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仓库温湿度监测系统设计

摘要

防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。

它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。

为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。

但传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。

这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。

本文介绍了数字传感器SHT11的特点和功能，并与89C51单片机、显示器LCD组成数字温湿度计，在Proteus仿真软件的基础上，给出了硬件电路图，软件流程图和主要的程序。

关键词：

89C51单片机；温湿度传感器SHT11；显示器LCD；Proteus仿真软件；流程图；硬件电路

Abstract

Moisture,mildew,corrosion,explosion-proof warehouse dailywork is animportantindicator to measure the quality of warehousemanagement. Itdirectlyaffectsthe lifeand reliability of the stockpile. Inordertoensure thedailywork, the primary issueistostrengthen the monitoring of temperatureandhumidity insidethewarehouse.However, traditionalmethods with the hygrometer,hair hygrometer, bi-metal gaugesandhumidity teststrips andother test equipment, manual testing, ventilation,dehumidification andcooling work doesnotmeetthe temperatureandhumidityrequirementsof theTreasury. Thiswillnotonly controlprecision,real-time,and theamountoflabor intensity.

Thisarticledescribes the featuresandfunctions of the warmhumiditysensorSHT11, and89C51,monitor, LCD digitalthermometer, Proteussimulation software basedonthe givenhardware schematics andsoftware flowchartsand procedures.

Keyword:

Singlechip89C51;warmhumiditysensorSHT11;LCDpanel;SimulationSoftwarenamedProteus；flowchart；softwarecircuit.

1绪论

1.1绪论

防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。

它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。

为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。

这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。

即使有些用户采用半导体二极管作为温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。

由于温度过高或过低引起的库存品失效或由于环境湿度过高而引起的事故时有发生，甚至危及到人员的安全。

所以实施对温湿度的监控十分重要，同时有利于促进企业管理建设与高新科技的结合，把企业仓库监测等监控管理行业发展成为功能丰富多彩的数字家园。

对仓库温湿度监测系统除了应用于仓库还可以应用于其他行业。

例如像纺织工艺对温湿度有严格要求，纺织厂空调系统的可靠性和安全性直接影响正常生产和经济效益。

目前纺织厂大部分空调系统控制方式落后、操作不方便。

而且空调系统能耗大、机器受损严重、运行成本较高。

因此，设计一个操作方便、功能完善、工作可靠的温湿度监控系统，对提高设备的工作效率、降低事故率有积极作用。

1.2国内外发展情况

目前，国内外仓库调节控制环境温湿度措施包括：

装备集中式中央空调系统；局部空间使用恒温恒湿机、空调器、去湿机、加湿机和使用调湿材料等。

被调节控制的温湿度环境是否达到储备物资保存环境的标准，需用温湿度测量仪表测定。

通常使用的温湿度测量仪表有：

液体膨胀式温度计、固体膨胀式温度计、毛发湿度计、自动记录温湿度计、微电子温湿度记录器等。

温湿度测量仪表分布在各个仓库中，采集温湿度监测数据的传统手段是人工巡检记录，然后进行汇总，记录存档。

由于仓库数量多、面积大，工作人员完整巡检一遍需要大量时间。

因此，利用人工抄表的方式，每日记录温湿度的次数极为有限，而且在夜间也无法巡查记录。

现如今，湿度传感器有Vaisala公司的HMW系列产品、E+E公司的EE10系列产品、长英科技LTM8901系列等产品。

而全新的数字化温湿度传感器LTM8901是全新概念的温湿度传感器，采用了智能线性化技术，使用了全新的生产工艺，发扬长英科技数字化、网络化的特点，实现高精度、高互换性、方便的现场校准/安装，是经济性、方便性和先进性的统一。

传感器与传感器之间可联网，也可以单只使用。

使得系统更简单，更具兼容性，更易扩展。

LTM-8901使用数字化技术，使得系统精度不受传输影响；无需A/D等繁琐电路，数据由传感器出来直接进入采集器，系统可能发生故障的环节少，便于维护。

LTM-8901不是简单的湿敏元件，而是传统湿敏元件与湿度变送器的融合体，本身具有很强的抗静电、抗干扰、抗反接等保护能力，而且具有很强的结露恢复能力，并对腐蚀性气体有一定的抵御能力（2003年曾通过等同于国家粮食储备库熏蒸试验环境的检验）。

