多点温度湿度检测系统的设计 传感器作业.docx
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多点温度湿度检测系统的设计传感器作业
多点温度、湿度检测系统的设计
摘要
本课题设计的是多点温度、湿度检测系统，可用于多种需要采集温湿度数据的场合。
其设计亮点之一是显示结果数字化，与传统温、湿度测量计比较，测量结果清晰明了，不需人为的观察刻度值来计算温、湿度值，减少了人为误差。
另一点是对温、湿度多点的测量，可以在一定的空间中放置多个温、湿度测量系统，进行多点温、湿度检测，即节省了资源又增大了测量范围。
本设计主要是以AVR系列的ATmega128做主控芯片，同时配合温度传感器18B20和湿度传感器DHT11，以及相关电路组成的检测系统，此系统可采集环境中的温度和湿度信号，采集的信号通过单片机进行处理，最后通过数码管显示测量结果。
本设计选用的温、湿度传感器为数字传感器18B20、DHT11，其与模拟传感器相比具有如下优点：
精度、分辨率更高，抗干扰性能更强，稳定性更高，便于处理和存储，易于实现多路检测，减小读数误差，能把被测（模拟）量直接转换成数字量输出。
关键词：
ATmega128；18B20；DHT11；单总线协议；74HC595
0引言
随着电子科技的迅速发展，对仓库、工厂、博物馆等等地方温湿度监测系统的要求不断增高。
防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标，它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性，为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作，但通常人们所使用的温湿度检测系统通常是精度为1℃或是0.1℃的水银、煤油或酒精温度计、湿度表、湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。
这些温湿度检测的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且它们的比热容还比较大，达到热平衡所需时间长，使用不方便，所以传统方法费时费力、效率低、误差大。
因此我们需要一种造价低廉、使用方便最好是数字化显示的温湿度测量仪。
有些地方，如博物馆，一些文物必须保存在适合的温度湿度范围内，以免文物长时间接触空气中的水分而造成文物损坏，而文物保存在适合的温度湿度范围内，其代价又太大，有时难以承受。
所以，无论如何，都有必要实时监控空气中的温度湿度，必然需要一种价格低廉，使用方便的测量仪器来监控温度和湿度。
本设计从以上陈述的问题出发，设计实现了多点温度、湿度实时监测系统，主要是以AVR系列的ATmega128做主控芯片，同时配合温度传感器18B20和湿度传感器DHT11，以及相关的外围电路组成的检测系统，可以接受所测环境的温度和湿度信号，得到的测量信号经电路转换为电信号，然后通过单片机进行数据处理，最后通过数码管显示测量结果，检测人员可以通过数码管所显示数据，实时检测环境的温度和湿度情况。
多点温湿度检测系统的设计主要是区别于单点而言，对环境的多个点进行测试可以更好的掌握工作环境并实现实时检测，在设计中我实现了两个点的检测，每个点的温度或湿度检测是通过开关控制的，按下相应的开关就实现对应点温度或湿度的检测。
1温度、湿度检测技术的意义与发展历程
1.1意义
温度、湿度检测在人们现实生活生产中应用广泛，在发电厂、纺织、食品、医药、仓库、农业大棚等众多的应用场所对温度、湿度参量的要求都非常严格，因此能否有效对这些领域的温、湿度数据进行实时检测和控制是一个必须解决的问题。
1.2发展历程
最早的也是最简单的实现对温度、湿度的检测是采用人工的方式，这种方式不仅效率低，劳动时间长，而且会由于抽样的不具代表性使得检测结果失去其原有的意义。
该方式还有一个弊端——其应用场所有很大的局限性，工作人员不可能直接测量地下电缆的表面温度，去提取存有炸药、鞭炮等危险品仓库温湿度数据的工作人员还要承担一定的风险。
后来随着电子技术的出现与进步，科研人员开始采用温度与湿度传感器代替原始的温度计与湿度计，开发了以单片机为核心的检测系统，并以接口芯片将结果显示在LED数码显示管上，单片机可直接控制打印监测数据。
这种方式在很大程度上提高了工作效率，并扩展了应用范围。
但其中所采用的温度、湿度传感器直接输出为模拟电压信号，该信号在传输过程中易损耗，影响系统精度，且传输距离较近，需要经过A/D转换芯片才能被单片机接收。
每个测试点都需要各自独立的信号线，为了实现多点监测不仅需要成百上千条信号线，还需要多路模拟转换开关电路轮流对多个测试点进行连续监测，从而增加了整个系统的环节，使其难于维护，价格昂贵。
近年来，伴随微处理器芯片和网络通信技术的发展，为了简化系统设计并降低成本，各公司及科研机构开始致力于相关领域的探索，使得温湿度数据检测数字化、网络化的实现成为可能。
其中美国达拉斯半导体公司推出了1-Wire（单总线）接口协议，单总线技术与其它总线不同，它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因此单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。
