溫濕度測量系統(tǒng)設計

1、摘 要本畢業(yè)設計設計了一個寬量程多點智能化的溫濕度監(jiān)測應用系統(tǒng)。隨著科學技術的日新月異，人類社會取得了長足的進步！在居家生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境中的濕度和溫度進行測量及控制。本系統(tǒng)采用技術成熟的SHT11芯片作為測量濕度和溫度的傳感器。SHT11是內(nèi)部集成IIC總線接口的單片全校準數(shù)字式新型相對濕度和溫度傳感器。SHT11具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標定、免外圍電路及全互換的特點。SHT11全量程標定，并且可以二線數(shù)字輸出。SHT11的濕度測量范圍為0100%Rh，溫度測量范圍為-40+123.8，濕度測量精度為3.0%Rh，溫度測量精度為0.4，響應

2、時間4s;內(nèi)部自帶信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路?？刂葡到y(tǒng)芯片采用技術成熟，功能強大、價位低廉大眾化的AT89C51單片機。LED顯示電路,聲光報警電路都由AT89C51單片機控制。同時設計了能給系統(tǒng)提供穩(wěn)定工作電壓的電源電路。為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，對濕度、溫度的檢測采用了硬件抗干擾和軟件抗干擾的綜合方法。硬件采抗干擾措施采用集成看門狗芯片DS1232，它使系性能得到了改善。最后設計了系統(tǒng)各個功能部分的軟件程序。在設計中，對誤差產(chǎn)生的原因也進行了一些理論上的分析，并證明了這種設計方案是可行的。由本設計課題做成的溫濕度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、量程寬，具有較高的可靠性、安全性及實用性。關鍵詞

3、：單片機 SHT11溫濕度傳感器 IIC總線接口ABSTRACTThis paper has designed an intelligent temperature and humidity measurement system with many measuring points. With the new science and technology increasingly, our society has made great progress! In the industrial and agricultural production，meteorology，environmenta

4、l，national defense，scientific research，aerospace，and other departments, it is usually necessarily to measure and control the environmental temperature and humidity. The virtual network rapid development of a more long-range temperature and humidity control of the increasingly mature. This system use

5、s the technology mature SHT11 as temperature and humidity-measuring the sensor. SHT11 is IIC bus interface with the monolithic whole new digital calibration of relative humidity and temperature sensors. SHT11 with digital output for debugging，for calibration，for the external circuit and the characte

6、ristics of the whole exchange. SHT11 has the whole range calibration，and can second-line digital output. The humidity range of -40+123.8，humidity measurement range of 0100%Rh,humidity measurement accuracy of 3.0%Rh，temperature measurement accuracy of 0.4,response time 4s;have its own internal signal

7、 conditioning circuit and A/D converter conversion circuit. The control use technology is mature，low price of the popular AT89C51，the keyboard instruments/monitors，switch control，alarm circuits and are directly linked AT89C51. Using the transformers, change AC to DC become necessarily. In order to i

8、mprove the anti-jamming performance the humidity ，temperature detected by the anti-jamming hardware and software integrated approach to anti-interference. The watchdog circuit hardware is used to anti-interference，using a software command redundant technology，so that they have improved in performanc

9、e. In the design, the errors of factors have also carried out some theoretical analysis to prove that this design is feasible. The issue posed by the design of more than make the temperature and humidity monitoring system is simple，cheap，wide range，a higher degree of reliability，safety and practical

10、ity.Keywords: MCU SHT11 temperature and humidity sensors IIC bus interface目 錄1 緒 論11.1 選題意義11.1.1生活環(huán)境與溫濕度的關系11.1.2 檢測溫濕度的意義11.2 國內(nèi)外發(fā)展趨勢11.3 系統(tǒng)的主要性能指標21.4 主要工作任務21.5 本章小結(jié)22 系統(tǒng)方案選擇和工作原理.32.1 系統(tǒng)綜述32.2 系統(tǒng)設計方案選擇32.3 系統(tǒng)工作原理42.4 本章小結(jié)53 系統(tǒng)硬件設計.63.1 AT89C51構(gòu)成的最小系統(tǒng)63.1.1 晶振回路63.1.2 復位電路63.2 溫濕度傳感器的選擇83.2.1 溫濕

11、測量相關概念93.2.2 溫濕度傳感器的選擇103.2.3 SHT11的工作原理123.2.4 SHT11的傳輸特性143.2.5 IIC總線簡介153.3 溫濕度測量回路的設計163.4 顯示電路設計173.4.1 LED的兩種接法183.4.2 LED的兩種顯示方法183.5 報警電路設計193.6 電源電路設計203.7 本章小結(jié)214 系統(tǒng)的軟件設計224.1 主程序的設計224.2 IIC模塊程序設計244.3 LED顯示程序設計244.4 報警電路程序設計244.5本章小結(jié)245 系統(tǒng)抗干擾措施255.1硬件抗干擾措施255.2 軟件抗干擾措施265.3 本章小結(jié)27結(jié) 論.28致

12、 謝29參考文獻30附錄A 系統(tǒng)原理圖31附錄B 系統(tǒng)總程序321 緒 論1.1 選題意義濕度和溫度是測量領域內(nèi)十分重要的被測對象。不管是人類賴以生存的居住環(huán)境，還是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，亦或者是軍事、氣象觀測等領域都需要對溫度和濕度進行測量和控制。隨著電子技術、計算機技術、通信技術、傳感器及傳感器材技術的迅速發(fā)展，測量領域內(nèi)對溫度和濕度的檢測也取得了跨越式的發(fā)展！可以說對溫濕度的測量與控制水平直接影響到人類的所有活動。1.1.1生活環(huán)境與溫濕度的關系 現(xiàn)代人類對生活環(huán)境的要求越來越高，尤其是溫濕度的影響，溫度高了或者低了都直接影響著這個社會，而濕度低了或高了也同樣影響著我們的生活以及其他物種的生存條件

