基于单片机的温湿度监控系统.docx
《基于单片机的温湿度监控系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的温湿度监控系统.docx（33页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于单片机的温湿度监控系统
XXX大学（学院）
本科生毕业设计
基于单片机的温湿度检测系统
Temperatureandhumiditydetectionsystembasedon
SingleChipMicrocomputer
学生姓名
所在专业
所在班级
申请学位
指导教师
职称
副指导教师
职称
答辩时间
设计总说明
温湿度的测量应用范围是很广的,对温湿度测量系统的研究也具有深远意义，本课题针对国内外对温湿度测量系统的研究与发展状况，分析了目前温湿度测量系统存在的主要问题，设计了一种基于单片机的温湿度测量系统，对某些有着特殊要求温度和湿度的场合实现长期、稳定、实时、自动的监测。
本设计主要由硬件电路和软件电路两部分组成，系统通过温湿度检测电路，把采集到的信号传给单片机，通过单片机来处理采集到的信号并通过LCD显示出来，如果温湿度过高或过低，报警电路会自动报警。
它以STC89C52单片机为核心，采用DHT11集成温湿度传感器,实现一种智能、快捷、方便的温湿度测量系统。
整个系统由温湿度检测电路、LCD显示电路、键盘电路、报警电路和单片机等组成。
设计的系统结构简单紧凑，功耗较低，抗干扰能力强、总体性能比较好，符合了智能仪器仪表小型化的潮流，为今后开发高性能和商品化的温湿度测量仪器奠定了良好的基础。
关键词：
单片机；温湿度；液晶
introduction
Temperatureandhumiditymeasurementapplicationrangeisverywide,theresearchontemperatureandhumiditymeasurementsystemhastheprofoundmeaning,aimingatdomesticandforeigntothetemperatureandhumiditymeasurementsystemresearchanddevelopmentsituation,analyzesthemainproblemsexistingincurrenttemperatureandhumiditymeasuringsystem,thedesignofatemperatureandhumiditymeasuringsystemwithsinglechipmicrocomputerbasedonthemonitoring,somespecialrequirementsfortemperatureandhumiditytoachievelong-term,stable,real-timesituations,automatic.Mainlybythedesignofhardwarecircuitandsoftwarecircuitcomposedoftwoparts,thesystemthroughthetemperatureandhumiditydetectioncircuit,theacquisitionofsignaltothemicrocontroller,throughthemicrocontrollertohandlethesignalcollectedanddisplayedthroughtheLCD,ifthetemperatureandhumidityistoohighortoolow,alarmcircuitwillautomaticallyalarm.IttakesAT89C52microcontrollerasthecore,adoptsSHT11integratedtemperatureandhumiditysensortoachieveanintelligent,fast,convenienttemperatureandhumiditymeasuringsystem,thewholesystemconsistsoftemperatureandhumiditydetectioncircuit,clockcircuit,LCDdisplaycircuit,keyboardcircuit,alarmcircuitandMCUetc..Thesystemdesignofthestructureissimpleandcompact,lowpowerconsumption,stronganti-interferenceability,betteroverallperformance,inlinewiththeintelligentinstrumentminiaturizationtrend,haslaidthegoodfoundationforthefuturedevelopmentoftemperatureandhumiditymeasuringinstrumentofhighperformanceandcommercialization.
