基于单片机的环境监控系统的设计.docx

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编号

XXXX学院

毕业设计（论文）

题目：

基于51单片机的环境监控系统

的设计

物联网学院自动化专业

学号：

学生姓名：

指导教师：

（职称：

教授）

（职称：

）

2016年5月26日

XXXX学院本科毕业设计（论文）

诚信承诺书

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）基于51单片机的环境监控系统的设计是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用、表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。

班级：

自动化

学号：

作者姓名：

2016年5月26日

XXXX学院

物联网学院自动化专业

毕业设计论文任务书

一、题目及专题：

1、题目基于51单片机的环境监控系统的设计

2、专题

二、课题来源及选题依据

课题来源：

自拟题目

选题依据：

传统环境参数的监测需要相关专业的仪器设备，测量设备体积较大，实时性差，精度低，还需花费较大的人力，已不再适应现代经济的快速发展的要求；通过人工不间断测量、记录大量数据的方式来实现环境监测的方式不仅需要耗费大量的人力物力，监控信息也会随着季节的更替变得不准确。

本系统采用单片机作为核心控制模块，其重要意义在于：

它完全不同于传统控制系统的设计方法和设计思路。

传统的控制系统必须依靠大量的模拟电路或者数字电路技术来实现某些硬件的功能，现在可以通过单片机使用软件的方法来实现。

这种由软件来替代硬件的控制技术被为微控制技术，是传统控制技术的一次重大突破。

研究基于单片机的环境温湿度监控系统能够准确、及时的知道环境温湿度的变化；与传统环境温湿度监控的方式相比，本系统不仅可以节省大量人力物力，且准确度高，集成度高，使用更方便。

三、本设计（论文或其他）应达到的要求：

1、要求该系统的硬件电路简单，测得的数据准确度高、使用简单；

2、要求该系统需要数据保护和存储功能，保证断电后数据不丢失；

3、要求该系统可以人为设定报警限值，且可以自由调节；

4、要求该系统需实时性好，能够实时检测、实时显示、实时报警；

5、要求画出该系统的电路原理图，编写系统程序，使用Protues仿真软件，对编写的程序仿真。

四、接受任务学生：

自动化122班姓名

五、开始及完成日期：

自2015年11月9日至2016年5月26日

六、设计（论文）指导（或顾问）：

指导教师签名

签名

签名

教研室主任

〔学科组组长研究所所长〕签名

系主任签名

2015年11月9日

III

摘要

摘要

环境和每个人的生活息息相关，环境温湿度是影响人们生活的两个重要因素。

目前环境监控系统大多用于大型生产行业及环境保护方面，对中小型生产及普通生活环境温湿度的监测重视度相对不足。

随着近几年科技产品的爆发，单片机（Microcontrollers）以其低成本、高性能、小而集成度高的特点得到了快速发展，基于单片机的低成本的环境温湿度监控系统得到了广泛关注。

本次毕业设计的系统注重性能好、成本低、系统操作简单、适用性广等特点，设计了基于51单片机的环境监控系统。

该系统采用AT89S52单片机（C51内核）做为系统的微控制器，借助温湿度传感器、液晶显示器、蜂鸣器及独立按键等几个外围模块，实现对环境温湿度的实时监控。

其中，温湿度传感器的精度为±2℃/±5%RH，液晶显示器能够同时显示环境的温度和湿度，独立键盘用来自定义限值，蜂鸣器用来超限报警，最终使系统系统拥有对环境温湿度的实时监测、智能报警的功能。

AT89S52单片机是一种8位CPU和寄存器的微控制器，8K的Flash存储器，使用方便，编程简单；DHT11温湿度传感器能够同时采集环境的温度和湿度，并自动进行模数转换及数据传输，具有精度高、实时性好的特点；LCD1602是一种16*2的液晶显示器，即共2行，每行可以显示16个字符，因此能够同时显示温度和湿度，是一种价格便宜、使用方便的显示设备；通过四个独立按键，能够自定义温湿度的报警上下限值；蜂鸣器作为系统的发声报警装置；单片机通过对各个模块的程序调用，实现对环境温湿度的监控。

本文主要介绍了所设计系统的电路原理、软件编写方法和系统仿真，对各个器件做了详细的原理分析和规格说明，对各个模块的程序编写方法做了详细的流程图，最终，设计出了一套功能完善环境的系统。

