温湿度测量系统设计.docx

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温湿度测量系统设计

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摘要

本毕业设计设计了一个宽量程多点智能化的温湿度监测应用系统。

随着科学技术的日新月异，人类社会取得了长足的进步！

在居家生活、工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境中的湿度和温度进行测量及控制。

本系统采用技术成熟的SHT11芯片作为测量湿度和温度的传感器。

SHT11是内部集成IIC总线接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器。

SHT11具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。

SHT11全量程标定，并且可以二线数字输出。

SHT11的湿度测量范围为0—100%Rh，温度测量范围为-40℃—+123.8℃，湿度测量精度为±3.0%Rh，温度测量精度为±0.4℃，响应时间<4s;内部自带信号调理电路和A/D转换电路。

控制系统芯片采用技术成熟，功能强大、价位低廉大众化的AT89C51单片机。

LED显示电路,声光报警电路都由AT89C51单片机控制。

同时设计了能给系统提供稳定工作电压的电源电路。

为了提高系统的抗干扰性能，对湿度、温度的检测采用了硬件抗干扰和软件抗干扰的综合方法。

硬件采抗干扰措施采用集成看门狗芯片DS1232，它使系性能得到了改善。

最后设计了系统各个功能部分的软件程序。

在设计中，对误差产生的原因也进行了一些理论上的分析，并证明了这种设计方案是可行的。

由本设计课题做成的温湿度检测系统结构简单、价格便宜、量程宽，具有较高的可靠性、安全性及实用性。

关键词：

单片机SHT11温湿度传感器IIC总线接口

ABSTRACT

Thispaperhasdesignedanintelligenttemperatureandhumiditymeasurementsystemwithmanymeasuringpoints.Withthenewscienceandtechnologyincreasingly,oursocietyhasmadegreatprogress!

Intheindustrialandagriculturalproduction，meteorology，environmental，nationaldefense，scientificresearch，aerospace，andotherdepartments,itisusuallynecessarilytomeasureandcontroltheenvironmentaltemperatureandhumidity.Thevirtualnetworkrapiddevelopmentofamorelong-rangetemperatureandhumiditycontroloftheincreasinglymature.ThissystemusesthetechnologymatureSHT11astemperatureandhumidity-measuringthesensor.SHT11isIICbusinterfacewiththemonolithicwholenewdigitalcalibrationofrelativehumidityandtemperaturesensors.SHT11withdigitaloutputfordebugging，forcalibration，fortheexternalcircuitandthecharacteristicsofthewholeexchange.SHT11hasthewholerangecalibration，andcansecond-linedigitaloutput.Thehumidityrangeof-40℃—+123.8℃，humiditymeasurementrangeof0—100%Rh,humiditymeasurementaccuracyof±3.0%Rh，temperaturemeasurementaccuracyof±0.4℃,responsetime<4s;haveitsowninternalsignalconditioningcircuitandA/Dconverterconversioncircuit.Thecontrolusetechnologyismature，lowpriceofthepopularAT89C51，thekeyboardinstruments/monitors，switchcontrol，alarmcircuitsandaredirectlylinkedAT89C51.Usingthetransformers,changeACtoDCbecomenecessarily.Inordertoimprovetheanti-jammingperformancethehumidity，temperaturedetectedbytheanti-jamminghardwareandsoftwareintegratedapproachtoanti-interference.Thewatchdogcircuithardwareisusedtoanti-interference，usingasoftwarecommandredundanttechnology，sothattheyhaveimprovedinperformance.Inthedesign,theerrorsoffactorshavealsocarriedoutsometheoreticalanalysistoprovethatthisdesignisfeasible.Theissueposedbythedesignofmorethanmakethetemperatureandhumiditymonitoringsystemissimple，cheap，widerange，ahigherdegreeofreliability，safetyandpracticality.

