数字温湿度计带程序.docx
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数字温湿度计带程序.docx
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数字温湿度计带程序
课程名称:
电子技术课程设计
设计题目:
数字温湿度计
院系:
电气工程系
专业:
城轨供电本
年级:
2013
姓名:
陈美旺
学号:
20138020
指导教师:
关海川
西南交通大学峨眉校区
2016年06月16日
课程设计任务书
专业城轨供电姓名陈美旺学号20138020
开题日期:
2016年03月01日完成日期:
2016年06月16日
题目数字温湿度计
一、设计的目的
温度和湿度是两个基本的环境参数。
在我们的生活中,我们要时刻关心环境的变化,只有很好的把握好环境的差异变化,我们才能更好的生存与发展。
比如说在日常生活中,适宜的温度和湿度会使我们感到舒适,而不合适的温度和湿度则会让我们产生不舒服的感觉甚至生病。
再比如说在一些温室大棚里,里面的各类蔬菜瓜果只有在适宜的温度和湿度下,才能成长的更快,我们才能获取更大的效益。
准确测量温湿度在生物药学、食品加工、造纸业等行业更是至关重要。
总之,无论在日常生活中还是在工业、农业方面都离不开对周围环境温湿度的测量。
因此,研究温湿度的控制和测量具有非常重要的意义。
二、设计的内容及要求
1)确定系统的总体功能设计方案
2)完成总体设计方案原理图的绘制
3)完成硬件电路的焊接及调试
4)完成软件系统的设计及编译
5)培养实践技能,提高分析和解决实际问题的能力
三、指导教师评语
四、成绩
指导教师(签章)
2016年06月16日
承诺
本人郑重承诺:
所呈交的设计(论文)是本人在导师的指导下独立进行设计(研究)所取得的成果,除文中特别加以标注引用的内容外,本文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的设计(研究)成果。
对本设计(研究)做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
如被发现设计(论文)中存在抄袭、造假等学术不端行为,本人愿承担一切后果。
学生签名:
2016年06月16日
摘要
在生活和工作中,我们时常需要检测当前环境的温度和湿度。
本文采用AM2302(DHT22)数字温湿度传感器,STC12C5A60S2单片机,OLED12864液晶显示屏以及一些元器件进行组合,从而完成对温度和湿度的检测。
选用温湿度传感器AM2302检测环境温度和湿度,将其输出的数字信号输入单片机STC12C5A60S2,单片机采集数字信号并进行数据处理,然后由OLED12864进行显示,并根据当前温度和湿度作出温馨提示。
本系统整体设计具有界面友好、硬件系统集成度高、电路简单、功能强、性能可靠、精度高、成本低等特点。
对我们的生活特别有帮助。
关键词:
AM2302;单片机;温湿度;检测
Abstract
Inlifeandwork,weoftenneedtodetectthetemperatureandhumidityofthecurrentenvironment.ThispaperusestheAM2302(DHT22)temperatureandhumiditydigitalsensorSTC12C5A60S2singlechip,OLED12864display,andsomeofthecomponentsarecombined,soastocompletethedetectionoftemperatureandhumidity.ChooseAM2302temperatureandhumiditysensorstodetecttemperatureandhumidity,theoutputofdigitalsignalinputmicrocontrollerSTC12C5A60S2single-chipdigitalsignalanddataprocessing,andthenbytheOLED12864display,plusawarmpromptaccordingtothecurrenttemperatureandhumidity.
Thesystemdesignwithfriendlyinterface,flexiblecontrol,highhardwaresystemintegration,simplecircuit,functional,reliableperformance,highprecision,lowcost,etc.Particularlyhelpfultoourlife.
