空气温湿度检测报警系统.docx
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空气温湿度检测报警系统
1.前言
随着人们的生活水平越来越高，对环境的要求也越来越高。
尤其是目前生活节奏的加快，许多人都出现了亚健康的状态，因此空气温湿度的检测对于现代人来说也变得十分重要。
为了更加有效的保证人们生活环境的安逸和舒适，同时也为了人们生活的更加健康，人们已不满于目前的居住环境，对家庭提出了更高的要求，智能化被引进了家庭，并且迅速在全国乃至世界范围内普遍发展开来。
由于自然环境污染越来越严重，城市人口越来越多等，适宜人们生活的温度以及湿度越来越难以达到标准，常见的南北气候差异，北方冬天异常干燥，南方却阴冷潮湿，为了满足最适宜人们生活的最佳温度和湿度，我们需要研究一种便于提醒和控制温湿度的装置，人们可以根据不同季节以及个人的需要进行不同的调整，以便达到最佳的居住环境。
这不仅仅是对于环境要求的进步，同时也体现了现代文明的发达与先进。
而对于我们来说，如何有效地在合适的时间内对环境做出相应的措施却难以把握，因此我们需要采取有效的措施，以满足人们对环境的要求。
随着时代的进步和发展，单片机技术已经普及到我们生活，工作，科研，各个领域，已经成为一种比较成熟的技术。
随着电子芯片集成化、小型化速度加快及芯片制作技术的提高，国内外在湿度传感器研发领域取得了一定的进步，湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度检测技术提高到新的水平。
本文将介绍一种空气温湿度检测报警系统，它所使用的传感器，是采用DHT11温湿度传感器来采集温湿度的信号，将采集到的数字信号所获得的数据直接送入STC89C52的单片机中，单片机再对数字信号进行处理，经过单片机处理的信号再次通过1602字符液晶显示器将温湿度值显示出来，若通过温湿度传感器所采集的数据过高，则会通过报警电路发出报警，提醒人们空气中的温湿度对人的身体不利。
2.总体方案设计
2.1方案论证
方案一：
利用温湿度传感器DHT11采集信号,将输出得到的数字信号直接送到单片机内部，经单片机处理后，通过1602液晶显示器进行显示。
若超出预设温湿度值的范围，则驱动报警电路进行报警，已达到监控空气的温湿度，方便随时对空气的温湿度进行检测，保证人体处于一个合适的空气环境。
原理框图如图2.1所示。
图2.1方案一结构框图
方案二：
利用温度传感器DS18B20进行采集空气中的温度信号,湿度传感器HMP45D采集空气中的湿度信号，将两个传感器输出得到的信号送到单片机内部进行处理，通过单片机处理后，再由1602液晶显示器显示当前空气温度和湿度的值。
若超出预设的温湿度值的范围，则驱动报警电路进行报警，已达到监测空气的温湿度。
其原理框图如图2.2所示。
图2.2方案二结构框图
DS18B20
温度传感器
报警电路
STC89C52
（单片机）
HMP45D
湿度传感器
1602液晶显示
DS18B20
温度传感器
报警电路
STC89C52
（单片机）
HMP45D
湿度传感器
1602液晶显示
DS18B20
温度传感器
报警电路
STC89C52
（单片机）
HMP45D
湿度传感器
1602液晶显示
2.2方案比较与选择
两种方案都能实现对空气温湿度的检测，但在方案二中，分别温度传感器和湿度采集到的信号直接送给单片机进行处理，虽然能够有液晶显示温度和湿度，但该方案需要两个液晶显示，成本较高，而且传感器不能保证是同一时间所采集，导致精度不够高。
而方案一根据DHT11采集空气中的信号，输出数字信号给单片机进行处理，再通过1602字符液晶进行显示。
通过检测到空气中的温室度值与预设温湿度值进行比较，若超出了预设值范围，则通过蜂蜜器进行报警，提醒人们所处环境温湿度不合适。
通过这种方式，提醒人们所处环境的空气质量，这样检测的空气温湿度对人类更加有帮助。
与方案二比较，增加了测量空气温湿度的精度，而且成本较低，硬件设计电路较简单，所以选择方案一。
3.单元模块设计
3.1STC89C52单片机系统模块
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单片机系统电路中，包括复位电路，时钟电路，LCD1602显示电路，MAX232电平转换电路。
时钟电路选择的晶振为12MHZ。
LCD1602可以显示16×2个字符，用于显示测得的光参数数据和相应的时刻。
由于单片机的电平逻辑是TTL/CMOS电平逻辑,MAX232是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。
该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。
选择MAX232芯片实现TTL电平与EIA电平的转换，通过RS232传输线可以与PC机实现串行通讯。
LCD1602是自带字符库的LCD液晶显示器，可以显示16×2个字符，此电路中由P0口控制读写的数据。
系统原理图如图3.1所示。
图3.1STC89C52单片机系统模块电路图
3.2电路模块
3.2.1蜂鸣器电路