Keywords:

MCUSHT11temperatureandhumiditysensorsIICbusinterface

1绪论…………………………………………………………………………………1

1.1选题意义1

1.1.1生活环境与温湿度的关系1

1.1.2检测温湿度的意义1

1.2国内外发展趋势1

1.3系统的主要性能指标2

1.4主要工作任务2

1.5本章小结2

2系统方案选择和工作原理…………………………………………………….……3

2.1系统综述3

2.2系统设计方案选择3

2.3系统工作原理4

2.4本章小结5

3系统硬件设计……………………………………………………………………...6

3.1AT89C51构成的最小系统6

3.1.1晶振回路6

3.1.2复位电路6

3.2温湿度传感器的选择8

3.2.1温湿测量相关概念9

3.2.2温湿度传感器的选择10

3.2.3SHT11的工作原理12

3.2.4SHT11的传输特性14

3.2.5IIC总线简介15

3.3温湿度测量回路的设计16

3.4显示电路设计17

3.4.1LED的两种接法18

3.4.2LED的两种显示方法18

3.5报警电路设计19

3.6电源电路设计20

3.7本章小结21

4系统的软件设计……………………………………………………………………22

4.1主程序的设计22

4.2IIC模块程序设计24

4.3LED显示程序设计24

4.4报警电路程序设计24

4.5本章小结24

5系统抗干扰措施……………………………………………………………………25

5.1硬件抗干扰措施25

5.2软件抗干扰措施26

5.3本章小结27

结论………………………………………………………………………………….28

致谢29

参考文献30

附录A系统原理图31

附录B系统总程序32

1绪论

1.1选题意义

湿度和温度是测量领域内十分重要的被测对象。

不管是人类赖以生存的居住环境，还是工农业生产，亦或者是军事、气象观测等领域都需要对温度和湿度进行测量和控制。

随着电子技术、计算机技术、通信技术、传感器及传感器材技术的迅速发展，测量领域内对温度和湿度的检测也取得了跨越式的发展！

可以说对温湿度的测量与控制水平直接影响到人类的所有活动。

1.1.1生活环境与温湿度的关系

现代人类对生活环境的要求越来越高，尤其是温湿度的影响，温度高了或者低了都直接影响着这个社会，而湿度低了或高了也同样影响着我们的生活以及其他物种的生存条件。

1.1.2检测温湿度的意义

湿度和温度是众多领域中需要检测的重要环境参数。

不仅在工业、现代农业，还是在气象卫星、仓库保管等领域，对温度和湿度的测量都是随处可见的。

对温度和湿度的测量与监控也是十分有意义的。

对湿度和温度进行合理有效的调控不仅可以节约能源还更有利各行业安全健康的发展。

在工业领域，各种现代化的机器设备都需要考虑其所在工作环境的温湿度。

电器设备是工业领域最常使用也是使用最多的基础设备。

温湿度的高低对电器设备的研发者来说是必须要考虑的重要课题。

工程师在设计电器产品的时候必须要考虑设计出的产品将来工作环境中温湿度的大小，使用过程中散热通风的问题。

选择合适的材料并且对电气设备外表面进行合理有效的封装可以提高电气设备的使用寿命。

大型的电器设备长期处于高电压、大电流和满负荷运行，其结果是造成热量集结加剧，由电流热效应造成的危害直接影响电器设备的绝缘设施，危害机器的正常运转和操作人员的人身安全，所以就要求对电气设备的温湿度状况进行测量控制。

温湿度对植物、动物的生长都有一定的影响，当温度达到了植物和动物生长所能承受的最高值和最低值时，这些植物和动物就会慢慢的消失，或者演变成其他的一些物种，同样湿度也对动植物的生长有着不可小视的影响，所以对一定的温湿度我们必须测量。

同时我们也必须要记录大气的温湿度的变化，这样我们才更能对我们的生活的环境的变化有个直观的了解！

1.2国内外发展趋势

近年来，国内外在湿度和温度传感器研发领域取得了长足进步。

温湿度传感器正从结构复杂、功能简单向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件，也将温度、湿度测量技术提高到新的水平。

国内数字温湿度仪测量温湿度采用的主要方法有:

“温—阻”法和“湿—阻”法,即采用电阻型的温湿度传感器,利用其阻值随温湿度的变化测定空气的温度和相对湿度。

受传感器灵敏度的限制,这类温湿度仪的精度不可能很高,一般条件下还可以满足需要,但是在环境实验设备等对精度要求颇高的场合就难以满足要求了。

目前，国外对温湿度传感器技术的研究也有了较大的进展，特别是用电阻式温湿传感器发展更快，人们不仅在电阻式陶瓷温湿度传感器特性方面做了大量工作，而且在高分子电阻式湿度传感器上做出可喜的研究成果。

