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温湿度智能监控系统的设计毕业设计论文好
温湿度智能测控系统
摘要
本设计实现的是单片机温湿度测量与控制系统，通过在LCD1602上实时显示室内环境的温度和相对湿度。
系统采用集温湿度传感器与A/D转换器为一体的DHT90传感器芯片，通过单片机AT89C52处理进展显示，其它模块包括了实时时钟/日期产生电路和超限报警处理电路，对所测量的值进展实时显示和报警处理。
本文介绍了基于ATMEL公司的AT89C52系列单片机的温湿度实时测量与控制系统和显示系统的设计，包括介绍了硬件构造原理，并分析了相应的软件的设计及其要点，包括软件设计流程及其程序实现。
系统构造简单、实用，提高了测量精度和效率。
关键词：
温湿度测控DHT90传感器AT89C52单片机LCD1602
Abstract
ThedesignandimplementationofmeasurementandcontroltemperatureandhumidityisMCUsystem,throughwhichthetemperatureandhumiditymeasurementLCD1602.SystemadoptssettemperatureandhumiditysensorandA/DconverterforDHT90chipmicrocontrollerprocessing,throughthatothermodulesincludingreal-timeclock/dateproducecircuitandtheoff-gaugealarmcircuit,thevalueofmeasurementforreal-timedisplayandalarm.
ThepaperintroducestheATMELpanybasedonAT89C52single-chipseriesoftemperatureandhumiditymeasurementandcontrolsystemandreal-timedisplaysystemdesign,includingthehardwarestructureandprinciple,andthecorrespondingsoftwaredesign,includingthedesignofthesoftwareanditskeyprocessandprocedure.
Systemstructureissimple,practical,andimprovethemeasuringprecisionandefficiency.
Keywords:
temperatureandhumiditycontrol,DHT90,LCD1602,AT89C52
前言
在现代工业现场，随着科技的进步和自动化水平的提高，电缆的用量越来越大，电缆的平安保护已成为不可无视的问题。
从国内外有关电缆火灾的统计资料看，许多电缆火灾是由电缆头击穿绝缘引起的。
因此为电缆配置在线温度监测系统，对于电缆接头多，电缆密集的场所，就显得尤为重要。
粮食是人类生存的必需品，温度与湿度是保存好粮食的先决条件，我国的公粮现均集中存放在国家或地方的仓库中，最大粮库方圆几公里，仓库库房数为数十个，测点可达数千个。
按照国家粮食保护法那么，必须定期抽样检查各点的粮食温度与湿度，以确保粮食的存储质量。
档案馆中的档案资料同样会受到外界空气温湿度变化的影响，纸X纤维热胀冷缩，使强度降低，湿度过大会使霉菌和害虫滋长，以致造成资料质变。
由此可见，温度、湿度监测在人们现实生活生产中应用已日渐广泛，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、湿度数据进展实时监测和控制是一个必须解决的重要前提。
本课题即以上述问题为出发点，设计实现了温度、湿度的实时监测系统，该系统不仅能实时采集各抽样点的温度值与湿度值，而且能够迅速处理，友好的将数据结果显示给用户，并存储结果以方便以后的比照研究。
1概述
随着社会的开展，人们对环境中的温度和湿度的要求也越来越高，尤其是在医学、电子电力、航天航空、食品发酵等领域中对湿温度的要求尤其严格，鉴于此，设计出一个能够准确、稳定、实时测量出温湿度的实用型温湿度检测仪显得尤为重要。
1.1温度、湿度数据采集与监测技术的开展历程
最早的也是最简单的实现对温度、湿度的监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监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外表温度；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当一定的风险。
后来随着电子技术的出现与进步，科研人员开场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监测系统，并佐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X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展连续监测，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开展，为了简化系统设计并降低本钱，各公司及科研机构开场致力于相关领域的探索，使得温湿度数据监测数字化、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，本钱低廉，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根底。
1.2内外温度和湿度测量的开展史
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一〔仅测量温度〕、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进展非线性校准，外围电路简单。
它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。
智能温度传感器〔亦称数字温度传感器〕是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术〔ATE〕的结晶。
