家居温湿度监测系统设计.docx
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家居温湿度监测系统设计
￥
沈阳工程学院
课程设计
.
设计题目：
家居温湿度监测系统设计
"
系别：
自控系班级：
测控本101
学生姓名：
顾亚辉学号：
13
指导老师：
祝尚臻职称：
讲师
起止日期:
2013年3月11日起—至2013年3月22日止
;
沈阳工程学院
课程设计任务书
课程设计题目：
家居温湿度监测系统设计
$
系别自控系班级测本101
学生姓名顾亚辉学号13
指导教师祝尚臻职称讲师
课程设计进行地点：
实训F430
任务下达时间：
2013年3月8日
起止日期：
2013年3月11日起——至2013年3月22日止
》
教研室主任年月日批准
家居温湿度监测系统设计成绩评定表
指导教师评审意见
评价内容
具体要求
?
权重
评分
加权分
论证
独立查阅文献，制定课程设计方案和日程安排。
5
4
~
3
2
工作能力态度
工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作。
-
5
4
3
2
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工作量
按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，
5
4
3
2
《
说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，文字通顺，技术用语准确，符号统一，书写工整规范。
5
4
）
3
2
指导教师评审成绩
（加权分合计乘以12）
分
@
加权分合计
指导教师签名：
年月日
评阅教师评审意见
评价内容
具体要求
权重
@
评分
加权分
查文献
查阅文献有广泛性，有综合归纳资料的能力
5
4
3
…
2
工作量
工作量饱满，难度适中
5
4
3
-
2
说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，文字通顺，技术用语准确，符号统一，书写工整规范。
5
】
4
3
2
评阅教师评审成绩
￥
（加权分合计乘以8）
分
加权分合计
评阅教师签名：
年月日
课程设计总评成绩
分
^
系部：
自控系班级：
测控本101学生姓名:
顾亚辉
中文摘要
地球上因为有了温度和水的存在，人类才能生存，但到底多高的温度和湿度才适合人类的生存呢这就需要用仪器来测量了，正是在这种情况下测温湿仪应运而生。
随着科学技术发展的日新月异，普通电路已经无法满足日常生活及工业的控制要求，这就要求测温湿的技术要适应市场的需求，要求的功能越来越强大，从单一的功能到多功能循环检测，就是能多路检测温度，利用传感器完成温度数据的采集，然后经单片机数据处理，把检测的温湿度在显示屏上显示出来当前的温度，并设有一定的量程，超过量程就会发出报警。
因此，家居温度监测正是顺应而生。
本设计是一个基于单片机控制，为满足家居温湿度监控系统，给出了了系统的实现方法，介绍了该系统的硬件设计和软件设计。
该系统采用C8051单片机为核心控制芯片，采用温度传感器AD590和湿度传感器HS1100进行测量，可实现对温湿度参数的测量，显示，报警。
关键词：
温湿度测量；C8051；AD590；HS1100；
~
关键字:
单片机A/D转换监测温湿度
|
@
|
{
}
~
—
1课程设计要求
1.1设计主要内容及要求
1.1.1设计目的：
（1）了解温湿度检测和控制技术的基本知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。
（2）初步掌握常用测温、测湿方法的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。
（3）通过学习，具体掌握所选择测温、测湿方法和相关传感器的使用特点和方法。
1.1.2基本要求
（1）通过c8051f020单片机编程来实现温湿度的实时显示，具有超量程报警装置。
（2）要求设计相关的硬件电路，选择合适的传感器、控制系统和显示系统。
（3）要有相应的控制算法（软件流程图）。
1.1.3发挥部分
自由发挥
1.2对设计论文撰写内容、格式及字数的要求
1）课程设计论文是体现和总结课程设计成果的载体，一般不应少于3000字。
2）学生应撰写时应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。
3）论文要求打印，打印时按《沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范》的要求
4）课程设计论文装订顺序为：
封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献。
1.3时间进度安排
顺序
阶段日期
计划完成内容
备注
1
讲解主要设计内容，安排学生查阅资料
打分
2
检查任务框图的设计情况
打分
3
检查整个设计理论方面的准备情况
打分
4
指导学生进行传感器的选择
打分
5
进程传感器及测量电路的硬件电路设计
打分
6
讲解原理图的绘制要求
打分
7
检查原理图完成情况，讲解及纠正错误
打分
8
检查流程图的绘制及报告的书写要求
打分
9
布置答辩
打分
10
答辩、写报告
打分
2课程设计思路
本次课程设计主要是利用单片机编程来控制家具温湿度监测电路，主要利用的仪器有C8051芯片，然后利用编成软件SiliconLaboratoriesIDE来编写程序，功能是实现家居温湿度测量，然后通过测量电路和单片机来只能控制温湿度，并带有越限报警的功能，当超过设定的温湿度就会反应，提示温度超标。
程序主要测量电路、A/D转换、数据处理电路组成。
该系统采用C8051单片机为核心控制芯片，采用温度传感器AD590和湿度传感器HS1100进行测量，可实现对温湿度参数的测量，显示，报警。
