基于单片机的温湿度检测系统的设计Word格式.docx
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Single-chipMicrocomputer
第1章绪论
1.1引言
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、节约能源和安全生产等方面起着关键的作用。
因此,能够确保快速、准确地测量温湿度的技术及其装置普遍受到各国的重视。
近年来,利用智能化数字式温湿度传感器以实现温度信息的在线检测已成为温湿度测技术的一种发展趋势。
本文介绍的温湿度检测系统,以智能化数字式温湿度传感器与PIC微处理器有机结合,构成了一种新型温湿度检测系统。
该系统具有性能可靠、测温准确、结构简单、造价低廉等特点,并兼具线路简捷、使用灵活、抗干扰性好、可移植性强等优点,可在工程实际中得到广泛应用。
随着电子技术的发展，将组成CPU的部件集成在一块半导体芯片上，这个具有CPU功能的大规模集成电路芯片就称之为微处理器（MPU）。
微处理器的出现，推动了微型计算机的发展，同时也引起了电子设计技术领域的探到变革—电子技术专业人员，使之可以把微处理器部件像其他集成电路一样嵌入到电子系统中，使电子系统具有可编程序的智能化特点，开辟了计算机技术在电子技术领域应用的广阔大地。
将微处理器、存储器、I/O电路集成到一块半导体芯片的技术再次推动了这种嵌入式技术的发展，单片微型计算机是这种设计技术中的一个典型代表。
单片机适用于测量和控制领域，它以芯片形式嵌人到电子产品或系统中起到“电脑”作用，受到电子专业技术人员的青睐。
单片机以其体积小、可靠性高、功能的专门化为特点。
沿着与适用微处理器不同的方向发展。
它的出现和发展，标志着单片嵌入技术已经成为电子系统设计的一个重要发展方向。
本课题主要为采用单片机实现数据采集与温湿度检测的制作。
突出民用产品的低成本多动能的特点。
按照选题要求应实现温湿度的测量，并且能够实现数字钟和测量部分的通过键盘进行控制。
1.2国内外测温湿技术及其发展趋势
在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境温度与湿度进行测量及控制。
准确测量温湿度对于生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要的。
相比之下，测量湿度要比测量温度更复杂，这是因为温度是个独立的被测量，而湿度却受大气压强和温度的影响。
目前，温湿度测量领域的新技术不断涌现，新产品也层出不穷。
主要表现在以下两方面：
（1）温湿度传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件；
（2）在温湿度测量系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等项新技术。
1.2.1集成温湿度传感器的产品分类及性能特点
（1）集成温度传感器
集成温度传感器主要包括模拟集成温度传感器、智能温度传感器（亦称数字温度传感器）两大类。
模拟集成温度传感器是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器的特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准。
外围电路简单。
其典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。
智能温度传感器是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。
目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A／D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路转换器器（MUX）、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；
并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。
典型产品有DS18B20、MAX6654、LM76等。
（2）集成湿度传感器
集成湿度传感器主要有以下3种：
1电压输出式集成湿度传感器
其特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。
典型产品有美国霍尼韦尔（Honeywell）公司生产的HIH3605/3610、HM1500/1520。
②频率输出式集成湿度传感器
频率输出式集成湿度传感器在55％RH时的输出频率为8750Hz（典型值），当相对湿度从10％变化到95％时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。
这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。
典型产品有美国Humirel公司生产的HF3223。
③频率／温度输出式集成湿度传感器
它除电压输出端以外，还增加了温度信号输出端，通常以负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。
当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。
典型产品为HTF3223型。
（3
）单片智能化湿度／温湿度传感系统
最近，瑞士Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化湿度／温度传感器。
其外形尺寸仅为7.6（mm）×
5（mm）×
2.5（mm），体积与火柴头相近。
出厂前，每只传感器都在湿度室中做过精密校准，校准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。
它们不仅能准确测量相对湿度，还能测量温度和露点。
1.2.2
温湿度测量领域的发展趋势
（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温湿度测量领域中。
例如，瑞士Sensiron公司采用CMOSens®
（Ce-mo-Sens）专利技术为高精度温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／温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，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9～12位A／D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625℃。
