課程設計（論文）_基于SHT11數(shù)字溫濕度測量儀設計

1、 南 京 林 業(yè) 大 學課 程 設 計 說 明 書學 院（系）：機械電子工程學院專 業(yè)：測控技術與儀器學 生 姓 名：學 號：課程設計題目：基于SHT11數(shù)字溫濕度測量儀設計（二）起 迄 日 期:2011年12月19日2011年12月31日課程設計地點:指 導 教 師:一、課程設計的目的及意義本設計是測控儀器與系統(tǒng)課程綜合訓練，同學們可以通過理論學習，課題選擇，資料查詢，軟件查閱，軟、硬件設計，系統(tǒng)調試等環(huán)節(jié)，鞏固和提高所學的知識和應用水平，進一步學習和領會測控應用系統(tǒng)的開發(fā)方式和技巧，提高學生分析問題和解決問題的能力，提高學生的實際動手能力。學會提出問題，觀察和分析問題，得到最終的科學的方法

2、。培養(yǎng)團隊合作精神，嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L，務實的工作態(tài)度。為今后的畢業(yè)設計，及從事測控系統(tǒng)的設計與維護奠定堅實的基礎。二、設計內容采用將溫度和濕度一起測量，即用一個溫濕度傳感器SHT11實現(xiàn)。溫濕度傳感器SHT11將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉換和加熱器等功能集合到一個芯片上，該芯片包括一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件，這兩個敏感元件分別將濕度和溫度轉換成電信號，該信號首先進入微弱信號放大器進行信號放大，然后進入一個14位的A/D轉換器，最后經過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號，采用數(shù)碼管顯示所測溫度和濕度。三、系統(tǒng)總體設計1、主要功能要求 溫度和濕度傳感器均選用

3、模擬類型，并完成其信號放大和傳遞電路的設計；AD轉換采用8位并行的AD89C51； 顯示器件選擇LED液晶顯示； 溫度值和濕度值間隔輪流顯示； 單片機系統(tǒng)采用51單片機系統(tǒng)； 完成硬件電路的設計和制作； 完成軟件程序的設計； 完成整個系統(tǒng)的設計、調試和制作；2、整機設計框圖及整機概述系統(tǒng)整機框圖： 溫度采集電路濕度采集電路AD轉換51單片機最小系統(tǒng)顯示單元圖1 系統(tǒng)整機框圖整機概述本數(shù)字溫濕度檢測儀利用80c51單片機系統(tǒng)、溫度傳感器、濕度傳感器、熱敏電阻、AD轉換器件和數(shù)碼管顯示器件。傳感器采集現(xiàn)場溫度及濕度，經過AD轉換后送至單片機運算處理，并將處理后的數(shù)據(jù)送數(shù)碼管顯示，以此實現(xiàn)實時溫度和

4、濕度的檢測。四、 硬件設計4.1單片機 采用AT89C51，AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的 單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出 管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C

5、2051是它的一種精簡版 本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。4.2傳感器 SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應用于暖通空調、汽車、消費電子、自動控制等領域。共主要特點如下：高度集成，將溫度感測、濕度感測、信號變換、AD轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上；提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗，傳輸可靠性高；測量精度可編程調節(jié)，內置AD轉換器(分辨率為812位，能通過對芯片內部寄存器編程米選擇)；測量精確度高，由于同時集成溫濕度傳感器，能提供溫度補償?shù)臐穸葴y量值和高質量的露點計算功能；

6、封裝尺寸超小(7.62 mm×5.08mm×2.5 mm)，測量和通信結束后，自動轉入低功耗模式；SHT11的內部結構和工作原理    溫濕度傳感器SHT11將溫度感測、濕度感測、信號變換、AD轉換和加熱器等功能集成到一個芯片上，其內部結構如圖七所示。該芯片包括一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件。這兩個敏感元件分別將濕度和溫度轉換成電信號，該電信號首先進入微弱信號放大器進行放大；然后進入一個14位的AD轉換器；最后經過二線串行數(shù)字接口輸出數(shù)字信號。SHT11在出廠前，都會在恒濕或恒溫環(huán)境巾進行校準，校準系數(shù)存儲在校準

7、寄存器中；在測量過程中，校準系數(shù)會自動校準來自傳感器的信號。此外，SHT11內部還集成一個加熱元件，加熱元件接通后能將SHT11的溫度升高5左右，同時功耗也會有所增加。此功能主要為了比較加熱前后的溫度和濕度值，能綜合驗證兩個傳感器元件的性能。在高濕(>95RH)環(huán)境中，加熱傳感器可預防傳感器結露，同時縮短響應時間，提高精度。加熱后SHT11溫度升高、相對濕度降低，較加熱前，測量值會略有差異。圖2 SHT11內部結構微處理器是通過二線串行數(shù)字接口和SHT11進行通信的。通信協(xié)議和通用的I2C總線協(xié)議是不兼容的，因此需要用通用微處理器IO口模擬該通信時序。微處理器對SHT11的控制是通過5個

8、5位命令代碼來實現(xiàn)的，命令代碼的含義如表1所列。 表1 SHT11控制命令代碼SHT11應用設計     微處理器采用二線串行數(shù)字接口和溫濕度傳感器芯片SHT11進行通信，所以硬件接門設計非常簡單；然而，通信協(xié)議是芯片廠家自己定義的，所以在軟件設計中，需要用微處理器通用IO口模擬通道。SHT11通過二線數(shù)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(shù)據(jù)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最低頻率沒有需求；當工作電壓高于4.5V時，SCK頻率最高為10 MHz，而當工