LTM-8901只需5V供电，峰值电流为9mA，极低的工耗符合节电、低热的环保要求。

1.3、论文组织方式

本篇论文由六章组成，第一章绪论介绍本课题研究的意义及国内外研究状况；第二章传感器选择介绍本课题可以采用的两大类传感器并介绍了相关方案和具体的SHT11传感器；第三章介绍了总系统硬件电路及硬件电路的各个模块相关器件；第四章软件部分主要阐述软件部分各个模块的流程图，介绍设计思路；第五章介绍keilc51和proteus两个软件的使用和联调；第六章毕业设计的总结和展望未来。

2传感器的选择

本次课题选用的是温湿度传感器，首先我们来进行方案的比较，再介绍具体的传感器。

2.1方案比较

方案一：

首先我们考虑到使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行温度数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦，同时加上湿度模块就更加复杂了。

模拟电路的累加对后期我们的数据采集精度也很能达标。

方案二：

其次我们考虑到用温度传感器再加上湿度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，温度传感器可以采用一线制DS18B20，这个传感器可以在proteus元件库中找到方便后期仿真模拟，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。

方案三：

随着技术发展，温湿度一体的传感器也越来越多，并且性价比也越来越低，例如DHT90、91、95系列价格在四五十左右或者更低。

经过搜找，我发现在proteus元件库中的SHT11这款温湿度传感器。

它具有前两个方案的优点又克服了前两个方案的缺点。

同时它也符合参数要求。

从以上三种方案，很容易看出，采用方案三，电路比较简单，同时可以保证精度故采用了方案三。

2.2SHT11传感器介绍

SHT11传感器的元件图如图2-1所示

图2-1proteus中sht11元件

SHT11温湿度传感器的主要特性如下：

（1）将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片（CMOSensTM技术）；

（2）可给出全校准相对湿度及温度值输出；

（3）带有工业标准的I2C总线数字输出接口；

（4）具有露点值计算输出功能；

（5）具有卓越的长期稳定性；

（6）湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位；

（7）小体积（7.65×5.08×23.5ｍｍ），可表面贴装；

（8）具有可靠的CRC数据传输校验功能；

（9）片内装载的校准系数可保证100%互换性；

（10）电源电压范围为2.4~5Ｖ；

（11）电流消耗,测量时为550μＡ，平均为28μＡ，休眠时为3μＡ。

具体的SHT11的内部结构如图2-2所示，SHT11的性能参数如表2-1所示，SHT11相对温度、湿度、露点的精确曲线如图2-3所示。

图2-2SHT11内部结构

表2-1SHT11性能参数表

参数（湿度）

条件

Min.

Typ.

Max.

单位

分辨率

0.5

0.03

%RH

bit

重复率

+0.1

%RH

精度

不确定性

线性化

参见图2-3

互换性

可完全互换

非线性度

原始数据

%RH

线性化

<<1

%RH

量程范围

100

%RH

响应时间

1/e（63%）

缓慢流动空气

迟滞

%RH

长期稳定性

典型值

<0.5

%RH/yr

参数（温度）

条件

Min.

Typ.

Max.

单位

分辨率

0.04

0.01

℃

0.07

0.02

℉

Bit

重复性

+0.1

℃

+0.2

℉

精度

参见图2-3

量程范围

-40

123.8

℃

-40

254.9

℉

响应时间

1/e（63%）

图2-3SHT11相对温度、湿度、露点的精确曲线

SHT11传感器共有5条用户命令,具体命令格式见表2-2。

下面介绍一下具体的命令顺序及命令时序。

（1）传输开始:

初始化传输时,应发出“传输开始”命令,具体为SCK是高电平时,DATA由高电平变为低电平,并在下一个SCK为高时将DATA升高。

接着传输开始下一个命令包含三个地址位（目前只支持“000”）和5个命令位,通过DATA脚的ack位处于低电位表示SHT11正确收到命令。

（2）连接复位顺序如果与SHT11传感器的通讯中断,下列信号顺序会使串口复位:

当使DATA线处于高电平时,触发SCK9次以上含9次,并发一个前述的“传输开始”命令。

表2-2SHT11传感器命令列表

命令

编码

说明

测量温度

00011

温度测量

测量湿度

00101

湿度测量

读寄存器

00111

“读”状态寄存器

写寄存器

00110

“写”状态寄存器

软启动

11110

重启芯片，清除状态记录器的错误

记录11毫秒后进入下一个命令

3系统硬件设计

3.1单片机89C51

3.1.1单片机应用领域

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。

因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

（1）在智能仪器仪表上的应用

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

（2）在工业控制中的应用

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

（3）在家用电器中的应用

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

（4）在计算机网络和通信领域中的应用

　　现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

（5）单片机在医用设备领域中的应用

　　单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

（6）在各种大型电器中的模块化应用

　　某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。

如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。

如：

音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。

　　在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。

（3）单片机在汽车设备领域中的应用

单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。

此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

3.1.2单片机的类型

STC单片机

　　STC公司的单片机主要是基于8051内核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快8～12倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好，抗干扰强。

