楊永璽基于單片機的室內(nèi)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)畢業(yè)論文終稿 -

1、重慶郵電大學移通學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）編 號：_審定成績：_畢業(yè)設(shè)計（論文）設(shè)計（論文）題目: 基 于 單 片 機 的 室 內(nèi) 溫 濕 度 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 單 位（系別）： 自 動 化 系 學 生 姓 名： 楊 永 璽 專 業(yè)： 自 動 化 班 級： 05121103 學 號： 0512110304 指 導 教 師： 羅 楊 答辯組負責人： 汪 紀 鋒 填表時間： 2015 年 5 月重慶郵電大學移通學院教務(wù)處制重慶郵電大學移通學院畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書設(shè)計(論文)題目： 基于單片機的室內(nèi)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng) 學生姓名 楊永璽 系別 自動化 專業(yè) 自動化 班級 05121103 指導教師 羅楊 職

2、稱 助教 聯(lián)系電話教師單位 自動化 下任務(wù)日期 2014 年 12 月 28 日主 要 研 究 內(nèi) 容 、 方 法 和 要 求1、 設(shè)計一個室內(nèi)溫濕度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能：（1） 采用單片機為控制核心電路；（2） 可設(shè)定溫度和濕度的監(jiān)控值，并可在不同時段設(shè)置不同監(jiān)控值；（3） 利用LCD實時、準確的顯示溫度和濕度值；（4） 當溫度或者濕度超過設(shè)定值時，可自動報警；2、 設(shè)計硬件電路原理圖。3、 焊接并調(diào)試硬件電路。4、 編譯軟件程序，軟硬件結(jié)合調(diào)試，完成系統(tǒng)功能，系統(tǒng)能獨立運行。 進 度 計 劃1、2014年12月至2015年3月，查找相關(guān)資料，設(shè)計硬件原理

3、圖，設(shè)計仿真程序大致框架；2、2015年3月至2015年4月，完成硬件電路焊接，編寫軟件控制程序并調(diào)試；3、2015年4月至2015年5月，系統(tǒng)調(diào)試，完成相關(guān)功能，撰寫畢業(yè)論文。 主 要 參 考 文 獻1、 胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù).北京：清華大學出版社，2004.2.2、 胡漢才.單片機在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用.北京：清華大學出版社，2006.3、 馬忠梅.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計.北京：北京航空航天大學出版社，2001.指導教師簽字： 年 月 日教研室主任簽字： 年 月 日備注：此任務(wù)書由指導教師填寫，并于畢業(yè)設(shè)計(論文)開始前下達給學生。-I-摘 要 確定了溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計

4、方案，包括系統(tǒng)的硬件、系統(tǒng)電路設(shè)計以及系統(tǒng)軟件設(shè)計等方面。利用單片機結(jié)合傳感器技術(shù)而開發(fā)設(shè)計了這一溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。對傳感器理論單片機實際應(yīng)用有機結(jié)合進行了研究，詳細地講述了利用溫濕度采集電路實現(xiàn)溫濕度采集的過程，以及它們的工作原理。電路及軟件設(shè)計方面，利用C語言進行編程，Protues進行仿真，并且焊接了實物連接圖，對每個部分的功能、實現(xiàn)過程做了詳細的介紹。整個系統(tǒng)的核心是進行溫濕度監(jiān)控。傳感器能將各種物理量、化學量和生物量等信號轉(zhuǎn)換為電信號，使得人們可以利用單片機和計算機實現(xiàn)自動測量溫濕度，本論文主要闡述了基于STC89C51單片機的室內(nèi)溫濕度系統(tǒng)設(shè)定原理、主要電路設(shè)計及軟件設(shè)計等。該系統(tǒng)采

5、用STC89C51單片機作為控制器，DS18B20作為溫度傳感器，HS1101作為濕度傳感器，用液晶LCD1602進行數(shù)字量的顯示，此外增加了按鍵電路，可以通過人為的控制室內(nèi)溫濕度變化和調(diào)整，同時還設(shè)計了蜂鳴器報警電路對室內(nèi)溫濕度值的報警功能，溫濕度過高或者過低都會引起蜂鳴器做出報警。軟件方面分模塊進行編寫，完整的結(jié)合主流程一起實現(xiàn)了整個室內(nèi)溫濕度的監(jiān)控。系統(tǒng)主要功能如下：1.對溫濕度進行測量2.溫度及濕度的顯示3.溫度及濕度超出設(shè)定范圍時發(fā)出報警信號4.設(shè)定溫度及濕度設(shè)定值5.人為的可以通過按鍵來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度【關(guān)鍵詞】STC89C51單片機 溫度傳感器 濕度傳感器 室內(nèi) -II- ABST

6、RACT Determine the overall design scheme of temperature and humidity monitoring system, including the hardware aspects of the system, the system circuit design and software design. Use microcomputer with sensor technology designed and developed this temperature and humidity monitoring system. SCM pr

7、actical application of sensor combine theory has been studied in detail about the use of temperature and humidity acquisition circuits temperature and humidity collection process, and how they work. Circuit and software design, the use of C language programming, Protues simulation, and welding a phy

