基于单片机的仓库多点温湿度检测.doc
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摘要
防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的主要内容，其中湿度和温度是衡量仓库管理质量的重要指标，它直接影响到储备物资的寿命和工作可靠性。
系统由单片机控制模块、传感器检测模块、AD转换模块、存储器模块、键盘输入模块、输出显示模块共六个单元构成，可以实现仓库多点温湿度检测实时显示、测试值自动存储、存储数据回放显示功能。
系统选用AT89C52单片机为控制器，模拟温度传感器LM35、湿度传感器ST-19-06采集仓库温度和湿度，传感器采集的模拟电压信号通过8位模数转换器ADC0809进行转换后，送给单片机处理显示。
系统设置了5个功能按键，实现存储、回放等操作，测试值通过1602液晶显示器显示。
整个系统结构简单紧凑、功能明确，通过系统仿真检测，可以实现多点温、湿度检测的目的。
关键词：
AT89C52单片机温度湿度检测
Abstract
Moistureproof,mouldproof,anti-corrosion,explosion-proofisthemaincontentofthedailyworkofwarehouse,includinghumidityandtemperaturearetheimportantindicatorsofqualityofwarehousemanagement,itdirectlyaffectsthestockpileoflifeandworkingreliability.
ThissystemisbyMCUcontrolmodule,sensordetectionmodule,ADconversionmodule,memorymodule,keyboardinputmodule,theoutputdisplaymodule,atotalofsixunits,andcanimplementwarehousemultipointtemperatureandhumiditydetectionreal-timedisplay,automaticstorage,storage,dataplaybacktestvaluedisplayfunction.SystemwithAT89C52single-chipcomputerascontroller,thesimulationLM35temperaturesensor,humiditysensorST-19-06collectionwarehousetemperatureandhumidity,sensoracquisitionofanalogvoltagesignalthrough8-bitanalog-to-digitalconverterADC0809conversion,aftersenttoMCUprocessingdisplay.Systemsetupfivebuttons,storage,playbackoperation,thetestvaluesthrough1602LCDdisplay.Thewholesystemsimpleandcompactstructure,thefunctionclear,throughsystemsimulationtest,canrealizethepurposeofthemultipointtemperatureandhumiditydetection.
Keywords:
AT89C52MCUTemperatureHumidityTesting
II
目录
第1章绪论 1
1.1选题背景 1
1.2国内外相关研究情况 1
1.3设计功能及系统要求 1
1.3.1系统功能要求 1
1.3.2主要技术参数 2
第2章系统方案的选择与论证 3
2.1单片机控制器 3
2.1.1单片机简介 3
2.1.2芯片选型 3
2.2模数转换模块 3
2.3存储单元 4
2.3.1存储器简介 4
2.3.2存储器选型 4
2.4温湿度传感器简介 5
2.4.1温度传感器 5
2.4.2湿度传感器 5
2.4.3温湿度传感器SHT11 6
2.4.4传感器方案选择 6
2.5显示部分 6
2.5.1常用显示器件介绍 6
2.5.2显示方案选择 7
2.6输入方案的确立 8
2.6.1独立式按键 8
2.6.2矩阵键盘 8
2.6.3键盘输入方案的选择 9
第3章系统硬件电路设计 10
3.1系统设计框图 10
3.2单片机控制最小系统的设计 12
3.3温、湿度传感器模块的设计 12
3.4A/D转换器模块的设计 14
3.5存储单元的设计 15
3.6按键单元的设计 15
3.7显示部分的设计 16
3.8电源模块 17
第4章软件开发与仿真结果 18
4.1程序框图及流程图 18
4.2程序清单 22
4.3仿真结果 23
结论 25
致谢 26
参考文献 27
附录 28
附录A系统整体原理图 28
附录B程序清单 29
IV
西京学院本科毕业设计（论文）
第1章绪论
1.1选题背景
防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作中的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。
它直接影响到储备物资的寿命和工作的可靠性。
加强仓库内温度、湿度的实时监测，对于保证日常仓库管理工作顺利进行具有重要的意义。
在仓库温湿度监测系统的设计中，随着温、湿度传感器的发展，从初期，以热敏电阻和湿敏电阻作为传感器器件，通过检测电阻的变化来反映温、湿度的变化，到后来，出现数字式温度传感器和数字式湿度传感器，可以直接输出数字量，集成度更高，使用更方便。