由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±
0.2℃。
我国台湾省豪尔泰克（HOLTEK）公司推出的HT7500型医用数字体温计集成电路，测温精度高达±
0.1℃（或±
0.2℉），这是其他温度计（包括精密水银温度计和数字温度计）所难以达到的技术指标。
SHT11/15型智能化湿度／温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。
测量温度的范围是－40℃～＋123.8℃，分辨力为0.1℃。
测量露点的精度＜±
1℃。
在测量湿度、温度时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
新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。
例如，DS1629型单线智能温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E2PROM存储器，可存储用户的短信息。
另外，智能温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温度测控系统创造了良好条件。
在HIH－3602C型集成湿度传感器内部还增加了1000Ω的铂热电阻，可构成湿度／温度测量仪。
（4）
非线性和温度补偿及自动校准技术
测量湿度时必须对湿度传感器进行非线性补偿和温度补偿。
新型智能温湿度传感器可实现自动补偿。
以SHT11/15为例，其输出的相对湿度读数值（N）与被测相对湿度（RH）呈非线性关系。
当环境温度TA＝＋25℃时，利用下式可补偿非线性：
RH＝（C1＋C2N＋C3N2）％＝（－4＋0.0405N－2.8×
10－6N2）％
（1）
举例说明：
将N＝1000代入
（1）式中计算出补偿后的相对湿度RH＝33.7％。
当TA≠＋25℃时，还需要对相对湿度传感器进行温度补偿，补偿公式为
RHT＝RH＋（T－25）·
（0.01＋0.00008N）％
（2）
举例说明，假如实际温度T＝＋30℃，利用式
（2）不难算出RHT＝33.7％＋0.45％＝34.15％，这就是对相对湿度进行温度补偿后的最终结果。
在SHT11/15出厂前，每只传感器都在湿度室中做过精密校准，校准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。
在使用湿敏电阻测量线对湿度时，可利用对数放大器对湿敏电阻的指数特性曲线进行线性化，使之近似于线性关系。
温湿检测系统在工业生产中应用越来越来广泛。
具有广阔的发展前景，其市场需求日益增加，具体在以下几个方面：
（1）粮食储备仓库及蔬果、蛋肉存储仓库的温度、湿度控制
（2）温室种植、各种禽兽养殖场的温度、湿度控制
（3）厂房环境温度、湿度的控制
（4）实验室环境的温度、湿度控制
（5）电力系统的温度、湿度控制
1.3单片机[1]
单片机是微机发展的一个分支,是为了适应控制系统微型化、集成化的需要而生产和发展起来的。
严格的说，对单片机目前还没有严格确切的定义。
1.3.1单片机的历史
如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段
（1）第一阶段（1976-1978）：
单片机的控索阶段。
以Intel公司的MCS-48为代表。
MCS-48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。
这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。
（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。
Intel公司在MCS-48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。
它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。
①完善的外部总线。
MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。
②CPU外围功能单元的集中管理模式。
③体现工控特性的位地址空间及位操作方式。
④指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。
（3）第三阶段（1982-1990）：
8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。
Intel公司推出的MCS–96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。
随着MCS–51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。
（4）第四阶段（1990—）：
微控制器的全面发展阶段。
随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。
1.3.2单片机的分类
单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。
根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
（1）
通用型/专用型
这是按单片机适用范围来区分的。
例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；
专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。
（2）
总线型/非总线型
这是按单片机是否提供并行总线来区分的。
总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。
控制型/家电型
这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。
一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；
用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。
显然，上述分类并不是惟一的和严格的。
例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。
1.3.3单片机的特点和应用
1）单片机的特点
（1）有优异的性能价格比。
单片机的这种高性能，低价格是它最显著的一个特点。