13、。1.1.2 檢測溫濕度的意義濕度和溫度是眾多領域中需要檢測的重要環(huán)境參數(shù)。不僅在工業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，還是在氣象衛(wèi)星、倉庫保管等領域，對溫度和濕度的測量都是隨處可見的。對溫度和濕度的測量與監(jiān)控也是十分有意義的。對濕度和溫度進行合理有效的調(diào)控不僅可以節(jié)約能源還更有利各行業(yè)安全健康的發(fā)展。在工業(yè)領域，各種現(xiàn)代化的機器設備都需要考慮其所在工作環(huán)境的溫濕度。電器設備是工業(yè)領域最常使用也是使用最多的基礎設備。溫濕度的高低對電器設備的研發(fā)者來說是必須要考慮的重要課題。工程師在設計電器產(chǎn)品的時候必須要考慮設計出的產(chǎn)品將來工作環(huán)境中溫濕度的大小，使用過程中散熱通風的問題。選擇合適的材料并且對電氣設備外表面進行合理

14、有效的封裝可以提高電氣設備的使用壽命。大型的電器設備長期處于高電壓、大電流和滿負荷運行，其結(jié)果是造成熱量集結(jié)加劇，由電流熱效應造成的危害直接影響電器設備的絕緣設施，危害機器的正常運轉(zhuǎn)和操作人員的人身安全，所以就要求對電氣設備的溫濕度狀況進行測量控制。溫濕度對植物、動物的生長都有一定的影響，當溫度達到了植物和動物生長所能承受的最高值和最低值時，這些植物和動物就會慢慢的消失，或者演變成其他的一些物種，同樣濕度也對動植物的生長有著不可小視的影響，所以對一定的溫濕度我們必須測量。同時我們也必須要記錄大氣的溫濕度的變化，這樣我們才更能對我們的生活的環(huán)境的變化有個直觀的了解！1.2 國內(nèi)外發(fā)展趨勢近年來，

15、國內(nèi)外在濕度和溫度傳感器研發(fā)領域取得了長足進步。溫濕度傳感器正從結(jié)構(gòu)復雜、功能簡單向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代溫濕度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將溫度、濕度測量技術提高到新的水平。國內(nèi)數(shù)字溫濕度儀測量溫濕度采用的主要方法有:“溫阻”法和“濕阻”法,即采用電阻型的溫濕度傳感器,利用其阻值隨溫濕度的變化測定空氣的溫度和相對濕度。受傳感器靈敏度的限制,這類溫濕度儀的精度不可能很高,一般條件下還可以滿足需要,但是在環(huán)境實驗設備等對精度要求頗高的場合就難以滿足要求了。目前，國外對溫濕度傳感器技術的研究也有了較大的進展，特別是用電阻式溫濕傳感器發(fā)展更快，人們不僅在電阻式陶瓷溫濕度

16、傳感器特性方面做了大量工作，而且在高分子電阻式濕度傳感器上做出可喜的研究成果。1.3 系統(tǒng)的主要性能指標根據(jù)生活環(huán)境，設計本產(chǎn)品的主要技術指標為：（1）測溫范圍：2045；濕度測量范圍為0100%Rh（2）溫度測量精度：0.5C（3）濕度測量誤差：4%Rh（4）可設置上、下限報警值，當濕度溫度超限時，發(fā)出報警信號（5）電源工作范圍：DC4.55.5V1.4 主要工作任務在對各類濕度、溫度傳感器原理介紹的基礎上，根據(jù)本畢業(yè)設計實際的任務要求，完成濕度、溫度傳感器芯片的選型，系統(tǒng)芯片的選擇，并設計顯示接口電路、電源電路、報警電路、部分功能電路的程序。系統(tǒng)開始工作后，根據(jù)初始條件讀取濕度值和溫度值，

17、測量數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，將其與設定的濕溫度值比較，如果發(fā)現(xiàn)當前的溫濕度超限，則發(fā)出報警信號，未超限時，系統(tǒng)顯示正常的濕溫度度值。1.5 本章小結(jié)本章主要介紹了所選課題的研究意義、溫濕度測量國內(nèi)外的發(fā)展趨勢、系統(tǒng)的主要性能指標、及主要任務。溫濕度檢測是本設計的核心，也是以后各章節(jié)著重介紹的內(nèi)容。2 系統(tǒng)方案選擇和工作原理2.1 系統(tǒng)綜述根據(jù)本設計第一章要求的性能指標，方案設計時不僅要考慮怎么樣實現(xiàn)測量一定精度的溫濕度信號值的基本功能，還要考慮溫濕度超限時系統(tǒng)的報警功能。根據(jù)設計要實現(xiàn)的功能，還要考慮系統(tǒng)控制芯片擴展口分配方案。選擇AT89C51單片機就能夠滿足設計要求。AT89C51單片機的P1.0口

18、作為溫濕度測量切換控制， P1.1作為多路測量芯片選擇切換控制口，T0、T1口為報警控制口，X1、X2為晶振回路端口，RESET、AEL口作為復位電路接口，P2口的前四位作為LEDP的位選口，P1口為LED字型碼控制口。最后還要考慮設計系統(tǒng)選擇元器件的成本。作為家庭用的環(huán)境檢測類儀器，系統(tǒng)工作的可靠性，實用性，長久性指標也是系統(tǒng)在設計時值得考慮的幾個因素。2.2 系統(tǒng)設計方案選擇根據(jù)目前國內(nèi)外市場上常用的各種溫濕度檢測儀器，結(jié)合本設計的設計任務要求，能實現(xiàn)本設計要求的方案基本上有以下三種。（1）純模式這種方案所有的電路均采用模擬電路構(gòu)成，包括濕度、溫度信號的采樣、放大電路、報警電壓的電位調(diào)節(jié)設