1.3系统的主要性能指标

根据生活环境，设计本产品的主要技术指标为：

（1）测温范围：

－20—＋45℃；湿度测量范围为0—100%Rh

（2）温度测量精度：

±0.5ºC

（3）湿度测量误差：

≤4%Rh

（4）可设置上、下限报警值，当湿度温度超限时，发出报警信号

（5）电源工作范围：

DC4.5～5.5V

1.4主要工作任务

在对各类湿度、温度传感器原理介绍的基础上，根据本毕业设计实际的任务要求，完成湿度、温度传感器芯片的选型，系统芯片的选择，并设计显示接口电路、电源电路、报警电路、部分功能电路的程序。

系统开始工作后，根据初始条件读取湿度值和温度值，测量数据经处理后，将其与设定的湿温度值比较，如果发现当前的温湿度超限，则发出报警信号，未超限时，系统显示正常的湿温度度值。

1.5本章小结

本章主要介绍了所选课题的研究意义、温湿度测量国内外的发展趋势、系统的主要性能指标、及主要任务。

温湿度检测是本设计的核心，也是以后各章节着重介绍的内容。

2系统方案选择和工作原理

2.1系统综述

根据本设计第一章要求的性能指标，方案设计时不仅要考虑怎么样实现测量一定精度的温湿度信号值的基本功能，还要考虑温湿度超限时系统的报警功能。

根据设计要实现的功能，还要考虑系统控制芯片扩展口分配方案。

选择AT89C51单片机就能够满足设计要求。

AT89C51单片机的P1.0口作为温湿度测量切换控制，P1.1作为多路测量芯片选择切换控制口，T0、T1口为报警控制口，X1、X2为晶振回路端口，RESET、AEL口作为复位电路接口，P2口的前四位作为LEDP的位选口，P1口为LED字型码控制口。

最后还要考虑设计系统选择元器件的成本。

作为家庭用的环境检测类仪器，系统工作的可靠性，实用性，长久性指标也是系统在设计时值得考虑的几个因素。

2.2系统设计方案选择

根据目前国内外市场上常用的各种温湿度检测仪器，结合本设计的设计任务要求，能实现本设计要求的方案基本上有以下三种。

（1）纯模式

这种方案所有的电路均采用模拟电路构成，包括湿度、温度信号的采样、放大电路、报警电压的电位调节设置，模拟比较器的选用以及驱动超限报警电路，模拟的电磁结构的指针式显示电路等，尽管这种电路也能起到温度，湿度的实时测量与报警，但是不能获得湿度、温度的历史数据，显示方式也不够直观，在抗干扰性能上由于电路没有足够的判断能力可能会增加误报警从而引起错误动作，而且在价格上也无优势可言，由上述原理构成的这类仪表被称之为第一代仪表，目前设计的仪表中极少使用这类结构。

（2）数字式

这种方案在信号的采样、放大电路、报警设置以及报警电路等环节与第一种方案区别不大，只是在放大电路后采用了A/D转换电路，它将模拟量转换成数字量，然后经过驱动电路进行数码显示，它最大的好处是显示直观，这是模拟式产品向智能式产品过渡的中间型产品，属于第二代仪表，在上个世纪80年代的设计中大都采用这种结构的方案，在日常生活中看到的大都是未被替换的产品。

在目前的设计中，基本上是不采用这种方案的。

（3）智能式

这是目前检测类仪器首选的方案，利用目前成熟的计算机技术，依靠计算机强大的处理能力，对数据前向通道采集到的湿度，温度数据进行判断、处理、存储，并可采用十分简单的方法通过显示驱动芯片将显示信息送出进行数码显示。