由于本系统应用于小型生产活动与日常生活中，因此本系统在设计时以可靠性高、实时性好、价格便宜、操作简单为原则设计。

本设计根据单片机系统的设计方法和编程原理，编写了完整的系统程序。

该系统运行过程如下：

单片机上电后首先执行各模块初始化程序，之后由用户通过四个独立按键对温度、湿度上下限值设定，单片机判断限值合法后将限值存入自身内部Flash存储器，随后执行温度采集程序、液晶显示程序、比较限值程序、是否报警程序。

通过使用Proteus仿真工具仿真完成，确定程序完整，可以良好的运行，具有操作方便、成本低廉、线路简单、可靠性高、实时性好的优点，有良好的应用价值。

关键词：

AT89S52单片机；温湿度传感器；LCD1602显示器；蜂鸣器

VII

Abstract

ABSTRACT

Environmentalfactorsarecloselyrelatedtoourlife,amongwhichambienttemperatureandhumidityaretwovitalfactors.Recentyears,withtheexplosionoftechnologicalproducts,Microcontrollersisdevelopedrapidlyforitscharacteristicsoflowcosts,high-performance,smallbuthighintegration;ambienttemperatureandhumiditymonitoringalarmsystemthatbasedonMicrocontrollersisoneofthehotresearchareas.UsingTemperatureandhumiditysensor,LCDmonitor,buzzerandindependentkeyboardandsomeothermodulesthispaperdesignedenvironmentalmonitoringsystemthatbasedonMicrocontrollers.

Whenitisnecessarytomonitorambienttemperatureandhumidityinsomesmallandmediumindustryorournormallife,itisoftenbeingignored,becausesofar,environmentalmonitoringsystemismostlyusedbylargeindustryorinenvironmentalprotection.Thesystemdesignedherecanbewidelyusedbecauseofitshigh-performance,low-cost,simpleoperation,wideapplicability.ThesystemusingAT89S52MicrocontrollerswithC51kernel,thecollectionofambienttemperatureandhumiditydateissensorDHT11withanaccuracyof±2℃/±5%RH,thedateisshowedona16*2LCDmonitor.Furthermore,thedatecanbelimitedthroughindependentkeyboard,thusrealizingauto-alarmwhenover-limit.Itmakesreal-timemonitoringofambienttemperatureandhumidityandsmartalarmfunctioncometrue.

ItusesAT89S52thatwith8-bitCPUandregisters,flashMemberwith8kwhichmakesiteasytouseandeasytoprogramandgoodenoughtomeettheneedofhigh-performance,low-cost,simpleoperation,wideapplicability.TemperatureandhumiditysensorDHT11cancollectambienttemperatureandhumidityatthesametimeandcanrealizeanalog-digitalconversionanddatatransmissionbyitself.ithasthecharacteristicsofhighprecisionandreal-timemonitoring,ithas2lines,16charactersoneachlinesoitcanshowthedataofbothtemperatureandhumidityononescreen.Itisaninexpensiveandeasytousedisplaydevice.Fourindependentkeyboardcansettemperatureandhumidityalarmtothelimits.Thebuzzercanalarmbyitselfwhenthedataisover-limited.Bycontrollingdifferentmodules,Microcontrollersrealizedmonitoringambienttemperatureandhumidity.ThedesignprocessisfirstlytodefineMicrocontroller’sfoot,thendefinefunctionkeyboardrespectively.Andsoftwareprogramingthemoduleofthedrive.Thissystemisdesignedforsmallindustryandfordailyuse,soitisreliable,goodreal-timeperformance,inexpensiveandeasytooperation.

ThispaperbasedonthedesignmethodofMicrocontrollers,controltheoryofMicrocon-trollersandusageofperipheralmodulebesidesMicrocontrollerswritingdriverofeachcomponent,thissystemissimulatedbyProteus.Eventually,downloadthesystemprocesstoMicrocontrollers.Itisprovedthatthissystemhaswell-functionedandhasapplicationvalueofsimpleoperation,lowcost,simplecircuit,reliableandperfectreal-timemonitor.