本设计要实现的功能是：
实时显示当前环境的温湿度，并且允许用户设定温湿度阈值，当环境温湿度超过阈值时，系统会以蜂鸣器鸣响的方式进行报警提示。
依据功能设定，本系统主要分为以下三个模块：
采集部分：
温度，湿度数据的采集。
分析部分：
单片机对采集到信号进行分析，处理。
处理部分：
显示器，报警器
辅助部分：
这部分包括，稳压电源电路，晶振电路，复位电路
关键词：
温湿度测量；C8051；AD590；HS1100；
3设计方案及元件选择
3.1设计的主要内容及参数要求
3.1.1基本要求
设计一个温湿度监测系统，适用于家居监测。
以C8051单片机为控制部分；选择合适的温度传感器和湿度传感器作为测量元件；能实时显示温度和湿度参数；设定好上下限后，当温湿度超过限度，报警。
3.1.2参数要求
本设计是应用于室内测量，对参数要求不是太苛刻。
可做如下要求：
温度：
-30℃-+40℃误差：
0.5℃
湿度：
1%-100%RH误差：
1%RH
3.2传感器的选择
3.2.1温度传感器
方案1：
采用热电阻温度传感器。
热电阻传感器的电阻与温度之间具有优异的线性和稳定性。
这类传感器主要用于要求高精度、经久耐用和长斯稳定性的工业环境中。
现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻，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密测温和温度标准。
缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。
方案2：
采用AD590温度传感器，它的测温范围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。
M档在测温范围内非线形误差为±0.3℃。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏，使用可靠。
它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接口也很简单。
作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力，AD590的测量信号可远传百余米。
综合比较方案1与方案2，方案2更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。
3.2.2湿度传感器
方案1：
采用HOS-201湿敏传感器。
HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ～1KHZ，测量湿度范围为0～100%RH，工作温度范围为0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。
这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。
然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。
方案2：
采用HM1500湿度传感器。
线性电压输出式集成湿度传感器HM1500采用获得专利的湿敏电容HS1101设计制造，其湿度测量范围为5％～99％（相对湿度）；相对湿度精度为3％；工作温度为-30～+60℃；工作湿度范围为0～100％（相对湿度）；供电电压为5V（最大电压DC16V）；可输出DC电压为1～4V；响应时间为5s，适用于工业级场合。
方案3：
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。
具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速，专门设计的固态聚合物结构，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%RH范围内；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pF/℃，可见精度是较高的。
综合比较方案一，方案二和方案三，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性，其工作电压为交流1V以下，实现叫困难，而且还不能在系统要求的温度条件下工作，方案二测量精度不符合设计系统要求。
因此，我们选择方案三来作为本设计的湿度传感器。
3.3信号传输通道
在本设计系统中，温度输入信号为多路的模拟信号，这就需要多通道结构。
方案1、采用多路并行模拟量输入通道
这种结构的模拟量通道特点为：
（1）可以根据各输入量测量的要求选择不同性能档次的器件。
（2）硬件复杂，故障率高。
（3）软件简单，各通道可以独立编程。
方案2、采用多路分时的模拟量输入通道
这种结构的模拟量通道特点为：
。
（1）处理速度慢。
（2）硬件简单，成本低。
（3）软件比较复杂。
综合比较方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于模拟量输入的要求，比较其框图，方案二更具备硬件简单的突出优点，所以选择方案二作为信号的输入通道。
图例如下：
多路并行模拟量输入通道
多路分时的模拟量输入通道
4硬件设计电路
4.1信号采集部分电路设计
4.1.1温度信号采集
AD590传感器的主要特性：
AD590温度传感器是电流型温度传感器，通过对温度的测量可得到所需要的电流值。
根据特性分挡，AD590的后缀以I，J，K，L，M表示。
AD590L，AD590M一般用于精密温度测量电路，它采用金属壳3脚封装，其中1脚为电源正端V＋；2脚为电流输出端I0；3脚为管壳，一般不用。
1、流过器件的电流（
