电子测量.docx
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电子测量
目录
目录1
摘要2
第1章绪论4
第2章总体方案及基础技术6
一、设计总体方案6
二、元器件的介绍6
1、温湿度传感器6
2、单片机8
3.、LCD9
第3章硬件设计12
一、主控制电路12
二、主要模块的电路13
1、系统的蜂鸣器电路13
2、晶振电路13
3、显示电路14
4、传感器电路15
5、复位电路16
第4章软件设计17
第5章总结与展望19
第6章谢辞20
附件21
参考文献22
摘要
温度与湿度是生物生存的必备条件，在工业上的应用也很广泛。
无论是在工业制造，还是农业生产，或者是人们的日常居住，都需要注意这两个物理量。
总之无论是在日常生活中还是在工业，农业方面都离不开温湿度的测量，因此研究温湿度的测量具有相当重要的意义。
在传统的测量方法中，使用的是温度计等模拟量。
这样的测量仪器虽然价格便宜，携带方便，但是精度不高，而且不方便人们查看具体的值。
但是如果采用电子测量，并且智能化，则可以具有具有控制方便，简单灵活等优点，提高温度控制的技术指标，也更加直观方便。
DHT11能够直接读出被测温湿度值，同时单片机可以把测量的数据通过串口传到计算机，来完成控制。
带来了极大的方便，用单片机控制的温湿度不仅硬件电路相对简单，而且测量精度高。
本次的设计就是采用单片机控制，对DHT11采集的数据进行相应的输出。
关键词温湿度电子测量AT89S51DHT11LCD1602
ABSTRACT
Temperatureandhumidityisbiologicalsurvivalprerequisite,theindustrialapplicationisverywide.Whetherinindustrialmanufacturing,oragriculturalproduction,orthePeople'sDailyliving,thereareallneedtopayattentiontothesephysicalquantities.Inaword,nomatherindailylifeorinindustry,agriculturewillnodepartfromthetemperatureandhumiditymeasurement,sothetemperatureandhumiditymeasurementhasveryimportantsignificance.Inthetraditionalmeasuringmethod,usingthermometerandanalogquantity.Althoughthepriceischeap,easytocarry,buttheaccuracyisnothigh,anditisnotconvenientforpeopletocheckthespecificvalue.Butiftheelectronicmeasurement,andintelligent,itcanbeconvenient,simpleandagilewithcontrol,etc.Andimprovethetemperaturecontrolofthetechnicalindicatorsandmoreintuitiveconvenient.DHT11canreaddirectlymeasuredtemperatureandhumidityvalue.Atthesametime,thesinglechipmicrocomputercanbemeasureddatathroughtheserialporttothecomputer,tocompletecontrol.Broughtgreatconvenience,withthetemperatureandhumidityofthesingle-chipmicrocomputercontrolnotonlyrelativelysimplehardwarecircuit,andhighmeasurementaccuracy.
Thisdesignisusingsingle-chipmicrocomputercontroling,andoutputtheDHT11ofthedatacollectedcorresponding.
KeywordsTemperatureandHumiditymeasurementAT89S51DHT11LCD1602
第1章绪论
本次大作业是温湿度的检测系统，采用的主要元件是MSC-51系列单片机中的AT89S51和DHT11温湿度的检测系统。
设计部分包括硬件部分与软件部分。
硬件部分是根据软件的流程图来设计的。
由于本次设计的主要功能是用户能预先设置阈值，LCD能够实时显示出当前确切的温湿度，并且在高于预设值的时候蜂鸣器能够发出蜂鸣。
