电池供电温湿度计Word下载.docx
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ABSTRACT
Designadigitaltemperatureandhumidityinstrumentation,ithassmallsize,lowpowerconsumption,highstrengthandothercharacteristicsofaccuracy.Todothisrequirestheuseoflow-powerP89LPC922microcontroller,onceinawhiletowakeuptothemainprogramtodetectwettemperature,bythismeansreducingtheaveragepowerconsumptionoftheMCUsystem.SHT11digitaltemperatureandhumiditysensorusingamicro-powersensorusespatentedtheCozenstechnology,toensurethatproductswithhighreliabilityandexcellentlong-termstability.Itincludesacapacitivepolymerhygrometricsensor,atemperaturemeasurementelementwithabandgapmaterial,with14-bitA/Dconvertertotheserialinterfacecircuitconnectedseamlessly.ThedisplayportionofthesegmentLCD.TheclockchipusingaserialinterfacetheDS1302.Powersiteselectionofthelithiumbatterywithmicro-power,high-performanceregulator,canprovideastablepowersupply.OneofthemostcriticalisthetheP89LPC922microcontrollerwatchdogwake-upfunctionscanbeprogrammedtocontrolthesystempowerconsumption.Bytheory,thepowerconsumptionofeachmoduleinthesystemcontrol,andultimatelythesystemmicro-power.Afterevaluationoftemperaturedetectionaccuracyisbetterthan1degree,0.1degreeresolution;
thehumiditydetectionaccuracybetterthan3%,1%resolution,andlowpowerconsumption.Thedownsideisthattheinstrumentmustbeappliedtotheenvironmentrequiresabetterplace.
KeywordsPortableHygrometer;
MicroPower;
Power;
SHT11;
P89LPC922
目录
摘要I
ABSTRACTII
1.前言1
1.1国内外温度、湿度检测技术的现状1
1.1.1温度测量方面1
1.1.2湿度测量方面2
1.2温度、湿度检测技术的发展趋势3
2.设计步骤4
2.1预期功能4
2.2预期指标4
2.3设计框图4
3.各个模块方案论证与比较5
3.1控制系统核心5
3.2显示电路5
3.3传感器选择6
3.4电池的选择7
3.5稳压电源电路的选择7
3.6能外部时钟芯片的选择8
3.7内存芯片8
4.各理论分析与计算9
4.1仪器功耗估算9
4.2湿度补偿计算9
4.3温度补偿计算10
4.4露点计算10
4.5结论11
5.各模块组件的设计分析与论证12
5.1MCU小系统12
5.1.1P89LPC922的特性12
5.1.2P89LPC922引脚图12
5.1.3MCU小系统的设计13
5.2温湿度传感器14
5.2.1SHT11的主要特性14