本设计采用把计算机采集的数据进行数据处理，与该参数上下限与给定值进行比较，如果高于上限值则进行报警，否则就作为正常值进行显示。
本设计采用蜂鸣器报警电路。
如图3.2所示。
蜂鸣器额定电流≤30Ma,而对于AT89S51单片机，P3口的灌电流为15mA,由此可见，仅靠单片机的P3口电流是不能驱动蜂鸣器的，必须使用晶体管放大电路，为了使单片机的功率更小，所以使用PNP型晶体管,当外部环境的温度或者湿度超过预设值的时候，基极变为低电平，蜂鸣器导通鸣叫。
图3.2蜂鸣器电路
3.2.2晶振电路
单片机系统都有晶振，它结合单片机内部电路产生所需时钟频率。
单片机晶振的时钟频率越高，那么单片机的运行速度就会越快，单片机的一切指令执行都是建立在单片机晶振所提供的时钟频率。
单片机晶振的作用是为系统提供时钟信号，通常一个系统共用一个晶振，以便于各部分保持同步。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率，可以用于同一个晶振项链的不同锁相环来提供的。
单片机89C52的晶振电路采用无源晶振，微调电容取22pf。
图3.3即为晶振电路。
图3.3晶振电路
3.2.3复位电路
本次设计采用的是上电复位，而51单片机采用的都是高电平复位，当RST引脚上出现了两个周期以上的高电平就会触发内部复位，这里的EA端与复位电路无关，由于数据都放在了内部存储器，所以连接EA只是直接拉高引脚，如图3.6所示：
图3.4复位电路
3.3电源模块
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,所以电源模块只需数字电源，负责为系统的数字部分提供电源。
数字电源是采用数字方式实现电源的控制、保护回路与通信接口的新型电源技术。
数字电源是为了克服现代电源的复杂性而提出的，它实现了数字和模拟技术的融合，提供了很强的适应性与灵活性，具备直接监视、处理并适应系统条件的能力，能够满足几乎任何电源要求。
由于数字电源的集成度很高，系统的复杂性不随功能的增加而增加过多，外围器件很少（数字电源的快速响应能力还可以降低对输出滤波电容的要求），简化了设计制造流程。
数字电源不存在模拟电源中常见的误差、老化（包括模拟器件的精度）、温度影响、漂移、补偿等问题，无须调谐、可靠性好，可以获得一致、稳定的控制参数。
同时，数字电源的智能化可保证在各种输入电压和负载点上都具有最优的功率转换效率；而且，数字电源的自动诊断、调节的能力使调试和维护工作变得轻松。
因为数字操作相对简单，所以更容易校准。
改变性能时不需要改变硬件，容易实现定时，可以达到很高精度。
数字电源是由经变压器变压和电桥整流电容滤波后再由三端稳压器7805转换为+5V的数字电源，为系统数字部分提供电源。
其原理图如图3.4所示。
图3.5数字电源电路图
3.4液晶模块
液晶（LiquidCrystal）是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始广泛应用在轻薄型显示器上。
液晶显示其（LiquidCrystalDisplay,LCD）的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。
为叙述简便，通常把各种液晶显示器都直接叫做液晶。
LCD1602主要技术参数，如图表2.4所示。
表3.11602的主要技术参数
工作电压
4.5—5.5V
容量
16×2个字符
最佳工作电压
5.0V
工作电流
2.0mA
字符尺寸
2.95×4.35（W×H）mm
在设计1602与单片机的接口时，我们将D0-D7八个数据口与P0口相连，但必须注意单片机AT89S52的P0口不带上拉电阻，所以必须附加10K的上拉电阻。
由于我们只对液晶进行写液晶指令和数据，而不进行对液晶的读操作，所以R/W（5脚）应接低电平，即接地。
其余引脚与单片机的接法如图3.5所示
图3.5液晶显示电路模块
3.5DHT11温湿度传感器
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
产品为4针单排引脚封装。
连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。
表3.2DHT11基本参数
型号
测量范围
测湿精度
测温精度
分辨力
封装
DHT11
20－90％RH0－50℃
±5％RH
±2℃
1
4针单排直插
性能指标和特性如下：
工作电压范围：
3.5V-5.5V
工作电流：
平均0.5mA
湿度测量范围：
20－90％RH
温度测量范围：
0－50℃
湿度分辨率：
1％RH8位
温度分辨率：
1℃8位
采样周期：
1S
单总线结构
与TTL兼容（5V）
主要特点：
1．高稳定性，安装维护操作简便；
2．支撑的材料为环氧树脂，强度和寿命得到保证；
3．密封性好，可长期埋入土壤中使用，且不受腐蚀；
4．采用标准的电流环传送技术使其具有抗干扰能力强，传送距离远，测量精度高，响应速度快；
5．土质影响较小，应用地区广泛,价格低廉，TDR-3A型土壤水分温度（一体）传感器是将温度和湿度集于一体，具有密封，防水，精度高等特点，是测量土壤温度和湿度的理想仪器。
DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明。
当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。
操作流程如下:
一次完整的数据传输为40bit,高位先出。
数据格式:
8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。
用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据,并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。
从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集，采集数据后转换到低速模式。
4.软件设计
设计使用的开发软件为Keil编程环境软件。
Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。
设计采用的是使用最广泛的C51语言进行程序设计。
C51语言是一种结构化语言。
它层次清晰，便于按模块化方式组织程序，易于调试、维护和移植。
C51语言的表现能力和处理能力极强，能完成较大或较复杂工程的编写。
本设计主要功能是对外部信号进行采集，同时控制信号显示和传送。
因此在编程中主要涉及三个模块：
CPU控制和数据处理模块、温湿度采集模块、LCD1602显示模块。
程序设计结构主要包括：
程序初始化模块、外部数据采集模块、显示程序模块。
初始化程序对定时器T0，T1的方式控制寄存器等进行初始化。
定时器T1定时，用LCD1602显示程序实现光参数显示。
其软件流程图如图4.1所示。
图4.1程序设计流程图
4.1主程
{
lcdinit（）;
delay（10）;
while
（1）
{
display（）;
}
}
当温湿度感器输出的数据送入单片机内部后，单片机就采集数据，单片机处理数据的过程用C语言编写。
即经过软件计算将转换后的二进制计算后生成16进制数，最后在液晶上显示。
C语言是在VB的基础上发展起来的，C语言的主要特点如下：
语言简洁、紧凑，使用方便灵活；
数据类型丰富，具有现代语言的各种数据结构；
具有结构化的控制语句；
可操作性强，直观，易懂；
生成目标代码质量高，程序执行效率高。
4.2初始化程序
单片机在初始化后，依据程序步骤采集温度，然后串行送到单片机里进行数据处理，并在液晶上显示温度。
当采集到的温湿度值超过预设定值的范围，则发出报警声。
整个程序步骤大致如下：
芯片初始化：
voidstart（）//开始信号
{
io=1;
delay1（）;
io=0;
delay（20）;//>18ms
io=1;
delay1（）;//20-40us
delay1（）;
delay1（）;
delay1（）;
delay1（）;
}
Lcd初始化：
voidlcd_init（）//初始化
{
write_cmd（0x38）;
delay
（1）;
write_cmd（0x08）;
delay
（1）;
write_cmd（0x01）;
delay
（1）;
write_cmd（0x06）;
delay
（1）;
write_cmd（0x0c）;
delay
（1）;
}
4.3DHT11程序
通过DHT11传感器采集的信号，依据程序采集空气中的温湿度，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据,并触发一次信号采集，进行下一次的数据采集。
Y
图4.2DHT11数据采集流程图
4.41602液晶显示程序
在主程序中调用LCD显示子程序。
LCD显示程序分两个步骤：
一是写命令，二是显示数据。
写命令和写数据时序不同，写命令时：
先将命令字送P0口，然后设置时序RS=0,R/W=0,E下降沿，读取标志位，等待命令字写入完毕。
写数据时：
将要显示的数据送P0口，然后设置时序RS=1,R/W=0,E下降沿，读取标志位，等待数据写入完毕。
图4.3LCD1602液晶显示子程序流程图
程序如下：
voiddisplay（ucharaddr,ucharq）//在某一地址上显示一字节
{
delay（10）;
write_addr（addr）;
write_byte（q）;
longdelay
（2）;
}
4.5报警程序
在主程序中调用报警的程序，首先将传感器采集到的数据通过单片机进行处理，再与预设温湿度的值进行比较，若超出了该范围，则蜂蜜器鸣叫报警。
其程序如下：
If（RH<30||RH>80||TH<11||TH>32）
{
bee=1;
}
elsebee=1;
5.仿真与调试
5.1软件介绍
Protues软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、KEIL和MPLAB等多种编译。
图5.1软件截图
5.2仿真
本设计的仿真是基于ISIS仿真软件平台上进行的，最好下载程序显示。
其仿真图如图5.2所示。
图5.2系统仿真示意图
5.3调试
调试所使用工具包括：
Keil、Protues、万用表。