与此同时，仓库温度和湿度数据的采集和处理方面，初期，采用人工测量与人工抄录、人工管理相结合的传统方法，并且用人工的办法对仓库存储物品进行晾晒、通风、喷洒药剂，防止温、湿度异常及虫害，这种处理方式消耗了大量的人力和财力，效率较低，然而往往由于判断失误和管理不力，效果不佳，发霉变质等现象大量存在，到现在，研制高精度，高性能，多功能的温、湿度监控系统是主流，提高可靠性、灵活性和降低成本也是其考虑的重点，并且系统存在报警、存储和查询历史数据、控制、通信等方面的自动化和智能化，即将成为发展的方向。
1.2国内外相关研究情况
温、湿度监控系统主要应用于控制环境空间的温度和湿度，从系统控制的角度来看，属于纯滞后控制。
国外的温湿度监控系统相对比较先进，无论是传感器的测量精度、反应速度、稳定性、功能多样性，还是使用环境方面技术都相对比较领先。
目前，国内生产的仓库温湿度监控系统品种繁多，系统结构各异，在仓库物品内外温湿度检测及分析、通风机械的控制等方面，比之前有了不少进步但仍有进步空间，在存储数据和历史查询等拓展功能方面也开始了相应研究。
1.3设计功能及系统要求
1.3.1系统功能要求
系统以单片机为控制核心，需要实现以下基本功能和要求
（1）实现多点（至少三点）温度和湿度的检测。
（2）能显示当前及历史温度的测量值。
（3）可以实现相关测量值的存储和对历史数据进行查询。
1.3.2主要技术参数
（1）温度检测范围：
-10℃—+50℃。
（2）温度测量精度：
0.5℃。
（3）湿度检测范围：
10%RH—80%RH。
（4）湿度测量精度：
1%RH。
第2章系统方案的选择与论证
本监测系统，包括单片机最小系统，ADC转换模块，传感器检测模块，存储单元，显示输出，按键输入等6部分。
各部分的简介及其方案选择论证如下：
2.1单片机控制器
2.1.1单片机简介
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术，把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，广泛运用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。
2.1.2芯片选型
结合本设计所需完成的功能和系统要求，选用的控制器，需要满足以下条件：
（1）、可用I/O口大于或等于20。
（2）、有A/D转换器或方便与A/D转换器级联。
（3）、有或者能模拟实现I2C总线。
（4）、1个以上中断及其2个定时器。
（5）、下载程序方便。
综合考虑单片机的资源、性价比和自己所掌握的知识等因素，最终确定选用AT89C52作为本系统的控制芯片。
2.2模数转换模块
模数转换器简介
模数转换器是将输入的模拟电信号转换为数字信号的电子元件。
模数转换器最重要的参数是转换的精度与速度，通常用输出数字信号位数的多少表示精度，用每秒转换次数来表示速度。
转换器能够准确输出数字信号的位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。
2.3存储单元
2.3.1存储器简介
存储器是具有“记忆”功能的设备，主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。
它采用具有两种稳定状态的物理器件来存储信息。
这些器件也称为记忆元件，记忆元件的两种稳定状态分别表示为“0”和“1”。
日常使用的十进制数必须转换成等值的二进制数才能存入存储器中，计算机中处理的各种字符，例如英文字母、运算符号等，也要转换成二进制代码才能存储和操作。
常见的存储器及其特点如表2.1：
表2.1常见的存储器及其特点
存储器
功能
寻址方式
掉电后
说明
随机存取存储器（RAM）
读、写
随机寻址
数据丢失
只读存储器（ROM）
读
随机寻址
数据不丢失
工作前写入数据
闪存（FlashMemory）
读、写
随机寻址
数据不丢失
电可擦可编程只读存储器
（EEPROM）
读、写
随机寻址
数据不丢失
2.3.2存储器选型
本设计需要的功能，所选储存器芯片，需满足以下条件：
（1）、掉电后不丢失数据。
（2）、易与单片机实现级联。
（3）、存储空间大于2KB。
在上面常用的存储器的分类当中，随机存储器是掉电后数据丢失的，不能选用，考虑总成本和各方面因数的要求，选择存储容量为2K的EEPROM—AT24C02作为设计的存储芯片。
2.4温湿度传感器简介
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他有效形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求，它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
2.4.1温度传感器
温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的设备，分类如下：
1、热电偶:
两种不同成分的导体（称为热电偶丝或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电动势。
热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表连接，显示出热电偶所产生的热电动势，通过查询热电偶分度表，即可得到被测介质温度。
2、热电阻:
热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。
因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。
