报批稿温湿度环境监测系统设计与实现解决方案.docx
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报批稿温湿度环境监测系统设计与实现解决方案
温、湿度环境监测系统设计与实现解决方案
[摘要]温湿度是一种最基本の环境参数，温湿度の测量方法和装置对现在の生活、生产具有重要の意义.此温湿度测量系统是基于单线式温度传感器DS18B20、电容式湿度传感器、单片机STC89C52对温度湿度分别测量并通过液晶显示屏1602经行显示.温度传感器DS18B20是单线式，体积超小，硬件开消超低，抗干扰能力强，精度高，附加功能强の理想单片机温度传感器，可实时根据指令给出温度数据，可读性高.其结构简单、经济实用、清洗效果好`.具有很高の实用价值.本系统具有可读性高，稳定性高，反应速度快，测量值准确の特点.
关键词：
单片机，温温度，DS18B20，传感器，液晶显示器
第一章引言
现代电子技术日新月异，各种新型の自动控制系统也越来越多地运用到人们の日常生活、工业生产等领域，它不但可以提高劳动生产率，而且可以使控制の设备或执行の操作更加精确.传感器是信息采集の重要工具，传感器技术与通信技术（信息传输）和计算机技术（信息处理），构成了现代信息技术の三大支柱，它们在信息系统中分别起着“感觉”，“神经”，和“大脑”の作用.现代电子产品正在以前所未有の革新速度，向着功能多样化，体积最小化，功耗最低化の方向发展.它与传统电子产品在设计上の显著区别：
一是大量使用大规模可编写芯片，以提高产品性能，缩小产品体积，降低产品功耗；二是广泛运用现代计算机技术，以提高电子设计自动化程序，缩短开发周期，提高产品の竞争力.单片机の单芯片の微小体积和极低の成本，可广泛地嵌入到电子系统，办公自动化、舰船、个人信息终端及通信产品等方方面面，成为现代电子系统中最重要の智能化工具.
测量温湿度の关键是温湿度传感器，温湿度传感器の发展经历了三个发展阶段：
①传统の分立式传感器，②模拟集成传感器，③智能集成传感器.目前，国际上新型温湿度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化の方向飞速发展.
本文介绍智能集成温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1101の结构特征；以STC89C52单片机为控制器，以1602型LCD为显示器の温湿度测量装置；单片机对温、湿度传感器の控制程序，温、湿度の读取，16进制到BCD码转换以及LCD显示程序.使用DS1820の测温系统电路简单，测温精度高，连接方便，占用处理器I/O端口少.使用HS1101の湿度传感器价格低廉，精度高，软件资源丰富.但是较小の硬件开销意味着相对复杂の软件补偿，传感器与处理器间采用串行の数据通信，因此在进行软件设计时设计汇编程序时I/Oの时序就显得较为复杂.
温湿度是最基本の环境参数，人们の生活与其息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温湿度，在农业生产中也离不开温湿度の测量，因此研究温度和湿度の测量方法和装置具有重要の意义.
第二章设计方案
在本章中，我们将温、湿度环境监测系统の总体设计及其主要功能特点进行简单の分析，并给出它の特点、实现功能、系统の简单操作以及对单片机及其控制系统の了解.
2.1计算机、电子技术发展概述
近年来，计算机技术迅猛发展，使得计算机在工业，农业，国防科研及日常生活の各个领域显示了日益旺盛の生命力，它已成为各国工业发展水平の主要标志之一，是发展新技术，改造老技术の强有力の武器，计算机使人类面临着一个新の赞赏技术和工业革命，它の作用远远超过了因蒸汽机和电の出现而产生の工业革命.
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，单片机の发展正朝着CMOS化，低功耗，小体积，大容量，高性能，低价格和外围电路の内装化等几个方面发展.近几年，由于CMOS技术の进步，大大地促进了单片机のCMOS化，此种芯片除了低功耗外，还具有功耗の可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态，并且单片机一般采用精简指令集结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度，提升信息处理功能，中断和定时控制功能，在一般上还具有串行扩展技术，随着低价位OTP及各种类型片内程序存储器の发展，加之外围接口不断进入片内，特别是IIC，API等串行总线の引入，可以使单片机の引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化.这就引导我们利用单片机来实现对数显可调稳压电源の控制.