Keywords:
SingleChipMicrocompute;Temperatureandhumidity;Liquidcrystal
第1章绪论
1.1概述
温湿度测量是现代检测技术的重要组成部分，在保证产品质量，提高产品产量，节约资源和安全生产方面起着非常重要的作用。
因此，能够确保快速、准确的测量温湿度的技术及其装置受到各国的重视。
随着信息产业的发展及其工业化的进步，温度和湿度不仅仅表现在以上几个方面直接或间接影响人类基本生活条件，还表现在对生物用品、医药卫生、科学研究、国防建设等方面的影响。
针对以上情况，实现对温湿度的准确可靠测量显的尤其重要。
近年来，利用智能化数字式温湿度传感器以及实现温湿度信息的在线检测已成为温湿度检测技术的一种发展趋势。
本设计以STC89C52为核心控制芯片，采集DHT11温湿度一体传感器，利用单片机读取传感器的温湿度后送到1602液晶进行显示。
并且可以通过按键对温度、湿度的报警范围进行设置，一旦超出范围，蜂鸣器鸣叫，对应的指示灯点亮。
1.2国内外发展现状
1.2.1 国外研究现状
国外对温湿度控制技术研究较早，始于20世纪70年代。
先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。
80年代末出现了分布式控制系统。
目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。
现在世界各国的温湿度测控技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。
1.2.2国内研究现状
我国对于温湿度测控技术的研究较晚，始于20世纪80年代。
我国工程技术人员在吸收发达国家温湿度测控技术的基础上，才掌握了温湿度室内微机控制技术，该技术仅限于对温湿度的单项环境因子的控制。
我国温湿度测控设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。
在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。
我国温湿度测量控制现状还远远没有达到工厂化的程度，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。
第2章系统总体方案设计
2.1设计要求
1）可同时进行温度和湿度的测量。
2）采用1602液晶显示温湿度数据。
3）可通过按键设置温度和湿度的报警范围，并实现报警值的断电保存。
4）一旦超出报警范围，蜂鸣器鸣叫。
5）有相应的指示灯指示是哪个数据超出范围。
2.2方案选择
2.2.1传感器的选择
方案一：
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，具有独特的单线式接口方式，测量温度范围在-55℃—125℃，-10℃—85℃，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。
方案二：
选用DHT11作为温湿度检测模块。
DHT11是一款数字输出的复合传感器，包含一个电阻式干事元件和NTC式温度检测元件，可测20—90%RH湿度，误差为±5%RH，0—50℃，误差范围±2℃。
综上所述，虽然方案一具有较高的测试范围和精度，但由于本设计所测试的是一般的环境温度和湿度，选取方案二的DHT11温湿度传感器已经能够满足设计的要求，并且，DHT11复合了温湿度传感器，且价格便宜，故本模块采用方案二。
2.2.2单片机的选择
方案一：
采用DSP作为系统控制器。
DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。
DSP具有对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小，容易实现集成，可分时复用，共享处理器，方便调整处理器的系数实现自适应，可用于频率非常低的信号等优点。
但DSP硬件电路比较复杂，且价格昂贵，数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。
方案二：
采用单片机作为系统控制器。
单片机具有可靠性强、性价比搞、电压低、功耗低等优点得到迅猛发展和大范围推广，单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种逻辑功能，本身带有定时器、计数器，可以用来定时和计数，并且其功耗低，体积小，计数成熟和成本低等优点。
基于以上分析，拟定方案二，用STC89C52单片机作为控制器。
第3章系统硬件设计
3.1整体方案设计
3.1.1系统概述
整个系统以STC89C52单片机为核心器件，配合电阻电容晶振等器件，构成单片机的最小系统。
其它个模块围绕着单片机最小系统展开。
其中包括，传感器输采用DHT11温湿度一体的传感器，负责采集温度和湿度的数据后发给单片机。
按键部分使用市面上常见的轻触按键作为系统的输入设置模块。
输出则采用蜂鸣器+LED的形式。
电源供电则采用USB5V供电。
3.1.2系统框图
蜂鸣器
按键设置输入
LED指示灯
3-1系统框图
3.2最小系统模块
3.2.1STC89C52简介
（1）概述
STC89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），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MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线。
STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