3、模拟式温度传感器：
将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，具有实际尺寸小、使用方便、灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点。
常用的有LM3911、LM335、LM35。
4、数字式温度传感器：
将敏感元件、A/D转换单元、存储器等集成在一个芯片上，直接输出反应被测温度的数字信号，使用方便，但响应速度较慢（100ns）；例如DS18B20。
2.4.2湿度传感器
湿度传感器能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。
湿敏元件是最简单的湿度传感器。
湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。
湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。
湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。
当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。
2.4.3温湿度传感器SHT11
SHT1x/SHT7x是个集成芯片，它由标准数字输出的湿度和温度传感器模块组成。
该芯片包括两个已校准的微型温度和湿度传感器，14位的A/D转换器，放大器，线性校准电路和数字串行接口。
一体化的结构使它具有质量好，反应快，抗干扰，价格低等特点。
每一个传感器在精确的湿度室内校准，其校准系数被写到OTP存储器中。
两线制的串行接口和内部电压校准使系统一体化，既容易又快捷。
它的外形小巧，能耗低，适用于许多行业。
2.4.4传感器方案选择
不管是温度还是湿度传感器的选择，都应该首选考虑测量范围和测量精度。
方案一：
采用温湿度一体传感器SHT11
将温湿度一体数字传感器SHT11的数字输出数字量通过串行数据直接传送给单片机，单片机进行数据处理。
方案二：
采用独立的温、湿度传感器
将独立的温、湿度传感器输出的模拟信号，经过必要的信号处理电路，连接到A/D转换模块，单片机通过对A/D转换模块的控制，采集相应的数字信号进行处理。
上面两种方案。
方案一，处理起来简单，单片机可以直接读取数字量，不需要另外连接外围电路，但SHT11传感器价格昂贵；方案二，在传感器与单片机之间不能直接连接，需要一定的调理电路，如：
放大电路等，对于内部没有A/D转换器的单片机，还需专业的A/D转换器把模拟信号转换为数字信号，才能将数字量输入单片机进行处理，但这种方案，价格相对方案一低很多。
综合各方面因素，方案二，成本低，可靠性和精度也在控制范围，因此选择方案二。
考虑到系统所要求的技术参数，温度传感器选择线性度较好的LM35，湿度传感器选择湿敏传感器ST-19-06。
2.5显示部分
2.5.1常用显示器件介绍
1、八段数码管
数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划和公共电极。
LED数码管常用段数一般为7段，有的另加一个小数点组成，如图2.1
图2.1八段数码管
数码管可以分为共阴极和共阳极数码管，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。
数码管的显示方式有两种，静态显示和动态显示。
静态显示是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机控制器的I/O端口进行驱动，动态显示是将所有数码管的8个显示笔划"a，b，c，d，e，f，g，dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是哪个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示。
2、液晶显示器
常用的液晶显示器有12864和1602。
（1）12864
12864是128*64点阵液晶模块的点阵数简称。
液晶显示模块是128*64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16*16点阵）、128个字符（8*16点阵）及64*256点阵显示RAM（GDRAM）。
可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机，8-位并行及串行两种连接方式。
（2）1602
1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号的点阵型液晶模块。
显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符（显示字符和数字）。
2.5.2显示方案选择
本设计需要显示温度和时间，采用八段数码管，单片机控制器的占用I/O口资源较多，并且数码管的显示需要动态显示，需要单片机控制器不停地刷新扫描，占用单片机控制器。
12864和1602相比，12864能显示更多的汉字，但占用单片机控制器的I/O口资源太多，1602不但能显示汉字，而且占用单片机控制器的I/O口资源较少，只需11根I/O口就能实现显示，并且能显示2行内容。
因此本设计选择1602为显示设备。
2.6输入方案的确立
键盘是电子器件常用的输入设备，分为独立式按键和矩阵键盘两种方式，对于这两种方式，都是利用单片机控制器I/O口的电平高低状态来控制按键是否按下进行识别。
2.6.1独立式按键
图2.2就是常用的独立式按键，把电平信号直接接到I/O上。
在程序里面读取I/O电平状态，如果读到相应的低电平，则说明此I/O上所接的按键被按下。