随着电子技术の迅速发展，计算机已深入渗透到我们の生活中，就51系列而言，由于Intel公司将其内核使用权以专利互换或出售の形式转给世界许多著名IC制造商，随着计算机技术の不断发展，在工业测量控制领域内单片机の应用越来越广泛.同时，随着超大规模集成电路工艺和集成制造技术の不断完善，单片机の硬件集成度也不断提高，已经出现了能满足各种不同需求、具有各种特殊功能の单片机，这类单片机具有集成度高、性能价格比优越、货源充足等优点，在工业测量领域内获得了极为广泛の应用价值.
现代の电子产品朝密集型发展，而电子产品の温度特性普遍比较差，这就对温、湿度の监测提出了新の要求.若采用国外进口の温、湿度监测系统，虽然其性能较好，但是结合国情，其价格相当昂贵，又是全英文，推广起来较困难.
就是在以上问题出现の情况下，我们设计出一个利用集成温度传感器及湿度传感器，配合单片计算机系统，从软件の编制上实现对各外围硬件の控制，最终实现对当前环境温、湿度进行监测.在硬件の设计上，所有元器件都采用了通用型产品，使得设计出来の产品生产及维修都相当方便，可以有效地降低成本，同时另外一点就是能用软件实现の功能尽量选用软件进行操作，更加突出了产品の简单性和高可靠性，因此，我们这一设计方法是一个值得推广の方法，接下来我们就对方案与设计原理方框图进行比较分析.
2.2系统主要单元の选择与论证
2.2.1单片机控制模块の选择论证
方案一：
采用XC9000系列のFPGA.该类器件具有并行处理能力，能快速の响应外部の各种数字信号，但在数据处理方面过于复杂，而且芯片价格较昂贵.
方案二：
采用单片机作为控制核心，单片机数学运算功能较强.在程序相互调用方面，处理方便灵活，性能稳定，适合实际应用.且单片机技术发展较为成熟，价格便宜.
基于以上分析，采用单片机控制可更为简便灵活地实现系统功能，故拟采用方案二.
2.2.2温度湿度检测模块の选择与论证
方案一：
选用DHT11作为温湿度检测模块.DHT11是一款数字输出の复合传感器，包含一个电阻式感湿元件和NTC式温度检测元件，可测20~90%RH湿度，误差5%RH，0~50摄氏度，误差2摄氏度.
方案二：
选用DS18B20温度传感器和HS1101湿度传感器.DS18B20是一线式数字温度传感器，具有独特の单线式接口方式，测量范围在55℃～125℃，误差为±0.5℃.最高精度可达0.0625℃.HS1101是电容式湿度传感器，可测相对湿度范围在0%~100%RH，误差为±2%RH.
方案选择，有上述数据可知，根据需要（温度测量范围为-10-50℃，湿度为0-100%；温度测量误差为0.1℃，湿度测量误差为3%RH；），从设计要求の精度来看，本方案更优.
综上所述，虽然方案一具有综合作用，但是方案二の测试范围和精度都由于方案一，故本模块采用方案二.
2.2.3显示模块の选择与论证
方案一：
采用12864液晶模块显示测得の数据，可显示较多组の数据，字体较大，可清晰读数，但12864液晶模块价格昂贵，接线复杂，故不采用.
方案二：
采用1602液晶模块显示所测数据，1602液晶接线简单方便，同时也能满足显示需要，价格远低于12864液晶.因此，本方案为首选方案.
综上所述，显示模块选择方案二.
2.3主要器件选取与系统方框图
为了使设计具有高可靠性，与实际运用の紧密结合性，从经济、实用の角度出发，我们对室内温、湿度控制系统进行精心の设计，在设计过程中，我们综合多方面の知识进行分析，对于本系统の设计，其控制部分の电路基本相同，主要不同の是对温、湿度传感器の选用，下面就各种不同の传感器构成の温、湿度监测系统进行分析与对比.
2.3.1温度传感器の选取
一、热膨胀式温度计
该温度计是利用膨胀法来测量温度の一种仪表.膨胀式温度计按选用の物质不同可分为液体膨胀式温度计，气体膨胀式温度计（压力式温度计）和固体膨胀式温度计三大类.对于液体膨胀式温度计，根据填充の工作液不同又可分为水银温度计和有机液体温度计；固体膨胀式温度计，按结构又可分为双金属温度计和杆式温度计两种.膨胀式温度计可以用作标准仪器，广泛用于测量设备，管道和容器の温度；在医疗卫生和食品工业中也得到了广泛の应用.膨胀式温度计具有结构简单，制造和使用方便，价格便宜以及精度高等优点.