Keywords：

AT89S52Microcontroller;DHT11sensor;LCD1602;buzzer

目录

目录

摘要 III

ABSTRACT IV

目录 V

第1章绪论 1

1.1本课题的研究内容和意义 1

1.1.1内容简介 1

1.1.2研究意义 1

1.2国内外的发展概况 2

1.2.1国内发展状况 2

1.2.2国外发展状况 2

1.3本课题应达到的要求 2

第2章系统总体方案设计 5

2.1系统功能设计和技术指标 5

2.1.1功能设计 5

2.1.2技术指标 5

2.2系统设计思路与设计原则 5

2.2.1设计思路 5

2.2.2设计原则 5

2.3系统整体设计 6

2.3.1系统整体设计框图 6

2.3.2系统硬件选择 6

2.3.3系统工作过程 7

2.4本章小结 7

第3章硬件系统设计 9

3.1概述 9

3.2单片机主控模块概述 9

3.2.1AT89S52单片机简介 9

3.2.2单片机主控系统 10

3.3DHT11温湿度采集模块设计 11

3.3.1DHT11温湿度传感器简介 11

3.3.2DHT11温湿度传感器的使用 12

3.4LCD1602液晶显示模块设计 13

3.4.1LCD1602液晶器显示模块简介 13

3.4.2 LCD1602液晶显示模块的使用 14

3.5报警模块设计 17

3.5.1蜂鸣器简介 17

3.5.2蜂鸣器的使用 17

3.6按键系统设计 18

3.6.1按键开关简介 18

3.6.2按键的设计 18

3.7硬件系统整体电路原理图 19

3.8本章小结 20

第4章软件系统设计 21

4.1软件系统概述及流程图 21

4.1.1软件系统概述 21

4.1.2软件整体流程图 21

4.2模块化程序设计 22

4.2.1DHT11温湿度采集模块程序设计 22

4.2.2LCD1602液晶显示模块程序设计 22

4.2.3按键及报警模块程序设计 23

4.3程序编写与仿真调试 24

4.3.1程序编写 24

4.3.2仿真与调试 27

4.4本章小结 28

总结与展望 29

致谢 31

参考文献 33

第1章绪论

第1章绪论

1.1本课题的研究内容和意义

1.1.1内容简介

温湿度是环境中的两个重要因素，也是影响人们生活方式和身体健康的直接因素；环境温湿度在农业，工业生产方面也有着很重要的影响；人们迫切希望能方便的知道自己生活的环境状况，但大多数人只有依靠天气预报才能了解到本地区的环境状况；因此，现代社会迫切需要一套可靠性高、使用简单、价格便宜的环境温湿度监控系统，本课题基于这种状况，设计了具有实时检测、灵敏度高、超限报警功能的环境监控系统。

单片机（Microcontrollers）是一种诞生于20世纪70年代的集成电路芯片，经历了SCM、MCU、SOC三大发展阶段，采用了超大规模的集成电路技术将多种I/O口和具有数据处理能力的CPU（中央处理器）、ROM（只读存储器）、RAM（随机存储器）、中断系统、计数器、定时器等多种功能集成到了一块硅片上，构成了一个小而完善的微型计算机系统[1]。

其在智能仪器仪表，自动检测控制系统，机电一体化，家居生活，工业控制等领域得到了广泛的应用。

本课题主要内容是设计以单片机为微控制器的环境监控系统。

该系统以单片机为核心控制模块，依靠四个独立按键调整温湿度上下限值，温湿度传感器模块采集、转换、传送环境温湿度数据，通过液晶显示模块显示，蜂鸣器报警，实现对环境温湿度的监控；具体包括：

设计单片机与各模块的电路连接原理图、仿真图；编写通过四个独立按键来设定温湿度上下限值程序、温湿度传感器的驱动程序、液晶显示程序，将采集到的温湿度实际值与设定限值比较程序，蜂鸣器报警程序。

该系统无需人工干预，即可实现对环境的监控，具有操作简单、价格低廉、实用性强、安全可靠、智能化程度高等优点，可广泛应用于生活以及工业生产领域。

1.1.2研究意义

传统环境参数的监测需要相关专业的仪器设备，测量设备体积较大，实时性差，精度低，还需花费较大的人力，已不再适应现代经济的快速发展的要求[2]；通过人工不间断测量、记录大量数据的方式来实现环境监测的方式不仅需要耗费大量的人力物力，监控信息也会随着季节的更替变得不准确。