5.2.2SHT11的原理15
5.3DS130215
5.4电源16
6.各软件选用及算法17
7.程序设计结构框图18
7.1主程序结构框图18
8.系统调试19
8.1单片机小系统调试19
8.2SHT11的调试19
8.2DS1302的调试19
9.注意事项20
9.1MCU小系统SHT11使用注意要求20
10.主要测试工具及元器件清单21
10.1元器件清单21
10.2主要测试环境和工具21
10.3测试数据21
10.3.1功耗测试21
10.3.2温度精度测试21
10.3.3湿度精度测试22
11.设计总结23
12.附录24
附录1电路原理图24
附录2主程序代码25
参考文献31
致谢32
1.前言
1.1国内外温度、湿度检测技术的现状
1.1.1温度测量方面
温度是生产生活中非常重要的一个物理量，温度测量仪器的接触和非接触式接触式温度测量仪器的两种通常是热电偶，热电阻，双金属温度计，非接触一般远红外线温度计。
它们是基于在其转换成电信号的物理参数的变化引起的温度变化的原则。
随着测量技术的不断发展，各种新的检测技术的发展和应用，温度测量有了实际的重大进步。
描述如下。
（1）热电阻温度传感器。
该传感器以电阻作为温度敏感元件。
根据不同敏感材料可分为热电阻和热敏电阻。
热阻一般由半导体材料制成的，如铂，铜，镍等金属材料，而热敏电阻是以半导体为材料的陶瓷元件，如锰，镍，钻或其他金属氧化物和其它化合物由不同比例的烧结制作的。
由于铂电阻温度范围宽，线性好，精度高，生产误差小，结构简单，所以铂电阻温度传感器成为统一的国际标准，已广泛应用于许多场合的温度测量和控制，测量精度可以达到0.001℃。
（2）热电偶温度传感器。
热电偶温度测量是基于热电动势的影响制成的感测器。
这里的热电动势效果被定义为A，B是两个不同的导体，以形成一个闭合回路，在回路中产生的两个结型电动势的，如果温度，形成热电流，转换成为电信号。
它具有结构简单，易于制造，易于使用和高精度测量。
所以已被广泛用于热电偶温度传感器中的温度测量。
在1927至1968年国际实用温标国际温标中规定，将铂金铂铑热电偶作为为630.74℃至1064.43C温度范围内的标准仪器。
热电偶的优点为体积小，快速高效。
但是主要缺点是输出信号之间的和非直线的关系，示值，下限温度的灵敏度较低。
每段首行缩进2字符，行距固定值20磅。
正文用小4号宋体，西文和数字用小4号TimesNewRoman。
按照GB3100～3102及GB7159-87的规定使用，即物理量符号、物理常量、变量符号（如：
a（t）,（i-1）Th
t<
iTh,m,n）用斜体，计量单位（如：
t·
km）等符号均用正体。
（设置字体快捷键ctrl+D）
（3）PN结型温度传感器。
集成电路型温度传感器是利用sensor.Silicon的晶体管的基极-发射极电压与温度的关系（即，一个半导体PN结的温度特性的）来作为极温度检测，温度测量。
其中激发，信号处理电路和放大器电路集成封装在小管壳，构成集成电路温度检测元件。
它具有体积小，重量轻，精度高，温度范围为最常见的50℃至150℃的温度范围内。
在文献中它的电流输出温度传感器的可达0到20摄氏度范围内，可精确到1.06μA/℃，线性误差小于±
0.2℃稳定度为0.02℃/4B。
（4）石英晶体温度传感器。
它根据LC或Y切割石英晶片的谐振频率产生的特性随温度变化来制成温度传感器。
所谓的μP技术，就是自动补偿石英晶片非线性，所以测量的精度是非常高的，一般可以检测精确到到0.001℃可以用于标准的测试使用。
在超高精度的测量中，大都采用的标准铂电阻温度传感器。
例如：
美国国家实验室（NIST）一般使用标准铂电阻温度传感器来校准纳米测试设备，测试精度为0.001℃。
美国工业哈特15XX系列超高精度温度测量仪表的感测探头也有标准铂电阻温度传感器。
国内，清华大学以石英晶体作为温度测量元件的传感器，根据温度变化的模拟量转换为数字温度值，可以计算出测量频率即石英晶体振荡频率，它可以测量温度为0.001℃的变化量。
1.1.2湿度测量方面
在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。
但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。
