畢業(yè)設計基于AT89S52單片機的溫濕度控制設計

1、 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設計（論文） 畢業(yè)設計（論文）論文題目院 別控制工程學院專業(yè)名稱自動化班級學號5090401學生姓名王洋指導教師劉云靜2012年6月15日基于at89s52單片機的溫濕度控制設計摘 要伴隨著科學技術，計算機技術，傳感器技術的研究與發(fā)展。人們充分認識到將數據采集應用到溫度濕度領域，對其相關的數據進行控制，從而達到技術服務于工業(yè)農業(yè)，提高生產效率。溫度濕度控制系統(tǒng)涉及傳感器、計算機、通信等多學科多領域，是國際上的重點研究領域。本課題設計的基于 at89s52 溫度濕度測控系統(tǒng)具有不受地理環(huán)境、氣候、時間的影響等優(yōu)勢，另外通過對溫度濕度的采集進行自動控制，從而達到精確控制，減

2、少人力，增加工業(yè)化程度。本系統(tǒng)主要實現溫度與濕度的測量和簡單的對溫度濕度的控制，使其在運行過程中始終處于某個閾值范圍內，本文系統(tǒng)闡述了溫度濕度測控系統(tǒng)的設計思想和實現方法，具體分析了各部分電路的設計原理，詳細介紹了各部分的設計過程?；?at89s52 溫度濕度測控系統(tǒng)由溫度采集部分、濕度采集部分，數據傳輸部分三個部分組成。溫度采集部分利用 atmel 公司生產的低功耗，高性能 cmos8 位單片機 at89s52 為控制中心，采用數字溫度傳感器 ds18b20 將采集到的溫度值送入單片機中進行數據處理，采用數字濕度傳感器sht11將采集到的濕度值送入單片機進行數據處理。由于現在市場上的溫度感

3、控系統(tǒng)大部分是由溫度高低來調節(jié)控制，很少有根據時間控制調節(jié)控制的。我們在硬件設計中加入了時間控制，也就是可以設置系統(tǒng)在規(guī)定時間內工作，這樣增加了系統(tǒng)的安全性。關鍵詞：溫度傳感器，濕度傳感器，at89s52，控制系統(tǒng)mcu based temperature and humidity control author：wang yang tutor：liu yunjingabstract along with the science and technology, computer technology, research and development of sensor technology.

4、people are fully aware of the data acquisition application to temperature and humidity field, the relevant data control, so as to achieve the technical service in industry and agriculture, improve production efficiency. the temperature and humidity control system involves sensor, computer, communica

5、tion and other multidisciplinary, is one of the key research fields in the world. this topic is the design of the temperature and humidity control system based on at89s52 is not affected by geographical environment, climate, time and other advantages, in addition to the collection of temperature and

6、 humidity automatic control, so as to achieve precise control, reduce manpower, increase the degree of industrialization.the system is mainly to achieve the temperature and humidity measurement and simple to temperature and humidity control, to make it in the running process is always in a certain r

7、ange, this paper expounds the design idea of temperature and humidity control system and the realization method, analyzes the design principle of each part circuit, introduces the design process of the part of the. at89s52 temperature and humidity control system consists of a temperature acquisition

8、 part, based on the humidity acquisition part, consisting of three parts of the data transmission part. the temperature acquisition using low power atmel, high performance cmos8 chip at89s52 as control center, use ds18b20 digital temperature sensor temperature collected data into the microcontroller

9、, using digital humidity sensor sht11 to collect the humidity value into the microcontroller for data processing. because now the market's temperature control system is mostly by temperature to control, there are few according to the time control control. we add time control in the design of har

10、dware, is also can set the system to work within the stipulated time, it increases the security of the system.key words: temperature sensor，humiliation sensor，at89s52，control system摘 要1abstract2目錄41緒論61.1 研究的背景61.2 國內研究現狀71.3 研究的意義10第二章 at89s52 溫度濕度測控系統(tǒng)的誤差分析112.1 接觸式測溫中的導熱誤差11 2.2接觸式測溫中的輻射誤差132.3 接觸

11、式測溫中的瞬態(tài)誤差14 2.4相對濕度的溫度補償問題15第三章 基于 at89s52 溫濕度測控系統(tǒng)硬件設計153.1 溫度數據采集系統(tǒng)193.1.1 芯片封裝特點193.1.2 ds18b20芯片特性20 3.1.3 dsl8b20 內部結構與測溫原理21 3.1.4dsl8b20 操作命令22 3.1.5 dsl8b20 與系統(tǒng)硬件接口223.1.6 溫度數據采集模塊接口電路233.2 濕度數據采集模塊233.2.1 sht11傳感器傳感溫度原理243.2.2 硬件設計25 3.3 數據處理模塊方案設計253.3.1 芯片介紹253.5.2 at89s52引腳功能26 3.4數據顯示模塊3

12、0 3.4.1 方案設計30 3.4.2 1602引腳說明33 3.4.3 字符集34第四章 系統(tǒng)軟件設計354.1系統(tǒng)軟件主程序設計36 4.2.dsl8b20程序設計38 4.2.1dsl8b20復位時序39 4.2.2 dsl8b20讀數據程序394.2.3 dsl8b20寫數據程序404.3 濕度程序設計40 4.4 液晶顯示程序設計43第五章 系統(tǒng)的調試和仿真455.1 系統(tǒng)的調試45 5.1.1keil中程序設計465.1.2 keil中程序調試485.1.3 keil生成hex文件485.2 系統(tǒng)仿真49 5.2.1 電路原理圖設計495.2.2 電路原理圖的設計流程495.2.

