多功能數(shù)字溫濕度計設計

第1章引言最常見的溫度測量方法是通過水銀溫度計來測量；測量濕度的方法則是干濕球濕度檢測法，此種方法過程復雜不易操作。并且這兩種測量方法都是通過人工進行檢測以及讀數(shù)，有著十分強的隨機記錄導致產(chǎn)生誤差。正因如此，我們就更要找到價格優(yōu)惠、能夠便捷的進行使用而且數(shù)據(jù)精準的溫濕度測量儀器。所以我選擇利用DHT11溫濕度傳感器來實現(xiàn)對溫濕度的檢測，利用單片機來為這個溫濕度測量儀器增加萬年歷功能，讓其實現(xiàn)多功能。本論文所使用的溫濕度測量儀器優(yōu)勢十分明顯，操作簡便易行，測量準確低誤，同等價格能獲得更高的性能，同時此測量儀器簡化了硬件電路，測量結果更易閱讀獲取，能夠很好的滿足工藝要求以及功能要求。本論文主要內(nèi)容需要以STC89C52作為控制器的基礎，DHT11濕度傳感器和溫度傳感器，DS1302、AT24C02分別為時鐘模塊、存儲模塊，而配備電位器的主要功能是對LED指示燈、按鍵等模塊進行管理，在具體操作時，需要通過LCD12864顯示溫濕度，時間，日期、鬧鐘等組合為溫濕度檢測系統(tǒng)。從硬件部分看，主要包括LCD12864液晶顯示模塊、AT24C02存儲模塊、LED指示燈模塊等內(nèi)容。1.1設計背景和意義現(xiàn)階段社會的發(fā)展帶動了人民群眾對高質(zhì)量生活需求的不斷提高，生活的精細程度成為了衡量高質(zhì)量生活的一個重要指標。因此，人們在日常生活和生產(chǎn)中不斷要求高效準確地檢測和控制溫濕度。與此同時，人工智能設備的快速發(fā)展與不斷創(chuàng)新帶動了溫濕度監(jiān)測的智能化發(fā)展和創(chuàng)新。如何讓溫濕度檢測的精確度更高，讓溫濕度呈現(xiàn)方式的智能程度更高成為了我們達成溫濕度測量目標的重要課題。在對比以往溫度測量設備，例如水銀溫度計時可以明顯看出該儀器在結果可讀性、測量準確性和操作簡便性上有明顯的不足。而現(xiàn)階段在濕度測量方面，通過干濕球顯示法獲取濕度數(shù)據(jù)的過程操作難度較高，數(shù)據(jù)可靠性較低。人工讀取測量結果的方式本身也存在缺陷，因此必須克服人工誤差，降低肉眼讀數(shù)造成的不良影響。本論文內(nèi)容中介紹的以STC89C52型單片機設計為核心控制器的多功能溫濕度檢測系統(tǒng)，對實時變化的環(huán)境溫度與濕度具有極強的檢測能力，并且有很好的準確度。將此系統(tǒng)應用到日常生活當中便可以幫助人們實時掌握環(huán)境的溫濕度狀態(tài)，在超出溫濕度范圍時能及時采取措施。對于大棚種植、花圃和花卉栽培這種對溫濕度有要求的地方，對溫度信息和濕度信息進行即時的監(jiān)測就尤為重要。本系統(tǒng)就能適用于這些場景，能夠滿足溫濕度范圍調(diào)節(jié)的要求，并且為了體現(xiàn)“多功能”，本次設計中還加入了萬年歷以及鬧鐘的功能，可以觀察時間以及設定鬧鐘。1.2設計目標從本系統(tǒng)的設計目標進行分析，希望能建立以STC89C52單片機為控制中心，融入溫濕度檢測、萬年歷顯示等系統(tǒng)，在基礎功能執(zhí)行時，如下所示：（1）測量溫度和測量濕度分辨力分別是0.1℃、1%;（2）系統(tǒng)允許誤差范圍為±0.5℃和±5%以內(nèi);（3）用戶可通過按鍵來調(diào)節(jié)溫濕度的上下限，當超出設定的閾值時系統(tǒng)將進行聲光報警。（4）用戶可以在LCD12864顯示屏上看到當前的日期、對應的農(nóng)歷日期以及時間，并且能通過按鍵對其進行調(diào)整。