）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：
式中：
——流过器件（AD590）的电流，单位
。
T——热力学温度，单位K。
2、AD590的测温范围-55℃～+150℃。
3、AD590的电源电压范围为4V-30V。
电源电压可在4V-6V范围变化，电流
变化1
，相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。
4、输出电阻为710MΩ。
5、精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线形误差±0.3℃。
温度测量电路
图3-1是AD590用于测量热力学温度的基本电路。
在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个40kΩ的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号。
因为流过传感器的电流与热力学温度成正比，当电阻
和电位器
的电阻之和为40kΩ时，输出电压
随温度的变化为1mV/K。
但由于AD590的增益有偏差，电阻也有偏差，因此应对电路进行调整，调整的方法为：
把AD590放于冰水混合物中，调整电位器
，使
=+25=（mV）。
但这样调整只保证在0℃或25℃附近有较高的精度。
AD590应用电路
如图3-1所示，电位器
用于调整零点，
用于调整运放LF355的增益。
调整方法如下：
在0℃时调整
，使输出
=0，然后在100℃时调整
使
=100mV。
如此反复调整多次，直至0℃时，
=0mV，100℃时
=100mV为止。
最后在室温下进行校验。
例如，若室温为25℃，那么
应为25mV。
冰水混合物是0℃环境，沸水为100℃环境。
4.1.2湿度信号采集
HS1100传感器的主要特性
HS1100/HS1101电容传感器具有完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速的特点，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。
其测量的范围相对湿度在1%--100%RH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pF/℃。
可见精度是较高的。
湿度测量电路
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。
将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常有两种方法：
一是将该湿敏电容置于桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。
频率输出的555测量振荡电路如图3-3所示。
集成定时器555芯片外接电阻
、
与湿敏电容C，构成了对湿敏电容C的充电回路。
7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对湿敏电容C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。
另外，
是防止输出短路的保护电阻，
用于平衡温度系数。
频率输出的555振荡电路
该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：
首先电源Vcc通过
、
向湿敏电容C充电，经充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过
放电，经放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此翻来覆去，形成方波输出。
其中，充放电时间为
=C（
+
）ln2
=C
ln2
因而，输出的方波频率为
f=1/（
+
）=1/[C（
+2
）ln2]
可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，表3-1给出了其中的一组典型测试值。
4.2信号处理部分电路设计
4.2.1报警电路
本设计采用峰鸣音报警电路。
如图所示。
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。
报警电路图
4.2.2显示电路
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生，它已作为很多电子产品的通过器件，比方在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
显示模块选用1602字符型液晶模块，它是目前工控系统中使用最广泛的液晶屏之一，由于它显示的质量高，电路图如图所示，1602字符型液晶模块是点阵型液晶，驱动方便，经过编程后显示内容多样化
显示部分电路图
5信号分析部分电路设计
5.1C8051单片机性能介绍
单片机图
8051系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。
主要包含中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，8051系列单片机的内部结构框架示意图，如图所示。
8051系类单片机的内部结构框图
1.主要性能参数：
（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容
（2）8k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器
（3）1000次擦写周期
（4）的工作电压范围
（5）全静态工作模式：
0Hz-33MHz
（6）三级程序加密锁