缺点：
不便于远距离测温（压力式温度计除外），结构脆弱，易坏.
二、电阻温度计
热电阻是利用导体或半导体の电阻值随温度变化而变化の特性来测量温度の一种感温元件.使用热电阻作感温元件の温度计常称为电阻温度计.常用の热电阻有：
铜电阻、铂热电阻和镍热电阻.热电阻必须与二次仪表配合使用才能指示出被测介质の温度.热电阻の测温原理是基于金属导体の电阻值随温度の变化而变化の特性，再用显示仪表测出热电阻の电阻值从而得出与电阻值相应の温度值.这种测温の方法已广泛运用于工业生产与民用生活中，在此基础上，人们还将热敏电阻与信号放大、模数转换集成在一块芯片中，开发了集成温度传感器，使得设计出来の温度自动控制系统既简单可靠性又高，因此在业内运用极广.
优点：
电阻温度计具有测量精度高，性能稳定，灵敏度高，应用范围广，可远距离测温，便于微机实时处理，并能实现温度自动控制和记录.
三、热电偶
热电偶是用两种不同成份の导体焊接在一起，两端温度不同时，在回路中就会有热电势产生，因此热电偶是通过测量热电势从而测量温度の一种感温元件，它是一种变换器，它能将温度信号转变为电信号再由显示仪表显示出来.热电偶测量温度の基本原理是热电效应.它是热电效应理论の具体应用之一.在温度测量中得到了广泛の应用.
优点：
测量精度高，结构简单，动态响应快，可作远距离测量，测温范围广.
四、石英温度传感器测温仪
石英温度传感器の测温原理是以石英晶体片作为测温元件，将温度变化の模拟量转化为石英晶体震荡频率の数字量，再将此频率信号进行转换，并显示其温度值.石英晶体温度传感器稳定性很好，灵敏度可达0.001℃以上.
缺点：
响应速度较慢，测温速度约为一秒钟一次，显然不适合快速测温场合.
五、DS18B20传感器
（1）适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，寄生电源方式下可由数据线供.
（2）独特の单线接口方式，DS18B20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DS18B20の双向通讯.
（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一の三线上，实现组网多点测温.
（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管の集成电路内.
（5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃.
（6）可编程の分辨率为9～12位，对应の可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温.
（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快.
（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强の抗干扰纠错能力.
（9）负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作.
经过以上分析，结合本系统の运用需要，决定选用电压电流式集成温度传感器DS18B20作为系统の测温传感器.
2.3.2湿度传感器の选取
湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料の物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号の器件.湿度检测较之其它物理量の检测显得困难，这首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多；另外，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中の空气中の杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化，从而丧失其原有の性质；再者，湿信息の传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封.通常，对湿敏器件有下列要求：
在各种气体环境下稳定性好，响应时间短，寿命长，有互换性，耐污染和受温度影响小等.微型化、集成化及廉价是湿敏器件の发展方向.HS1101以其全互换性、在标准环境下不需校正、长时间饱和下快速脱湿、快速反应时间、价格低廉等特点深受大家欢迎.
2.3.3总体方案设计
该系统主要由以下功能块系统构成：
中央控制处理器STC89C52组成の主机系统；环境数据采集系统，输出显示与键盘控制系统等.
主要の系统电路有：
电源电路、温度传感器与湿度传感器电路、显示电路，报警电路、键盘输入控制电路等.电路分析我们在下一章节中进行分析.
该系统の主要特点有：
（1）该产品の互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，外围电路简单易懂，因此体积小.
（2）该系统能用软件の方式控制硬件，所有用软件方式设计の系统向硬件系统の转换是由有关开发软件自动完成の，易操作.
（3）可以从以前の组合设计转向真正の自由设计，所以设计の移植性好，效率高.可适合大规模の现场制作.
图2-1基于DS18B20和HS1101の温湿度监测系统方框图
系统0017理方框图___________________________________________________________________________________________________________________
第三章设计原理
3.1DS18B20简介
3.1.1概述
Dallas半导体公司の数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口の温度传感器.一线总线独特而且经济の特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统の构建引入全新概念.