（5）該系統(tǒng)還有鬧鐘的功能，設定鬧鐘時間只需要借助該系統(tǒng)按鍵即可完成，設定的時間一到，鬧鐘便會響起。當然開啟或者關閉鬧鐘也能夠借助按鍵完成。（6）該系統(tǒng)實時監(jiān)測和采集環(huán)境的溫濕度變化數(shù)據(jù)和時間數(shù)據(jù)，并通過液晶屏幕顯示，便于記錄者讀數(shù)和記錄。1.3本文創(chuàng)新點本文在結合前任的研究基礎上以STC89C52型單片機設計為核心，設計出的溫濕度能夠?qū)崟r檢測出所處環(huán)境的溫濕度并且精度較高。本系統(tǒng)在設計時擴展了可使用的場景。同時本次設計中還加入了萬年歷以及鬧鐘的功能。第2章系統(tǒng)總體設計方案2.1系統(tǒng)總框圖本多功能數(shù)字溫濕度計的硬件部分如下圖所示。系統(tǒng)本身包括多個模組的內(nèi)容：將STC89C52單片機作為主控制系統(tǒng)的核心，而溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)、時鐘模塊、顯示模塊、存儲模塊的核心則分別選擇DHT11、DS1302、LCD12864、AT24C02，同時配備了蜂鳴器、按鍵以及LED指示燈，使其能調(diào)節(jié)溫濕度上下限、時間以及實現(xiàn)超出閾值時發(fā)出聲光報警的效果。圖2.1總體設計框圖STC89C52單片機屬于主控制器，能為溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)提供支持，在DHT11溫濕度傳感器部分，可以將收集整理的溫度、濕度信息，直接傳達至單片機完成管理，再由單片機將DS1302初始化后，DS1302讀取時分秒、星期以及年月日寄存器，接下來單片機把數(shù)據(jù)處理完成之后發(fā)送顯示指令給液晶顯示屏將數(shù)據(jù)顯示出來。按鍵模塊中的按鍵可以對溫濕度上下限、日歷、時鐘以及鬧鐘進行檢查和修正。2.2設計方案選擇2.2.1單片機的選擇方案一：AT89C52單片機是由美國ATMEL公司生產(chǎn)出來的，該單片機的運行電壓很低，但運行性能卻十分優(yōu)秀，是一種類屬CMOS型的八位單片機，整個器件所采取的技術是ATMEL公司所獨有的存儲技術，這種技術的密度很高，并且安全性很高，不容易丟失。單片機、MCS-51指令系統(tǒng)保持較好的兼容效果，單片機裝置則可應用8位中央處理器（CPU），運行性能非常優(yōu)秀，同時系統(tǒng)配置Flash存儲單元，使得整體的功能十分值得稱贊。此單片機內(nèi)的8K程序存儲器的制作方法采取的是FLASH，因為由FLASH工藝制得的單片機可以不要求高配的開發(fā)設備，更加高效的開發(fā)。除此之外，使用這種工藝所制得的單片機內(nèi)部的程序可以進行加密操作，使得可以很好的保護開發(fā)出的產(chǎn)品不被破壞。與此同時，市面上常見的物美價廉的單片機有8031，而AT89C52的價格比這個價格還要低一些，在市場上被流通銷售的數(shù)量也足夠多，足以供給使用者的需求。AT89C52的系統(tǒng)是目前市面上最小的一種，應用系統(tǒng)在合理范圍內(nèi)被最大程度上的縮小，使整個系統(tǒng)的性能更加可靠，并且使得整個開發(fā)過程的成本大大降低了。如果整個程序的長度可以不超過8K，4個I/O口無論哪一個都可以提供給用戶使用。在編程的過程中，采用的電壓大小僅為五伏，擦寫的時間也極短，僅為10ms。AT89C51芯片在篩選存儲加密方式時，將三級程序作為主導，這是一種硬加密手段，這種加密方法不僅非常靈活，而且可靠性很強，在三級程序為主導的加密方式支持下，能提升程序和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免被惡意模仿。