13、3 電路原理圖設計方法及步驟51結 論56致 謝57參考文獻58附 錄59 緒 論1.1 研究的背景 在科技發(fā)展過程中，作為獲取信息的手段傳感器技術得到了顯著的進步，其應用領域越來越廣泛，對其要求越來越高，需求越來越迫切。很多機械部件和結構構件在各種非常溫環(huán)境下負載運行。特別是航空、航天、核工程、化工和動力等部門的很多設備、機械處于高溫或低溫下工作，特別在高溫高濕環(huán)境中，測量條件很惡劣，一般的變形測量儀表難于接近，非接觸式的測量技術如云紋法、全息干涉法等要在這樣的條件現場應用還有困難，采用專門的電阻傳感器在高溫高濕環(huán)境中進行測量是現實可行的一種方法。1傳感器能把被測物理量轉換為有確定對應關系的

14、電量輸出的測量裝置，滿足信息的記錄、顯示、傳輸、處理和控制等要求。傳感器是實現自動測量和控制的首要環(huán)節(jié), 在工業(yè)生產自動化、 航空航天、能源交通、土建結構、環(huán)境保護及醫(yī)療衛(wèi)生等領域,各種傳感器在檢測各種參數方面起到十分重要的作用。此外，用于工廠自動化制造系統(tǒng)中的機械手或機器人可實現高精度在線測量，保證產品的質量,因此國內外已普遍重視各種傳感器的研制、生產和應用。傳感器技術已經成為衡量一個國家科學技術發(fā)展水平的重要標志之一。數字信號處理技術已經成為一種重要的現代化工具。數字信號處理技術及其應用目前正以驚人的速度發(fā)展。數字處理系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)不同，其特性不會隨實驗的條件(如環(huán)境溫度、 電源電壓、 老

15、化程度等)而變化，而且噪聲干擾作用也較小。由于其特性很容易按不同要求而改變，所以它比模擬系統(tǒng)有很大的靈活性。其次，采用傅里葉變換、概率統(tǒng)計等方法可對數字信號進行各種變換處理，將信號變換成容易分析與識別的形式， 便于估計和提取它的特征參量。隨著計算機的存儲量越來越大，可將大量信號及其處理結果存儲在磁盤上，供日后分析或輸入更高一級的計算機進行進一步處理；還可進行遠程傳送，實現信息共享；數字信號處理系統(tǒng)還可以進行分時操作。2在采用了數字信號處理技術后，可建立更加完善的反饋控制系統(tǒng)，如應用于火炮自動跟蹤系統(tǒng)、工業(yè)機器人等，還可實現實時處理控制。隨著半導體技術的迅速發(fā)展，大規(guī)模集成電路和微處理器成本下降

16、，體積縮小及運算速度提高，數字信號處理的應用日益廣泛。數字信號處理技術不僅能成大部分模擬信號處理的功能，而且還能完成許多模擬信號處理難以得到的性能。1.2 國內研究現狀溫度是一個重要的物理量，其檢測方法有多種，常用的有電阻式、熱電偶式、pn 結型及石英諧振型等，它們都是基于溫度變化引起其物理參數(如電阻值，熱電勢等)的變化的原理。隨著測量技術的不斷發(fā)展，多種新的檢測原理與技術的開發(fā)應用，已經取得了具有實用性的重大進展。新一代溫度檢測元件正在不斷的出現和完善，下面予以介紹。(1)電阻溫度傳感器。這種傳感器以電阻作為溫度敏感元件。根據敏感材料不同又可分成熱電阻式和熱敏電阻式。熱電阻式一般用金屬材料

17、制成，如鉑、銅、鎳等;熱敏電阻是以半導體材料制成的陶瓷器件，如錳、鎳、鉆等金屬的氧化物與其它化合物按不同配比燒結而成。由于鉑電阻測溫范圍寬，線性度好，精度高，制作誤差小，結構簡單且己有統(tǒng)一的國際標準，因此，鉑電阻溫度傳感器己廣泛應用于許多場合的溫度測量與控制，其測量精度可達到 0.001。3(2)熱電偶溫度傳感器。熱電偶測溫是基于“熱電動勢效應”。所謂熱電動勢效應是指 a、b 兩種不同的導體組成閉合回路，若兩結點溫度不同則在回路中產生電動勢，形成熱電流。熱電偶溫度傳感器在溫度測量中得到廣泛的應用。它具有結構簡單，容易制造，使用方便和測量精度高等優(yōu)點。從 1927 年國際溫標到1968 年國際實