8、sical connection diagrams for each part of the function, the implementation process to do a detailed introduction. The core of the system is the temperature and humidity monitoring. Sensors can a variety of physical, chemical and biomass and other signals into electrical signals, so that people can

9、take advantage of single-chip computer for automatic measurement of temperature and humidity,This paper describes the set STC89C51 microcontroller based system indoor granary temperature and humidity, the main circuit design and software design. The system uses STC89C51 microcontroller as controller

10、, DS18B20 as a temperature sensor, HS1101 as a humidity sensor, with digital volume LCD1602 display, in addition to increasing the key circuit can be controlled by man-made indoor temperature and humidity changes and adjustments, also designed buzzer alarm circuit for indoor temperature and humidity

11、 values of alarm, temperature and humidity is too high or too low will cause the buzzer to make an alarm. Software sub-modules written in the main flow of the entire binding together to achieve the monitoring of the entire indoor temperature and humidity. Main functions are as follows:1. temperature

12、 and humidity measurement2. Temperature and humidity display3. When an alarm signal is out of the set temperature and humidity range4. Set the temperature and humidity settings5. artificial indoor temperature and humidity can be adjusted through the key【Key words】STC89C51 microcontroller temperature

13、 sensors and humidity IndoorIV目 錄前 言- 1 -第一章 緒論- 2 -第一節(jié) 溫濕度監(jiān)控技術(shù)的研究背景- 2 -第二節(jié) 溫濕度監(jiān)控技術(shù)的研究現(xiàn)狀- 3 -一、溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀- 3 -二、國內(nèi)研究現(xiàn)狀- 3 -第三節(jié) 單片機歷史- 4 -本章小結(jié)- 5 -第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計- 6 -第一節(jié) 總體方案及框圖- 6 -第二節(jié) 系統(tǒng)流程及功能- 6 -本章小結(jié)- 7 -第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計- 8 -第一節(jié) 微處理器- 8 -一、51單片機的主要特性- 8 -二、STC89C51的引腳介紹- 8 -三、STC89C51的最小系統(tǒng)- 10 -第二節(jié) 溫度測量電

14、路的實現(xiàn)- 10 -一、溫度傳感器的選擇- 10 -二、DS18B20介紹- 11 -三、溫度測量電路- 12 -第三節(jié) 濕度測量電路的實現(xiàn)- 13 -一、濕度傳感器的選擇- 13 -二、HS1101的性能特點- 13 -三、濕度測量電路- 14 -第四節(jié) 顯示及報警- 16 -一、顯示方案的選擇- 16 -二、LCD1602以及應(yīng)用- 16 -三、報警電路- 18 -第五節(jié) 按鍵電路設(shè)計- 18 -第六節(jié) 復位電路- 19 -第七節(jié) 振蕩電路- 20 -本章小結(jié)- 20 -第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計- 21 -第一節(jié) 程序開發(fā)環(huán)境及設(shè)計原則- 21 -第二節(jié) 主程序流程圖- 21 -第三節(jié) 溫度模

15、塊程序設(shè)計- 22 -第四節(jié) 濕度模塊程序設(shè)計- 23 -第五節(jié) 顯示子程序設(shè)計- 23 -第六節(jié) 按鍵模塊程序設(shè)計- 24 -本章小結(jié)- 25 -第五章 系統(tǒng)的仿真與實現(xiàn)- 26 -第一節(jié) Proteus仿真- 26 -第二節(jié) 系統(tǒng)的實現(xiàn)- 27 -本章小結(jié)- 29 -結(jié) 論- 30 -致 謝- 31 -參考文獻- 32 -附錄- 33 -一、英文原文- 33 -二、英文翻譯- 38 -三、電路設(shè)計圖- 42 -四、源程序- 43 -VI-前 言室內(nèi)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域，適用于家電、食品、汽車、材料和電力電子等行業(yè)。隨著科技水平的提高，溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)作為實現(xiàn)設(shè)備小型化，

16、智能化和自主知識創(chuàng)新的重要元素，目前在國防、航空、交通、能源、工業(yè)、通信和人們的日常生活等各個領(lǐng)域，越來越發(fā)揮著極其重要的作用，對傳感器技術(shù)要求越來越高，需求越來越迫切。床干起技術(shù)已稱為衡量一個國家科學技術(shù)發(fā)展水平的重要標志之一。因此，了解并掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。傳感器能將各種物理量、化學量和生物量等信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。使得人們可以利用計算機實現(xiàn)自動測量、信息處理和自動控制，但是它們都不同程度地存在溫漂和非線性等影響因素。傳感器主要用于測量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響整個系統(tǒng)的性能。因此，不僅必須掌握它的原理構(gòu)造，還必須懂的傳感器經(jīng)過適當?shù)慕涌陔娐氛{(diào)試才能滿足

