环境温湿度检测系统的设计.docx
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环境温湿度检测系统的设计
教学单位
学生学号2008011041
永城职业学院
毕业设计（论文）
题目：
环境温湿度监测系统的设计
年级：
08级
学号：
2008011041
姓名：
向明星
专业：
矿山机电
指导教师：
刘辉
2010年月日
环境温湿度检测系统的设计
摘要
湿度检测在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。
利用单片机技术的湿度检测系统以其体积小，可靠性高而被广泛采用。
本文对湿度检测系统进行了分析设计。
首先，对湿度检测技术的应用领域和发展状况做了简单的介绍，同时，列举了目前湿度检测所常用方法以及各自所具有的特点。
本文重点在于对该系统的硬件和软件设计。
在硬件设计过程中，详细介绍了各部分电路的功能和特点。
接下来，对系统中所用的湿度传感器HM1500和A/D转换芯片TLC1549作了简单的介绍。
在软件设计过程中，绘制了各个程序模块的流程图，详细介绍了各个模块的作用。
经过对程序反复的修改，完善了软件系统。
最后，完成了对整个系统的设计。
本系统具有灵敏度高、反映时间短等特点，并且具有智能化、可编程、小型便携等优点，相信本系统具有广泛的应用领域。
温度、湿度是工农业生产的主要环境参数．对其进行适时准确的测量具有重要意义。
利用单片机对温、湿度控制。
具有控温、湿精度高、功能强、体积小、价格低，简单灵活等优点，很好的满足了工艺要求。
本文介绍了利用AT89S52单片机进行温度和湿度的检测及其控制的智能化方法。
为了更好地解决严寒地区供热温湿度检测的问题，设计了基于单总线技术的温湿度检测系统。
介绍了系统的总体设计方案，并对单总线温湿度检测电路，通信电路等硬件设计，以及系统软件设计及流程进行了阐述。
通过补偿前后的温湿度测试结果比较，表明该系统能够满足对温湿度要求比较高的场合。
关键字：
单片机，温湿度检测，硬件系统，软件系统
第1章绪论
1.1引言
本章首先介绍了湿度这个物理量的基本知识，接下来介绍了湿度检测技术的应用领域，常见的湿度测量方法以及特点。
同时，对湿度传感器的目前的发展状况以及湿度检测技术的发展趋势进行了简单的分析。
最后，简单概括了本文所要做的工作内容。
1.2湿度的基本概念
湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量[1]，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。
所谓绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中水蒸气的密度。
绝对湿度一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为Ha＝mV/V，式中，Ha表示绝对湿度值，mV为待测空气中水蒸气质量，V为待测空气的总体积。
单位为g/。
相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压（）和同温度下饱和水蒸气的分压（）的百分比，即HT＝（/）T×100％RH。
通常，用RH％表示相对湿度。
当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。
日常生活中所说的空气湿度，实际上就是指相对湿度而言。
温度高的气体，含水蒸气越多。
若将其气体冷却，即使其中所含水蒸气量不变，相对湿度将逐渐增加，增到某一个温度时，相对湿度达100％，呈饱和状态，再冷却时，蒸气的一部分凝聚生成露，把这个温度称为露点温度。
1.3湿度检测的应用领域
人工气候室是在环境试验、科学研究（诸如种养殖、植保、组培、生物工程）等领域应用广泛的实验设备[1]。
它能模拟自然界的各种气象条件，按照实验要求精确控制室内的温度、湿度、光照以及CO2等指标，复现各种气候环境。
为研究不同物种的生长、发育、生理、生化过程创造了环境条件。
因此，人工气候室广泛应用在科研、现代农业、医药、冶金、化工、林业、环境科学及生物遗传工程等领域。
在人们的日常生活中，人们的居住空间也是一个人工环境。
空气污染，直接威胁人们的身体健康；噪音污染，影响人的情绪、工作、休息、饮食，可以导致神经衰弱；温度过热、过冷，导致人的不适，耗费电能；空气过湿，将使人们感到沉闷和窒息；空气过燥，又会使人的口腔感到不适，甚至可能发生咽喉炎等疾病。
如果自动控制这个最常见的空间，人的生活将更舒适。
所以说，这是一个很有发展前途的课题，国内外学者已经进行了相关的研究[2]。
本文也就其中最难测量的物理量——湿度进行研究。
1.4常见的湿度检测方法及特点
湿度测量从原理上划分有二、三十种之多。
但湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。
一个看似简单的量值，深究起来，涉及相当复杂的物理—化学理论分析和计算[3]。
常见的湿度测量方法有：
动态法（双压法、双温法、分流法），静态法（饱和盐法、硫酸法），露点法，干湿球法和电子式传感器法。