18、用溫標，都規(guī)定以鉑鍺 10 一鉑熱電偶作為 630.74一 106.443溫度范圍內的標準儀器。4熱電偶的體積小，可以用于快速測量，點溫度測量和表面溫度測量等。熱電偶的主要缺點是它的輸出信號和溫度示值間呈非線性關系，在下限的靈敏度較低。(3)pn 結型及集成電路式溫度傳感器。利用硅晶體管基極一發(fā)射極間電壓與溫度關系(即半導體 pn 結的溫度特性)進行溫度檢測，并把測溫、激勵、信號處理電路和放大電路集成一體，封裝與小型管殼內，就構成了集成電路溫度檢測元件。它具有體積小、重量輕、精度高等特點，測溫范圍在-50 一 150，也是最常見的溫度范圍。文獻報導的一種電流輸出型溫度傳感器在0一20內靈敏度可

19、達1.06ua/，線性誤差不超過士 0.2，穩(wěn)定性為 002/4h。5(4)石英諧振型溫度傳感器。它采用 lc 或 y 型切割的石英晶片的共振頻率隨溫度變化的特性來制作的。它利用 up 技術，自動補償石英晶片的非線性，所以測量精度很高，一般可以檢測 0.001，可作標準檢測使用。5濕度是一個重要的物理量，而且直接跟生活掛鉤的，這個物理量在日常生活中應用很廣泛。其檢測方法有多種，常用的濕敏元件主要有電阻式、電容式、碳濕敏元件和陶瓷濕度傳感器四大類。(1)電阻式濕度傳感器：電阻式濕度傳感器的感應速度較快，結構緊湊，而且適應性也優(yōu)于機械式傳感器?，F有的電阻式濕度傳感器大都采用與敏感層粘著方式，相互保

20、持一定間隔，配置一對極薄的電極并對其間的電阻變化進行測量。濕敏層的電阻一般都相當高,而電阻值過大時濕度傳感器輸出的測量電路就相當復雜，并且易受外來噪聲和漏阻的影響，不能做高精度傳感器輸出的測量。只有通過增大電極的對向面積或減小電極的間隙，來降低濕度傳感器的電阻值。現有的電阻式濕度傳感器大都采用照相印刷技術制作電極，尺寸精度受到限制，電極間隙也不可能減小到理想的程度。因此，電阻式濕度傳感器的小型化便成為問6。(2)碳濕敏元件：碳濕敏元件是美國的e.k.carver和c.w.breasefield于1942年首先提出來的，與常用的毛發(fā)、腸衣和氯化鋰等探空元件相比，碳濕敏元件具有響應速度快、重復性好

21、、無沖蝕效應和滯后環(huán)窄等優(yōu)點，因之令人矚目。我國氣象部門于70年代初開展碳濕敏元件的研制，并取得了積極的成果，其測量不確定度不超過±5rh，時間常數在正溫時為23s，滯差一般在7左右，比阻穩(wěn)定性亦較好。(3)陶瓷濕度傳感器：在濕度測量領域中，對于低濕和高濕及其在低溫和高溫條件下的測量，到目前為止仍然是一個薄弱環(huán)節(jié)，而其中又以高溫條件下的濕度測量技術最為落后。以往，通風干濕球濕度計幾乎是在這個溫度條件下可以使用的唯一方法，而該法在實際使用中亦存在種種問題，無法令人滿意。另一方面，科學技術的進展，要求在高溫下測量濕度的場合越來越多，例如水泥、金屬冶煉、食品加工等涉及工藝條件和質量控制的許

22、多工業(yè)過程的濕度測量與控制。因此，自60年代起，許多國家開始竟相研制適用于高溫條件下進行測量的濕度傳感器。考慮到傳感器的使用條件，人們很自然地把探索方向著眼于既具有吸水性又能耐高溫的某些無機物上。實踐已經證明，陶瓷元件不僅具有濕敏特性，而且還可以作為感溫元件和氣敏元件。這些特性使它極有可能成為一種有發(fā)展前途的多功能傳感器。寺日、福島、新田等人在這方面已經邁出了頗為成功的一步。他們于 1980年研制成了稱之為“濕瓷-型”和“濕瓷-型”的多功能傳感器。前者可測控溫度和濕度，主要用于空調，后者可用來測量濕度和諸如酒精等多種有機蒸汽，主要用于食品加工方面7。（4）光電式濕度傳感器：近年來, 隨著光纖技

23、術和光集成技術的發(fā)展,光學濕度傳感器受到極大關注并被廣泛應用。該類傳感器主要是利用光學材料在空氣相對濕度發(fā)生變化后, 材料媒介層理化性質會發(fā)生變化, 從而引起波長、波導及反射系數等光學參數發(fā)生變化來進行濕度測量。由于光學濕度傳感器具有體積小、響應快、抗電磁干擾、抗高溫、動態(tài)范圍大、靈敏度高等優(yōu)點,使其在惡劣的環(huán)境中發(fā)揮天然優(yōu)勢。在極端環(huán)境測量領域,光電技術的應用解決了濕敏元件長期暴露在待測環(huán)境中, 容易被污染及腐蝕, 從而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性這一難題, 促進了濕度傳感器領域的非接觸檢測和無損檢測8。（5）電容式濕度傳感器：電容式濕度傳感器作為第三代濕度傳感器的代表，以其測量范圍寬、響應速