17、信號的處理、顯示和控制要求，而且只有通過對傳感器應(yīng)用實例的原理和智能傳感器實例分析了解，才能將傳感器和信息通信和信息處理結(jié)合起來，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開發(fā)和應(yīng)用。此外，傳感器的被測信號來自各個領(lǐng)域，每個領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工作效率，各自都在開發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器，溫濕度傳感器是其中最重要的一類傳感器，其發(fā)展速度之快，以及其應(yīng)用廣泛，并且還有很大的潛力。此次設(shè)計是室內(nèi)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用性較強，以STC89C51單片機為核心，結(jié)合溫濕度傳感器采集信號來完成整個監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。本設(shè)計充分完整的完成了各個硬件電路的設(shè)計和軟件等各個子程序的相互結(jié)合和設(shè)計，提出了一種安全實用的室內(nèi)溫濕度監(jiān)控

18、系統(tǒng)。適合任何室內(nèi)溫濕度系統(tǒng)的監(jiān)控，比如糧倉、儲藏室、機房、蔬菜大棚、軍用重地以及其他的一些室內(nèi)場所，該系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活等優(yōu)點，極大的滿足了室內(nèi)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的要求和設(shè)計。第一章 緒論隨著近些年科技的不斷發(fā)展和進步，很多的領(lǐng)域?qū)貪穸缺O(jiān)控的要求越來越高，而且監(jiān)控范圍越來越廣，因此，對溫濕度監(jiān)測技術(shù)的要求也隨之越來越高?，F(xiàn)在的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于很多不同的地方，如實驗室溫濕度監(jiān)控、儲藏室溫濕度監(jiān)控、大棚溫濕度監(jiān)控、糧倉溫濕度監(jiān)控以及其他重要的室內(nèi)場所等。在不同的場合下對溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的要求也不相同，要求的精度也越來越高。第一節(jié) 溫濕度監(jiān)控技術(shù)的研究背景溫濕度是一個基本的物理量，它是

19、工業(yè)生產(chǎn)過程中嘴普遍、最重要的工藝參數(shù)之一。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對溫濕度測量的要求也越來越高，而且測量范圍也越來越廣。因此，對溫濕度檢測技術(shù)的要求也越來越高。隨著科技的不斷發(fā)展，溫濕度檢測技術(shù)也不斷進步，目前的溫濕度監(jiān)測使用的溫濕度監(jiān)測計種類繁多，應(yīng)用也比較廣泛，大致包括以下幾種方法：（1）利用物體熱脹冷縮的原理制成溫濕度計利用原理制成的主要有雙金屬溫濕度計、壓力式溫濕度計、玻璃溫濕度計等，其中雙金屬溫濕度計在現(xiàn)在各個領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。（2）利用熱電效應(yīng)技術(shù)制成溫濕度檢測元件利用此技術(shù)制成的溫濕度檢測元件主要是熱電偶。熱電偶發(fā)展較早，比較成熟，至今仍為應(yīng)用最廣泛的檢測元件。熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、

20、制作方便和測量范圍廣等優(yōu)點。（3）利用熱阻效應(yīng)技術(shù)制成溫濕度計用此技術(shù)制成的溫濕度計大致可以分為電阻測溫濕元件、導體測溫濕原件、陶瓷溫濕敏原件。（4）利用熱輻射原理制成的溫濕度計熱輻射溫濕計常分為兩種：一種是單色輻射溫濕計，一般稱為光學溫濕計；一種是全輻射高溫計。它的原理是物體吸收熱輻射之后，視物體本身的性質(zhì)，能將它吸收、透過或反射。第二節(jié) 溫濕度監(jiān)控技術(shù)的研究現(xiàn)狀一、溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀自70年代以來，由于工業(yè)控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計的推動下，國外溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展快速，并在智能化，參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，日本、美國、德國、瑞

21、典等國已經(jīng)走到了世界前列，掌握了領(lǐng)先的技術(shù)，并且都已經(jīng)生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的溫濕度監(jiān)控器和儀器儀表，在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。其特點是適應(yīng)于大慣性、大滯后等復雜的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，具有參數(shù)自定功能和自學功能，即溫濕控制對象，參數(shù)以及特性進行自動整定，并根據(jù)歷史經(jīng)驗以及控制變化的情況，自動調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)具有精度高、抗干擾能力強等特點。目前，國外溫濕度監(jiān)控儀表正朝高精度、智能化、小型化等方向發(fā)展。二、國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國對于室內(nèi)溫濕度監(jiān)控技術(shù)的研究與應(yīng)用起步比較晚，主要為實驗室、儲藏室和大棚溫室等。我國工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達國家溫濕度監(jiān)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，才掌握了

22、人工氣候室內(nèi)微機監(jiān)控技術(shù)，該技術(shù)僅限于溫濕度和CO2濃度等單項環(huán)境的控制。我國室內(nèi)設(shè)施計算機應(yīng)用，在總體上正從消化吸收、簡單應(yīng)用階段向?qū)嵱眯浴⒕C合性過渡和發(fā)展。在技術(shù)上，一單片機控制的單參數(shù)回路最常見，尚無真正意義上的多參數(shù)綜合監(jiān)控系統(tǒng)。與發(fā)達國家相比，存在較大差距。近幾年隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，電子計算機已用于監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境。監(jiān)控系統(tǒng)由中央控制裝置、終端控制設(shè)備、傳感器等組成。先編寫出最佳的室內(nèi)溫濕度管理子程序表，存放在單片機或者電子計算機的記憶裝置之中，單片機或者電子計算機再根據(jù)程序表確認、修正各室內(nèi)溫濕度值以及各點的參數(shù)，然后送到終端控制系統(tǒng)的執(zhí)行指令。終端控制器會及時向中央控制器輸送檢測到的