该公司所提供的适用于单总线微网技术的单总线器件具有无需另附电源、在测试点直接将模拟信号数字化等特点，一方面减少了系统环节，另一方面保证了系统的精度。
同时各软件公司开发的可视化软件开发工具，更是向着效率高、功能强大的方向努力，从而为获得良好的用户界面奠定了基础。
2系统总体设计
2.1系统实现的功能
此系统实现了对温湿度的实时采集，测量多个点的温度和湿度，根据测量空间或设备的实际需要由多路温度、湿度传感器对温湿度进行测量，多路温湿度的测量是通过开关控制的，只有按下相应的开关传感器才开始采集数据，数据通过单片机进行处理，最后通过数码管显示。
2.2系统组成模块
系统组成模块如下图：
图1
3硬件设计
3.1单片机
Atmega128特性介绍：
ATmega128是ATMEL公司开发的AVR系列单片机中功能最强的一种单片机，它是一种基于AVR增强性能、RISC结构的、低功耗的、CMOS技术的8位微控制器。
AVR单片机内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，所有的寄存器直接与算术逻辑单元相连接，一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器，这使得它的代码处理能力比常规的微控制器快10多倍。
ATmegal28使用哈佛结构，程序存储器和数据存储器分别保留在不同的空间，数据吞吐率可高达1MIPS/MHz。
在此设计中主要用到的是mega128的I/O口和SPI
3.2温度传感器18B20
3.2.118B20简介
美国DALLAS公司生产的18B20数字温度传感器，可以直接将被测温度转化为串行数字信号供微机处理，通过简单的编程实现9位的温度读数。
并且多个18B20可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。
由于每一个18B2O出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省大量的引线和逻辑电路。
与其它温度传感器相比18B20具有以下特性:
●独特的单线接口方式，18B2O在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与18B20的双向通讯；
●18B20支持多点组网功能，多个1820可以并联在唯一的三线上，实现多点测温；
●18B20在使用中不需要任何外围元件；
●测温范围：
-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内精度为±0.5℃，分辨率0.0625℃。
等效的华氏温度范围是-67°F～+257°F；
●通过编程可实现9～12位的数字读数方式。
温度转换成12位数字信号所需时间最长为750ms，而在9位分辩模式工作时仅需93.75ms；
●用户可自设定非易失性的报警上下限值；
●告警搜索命令可识别和定位那些超过报警限值的18B20；
●电源极性接反时,18B20不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
18B20采用3脚TO-92封装或8脚SO封装，管脚排列如图二所示：
图218B20管脚图
引脚说明如下：
NC:
空引脚，不连接外部信号。
VDD:
接电源引脚，电源供电3.0-5.5V。
GND:
接地。
DQ:
数据的输入和输出引脚。
DQ引脚的I/O为数据输入/输出端（即单总线），该引脚为漏极开路输出，常态下成高电平[14]。
3.2.2时序
（1）初始化
18B20每一次通信之前必须进行复位，复位时间、等待时间、回应时间应严格按时序编写。
图3复位、应答关系示意图
（2）写时间隙：
写时间隙分为写“0”和写“1”，时序如图七所示。
在写数据时间隙的前15uS总线需要是被控制器拉置低电平，而后则将是芯片对总线数据的采样时间，采样时间在15~60uS，采样时间内如果控制器将总线拉高则表示写“1”，如果控制器将总线拉低则表示写“0”。
每一位的发送都应该有一个至少15uS的低电平起始位，随后的数据“0”或“1”应该在45uS内完成。
整个位的发送时间应该保持在60~120uS，否则不能保证通信的正常。
图4写时序
（3）读时间隙：
读时间隙时控制时的采样时间应该更加的精确才行，读时间隙时也是必须先由主机产生至少1uS的低电平，表示读时间的起始。
随后在总线被释放后的15us中18B20会发送内部数据位，这时控制如果发现总线为高电平表示读出“1”，如果总线为低电平则表示读出数据“0”。
每一位的读取之前都由控制器加一个起始信号。
（注意：
如图所示，必须在读间隙开始的15uS内读取数据位才可以保证通信的正确。
）在通信时是以8位“0”或“1”为一个字节，字节的读或写是从高位开始的，即A7到A0.字节的读写顺序也是自上而下的。
图5读时序
3.2.3温度检测电路
18B20的供电方式有两种，一种是寄生供电，而另一种是外部电源供电方式，此设计采用的是外部电源供电方式。