19、置，模擬比較器的選用以及驅(qū)動超限報警電路，模擬的電磁結(jié)構(gòu)的指針式顯示電路等，盡管這種電路也能起到溫度，濕度的實時測量與報警，但是不能獲得濕度、溫度的歷史數(shù)據(jù)，顯示方式也不夠直觀，在抗干擾性能上由于電路沒有足夠的判斷能力可能會增加誤報警從而引起錯誤動作，而且在價格上也無優(yōu)勢可言，由上述原理構(gòu)成的這類儀表被稱之為第一代儀表，目前設計的儀表中極少使用這類結(jié)構(gòu)。（2）數(shù)字式這種方案在信號的采樣、放大電路、報警設置以及報警電路等環(huán)節(jié)與第一種方案區(qū)別不大，只是在放大電路后采用了A/D轉(zhuǎn)換電路，它將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后經(jīng)過驅(qū)動電路進行數(shù)碼顯示，它最大的好處是顯示直觀，這是模擬式產(chǎn)品向智能式產(chǎn)品過渡的中間

20、型產(chǎn)品，屬于第二代儀表，在上個世紀80年代的設計中大都采用這種結(jié)構(gòu)的方案，在日常生活中看到的大都是未被替換的產(chǎn)品。在目前的設計中，基本上是不采用這種方案的。（3）智能式這是目前檢測類儀器首選的方案，利用目前成熟的計算機技術，依靠計算機強大的處理能力，對數(shù)據(jù)前向通道采集到的濕度，溫度數(shù)據(jù)進行判斷、處理、存儲，并可采用十分簡單的方法通過顯示驅(qū)動芯片將顯示信息送出進行數(shù)碼顯示。對測量所得結(jié)果超限時的報警處理可以按照測量時間的不同情況分別設置不同的報警值。系統(tǒng)將會對測量回路巡回監(jiān)測。常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準確測量的一個參數(shù)。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法，早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需

21、要。這是因為測量濕度要比測量溫度復雜的多，溫度是個獨立的被測量，而濕度卻受其它因素（大氣壓強、溫度）的影響。所以濕度的測量比溫度的測量要復雜的多。目前國內(nèi)外對溫度和濕度測量產(chǎn)品有很多，但是大部分的產(chǎn)品都是用紅外熱輻射的傳感器制作的。這種產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴并不適用于大氣的測量。本設計使用比較常見的溫濕度傳感器和價格便宜的電子元器件，實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的智能化。它還具有較高的安全性，可靠性，適用于一般的家庭。鑒于國外歐美等國家微電子技術的發(fā)展，在不少的測試領域，將一個系統(tǒng)的所有電路，包括CPU都集成在一塊芯片上，構(gòu)成一個集成的系統(tǒng)，況且這也是目前儀表發(fā)展的方向。所以本設計采用集成芯片SHT11作為溫

22、濕度傳感器。鑒于以上情況，本課題考慮到國內(nèi)目前的現(xiàn)狀，構(gòu)成器件的來源以及微電子技術的發(fā)展趨勢，本設計決定采用智能化的設計方案設計。從節(jié)約能源和成本及使用方便的角度考慮，每一個設計都要本著滿足設計要求的前提下，盡量簡單方便快捷的設計。這個原則適用各個領域。由于各種不可克服的誤差和適用環(huán)境的影響，檢測儀表都存在一定的誤差。不過我們還要竭盡所能的降低誤差，提高設計的精度。2.3 系統(tǒng)工作原理根據(jù)上述的方案選擇和本課題的設計目標，加上目前智能儀表的一般特點，本系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)框圖如圖21所示。由系統(tǒng)的原理圖可以看出，實現(xiàn)本設計智能測量系統(tǒng)的核心是AT89C51單片機。濕度和溫度信號檢測可以使用傳統(tǒng)的電阻

23、式溫濕傳感器測量，也可以采用集成的智能溫濕傳感器芯片測量。集成傳感器芯片內(nèi)部自帶有信號放大電路。放大電路是提高單片機對信號進行識別的有效方法，而且在復雜電路的各種設計領域中是最常用也是必須要采用的方法。由溫濕度傳感器檢測到的溫濕度信號經(jīng)過芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后通過IIC總線輸入通道傳送給單片機。為了提高測量的精度，提高信號的轉(zhuǎn)換質(zhì)量，作為模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器，對其本身的性能要求也很高，因此傳感器芯片內(nèi)要有性能良好的A/D轉(zhuǎn)換器。作為智能化的檢測儀器，由LED實現(xiàn)的顯示器使人們直觀的觀看到測量到的溫度和濕度的值。在本設計系統(tǒng)中，正常情況下，顯示電路可

24、以實時的顯示室內(nèi)的溫度和濕度。當溫度和濕度超限時，報警電路可以立即發(fā)出警報，以便實現(xiàn)壞境溫度和濕度的調(diào)整。單片機報警電路擴展I/O口濕度溫度傳感器顯示電路濕度溫度傳感器濕度溫度傳感器濕度溫度傳感器通信圖2-1 系統(tǒng)原理圖2.4 本章小結(jié)本章介紹了設計測量儀器的三種方式。最傳統(tǒng)的是純模模式。隨著科學技術的進步，采用這種設計方案設計出來的產(chǎn)品由于自身的缺陷性已滿足不了當今社會的要求，所以基本上被淘汰了。數(shù)字式檢測儀表目前在實際應用中也很少用到。智能式是目前檢測儀表設計采用的主流方案，也是本設計選用的方式。根據(jù)設計要求，本章對系統(tǒng)工作的原理也做了簡要說明。3 系統(tǒng)硬件設計為了實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的智能化，系