所以硬件部分是有单片机，温湿度传感器，键盘，LCD，以及蜂鸣器。
单片机的作用是承担了主要的控制作用。
对温湿度传感器从外部的值与用户输入的阈值进行处理，并且输出给LCD与蜂鸣器。
温湿度传感器只是起到输入的作用，并且是一直不间断的输入，并且将值传送给单片机。
本身并不能起到其他更多的作用。
键盘则也是起到了输入的作用。
但是不能实时的反应，只能由用户进行操作，并且值保存在单片机内。
LCD是起到了实时输出的作用，为1602字符型液晶模块，反映的是由温湿度传感器采集来的外部信息。
蜂鸣器也同样属于输出，起到报警作用，当温湿度超过阈值就会响起，或者是当开机的时候，也会响起。
因此，软件部分除了主程序之外，还有显示子程序与测温湿度子程序。
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
一、问题的提出及其研究意义
随着电子技术的发展，电子技术在生活中运用的越来越广泛，嵌入式技术也发展的越来越成熟。
在人们生活中对电子技术的应用越来越多，本次的大作业所设计的“温湿度检测”也是其中的一种。
温度与湿度，向来是生物生活的一个重要的环境指标。
无论是在农业种植，工业的安全，还是仓储管理，人们的居家环境，都需要关心这两个值。
本次大作业所设计的并不适合在农业，工业以及仓储中的使用，农工业的应用其实需要的是多输入以及多出输出，但是本处只牵涉到采集一处信息并进行显示或者是报警。
所以只适合于室内家庭的使用。
为人们的穿衣以及居住等提出一个参考。
同时，随着城市居民生活节奏的加快以及人民生活水平的不断提高，人们对于亚健康的问题越来越关注，因此对于居住环境的要求也越来越高，舒适的环境已不仅仅限于宽敞豪华的住宅，同时也希望在自己的小家里也会有相应的信息，对自己的环境调控，能够根据人类的需要，设定相应的温湿度。
因此研究温湿度的控制非常有必要，它可以提升服务水平。
为满足现代家庭对于居住环境温湿度的不同需求，我们可以随时进行调节，对于不利情况能够及时的作出显示，并能够采取相应的措施提醒用户进行调整，以达到最适宜的温湿度。
首先我们必须了解温湿度控制对于家庭对于现代人们的重要性，其次我们才能够对此作出更好的判断，以求更好的解决用户所需要的问题。
温湿度的控制是我们研究的主要内容。
数字化温湿度检测的方法为一旦环境中的温湿度发生变化时，湿度传温度感器和湿度传感器随着温湿度的变化而变化，然后将变化的电阻通过转换电路和转换信号检测为与之对应变化的电压，然后把模拟电压信号由A/D转换器转换为数字信号并送入到单片机中，对采集到的信号单片机进行滤波处理并通过查表得到实际测量的湿度值，之后通过单片机的各外部接口电路显示该温湿度值。
二、国内外现状
最近几年，国内外温湿度传感器测量系统正向着集成化、智能化发展，随着科研人员的不断努力，该类型系统取得的巨大的成就。
我国仪器仪表行业是一个高速、平稳发展的行业，但在机械工业13个行业里，仪器仪表不属于增长最高的行业，四年来增长率在20%～27%之间。
仪器仪表行业在整个机电行业内属于改制和转制进展比较快的行业，相当数量的国有企业已经转为民营，三资企业也非常活跃，国外许多著名的仪器仪表跨国公司都在我国投资或者扩大生产。
按经济结构类型统计，行业销售收入中我国企业包括国有、国有控股和民营企业约占55.12%，利润占54.59%，其余为三资企业。
仪器仪表行业的另一个特征就是进出口逆差比较大，是机械工业13个行业里逆差最大的一个KL808智能温控仪，高温测湿装置，无锡电磁阀，PT100热电阻感应探头，无锡远红外线测温仪，无锡温湿度传感器，GTY快速夹具|无锡电热电器有限公司。
中国是发展中国家，仪器仪表行业与发达国家相比有10～15年的差距。
但在发展中国家里，我国是仪器仪表行业最大最齐全、综合实力最强的一个国家。
我国的仪器仪表需求量很大，是发展最快的国家之一。
世界上仪器仪表的增长率是3%～4%，我国已连续四年实现20%以上的年增长率，有的产品已经占了全世界的十分之一。
目前仪器仪表行业是直接与外商竞争的行业，外资在华已进入第三阶段。
第一阶段是合资和技术输出为主，20世纪90年代前后的合资转成控股为第二阶段，现在已进入到以独资和兼并我国优秀企业为主的第三阶段。
一些中低档产品已具有规模优势和国际市场竞争力。
比如普通数字万用表等产品占了世界很大产量，家用电度表生产能力占世界的50%。
目前，我国已成为电度表、显微镜、望远镜、温度计、压力表、水表、煤气表、光学元件等产品的生产和出口大国，集装箱检测设备等高档产品的出口也开始取得突破。
第2章总体方案及基础技术
本章介绍了本次设计的主要思路与所需要实现的内容，还介绍了所用到的元器件的主要功能与特性。
一、设计总体方案
本次大作业，所需要实现的功能是，温湿度传感器DHT11采集所需要的温度以及湿度的值，转化成数字，并且传入单片机。
两个值一旦超过用户所设定的阈值，则报警。
因此本次作业可以分成5个部分：