9、作電壓低于4.5 V時，SCK最高頻率則為1 MHz。硬件連接如圖八所示。圖3 SHT11硬件連接4.3顯示器LEDLED是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅動器/列驅動器及128×64全點陣液晶顯示器組成14。可完成圖形顯示，也可以顯示8×2個（16×16點陣）數(shù)字或8×4個（16×16點陣）漢字。LED接P0口必須接上拉電阻, P0口才能輸入高電平，LED 才能正常工作。圖4 LED液晶顯示器五、軟件設計5.1 主程序： 5.2 中斷服務程序： 結束顯示顯示濕度轉化溫度轉化P2.0=？開始結束采樣通道選擇初始化開始 圖5 軟件流程圖主程序

10、 圖6 中斷服務程序圖四為軟件設計的主程序，開始后先經過初始化再根據(jù)要求來選擇對應的通道，然后結束。圖五為中斷服務程序，開始后看P2.0等于多少，對應的選擇溫度轉換還是濕度轉換，對應著顯示，然后結束。微處理器和溫濕度傳感器通信采用串行二線接口SCK和DATA，其中SCK為時鐘線，DATA為數(shù)據(jù)線。該二線串行通信協(xié)議和I2C協(xié)議是不兼容的。在程式開始，微處理器需要用一組"啟動傳輸"時序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯樱鐖D3所示。當SCK時鐘為高電平時，DATA翻轉為低電平；緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后又變?yōu)楦唠娖?；在SCK時鐘為高電平時，DATA再次翻轉為高電平。  

11、 圖7 數(shù)據(jù)傳輸啟動程序 5.3顯示原理圖圖8 LED顯示原理圖圖七為軟件方面的顯示原理圖，開始后，單片機經過初始化后接收數(shù)據(jù)，然后進行地址校驗，校驗不合格繼續(xù)接受數(shù)據(jù)，校驗合格的話取濕度給定值進而采樣溫濕度值，然后數(shù)碼顯示后上傳數(shù)據(jù)，繼續(xù)循環(huán)。溫度和濕度值的計算（1）SHT11可通過DATA數(shù)據(jù)總線直接輸出數(shù)字量濕度值。該濕度值稱為"相對濕度"，需要進行線性補償和溫度補償后才能得到較為準確的濕度值。由于相對濕度數(shù)字輸出特性呈一定的非線性，因此為了補償濕度傳感器的非線性，可按下式修正濕度值：式中：RHlinear為經過線性補償后的濕度值，SORH為相對濕度測量值，C1、C2

12、、C3為線性補償系數(shù)，取值如表2所列。     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非常有必要。補償公式如下：     式中：RHtrue為經過線性補償和溫度補償后的濕度值，T為測試濕度值時的溫度()，t1和t2為溫度補償系數(shù)，取值如表3所列。 表2濕度線性補償系數(shù) 表3濕度值溫度補償系數(shù)（2）溫度值輸出 由于SHT11是采用PTAT能隙材料制成的溫度敏感元件，因而具有非常好的線性輸出。實際溫度值可由下式算得：Temperature=d1+d2×SOT

13、60;   式中：d1和d2為特定系數(shù)，d1的取值和SHT11工作電壓有關，d2的取值則和SHT11內部AD轉換器采用的分辨率有關，其對應關系分別如表4和表5所列。表4 d1與工作電壓關系 表5 d2與分辨率的關系六、 總結設計及調試的體會通過這這次課程設計的學習，發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足，自己知識的很多漏洞，看到了自己的實踐經驗還是比較缺乏，理論聯(lián)系實際的能力還急需提高。 這次學習提高我在控制檢測電路和單片機系統(tǒng)應用方面的實踐技能，通過查找資料、調試、制作、等環(huán)節(jié)，掌握工程設計方法和組織實踐的基本技能，熟悉使用單片機及其外圍電路完成科學實踐的程序和方法。調試過程中有苦也有樂，

14、也從這過程中學到很多知識，為以后打下堅實的基礎。參考文獻1 李朝青單片機原理及接口技術（第三版）北京航空航天大學出版社，20052 童詩白,華成英模擬電子技術基礎(第三版)高等教育出版社，2006 徐愛鈞5051單片機實踐教程電子工業(yè)出版社，2005.3 王宗和單片機實驗與綜合實驗高等教育出版社，2005.12附錄：程序DATA=1;/釋放數(shù)據(jù)總線 /for (i=0;i<65535;i+) if(DATA=0) break; for (i=0;i<55535;i+) if(DATA=0) break;else xianshi(); read();/讀溫度 /溫濕度處理/ /計算溫

15、度/ text_jishuan_temp() float aa=0,bb=0,temp_zi;int abcd=0;aa=(float)temp_h*256+(float)temp_LL; temp_zi=0.01*aa-40;/ if (temp_zi<0) temp_zi=0; temp_zi=temp_zi*10; xianzhi_t=(int)temp_zi;/給顯示值 /計算濕度/ text_jishuan_humi() float aa=0,bb=0,humi_zi;int abcd=0; aa=(float)temp_h*256+(float)temp_LL; bb=aa*

16、aa*2.8/1000000; aa=0.0405*aa; aa=aa-4-bb; humi_zi=aa;/ humi_zi=humi_zi*10; xianzhi_h=(int)humi_zi; /延時/delay(int i) while(-i); /顯示處理/xianshi() int abcd=0; int i; for (i=0;i<1;i+) abcd=xianzhi_h; gwei=1; swei=1; bwei=1; qwei=1; P1=dispcodeabcd/100; qwei=0; delay(40); qwei=1; abcd=abcd%100 ; P1=dispcodeabcd/10; bwei=0; delay(40); bwei=1; if(s