（1）双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。
由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，主要作为标准计量之用，其测量精度可达到±2%RH以上，但是设备复杂，昂贵，运作费时费工。
（2）静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。
但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。
用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。
特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡6～8小时。
（3）露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。
计量用的精密露点仪准确度可达±0.2℃甚至更高。
但用现代光—电原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。
（4）干湿球法，这是18世纪就发明的测湿方法。
历史悠久，使用最普遍。
干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：
即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上。
普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有5～7%RH,干湿球也不属于静态法，不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。
（5）电子式湿度传感器法。
电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业,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，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。
1.5湿度测量技术的发展趋势
（1）广泛采用新技术、新工艺
随着科技的进步，许多新技术和新工艺被应用到湿度测量领域中[4]。
例如，瑞士Sensiron公司采用CMOSens（Ce-mo-Sens）专利技术为高精度湿度传感器系统设置精度。
其特征是将半导体芯片（CMOS）与传感器技术融合，为开发高集成度、智能化、高精度、高可靠性的湿度检测系统提供了解决方案。
该项技术亦称“Sensmitter”，它代表传感器（sensor）与变送器（transmitter）的有机结合。
尽管SHT11/15属于传感器范畴，但具有创新性的CMOSens技术使之兼有变送器的功能，便于实现系统集成。
Honeywell公司生产的HIH－3610型湿度传感器，能在高温，有化学液体或气体的环境下正常工作，例如可以测量含有氨、苯、甲醛等有害气体的鸡棚或猪舍中的相对湿度。
即使在饱和状态下，传感器也很容易从短期凝结中恢复过来。
HIH－3610芯片上有一层起保护作用的亚硝酸盐钝化层，在安装过程中不易损坏。
（2）提高测量精度和分辨力
目前，国内外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能湿度传感器，SHT11/15型智能化湿度传感器系统测量相对湿度的范围是0～100％，分辨力达0.03％RH，最高精度为±2％RH。
测量露点的精度＜±1℃。
在测量湿度时A/D转换器的位数分别可达12位、14位。
利用降低分辨力的方法可以提高测量速率，减小芯片的功耗。
SHT11/15的产品互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，不需要外部元件，适配各种单片机，可广泛用于医疗设备及温度／湿度调节系统中。
（3）增加测试功能
新型智能湿度传感器的测试功能也在不断增强[5]。
例如，DS1629型单线智能湿度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。
DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的存储器，可存储用户的短信息。
另外，智能湿度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路湿度测控系统创造了良好条件。
1.6本课题研究的主要内容和目标
研究本系统包括两方面任务：
其一是对硬件系统的设计，保证系统的检测精度不小于±2％RH，响应时间小于5S，检测湿度范围为0％～100％RH等。
使其具有很强的实用性。
其二是软件系统的设计，使其实现报警显示等功能，保证系统的正常运行。
第2章湿度检测系统的功能与硬件设计
本章主要介绍了本湿度检测系统的检测方法的选择以及硬件设计两方面内容。
首先从整体上初步分析了系统的设计方法。
接下来，绘制了湿度检测系统的硬件框架图，根据该图进行各个模块的设计。