目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器〔或存放器〕和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器〔CPU〕、随机存取存储器〔RAM〕和只读存储器〔ROM〕。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器〔MCU〕；并且它是在硬件的根底上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。
进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及平安性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速开展。
新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。
例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟〔RTC〕，使其功能更加完善。
DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。
另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向开展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。
智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规X化，所采用的总线主要有单线总线、I2C总线、SMBus总线和SPI总线。
湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。
湿度传感器主要分为电阻式和电容式两种，产品的根本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜。
空气中的水蒸汽吸附在感湿材料上后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。
近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了较大的开展。
湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速开展。
湿敏元件是最简单的湿度传感器。
湿敏元件主要分为电阻式、电容式两大类。
湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。
湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。
湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。
湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。
当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。
湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。
目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司〔HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型〕，Humirel公司〔HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型〕，Sensiron公司〔SHT11、SHT15型〕。
这些产品可分成以下三种类型：
〔1〕线性电压输出式集成湿度传感器：
典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。
其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。
〔2〕线性频率输出集成湿度传感器：
典型产品为HF3223型。
它采用模块式构造，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz〔型值〕，当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。
这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。
〔3〕频率/温度输出式集成湿度传感器：
典型产品为HTF3223型。
它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数〔NTC〕热敏电阻作为温度传感器。
当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。
近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。
湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速开展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。
2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化温度/温度传感器，其外形尺寸仅为7.6〔mm〕×5〔mm〕×2.5〔mm〕，体积与火柴头相近。
出厂前，每只传感器都在温度室中做过精细标准，标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进展自动校准。
它们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。
测量相对温度的X围是0～100%，分辨力达0.03%RH，最高精度为±2%RH。
测量温度的X围是-40℃～123.8℃，分辨力为0.01℃。
2系统总体设计
2.1系统功能设计
系统要完成的功能设计如下：
〔1〕实现对室内温湿度参数的实时采集，并进展定时刷新；根据测量空间和设备的实际需要，由温度、湿度传感器进展关键温、湿度敏感点进展测量，由单片机对数据进展循环检测、数据处理、存储。