（2）主要功能特性
◆兼容MCS51指令系统；
◆8k可反复擦写（>1000次）FlashROM；
◆32个双向I/O口；
◆256x8bit内部RAM；
◆3个16位可编程定时/计数器中断；
◆时钟频率0-24MHz；
◆2个串行中断；
◆可编程UART串行通道；
◆2个外部中断源；
◆共8个中断源；
◆2个读写中断口线；
◆3级加密位；
◆低功耗空闲和掉电模式；
◆软件设置睡眠和唤醒功能；
（3）8051单片机的引脚功能
MCS-51系列单片机一般采用40个引脚，双列直插式封装，用HMOS工艺制造，其外部引脚排列如图3-2所示。
其中，各引脚的功能为:
图3-2STC89C52引脚图
①主电源引脚
VCC（40脚），接＋5V电源正端；
GND（20脚），接＋5V电源地端；
②外接晶体或外部振荡器引脚
XTAL1（19脚），接外部晶振的一个引脚。
在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。
当采用外部振荡器时，此引脚应接地。
XTAL2（18脚），接外部晶振的另一个引脚。
在片内接至反相放大器的输出端和内部时钟电路的输入端。
当采用外部振荡器时，此脚接外部振荡器的输出端。
③控制信号线
RESET（9脚），复位信号输入端，复位/掉电时内部RAM的备用电源输入端。
ALE（30脚），地址锁存允许/编程脉冲输入，用ALE锁存从P0口输出的低8位地址。
在对片内EPROM编程时，编程脉冲由此输入。
PSEN（29脚），外部程序存储器读选通信号，低电平有效。
EA（31脚）,访问外部存储器允许/编程电压输入。
EA为高电平时，访问内部存储器；低电平时，访问外部存储器。
④多功能I/O口引脚
8051单片机设有4个双向I/O口（P0、P1、P2、P3），每一组I/O口线都可以独立地用作输入或输出口，其中：
P0口（32～39脚）——双向口（三态），可作为输入/输出口，可驱动8个LSTTL门电路。
实际应用中常作为分时使用的地址/数据总线口，对外部程序或数据存储器寻址时低8位地址与数据总线分时使用P0口：
先送低8位地址信号到P0口，由地址锁存信号ALE的下降沿将地址信号锁存到地址锁存器后，再作为数据总线的口线对数据进行输入或输出。
P1口（1～8脚）——准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。
用作输入线时，口锁存器必须由单片机先写入“1”，每一位都可编程为输入或输出线。
P2口（21～28）——准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。
可作为输入/输出口，实际应用中一般作为地址总线的高8位，与P0口一起组成16位地址总线，用于对外部存储器的接口电路进行寻址。
P3口（10～17脚）——准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。
双功能口，作为第一功能使用时，与P1口一样；作为第二功能使用时，每一位都有特定用途，其特殊用途如表3.1所示：
表3.1P3口第二用途
端口引脚
第二功能
注释
P3.0
RXD
串行口数据接收端
P3.1
TXD
串行口数据发送端
P3.2
/INT0
外中断请求0
P3.3
/INT1
外中断请求1
P3.4
T0
定时/计数器0外部计数信号输入
P3.5
T1
定时/计数器1外部计数信号输入
P3.6
/WR
外部RAM写选通信号输出
P3.7
/RD
外部RAM读选通信号输出
3.2.2最小系统电路
STC89C52的最小系统如图3-3所示，整个最小系统由三个部分组成，晶振电路部分、复位电路部分、电源电路等三个部分组成。
晶振电路包括2个30pF的电容C2和C3，以及12M的晶振X1。
电容的作用在这里是起振作用，帮助晶振更容易的起振，取值范围是15-33pF。
晶振的取值也可以是24M，晶振的取值越高，单片机的执行速度越快。
在进行电路设计的时候，晶振部分越靠近单片机越好。
单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。
单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。
复位电路由10uF的极性电容C1和10K的电阻R4构成。
利用电容电压不能突变的性质,可以知道,当系统一上电，RESET脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。
典型的51单片机当RESET脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。
在电路图中，电容的的大小是10uF，电阻的大小是10k。
所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K×10UF=0.1S。
也就是说在电脑启动的0.1S内，电容两端的电压时在0-3.5V增加，这个时候RESET引脚所接收到的电压是5V-1.5V。
在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。
所以在开机0.1S内，单片机系统自动复位（RESET引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右）。
最后一个是电源部分，采用5V的USB直接供电，可采用手机充电器、电脑USB口、移动电源等设备进行供电。
此外，除了单片机最小系统的3个部分之外，这里还多了一些外部电路。
由于STC89C52的P0口是漏极开路输出，因此在P0口接了一个10K的排阻R1，使得P0口可以作为普通的I/O口使用，本设计用P0口来做液晶的数据口。