24、度快、溫漂小、穩(wěn)定性好和使用方便等特點，得到了廣泛的應用，但目前國內外生產的產品普遍存在著價格昂貴這一不利因素。本文根據谷物的介電常數隨谷物濕度變化而改變的特性，采用濕度傳感器的傳統(tǒng)工藝，研制出了性能較為理想的廉價電容式濕度傳感器。1.3 研究的意義工業(yè)分工中越來越細，對食物，設備，零件等工業(yè)產品的存儲提出了新的要求，不僅要求在常溫常濕下能順利運行，而且在一些對溫度與濕度要求相當高的領域也能不出現任何問題，保證工業(yè)生產的有序性，這就對這些設備產品的生產，調試和存儲，實驗提出了一系列的新的要求，而傳統(tǒng)的生產，調試，實驗這些產品的設備并不能滿足這些急劇增長的要求，故從源頭上改變這樣的情況成為了新的

25、熱點?；?at89s52 溫度濕度測控系統(tǒng)，可把各監(jiān)測點的數據與數據庫信息有效的結合起來，既可以實現單個的測量控制，整體的控制而且能根據不同的情況要求，來從軟件角度改變實際的功能，更加靈活。本論文以 at89s52 溫度傳感器技術為基礎構建簡單的基于 at89s52 溫度濕度測控系統(tǒng)。基于 at89s52 溫度濕度測控系統(tǒng)的作用在于控制溫度和濕度，創(chuàng)造不同的條件，從而能滿足不同的生產的需要，改變零件、產品等對自然環(huán)境的依賴性，更好的促進工業(yè)生產，提高工業(yè)生產的效率。1.4 文章結構本文從先從影響溫度濕度測控的因素出發(fā)，分析溫度濕度測控系統(tǒng)的誤差，第三章重點介紹基于 at89s52 溫度測控系

26、統(tǒng)硬件，第四章介紹基于 at89s52 溫度測控系統(tǒng)的軟硬件實現，進行系統(tǒng)測試。第二章 at89s52 溫濕度測控系統(tǒng)的誤差分析 用傳感器測量溫濕度時，面臨著復雜的傳熱影響。當傳感器的測量端熱平衡時，其溫濕度趨于穩(wěn)定，即傳感器的測量端向外傳遞的熱量是由氣體的熱量來補償的，這就使傳感器的測量端溫濕度與氣體溫度產生一個微小的傳遞誤差。在接觸式測溫中熱量是由導熱、對流和輻射三種形式傳遞的。為減小傳熱誤差，計算、分析影響傳熱誤差的因素是十分必要的。相對于本系統(tǒng)而言，可以采取多種的誤差分析方法。2.1 接觸式測溫中的導熱誤差 在接觸式測溫中，將溫度傳感器安裝插入在被測的流體中。當溫度穩(wěn)定時，傳感器的插入

27、深度不當是造成測量誤差的主要原因。安裝在容器或管道上的傳感器測量端，可以認為是一根細長桿的導熱，傳感器的橫截面一般為圓形，其內徑遠小于長度表面熱阻又很大，故可認為傳感器的測量端不存在徑向溫度梯度。這樣沿測量端長度方向的導熱可以按一維穩(wěn)定導熱來看待。根據熱力學理論，可以推導出當測量溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)時，傳感器(熱電偶)端部的導熱誤差。 （2-1）公式中，代入（2-1）式有 （2-2）歸并整理式（2-2），得到被測氣體實際溫度為 （2-3）式中 氣流溫度 熱電偶測量溫度 t 壁溫 l熱電偶插入深度 m 綜合傳熱系數 熱電偶周長 氣流與熱電偶的對流傳熱系數 熱電偶導熱系數 d 熱電偶直徑 a 熱電偶截

28、面積 ch 雙曲余弦函數 在已知熱電偶插入深度 l、對流傳熱系數 d、直徑 d 和器壁溫度 的情況下，根據熱電偶指示溫 t，可按式（2-2）計算導熱誤差，按式（2-3）計算實際氣體溫度。 從式（2-1）可知增加溫度傳感器的插入深度 l 是減小導熱誤差比較現實和有效的措施。增加插入深度也可增加對流傳熱面積和導熱熱阻。從式（2-1）不難得到，插入深度 l 應在 4m 到 6m 之間。l 小于 4m 時，由 l 引起的誤差顯著增大，l 大于 6m 時，對減小誤差無顯著影響。例如，分別使用鋼保護套管和陶瓷保護套管的100熱電阻，在室溫下插入不同深度測量冰水混合物溫度。得出測量誤差與插入深度關系如圖 2

29、-1 所示。 圖2-1曲線為鋼保護套管熱電阻插入深度與誤差關系曲線；曲線為陶瓷保護套管插入深度與誤差關系曲線。圖 2-2 說明了傳感器插入深度與誤差關系，理論與實際基本一致。同時也說明在同樣介質條件下，要滿足同樣誤差要求，導熱系數大的傳感器要比導熱系數小的傳感器插得更深一些。在確定傳感器插人深度時，應十分注意的一個問題是傳感器的斷裂。當傳感器插入管道時，流體經過保護套管的下游某處會產生漩渦即卡門漩渦。如果這種漩渦的頻率接近傳感器保護套管的固有頻率，則長期在線使用時會使套管振動斷裂。對這種情況，應改變保護套管的長度，使它的固有頻率不同于漩渦的頻率，必要時可以通過計算確定插入深度。因此，確定適當的