单片机尽可能把应用所需要的存储器，各种功能的I/O口都继承在一块芯片内，使之成为名副其实的单片机。
有的单片机为了提高速度和执行效率，可是采用了RISC流水线和DSP的设计技术，使单片机的性能明显优于同类型微处理器，有的单片机片内的ROM可达64KB（式中的‘B’表示为字节），片内RAM可达2KB，单片机的寻址已突破64KB的限制，八位和十六位单片机寻址可达1MB和16MB。
单片机另一个显著特点是量大面广，因此世界上个大公司提高单片机性能的同时，进一步降低价格，性能/价格之比是各公司竞争的主要策略
（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。
单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。
（3）控制功能强。
为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
单片机是电子计算机这个庞大家族中的一个特殊品种，体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适用于专门的控制用途。
为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。
单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次微型计算机。
（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。
单片机大量应用于携带式产品和家用消费类产品，低电压和低功耗的特性尤为重要。
许多单片机已可在2.2V的电压下运行，有的已能在1.2V或0.9V下工作；
功耗降至为μA级，一粒纽扣电池就可以长期使用。
（5）集成度及可靠性高
单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。
另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。
外部总线增加了IC（Inter-IntegratedCircuit）及SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。
2）单片机的应用
单片机的应用范围很广，可以说覆盖了所有领域。
其主要在智能仪器和控制中的应用。
（1）单片机在智能仪表中的应用
单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。
（2）单片机在机电一体化中的应用
机电一体化是械工业发展的方向。
机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。
单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。
（3）单片机在实时控制中的应用
单片机广泛地用于各种实时控制系统中。
例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。
单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。
（3）单片机在分布式多机系统中的应用
在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。
多机系统一般由若干台功能各异的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。
单片机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控制。
单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。
（4）单片机在人类生活中的应用
自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。
单片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。
综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。
另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。
1.3.4单片机应用系统的设计[10]
单片机应用系统的设计（开发）的最终目的是能把它应用到实时控制系统以及仪器仪表、家用电器、汽车制造、医疗器械等各个领域。
由于它的应用领域很广，技术要求各不相同，因此应用系统的硬件设计可以是各种各样的，但总体设计方法和研制步骤基本相同。
有关单片机应用系统的一般开发、研制方法论述如下：
1）组成单片机应用系统的基本方法
用单片机组成应用系统时，实际问题的领域很宽，要求各不相同，组成的方案也千差万别，很难有一个固定的模式适应一切问题，但考虑问题的基本方法大体相似。
对一般的应用系统，大都要经历如下步骤：
提出问题，了解现场，明确指标。
无论是制作智能仪表还是研制工业控制系统都要对应用对象的工作过程进行深入调查和分析，了解课题的目的要求、信号的种类和数量、应用的环境等等，要把课题最终的指标明确下来。
进行可行性论证，提出初步方案。
分析所接受任务的技术关键，论证能否用计算机来解决，有没有别的途径，用计算机合算与否，用什么计算机等等。
如果可行，应对接受的课题提出初步方案，划分软、硬件各分课题的任务。
提出各分课题的设计方案。
软、硬件所承担的任务明确之后，则可以分别设计出软、硬件各自的功能及实现的方案。
完成总体设计，完成各分课题的任务，组成计算机应用系统。
对系统进行调试、修改、完善。
2）应用系统研制进程
所谓应用系统，就是利用单片机为某应用目的而设计的单片机专用系统（在调试过程中通常称为目标系统）。
单片机的应用系统和一般的计算机应用系统一样，也是由硬件和软件所组成。
硬件指单片机、扩展的存储器、输入输出设备、控制设备、执行部件等组成的系统，软件是各种控制程序的总称。
硬件和软件只有紧密相结合，协调一致，才能组成高性能的单片机应用系统。
在系统的研制过程中，软硬件的功能总是在不断地调整，以便相互适应，相互配合，以达到最佳性能价格比。
单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线仿真调试、程序固化等几个阶段。
各个阶段所完成的主要工作概述如下：
总体设计主要包括确定技术指标，机型及器件选择，软、硬功能划分等。
硬件设计主要包括程序存储器和数据存储器芯片的选择和设计；
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