详细分析了各个模块的功能和作用，根据系统的硬件系统框架对各个部分进行设计，画出了系统硬件原理图。
最后介绍所用的芯片资料，简述了芯片的内部结构和工作原理。
2.1湿度检测方案的选择
现代湿度测量方法最主要的有两种：
一是干湿球测湿法，二是电子式湿度传感器测湿法[6]。
下面简单介绍一下干湿球湿度计的特点。
早在18世纪人类就发明了干湿球湿度计，干湿球湿度计的准确度取决于干球、湿球两支温度计本身的精度；湿度计必须处于通风状态：
只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时，才能达到规定的准确度。
干湿球湿度计的准确度只有5％～7％RH。
而且，干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。
干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。
接下来，简单介绍一下电子式湿度传感器的特点。
电子式湿度传感器的准确度可以达到2％～3％RH。
电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断。
湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。
所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。
而电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。
湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定，电子式湿度传感器的准确度可以达到2％～3％RH。
通过上述两种湿度检测方法的分析，不难发现：
电子式传感器测湿法和干湿球测湿法相比具有精度高、操作简单、易于控制等特点。
另外，前者可外加单片机等控制器来构成一个智能检测系统，而后者不能直观准确的显示出湿度值，造成使用上的不方便。
因而本文采用电子式传感器测湿法进行系统设计。
2.2设计方案的确定
可以从以下几个方面来确定湿度检测仪的设计方案。
2.2.1处理器
采用ATMEL的AT89C51微处理器，是基于以下几个因素：
（1）89C51为51内核，仿真调试软硬件资源丰富；
（2）性价比高，货源充足；
（3）DIP封装，体积小，便于产品小型化；
（4）为程序存储介质，1000次以上擦/写周期，便于程序调试；
（5）具有两种节能模式：
闲置模式和掉电模式，便于进行低功耗设计；
（6）工作电压范围宽：
2.7～6V，便于交直流供电。
2.2.2显示电路
就显示而言，通常可采用液晶显示或数码管显示。
对于一般的段式液晶屏，需要专门的驱动电路，而且液晶显示作为一种被动显示，可视性相对比较差；对于具有驱动电路和微处理器接口的液晶显示模块（字符或点阵），一般多采用并行接口，对微处理器的接口要求较高，占用资源多。
另外AR89C51本身无专门的液晶驱动接口，因此，本系统采用数码管显示方式。
数码管作为一种主动显示器件，具有亮度高、价格便宜等特点，而且市场上也有专门的显示组合数码管。
2.2.3键盘电路
键盘是一组开关的集合，是最常用的输入设备之一，智能仪器在面板上均使用键盘输入取代各种传统的开关旋钮，因为键盘控制有简单可靠、经济、易于修改便于远程监控等特点。
在设计中为了精简系统，本系统只用了一个键，其作用主要就是用来清屏和刷新数据。
2.3湿度检测仪的主电路设计
湿度检测仪的主电路包括：
（1）系统时钟电路；
（2）系统复位电路；（3）按键电路；（4）显示电路；（5）电源控制电路；（6）湿度检测传输及A/D转换电路六部分组成。
其硬件系统框图如图2.1所示
第3章系统电路设计
3.l系统基本方案
本系统采用AT89S52单片机作为控制核心．对采集到的湿度模拟电压信号通过ADC0809进行分析处理．实现A／D转换．以便数码管显示其湿度值。
本设计可以手动设置温度／湿度的上、下限值，如只要有一样与设定的值不符合时，即温度／湿度过高或过低，则该系统会发出语音报警，同时继电器立即切断电源．实现系统的保护。
3.2硬件系统的组成
（1）主控模块：
采用AT89S52单片机作为系统的控制器。
Pl口控制数码管显示温度和湿度值。
P2口与ADC0809连接．实现湿度模拟电压量转换为数字量便于单片机处理。
键盘控制采用PO口．其中PO．O是温度的设置，PO．1是湿度的设置，PO．2／PO．3是分别对温度与湿度的上／下限值进行设置。
P0．4是DS18820温度传感器的接线口．PO．6是ISD1420语音芯片的接线口。
原理如图l：
（2）显示模块：
系统采用动态显示方式驱动6个数码管工作，其中4个数码管用来显示温度值，2个用来显示检测到的湿度值。
用74LSl38的输入端来选择位码．单片机的P1口控制数码管的断码。
如检测到的温度与湿度发生变化时，数码管即会发生相应的变化，起到实时显示功能，电路如图2。
（3）语音播报模块：
采用语音芯片ISD1420，该芯片能够高质量地完成声音录制与还原，最大录音时间为20秒，具备分段录音功能．其工作电压在4．5V～5．5V范围，使用直接电平／边缘存储技术，省去了A／D、D／A转换。