25、統(tǒng)的硬件設計包括控制系統(tǒng)最小系統(tǒng)的設計，濕度和溫度測量回路的設計，顯示電路的設計，報警電路設計，以及電源電路的設計。3.1 AT89C51構(gòu)成的最小系統(tǒng)微型計算機即單片機是因工業(yè)測控系統(tǒng)數(shù)字化，智能化的迫切需求而發(fā)展起來的。在測控領域，使用最多還是Intel公司的MCS-51系列單片機。MCS-51系列單片機是8位增強型，其主要的技術特征是為單片機配置了完善的外部并行總線和具有多級識別功能的串行通訊接口（UART），規(guī)范了功能單元的SFR控制模式及適應控制器特點的布爾處理和指令系統(tǒng)。由于單片機具有較高的性能比，國內(nèi)尤其以MCS-51系列單片機應用最為廣泛。此系列單片機易于開發(fā)、使用靈活、而且體

26、積小、抗干擾能力強，可以兼容種類眾多的支持芯片、較為豐富的軟件資源，可以工作于各種惡劣的條件下，工作穩(wěn)定等特點?？紤]到本系統(tǒng)的需要以及本人對單片機的熟悉程度，因此本設計選用MCS-51系列的AT89C51單片機作為本系統(tǒng)的CPU。由AT89C51單片機為核心的單片機最小系統(tǒng)包括晶振電路和復位電路。3.1.1 晶振回路晶振回路的主要任務是為AT89C51單片機正常工作需要的時鐘電路提供一個穩(wěn)定的工作頻率。根據(jù)AT89C51單片機時鐘周期的要求，回路需要選用頻率為12MHz的晶振。晶振回路由電容和陶瓷諧振器晶振組成。作為單片機的時鐘源。AT89C51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，此放

27、大器的輸入和輸出端分別是引腳XTAL0和XTAL1,在XTAL0和XTAL1端口接上時鐘電源即可構(gòu)成時鐘電路。本設計中采用內(nèi)部時鐘產(chǎn)生方式。如圖3-2所示。在XTAL0和XTAL1兩端跨接晶振，與內(nèi)部的反相器構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。其發(fā)出的時鐘脈沖直接送入單片機內(nèi)定時控制部件。電容C5和C6對頻率有微調(diào)作用。電容C5和C6應盡可能的安裝在單片機芯片附近，以減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠的工作。3.1.2 復位電路復位電路的功能就是對CPU進行實時檢測，當CPU落入死循環(huán)之后，能及時發(fā)現(xiàn)并使整個系統(tǒng)復位。若失控的程序進入“死循環(huán)”，通常采用“看門狗”技術使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測程序循環(huán)

28、的運行時間，如果發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時間超過最大循環(huán)運行時間，則認為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進行出錯處理。本設計中采用DS1232看門狗芯片作為復位電路。由美國DALLAS公司生產(chǎn)的“看門狗(WATCHDOG)”集成芯片DS1232具有性能可靠、使用簡單、價格低廉的特點。在DS1232內(nèi)部集成有看門狗定時器，當DS1232的ST端在設置的周期時間內(nèi)沒有有效信號到來時，DS1232的RST和端將產(chǎn)生復位信號以強迫單片機復位。DS1232提供了可直接連接復位按鍵的輸入端PA（第1腳)，在該引腳上輸入低電平信號，將在RST和端輸出至少250ms的復位信號。這一功能對于防止由于干擾等原因造成的單片機死機是非常有

29、效的。DS1232還能夠?qū)崟r監(jiān)測向單片機供電的電源電壓，當電源電壓VCC低于預置值時，DS1232的第5腳和第6腳輸出互補復位信號RST和。預置值通過第3腳(TOL)來設定；當TOL接地時，RST和信號在電源電壓跌落至4.75V以下時產(chǎn)生；當TOL與VCC相連時，只有當VCC跌落至4.5V以下時才產(chǎn)生RST和信號。當電源恢復正常后，RST和信號至少保持250ms，以保證單片機的正常復位?？撮T狗定時器的定時時間由DS1232的TD引腳確定，看門狗定時器的周期輸入信號ST可以從單片機的地址信號、數(shù)據(jù)信號或控制信號中獲得。不論哪種信號都必須能夠周期性的訪問DS1232，對于MCS-51系列單片機，推

30、薦使用ALE信號。DS1232具有如下特點：具有8腳DIP封裝SOIC貼片封裝形式，可以滿足不同設計要求;在單片機失控狀態(tài)下可以停止和重新啟動單片機;單片機掉電或電源電壓瞬變時可自動復位單片機;精確的5或10電源供電監(jiān)視;不需要分立元件。其引腳如圖3-1所示。DS1232個引腳的功能如下：PA：按鍵復位輸入端; TD：看門狗定時器延時設置端； TOL：5或10電壓監(jiān)測選擇端；GND：電源接地端；RST：高電平有效復位輸出端；：低電平有效復位輸出端；ST：周期輸入端;VCC：電源。圖3-1 DS1232引腳圖本設計中，PA接開關S3實現(xiàn)單片機的按鍵復位功能。TOL與VCC相連，當VCC跌落至4.