23、有效信息，再根據(jù)中央控制器接受到的指令輸出控制信號，這時電氣設(shè)備會接收到最終的信號并且執(zhí)行各自的功能，從而準確的實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)。該種系統(tǒng)可以達到自動控制降溫、除濕、通風。根據(jù)各室內(nèi)環(huán)境的不同需要，也可以通過按鍵將所需要的其他信息直接輸入到中央管理裝置內(nèi)，在不同的環(huán)境條件下可以快速的調(diào)節(jié)室內(nèi)溫濕度的變化值。（1）廣泛采用新技術(shù)、新工藝隨著單片機的不斷發(fā)展和完善，許多新的技術(shù)被用到溫濕度監(jiān)控領(lǐng)域。比如，由美國公司制造且基于MODBUS-RTU協(xié)議的溫濕度傳感器 SLSM1010，是一種實用型的在線監(jiān)控溫濕度傳感器，本模塊可用于SMT行業(yè)溫濕度監(jiān)控、電子設(shè)備廠溫濕度監(jiān)控、糧倉溫濕度監(jiān)測

24、、藥廠GMP監(jiān)測系統(tǒng)、環(huán)境溫濕度監(jiān)控、電信機房溫濕監(jiān)控、其它需要監(jiān)測溫濕度的各種場合等。由于其自帶大容量控制能力，可以直接控制大負載的設(shè)備。SLSM1010A溫濕度傳感器能讓SHT11/15在原有性能的基礎(chǔ)之上同時兼有變送器的功能，很利于實現(xiàn)系統(tǒng)的集成。Honeywell公司生產(chǎn)的HIH3610型溫濕度傳感器是一種能在高溫，有化學氣體或液體的環(huán)境下正常工作的高性能傳感器，可以測量羊圈、豬舍和雞棚等場所中有害氣體的相對溫濕度。HIH3610 芯片之所以在安裝的時候不容易損壞，是因為其芯片表面涂有一層亞硝酸鹽鈍化層起到了非同小可的保護作用。（2）提高測量精度和分辨力目前，許多精度較高且分辨率強的溫

25、濕度傳感器在國內(nèi)推出SHT11/15傳感器的測量范圍在0100，最高精度為±2RH分辨力達到了0.03RH。在測量溫度的時候A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)達12位，濕度達到14位。A/D轉(zhuǎn)換器芯片功耗小和測量速率高的特點是因為它采用了降低分辨率的方法設(shè)計而成。SHT11/15型傳感器適用于各種單片機的特點，而且它的響應(yīng)快、互換性好，經(jīng)常被用于一些很重要的場所。（3）增加測試功能新型溫濕度傳感器的測試功能隨時代的發(fā)展也在不斷增強。有些智能溫濕度傳感器增加了256字節(jié)的實時日歷時鐘（RTC）存儲等功能。比如DS1629和DS1624型單線智能溫濕度傳感器，使其內(nèi)部功能更加強大和完善。另外，智能溫濕度傳

26、感器正從單通道向多通道的方向發(fā)展，這就為研制和開發(fā)多路溫濕度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了良好的條件。第三節(jié) 單片機歷史單片機產(chǎn)生于20世紀末，簡單的說它就是把中央處理器、儲存器、輸入輸出接口和定時/計數(shù)器集中在一個芯片上的一種微型計算機。經(jīng)過幾十年的迅速發(fā)展，現(xiàn)在應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛。人們都喜歡追求價格低，性能好的產(chǎn)品，單片機正是因為具有即單體積小、抗干擾能力強、應(yīng)用方便、價格低廉、靈活性好等優(yōu)點深受人們喜愛。單片機中的大部分功能部件都來源于微型計算機，其工作的原理也基本一樣，因此單片機雖然也是屬于微型計算機的一種，但其具體結(jié)構(gòu)和處理的方法也是有所不同的。我們知道，微型計算機由微處理器CPU、存儲器、I/O接口三

27、大部分通過總線有機的連接在一起，各種外部設(shè)備通過接口與微型計算機連接。各個部分部件分開，功能強大。單片機是應(yīng)測控領(lǐng)域的需要而誕生的，在生活中用途很廣。它在溫馨計算機的基礎(chǔ)之上又增加了許多新的性能在主芯片上集成了大部分功能部件。另外，還在外部設(shè)計了各種轉(zhuǎn)換器以及調(diào)制接口，極為方便。現(xiàn)在一部分單片機已經(jīng)把A/D、D/A轉(zhuǎn)換器及HSO、HIS等外設(shè)集成在單片機中以增強處理能力。此外，單片機的多機應(yīng)用也很廣泛，主要用在一些大型的自動化控制，這時整個系統(tǒng)分成多個子系統(tǒng)完成各個子程序的實現(xiàn)。單片微機計算機是隨著1971年的Intel公司制造的世界上第一塊微處理器芯片4004出現(xiàn)而出現(xiàn)的，并且單片機的發(fā)展非