这种方法的优点是在DQ线上不要求强的上拉[7]，总线上主机不需要连接其它的外围器件便在温度变换期间使总线保持高电平，这样也允许在变换期间其它数据在单总线上传送。
此外，在单总线上可以并联多个18B20，而且如果它们全部采用外部电源工作方式，那么通过发出相应的命令便可以同时完成温度变换[9]。
图6温度检测电路
如图9所示：
在单片机的PF3口挂接了3个18B20，可以实现对三个点的检测，此设计实现了两个点的测量，多余的一个可作为备用。
3.3湿度传感器DHT11
3.3.1DHT11简介
DHT11是广州奥松有限公司生产的一款湿温度一体化的数字传感器。
该传感器包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
通过单片机等微处理器简单的电路连接就能够实时的采集本地湿度和温度。
DHT11与单片机之间能采用简单的单总线进行通信，仅仅需要一个I/O口。
传感器内部湿度和温度数据40Bit的数据一次性传给单片机，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。
DHT11功耗很低，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。
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）
管脚排列如下：
图7DHT11管脚图
引脚说明：
VCC:
电源
DOUNT：
输出
NC：
空脚
GND：
地
3.3.2时序
DHT11传感器是通过奥松电子有限公司开发的单总线协议和上位机（控制器）进行数据通信。
DHT11传感器需要严格的读写协议来确保数据的完整性。
整个读写分为，上位机发送起始信号，上位机接收下位机发来的握手响应信号，读“0”，和读“1”四个步骤。
所有的信号除主机启动复位信号外，全部都由DHT11产生。
通过单总线访问DHT11顺序归纳如下：
●主机发开始信号
●主机等待接收DHT11响应信号
●主机连续接收40Bit的数据和校验和
●数据处理
（1）主机复位信号和DHT11响应信号
图8DHT11复位时序图
用户主机发送一次开始信号（低电平）DHT11从低速模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束（拉高）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。
注意：
总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。
DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送低电平响应信号。
主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后,读取DHT的回应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。
（2）DHT11开始发送数据流程
主机发送开始信号后,延时等待20us-40us后读取DHT11的回应信号，读取总线为低电平,说明DHT11发送响应信号，DH11T发送响应信号后，再把总线拉高,准备发送数据,每一bit数据都以低电平开始,格式见下面图示。
如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常。
图9读DHT11数据流程图
（3）数字“0”信号表示方法
数字“0”表示方法为，首先DHT把总线拉低12-14us然后拉高，高电平保持时间在26-28us这个范围内。
则此比特为“0”电平。
图10信号“0”时序图
（4）数字“1”信号表示方法
数字“1”表示方法为，首先DHT把总线拉低12-14us然后拉高，高电平保持时间在116-118us这个范围内。
则此比特为“1”电平[15]。
图11信号“1”时序图
3.3.3湿度检测电路
DHT11感知湿度变化的灵敏度十分高，能够在短时间内迅速感知外部湿度的变化，供电电压为3.5-5.5V，传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间不要发送任何指令，电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波[12]。
DHT11数字湿温度传感器连接电路简单，只需要占用单片机一个I/O口即可完成上下位的连接，另外，连接线长度短于20m时用5K上拉电阻,大于20m时根据实际情况使用合适的上拉电阻[8]。
图12湿度检测电路
如图14所示：
上图可实现三个点的监测，而我在设计中实现了两个点的检测，其中一个备用。
3.4单总线协议
单总线（1-wire）技术是近年来由美国Dallas半导体公司研发的一种总线技术。
与SPI等多种标准串行数据通信方式不同，它采用单根信号线传输时钟和数据，以其具有的节约I/O资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等优点越来越多的被广泛应用于民用电器、工业控制领域。
单总线适用于单个主机（master）控制一个或多个从机（slave）设备的系统。