31、5V以下時才產(chǎn)生RST和信號。ST與AT89C51單片機的AEL/P相連，實現(xiàn)AT89C51對DS1232的時鐘周期輸入。RST與AT89C51單片機的RESET連接，由RST發(fā)出復位信號，實現(xiàn)AT89C51單片機工作系統(tǒng)的復位功能。由晶振和DS1232看門狗芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)原理圖如圖3-2所示:圖3-2 AT89C51的最小系統(tǒng)圖3.2 溫濕度傳感器的選擇不管是我們?nèi)粘＞幼∩畹姆块g，還是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等領域，經(jīng)常需要對所處環(huán)境的溫濕度進行測量及控制。但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準確測量的一個參數(shù)。一般情況下，室內(nèi)室外環(huán)境中的溫度都在2045之間。所以選用智能

32、化的集成溫濕度傳感器芯片SHT11，足以滿足我們的設計要求。計量法中,濕度定義為“物象狀態(tài)的量”。日常生活中所指的濕度為相對濕度，用RH表示?？偠灾?，濕度即氣體中(通常為空氣中)所含水蒸氣量(水蒸氣壓)與相同情況下所含飽和水蒸氣(飽和水蒸氣壓)的百分比。濕度傳感器是指檢測外界環(huán)境濕度的傳感器，它將所測環(huán)境中的濕度信號轉(zhuǎn)換為便于處理，顯示，記錄的電（頻率）信號。濕度傳感器在倉貯，工業(yè)生產(chǎn)，過程控制，環(huán)境監(jiān)測，家用電器，氣象等方面有著廣泛的應用。溫度傳感器是指檢測外界溫度的傳感器，它將所測環(huán)境中的溫度信號轉(zhuǎn)換為便于處理，顯示，記錄的電（頻率）信號等，在很多領域都有普遍的應用。濕度、溫度傳感器是本

33、設計中核心的器件，其感濕感溫特性直接決定了本設計的性能指標。濕度傳感器的種類有很多，大致可以分為物性型，結(jié)構(gòu)型，其他形式三大類。物性型包括電解質(zhì)系，半導體及陶瓷系，聚合物系；結(jié)構(gòu)型包括毛發(fā)型，腸膜型；其他形式包括干濕球式，石英振子式，種子法式等等。溫度傳感器從使用的角度大致可分為接觸式和非接觸式兩大類。前者是讓溫度傳感器直接與待測物體接觸，來檢測被測物體溫度的變化，而后者是使溫度傳感器與待測物體離開一定的距離。檢測從待測物體放射出的紅外線，從而達到測溫的目的。在接觸式和非接觸式兩大類溫度傳感器中，相比之下運用較多的是接觸式傳感器，非接觸式傳感器一般在比較特殊的場合才使用。目前在工業(yè)生產(chǎn)和科學研

34、究工作中得到廣泛使用的接觸式溫度傳感器主要是熱電傳感器。它是利用轉(zhuǎn)換元件電磁參數(shù)隨溫度變化的特性，對溫度和與溫度有關的參量進行檢測的裝置，其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱熱電阻傳感器，金屬熱電阻式傳感器簡稱熱電阻，半導體熱電阻式傳感器簡稱熱敏電阻，將溫度變化轉(zhuǎn)換為電動勢變化的稱為熱電偶傳感器。近年來，國內(nèi)外在溫濕傳感器研發(fā)領域取得了長足進步。溫濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度/溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度溫度測量技術提高到新的水平。智能溫濕度傳感器（亦稱數(shù)字溫濕度傳感器）是在20世紀90年代中期問世的。智能溫濕度度傳感器是微電子技

35、術、計算機技術和自動化測試技術的結(jié)晶，它也是集成溫濕度傳感器領域中最具活力和發(fā)展前途的一種新產(chǎn)品。智能溫濕度度傳感器內(nèi)部都包含溫濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器（或寄存器）和接口電路。智能溫濕傳感器芯片具有三個顯著特點：第一；能輸出溫濕度數(shù)據(jù)及相關的溫濕度控制量，適配各種微控制器；第二；能以最簡方式構(gòu)成高性能、多功能的智能化溫濕度測控系統(tǒng)；第三；它是在硬件的基礎上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法，早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因為測量濕度要比測量溫度復雜的多，溫度是個獨立的被測量，而濕度卻受其他因素（大氣壓強、溫度）的影響。因此本設計選用智能溫濕度傳感

36、器芯片，實現(xiàn)溫濕度測量系統(tǒng)的智能化設計。3.2.1 溫濕測量相關概念濕度和溫度很久以前就與人類生活存在著密切的關系,但用數(shù)量來進行表示較為困難。濕度計測的歷史可以追溯到中國的天秤型(公元前179年)，這是最早的濕度計測。溫度計測可追溯到記載的希臘時代的溫度計?，F(xiàn)代科學對溫濕度做明確的定義和測量表示方法。絕對濕度：單位體積（1m3）的氣體中含有水蒸氣的質(zhì)量（g）。但是,即使水蒸氣量相同,由于溫度和壓力的變化氣體體積也要發(fā)生變化,即絕對濕度D發(fā)生變化。D為容積基準。相對濕度：氣體中所含的水蒸氣（e）與氣體飽和時所含的水蒸氣（es）的比，用百分比表示。但是,溫度和壓力的變化導致飽和水蒸氣氣壓也將隨之

37、而變化。通常在工作和生活中我們使用的濕度即為相對濕度。飽和水蒸氣壓（Saturation Vapor Pressure）氣體中所含水蒸氣的量是有限度的,達到限度的狀態(tài)即可稱之為飽和,此時的水蒸氣壓即稱為飽和水蒸氣壓。此物理量亦隨著溫度,壓力的變化而變化,并且,0以下即使同一濕度,與水共存的飽和水蒸氣壓（esw）和與冰共存的飽和水蒸氣壓（esi）的值不同,通常所采用的是與水共存的飽和水蒸氣壓。各溫度對應的飽和水蒸氣壓表在JIS-Z-8806卷中有記載。露點：溫度較高的氣體其所含水蒸氣也較多,將此氣體冷卻后,其所含水蒸氣的量即使不發(fā)生變化,但相對濕度也會增加。當達到一定溫度、相對濕度達到100%飽