PO口則是獨立的三態(tài)雙向口，通常情況下我們將其稱之為數(shù)據(jù)總線口，在選擇取名時，是因為外部存儲器行讀寫操作都需要以PO口進行輸出。方案二：雖然說STC89C52這一系列的單片機所配備的指令系統(tǒng)的兼容性很強，兼容范圍很廣闊，可以和AT89C52系列的單片機達到非常完美的兼容狀態(tài)，但是在實際操作應用過程當中，想達到這種狀態(tài)是很難得的：（1）要想下載AT89C52就需要用下載器才能達到目的，簡單的ISP是不行的。要想下載STC89C52，可以通過USB轉串口來實現(xiàn)，如果還有軟件的需求，還可以去STC廠家網(wǎng)上進行下載滿足需求。（2）ATC89C52的執(zhí)行速度不算緩慢，但STC單片機在對命令的執(zhí)行速度這一方面明顯更勝一籌，是前者的三倍到三十倍不等，雖然運行速度快本是一個好事，但是正因為兩種單片機的運行速度不同，因此在ATC89C52上可以進行良好運行的程序在STC單片機上運行的并不順利。舉個很簡單的例子，在運行過程當中，某些模塊對于時序的要求是很高的，將程序從AT轉到STC上后，就需要將延時加長，至于具體需要調(diào)整多少參數(shù)需要在實踐中自己摸索調(diào)整。（3）STC與AT所能適應的工作環(huán)境是不同的，后者對于工作環(huán)境的要求更高于前者一些。在采用STC時，即使電壓的大小已經(jīng)低于五伏，STC還是可以正常進行運轉的，但是這樣的工作環(huán)境換給AT就是完全不可以的。因此如果在一個已經(jīng)被應用了的系統(tǒng)由應用STC轉為使用AT無法正常工作的話，就可以通過檢查內(nèi)部的工作電壓來消除問題的所在。將以上提出的兩種方案作出一個對比，在以往的學習中了解到了數(shù)字電路的原理，并進一步學習了單片機原理，基本掌握了C所涉及的技巧與能力，作為學生，所能得到了資源是相對有限的，將實際情況與問題需求相結合，將STC系列的芯片應用到本論文的設計中。不僅如此，學校為我們所提供的基礎實驗設施使得選擇STC這一系列更加方便，成功率更高。在該系統(tǒng)中，主要的核心控制芯片采取的是STC89C52單片機，足以支撐整個系統(tǒng)及程序的運行，除此之外，價格更容易讓人接受，也十分方便的就可以下載程序。2.2.2傳感器的選擇方案一：首先需要考慮測量溫度這一部分，我們選擇的是DS18D20溫度傳感器。這種溫度傳感器的接口方式非常特別，采用的是單線式。其所能測得的溫度范圍較為廣闊，零下五十五度到一百二十五度，零下十度到85度都是可以的，誤差范圍也是可以接受的范圍內(nèi)，在±0.5攝氏度內(nèi)，其最高精度能夠達到0.0625攝氏度。其次需要考慮的就是濕度的測量問題。本論文設計所應用的HS1101電容式濕度傳感器可以檢測到更加廣闊的環(huán)境范圍，大致范圍在0%RH到100%RH內(nèi)波動，誤差同樣是可以接受的程度，在上下不超過2%RH之間。方案二：一體化取用溫濕度傳感器，若要以數(shù)字化的方式在顯示溫度的同時也一并顯示濕度，我們可以應用DHT11傳感器，因為其具有較好的集成屬性。此種同時顯示溫度和濕度的傳感器主要是將兩種技術相結合，從而顯示我們所需的結果，一種是數(shù)字模塊的采集技術，一種是溫濕度的傳感技術，這能夠保證傳感器的性能非常穩(wěn)定的發(fā)揮出來并且得到的數(shù)據(jù)是可靠的。完整的傳感器由三個部分相連組成的，一是電阻式的感濕元件，二是NTC測溫相關元件，三是性能受到普遍認同的8位單片機。