独立式按键硬件结构简单，原理与控制方法都非常简单，但会造成了I/O资源的浪费。
图2.2独立式键盘
2.6.2矩阵键盘
这种按键输入方式很巧妙地利用了I/O资源，使得8个I/O口可以实现16键键盘。
它的示意图如下2.3
图2.3矩阵键盘
对于矩阵键盘，常见有两种按键识别方法，行扫描法和高低电平翻转法。
2.6.3键盘输入方案的选择
矩阵按键输入方式比独立按键方式从原理与控制上都要复杂，对于要求输入按键多的时候，选择矩阵键盘更节约I/O口资源，本设计的按键接口需要：
上、下切换键（用于查询历史值的选择）、确认键、返回主界面控制键和查询历史键，共五个按键，按键较少，在此选择独立按键形式。
第3章系统硬件电路设计
3.1系统设计框图
把整个系统分为单片机控制系统，传感器检测模块，A/D转换模块，存储单元，显示输出，按键输入单元六大部分。
系统设计结构框图如下：
按键输入单元
控制器AT89C52
存储单元
显示输出
传感器检测模块
A/D转换模块
图3.1系统框图
传感器模块中，采用湿度传感器LM35和湿度传感器ST-19-06。
按键输入单元，是由5个独立按键构成，存储单元，采用AT24C02，AT24C02的数据传输线为串行接口，由于AT89C52本身不带I2C总线，在此用普通I/O口模拟I2C总线，实现对AT24C02的读写控制。
显示输出采用液晶显示器1602作为显示器件，A/D转换器为ADC0809，单片机控制器AT89C52的引脚分配如表3.1
表3.1单片机引脚分配表
器件
单片机引脚
所连器件引脚
功能
ADC0809
P3.3
EOC
转换结束信号
P1.0~P1.7
OUT1~OUT3
数字量输出
P2.4~P2.6
ADDA~ADDC
地址输入线
ALE
START、ALE
启动和地址锁存信号
P2.3
OE
输出允许信号
P3.5
CLK
AD时钟信号
1602
P0.0~P0.7
D0~D7
数据线
P2.0
RS
寄存器选择
P2.1
RW
读写信号
P2.3
E
使能信号
AT24C02
P3.6
SCK
二线串行接口
P3.7
SDA
键盘
P3.0
UP
上键
P3.1
OK
确认键
P3.4
Time
显示时间
P2.7
DOWN
下翻键
P3.2
RESET_MAIN
实现查询和显示主界面
3.2单片机控制最小系统的设计
单片机控制最小系统，由复位电路、晶振电路组成和单片机组成，如图3.2.
图3.2单片机最小系统电路图
外界晶振为12Mhz。
复位电路工作原理：
VCC上电时，C3充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C3充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。
工作期间，按下RESET键，C3放电。
RESET松手，C3又充电，在10K电阻R上出现电压，使得单片机复位。
几个毫秒后，单片机重新进入工作状态。
3.3温、湿度传感器模块的设计
本设计采用的LM35系列是精密集成电路温度传感器，外观如图3.3，其输出的电压线性地与摄氏温度成正比，灵敏度为10.0mV/℃，25℃时输出电压为2.98mv，精度在0.4℃至0.8℃（-55℃至+150℃温度范围内），重复性好，低输出阻抗，线性输出和内部精密校准使其与读出或控制电路接口简单和方便，可单电源和正负电源工作，工作电压4～30V，在上述电压范围以内，芯片从电源吸收的电流几乎是不变的（约50μA）。
在此选择单电源。
图3.3LM35图3.4ST-19-06
ST-19-06湿敏传感器，以高分子湿敏电阻作为敏感元件，5v直流电压供电，工作温度范围为-20~60℃，测量范围为0~99%RH；分辨率为10Mv/RH；精度（湿度）为±5%RH ，传感器为三线制输出结构，两个电源端口和一个输出端口，外观如图3.4。
图3.5传感器模块电路
图中A、B、C是温度传感器LM35，LM35有三个端口，第一引脚接正电源，第三引脚接负电源，第二引脚为输出，A的输出端口接A/D转换器的IN0脚，作为第一通道输入，B的输出端口接A/D转换器的IN1脚，作为第二通道输入，C的输出端口接A/D转换器的IN2脚，作为第三通道输入。
H1~H3是三个湿敏传感器，一端接地另一端接正电源，电信号输出端接一个电压跟随器给A/D转换器的IN3~IN5引脚进行转换。
3.4A/D转换器模块的设计
ADC0809是8路输入通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。
（1）、引脚介绍
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图3.6所示。
下面说明各引脚功能。
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
2-1～2-8：
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路
ALE：
地址锁存允许信号，输入，高电平有效。
START：
A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。
EOC：
A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：
数据输出允许信号，输入，高电平有效。
当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于600Khz。
REF（+）、REF（-）：
基准电压。
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