28、常迅速，在其發(fā)展期間，相繼出現(xiàn)了單片機4位、8位、16位、32位等具有代表性的單片微機計算機。第一代：1975年美國德克薩斯儀器公司首次推出了4位單片機TMS-1000，緊接著其他國家也在次單片機的基礎(chǔ)之上經(jīng)過不同的擴展和研發(fā)相繼推出了自己的4位單片機，國內(nèi)的主要是COP400系列的單片機，性能還不是很完善。第二代：美國Intel公司推出8位單片機的出現(xiàn)。如Fairchild公司的F8系列、ZILOG公司的Z8系列、Motorola公司的6801等系列。第三代：1983年以后一個更高性能的單片機問世，它就是，16位的單片機的出現(xiàn)，它的出現(xiàn)把整個單片機的性能推向了一個新的發(fā)展階段，可以說是單片機

29、的一次改革，它的內(nèi)部可以集成了多個CPU接口以及并串行接口，如MCS-96系列、HPC16040系列和783XX等系列。第四代：近年來，各個計算機廠家相繼推出了更高性能的32位單片機，但在測控方面的應(yīng)用還不夠成熟，因此，32位單片機的應(yīng)為很少。本章小結(jié)本章主要對溫濕度監(jiān)控技術(shù)的研究背景和現(xiàn)狀做了充分詳細的敘述，同時也對我國國內(nèi)溫濕度監(jiān)控技術(shù)和國外進行對比，并且對單片機的發(fā)展歷史做了介紹。第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計第一節(jié) 總體方案及框圖本系統(tǒng)采用STC89C51單片機作為微處理器，DS18B20作為溫度傳感器對溫度進行監(jiān)測，HS1101作為濕度傳感器與NE555組成濕度測量模塊，采用蜂鳴器實現(xiàn)報警功能

30、，使用LCD1602對測得的溫濕度值進行顯示，使用按鍵對溫濕度的設(shè)定值進行修改。根據(jù)此設(shè)計系統(tǒng)的總體功能，將其劃分為以下幾個功能模塊：溫度信號采集電路、濕度信號采集電路、按鍵、LED顯示以及報警系統(tǒng)組成，整個系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2.1所示。ST 單C8 片9C 機51LED顯示溫度測量報警濕度測量按鍵圖2.1 系統(tǒng)總體框圖第二節(jié) 系統(tǒng)流程及功能本設(shè)計可分為三個階段，即分析階段，設(shè)計階段和實現(xiàn)階段。分析階段：為本設(shè)計的開始，即作為系統(tǒng)設(shè)計的準備階段以及本設(shè)計會涉及到那些元器件和知識，大體上要有一個思路，并初步的確定系統(tǒng)的整套設(shè)計方案。設(shè)計階段：在已經(jīng)分析好的基礎(chǔ)之上開始著手系統(tǒng)的總體設(shè)計，包括系統(tǒng)硬件

31、部分的設(shè)計和軟件部分的設(shè)計。實現(xiàn)階段：到這個階段說明監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計已經(jīng)基本完成，剩下的就是連接安裝工作并且需要驗證設(shè)計的可操作性和可實用性即可。具體的流程可概括如下：(1)了解系統(tǒng)的總體概況，初步確定系統(tǒng)的設(shè)計方案。(2)對整個監(jiān)控系統(tǒng)進行軟件和硬件的全面的設(shè)計。(3)系統(tǒng)的實現(xiàn)：對已設(shè)計連接好的系統(tǒng)進行調(diào)試仿真，確定系統(tǒng)的可行性。整個監(jiān)測系統(tǒng)以STC89C51單片機位主芯片，它是接受溫濕度信號并且控制其他硬件電路協(xié)調(diào)正常工作的。首先DS18B20集成了傳感器采集溫度信號，信號經(jīng)過處理放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器之中，由此將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號后送至CPU進行運算處理，其濕度傳感器HS1101

32、將采集到的濕度信號通過以NE555定時器為主的單穩(wěn)態(tài)電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號直接送至STC89C51進行處理，在單片機內(nèi)部，CPU根據(jù)模擬量與數(shù)字量的對應(yīng)關(guān)系，把收到的數(shù)字量與溫濕度值一一對照，找出合適的溫濕度值進行顯示，達到測溫測濕的目的。顯示部分由LED1602來完成，并可通過鍵盤輸入指令進行控制，充分提高了單片機的工作效率。本監(jiān)控系統(tǒng)可對室內(nèi)的溫濕度值進行監(jiān)測，測溫范圍可達到-50+150，根據(jù)整個室內(nèi)環(huán)境的實際溫度變化情況，可將測溫范圍設(shè)定為0-70，可測濕度測量范圍是（0-100）%RH，極大的滿足了不同環(huán)境帶來的問題。所測溫濕度數(shù)值通過LED1602在數(shù)碼管上進行顯示，并可根據(jù)需要設(shè)定按