用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早己无法满足现代科技发展的需要。
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发展，将湿度测量技术提高到新的水平。
目前，湿敏传感器的种类很多，大体上可以分为三类:
电解质湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器以及有机高分子聚合物湿度传感器。
（1）电解质湿度传感器，如氯化锂湿度传感器，灵敏度高，但在高湿环境中容易产生潮解，从而影响原有的精度，缩短其使用寿命。
（2）半导体陶瓷湿度传感器，如铬酸镁一二氧化钛湿敏传感器以及钒酸锂一二氧化钛湿敏传感器。
它们主要利用陶瓷烧结体微结晶表面在吸湿和脱湿过程中电极之间电阻的变化来检测相对湿度。
这类传感器适合于高温和高湿领域中使用。
（3）高分子材料湿敏传感器，如聚乙烯醇、醋酸纤维素、聚酸胺等材料制成的传感器，响应速度快、精度高，但是耐老化和抗污染能力不如陶瓷传感器。
湿度传感器的测量范围也可以用相对湿度来表示。
响应速度是指传感器对被测气体的湿度变化（从高湿到低湿或从低湿到高湿）的反应特性，一般以达到平衡值的63%所需要的时间来衡量。
影响响应速度的因素有气流速度，湿敏层厚度，以及湿度变化量等。
传感器的响应速度一般是1-2分钟，从高湿到低湿比从低湿到高湿应要慢一些。
湿度传感器适应于测量静态和动态的气体湿度。
测量动态时，气体速度增加使测量值偏低，传感器平时应在干燥和清洁的环境中保存，在测量时应满足其使用条件。
如果在恶劣的条件下工作，例如:
气流速度、温度、湿度变化非常剧烈，以及用于污染严重的工业流程气体的测量将会使测量精度大大降低。
目前湿度传感器在长期稳定性方面还存在一些问题，为此各方面迫切希望研制出有长期可靠性的传感器，而宁可在测量精度、湿度和温度特性、响应时间、形状和尺寸方面作出一些牺牲。
国内外正在开展新一代湿度传感器的研制与开发以适应各种情况的测湿，从而达到人们所希望的各种要求。
国外在湿度传感器研制方面起步较早，目前日本、德国、美国处于国际领先地位，测量范围可实现全湿范围测量，且精度可达到士2%RH.国内湿度传感器研制与生产方面，开始于二十世纪八十年代，且研究单位多于生产厂家，多数从事电解质、陶瓷类以及高分子类传感器的研发。
如信息产业部电子四十九研究所为中国电子元器件行业协会气湿敏分会理事长单位，从“八五”开始从事湿敏元件的研制与生产，至今已建成年产100万只的廉价湿敏元件生产线。
此外，在长寿命高分子湿度传感器、湿敏电容器等方面的研究均居国内领先水平，其产品技术指标己达到国际先进水平。
另外北京、上海等地的一些传感器研究所在此方面的研究有所突破。
1.2温度、湿度检测技术的发展趋势
我们经常需要对环境湿度进行测量与控制，比如工业和农业生产，气象，环保，国防，科研，航天等部门。
然而，在常规的环境参数中，对于湿度的测量是最困难的，特别是精确地测量一个参数。
一般我们用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度，但是现在早已无法满足现代科学技术发展的需要。
近年来国内外在湿度传感器的研究和开发取得了较大的进步。
湿度传感器湿敏传感器从简单到集成化，智能化，多参数检测的方向迅速发展，湿度测量技术已经到一个新水平。
目前，在一般情况下，常用的湿度传感器的类型中，可分为三大类：
电解质的湿度传感器，半导体陶瓷湿度传感器和有机聚合物湿度传感器。
（1）电解质温湿度传感器，如LiCl，高灵敏度，但在高湿度环境中容易潮解，从而影响的原有精度，并缩短其寿命。
（2）半导体陶瓷温湿度传感器，如MgCr2O4—TiO2湿度传感器和LiVO3和TiO2混合湿度传感器。
它们主要是利用微晶陶瓷烧结体的表面和电极之间的电阻来检测中的水分的吸附和解吸过程中相对湿度的变化。
这种传感器是适合于在高温和高湿度的环境中使用。
（3）高分子材料温湿度传感器，如聚乙烯醇polyvinylalcohol，醋酸纤维素CA，聚酰胺PA材料传感器，响应速度快，精度高，但不如陶瓷传感器的抗老化性和抗污染能力。