30、插入深度可有效地減小測溫誤差。其次在器壁外面敷設保溫材料提高器壁溫度，并盡可能選取導熱系數小的、直徑細的傳感器，也可以減小導熱誤差。2.2 接觸式測溫中的輻射誤差溫度傳感器與氣體、器壁間的輻射傳熱將使其測量端的溫度偏離被測氣流的溫度，這一誤差稱為輻射誤差。因而在測量高溫氣流溫度時，輻射誤差遠大于導熱誤差。若氣體與熱電偶的熱交換以對流傳熱為主，不計輻射傳熱，當氣流速度較大，氣體的輻射能力小，此時熱電偶與器壁間的輻射傳熱應等于氣體以對流方式傳給熱電偶的熱量，從而可得輻射誤差。 （2-4）式中 一熱電偶保護套管的黑度 一對流傳熱系數 一絕對黑體的輻射常數 由式(2-4)可知，在氣體以對流傳熱為主時增

31、加氣流的流動速度，即增大對流傳熱系數可減少導熱誤差，同時也可以減小輻射誤差。提高器壁溫度也可以減小輻射誤差，將熱電偶安裝在遮熱罩中，就是基于這一考慮的。 采用粗細不同的兩對熱電偶組成雙熱電偶，由于它們的直徑不同其輻射散熱面積不同，被測介質對它們的放熱系數也不同。所以盡管熱電偶的材料相同，它們所反映的被測溫度卻不同。如圖 2-4 所示，由雙熱電偶測得的溫度值 和可推算出被測溫度值，修正輻射誤差，具體分析修正情況如下。當雙熱電偶的插入深度適當時，兩支熱電偶的輻射率相等，導熱誤差可忽略不計。由傳熱學理論得到所測的氣體溫度為（2-5）式中d1 、d2 熱電偶直徑 t1、t2 熱電偶相應的指示溫度 器壁

32、溫度式中等號右側第二項就是輻射誤差修正值。在一般情況下，熱電偶測量端的溫度遠大于器壁溫度。即 故可得 （2-6）在測量氣流溫度時，用粗、細雙支熱電偶分別測得 t1、t2，然后根據式（2-6）修正指示值，便可得到氣流的實際溫度。2.3 溫度傳感器測量瞬態(tài)溫度的誤差 溫度傳感器對其被測介質溫度變化的響應是人們十分關心的問題。通常將溫度變化分為斜坡式變化，即介質溫度隨時間從t1線性變化到 t2；及階躍式變化即介質溫度按正弦曲線隨時間常數表示等二種。時間常數隨溫度而變化。但在一般情況下，若被測介質溫度變化相對較小時，可視熱電偶、熱電阻等溫度傳感器的時間常數為定值。假定傳到傳感器上的所有熱量都是通過對流

33、而來，而且所有傳來的熱量都被敏感器吸收。即系統(tǒng)的熱阻集中在傳感器測量端周圍的對流傳熱膜上。而系統(tǒng)的熱容量則集中在傳感器測量端本身。利用牛頓冷卻定律和布萊克的熱容方程。推導出在時間為 t 時傳感器溫度 t 的微分方程的通解為 (2-7)式中 c積分常數，由邊界條件確定 te在時間 t 時刻時的介質溫度 t一在時間 t 時的介質溫度 時間常數若被測介質溫度以斜坡式變化，將 t=0、tt1c、te=t2+kt 邊界條件代人式(2-7)，k 為介質溫度變化率(/s)，得溫度傳感器對斜坡式溫度變化的反應(以溫差表示)為 (2-8)若被測介質溫度以階躍式變化，將 t=0、t=t1=c、te=t2 邊界條件

34、代入式(2-8)，得溫度傳感器對階躍式溫度變化的反應(以溫差表示)為(2-9)若被測介質溫度以周期性變化，將 t=o、t=t1=c、邊界條件代入式（2-7）(表示介質的強迫脈動頻率，單位為弧度)，得傳感器的脈動幅度與介質的脈動幅度之比為 (2-10)由式(2-7)、(2-8)、(2-9)可知，動態(tài)誤差與傳感器的一階慣性環(huán)節(jié)時間數有關，與傳感器的靜態(tài)精度及時間常數有關，與被測介質溫度變化率有關。實際測溫中，不同溫度測點對傳感器時間常數的要求是不一樣的，應根據誤差要求推算適宜的時間常數。對任何溫度測點，都應選擇時間常數較小的溫度傳感器，以盡量減少因溫度傳感器熱惰性對而動態(tài)溫度變化的測量誤差。2.4

35、相對濕度的溫度補償問題9在計量法中濕度定義為“物象狀態(tài)的量”，即在一定溫度時，單位體積的空氣中所含水蒸汽的份量(gm)，相對濕度是指在一定溫度時，空氣中的實際水蒸氣含量與飽和值之比，用百分比表示。日常生活中常用相對濕度(%rh表示)表示空氣狀況，是可直接觀測的最普通的濕度量值。絕對濕度(absolute humidity)：單位體積(1m3) 的氣體中含有水蒸氣的質量，即： （2-11）式中m為待測空氣中水蒸氣質量；v為待測空氣的總體積；lv為待測空氣的絕對濕度。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lv發(fā)生變化。lv為容積基準。如果把待測空氣看作是一