Keywords:
AM2302;SCM;temperatureandhumidity;detection
目录
第1章绪论
1.1数字温湿度计的研究目的与意义
温度和湿度是两个基本的环境参数。
在我们的生活中,我们要时刻关心环境的变化,只有很好的把握好环境的差异变化,我们才能更好的生存与发展。
比如说在日常生活中,适宜的温度和湿度会使我们感到舒适,而不合适的温度和湿度则会让我们产生不舒服的感觉甚至生病。
再比如说在一些温室大棚里,里面的各类蔬菜瓜果只有在适宜的温度和湿度下,才能成长的更快,我们才能获取更大的效益。
准确测量温湿度在生物药学、食品加工、造纸业等行业更是至关重要。
总之,无论在日常生活中还是在工业、农业方面都离不开对周围环境温湿度的测量。
因此,研究温湿度的控制和测量具有非常重要的意义。
由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号,使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制。
传感器主要用于测量和控制系统,它的性能好坏直接影响系统的性能。
因此我们必须掌握各种传感器的结构、原理及其性能指标,通过对传感器实例的分析了解,才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来,适应传感器的生产、研制和开发及应用。
温湿度传感器发展速度快,应用领域也很广泛,并且还有很大发展潜力,为了提高对传感器的认识和了解,尤其是对温湿度传感器的深入研究,基于实时、准确和广泛的原则进行了设计。
1.2数字温湿度计的研究现状与发展趋势
纵观市场,温湿度检测技术已经比较成熟,已有的各种温湿度检测产品,五花八门,如A2000家用温湿度报警表、YD-808A工业用温湿度显示器等产品。
从功能上分析这些产品可以看出,一个比较完整的环境温湿度检测系统应该具备以下基本的两个功能:
(1)实时检测出环境中的温度和湿度参数;
(2)检测的参数值显示在显示设备上(如数码管,液晶显示器等)。
因此,本设计也应该具备这些功能,并且对每一个部分进行优化设计,也可以扩展新的系统功能。
除了功能上的分析之外,再看这些产品还存在一个问题就是价格太高,不符合普通消费者的消费水平,如A2000家用温湿度报警表,售价300元左右。
综上所述,本设计设计出的环境温湿度检测系统,除了具备市场上已有产品的基本功能之外,还可以增加一些创新功能并尽量降低成本价格。
1.3数字温湿度计的研究方法
数字体温计是利用温湿度传感器将温度和湿度转换成数字信号,然后通过显示屏显示以数字形式的温度和湿度,能快速准确地测量当前温度,与传统温度计和湿度计相比,具有读数字方便,测量时间短,测量精度高等优点,尤其是数字温湿度计不像传统温度计那么易碎。
计量温度的单位有摄氏度和华氏度两种单位。
1.摄氏度:
摄氏度是目前世界上使用较为广泛的一种温标——摄氏温标的温度计量单位,用符号“℃”表示。
指在1标准大气压下,纯净的冰水混合物的温度为0度,水的沸点为100度,其间平均分为100份,每一等份为1度,记作1℃。
它最初是由瑞典天文学家安德斯·摄尔修斯(AndersCelsius,1701~1744)于1742年提出的,其后历经改进。
摄氏温度现已纳入国际单位制(SI)。
T(K)=t(℃)+273.15,T为绝对温度。
2.华氏度:
华氏度是温度的一种度量单位,以其发明者德国人华伦海特(GabrielD.Fahrenheit,1681—1736)命名的。
1714年他发现液体金属水银比酒精更适宜制造温度计,以水银为测温介质,发明了玻璃水银温度计,选取氯化铵和水的混合物的冰点温度(即盐水结冰的温度)为温度计的零度,人体温度为温度计的100度。
在标准大气压下,冰的熔点为32℉,水的沸点为212℉,中间有180等分,每等分为华氏1度,记作“1℉”。
空气的湿度有绝对湿度和相对湿度之分。
1.绝对湿度:
空气中水蒸气的压强p叫做空气的绝对湿度。
空气的湿度可以用空气中所含水蒸汽的密度,即单位体积的空气中所含水蒸汽的质量来表示。
由于直接测量空气中水蒸气的密度比较困难,而水蒸气的压强随水蒸气密度的增大而增大,所以通常用空气中水蒸气的压强来表示空气的湿度,这就是空气的绝对湿度。
2.相对湿度:
(1)概念的引入:
为了表示空气中水蒸气离饱和状态的远近而引入相对湿度的概念。
(2)相对湿度B:
某温度时空气的绝对湿度p跟同一温度下水的饱和汽压ps的百分比叫做这时空气的相对湿度。
本设计将温度计和湿度计集成到一起,可检测不同环境的温度和湿度,其中温度部分采用摄氏度,湿度部分采用相对湿度。
本设计还可以直接同过usb接口在电脑上进行更新。
1.4设计的思路和实现方法
本文的设计目的是要对空气中的温度和湿度进行检测。
系统的数据采集部分是温湿度传感器完成的,温湿度传感器将采集到的数据送入STC12C5A60S2单片机中,然后通过液晶显示器OLED12864进行显示,单片机将预设的参考值与测量值进行比较,根据比较结果作出判断,作出温馨提示。
(1)系统硬件设计
通过比较,选用STC12C5A60A2单片机来构造本系统。
在设计过程当中,单片机通过SPI协议与液晶OLED12864通信,P3.4口接温湿度传感器AM2302,P3.0和P3.1口接USB转串口芯片CH340,再外加复位电路和时钟电路。
(2)系统模块设计
检测模块:
检测所处环境的温湿度数据。
显示模块:
温度和湿度采用液晶显示,分两行显示使测量结果更直观,便于管理人员做出决策。
第2章设计介绍
2.1设计任务于要求
设计任务
(1)实现对环境温湿度参数的实时采集,由单片机对数据进行循环检测、数据处理、显示,实现温湿度的连续测量。
(2)实现温度的实时提醒。
(3)现场检测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力。
(4)软件设计既要具有完成数据采集、处理的功能,其软件编程应具有功能强大、界面友好、便于操作和执行速度快。
设计要求
(1)测量范围:
湿度20-90%RH,温度-20-80℃。
(2)测量精度:
湿度±2%RH,温度±0.5℃。
(3)分辨率:
湿度0.1%RH,温度0.1℃。
2.2设计原则
要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。