特别注意的是，对于31脚（EA）,当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行；当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。
由于我们的程序存储在了单片机内部，所以EA要接高电平，保证单片机是从内部读取程序去执行的。
图3-3单片机最小系统
3.3DHT11传感器电路
3.3.1DHT11简介
◆相对湿度和温度测量
◆全部校准，数字输出
◆卓越的长期稳定性
◆无需额外部件
◆超长的信号传输距离
◆超低能耗
◆4引脚安装
◆完全互换
（1）DHT11产品概述
DHT11（图3-4）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与卓越的长期稳定性。
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。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
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，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
产品为4针单排引脚封装。
连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。
图3-4
（2）应用领域
◆暖通空调
◆测试及检测设备
◆汽车
◆数据记录器
◆消费品
◆自动控制
◆气象站
◆家电
◆湿度调节器
◆医疗
◆除湿器
3.3.2接口说明
（1）接口说明
建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。
图3-5DHT11典型连接图
（2）引脚说明
Pin1：
（VDD），电源引脚，供电电压为3-5.5V。
Pin2：
（DATA），串行数据，单总线。
Pin3:
（NC），空脚，请悬浮。
Pin4（VDD），接地端，电源负极。
（3）串行接口（单线双向）
DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明。
当前小数部分用于以后扩展,现读出为零。
操作流程如下：
一次完整的数据传输为40bit,高位先出。
数据格式为8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位校验和，数据传送正确时校验和数据等于“8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据”所得结果的末8位。
用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。
通讯过程如图3-6所示。
图3-6DHT11与单片机的通讯过程
总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。
DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号。
主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后,读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可,总线由上拉电阻拉高。
通讯初始化要求如图3-7所示。
图3-7通讯初始化
总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。
数字0信号表示方法如图3-8所示。
图3-8数字0信号的表示方法
数字1信号表示方法如图3-9所示。
图3-9数字1信号的表示方法
3.3.3DHT11模块电路图
DHT11的模块电路图如下图所示：
图3-10DHT11模块连接图
3.4液晶显示电路
3.4.11602液晶简介
液晶显示器是一种显示器件，具有小体积、轻重量、低功耗等特色。
由于其功耗低、显示的信息量大（例如，文本，图形，曲线等）、无电磁辐射、使用寿命长，它已被广泛应用在便携式电子产品。
本系统显示采用了工业字符型液晶模块1602，可显示2行16个字符，能方便显示英文字母大小写、阿拉伯数字、常用符号等。
通过自定义还可显示简单的汉字。
本系统采用的1602是一款物美价廉的液晶显示屏，可以显示2行标准字符，每行共有16个字符。
在通信系统，智能操作仪表和办公设备的自动化中被广泛的应用，主要功能是显示ASCII字符，因此被称为“字符型显示装置”。
当在内部没有适合的汉字库的液晶类型显示器想要表达汉字的时候，第一步就是要获得想要的汉文或者图形的子模数据。
子模块的软件不能直接提取的子模块的数据5×8点阵，可以从手工提取汉字的字体以模具。
第二步，把取得的汉字子模数据保存在液晶存储器里面。
1602液晶分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图（图3-11）所示：
图3-11液晶尺寸说明
1602LCD主要技术参数：
◆显示容量:
16×2个字符
◆芯片工作电压:
4.5—5.5V
◆工作电流:
2.0mA（5.0V）
◆模块最佳工作电压:
5.0V
◆字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
3.4.2液晶引脚说明
1602的引脚如表3-2所示：
表3-21602液晶引脚说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
升级会员 