33、鍵功能控制溫濕度的顯示和消隱。整個系統(tǒng)設(shè)計測量穩(wěn)定性好、操作簡單、精度高，性能上能夠達到遠距離測量溫濕度的要求，適用于安置在不同的室內(nèi)環(huán)境中進行溫濕度監(jiān)測。本章小結(jié)本章主要介紹了整個室內(nèi)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計，同時分析了整個設(shè)計過程中各個部件的工作順序，比如系統(tǒng)的組成、工作流程以及各個系統(tǒng)最終要實現(xiàn)什么樣的功能。讓讀者清晰明確的了解到本設(shè)計的整體思路和結(jié)構(gòu)。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計第一節(jié) 微處理器 微處理器是控制系統(tǒng)的核心部件。具有控制功能強，體積小，功耗小等一系列的優(yōu)點，它在工業(yè)控制、智能儀表、節(jié)能改造、通訊系統(tǒng)、信號處理、家用電器及糧倉等各個環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計采用STC89C51

34、作為微處理器。一、51單片機的主要特性51單片機的主要特性如表3-1所示。表3-1 STC89C51主要特性表8K可反復擦寫Flash ROM兼容MCS-51指令系統(tǒng)32個雙向I/O口3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷3級加密位2個串口中斷軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能2個讀寫中斷口線工6個中斷源低功耗空閑和掉電模式時鐘頻率024MHz2個外部中斷源256×8bit內(nèi)部RAM可編程UART串行通道二、STC89C51的引腳介紹 STC89C51系列單片機是宏晶科推出的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機。STC89C51單片機的外形結(jié)構(gòu)為40引腳雙列直插式

35、封裝，其外部管腳如圖3.1所示。（1）VCC:電源電壓 （2）GND:地 （3） P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線復位，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 （4）P1口:P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTE邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，

36、某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(ILL)。 與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入(P 1.0/T2)（5）P2口:P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(ILL)。 在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(例如執(zhí)行MOVX DPTR指令)時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(如執(zhí)行MOVX

37、 RI指令)時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。 （6）P3口:P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流(ILL)。 (7) RST:復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。圖3.1 STC89C51引腳圖三、STC89C51的最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)是單片機可以工作的最小單元，包括電源、地、復位電路和晶振電路。在此基礎(chǔ)上可擴展外圍電路。STC89C51的最小系統(tǒng)如圖3.2所示。圖3.2

38、 STC89C51的最小系統(tǒng)第二節(jié) 溫度測量電路的實現(xiàn)測溫模塊采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它能代替模擬溫度傳感器和信號處理電路，直接與單片機連接，完成溫度采集和數(shù)據(jù)處理。DS18B20與STC89C51結(jié)合實現(xiàn)最簡溫度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境下進行現(xiàn)場溫度測量，有廣泛的應(yīng)用前景。一、溫度傳感器的選擇溫度傳感器的種類很多，在應(yīng)用于高精度、高可靠性的場合時DALLAS（達拉斯）公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器則當仁不讓。超小的體積，超低的硬件開銷，抗干擾能力強，附加功能強，是的DS18B20很受歡迎，因此本系統(tǒng)采用DS18B20作為溫度傳感器。二、DS18B2

39、0介紹1.DS18B20的主要特征（1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；（2）獨特的單線接口方式，DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20 的雙向通訊；（3）DS18B20 支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫；（4）DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)；（5）溫范圍55125，在-10+85時精度為±0.5；（6）可編程的分辨率為912 位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.

40、0625，可實現(xiàn)高精度測溫；（7）在9 位分辨率時最多在93.75ms 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12 位分辨率時最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快；（8）測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；9.負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。2. DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外形DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64 位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH 和TL、配置寄存器。DS18B20 的管腳排列如圖3.3所示：圖3.3 DS18B20 引腳排列

41、圖DS18B20 引腳定義：(1) GND為電源地；(2) DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；(3)VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。3. DS18B20工作原理 DS18B20 測溫原理如圖3.4所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2 的脈沖輸入。計數(shù)器1 和溫度寄存器被預置在55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1 的預置值減到0 時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1 的預置將重新被裝入，計數(shù)器1 重新開始對低

42、溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2 計數(shù)到0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖3.4中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1 的預置值。低溫度系數(shù)晶振高溫度系數(shù)晶振計數(shù)器2斜率累加器計數(shù)器1預置比較預置=0=0溫度寄存器加1停止LSB置位/清除圖3.4 DS18B20 測溫原理框圖三、溫度測量電路采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器測量溫度，DS18B20與單片機是單線雙向通信。其連接電路如圖3.5所示。圖3.5 DS18B20的測量電路（DQ端接51單片機的P2.7）第三節(jié) 濕度測量電路的實現(xiàn)一、濕度傳感器的選

