合单片机内部电路产生所需时钟频率,单片机晶振提供的时钟频率越高,那么单片机的运行速度就会越快,单片机的一切指令执行都是建立在单片机晶振所提供的时钟频率。
在通常的工作条件下,普通的晶振频率的绝对精度可以达到百万分之五十,高级晶振精度更高,有些晶振还可以由外加的电压在一定范围内调整频率,称为压榨振荡器,在共振的状态下晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体工作,以提供稳定,精确的单频振荡。
单片机晶振的作用是为系统提供及本周的时钟信号,通常一个系统共用一个晶振,以便于各部分保持同步,有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振,而是通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振通常与锁相环电路配合使用,以提供系统所需的时钟频率,可以用于同一个晶振项链的不同锁相环来提供的。
单片机STC89C52的晶振电路采用无源晶振,微调电容取22uf。
图3.7即为蜂鸣器电路。
图3.7晶振电路
3.7复位电路设计
本次设计采用的是上电复位,而51单片机采用的都是高电平复位,当RST引脚上出现了两个周期以上的高电平就会触发内部复位,这里的EA端与复位电路无关,由于数据都放在了内部存储器,所以连接EA只是直接拉高引脚,如图3.8所示:
图3.8复位电路
第四章软件设计
4.1主要程序功能描述
程序设计的目的是控制单片机引脚的电平变化,从而控制相应外围电路按照
要求工作,这些控制包括单总线温湿度传感器的数据获取、液晶显示、LED和蜂鸣器的联合驱动报警、按键信号检测并且这些控制必须保持协调统一、可靠稳定地实现系统的要求功能。
4.2键盘显示模块
本系统中使用8279芯片完成有关键盘输入和温湿度显示工作。
温度湿度是依次输入的并且依次以下限、上限输入,并且将温湿度的中间数值存入单片机中,在将LED清零后显示(分别在0123位),并依次显示实时的温度湿度数值。
实际上,在系统初始化的过程中,除了初始化键盘和显示器之外,其中还包括着调用8279键盘显示模块,8279键盘显示模块部分的基本流程如下图4.1所示。
图4.18279键盘显示模块流程
其中显示键值的程序流程图如下:
图4.2显示键值的程序流程图
4.3采样转换模块
采样转换模块是本系统中的核心模块之一,它负责完成温度和湿的测量及模拟量转
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