当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作，当有多个从机设备时，系统可按多节点系统操作。
其中主机可以是微控制器，从机为单总线器件。
在Dallas的产品中，这类单总线器件有温度传感器、一线存储器、A/D转换器、可寻址开关等。
与其它如并行、串行及专用总线相比，单总线突出的特点是主机控制器件的地址线、数据线和控制线合成为一条信号线与从机设备进行双向的数据交换。
所以在有多路多个测控对象时，系统的布线简单、方便。
但是较小的硬件开销需要相对复杂的软件设计进行补偿。
由于单总线系统只用了一根信号线作为总线，为了保证总线上的每个器件都能够在不同的时间段中驱动总线，就必须能够有效的区分总线上的不同器件。
因此在单总线器件制作时都编制了唯一的芯片序列号，通过寻址就能把每个器件识别出来，单总线器件采用CMOS技术，耗电量很小，如果不单独供电，仅在总线空闲时利用信号线充少量电就可以工作了。
单总线上通常处在高电位，挂在它上面的器件必须是漏极开路或者是三态门输出的，当其不工作时不会给总线增加负担。
单总线的数据通常以16.3Kbps的速率通信，超速模式下，用户可设定传输速率为100Kbps左右，一般用于对速度要求不高的测控或数据交换系统中。
单总线技术的作用距离一般达到200m，并允许挂接上百个器件。
在本设计中主机为单片机，从机为单总线器件，经过单线接口访问单总线器件有严格的单总线命令序列如下：
●初始化
●ROM操作命令
●存储器操作命令（功能命令）
●数据传输
每次访问单总线器件，都必须严格遵守这个命令序列。
如果出现序列混乱，则单总线器件不会响应主机[11]。
3.5数码管显示电路
3
3.5.1数码管显示电路
此模块采用的是mega128单片机的SPI接口与74HC595进行数据传输，74HC595将单片机送过来的8位串行数据转换成8位并行数据来驱动4位共阴数码管段选，位选与单片机的I/O（PC0、PC1、PC2、PC3）口连接。
LED数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。
在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。
由于常规的数码管用电电流只有1～2mA，最大极限电流也只有10～30mA，所以它的输入端在5V电源或高于TTL高电平（3.5V）的电路信号相接时，一定要串加限流电阻，以免损坏器件，原理图如图18。
图13数码管显示电路
4软件设计
4.1程序流程图
4.1.1温度检测模块
18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换，转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的0，1字节。
单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0．0625℃／LSB形式表示。
总线上接多个18B20流程图[1]：
4.1.2湿度检测模块
在设计中使用DHT11作为湿度采集部分，系统采集到湿度信号后，送数码管显示，传感器输出的是未编码的二进制数，一次完整的数据传输为40bit，高位先出。
DHT11采集湿度流程图[4]：
4.2程序说明
在此设计中使用的软件开发工具是Avrstudio4.0，程序主要有温度显示模块、湿度显示模块、开关模块、数码管显示模块，在此只对温湿度显示模块的部分程序做一解释。
4.2.1温度显示模块
unsignedchargettemp（unsignedcharx）
//读取温度值,x表示是第几个传感器，在此设计中我用了2个，所以x=0或1
{
unsignedchartemh,teml,wm0,wm1,wm2,wmb,wms,wmg,temp,i;
init_1820（）;//初始化18B20
write_1820（0xCC）;//跳过ROM
write_1820（0x44）;//温度变换
init_1820（）;//初始化
write_1820（0x55）;//匹配ROM命令，匹配传感器的序列号
for（i=0;i<8;i++）
{
write_1820（id[x][i]）;//18B20开始采集信号
}
write_1820（0xbe）;//写暂存存储器
teml=read_1820（）;//从低位开始读数据
temh=read_1820（）;
wm0=teml>>4;
wm1=temh<<4;//只要高8位的低四位和低8位的高四位，温度范围0~99
wm2=wm1+wm0;//16进制转10进制
wmb=wm2/100;
wms=（wm2%100）/10;
wmg=（wm2%100）%10;//wms表示十位，wmg表示各位
temp=wms*10+wmg;
returntemp;
}
4.2.2湿度传显示模块
voidDHT11_rdata0（void）//读取湿度函数
{
unsignedchari=0,j=0,count=0;
while（PINF&（1<<0））;//等待数据线高电平结束
for（i=0;i<=15;i++）//读16位数据
{
while（!