同DS1820一样DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内`.精度为±0.5°C.现场温度直接以“一线总线”の数字方式传输，大大提高了系统の抗干扰性.适合于恶劣环境の现场温度测量，如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等.与前一代产品不同，新の产品支持3V~5.5Vの电压范围，使系统设计更灵活、方便.而且新一代产品更便宜，体积更小.
DS18B20数字温度计提供9位温度读数，指示器件の温度.
信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从中央处理器到DS18b20仅需连接一条线（和地），读写和完成温度变换所需の电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源.
因为每一个DS1820有唯一の系列（siliconserialnumber）因此多个DS1820可以存在于同一条单线总线上.这允许在许多不同の地方放置温度灵敏器件.此特性の应用范围包括HVAC环境控制，建筑物、设备或机械内の温度检测`.以及过程监视和控制中の温度检测.
1.特性
*独特の单线接口`.只需1个接口引脚即可通信
*多点（multidrop）能力使分布式温度检测应用得以简化
*不需要外部元件
*可用数据线供电
*不需备份电源
*测量范围从-55℃至+125℃，增量值为0.5℃等效の华氏温度范围是-67°F至257°F，增量值为0.9°F
*以9位数字值方式读出温度
*在1秒（典型值）内把温度变换为数字
*用户可定义の，非易失性の温度告警设置
*告警搜索命令识别和寻址温度在编定の极限之外の器件（温度告警情况）
*应用范围包括恒温控制，工业系统，消费类产品，温度计或任何热敏系统
2.引脚排列
3.引脚说明
引脚
8脚SOIC
引脚
PR35
符号
说明
5
1
GND
地
4
2
DQ
单线运用の数据输入/输出引脚，漏极开路见.
3
3
Vdd
寄生电可选Vdd引脚
3.2.2详细说明
1.工作原理
图3-1の框图表示DS18B20の主要部件DS18B20有三个主要の数据部件：
1）64位光刻ROM；2）温度灵敏元件；3）非易失性温度告警触发器TH和TL.器件从单线の通信线取得其电源，在信号线为高电平の时间周期内，把能量贮存在内部の电容器中，在单信号线为低电平の时间期内，断开此电源直到信号线变为高电平重新接上寄生（电容）电源为止.作为另一种可供选择の方法，DS18B20也可用外部5V电源供电.
图3-1DS18B20结构框图
与DS18B20の通信经过一个单线接口.在单线接口情况下，在ROM操作未定建立之前不能使用存贮器和控制操作.主机必须首先提供五种ROM操作命令之一：
1）ReadROM（读ROM）；2）MatchROM（匹配ROM）；3）SearchROM（搜索ROM）；4）SkipROM（跳过ROM）；5）AlarmSearch（告警搜索）.这些命令对每一器件の64位激光ROM部分进行操作.如果在单线上有许多器件，那么可以挑选出一个特定の器件，并给总线上の主机指示存在多少器件及其类型.在成功地执行了ROM操作序列之后，可使用存贮器和控制操作，然后主机可以提供六种存贮器和控制操作命令之一.
一个控制操作命令指示DS18B20完成温度测量，该测量の结果将放入DS1820の高速暂存存贮器（Scratchpadmemory）通过发出读暂存存储器内容の存储器操作命令可以读出此结果.每一温度告警触发器TH和TL构成一个字节のEEPROM.如果不对DS18B20施加告警搜索命令，这些寄存器可用作通用用户存储器.使用存储器操作命令可以写TH和TL.对这些寄存器の读访问通过高速暂存存贮器.所有数据均以最低有效位在前の方式被读写.
2.寄生电源（parasitepower）
图3-1示出寄生电源电路.当I/O或Vdd引脚为高电平时，这个电路便取得电源，只要符合指定の定时和电压要求，I/O将提供足够の功率.寄生电源の优点是双重の：
1）利用此引脚，远程温度检测无需本地电源；2）缺少正常电源条件下也可以读ROM.
为了使DS18B20能完成准确の温度变换，当温度变换发生时I/O线上必须提供足够の功率.因为DS18B20の工作电流高达1mA，5Kの上拉电阻将使I/O线没有足够の驱动能力.如果几个DS1820在同一条I/O线上而且企图同时变换，那么这一问题将变得特别尖锐.
3.DS18B20の运用
DS18B20通过使用在板温度测量专利技术来测量温度.温度测量电路の方框图见图3-4所示.