实现温湿度的智能测量。
〔2〕现场监测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力。
要求到达的技术要求：
测温X围：
-20℃～100℃
测温精度：
±0.5℃
测湿X围：
0～100%RH
测湿精度：
±2.5%RH
2.2系统设计原那么
要求单片机系统应具有可靠性、操作维护方便、性价比高等特点。
〔1〕可靠性
高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准那么。
提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑：
使用可靠性高的元器件；设计电路时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出通道抗干扰措施；进展软硬件滤波；系统自诊功能等。
〔2〕操作维护简便
在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利于系统的推广。
因此，在设计时多采用操作内置或简化的方法。
同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进展定位，一边于维修。
〔3〕性价比
除了体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。
一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。
因此，在设计时，除了保持高性能以外，要尽可能降低本钱，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度容许情况下尽可能用软件功能取代硬件功能。
3方案论证与比拟
当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得通道，由单片机拾取必要的输入信息。
对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。
传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进展准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。
工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最正确状态，从而保证生产的高效率和高质量。
3.1数据采集局部
〔1〕温度传感器
采用热电阻温度传感器。
热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。
现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。
其主要的特点为精度高、测量X围大、便于远距离测量。
铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精细测温和温度标准。
缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在复原介质中易被玷污变脆。
按IEC标准测温X围-200～650℃，XX电阻比W〔100〕=1.3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±〔0.15℃+0.002|t|〕，B级为±〔0.3℃+0.005|t|〕。
铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。
在工业中用于-50～180℃测温。
〔2〕湿度传感器
测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。
电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进展湿度测量的。
采用HS1100/HS1101湿度传感器。
HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物构造，由顶端接触〔HS1100〕和侧面接触〔HS1101〕两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。
相对湿度在1%—100%RHX围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5s；温度系数为0.04pF/℃。
〔3〕采用的传感器
XX北方测控工程XX生产的温湿度传感器DHT90，将两者的功能集成在一起，并且输出的是数字信号，不需要再进展A/D转换，其温度测量的X围为-40℃～123.8℃，分辨率为0.01℃；测湿X围为0～100%RH，分辨率为0.03%RH。
综合上面各种设计的技术要求和传感器的特性，考虑到设计简约化，选择使用传感器DHT90，输出的是数字信号，不需要进展A/D转换，简化了系统设计。
3.2控制局部
选择单片机的型号的出发点有以下几个方面：
1.市场货源
系统设计者只能在市场上能够提供的单片机中选择，特别是作为产品大批量生产的应用系统，所选择的单片机型号必须有稳定、充足的货源。
2.单片机的性能
应根据系统的功能要求和各种单片机的性能，选择最容易实现系统技术指标的先好，而且能到达较高的性能价格比。
单片机性能包括片内硬件资源、运行速度、可靠性、指令系统功能等方面。
影响性能价格比的因素除了单片机的性能价格以外，还包括硬件和软件的设计的容易程度、相应工作量大小，以及开发工具的性能价格比。
3.研制周期
在研制任务重、时间紧的情况下，还要考虑所选的单片机型号是否熟悉，是否能马上着手进展系统的设计，与研制周期有关的还有一个重要的开发工具，性能优良的开发工具能加快系统地研制进程。
AT89C52单片机是AT89C系列中的增强型的高档产品，它片内存储器容量是AT89C51的一倍，即片内8KB的Flash程序存储器和256B的RAM。
另外，它还增加一个功能性强的、具有独特应用的16位定时/计数器2等多种功能。
由此，通过目前主流型号的比拟，我们最终选择了AT89C52通用的普通单片机来实现系统设计。