其内部集成了大容量的EEPROM，不再需要扩展存储器，便于与单片机连接。
语音播报模块电路如图3。
该电路的S3键为录音键，Sl、S2键为播放键，A0-A7为地址选择端，将ISDl420的A0一A7直接与单片机的P1口相连，就可以实现录音地址选择功能，再将播放键接于PO．6口以实现单片机控制的实时播放功能。
电源VCCA、VCCD其内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线，但由于该芯片的干扰较小，因此两者可短接在一起。
（4）A／D转换模块：
采用ADC0809转换芯片，用于实现模拟量向数字量的转换，由于模拟转换电路的种类很多，选择A／D转换器从速度，精度和价格方面考虑．其内部是8路模拟选通开关。
以及相应的通道抵制锁存译码电路，转换时间是128μS左右，单电源供电。
（5）温度和湿度采集模块：
温度传感器采用DALLAS半导体公司生产的智能温度传感器DSl8B20，采集的数据可直接送入微处理器而无需A／D转换．能直接读出被测温度。
它仅需要l条接口线即可实现与微处理器的双向通信；只需要外接1个4．7k的上拉电阻。
无需其它外部器件。
本系统对Dsl8B20采用数据线供电，温度测量范围为-50℃～125℃。
通过编程可实现9～12位的数字值读数方式，测量精度为士0．5，用户可自行设定非易失性报警上下限。
由于采用单总线方式，可在该控制总线上挂接多个DSl8B20进行不同部位的温度检测。
湿度传感器采用HSM一20G，其原理是每变化0．03V湿度所增加的值为l％，其输出的电压值需经过ADC0809转换为数字量，以便单片机处理从而让数码管显示湿度值。
其工作电压范围为直流电压5．0±0．2V，测试精度为土5％RH．工作电流（最大值）为2mA，储存环境湿度范围为0至99％RH，工作环境湿度范围为lO至90％（瞬间可达100％RH），工作环境为0℃～50℃。
（6）继电器控制电路：
电磁式继电器具有结构简单、工作可靠、坚固耐用、价格便宜等优点．应用极其广泛，它是最为典型和常用的继电器。
本电路采用常闭继电器由单片机控制，当温度或湿度异常时，继电器开始工作且开关切断电源，小灯熄灭，从而起到保护系统的作用。
其电路如图4。
3.3系统的软件设计
本系统的软件设计采用了汇编语言编程，只需对温度／湿度进行相应的采集处理后，即可让数码管实时显示当前的温度与湿度值。
湿度采集的输出电压需要经过ADC0809进行转换为数字量才可让单片机处理。
而语音播报只需接上单片机的I／O口，并对其接口线进行编程方可完成。
总程序流程如图5。
第4章结论
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。
对环境湿度的检测以及对工业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。
本系统采用了高精度的电容式相对湿度传感器HM1500，在系统稳定运行时，湿度测量范围为0～100%RH，而且响应时间小于5秒。
所选用的A/D转换芯片TLC1549，它采用串行通信方式，简化了系统设计，减少了电路板的面积。
同时，充分利用了AT89C51单片机自身的软硬件资源，具有智能化、可编程、小型便携等优点。
因此只要选用不同的湿度传感器，并修改相应的软件控制程序，本检测系统就可应用在环境保护、工业控制、农业生产等方面，可见其具有非常广泛的应用前景。
由于该系统主要是湿度的检测没有涉及到湿度的控制设计，所以在控制方面有待进一步研究。
同时，可以在外围扩展温度检测芯片，使其具有温、湿度检测功能。
而且，外加去湿机、空调等设备，可实现对温湿度检测控制的功能。
同时，可以扩展时钟控制芯片，修改完善程序，使其具有时间显示、定时报警等多项功能。
因此，本系统具有很好的扩展性。
由于时间仓促和本人水平有限，在设计过程中，难免在设计上存在一定的缺陷，请各位老师多多指正。
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致谢
通过这一阶段的努力，我的毕业论文《环境温湿度检测系统的设计》终于完成了，这意味着大学生活即将结束。
在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。
在本论文的写作过程中，我的导师刘老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。
同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。
写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。
我将铭记我曾是一名永职学子，在今后的工作中把永职的优良传统发扬光大。
感谢各位老师的批评指导。
同时，感谢所有任课老师和所有同学在这三年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。
正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！
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