设计原则有以下几个:
(1)可靠性高
可靠性是单片机系统应用的前提,在系统设计的每一个环节,都应该将可靠性作为首要的设计准则。
提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑:
使用可靠性高的元器件;设计电路板时布线和接地要合理;对供电电源采用抗干扰措施;输入输出通道抗干扰措施;进行软硬件滤波等。
(2)操作维护方便
在系统的软硬件设计时,应从操作者的角度考虑操作和维护方便,尽量减少对操作人员专业知识的要求,以利于系统的推广。
因此在设计时,要尽可能减少人机交互接口,多采用操作内置或简化的方法。
(3)性价比高
单片机除体积小、功耗低等特点外,最大的优势在于高性能价格比。
一个单片机应用系统能否被广泛应用,性价比是其中一个关键因素。
因此,在设计时,除了保持高性能外,尽可能降低成本,如简化外围硬件电路,在系统性能和速度允许的情况下尽可能用软件功能取代硬件功能等。
2.3方案的论证与选择
2.3.1单片机的选择
方案一:
STC89C52单片机
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。
优点:
价格便宜。
缺点:
运算速度较慢。
方案二:
STC12C5A60S2单片机
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制,强干扰场合。
STC12C5A60S2是8051系列单片机,与普通51单片机相比有以下特点:
1、同样晶振的情况下,速度是普通51的8~12倍
2、有8路10位AD
3、多了两个定时器,带PWM功能
4、有SPI接口
5、有EEPROM
6、有1K内部扩展RAM
7、有WATCH_DOG
8、多一个串口
9、IO口可以定义,有四种状态
10、中断优先级有四种状态可定义
优点:
运算速度快。
缺点:
价格稍高。
综合本设计需要满足的技术指标以及硬件设计的性价比我们选择方案二。
2.3.2显示器的选择
方案一:
数码管
数码管要正常显示,就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码,从而显示出我们要的数字,因此根据数码管的驱动方式的不同,可以分为静态式和动态式两类。
(1)静态显示驱动
静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动,或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单,显示亮度高,缺点是占用I/O端口多,如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动,要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢:
),实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动,增加了硬件电路的复杂性。
(2)动态显示驱动
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一,动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路,位选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字形码,但究竟是哪个数码管会显示出字形,取决于单片机对位选通COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位就显示出字形,没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的的COM端,就使各个数码管轮流受控显示,这就是动态驱动。
在轮流显示过程中,每位数码管的点亮时间为1~2ms,由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应,尽管实际上各位数码管并非同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示数据,不会有闪烁感,动态显示的效果和静态显示是一样的。
优点:
数码管亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。
缺点:
对于温湿度的显示不太方便,而且连线复杂。
方案二:
LCD1602
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性,通过电压对其显示区域进行控制,有电就有显示,这样即可以显示出图形。
1602具有轻薄短小、低压微功耗、体积小、无辐射、平面直角显示及影像稳定不闪烁等优点,且可视面积大、效果好、分辨率高、抗干扰能力强,适合用于显示字母、数字、符号等信息,而且不需要扩展过多外围电路,可由单片机直接进行控制输出显示。
优点:
可视面积大、效果好、分辨率高、抗干扰能力强,适合用于显示字母、数字、符号等信息。
缺点:
显示内容较少。
方案三:
OLED12864
OLED在工艺上只需用两层薄膜和玻璃或塑料基板,比LCD的工艺更加简单。
OLED显示效果比LCD显示屏更明亮、更细腻,理论上也更省电。
由于OLED材料具有自发光特性,无需背光模块及彩色滤光片,也不需要一般LCD面板的灌液晶工艺,所以制作上比采用液晶体发光的LCD少三道工序,量产后成本将明显降低。
OLED具备有构造简单、自发光不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广等优点。
12864由128*64个点构成,相对于1602来说像素点更多,显示内容更丰富,可以显示汉字。
优点:
显示内容丰富、自发光不需背光源、对比度高、厚度薄、视角广。
缺点:
价格高、不带字库、驱动较为麻烦。
综合以上方案的优缺点,本设计选择方案三作为显示方案。
2.3.3USB转串口芯片的选择
方案一:
PL2303