本系统采用单片机作为核心控制模块，其重要意义在于：

它完全不同于传统控制系统的设计方法和设计思路。

传统的控制系统必须依靠大量的模拟电路或者数字电路技术来实现某些硬件的功能，现在可以通过单片机使用软件的方法来实现。

这种由软件来替代硬件的控制技术被为微控制技术，是传统控制技术的一次重大突破[3]。

研究基于单片机的环境温湿度监控系统能够准确、及时的知道环境温湿度的变化；与传统环境温湿度监控的方式相比，本系统不仅可以节省大量人力物力，且准确度高，集成度高，使用更方便。

1.2国内外的发展概况

1.2.1国内发展状况

环境温湿度是评估环境状况的两大重要因素，国家建设了中国环境监测总站用于环境的监控，在各行业部门也已建立起初具规模的环境监测体系；较大规模的环境监控系统在我国已经非常成熟；但规模较大，应用并不广泛，小规模、智能化的环境监控系统有待开发。

环境监测是我国环境保护中的一项基础工作。

经历了几十年的发展，我国现有的环境监测技术已经非常的成熟；和其他发达国家的监测技术逐渐接近；但还需要相关的人员对监测过程进行不断的监督查看，占用了技术人员的大量时间和精力[4]。

现阶段，国内对于温湿度检测使用的检测器件种类繁多、应用范围也比较广泛，但随着单片机和集成电路技术的不断提高，出现了低成本、高性能、高可靠性的单片机数据采集系统[5]。

由于目前我国对基于单机片的环境温湿度监控系统的设计研究较少，因此该系统应用还不广泛，数据分析方面也未完成自动化，在未来的环境监控过程中，大型仪器会逐渐向自动化、高智能化、实时在线监控等全自动化方向发展。

这种高级技术能大大减少技术人员的监测时间，有效缓解目前技术人员缺少的问题。

1.2.2国外发展状况

国外很多国家都非常重视对环境的监测。

目前，一些发达国家在环境监测技术方面一般具有两个特点：

一是仪器仪表比我国先进，二是监控技术的自动化水平较高[6]。

例如在大气、噪声、地表水及污染源等方面的监测技术上，全自动化在线监控的技术非常高，基本上做到了仪器自动进行采样、分析、数据处理及传输；并且能够用大型显示板自动显示某一地区的环境质量状况；同时，在区域环境质量监测技术上还有一些如遥感系统，地理信息系统和卫星定位系统[7]。

例如：

美国omega公司设计的小型温湿度采集系统，该系统集成到一块如U盘大小的设备上，采用USB接口，设计成U盘的样式，可直接接入到电脑或工控机，运行专门的软件即可查看温湿度曲线，历史温湿度数据，历史温湿度曲线；还可以设置温湿度上下限；同时，还能够接入短信报警系统，可以实现短信报警或者铃声报警，可随时查看现场环境参数。

广泛应用于医疗制药、药品存储及运输、食品加工、农业研究、档案管理、生化试验等环境参数监测控制系统。

虽然国外的环境温湿度监控系统较为成熟，但大多较为专用，某一行业的温湿度监控系统专门用于此行业；由于大多数的设备都用于生产行业，故制作要求很高，生产成本较高，价格较为昂贵，并不适用于普通生活中。

1.3本课题应达到的要求

由于单片机是一种集成了CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统的集成电路微控制器，因此该系统较传统控制系统最大的区别就是集成度高，摆脱了过去主要依靠大量复杂的线路来控制的束缚[8]；因此要求该系统在自动化、智能化方面要比传统的监控技术有较大的进步。

而且，随着高科技产品的爆发，人们对科技产品的性能也提出了更高的要求，为了让该设计具有实用价值，能够被更多的人认可，对本系统提出如下几点具体要求：

1.该系统的硬件电路简单，测量的数据结果精度高、可靠性高；

2.该系统需要数据保护和存储功能，保证断电后数据不丢失；

3.该系统可以人为设定报警限值，且可以自由调节，以适应不同场合的需求；

4.该系统需实时性好，能够实时检测、实时显示、及时报警；

5.该系统能够同时显示温度和湿度，及时提供最新温湿度信息。

41

第2章系统总体方案设计

第2章系统总体方案设计

2.1系统功能设计和技术指标

2.1.1功能设计

1.温湿度监控：

设计该系统具有温湿度监控功能，能够采集周围的环境，并进行温湿度的循环检测，数据处理，显示；实现环境温湿度的智能检测。

2.智能报警：

设计该系统具有智能报警的功能；当采集到环境的温湿度不在预设的限值范围内时，系统将自动使用蜂鸣器报警。

3.可自定义限值，限值可调