总结与体会
通过这次课程设计令我有了很多的心得体会。
通过靳斌老师讲解课程设计的流程图，对做课程设计有了整体的把握。
即选题、收集资料、方案设计、电路设计、电路仿真、程序设计、调试。
首先选题和收集资料都是为方案设计做准备的。
因为要做仿真图出来的，所以在方案设计上有很多注意的地方，并不是理论上得出结论就可以了，还要考虑方案的可靠性，实用性，使用价值等问题。
对于传感器的选择，我是通过上网查阅各种资料后，在找出多种传感器后，综合考虑后而选择的。
通过靳斌老师的细心指点和在网上收集资料最终确定做温湿度的检测，并给出了具体的方案设计。
在确定方案后，由于对课本知识的学习不够以及没有在实验室，缺乏实际的动手能力，所以一开始不知道怎么电路设计和电路仿真.在靳斌老师的指点下，经过自己的努力，学会了运用相关软件完成了对电路的设计和仿真。
但是后来经过老师和同学的指导与帮助，我还是顺利的完成了此次设计工作。
通过这次的课程设计，学到了很多知识的应用，自己以前对它的了解只是表面。
然后仿真，我是用ISIS仿真软件进行的。
对于设计来说最难的就是调试。
我通过对电源，LCD显示，单片机进行一步一步的调试。
在整个电路的调试中，硬件电路和软件设计调试基本通过，实现了对外部数据的采集、串口通讯、单片机内部信息处理、最后显示等功能。
在老师的细心指导和同学的帮助下，我最终完成了本次的课程设计。
在这里，对帮助过我的老师和同学表示最衷心的感谢！
参考文献
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[5]何立民.单片机高级教程（第1版）[M].北京航空航天大学出版社,2001
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[8]郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].电子工业出版社,2009
附录1：
空气温湿度检测原理图
附录2：
空气温湿度检测源程序
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
typedefbitBOOL;
sbitio=P1^0;
sbitrs=P2^6;
sbitrw=P3^6;
sbitep=P2^7;
uchardata_byte;
ucharRH,RL,TH,TL;
/***********************************************************************************************************
************************************************延时模块***************************************************/
voiddelay（ucharms）
{//延时子程序
uchari;
while（ms--）
{
for（i=0;i<250;i++）;
}
}
voiddelay1（）//延时10us
{
uchari;
i--;
i--;
i--;
i--;
i--;
i--;
}
voidlongdelay（uchars）//长延时
{
while（s--）
{
delay（60）;
}
}
/**************************************************************************************************************
***********************************************LCD模块********************************************************/
BOOLlcd_bz（）//测试LCD忙碌状态
{
BOOLresult;
rs=0;
rw=1;
ep=1;
result=（BOOL）（P0&0x80）;
ep=0;
returnresult;
}
voidwrite_cmd（ucharcmd）//写指令
{
while（lcd_bz（））;
rs=0;
rw=0;
ep=0;
P0=cmd;
ep=1;
ep=0;
}
voidwrite_addr（ucharaddr）//写地址
{
write_cmd（addr|0x80）;
}
voidwrite_byte（uchardat）//写字节
{
while（lcd_bz（））;
rs=1;
rw=0;
ep=0;
P0=dat;
ep=1;
ep=0;
}
voidlcd_init（）//初始化
{
write_cmd（0x38）;
delay
（1）;
write_cmd（0x08）;
delay
（1）;
write_cmd（0x01）;
delay
（1）;
write_cmd（0x06）;
delay
（1）;
write_cmd（0x0c）;
delay
（1）;
}
voiddisplay（ucharaddr,ucharq）//在某一地址上显示一字节
{
升级会员 