对测量所得结果超限时的报警处理可以按照测量时间的不同情况分别设置不同的报警值。

系统将会对测量回路巡回监测。

常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。

用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。

这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其它因素（大气压强、温度）的影响。

所以湿度的测量比温度的测量要复杂的多。

目前国内外对温度和湿度测量产品有很多，但是大部分的产品都是用红外热辐射的传感器制作的。

这种产品结构复杂，价格昂贵并不适用于大气的测量。

本设计使用比较常见的温湿度传感器和价格便宜的电子元器件，实现检测系统的智能化。

它还具有较高的安全性，可靠性，适用于一般的家庭。

鉴于国外欧美等国家微电子技术的发展，在不少的测试领域，将一个系统的所有电路，包括CPU都集成在一块芯片上，构成一个集成的系统，况且这也是目前仪表发展的方向。

所以本设计采用集成芯片SHT11作为温湿度传感器。

鉴于以上情况，本课题考虑到国内目前的现状，构成器件的来源以及微电子技术的发展趋势，本设计决定采用智能化的设计方案设计。

从节约能源和成本及使用方便的角度考虑，每一个设计都要本着满足设计要求的前提下，尽量简单方便快捷的设计。

这个原则适用各个领域。

由于各种不可克服的误差和适用环境的影响，检测仪表都存在一定的误差。

不过我们还要竭尽所能的降低误差，提高设计的精度。

2.3系统工作原理

根据上述的方案选择和本课题的设计目标，加上目前智能仪表的一般特点，本系统的原理结构框图如图2－1所示。

由系统的原理图可以看出，实现本设计智能测量系统的核心是AT89C51单片机。

湿度和温度信号检测可以使用传统的电阻式温湿传感器测量，也可以采用集成的智能温湿传感器芯片测量。

集成传感器芯片内部自带有信号放大电路。

放大电路是提高单片机对信号进行识别的有效方法，而且在复杂电路的各种设计领域中是最常用也是必须要采用的方法。

由温湿度传感器检测到的温湿度信号经过芯片内部的A/D转换电路，将模拟信号转化成数字信号后通过IIC总线输入通道传送给单片机。

为了提高测量的精度，提高信号的转换质量，作为模拟信号转化成数字信号的A/D转换器，对其本身的性能要求也很高，因此传感器芯片内要有性能良好的A/D转换器。

作为智能化的检测仪器，由LED实现的显示器使人们直观的观看到测量到的温度和湿度的值。

在本设计系统中，正常情况下，显示电路可以实时的显示室内的温度和湿度。

当温度和湿度超限时，报警电路可以立即发出警报，以便实现坏境温度和湿度的调整。

图2-1系统原理图

2.4本章小结

本章介绍了设计测量仪器的三种方式。

最传统的是纯模模式。

随着科学技术的进步，采用这种设计方案设计出来的产品由于自身的缺陷性已满足不了当今社会的要求，所以基本上被淘汰了。

数字式检测仪表目前在实际应用中也很少用到。

智能式是目前检测仪表设计采用的主流方案，也是本设计选用的方式。

根据设计要求，本章对系统工作的原理也做了简要说明。

3系统硬件设计

为了实现检测系统的智能化，系统的硬件设计包括控制系统最小系统的设计，湿度和温度测量回路的设计，显示电路的设计，报警电路设计，以及电源电路的设计。

3.1AT89C51构成的最小系统

微型计算机即单片机是因工业测控系统数字化，智能化的迫切需求而发展起来的。

在测控领域，使用最多还是Intel公司的MCS-51系列单片机。

MCS-51系列单片机是8位增强型，其主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线和具有多级识别功能的串行通讯接口（UART），规范了功能单元的SFR控制模式及适应控制器特点的布尔处理和指令系统。

由于单片机具有较高的性能比，国内尤其以MCS-51系列单片机应用最为广泛。

此系列单片机易于开发、使用灵活、而且体积小、抗干扰能力强，可以兼容种类众多的支持芯片、较为丰富的软件资源，可以工作于各种恶劣的条件下，工作稳定等特点。

考虑到本系统的需要以及本人对单片机的熟悉程度，因此本设计选用MCS-51系列的AT89C51单片机作为本系统的CPU。

由AT89C51单片机为核心的单片机最小系统包括晶振电路和复位电路。

3.1.1晶振回路

晶振回路的主要任务是为AT89C51单片机正常工作需要的时钟电路提供一个稳定的工作频率。

根据AT89C51单片机时钟周期的要求，回路需要选用频率为12MHz的晶振。

晶振回路由电容和陶瓷谐振器晶振组成。

作为单片机的时钟源。

AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL0和XTAL1,在XTAL0和XTAL1端口接上时钟电源即可构成时钟电路。