温湿度采集部分，用户输入部分，数据处理部分，报警部分，显示部分。
温湿度采集部分使用的是DHT11数字温湿度传感器单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。
产品为4针单排引脚封装，连接方便。
用户输入部分是由按键组成，主要的作用是让用户输入阈值，并且传递给单片机记录。
按键电路主要是用来完成单片机的复位操作和温湿度初始值的设定。
数据处理模块使用的是AT89S51单片机，功能是对温湿度数据的采集的数据进行运算和逻辑控制等功能。
主要负责处理由温湿度传感器送来数据，并把处理好的数据送向显示器模块，对输出进行实时的输出反馈。
显示部分由1602点阵液晶构成。
1602用于数据显示，显示的是当前的温度与湿度的值。
报警部分则是蜂鸣器及三极管来实现的，判断周围的温度或者湿度是否超出设定数值。
二、元器件的介绍
将单片机用作测控系统时，总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。
对于测量系统而言，其核心任务是怎么样获得准确的被测信号；而对测控系统来说，不可缺少的环节是对条件的监测和对被控对象状态的测试，传感器是实现测量与控制的第一环节，是测控系统的关键部分，一切准确的测量和控制都将在传感器对于原始信号的准确可靠的转换和捕捉，工业生产过程的自动化测量和控制，基本主要依赖各种传感器来控制和检测生产过程中的各种量，使系统和设备在最佳状态正常运行，从而保证生产的高质量和高效率。
1、温湿度传感器
本处的温湿度传感器是DHT11，所起到的作用是采集外部的温度与湿度的信息，将两个模拟量转化为数字量，并且将信息传送给单片机。
（1）串行接口（单线双向）
采用单总线数据格式,DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分。
（2）电气特性
VDD=5V，T=25℃，除非特殊标注，其中主要的电气特征如表2.1所示：
参数
条件
min
typ
max
单位
供电
DC
3
5
5.5
V
供电电流
测量
0.5
2.5
Ma
平均
0.2
1
Ma
待机
100
150
Ua
采样周期
秒
1
次
表2.1DHT11的电气特性
注：
采样周期间隔不得低于1秒钟
典型的应用电路如下图2.1：
图2.1典型的应用电路
（3）性能说明
表2.2性能说明
参数
条件
Min
Typ
Max
单位
分辨率
8
±
Bit
1
1
1
%RH
精度
25℃
±4
%RH
重复性
±1
%RH
温度
0-50℃
±5
%RH
温度
量程范围
0℃
30
90
%RH
50℃
20
80
%RH
25℃
20
90
%RH
长期稳定性
典型值
±1
%RH/yr
迟滞
±1
℃
互换性
可完全互换
分辨率
8
8
8
Bit
1
1
1
℃
重复性
±1
℃
响应时间
1/e（63%）
6
30
S
量程范围
0
50
℃
精度
±1
±2
℃
表2.2性能说明
（4）DHT11引脚说明如下表
pin
名称
注释
1
VDD
供电3－5.5V
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，悬空
4
GND
接地，电源负极
表2.3DHT11引脚说明
2.单片机
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS的8位单片机，片内含4K的可编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚，它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP），也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，ATMEL公司的功能强大。
同时，AT89S51芯片价格便宜，适合对大批量的计量仪器进行规模化改造，其单片售价不超过5元。
这些都是AT89S51的优点。
AT89S51具有完整的输入输出、控制端口、以及内部程序存储空间。
与我们通常意义上的微机原理类似，可以通过外接A/D，D/A转换电路及运放芯片实现对传感器传送信息的采集，且能够提供以点阵或LCD液晶及外接按键实现人机交互，能对内部众多I/O端口连接步进电机对外围设备进行精确操控，具有强大的工控能力。
易于学习。
AT89S51系列单片机编写程序的基本流程。
其语法结构与我们常用的计算机C语言基本相同，不同之处在于增加了控制具体引脚工作的语句和命令，相对于计算机C语言，单片机C语言更简练和明确.可以控制每个引脚的输入输出状态。
其主要语句集中在例如：
“ifelse”、“while”、“for”等循环与判断语句上，相比计算机C语言更简单。
有过计算机C语言学习经历经过一段时间的熟悉就能够熟练进行编程.