PL2303内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART,只需外接几只电容就可实现USB信号与RS232信号的转换,能够方便嵌入到各种设备;该器件作为USB/RS232双向转换器,一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流格式发送给外设;另一方面从RS232外设接收数据转换为USB数据格式传送回主机。
这些工作全部由器件自动完成,开发者无需考虑固件设计。
PL2303的高兼容驱动可在大多操作系统上模拟成传统COM端口,并允许基于COM端口应用可方便地转换成USB接口应用,通讯波特率高达6Mb/s。
在工作模式和休眠模式时都具有功耗低,是嵌入式系统手持设备的理想选择。
该器件具有以下特征:
完全兼容USB1.1协议;可调节的3~5V输出电压,满足3V、3.3V和5V不同应用需求;支持完整的RS232接口,可编程设置的波特率:
75b/s~6Mb/s,并为外部串行接口提供电源;512字节可调的双向数据缓存;支持默认的ROM和外部EEPROM存储设备配置信息,具有I2C总线接口,支持从外部MODEM信号远程唤醒。
优点:
成本低。
缺点:
不稳定,丢包严重。
方案二:
CP2102
CP2102其集成度高,内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线(UART),支持调制解调器全功能信号,无需任何外部的USB器件。
CP2102与其他USB-UART转接电路的工作原理类似,通过驱动程序将PC的USB口虚拟成COM口以达到扩展的目的。
优点:
使用简单。
缺点:
不太稳定。
方案三:
CH340
CH340是一个USB总线的转接芯片,实现USB转串口、USB转IrDA红外或者USB转打印口。
在串口方式下,CH340提供常用的MODEM联络信号,用于为计算机扩展异步串口,或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。
在红外方式下,CH340外加红外收发器即可构成USB红外线适配器,实现SIR红外线通讯。
优点:
使用简单,较为稳定。
缺点:
兼容性差。
方式四:
FT232RL
FT232RL芯片具有宽温、高速、稳定传输等特点,可从USB上取电,无需外加电源、兼容USB1.0/1.1/2.0、RS-422、RS-485标准,能够将USB信号及协议帧转换为平衡差分的RS-422或RS-485信号和UART协议帧,可实现星形USB网络到RS-422/RS-485网络的桥接,相当于一个网桥设备。
可提供每线浪涌保护和600W防雷保护。
采用TVS和热敏电阻双重防雷防浪涌技术能有效抗雷击以及各种原因在线路上产生的浪涌电压并且保持了极小的极间电容保证了RS-422/RS-485接口的高速传输。
转换器内部带有零延时自动收发转换,独有的I/O电路自动控制数据流方向而不需任何握手信号(如 RTS、DTR等),也无需跳线设置实现全双工(RS-422)、半双工(RS-485)模式转换,即插即用确保适合一切现有的通信软件和接口硬件。
该系列接口转换器可以为点到点、点到多点的通信提供可靠的连接,点到多点每台转换器可允许连接32个RS-422或RS-485接口设备,数据通讯速率300-128000bps,带有电源指示灯及数据流量指示灯可指示故障情况、支持的通讯方式有USB到RS-422、USB到RS-485转换。
优点:
兼容性好,稳定性高。
缺点:
价格贵。
综合可靠性、稳定性、易用性以及成本来考虑,本设计选择方案三。
第3章硬件设计
本设计的硬件系统主要由主控模块、显示模块、温湿度采集模块、串口通信模块、时钟电路和复位电路组成。
3.1主控模块
本系统主控模块采用STC12C5A60S2单片机作为控制核心,通过AM2302温湿度传感器专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,把采集到的温湿度数字信号通过单片机的处理输出到OLED12864显示器,以显示其温湿度值。
本设计可以根据当前的温湿度作出提示显示在显示器上。
3.1.1STC12C5A60S2简介
STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换,针对电机控制,强干扰场合。
3.1.2STC12C5A60S2的主要特点
1、增强型8051CPU,1T(1024G),单时钟/机器周期
2、工作电压 5.5-3.5V
3、1280字节RAM
4、通用I/O口,复位后为:
准双向口/弱上拉
可设置成四种模式:
准双向口/弱上拉,强推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏
每个I/O口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不要超过120mA
5、有EEPROM功能
6、看门狗
7、内部集成MAX810专用复位电路
8、外部掉电检测电路
9、时钟源:
外部高精度晶体/时钟,内部R/C振荡器
常温下内部R/C振荡器频率为:
5.0V单片机为:
11~17MHz
3.3V单片机为:
8~12MHz
10、4个16位定时器
两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1
11、3个时钟输出口,可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟,可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟,独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟
12、外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块,Power Down模式可由外部中断唤醒,INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3,CCP0/P1.3
13、PWM2路
14、A/D转换,10位精度ADC,共8路,转换速度可达250K/S
15、通用全双工异步串行口(UART)
16、双串口,RxD2/P1.2,TxD2/P1.3
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