36、種由水蒸氣和干燥空氣組成的二元理想混合氣體的話, 根據道爾頓分壓定律和理想氣體狀態(tài)方程，可以得到如下關系式: (2-12)式中e為空氣中水蒸氣分壓；m為水蒸氣的摩爾質量；t為空氣的絕對溫度。相對濕度(relative humidity)：氣體中的水蒸氣壓(e)與其氣體的飽和水蒸氣壓(es) 的比，用百分比表示： ( 2-13)我們在日常生活中一般使用相對濕度的概念10。一般來講，溫度和濕度存在著密切的關系，溫度的高低會影響空氣中水蒸氣的含量，因而，在進行相對濕度測量時，要以溫度對其校正。sht11溫度傳感器具有很好的線性特點,因而，可用公式直接將溫度讀數（t0）轉換成實際溫度值，當電源電壓為5

37、v，溫度傳感器為14 位時, 轉換公式如下: （2-14）然而，sht11的濕度輸出具有一定的非線性，很難用線性關系將期表示出來。由上述可知，溫度與濕度具有一定的相關性，因而，可在進行線性補償后進行溫度補償得到較為準確的濕度值。為了補償濕度傳感器的非線性, 可按下式修正濕度值 （2-15）式中 為經過線性補償后的濕度值，為相對濕度測量值，c1、c2 、c3 為線性補償系數，取值可查閱溫濕度傳感器sht11數據手冊11。由于溫度對濕度的影響十分明顯,而實際溫度和測試參考溫度25有所不同，所以對線性補償后的濕度值進行溫度補償很有必要。補償公式如下: （2-16）式中rh為經過線性補償和溫度補償后的

38、濕度值，t為測試濕度值時的溫度()，t1 和t2 為溫度補償系數,取值查閱溫濕度傳感器sht11數據手冊。 第三章 基于 at89s52 溫度濕度測控系統(tǒng)硬件設計 目前，大多數溫度測控顯示系統(tǒng)還是利用傳統(tǒng)的測溫元件。如熱電偶或熱電阻將溫度轉化為電量經放大電路放大到適當的范圍，再由 ad 轉換器轉換成數字量并利用單片機實現單點溫度的測控，而且溫度值仍是利用數碼管進行顯示。這種電路硬件接口復雜、調試難度較大、檢測精度較低，特別是易受元器件參數變化的影響。如果要將其擴展為多點溫度的檢測與顯示，更是會大大增加硬件設計難度。存在著許多不足。以單總線數字式溫度傳感器 dsl8b20、at89s52 單片機

39、、lm1602液晶顯示模塊為主體構建多點溫度檢測顯示系統(tǒng)，具有硬件電路結構簡單、轉換精度高、顯示結果清晰穩(wěn)定、成本低等顯著優(yōu)點，多種需要多點溫度檢測的場合具有較好的應用前景。系統(tǒng)硬件設計分成三大模塊，數據采集，數據處理，數據顯示，數據控制。三個模塊分別對應了傳感器技術應用，單片機運算處理，單片機控制外圍電路等方面的知識。數據采集數據顯示數據處理溫度濕度控制 圖3-1 系統(tǒng)基本硬件原理圖 方案一：溫度檢測可以使用低溫熱偶或鉑電阻，數據采集部分則使用帶有 a/d通道的單片機。考慮到一般的 a/d 輸入通道都只能接收大信號，所以還要設計相應的放大電路。此方案的軟件簡單，但硬件復雜，且檢測點數追加時，

40、各敏感元件參數的不一致，都將會導致誤差的產生，難以完全清除，而且成本會有較大增長幅度。方案二：使用單片機和數字式單總線溫度傳感器構成。其具有下列特點：具有高的測量精度和分辨率，測量范圍大；抗干擾能力強，穩(wěn)定性好；信號易于處理、傳送和自動控制；便于動態(tài)及多路測量，讀數直觀；安裝方便，維護簡單，工總可靠性高。單總線溫度傳感器可以采用 dallas 公司生產的ds18b20 系列，這類溫度傳感器直接輸出數字號，且多路溫度傳感器可以掛在 1 條總線上，共同占用單片機的 1 個 i/o 口即可實現。在提升單片機 i/o 口驅動能力的前提下，理論上可以任意擴充檢測的溫度點數。對比后方案二更適合于用作本系統(tǒng)

41、的實施方案。3.1 溫度數據采集系統(tǒng)3.1.1芯片封裝特點（1）芯片封裝特點：ds18b20 是由 dallas 公司生產的一線式數字溫度傳感器，具有 3 引腳to-92 小體積封裝形式，溫度測量范圍-55- +125。12與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能直接讀出被測溫度，并且可以根據實際要求通過簡單的編程實現 9 位-12 位a/d 轉換精度，測量分辨率可達 0.0625，被測溫度用符號擴展的 16 位數字量方式串行輸出，支持 3v-5.5v 電壓范圍。從 ds18b20 讀出的信息或寫入 ds18b20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫。（2）ds18b20 性能特點：（1）獨特的單線接口，即