38、和,此時,繼續(xù)進行冷卻的話,其中一部分的水蒸氣將凝聚成露。此時的溫度即為露點溫度。露點在0以下結(jié)冰時即為霜點。3.2.2 溫濕度傳感器的選擇濕度傳感器的精度應達到2%5%Rh，達不到這個水平很難作為計量器具使用，濕度傳感器要達到2%3%Rh的精度是比較困難的，通常產(chǎn)品資料中給出的特性是在常溫（1020）和潔凈的氣體中測量的。在實際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，溫濕度傳感器使用時間一長，容易產(chǎn)生老化，精度下降。所以選擇溫濕度傳感器就要考慮溫濕度傳感器的精度、長期穩(wěn)定性，以及互換性。濕度傳感器的精度水平要結(jié)合其長期穩(wěn)定性去判斷。一般說來，長期穩(wěn)定性和使用壽命是影響濕度傳感器質(zhì)量的頭等問題

39、。溫濕度傳感器在使用過程中，由于受到環(huán)境的影響都會產(chǎn)生年漂移。一般情況下年漂移量控制在1%Rh水平的產(chǎn)品很少，一般都在2%Rh左右，甚至更高。目前，濕度傳感器普遍存在著互換性差的現(xiàn)象，同一型號的傳感器不能互換，嚴重影響了使用效果，給維修、調(diào)試增加了困難，有些廠家在這方面作出了種種努力，（但互換性仍很差）取得的效果并不明顯。然而溫濕度傳感器的選擇是本設計的核心問題。傳統(tǒng)的模擬式的溫濕度傳感器一般都要設計信號調(diào)理電路并需要經(jīng)過負復雜的校準和標定過程，因此測量精度難以保證，且在線性度、重復性、互換性、一致性等方面往往不盡人意。目前國際上新型傳感器正從模擬式向數(shù)字式、集成化向智能化和網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。

40、鑒于上述原因，本系統(tǒng)采用SHT11芯片測量溫濕度值。SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的基于CMOSensTM技術的新型溫濕度傳感器。該傳感器將CMOS芯片技術與傳感器技術完美的結(jié)合起來，從而發(fā)揮出它們強大的優(yōu)勢互補作用。SHT11是一款新型的數(shù)字式溫濕度傳感器芯片。SHT11的外形尺寸僅為7.6（mm）5（mm）2.5（mm）,體積與火柴頭相近。出廠前，每只傳感器都在溫室中做過精密標準測試。標準系數(shù)被編成相應的程序存入校準存儲器中，在測量工程中可以對相對濕度進行自動校準。它不僅能準確測量相對濕度，還能測量濕度和露點。測量相對的范圍是0100%，分辨率0.3%Rh。測量溫度的范圍-40

41、+123.8，分辨率為0.01。測量露點的精度1。在測量濕度、溫度時A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)分別可達12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高測量速率，減小芯片的功耗。該芯片廣泛應用于冷暖空調(diào)、汽車、消費電子、自動控制等領域。采用SHT11進行溫濕度實時監(jiān)測的系統(tǒng)具有精度高、成本低、體積小、接口簡單等優(yōu)點；另外SHT11芯片內(nèi)部集成了12、14位AD轉(zhuǎn)換器，且采用數(shù)字信號輸出，因此抗干擾能力也比同類芯片高。該芯片在溫濕度監(jiān)測、自動控制等領域均已得到廣泛應用。SHT11的主要特性如下：將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、IIC總線接口全部集成于一芯片（COMensTM技術）；可給出全校準相對濕

42、度及溫度值輸出；帶有工業(yè)標準的IIC總線數(shù)字輸出接口；具有露點值計算輸出功能；具有卓越的長期穩(wěn)定性；是只讀輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位；小體積（7.655.0823.5mm）,可表面貼裝；具有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗功能；片內(nèi)裝載的校準系數(shù)可保證100%互換性；電源電壓范圍為2.45.5V；電流消耗，測量時為550A,休眠時為3A；3.2.3 SHT11的工作原理SHT11的DATA引腳在SCK時鐘的下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿后有效，所以，AT89C51單片機可以在SCK高電平時讀出數(shù)據(jù)，而當其向SHT11發(fā)送數(shù)據(jù)時，則必須保證DATA上的電平狀態(tài)在SCK高電平

43、段穩(wěn)定。在需要輸出高電平時，單片機將置為高阻狀態(tài)，由外部的上拉電阻將信號拉至高電平，從而實現(xiàn)高電平輸出。SHT11首先由兩個傳感器分別測量相對濕度和溫度信號，經(jīng)過放大電路放大后分別送到14位的ADC進行A/D轉(zhuǎn)換、標準和糾錯，最后通過二線制的串行接口，將相對濕度和溫度的數(shù)據(jù)送至AT89C51單片機。最后利用AT89C51單片機完成非線性補償和溫度補償。SHT11的引腳圖如圖3-3所示。圖3-3 SHT11的引腳圖SHT11各引腳功能如下：GED：接地端DATA：串行數(shù)據(jù)輸出/輸入端SCK ：串行口時鐘輸入端VDD ：接電源端NC：不連接SHT11的濕度檢測運用電容式結(jié)構(gòu)，并采用具有不同保護的“