本设计中采用内部时钟产生方式。

如图3-2所示。

在XTAL0和XTAL1两端跨接晶振，与内部的反相器构成稳定的自激振荡器。

其发出的时钟脉冲直接送入单片机内定时控制部件。

电容C5和C6对频率有微调作用。

电容C5和C6应尽可能的安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠的工作。

3.1.2复位电路

复位电路的功能就是对CPU进行实时检测，当CPU落入死循环之后，能及时发现并使整个系统复位。

若失控的程序进入“死循环”，通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。

通过不断检测程序循环的运行时间，如果发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理。

本设计中采用DS1232看门狗芯片作为复位电路。

由美国DALLAS公司生产的“看门狗（WATCHDOG）”集成芯片DS1232具有性能可靠、使用简单、价格低廉的特点。

在DS1232内部集成有看门狗定时器，当DS1232的ST端在设置的周期时间内没有有效信号到来时，DS1232的RST和端将产生复位信号以强迫单片机复位。

DS1232提供了可直接连接复位按键的输入端PA（第1脚），在该引脚上输入低电平信号，将在RST和端输出至少250ms的复位信号。

这一功能对于防止由于干扰等原因造成的单片机死机是非常有效的。

DS1232还能够实时监测向单片机供电的电源电压，当电源电压VCC低于预置值时，DS1232的第5脚和第6脚输出互补复位信号RST和。

预置值通过第3脚（TOL）来设定；当TOL接地时，RST和信号在电源电压跌落至4.75V以下时产生；当TOL与VCC相连时，只有当VCC跌落至4.5V以下时才产生RST和信号。

当电源恢复正常后，RST和信号至少保持250ms，以保证单片机的正常复位。

看门狗定时器的定时时间由DS1232的TD引脚确定，看门狗定时器的周期输入信号ST可以从单片机的地址信号、数据信号或控制信号中获得。

不论哪种信号都必须能够周期性的访问DS1232，对于MCS-51系列单片机，推荐使用ALE信号。

DS1232具有如下特点：

具有8脚DIP封装SOIC贴片封装形式，可以满足不同设计要求;在单片机失控状态下可以停止和重新启动单片机;单片机掉电或电源电压瞬变时可自动复位单片机;精确的5％或10％电源供电监视;不需要分立元件。

其引脚如图3-1所示。

DS1232个引脚的功能如下：

PA：

按键复位输入端;

TD：

看门狗定时器延时设置端；

TOL：

5％或10％电压监测选择端；

GND：

电源接地端；

RST：

高电平有效复位输出端；

：

低电平有效复位输出端；

ST：

周期输入端;

VCC：

电源。

图3-1DS1232引脚图

本设计中，PA接开关S3实现单片机的按键复位功能。

TOL与VCC相连，当VCC跌落至4.5V以下时才产生RST和信号。

ST与AT89C51单片机的AEL/P相连，实现AT89C51对DS1232的时钟周期输入。

RST与AT89C51单片机的RESET连接，由RST发出复位信号，实现AT89C51单片机工作系统的复位功能。

由晶振和DS1232看门狗芯片构成的最小系统原理图如图3-2所示:

图3-2AT89C51的最小系统图

3.2温湿度传感器的选择

不管是我们日常居住生活的房间，还是工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等领域，经常需要对所处环境的温湿度进行测量及控制。

但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。

一般情况下，室内室外环境中的温度都在－20—＋45℃之间。

所以选用智能化的集成温湿度传感器芯片SHT11，足以满足我们的设计要求。

计量法中,湿度定义为“物象状态的量”。

日常生活中所指的湿度为相对湿度，用％RH表示。

总而言之，湿度即气体中（通常为空气中）所含水蒸气量（水蒸气压）与相同情况下所含饱和水蒸气（饱和水蒸气压）的百分比。

湿度传感器是指检测外界环境湿度的传感器，它将所测环境中的湿度信号转换为便于处理，显示，记录的电（频率）信号。

湿度传感器在仓贮，工业生产，过程控制，环境监测，家用电器，气象等