42、可以通過串行口線，也可以通過其他 i/o 口線與微機接口，無需經過其他變換電路，直接輸出被測溫度值;（2）多點能力使分布式溫度檢測應用得以簡化;（3）不需外部元件;（4）不需要備份電源;（5）用戶可定義非易失性的溫度告警設置;（6）告警搜索命令識別和尋址溫度在編定的極限之外的器件。（3）ds18b20 工作原理及應用：ds18b20 的溫度檢測與數字數據輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數據處理。18b20 共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是：rom 只讀存儲器，用于存放ds18b20id 編碼，其前 8 位是單線系列編碼（ds18b20

43、的編碼是 19h）后面 48 位是芯片唯一的序列號，最后 8 位是以上 56 的位的 crc 碼（冗余校驗）。數據在出產時設置不由用戶更改。ds18b20 共 64 位 rom。ram 數據暫存器，用于內部計算和數據存取，數據在掉電后丟失，ds18b20 共 9 個字節(jié) ram，每個字節(jié)為 8位。第 1、2 個字節(jié)是溫度轉換后的數據值信息，第 3、4 個字節(jié)是用戶 eeprom（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復位時其值將被刷新。第 5 個字節(jié)則是用戶第 3 個 eeprom 的鏡像。并在 ram 都存在鏡像，以方便用戶操作。第6、7、8 個字節(jié)為計數寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨

44、率而設計的，同樣 也是內部溫度轉換、計算的暫存單元。第 9 個字節(jié)為前 8 個字節(jié)的 crc碼。我們的系統(tǒng)選擇此芯片正是因為它很好的集成 a/d 轉換與溫度測量，減少了成本，同時方便我們的讀取溫度，芯片只有三個引腳，相對簡單，方便使用。3.1.2 dsl8b20 性能特點dsl8b20 是美國 dallas 公司 l-wire 系列的高精度數字式溫度傳感器。1-wire 單總線是 dallas 的一項專有技術，它采用單根信號線，既傳輸時鐘又傳輸數據信號，即 dsl8b20 與微處理器僅需一根數據線即可實現雙向通信；dsl8b20溫度測量范圍為一 55一+125，測量分辨率為 0062 5；ds

45、l8b20 提供 912 位精度的溫度測量，通過編程可將測量溫度轉換為數字值直接讀取，分別在9375 ins 和 750 腿內完成；每個 dsl8b20 有唯一的 64 位序列碼，這使得允許有多個 dsl8b20 并聯在一條單總線上工作，實現多點溫度檢測。正因為 dsl8b20有以上諸多優(yōu)點，因此，利用 dsl8b20 與單片機控制實現多點溫度檢測具有轉換精度高、體積小、與微處理器接口簡單等優(yōu)勢。這給系統(tǒng)硬件設計帶來了極大的方便。133.1.3 dsl8b20 內部結構與測溫原理dsl8b20 內部結構主要由 64 位光刻 rom、溫度傳感器、溫度報警觸發(fā)器 th和 tl、高速存儲器 ram、

46、非易失性 eeprom 幾部分組成。其中 64 位光刻 rom是出廠前被刻錄好的，它由 8 位產品系列號、48 位的產品序號、8 位 crc 循環(huán)冗余檢驗碼組成，dsl8b20 的產品系列號均為 28h，每個器件有自己唯一的 48 位產品序號，利用產品序號可以識別一條線上所掛的不同 dsl8b20 器件。這也正是多個 dsl8b20 可以共用一根數據線進行通信的原因。非埸失報警觸發(fā)器 th 和 11l，可以通過軟件寫入溫度報警的上下限值。dsl8b20 的高速存儲器 ram 有 9 個字節(jié)，其中第 1、2 字節(jié)以補碼的形式存放溫度信息；第 3、4 字節(jié)是 th 和 ril的拷貝，每次上電復位時

47、被刷新；第 5 字節(jié)為配置寄存器，它的內容用于確定溫度值的數字轉換分辨率；第 6、7、8 字節(jié)保留未用，表現為全邏輯 1；第 9 字節(jié)用于存放根據 64 位 rom 的前 56 位計算得出的 crc 值，并與事先已存入在 64 位rom 的最高有效字節(jié)的 crc 值做比較以判斷主機收到的 rom 數據是否正確，從而保證 dsl8b20 與微處理器雙向通信的正確性。配置寄存器字節(jié)的低 5 位一直是 1，第 7 位 tm 是測試模式位，用于設置 dsl8b20 是在工作模式還是在測試模式，第 6 位、第 5 位分別是 r1、r0，用于決定溫度轉換的精度位數，即用來設置分辨率14。分辨率的定義規(guī)定如

48、表 3-1 所示。由表 3-1 可知，當設定的分辨率越高，所需要的溫度數據轉換時間就越長，因此，實際使用中要將分辨率和轉換時間綜合考慮。當 dsl8b20 接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換，轉換完成后的溫度值以16 位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速存儲器的第 1、2 字節(jié)。二進制中的高 5 位是符號位，如果測得的溫度大于 0，則高 5 位為 0，可以直接將二進制數轉換為十進制再乘以 0.0625 即可得到實際溫度；如果測得的溫度小于 0，則高 5位為 1，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算其對應的十進制數并乘以 0.0625 得到實際溫度。單片機可以通過單線接口讀出該數

