仓库温度湿度测系统的设计1Word下载.docx
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西安石油大学本科毕业设计（论文）
仓库温度湿度监测系统的设计
摘 要：
本课题设计是一种基于AT89C51单片机和温湿度传感器的温、湿度监测系统。
本系统具有可读性高，稳定性高，反应速度快，测量值准确的特点。
论文叙述了单片机、温度传感器DS18B20、湿度传感器HS1101的原理，介绍了系统的硬件和软件设计。
并利用proteus软件进行电路的原理图及PCB图绘制。
这个系统的功能是：
通过按下不同的功能键来向单片机输入控制信号，控制温湿度的报警线，并在数码显示管上显示出对应的数值。
系统利用Proteus与Keil 软件的联调来实现仿真功能，基本上达到了系统的设计要求。
关键词：
单片机，温度传感器DS18B20，湿度传感器HS1101
Thedesignabouttemperatureandhumiditymeasurementsystemofwarehouse
Abstract:
ThispaperdesignedatemperatureandhumiditymeasurementsystemofwarehousewhichbasedonAT89C51andtemperatureandhumiditymeasurement.Thissystemhasareadable,highstability,reactionspeed,measuredvaluesexactcharacteristic.Thepaperincludestheprincipleofmicrocontroller,temperaturesensorDS18B20,humiditysensorHS1101andsystemofhardwareandsoftwaredesign,procedures,debugthesoftwareandhardwareatthesametime.Intheprocessofdesigning,ProteusisusedtoplotschematicdiagramandPCBdiagram,Implementedfunctionsare:
transmittingcontrolsignalstothemicrocontrollerbypressingdifferentbuttons,controllingthealarmlineoftemperatureandhumiditymeasurement,Throughthepressdifferentfunctionkeystosinglechipmicrocomputercontrolsignalinput,controlofthetemperatureandhumidityalarmline,andinthedigitalbyLCDdisplaytheline1602showedonthecorrespondingnumerical.ProteusandKeilsoftwaresystemusingthealignmenttorealizesimulationfunction,basicallyachievedthedesignofthesystemrequirements.
Keyword：
microcontroller,temperaturesensorDS18B20,humiditysensorHS1101
目录
1绪论 1
1.1选题背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3课题内容简介 2
1.4设计过程及工业要求 2
2仓库温度湿度监测系统的设计方案 3
2.1单片机的发展概述 3
2.2主要器件的论证及选取 4
2.2.1温度传感器的论证及选取 4
2.2.2湿度传感器的论证及选取 5
2.3总体方案设计及系统方框图 5
3仓库温度湿度监测系统的设计原理 7
3.1DS18B20温度传感器简介 7
3.1.1DS18B20温度传感器概述 7
3.1.2DS18B20温度传感器详细说明 8
3.2HS1101电容式湿度传感器简介 16
3.2.1HS1101电容式湿度传感器概述 16
3.2.2HS1101电容式湿度传感器工作原理 17
3.2.3HS1101特性 18
4仓库温度湿度监测系统的系统设计 19
4.1仓库温度湿度监测系统设计的系统组成 19
4.2软件流程图 21
4.3仓库温度湿度监测系统总的程序设计 23
4.3.1读取温度数据子程序的设计 24
4.3.2数据比较程序的设计 24
4.3.3数据设置程序的设计 24
4.4软件仿真 25
5结论 26
参考文献 27
致谢 28
附录A仿真结果图 29
附录B系统总程序 30
附录C系统电路PCB图 40
附录D元器件清单 41
1 绪论
1.1选题背景
防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，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使用寿命和工作可靠性。
为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。
但传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。
这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。
因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。
为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度的监测工作，因为温度的升高，就意味着粮库内的有氧呼吸的加强，就意味着马上就要发生腐烂霉变。
因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温度测量仪。
测量温湿度的关键是温湿度传感器，温湿度传感器的发展经历了三个发展阶段：
①传统的分立式传感器，②模拟集成传感器，③智能集成传感器。
目前，国际上新型温湿度传感器正从模拟式向数字式，从集成化向智能化、网络化的方向飞速发展。
1.2国内外研究现状
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和湿度进行测量及控制。
准备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。
主要表现在一下两方面：
（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，为研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新技术。
在当代，随着电子技术，计算机技术的飞速发展，对现场温度的测量也由过去的刻度温度计，指针温度计想数字显示的智能温度计发展。
而且，对测量的精度要求也越来越高。
经调研知，在实际生活中的温差测控问题一直没能得到很好的解决。
该课题的研究能实现温度的监测和控制，推广应用到日常生活中及其相关的领域。
因此，研发高精度的温湿度监测系统具有很好的应用前景。
17
1.3课题内容简介
本文介绍智能集成温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1101的结构特征；
以
AT89C51单片机为控制器，以1602型LCD为显示器的温湿度测量装置；
单片机对温、湿度传感器的控制程序，温、湿度的读取，16进制到BCD码转换以及LCD显示程序。
使用DS1820的测温系统电路简单，测温精度高，连接方便，占用处理器
I/O端口少。
使用HS1101的湿度传感器价格低廉，精度高，软件资源丰富。
但是较小的硬件开销意味着相对复杂的软件补偿，传感器与处理器间采用串行的数据通信，因此在进行软件设计时设计汇编程序时I/O的时序就显得较为复杂。
1.4设计过程及工业要求
根据实际的需求，我们提出了测温组件的基本功能，需要说明的是，在这里你看不到传统的温度显示功能，因为实际上工作人员根本不可能到现场去记录温度的显示。
同时增加了组件的测温点免维护自由增减功能，以适应系统的规模的自由裁剪。
（1）基本功能；
①检测温度、湿度；
②显示温度、湿度；
③过限报警。
（2）主要技术参数
①温度检测范围：
-30℃～+150℃；
②测量精度：
0.5℃；
③湿度检测范围：
0%～100%RH；
④检测精度：
1%RH；
⑤显示方式：
1602液晶模块显示。
⑥报警方式：
LED指示灯发光报警。
2仓库温度湿度监测系统的设计方案
当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。
对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；
而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。