44、微型結(jié)構(gòu)”檢測電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層來組成傳感器芯片的電容，除保持電容式的原有特性外，還可以抵御來自外界的影響。由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起而構(gòu)成了一個單一的個體，因而測量精度較高且可得出露點，同時不產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化引起的誤差。CMOSensTM技術不僅將溫濕度傳感器結(jié)合在一起，而且還將信號放大電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準數(shù)據(jù)存儲器、標準IIC總線等電路集成在一個芯片內(nèi)。SHT11傳感器的校準系數(shù)預先存在OTP內(nèi)存中。經(jīng)校準的相對濕度和溫度傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器相連，可以將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字溫濕度值送給二線IIC總線器件，從而將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為符合IIC總線協(xié)議的串行數(shù)

45、字信號。傳輸開始：初始化傳輸時，應首先發(fā)出“傳輸開始”命令，該命令可在SCK為高電平時使DATA由高電平變?yōu)榈碗娖?，并在下一個SCK為高時將DATA升高。接下來的命令順序包含三個地址（目前只支持“000”）和5個命令位，當DATA腳的SCK位處于低電平時，表示SHT11正確接收到命令。連接復位順序：如果與SHT11傳感器的通訊中斷，下列信號順序會使串口復位：即當DATA線處于高電平時，觸發(fā)SCK9次以上（含九次），此后接著發(fā)一個“傳輸開始”命令。溫濕度測量時序：當發(fā)出了溫濕度測量命令后，控制器就要等到測量完成。使用8/12/14位的分辨率測量分別需要大約11/55/210毫秒的時間。為表明測量

46、完成，SHT11會使數(shù)據(jù)線為低，此時單片機必須重新啟動SCK,然后傳送兩字節(jié)的測量數(shù)據(jù)與1字節(jié)的校驗碼?？刂破鞅仨毻ㄟ^使DATA為低來確認每一個字節(jié)。通訊在確認CRC數(shù)據(jù)位后停止。如果沒有用校驗，則單片機就會在測量數(shù)據(jù)后保持SCK為高來停止通訊，SHT11在測量和通訊完成后會自動返回睡眠模式。需要注意的是，為了使SHT11的溫升低于0.1，此時的工作頻率不能大于標定的15%（如：12位精度時，每秒最多進行三次測量） 低電壓檢測,SHT11工作時可以自行檢測VDD電壓是否低于2.45V，準確度為0.1V。下載校準系數(shù):為了節(jié)省能量并提高速度,在每次測量前都要重新下載校準系數(shù)，從而使每一次測量節(jié)省

47、8.2ms的時間。測量分辨率設定:將測量分辨率從14位（溫度）和12位（濕度）分別減到12位和8位可應用于高速或低功耗場合。由于將傳感器與其它功能電路部分結(jié)合在一起，因此，該傳感器具有比其它類型的濕度傳感器優(yōu)越得多的性能。首先是傳感器信號強度的增加增強了傳感器芯片的抗干擾性能，保證了傳感器的長期穩(wěn)定性。而A/D轉(zhuǎn)換同時完成，則降低了傳感器對干擾噪聲的敏感程度。其次在傳感器芯片內(nèi)部裝載的校準數(shù)據(jù)保證了每一只濕度傳感器具有相同的功能，具有100%的互換性。最后，傳感器可直接通過IIC總線與任何類型的單片機。3.2.4 SHT11的傳輸特性（1）濕度值輸出SHT11可通過IIC總線直接輸出數(shù)字量濕度

48、值，其相對濕度數(shù)字輸出特性曲線如圖3-4所示。圖3-4 SHT11傳感器相對濕度數(shù)字輸出特性曲線由圖3-4可以看出，SHT11的輸出特性呈一定的非線性，為了補償濕度傳感器的非線性，可以按如下公式修正濕度值： RHIinera=C1SORH+C2SORH+C3SORH2 (3-1)式中，SORH為傳感器相對濕度測量值，系數(shù)取值如下：12位：SORH：C1=4,C2=0.0405,C3=2.81068位：SORH：C1=4,C2=0.648,C3=7.2104（2）溫度值輸出由于SHT11溫度傳感器的線性度非常好，故可以用下列公式將溫度數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換成實際溫度值：T=d1+d2SOT。當電源電壓位5

49、V，且溫度傳感器的分辨率為14位時，d1=-4，d2=0.01，當溫度傳感器的分辨率為12位時，d1=-40，d2=0.04。（3）露點計算空氣的露點值可根據(jù)相對濕度和溫度值得來，具體的計算公式如下：LogEW=0.66077+7.5/(273.3+T)+log(RH)-2 (3-2)Dp=(0.66077-LogEW)273.3/(LogEW-8.16077) (3-3)3.2.5 IIC總線簡介對于較復雜的單片機應用系統(tǒng)，元件與芯片之間短距離通信的物理線路往往比較多，這樣不僅增加了硬件應用系統(tǒng)設計的難度，而且也不利于系統(tǒng)穩(wěn)定性，成了系統(tǒng)設計中的一個瓶頸。針對這一問題，Philips公司提出

50、了IIC總線協(xié)議，IIC總線協(xié)議有效地解決了這一問題。IIC(Inter-Integrated Circuit)總線是Philips公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接單片機及其外圍設備。由于IIC總線僅用于兩根信號線，并支持多主控工作方式，所以IIC總線在電子產(chǎn)品設備中應用非常普遍。IIC總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IIC之間、進行雙向傳送，最高傳送速度100 kbit/s。IIC總線在傳送數(shù)據(jù)的過程中共有4種基本類型信號，分別是：開始信號、數(shù)據(jù)傳輸信號、應答信號和結(jié)束信號。（a）開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始