就如今而言湿度传感器的长期稳定性上仍然有一些问题，希望将来开发出长期可靠性的传感器，哪怕是在测量准确度，湿度和温度特性，响应时间，形状和大小，稍微做出一些牺牲。
在国内外正在进行的研究和开发新一代湿度传感器来测量湿度，以适应各种情况，从而达到所期望的各种要求。
区别于以上3种传统的传感器，现在比较新颖的温湿度传感器为复合式传感器，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。
传感器包括一个电容式感湿元件和一个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。
2.设计步骤
2.1预期功能
实现温度测量和显示；
实现湿度测量和显示；
实现时间的显示。
2.2预期指标
要求温度检测精度优于1度，分辨率0.1度；
湿度检测精度优于3%，分辨率1%。
使用3.6V/2AH锂离子电池供电，连续工作超过2年。
2.3设计框图
数字式温湿度计的组成原理设计框图如下图2-2所示。
图2-2系统原理图
3.各个模块方案论证与比较
3.1控制系统核心
由于低功耗便携式仪器所需，特别是对微功耗的要求，通常在89C51芯片不能满足要求。
用于微功耗MCU有以下两种：
方案一：
STC12C5A60S2系列单片机是STC产生的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。
内部集成Max810专用复位电路，2路PWM，8路高速10A/D转换。
Stc12LE5A60S2系列工作电压：
3.6-2.2V（3v单片机）。
还有看门狗功能。
方案二：
用P89LPC922做为微控制器。
P89LPC922适合于许多要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。
采用了高性能的处理器结构，集成了许多系统级的功能，大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。
8kBFlash程序存储器，串行Flash编程可实现简单的在电路编程。
还有看门狗功能，P89LPC922掉电后，看门狗不停，可以自己唤醒。
LPC900FLASH系列单片机，是PHILIPS公司推出的一款高性能、微功耗51内核单片机，主要集成了字节方式的I2C总线、SPI总线、增强型UART接口、实时时钟、E2PROM、A/D转换器、ISP/IAP在线编程和远程编程方式等一系列有特色的功能部件。
LPC900系列单片机提供从8脚DIP到28脚的PLCC等丰富的封装形式，可以满足各种对成本、线路板空间有限制而又要求高性能、高可靠性的应用。
且其具有高速率（6倍于普通51单片机），低功耗（完全掉电模式功耗仅为1uA），支持3V供电电压工作，高稳定性，小封装，种类多等特点（该系列有多款不同封装，不同价位，不同功能的型号供用户选择）。
在功能上其具有2个16位定时/计数器，实时时钟可作为系统定时器；
4个中断优先级，2个外中断，8个键盘中断输入。
2个模拟比较器，可选择参考源；
WDT（看门狗定时器）具有独立的振荡器，无需外接元件，WDT具有8种选择的预分频器；
内置上电复位电路，无需外接复位元件，复位计数器和复位干扰抑制电路可防止不充分复位，同时提供软件复位功能；
使用片内PC振荡器时钟振荡源无需外接任何元件，可方便地选择振荡频率，同时系统具有时钟振荡器失效检测功能；
灵活的可编程I/O口输出模式，准双向口、开漏输出、推挽输出或仅为输入功能；
所有的I/O口均具有20mA的负载驱动能力；
键盘中断具有从掉电模式中唤醒功能。
该设计中，由于设计要求为温湿度检测，而温湿度在短时间内不会有明显变化，所以MCU工作压力不大，且通常工作在掉电模式下，以上两款单片机都可以符合要求，但LPC900系列单片机成本更低，使用更方便，所以选用LPC900系列单片机。
3.2显示电路
点阵LCD
点阵LCD可显示中文字符，英文字母和数字和图纸，可以方便显示，人机性不错的，但有限的观看距离，电源管理芯片的需求。
段式LCD
显示类型与数码管类似，靠7个字段拼凑生数字显示，这种LCD驱动简单，耗电量小，在仅需要显示数字的场合应用较多，也用来在便携式应用的场合来代替数码管。
方案三：
LED显示
发光亮度强，在可视距离内阳光直射屏幕表面时，显示内容清晰可见.但耗电量很大，而且需要驱动电路。