正因硬件配備十分到位，該設備的品質(zhì)十分值得夸獎，響應速度極快，不易受到干擾影響，綜合下來，性價比非常高。它的測量范圍在20%RH到90%RH，零度到五十度之間，濕度的誤差上下不超過5RH，溫度的誤差上下不超過2攝氏度。和本次畢業(yè)設計所需的要求完全符合。綜上所述，采取方案一雖然能使實驗所得到的數(shù)據(jù)更加的精確，但是整個操作流程下來十分麻煩。方案二相比方案一雖然誤差更大一些，但是已經(jīng)足夠滿足本次設計所提出的需求了，而且整個操作過程以及實驗過程都能夠更方便一些，因此在本次設計中選擇方案二進行試驗。2.2.3顯示器的選擇方案一：靜態(tài)顯示方案，在制作靜態(tài)顯示模塊硬件部分時相對復雜，并且產(chǎn)生較高的功耗，此時需要綜合應用移位寄存器，但是需要確保不會對端口形成占用作用，并且需要在兩根串口線的配合下完成輸出。方案二：動態(tài)顯示方案，由于動態(tài)顯示模塊硬件生產(chǎn)時相對簡單和直接，所以可以直接在位掃描、段掃描位置配置獨立端口，所以合計需要占據(jù)單片機14端口，以這樣的方式進行處理，能降低模塊的整體成本，控制功率損耗，調(diào)整硬件的系統(tǒng)體積，使硬件更為小巧。方案三:LCD方案，在使用LCD方案時能確保硬件生產(chǎn)的簡單化，與單片機接口保持兼容性，展示更多樣化的信息、保持較低的操作成本和功耗。在LCD方案使用時，單片機能呈現(xiàn)多個字符，但是缺點也相對明顯，就是字符大小偏小。對比分析上述三個不同的方案和思路：方案一出現(xiàn)功耗偏高、體積偏大、操作復雜的特點；方案二出現(xiàn)功耗偏低、硬件操作簡便的特點；方案三出現(xiàn)硬件簡單化，能展示豐富內(nèi)容，功耗和成本較低等特點。結合本系統(tǒng)對能耗、成本、體積、信息顯示等多方面的需求，最終選用方案三，即LCD方案。2.2.4時鐘芯片的選擇方案一：以單片機定時計數(shù)器為基礎向系統(tǒng)提供秒信號，通過程序的使用，確保獲取年、月、日、時、分、秒等信息。在上述方案的配合下，能降低芯片的依賴性，控制整體的操作成本，然而對應的時間誤差偏高，所以本方案不予采納。方案二：以DS1302時鐘芯片的方式進行時間顯示，在功能上相對突出和穩(wěn)定，可智能的對秒、分、時、日、周、月、年等進行顯示，并且得到的結果十分準確，而RAM則作為數(shù)據(jù)暫存區(qū)，工作電壓和2.5V時耗電范圍分別是2.5V至5.5V、不高于300nA.2.2.5最終決定方案對比分析上述的方案，本系統(tǒng)設計確定如下思路：主控制系統(tǒng)、溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)、時鐘模塊、顯示模塊核心分別選擇STC89C52單片機、DHT11單片機、DS1302單片機、LCD12864單片機、AT24C02單片機，同時配備了蜂鳴器、按鍵以及LED指示燈。第3章軟硬件系統(tǒng)設計3.1硬件電路設計STC89C52單片機作為系統(tǒng)設計的核心內(nèi)容，能基于溫度傳感器、濕度傳感器檢測對應的數(shù)據(jù)信息，隨后將改變LCD液晶顯示屏操作，收集整理溫濕度實時信息、時鐘信息等。數(shù)字式溫濕度傳感器對應的DATA腳和STC89C52的P1.0口保持連接關系，時鐘芯片則接入P1.1~P1.3接口。12864液晶顯示屏連接在單片機的P2.5~P2.7口上。通過LCD12864將數(shù)值顯示出來，在超過設定的閾值時會進行聲光報警。能滿足時鐘信息展示，并且?guī)в恤[鐘功能。