43、擇在測量室內(nèi)濕度的時候有很多辦法可以用到，其基本原理大體相同?，F(xiàn)在很多高分子電容器被廣泛應(yīng)用，其中HS1101作為具有代表性的一種高分子市民電容傳感器在高分子薄膜上形成電容，這種傳感器吸附周圍環(huán)境中的水分時介電系數(shù)會發(fā)生相應(yīng)的變化，因為介電系數(shù)會隨著室內(nèi)濕度的變化而不斷的變化，所以在測量過程中很方便，我們只需要測量出電容的數(shù)值，就可以清楚的得到相對濕度，因為HS1101具有互換性、長期穩(wěn)定性、測量精度高以及響應(yīng)時間快等特點，可以應(yīng)用于一些大型環(huán)境檢測中，比如糧倉內(nèi)的溫度控制、車廂內(nèi)空氣以及機房等主要場所空氣質(zhì)量的控制，在很多需要濕度補償?shù)沫h(huán)境中HS1101也被廣泛的被應(yīng)用。二、HS1101的性

44、能特點HS1101的主要性能特點如下：(1)相對濕度在0%100%RH范圍內(nèi), 相對濕度為55%RH時的典型電容值約182pF溫度系數(shù)為0.04pF/可見精度是較高的，如果在常溫下使用，就不需要溫度補償和校準。相對濕度在(3375) %RH 之間時平均靈敏度為0.34pF/%RH 。(2)HS1101有響應(yīng)快(響應(yīng)時間小于5S)、線性度高、高可靠性及長期穩(wěn)定性(年漂移量0.5 %RH/年)、常時間飽和下快速脫濕等優(yōu)點。供電電壓一般選+5V最高不超過+10V。+5V供電時間的漏電僅為1nA，工作溫度范圍為- 40。C100。C。(3)在一定的條件下產(chǎn)品具有很好的互換性，更換HS1101時不需要重

45、復標定其他的參數(shù)。具有獨特的單線接口方式，HS1101微處理器所需的雙向通信微處理器和HS1101只有一個I / O口線。在不改變其它電路的情況下，可以直接輸出被測溫度值。(4)每個芯片可以唯一編碼，支持網(wǎng)絡(luò)尋址，零功耗等待?？删幊痰姆直媛蕿?2，對應(yīng)的分辨率溫度0.5，0.25，0.125和0.0625。濕度傳感器工作范圍如下圖3.6所示：圖3.6 HS1101濕敏電容工作的溫濕度范圍 從上圖可以清楚的看到，HS1101可以工作的范圍有長期穩(wěn)定區(qū)，正常工作區(qū)和非正常區(qū)。如果糧食在長期穩(wěn)定區(qū)，它可以長時間安全有效的儲存并且不會帶來糧食的損失。三、濕度測量電路HS1101電容傳感器在電路構(gòu)成中等

46、效于一個電容器件，其電容量正比于空氣濕度。經(jīng)常把濕敏電容放在橋式電路和將濕敏電容至于555振蕩電路中來接收信號，本設(shè)計采用如圖3.7所示的頻率輸出格式作為采集電路。電源接通后，電壓沿UCCR 4R 2C地傳輸?shù)诫娙萜鰿，電源電壓被充電t1時間之后充電，濕度電容下降，內(nèi)部比較器將形成自動翻轉(zhuǎn)功能在UC將被充電到高電平觸發(fā)TLC555（UH=0.67UCC）時，OUT輸出端口將迅速改變從高向低。然后開始放電的電容C將放電循環(huán)調(diào)整為終端CR 2D端室內(nèi)。經(jīng)過一段時間t2，濕度電容UC將下降到低電平觸發(fā)（UL=0.33UCC）。這樣一直循環(huán)進行充電和放電，就可以形成振蕩電路。充電時間可以表示為：t1=

47、C（R2+R4）ln2放電時間可以表示為：t2=CRln2 圖3.7 濕度信號采集電路 輸出波形的頻率（f）和占空比（D）的計算機公式如下：通常情況下取R4大于R2,使占空比D50%，輸出結(jié)果就會接近于方波。輸出方波頻率與相對濕度的數(shù)據(jù)對照如表3-2。濕敏電容器會經(jīng)過振蕩電路變換后得到脈沖頻率信號，然后送入具有16位工作方式的51單片機定時/計數(shù)器T1之中，并且用T0來定時1s，從而實現(xiàn)計數(shù)功能，并把記錄的脈沖次數(shù)存入到內(nèi)存緩沖區(qū)中。 表3-2 濕度與方波頻率對照表濕度 頻率 濕度 頻率 %RH Hz%RH Hz 0 7351 10 7224 20 7100 30 6976 40 6853 5

48、0 672860 660070 646880 633090 6186100 6033第四節(jié) 顯示及報警本系統(tǒng)需要將測得的溫濕度值顯示出來，并對此進行處理，判斷其是否超出最大承受范圍，若超出，則需要報警。一、顯示方案的選擇顯示方案有兩種：一種是數(shù)碼管顯示，一種是LCD液晶顯示。前者電路連接復雜，并且容易出現(xiàn)故障，后者使用起來非常方便，它和微處理器的連接簡潔直觀，容易理解。因此采用LCD1602液晶對溫濕度值實現(xiàn)顯示。二、LCD1602以及應(yīng)用 1602液晶顯示器以其功耗低、體積小、顯示內(nèi)容豐富、輕巧超薄、位數(shù)多、程序簡單等特點，頗受歡迎。在本設(shè)計中使用的是字符型兩行16字液晶顯示器。在于單片機連