使用AT89S51系列单片机编程，可以在没有实物单片机的情况下在普通电脑上进行程序编写甚至是调试工作。
一般工作中使用Keil公司开发的51单片机编程软件进行编程，它采用目前流行的开友环境，集编辑，编译和仿真于一体。
在该软件上用户可以编写汇编语言或C语言源程序，并利用该软件生成单片机能运行的程序。
主要性能特点
1、4kBytesFlash片内程序存储器；
2、128bytes的随机存取数据存储器（RAM）；
3、32个外部双向输入/输出（I/O）口；
4、2个中断优先级、2层中断嵌套中断；
5、6个中断源；
6、2个16位可编程定时器/计数器；
7、2个全双工串行通信口；
8、看门狗（WDT）电路；
9、片内振荡器和时钟电路；
10、与MCS-51兼容；
11、全静态工作：
0Hz-33MHz；
12、三级程序存储器保密锁定；
13、可编程串行通道；
14、低功耗的闲置和掉电模式。
引脚图如下图2.8所示：
图2.8AT89S51引脚图
3、LCD
LCD液晶显示器是LiquidCrystalDisplay的简称。
LCD的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置TFT（薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。
现在LCD已经替代CRT成为主流，价格也已经下降了很多，并已充分的普及。
①LCD的优点
微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统操作控制。
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
②LCD1602主要技术参数：
工作电压:
4.5—5.5V
容量
16×2个字符
最佳工作电压
5.0V
工作电流
2.0mA
字符尺寸
2.95×4.35（W×H）mm
表2.2LCD1602的主要技术参数
③引脚如下图表示：
图2.2LCD1602的引脚
1602采用标准的16脚接口，引脚说明如下：
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
V0
液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
4
RS
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
7
DB0
底4位三态、双向数据总线0位（最低位）
8
DB1
底4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
底4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
底4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflag）
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
表2.4LCD1602的16个引脚说明
第3章硬件设计
在本次设计中，单片机就是整个系统的中心，其他的硬件由单片机指挥。
以单片机为中心，其余部分可以分为两种。
一种是向单片机提供数据的输入设备，一种是由单片机提供相应的值，然后做出反映。
这些外围设备只会实现一种特定功能，再由单片机将模块连接起来。
这些外围设备主要包括，温湿度传感器电路，LCD显示电路，输入键盘电路与蜂鸣器报警电路。
本章节主要介绍了硬件设计的总思路及其各部分电路的主要设计方法，并且详细的给出了各个模块（蜂鸣器，晶振电路，显示电路，传感器电路，复位电路）的电路设计。
一、主控制电路
本次硬件的核心就是AT89S51，其他的外围电路都是围绕它所设计的。
数字温湿度传感器的DHT11的DATA口连接单片机AT89S51的P3.0口。
显示电路就是把LCD1602和单片机的P0口分别相连，当温度或湿度高于预设值的时候蜂鸣器蜂鸣报警，增加单片机的输出能力，增加单片机的输出电流，故使用电阻排来完成。
本系统采用的是上电复位，充电之后，RST被拉至高电平，单片机进入工作状态。
AT89S51中有一个用于构成内部正当其的放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器构成自激振荡器，他们与电容C1，C2接在放大器的反馈电路中构成并联震荡电路，虽然电容没有一个严格的要求，但是电容的大小会轻微影响振荡频率的高低、温度稳定性以及振荡器工作的稳定性。
具体的原理图下图：
图3.1原理图
二、主要模块的电路
1、系统的蜂鸣器电路
在一般的电子设计中，都会对于一些重要的指标设有紧急状态报警系统，以便于提醒操作人员注意，或者采取紧急措施，或者是起到信号灯的作用。
在本次作业中，是把计算机采集的数据进行数据处理之后，与该参数上下限的与给定值进行比较，如果高于上限值则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示。
本设计采用峰鸣音报警电路。
如下图所示。
蜂鸣器额定电流≤30Ma,而对于AT89S51单片机，P3口的灌电流为15mA,由此可见，仅靠单片机的P3口电流是不能驱动蜂鸣器的，必须使用晶体管放大电路，为了使单片机的功率更小，所以使用PNP型晶体管,当外部环境的温度或者湿度超过预设值的时候，基级变为低电平，蜂鸣器导通鸣叫。
图3.2蜂鸣器电路
2、晶振电路
单片机系统都有晶振，在单片机系统中晶振的作用非常大，全称叫做晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生所需时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机的运行速度就会越快，单片机的一切指令执行都是建立在单片机晶振所提供的时钟频率。
在通常的工作条件下，普通的晶振频率的绝对精度可以达到百万分之五十，高级晶振精度更高，有些晶振还可以由外加的电压在一定范围内调整频率，称为压榨振荡器，在共振的状态下晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体工作，以提供稳定，精确的单频振荡。
单片机晶振的作用是为系统提供及本周的时钟信号，通常一个系统共用一个晶振，以便于各部分保持同步，有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而是通过电子调整频率的方法保持同步。
晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率，可以用于同一个晶振项链的不同锁相环来提供的。
单片机AT89S5
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