传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。
工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。
2.1单片机的发展概述
近年来，计算机技术迅猛发展，使得计算机在工业，农业，国防科研及日常生活的各个领域显示了日益旺盛的生命力，它已成为各国工业发展水平的主要标志之一，是发展新技术，改造老技术的强有力的武器，计算机使人类面临着一个新的赞赏技术和工业革命，它的作用远远超过了因蒸汽机和电的出现而产生的工业革命。
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，单片机的发展正朝着CMOS化，低功耗，小体积，大容量，高性能，低价格和外围电路的内装化等几个方面发展。
近几年，由于CMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化，此种芯片除
了低功耗外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态，并且单片机一般采用精简指令集结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度，提升信息处理功能，中断和定时控制功能，在一般上还具有串行扩展技术，随着低价位
OTP及各种类型片内程序存储器的发展，加之外围接口不断进入片内，特别是
IIC，API等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化。
这就引导我们利用单片机来实现对数显可调稳压电源的控制。
随着电子技术的迅速发展，计算机已深入渗透到我们的生活中，就51系列而言，由于Intel公司将其内核使用权以专利互换或出售的形式转给世界许多著名IC制造
商，随着计算机技术的不断发展，在工业测量控制领域内单片机的应用越来越广泛。
同时，随着超大规模集成电路工艺和集成制造技术的不断完善，单片机的硬件集成度也不断提高，已经出现了能满足各种不同需求、具有各种特殊功能的单片机，这类单片机具有集成度高、性能价格比优越、货源充足等优点，在工业测量领域内获得了极为广泛的应用价值。
现代的电子产品朝密集型发展，而电子产品的温度特性普遍比较差，这就对温、
湿度的监测提出了新的要求。
若采用国外进口的温、湿度监测系统，虽然其性能较好，但是结合国情，其价格相当昂贵，又是全英文，推广起来较困难。
就是在以上问题出现的情况下，我们设计出一个利用集成温度传感器及湿度传感器，配合单片计算机系统，从软件的编制上实现对各外围硬件的控制，最终实现对当前环境温、湿度进行监测。
在硬件的设计上，所有元器件都采用了通用型产品，使得设计出来的产品生产及维修都相当方便，可以有效地降低成本，同时另外一点就是能用软件实现的功能尽量选用软件进行操作，更加突出了产品的简单性和高可靠性，因此，我们这一设计方法是一个值得推广的方法，接下来我们就对方案与设计原理方框图进行比较分析。
2.2主要器件的论证及选取
2.2.1温度传感器的论证及选取
方案一：
采用热电阻温度传感器。
热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。
现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。
其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。
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。
按IEC标准测温范围-200～650℃，百度电阻比W（100）=1.3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±
（0.15℃+0.002|t|），B级为±
（0.3℃+0.005|t|）。
铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；
但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。
在工业中用于-50～180℃测温。
方案二：
采用AD590。
采用AD590，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。
方案三:
采用DS18B20。
DS18B20 数字温度传感器，测温范围 －55℃～＋125℃，固有测温分辨率
0.5℃。
具有独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
支持多点组网功能，多个DS18B20可以
并联在唯一的三线上，实现多点测温。
工作电源:
3～5V/DC。
在使用中不需要任何外围元件；
测量结果以9～12位数字量方式串行传送。
综合比较方案一，二与方案三，方案三更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。
2.2.2湿度传感器的论证及选取
测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。
电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。
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。
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。
不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利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0.04
pF/℃。
可见精度是较高的。
综合比较方案一与方案二，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，可有效地利用其线性特性。
而且还不具备在本设计系统中对温度-30～50℃的要求，因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。
2.3总体方案设计及系统方框图
该系统主要由以下功能块系统构成：
中央控制处理器STC89C52组成的主机系统；
环境数据采集系统，输出显示与键盘控制系统等。
主要的系统电路有：
电源电路、温度传感器与湿度传感器电路、显示电路，报警电路、键盘输入控制电路等。
电路分析我们在下一章节中进行分析。
该系统的主要特点有：
（1）该产品的互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，外围电路简单易懂，因此体积小。
（2）该系统能用软件的方式控制硬件，所有用软件方式设计的系统向硬件系统的转换是由有关开发软件自动完成的，易操作。
LED指示灯报警电路
温度传感器
DS18B20
系统电源
（3）可以从以前的组合设计转向真正的自由设计，所以设计的移植性好，效率高。
可适合大规模的现场制作。
湿度传感器
HS1101
键盘输入控制电路
多谐振荡器波形产生电路
CPU处理器
AT89C51
1602液晶显示电路
图2-1基于DS18B20和HS1101的温湿度监测系统方框图
3仓库温度湿度监测系统的设计原理
3.1DS18B20温度传感器简介
3.1.1DS18B20温度传感器概述
Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
同DS1820一样DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55°
C～+125°
C，在-10～+85°
C 范围内,精度为±
0.5°
C。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量，如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。
而且新一代产品更便宜，体积更小。
DS18B20数字温度计提供9位温度读数，指示器件的温度。
信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从中央处理器到
DS18b20 仅需连接一条线（和地），读写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。
因为每一个DS1820有唯一的系列（siliconserialnumber）因此多个DS1820可以存在于同一条单线总线上。
这允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件。
此特性的应用范围包括HVAC环境控制，建筑物、设备或机械内的温度检测,以及过程监视和控制中的温度检测.