通過按鍵，能調(diào)節(jié)溫濕度的上下限；調(diào)節(jié)日期和時間；調(diào)節(jié)鬧鐘的時間以及鬧鐘的開關。采用DS1302時鐘芯片、紐扣電池以及AT24C02芯片，設置報警值等信息，隨后以掉電存儲的方式進行處理。3.2軟件部分設計圖3.1計算陽歷程序流程圖當接通電源開始工作后，單片機程序逐步啟動，隨后完成DHT11初始化設定。在初始化后的DHT11環(huán)境溫濕度則需要將檢測數(shù)據(jù)保存在單片機內(nèi)，此外DS1302所組成的寄存器可讀取分秒、星期、年月日等信息，單片機把數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后發(fā)送顯示指令給12864液晶顯示屏顯示出來。按鍵模塊中的按鍵可以對溫濕度上下限、日歷、時鐘以及鬧鐘進行調(diào)整。圖3.2系統(tǒng)流程圖第4章系統(tǒng)調(diào)試4.1硬件測試因為本次論文中介紹的多功能溫濕度計的電路系統(tǒng)的規(guī)模相比較之下比較宏大，因此，在對其進行焊接的過程中一定要十分仔細，一旦在焊接上出現(xiàn)了一處錯誤，就會影響整個系統(tǒng)的功能，嚴重的錯誤還會導致整個系統(tǒng)毫無反應。并且面對這么大的電路系統(tǒng)，錯誤的排查也是比較困難的，非常的費時費力。值得一提的是因為此系統(tǒng)中電路的交線情況復雜并且數(shù)量很多，導線外面的包裹材質(zhì)較薄軟，很容易被過于銳利的電路引腳刺破，從而引發(fā)短路，不能正常運作。所以說在焊接這一步驟上需要格外的仔細。4.2軟件測試本次設計的溫濕度計的功能多種多樣，數(shù)字型可以看到當前的日期信息和具體時間，能自動換算農(nóng)歷日期，并且可以設置鬧鐘。因為功能比較多，因此設計所需的程序內(nèi)容自然復雜一些,所以在程序的編譯和編寫上出現(xiàn)了許許多多難題。最終，反復操作錯誤排查，錯誤修改，將代碼逐步的檢查與完善，最終將編程部分的問題全部解決。以下是在編譯和編寫代碼過程中遇到的幾個比較大的問題：1．燒入程序后，溫度顯示85℃不變。解決：最重要的環(huán)節(jié)是檢查確認硬件電路有沒有出現(xiàn)虛焊和漏焊，接著排除程序編寫錯誤的問題，最后檢查發(fā)現(xiàn)是程序編寫中存在失誤，由于ds18b20的數(shù)據(jù)讀寫時間模塊沒有寫上延時，導致留給溫度的復位時間不足，所以導致了問題的產(chǎn)生。2．將日期修改后或者將時間修改后不能自動跳轉到對應的農(nóng)歷。解決：首先把與農(nóng)歷內(nèi)容無關的部分暫時屏蔽處理，防止干擾，拋開整個程序主體，講子程序作為研究對象進行調(diào)試，經(jīng)過不斷的檢查終于發(fā)現(xiàn)原來問題出在了調(diào)用農(nóng)歷的自動更新環(huán)節(jié)上，由于處理沒有發(fā)現(xiàn)十進制以及十六進制處理過程中的問題，所以才在此處發(fā)生了一系列的錯誤。發(fā)現(xiàn)問題之后，我及時改正了進制編寫上的問題，正確匹配了十六進制和十進制，軟件測試恢復正常。4.3測試結果分析與結論4.3.1測試結果分析DS1302需要將數(shù)據(jù)和微處理器結合，完成信息交換，其過程如下，電路將通過微處理器接收命令字節(jié)，MSB(D7)則代表命令字節(jié)最高點，在發(fā)送過程中，它必須保證邏輯是1，當D7=0時，則不允許寫DS1302，也就是寫保護；如果D6=0，系統(tǒng)中的時鐘數(shù)據(jù)固定，如果D6=1，RAM數(shù)據(jù)保持固定；當然，D5~D1也有其特定的功能，寄存器需要完成定向指定，這一工作就由其來實現(xiàn)；D5～D1則直接配置輸入/輸出寄存器；最低位LSB按照0邏輯進行操作，直接指向?qū)懖僮鳎芡瓿上到y(tǒng)的輸入步驟，如果D0=1，此時指向讀操作，也就是輸出操作。