49、據，讀數據時低位在前、高位在后。dsl8b20 完成溫度轉換后，把測得的溫度值與 ram 中th、tl 字節(jié)內容作比較，若溫度大于 th 或小于 tl，則器件內的報警標志位置位，并對主機發(fā)出的報警搜索命令作出響應。因此，可用多個 dsl8b20 同時測量溫度并進行報警搜索。3.1.4 dsl8b20 操作命令dsl8b20 的操作指令有存儲器操作命令與 rom 操作命令兩類，前者主要針對高速暫存器用于實現溫度轉換以及對溫度數據的讀出與存貯等，后者主要于識別不同的 dsl8b20 的序列號及類型等。操作命令如表 3-1 所示。 表 3-1 操作命令命令代碼用途存儲器溫度變換（44h）應用溫度轉換

50、讀暫存器（beh）度溫度值和crc值寫暫存器（4eh）寫上下限值到暫存器讀eeprom（b8h）將上下限值調入暫存器讀電源（b4h）檢測供電方式復制暫存器（4eh）復制上下限值到暫存器讀rom（33h）讀rom64位序列號跳過rom（cch）跳過對單個rom編碼的搜索匹配rom（55h）對多個rom序列號尋址搜索rom（f0h）對多個rom編碼搜索報警搜索（bch）搜索報警的db18b203.1.5 dsl8b20 與系統(tǒng)硬件接口dsl8b20 的優(yōu)點在多點溫度檢測系統(tǒng)中可以更好地體現出來，dsl8b20 的管腳只有 3 根，即電源、地、數據線，多點溫度檢測系統(tǒng)。在單片機系統(tǒng)中，一條數據線實際

51、上最多只能接 8 個 dsl8b20，如果實際應用中 8 個數字傳感器還不能滿足用戶的要求的話，可以再增加使用單片機的其他數據線。通常在總線上接一個上拉電阻，這樣，當總線空閑時，其狀態(tài)為高電平。3.1.6溫度數據采集模塊接口電路如圖 3-2 所示 ds18b20 只需要接到控制器（單片機）的一個 i/o 口上，由于單總線為開漏所以需要 外接一個 4.7k 的上拉電阻。如要采用寄生工作方式，只要將 vdd 電源引腳與單總線并聯即可。但在程序設計中，寄生工作方式將會對總線的狀態(tài)有一些特殊的要求。 圖3-2 硬件連接3.2 濕度數據采集模塊3.2.1 sht11 濕度傳感器的感濕原理sht11 傳感

52、器默認的測量溫度和相對濕度的分辨率分別為 14 位、12 位,通過狀態(tài)寄存器可降至 12 位、8 位。濕度測量范圍是 0100 %rh,對于 12 位的分辨率為 0.03%rh；測溫范圍為-40+123.8，對于 14 位的分辨率為 0.01。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度室中標定，校準系數以程序形式儲存在 otp 內存中，在測量過程中可對相對濕度自動校準，使 sht11 具有 100%的互換性。其測量過程如下:首先利用 2 只傳感器分別產生相對濕度、溫度的信號；然后經過放大，分別送至 a/d 轉換器進行模數轉換、校準和糾錯；再通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數據送至微控器；最后利用微控器

53、完成非線性補償和溫度補償。sht11 濕度傳感器采用的是平板電容器結構，在絕緣基片上用平面工藝分別形成上電極、介質層和下電極。介質層由被測物組成，其介電常數隨其相對濕度呈線性關系，即 （3-1）式中材料在不同相對濕度下的介電常數； 0%rh介電常數； k常數； v相對濕度； dx 元件在不同相對濕度時的電容量； t電容極板面積； e介質層厚度； k靜電力常量。對于一個固定的元件,可以設： （3-2）則由上式可以看出，cx 與 v 呈線性關系，從而由傳感器電容量的大小即可決定環(huán)境中的相對濕度15 。3.2.2 硬件設計溫濕度傳感器芯片 sht11 采用二線串行數字接口與 89c51 單片機進行通

54、信，設計非常簡單。根據芯片通信協議，軟件采用 c 語言編寫，通過簡單的控制協議即可實現單片機對 sht11 濕度數據采集工作16。sht11 通過二線數字串行接口來訪問，所以硬件接口電路非常簡單。需要注意的地方是：data 數據線需要外接上拉電阻，時鐘線 sck 用于微處理器和 sht11之間通信同步，由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，所以對 sck 最低頻率沒有要求；當工作電壓高于 4.5v 時，sck 頻率最高為 10.0592mhz，而當工作電壓低于 4.5 v時，sck 最高頻率則為 1 mhz。硬件連接如圖 2-10 所示。 圖3-3 硬件連接3.3數據處理模塊方案設計3.3.1 芯片介紹at89s52 是一種低功耗、高性能 cmos 工藝（低功耗）8 位微控制器，具有8k 在系統(tǒng)可編