AT89C52是一种兼容MSC51的微控制器，工作电压4.0V到5.5V，全静态时钟0Hz到33MHz，三级程序加密，32个可编程I/O口，全双工串行数据通讯，低功耗支持Idle和Power-down模式，Power-down模式支持中断唤醒，看门狗定时器，双数据针。
3.3显示局部
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。
3.4系统框架图
本系统由单片机主控电路，DHT90温湿度采集模块，1602液晶显示模块3局部组成，以下图为框架图。
传感器
DHT90
单片机
AT89C52
液晶显示
1602
图3.1
4系统硬件构造
本设计的原理是一个基于单片机AT89C52与温湿度传感器等技术相结合主体，利用数字温湿度传感器DHT90对环境温湿度进展检测，实现对环境温湿度的测控。
将它的输出由单片机的软件对其进展校正处理，所得到的结果最终送给液晶显示模块1602进展显示。
设计原理图如下：
图4.1基于单片机温湿度系统原理图
4.1温湿度传感器DHT90
温度和湿度是最重要和最常用的信息，在现在社会的各个方面都有很重要的应用，所以温湿度传感器对于对于测量至关重要，通过传感器实时采集相关数据信息，输出数字信号信号，然后经微处理器进展相关信号处理后，方可实现对温度和湿度的显示。
4.1.1温湿传感器DHT90的简介
DHT90是数字温湿度传感器系列中插针型插针型的传感器。
传感器把传感元件和幸好处理集成起来，输出全标定的数字型号。
传感器采用Sens技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长久稳定性。
传感器包括一个电容性聚合体测湿温敏元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。
每个传感器芯片在极为准确的湿度腔室中进展标定，校准系数以及程序储存在OTP内存中，在标定的过程中使用。
该传感器品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、性价比极高。
适用OEM用户，免焊接、免水合处理，缩短开发时间，提高开发效率；准确测量相对湿度、温度、露点；全标定输出，使用时无需重新校准；卓越的长期稳定性；高精度两线制数字接口，直接与单片机相连；请求式测量，超低能耗；无需其他外部元件；自动休眠。
下面是其技术指标：
Ø测湿X围：
0～100%RH
Ø测温X围：
-40℃～123.8℃
Ø响应时间：
湿度：
<8s，温度：
<30s
Ø分辨率：
湿度：
0.03%RH，温度：
0.01℃
Ø重复性：
湿度：
0.1%RH，温度：
0.1℃
Ø迟滞：
±1%RH
Ø长期稳定性：
<0.5%RH/年
Ø安装方式：
插针
ر4.5%RH〔湿度精度〕±0.5℃〔温度精度〕
Ø2.54mm间距插针〔安装方式〕
4.1.2接口说明
①电源引脚〔VDD，GND〕
DHT90的供电电压为2.4-5.5V，建议供电电压为3.3V。
DHT90的串行接口，在传感器信号的读取及电源损耗方面，都做了优化处理；传感器不能按照I2C协议编址，但是，如果I2C总线上没有挂接别的元件，传感器可以连接到I2C总线上，但单片机必须按照传感器的协议工作。
②串行时钟输入〔SCK〕
SCK用于微处理器与DHT90之间的通讯同步。
由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。
③串行数据
DATA三态门用于数据的读取。
DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。
数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。
下表为DHT90的引脚构造：
表4.1DHT90的引脚构造
Pin
Name
ment
1
SCK
时钟信号
2
VDD
电源
3
GND
地
4
DATA
数据输出
4.1.3温湿传感器DHT90的工作过程
1.启动传感器
选择供电电压后将传感器通电，上电速率不能低于1V/ms。
通电后传感器需要11ms进入休眠状态，在此之前不允许对传感器发送任何命令。
2.发送命令
用一组“启动传输〞时序，来表示数据传输的初始化。
它包括：
当SCK时钟高电平，紧接着SCK变为低电平，随后在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。
图4.2“启动传输〞时序
后续命令包含三个地址位〔目前只支持“000〞〕，和五个命令位。
DHT90会以下述方式表示已正确地接收到指令：
在第8个SCK时钟的下降沿之后，将DATA下拉为低电平〔ACK位〕。
在第9个SCK时钟的下降沿之后，释放DATA〔恢复高电平〕。
3.测量时序〔RH，T〕
发布一组测量命令〔‘00000101'表示相对湿度RH，‘00000011'表示温度T〕后，控制器要等待测量完毕。
这个过程需要大约20/80/320ms，分别对应8/12/14bit测量。
确切的时间随内部晶振速度，最多可能有-30%的变化。
DHT90通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量的完毕。
控制器在再次触发SCK时钟前，必须等待这个"数据备妥"信号来读出数据。
检测数据可以先被存储，这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。
接着传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC奇偶校验。
uC需要通过下拉DATA为低电平，以确认每个字节。
所有的数据从MSB开场，右值有效〔例如：
对于12bit数据，从第5个SCK时钟起算作MSB；而对于8bit数据，首字节那么无意义〕。
用CRC数据确实认位，说明通讯完毕。
如果不使用CRC-8校验，控制器可以在测量值LSB后，通过保持确认位ack高电平，来中止通讯。
在测量和通讯完毕后，DHT90自动转入休眠模式。
4.通讯复位时序
如果与DHT90通讯中断，以下信号时序可复位串口：
当DATA保持高电平时，触发SCK时钟9次或更多，参阅图4-3。
在下一次指令前，发送一个“传输启动〞时序。
这些时序只复位串口，状态存放器内容仍然保存。
图4.3通讯复位时序
5.CRC-8校验
数字信号的整个传输过程由8bit校验来确保。
任何错误数据将被检测到并去除。
用户可选择是否做CRC校验。
图4.4相对湿度测量时序值
6.状态存放器
D
升级会员 