（7）128*8字节内部RAM
（8）32个可编程I/O口线
（9）2个16位定时/计数器
（10）6个中断源
（11）全双工串行UART通道
（12）低功耗空闲和掉电模式
（13）中断可从空闲摸唤醒系统
（14）看门狗（WDT）及双数据指针[7]
中央处理器：
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，51系列单片机是8位数据宽度的处理器，它能处理8位二进制数据或代码。
CPU主要由算术逻辑部件，控制器和专用寄存器三部分电路组成。
它负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
数据存储器（RAM）：
数据存取器（RAM）可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个。
程序存储器（ROM）：
程序存取器（ROM）用于存放用户程序，原始数据或表格等。
8051共有4096个8位掩膜ROM。
定时/计数器：
定时/计数器用于硬件的定时或计数。
8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数功能，也可产生中断用于控制程序转向。
并行输入输出（I/O）口：
单片机的并行输入输出（I/O）口主要用于和外部设备进行通信，以便于处理外部的输入和将运算结果反馈到外部设备。
8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
全双工串行口：
全双工串行口主要用于与其他设备间的串行数据传送。
8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用
中断系统：
8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
时钟电路：
8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容[8]。
2.管脚说明：
8051系列单片机采用40Pin封装的双列直接DIP结构，它们的引脚配置如图3-2所示，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
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：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
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：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
RXD（串行输入口）
TXD（串行输出口）
/INT0（外部中断0）
/INT1（外部中断1）
T0（记时器0外部输入）
T1（记时器1外部输入）
/WR（外部数据存储器写选通）
/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
5.2复位电路
单片机复位的原理是在时钟电路开始工作后，在单片机的RST引脚施加24个时钟振荡脉冲（即两个机器周期）以上的高电平，单片机便可以实现复位。
在复位期间，单片机的ALE引脚和\P\S\E\N引脚均输出高电平。
当RST引脚从高电平跳变为低电平后，单片机便从0000H单元开始执行程序。
在实际应用中，一般采用既可以手动复位，又可以上电复位的电路，这样可以人工复位单片机系统，这种电路如图复位部分所示。
上电复位电路部分的原理也是RC电路的充放电效应。
除了系统上电的时候可以给RST引脚一个短暂的高电平信号外，当按下按键开关的时候，VCC通过一个高电阻连接到RST引脚，给RST一个高电平，按键松开的时候，RST引脚恢复为低电平，复位完成。
5.3晶振电路
时钟电路是用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号。
单片机内部包含有一个振荡器，可以用于CPU的时钟源。
另外也可以采用外部振荡器，由外部振荡器产生的时钟信号来供内部CPU运行使用。
（1）内部时钟模式
内部时钟模式是采用单片机内部振荡器来工作的模式。
51系列单片机内部包含有一个高增益的单级反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为片内放大器的输入端口和输出端口,其工作频率为0~33MHz。
当单片机工作于内部时钟模式的时候，只需在XTAL1引脚和XTAL2引脚连接一个晶体振荡器或陶瓷振荡器，并联两个电容后接地即可，如图3-6所示。
使用时对于电容的选择有一定得要求，具体如下：
A当外接晶体振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=30±10pF；
B当外接陶瓷振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=40±10pF。
在实际电路设计时，尽量保证外接的振荡器和电容尽可能接近单片机的XTAL1和XTAL2引脚，这样可以减少寄生电容的影响，使振荡器能够稳定可靠地为单片机提供时钟信号。
（2）外部时钟模式
外部时钟模式是采用外部振荡器产生时钟信号，直接提供给单片机使用。
对于不同的结构的单片机，外部时钟信号接入的方式有所不同。
对于普通的8051单片机，外部时钟信号由XTAL2引脚接入后直接送到单片机内部的时钟信号发生器，而引脚XTAL1则应直接接地。
这里需要注意，由于XTAL2引脚的逻辑电平不是TTL信号，因此外接一个上拉电阻。
对于CMOS型的80C51,80
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