采用LCD液晶段式，可以显示数字。
功耗低，电路连接简单，系统编程方便。
本设计为低耗的数字温湿度计，而且仅仅工作在室内，本系统用户控制较简单，所以我选择方案二。
3.3传感器选择
传统的温度传感器和湿度传感器
这是两个分开使用温度传感器和湿度传感器。
数字温度传感器可以分为模拟温度传感器和数字温度传感器。
数字温度传感器如LM71，LM75温度传感器，为微功耗，并且它们都支持I2C总线直接由单片机读取温度值。
模拟温度传感器是一个电阻温度传感器，如PT100，PT1000，该传感器的精度高，为了获得高精度的采样值的采样电路相对比较复杂的。
湿度传感器也可以被分为数字湿度传感器和模拟湿度传感器。
模拟湿度传感器可分为电阻式湿度传感器，电容式湿度传感器，离子交换膜的湿度传感器以及干湿球湿度传感器。
电阻湿度传感器和电容式湿度传感器要求有振荡电路才能计算出的湿度值，所以功耗较大。
干湿球传感器其实有两个温度传感器，需要浸泡在水中，从而导致在生产上复杂，精确度较差，柔韧性差的特点。
烧碱湿度传感器由于其较高的成本没有被广泛使用。
数字集成温度和湿度传感器
近年来这种数字集成的温度和湿度传感器的新技术不断发展，在集成温度和湿度传感器中，运用A/D转换器和微处理器芯片，从而方便通过I2C总线或UART外设读MCU的温度和湿度。
SHIT系列是高度集成的温度和湿度传感器芯片，提供满量程校准的数字输出。
它使用的专利是Chosen’s技术，来确保产品具有高可靠性和长期稳定性。
该传感器包括一个容性聚合物的湿度传感器和一个温度敏感元件带隙材料制成的传感器，这两个敏感元件都设计有一个14位的A/D转换器和一个串行接口电路在同一芯片上的。
该传感器具有品质好，响应快，抗干扰能力强，不过成本高。
每个传感器芯片的校准是极其精确。
校准系数存储在芯片OTP程序的内存中。
依靠两线串行接口和内部电压调节，从而使外部系统集成方便，快捷，体积小，功耗低，等各种应用的第一选择。
该产品提供表面贴装的LCC或4针单排引脚封装。
并根据不同用户的需求，为客户提供一个特殊的封装形式。
我们设计的数字式温湿度计是体积小，功耗低，稳定性好，所以选设计方案二。
3.4电池的选择
在便携式设备中，最常用的电源来自电池，现常用的电池有以下几种：
表3-1常见电池分类
种类
优点
缺点
用途
酸蓄电池
廉价、大功率放电、浮充性能好、低温放电性好
污染环境、比容量和比能量小、不便携带
汽车、摩托车充电电瓶及UPS后备电源
镍镉充电电池
大功率放电稳定、价格比较便宜
污染环境、对人体有害、具有记忆效应、比容量低于镍氢电池
电动工具及少数电动玩具、随身听
镍氢充电电池
比容量高、高低温性能好、无记忆效应、大功率放电好、无污染、安全性高
比能量低于锂离子电池，价格高于镍镉电池
电动工具、电动玩具、电动自行车、电动滑板、无绳电话、随身听、后备电源、各种设备的内置电源
锂离子电池
比能量高、小巧、重量轻、无污染、无记忆效应
安全性能差、大功率放电较差、价格贵
手机、手提电脑
锂聚合物电池
安全性能好、比能量高、可做成任意形状、无污染、无记忆效应
大功率放电较差、技术不够成熟、价格贵
手机、磁卡内置电源
在该设计中，需要能量密度大且输出稳定的电池，综上考虑，选用锂离子电池。
3.5稳压电源电路的选择
便携式仪器稳压电源可供选择的方案主要有以下几种：
采用DC/DC电源电路，效率高、可以输出大电流、静态电流小。
这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。
采用LDO电源电路，成本低，噪音低，静态电流小
本数字湿温度计考虑到是在微功耗下工作，输入电压和输出电压很接近，最好是选用LDO稳压器，可达到很高的效率。
本设计采用方案二。
3.6能外部时钟芯片的选择
DS1302
DS1302是美国DALLAS推出一款高性能，低功耗，实时时钟带RAM的电路，可以与年，月，日，日，时，分，秒进行计时且带有闰年补偿，工作电压在2.5V到5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信，可被发送到的多个字节的时钟信号或RAM中的数据中。
DS12887
除了以上D
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