（PINF&（1<<0）））;//1bit开始低电平信号结束
_delay_us（30）;
if（PINF&（1<<0））//输入为“1”
{
DHT11_readdata<<=1;
DHT11_readdata|=0x0001;
}
else
DHT11_readdata<<=1;//输入为“0”
flag=2;
while（（PINF&（1<<0））&&flag++）;//等待高电平结束
if（flag==1）
break;
}
DHT11_data[count++]=DHT11_readdata;//把读取的数据放入DHT11_data[]中
}
5系统调试
5.1硬件调试
硬件调试方面的问题主要是元器件的虚焊而导致传感器在采集信号时不够稳定，经过进一步调试已有改善。
5.2软件调试
软件方面主要是编程方面的问题，在此之前虽然对mega128单片机已有简单了解，但在编写时还是存在很多问题。
在设计中需对各个子模块先进行调试，逐次实现各模块功能，再把各个模块进行联调。
首先是数码管显示模块程序的编写，数码管采用74HC595驱动，74HC595将单片机送过来的8位串行数据转换成8位并行数据来驱动数码管，节省了I/O口。
编译完成将程序下载后发现数码管不亮，经检查发现是对74HC595设置不正确，主要问题出在11（移位寄存器时钟输入）、12（存储器时钟输入）管脚的设置，本应该是上升沿有效，而我设置成了高电平有效，经过修改数码管显示正常。
温、湿度传感器是挂接到单总线上实现通信的，每次访问单总线器件，都必须严格遵守命令序列，所以问题出的最多的是每个传感器的读写时序程序的编写。
温度传感器18B20每一次通信之前必须进行复位，复位时间、等待时间、回应时间应严格按时序编写，刚开始在编写程序时只进行了一次复位，结果显示不正确，修改后显示正常。
18B20的写时间隙和读时间隙需严格遵守规定，主机发送起始信号后设置为输入，等待接受传感器的回应信号，mega128单片机在编写程序时必须明确规定I/O口是输入还是输出，针对其数据的传送方向对每个I/O口的三个寄存器DDxn、PORTxn、PINxn进行设置，之前由于对传感器时序读写理解不透，在程序下载后传感器不能采集信号，通过对18B20中文手册的仔细阅读，修改了程序中读写时序部分程序，温度开始正常采集[5]。
湿度检测模块中存在的问题较少，但湿度传感器DHT11在采集数据时由于通信时间太长数码管会出现短暂的熄灭，主要因为单片机中的程序是顺序执行的，在执行采集程序时不会执行显示程序，所以数码管会熄灭，后来把数据更新子程序放到定时器中断函数中让它2ms扫描一次，这样数码管就不会熄灭。
最后为了便于控制传感器，在设计中加入了开关控制模块[2]。
起初编写的程序是下降沿触发传感器，但是存在弊端，每按下开关触发一次下降沿，传感器采集一次数据，数码管显示采集的数据，但是当环境发生变化时，如果没按下开关（即没有再一次的下降沿），传感器不会采集信号，如果要数据不断的更新就必须不断的按下开关，这样极易损坏开关按键，所以最后我采用了低电平有效，只要是开关按键按下，传感器会一直采集信号，当环境发生变化时数码管会立即更改其数据。
总结
（1）总结
通过这次设计，我收获颇多。
前期做了很多准备工作，查看了很多资料，并研究其
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