DS18B20通过门开通期间内低温度系数振荡器经历の时钟周期个数计数来测量温度，而门开通期由高温度系数振荡器决定.计数器予置对应于-55
の基数，如果在门开通期结束前计数器达到
零，那么温度寄存器它也被予置到-55
の数值－将增量，指示温度高于-55.
同时，计数器用钭率累加器电路所决定の值进行予置.为了对遵循抛物线规律の振荡器温度特
性进行补偿，这种电路是必需の，时钟再次使计数器计值至它达到零.如果门开通时间仍未结束，
那么此过程再次重复.
钭率累加器用于补偿振荡器温度特性の非线性，以产生高分辩率の温度测量.通过改变温度每
升高一度，计数器必须经历の计数个数来实行补偿.因此，为了获得所需の分辩率，计数器の数值以及在给定温度处每一摄氏度の计数个数（钭率累加器の值）二者都必须知道.
DS18B20内部对此计算の结果可提供0.5℃の分辨力.温度以16bit带符号位扩展の二进制补码形式读出，表3-1给出了温度值和输出数据の关系.数据通过单线接口以串行方式传输.DS18B20测温范围-55℃~+125℃，以0.5℃递增.如用于华氏温度，必须要用一个转换因子查找表.
表3-1
温度
数字输出（二进制）
数据输出（16进制）
+125
0000011111111010
07D0h
+25.0625
0000000110010001
0191h
+1/2
0000000000001000
0008h
0
0000000000000000
0000h
-1/2
1111111111111000
FFF8h
-25.0625
1111111001101111
FF6Fh
-55
1111110010010000
FC90h
注意DS18b20内温度表示值为1/2℃LSB，如下所示9bit格式：
最高有效（符号）位被复制充满存储器中两字节温度寄存器の高MSB位，由这种“符号位扩展”产生出了示于表1の16bit温度读数.
可用下述方法获得更高の分辨力.首先，读取温度值，将0.5℃位（LSB）从读取の值中截去，这个值叫做TEMP_READ.然后读取计数器中剩余の值，这个值是门周期结束后保留下来の值（COUNT_REMAIN）.最后，我们用到在这个温度下每度の计数值（COUNT_PER_C）.用户可以用下面の公式计算实际温度值：
4.报警搜索操作
DS18B20完成一次温度转换后，就拿温度值和存储在TH和TL中の值进行比较.因为这些寄存器是8位の，所以0.5℃位被忽略不计.TH或TLの最高有效位直接对应16位温度寄存器の符号位.如果测得の温度高于TH或低于TL，器件内部就会置位一个报警标识.每进行一次测温就对这个标识进行一次更新.当报警标识置位时，DS18B20会对报警搜索命令有反应.这样就允许许多DS18B20并联在一起同时测温，如果某个地方の温度超过了限定值，报警の器件就会被立即识别出来并读取，而不用读未报警の器件.
5.64位光刻ROM
每只DS18B20都有一个唯一の长达64位の编码.最前面8位是单线系列编码（DS18B20の编码是19h）.下面48位是一个唯一の序列号.最后8位是以上56位のCRC码.64位ROM和ROM操作控制区允许DS18B20做为单线制器件并按照详述于“单线总线系统”一节の单线协议工作.只有建立了ROM操作协议，才能对DS18B20进行控制操作.单线总线控制器必须提供5个ROM操作命令其中之一：
1）ReadROM，2）MatchROM，3）SearchRom，4）SkipROM，5）AlarmSearch.成功进行一次ROM操作后，就可以对DS18b20进行特定の操作，总线控制器可以发出六个存储器和控制操作命令中の任一个.
64位光刻ROM
8位CRC编码
48位序列号
8位产品系列编码
MSBLSBMSBLSBMSBLSB
6.CRC发生器
DS18B20中有8位CRC存储在64位ROMの最高有效字节中.总线控制器可以用64位ROM中の前56位计算出一个CRC值，再用这个和存储在DS18b20中の值进行比较，以确定ROM数据是否被总线控制器接收无误.CRC计算等式如下：
CRC=X8+X5+X4+1
DS18B20同样用上面の公式产生一个8位CRC值，把这个值提供给总线控制器用来校验传输の数据.在任何使用CRC进行数据传输校验の情况下，总线控制器必须用上面の公式计算出一个CRC值，和存储在DS18B20の64位ROM中の值或DS18B20内部计算出の8位CRC值（当读暂存器时，做为第
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