51、傳送數(shù)據(jù)。所有的命令都必須在開始條件以后進行。（b）結(jié)束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。所有的操作都必須在停止條件以前結(jié)束。IIC總線開始和停止數(shù)據(jù)傳送的時序圖如圖3-5所示。開始 停止圖3-5 IIC總線開始和停止數(shù)據(jù)傳輸時序圖（c）數(shù)據(jù)傳輸信號：在開始條件以后，時鐘信號SCL的高電平周期期間，當數(shù)據(jù)線穩(wěn)定時，數(shù)據(jù)線SDA的狀態(tài)表示數(shù)據(jù)有效，即數(shù)據(jù)可以被讀走，開始進行讀操作。在時鐘信號SCL的低電平周期期間，數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)才允許改變。每位數(shù)據(jù)需要一個時鐘脈沖。數(shù)據(jù)線保持 允許數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定數(shù)據(jù)有效圖3-6 IIC總線有效數(shù)據(jù)傳輸時序圖（d）應答信號：接收數(shù)據(jù)的S

52、HT11收到8bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的單片機發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。這要求單片機必須產(chǎn)生一個與確認位相應的額外時鐘脈沖(第9個脈沖)。若單片機確認失敗，單片機必須發(fā)送一個數(shù)據(jù)結(jié)束信號給從器件。這時SHT11必須使SDA線保持高電平，使單片機能產(chǎn)生停止條件。IIC數(shù)據(jù)傳輸和信號應答時序圖如圖3-6所示。3.3 溫濕度測量回路的設計為了實現(xiàn)多點測量系統(tǒng)采用了四個SHT11芯片。由于AT89C51單片機不具備IIC總線接口，所以只能單片機通過I/O口線來虛擬IIC總線。用P16來虛擬數(shù)據(jù)線DATA, P17口線來虛擬時鐘線SCK，并接上4.7K的上來電阻。SHT11溫濕度芯片通過兩個

53、虛擬的IIC總線接連接在AT89C51單片機的P16和P17口上。電源VCC和接地GND端接入一個0.4微法的去耦電容。濾除回路產(chǎn)生的耦合電流。電源接上上拉電阻后，連在兩個控制開關后分別接在單片機的P10和P11口。開關SW1是切換溫度和濕度測量的。SW2是控制轉(zhuǎn)換四個SHT11工作的。SHT11首先由溫度傳感器、濕度傳感器分別檢測出相對濕度和溫度信號，然后經(jīng)過內(nèi)部的放大電路放大后分別送到ADC中進行A/D轉(zhuǎn)換、標準和糾錯，最后通過二線制的串行接口，將相對濕度和溫度的數(shù)據(jù)送至AT89C51單片機，再利用AT89C51單片機完成非線性補償和溫度補償。當測量控制系統(tǒng)發(fā)出溫濕度測量命令以后，使用8/

54、12/14位的分辨率測量分別需要大約11/55/210毫秒的時間。為表明測量完成，SHT11會使數(shù)據(jù)線為低，此時AT89C51單片機必須重新啟動SCK,然后傳送兩字節(jié)的測量數(shù)據(jù)。AT89C51單片機必須通過使DATA為低來確認每一個字節(jié)。通訊在確認后停止。SHT11在測量和通訊完成后會自動返回睡眠模式。需要注意的是，為使SHT11的溫升低于0.1，此時的工作頻率不能大于標定的15%。由SHT11和AT89C51單片機組成的測量回路如圖3-7所示。圖3-7 測量回路電路圖3.4 顯示電路設計顯示電路作為常用的現(xiàn)場人機接口，尤其是作為測量數(shù)據(jù)的智能儀表，顯示電路的設計是不可缺少的。作為溫濕度測量系

55、統(tǒng)，顯示電路的設計也不例外。在本設計系統(tǒng)中，不僅要顯示測量的溫濕度值，而且還有不同的溫濕度報警參數(shù)，故而顯示器的設計是十分必要的。顯示器是最常用的輸出設備。顯示器件使用最多的是發(fā)光二極管顯示器（LED）和液晶顯示器（LCD）。因為它們都具有結(jié)構(gòu)簡單、耗電少、價格低廉、接口簡單、壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于智能儀表場合，尤其是單片機系統(tǒng)中大量應用?？紤]到使用環(huán)境的特點（工作溫度、光線等），在本設計中我們選用LED數(shù)碼管顯示。AT89C51單片機的P2口的前四位作為LED顯示器的位顯示連選接口。通過位選信號送點亮相應的發(fā)光二極管。實現(xiàn)LED數(shù)碼管的動態(tài)顯示。AT89C51單片機的P0口作為LED顯示器

56、的字型碼輸入口。點亮的發(fā)光二極管顯示出相應的數(shù)字。3.4.1 LED的兩種接法LED數(shù)碼顯示器有兩種接法：將所有發(fā)光二極管的陽極連在一起，稱為共陽極法；而將所有的發(fā)光二極管的陰極連在一起，稱為共陰極發(fā)法。當選用共陰極的LED顯示器時，所有的發(fā)光二極管的陰極連在一起接地，當某個發(fā)光二極管的陽極加上高電平時，對應的二極管點亮。因此要顯示某字形就應使此字形的相應段的二極管點亮，實際上就是送一個用不同電平組合代表的數(shù)據(jù)（顯示碼）來控制LED的顯示，字數(shù)據(jù)稱為字符的段碼或成為字型碼。共陰極的LED，被選中時的段為高電平有效，熄滅的段碼為低電平。共陽極的LED，被選中的段為低電平有效，熄滅的段碼為高電平。3.4.2 LED的兩種顯示方法點亮LED顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種方法。所謂靜態(tài)顯示，就是顯示某一字符時，