DS1302時鐘數(shù)據(jù)傳輸過程中，需要在內(nèi)部提前做好準備工作，為命令字節(jié)發(fā)送提供基礎，若輸出字節(jié)是單字節(jié)，8位命令字節(jié)將保留在特定的位置，隨后在SCLK周期中逐步提升至對應的位置，隨后數(shù)據(jù)字節(jié)將進行內(nèi)部傳到，同時能在后續(xù)8個SCLK周期中，逐步將數(shù)據(jù)字節(jié)完成輸出處理。DS1302和RAM在寄存器中劃分2個類型：首先是單個RAM單元，在單個RAM單元中配置31個單元，以8字節(jié)單位組件單元組態(tài)，控制指令輸出C0H～FDH，如果是奇數(shù)，此時可執(zhí)行讀操作，若輸出為偶數(shù)，此時可實施寫操作；然后是突發(fā)式RAM寄存器，在該模式下，RAM中的31個字節(jié)均開始獨立讀操作、寫操作。備用電源B1需要重視和關注，此時使用電池、0.1F超級電容器等基本滿足設計標準，從主電源掉電后的耗電情況看，DS1302與其他相比有所降低，然而由于始終需要在很長一段時間內(nèi)保持正常運作的狀態(tài)，所以小型充電電池最為合適。此時可基于老式電腦主板配置充電電池（3.6V），從斷電周期看，一般會在幾個小時或者幾天直接完成，也可以選擇漏電偏低的普通電解電容器直接取代。100μF支持下，即可保證1小時正常運動時間。DS1302在完成首次加電，要將整個部分初始化。完成初始化設定后，可以結合常規(guī)思路進行時間調(diào)整。4.3.2測試結論多次試驗，我們收集了數(shù)據(jù)進行了深度的分析，進而掌握更全面的電路管理原理，熟悉電路的發(fā)展歷程，促進電路分析能力、設計能力的提高。從軟件編程的角度分析，對應的能力也有一定的改善，使以往所學的知識真正應用到了實踐當中，得到了提升。通過對本系統(tǒng)的設計，可以實現(xiàn)實時檢測當前環(huán)境下的溫濕度參數(shù)值并顯示出來，還可以調(diào)節(jié)溫濕度的上下限，能較好地實現(xiàn)測量溫濕度的目標，設計出來的儀器具有一定的適用性。第5章結論經(jīng)過近兩個月的奮斗，對一名渴求知識，渴求在所學領域不斷成長的學生來說，無論是畢業(yè)選題、設計開題報告和準備答辯，還是設計電路圖、選擇所需元器件、焊接電路、調(diào)試軟件等每一個過程都是不斷打磨自己的過程。而本論文所呈現(xiàn)的設計思路是我在結合課程學習與論文文獻之后，在單片機在數(shù)字溫濕度計的設計和應用基礎上，不斷克服對陌生知識的學習恐懼，逐步熟悉和掌握單片機以及溫濕度傳感器理論知識和實踐應用，一步步提高對C語言的編寫軟件的水平?？紤]到本設計的組成部分為軟件和硬件電路，我一方面嘗試編寫軟件，并從零開始學習藍牙通信模塊以及如何調(diào)試手機串口，而后再根據(jù)程序設計硬件電路，但是由于對C語言的掌握程度不夠?qū)е潞罄m(xù)的硬件電路設計存在一些問題。另一方面，在全身心投入這次畢業(yè)設計時，我發(fā)現(xiàn)自己的綜合能力也得到了明顯提升，我學會了高效的自學，學會了如何從發(fā)現(xiàn)問題到解決問題一步步實現(xiàn)自我提升，這是親身實踐與參與才能獲取的知識。或許正是一次次的修改，一次次的調(diào)試，一次次的發(fā)現(xiàn)和解決問題才讓我從一味依賴課本知識到逐漸學會用雙手去觸摸和探索，這正