（1）PIC单片机：

　　是MICROCHIP公司的产品,其突出的特点是体积小,功耗低,精简指令集,抗干扰性好,可靠性高,有较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。

（2）EMC单片机：

　　是台湾义隆公司的产品,有很大一部分与PIC8位单片机兼容,且相兼容产品的资源相对比PIC的多,价格便宜,有很多系列可选,但抗干扰较差。

　　（3）ATMEL单片机（51单片机）：

　　ATMEl公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列,AT89系列是8位Flash单片机,与8051系列单片机相兼容,静态时钟模式;AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机,也叫AVR单片机。

　　（4）PHLIPIS51PLC系列单片机（51单片机）：

　　PHILIPS公司的单片机是基于80C51内核的单片机，嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能,这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求，

　　（5）HOLTEK单片机：

　　台湾盛扬半导体的单片机,价格便宜,种类较多,但抗干扰较差,适用于消费类产品。

　　（6）TI公司单片机（51单片机）：

　　德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机.TMS370系列单片机是8位CMOS单片机,具有多种存储模式、多种外围接口模式,适用于复杂的实时控制场合;MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机,特别适用于要求功耗低的场合

　　（7）松翰单片机（SONIX）：

是台湾松翰公司的单片，大多为8位机，有一部分与PIC8位单片机兼容，价格便宜，系统时钟分频可选项较多，有PMWADC内振内部杂讯滤波。

缺点RAM空间过小，抗干扰较好。

本仿真主要用到的单片机是ATMAL公司生产的AT89S51单片机。

3.1.3AT89C51介绍

在运用的proteus软件中AT89C51引脚图如图3-1所示

图3-1proteus中AT89C51引脚图

AT89C51各个引脚介绍：

VCC/GND：

供电电源。

P0口：

可以被定义为数据/地址的低八位，能够用于外部程序/数据存储器。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

标准输入输出I/O，P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

既可用于标准输入输出I/O，也可用于外部程序存储器或数据存储器访问时的高八位地址。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

既可以作标准输入输出I/O，也可作为AT89C51的一些特殊功能口，

管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.2LCD显示电路

3.2.1方案比较

方案一：

选用液晶显示器（LCD），LCD具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等许多其它显示器无法比拟的优点，近几年来被广泛用于单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中。

LCD可分为段位式LCD、字符式LCD和点阵式LCD。

其中，段位式LCD和字符式LCD只能用于字符和数字的简单显示，不能满足图形曲线和汉字显示的要求；而点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动，动画功能，分区开窗口，反转，闪烁等功能，用途十分广泛。

LCD产品制造涉及光学、半导体、电机、化工、材料等各项领域，上下游所需技术层面极广，极少有单一厂商能从材料到成品全部都做，因此各领域分工明显。

LCD产业上游材料包括玻璃基板、ITO导电玻璃、偏光板、彩色滤光片、背光模块、液晶、半导体制造工序所需光罩，液晶驱动IC、印刷电路板（PCB）等；中游则集合各种材料，制造LCD面板和模块，提供给下游应用厂商使用。

方案二：

选用LED显示器，LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。

在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

综上所诉，结合proteus的元件库，我们选择方案一，因其可以同时显示多个数据，故选之。

3.2.2LM016L介绍

Proteus软件中LCD屏选用的元器件如图3-2所示

图3-2LCD屏

引脚说明

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

VEE为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，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。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

3.3报警电路

报警电路由二极管红灯、黄灯与扩音器组成。

在监测值低于下限时黄灯亮，在监测值高于上限较危险时红灯亮，扩音器响。

报警电路结构及布局如图3-3所示

图3-3报警电路

3.4按键电路

按键部分共有五个按键分别是上下限选择按键，按一下从上限设置切换到下限设置或者是下限设置切换到上限设置此时可更改上下限值；加一按键，减一按键，根据需要更改上下限值；开关按键，只有此按键按下时才能更改上下限，更改上下限时不测量，测量时不能更改上下限；温湿度切换按键，切换温度上下限还是湿度上下限。

具体电路如图3-4所示

图3-4按键部分

3.5系统硬件电路

总体电路图如图3-5所示，即以上各个模块的综

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