49、接時使用接口電路相連，為并行通道。1602液晶顯示采用標準的16腳接口，其中引腳功能如表3-3所示。表3-3 LCD1602引腳功能表編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2Data I/O2VDD電源正極10D3Data I/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4Data I/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端12D5Data I/O5R/W讀/寫選擇端13D6Data I/O6E使能信號14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正極8D1Data I/O16BLK背光源負極1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器已經(jīng)存儲了不同的點陣字符圖形，這些字符有，阿拉伯數(shù)字、英文字母的大

50、小寫、常用的符號和日文假名等，沒一個字符都有一個固定的代碼，其中數(shù)字與字母同ASCII碼兼容。1602與微處理器的連接電路如圖3.8所示。圖3.8 1602與微處理器的連接電路其中，滑動變阻器R主要起調(diào)節(jié)1602亮度的作用，電阻R0起保護作用。三、報警電路對于控制系統(tǒng)，當溫濕度超出最大設(shè)定范圍時，需要對溫濕度進行調(diào)節(jié)，由于收到實驗條件的限制，智能設(shè)計報警電路。報警電路可以使用蜂鳴器聲音報警，也可以使用發(fā)光二極管LED作為光報警，本系統(tǒng)考慮到簡單使用采用第二種方案。電路連接如圖3.9所示。圖3.9 報警電路（接51單片機的P2.5）第五節(jié) 按鍵電路設(shè)計在一些智能化儀表中，人機接口通常是LED顯示

51、和小型鍵盤。對于鍵盤，其常見的工作方式有兩種：一是直接使用系統(tǒng)中的微處理器對鍵盤進行監(jiān)測，位鍵盤的及時響應(yīng)，CPU需要頻繁的執(zhí)行動態(tài)掃描程序；二是采用專用的顯示、鍵盤芯片，如8279、SAA1604等。結(jié)合本系統(tǒng)的具體情況，微處理器的工作強度并不大，故采用第一種方式進行鍵盤設(shè)計，其價格低廉，使用方便，能較充分的利用資源。系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)設(shè)定的溫濕度值，我們可以通過四個按鍵進行實現(xiàn)，前兩個按鍵選擇是溫度設(shè)定還是濕度設(shè)定，后兩個按鍵實現(xiàn)加一減一操作，設(shè)計電路如圖3.10所示。圖3.10 按鍵電路其工作原理如下：開關(guān)S-wendu和S-shidu同時閉合或者同時斷開時，U6和U7都輸出低電平；當S-we

52、ndu閉合、S-shidu斷開時，U6輸出低電平、U7輸出高電平；當S-wendu斷開、S-shidu閉合時，U6輸出高電平、U7輸出低電平。U6和U7的輸出端分別接微處理器的P0.1和P0.0端口，通過檢查這兩個端口的電平判斷是溫度設(shè)定還是濕度設(shè)定。將S+和S-分別接微處理器的兩個外部中斷接口。第六節(jié) 復位電路 一般情況下STC89C51復位引腳保持在10ms以上的高電平才可以用于系統(tǒng)可靠地復位以及復位電路的設(shè)計,它是高電平有效。要讓單片機剛接通電源時圖中RESET按鍵必須沒有按下，進入電復位狀態(tài)時說明單片機已經(jīng)接通電源。在單片機開始工作之后，如果再次按下RESET按鍵的時候，由兩個復位電阻

53、組成的串聯(lián)分壓電路會使RST瞬間得到一個高電平，從而使單片機重新復位；松開RESET按鍵時，復位信號就會立刻消失，這時單片機可以正常的開始工作。按下兩個按鈕中的任意一個，瞬時功率電容器可短路，所以RST引腳為高電平。隨著時間的電容器充電，穩(wěn)定電壓VCC之后施加到電容器。電容極板最后的RST引腳為0V。這樣RST最終在低電平一段時間后穩(wěn)定，高持續(xù)時間是由RC時間常數(shù)來確定。這是說，高復位按鈕電源。相當于電源按鈕被隨意按下去，使得電容器短路。電路圖如3.11所示。 圖3.11 復位電路第七節(jié) 振蕩電路根據(jù)本設(shè)計需要，STC89C51的振蕩電路由一個6MHZ 和兩個20PF的電容組成。這個電路是一個典型的單片振蕩電路。電路圖如3.12所示。 圖3.12 振蕩電路 本章小結(jié)本章是該設(shè)計最核心最重要的一章，主要介紹了硬件設(shè)計方案，其中包括了微處理器的選擇、溫濕度測量電路的選擇、顯示報警電路、按鍵電路設(shè)計、復位電路和振蕩電路的設(shè)計。其中微處理器小節(jié)中重點介紹了51單片機的主要特性和STC89C51的引腳功能和它構(gòu)成的最小系統(tǒng)。溫度測量電路主要運用