1.特性
*独特的单线接口,只需1个接口引脚即可通信
*多点（multidrop）能力使分布式温度检测应用得以简化
*不需要外部元件
*可用数据线供电
*不需备份电源
*测量范围从-55℃至+125℃，增量值为0.5℃等效的华氏温度范围是-67°
F至
257°
F，增量值为0.9°
F
*以9位数字值方式读出温度
*在1秒（典型值）内把温度变换为数字
*用户可定义的，非易失性的温度告警设置
*告警搜索命令识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度告警情况）
*应用范围包括恒温控制，工业系统，消费类产品，温度计或任何热敏系统.
2.引脚排列
3. 引脚说明
图3-1DS18B20温度传感器引脚图
表3-1
引脚
8脚SOIC
引脚
PR35
符号
说 明
5
1
GND
地
4
2
DQ
单线运用的数据输入/输出引脚，漏极开路见。
3
Vdd
寄生电可选Vdd引脚
3.1.2DS18B20温度传感器详细说明
1.工作原理
图3-2的框图表示DS18B20的主要部件DS18B20有三个主要的数据部件：
1）64 位光刻ROM；
2）温度灵敏元件；
3）非易失性温度告警触发器TH和TL。
器件从单线的通信线取得其电源，在信号线为高电平的时间周期内，把能量贮存在内部的电容器中，在单信号线为低电平的时间期内，断开此电源- 直到信号线变为
高电平重新接上寄生（电容）电源为止。
作为另一种可供选择的方法，DS18B20也可用外部5V电源供电。
图3-2 DS18B20温度传感器结构框图
与DS18B20的通信经过一个单线接口。
在单线接口情况下，在ROM操作未定建立之前不能使用存贮器和控制操作。
主机必须首先提供五种ROM操作命令之一：
1）ReadROM（读ROM）；
2）MatchROM（匹配ROM）；
3）SearchROM（搜索ROM）；
4）SkipROM（跳过ROM）；
5）AlarmSearch（告警搜索）。
这些命令对每一器件的64位激光ROM部分进行操作。
如果在单线上有许多器件，那么可以挑选出一个特定的器件，并给总线上的主机指示存在多少器件及其类型。
在成功地执行了ROM操作序列之后，可使用存贮器和控制操作，然后主机可以提供六种存贮器和控制操作命令之一。
2.寄生电源（parasitepower）
当I/O或Vdd引脚为高电平时，这个电路便取得电源，只要符合指定的定时和电压要求，I/O将提供足够的功率。
寄生电源的优点是双重的：
1）利用此引脚，远程温度检测无需本地电源；
2）缺少正常电源条件下也可以读ROM。
为了使DS18B20能完成准确的温度变换，当温度变换发生时I/O线上必须提供足够的功率。
因为DS18B20的工作电流高达1mA，5K的上拉电阻将使I/O线没有足够的驱动能力。
如果几个DS18B20在同一条I/O线上而且企图同时变换，那么这一问题将变得特别尖锐。
3.DS18B20的运用
DS18B20通过使用在板温度测量专利技术来测量温度湿度。
DS18B20通过门开通期间内低温度系数振荡器经历的时钟周期个数技术来测量温度，而门开通期由高温度振荡器决定。
计数器予置对应于-55摄氏度的基数，
如果在门开通期结束前计数器达到零，那么温度寄存器它也被予置到-55摄氏度
的数值将增量，指示温度高于-55摄氏度。
同时，计数器用斜率累加器电路所决定的值进行予置。
为了对遵循抛物线规律的振荡器温度特性进行补偿，这种电路是必须的，时钟再次使计数器计值至它
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