实验室温湿度监系统研发设计方案.docx

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实验室温湿度监系统研发设计方案

实验室温湿度监控系统的设计

摘要

本文主要介绍了温湿度的检测，包括温度传感器、湿度传感器、单片机接口及其应用软件的设计，大体分为以下几大部分：

介绍了国内外温湿度检测及监控技术，并且分析了温度检测及监控技术的未来发展方向。

本系统是基于复合式温湿度传感器SHT11、单片机AT89C51对温度湿度分别测量并通过液晶显示屏1602经行显示。

本系统由上位机和下位机构成，下位机主要完成温湿度的采集与处理，将其传至1602液晶显示，并做出判断实现超限报警。

同时，下位机还通过RS232总线将温湿度数据传至上位机，上位机可实时显示当前的温度与湿度值。

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。

该系统电路简单、工作稳定、集成度高,测试精度高,具有一定的实用价值。

温湿度检测是以8051单片机系统和温湿度相结合的温度测量系统。

本系统的数学模型合理，测量方法容易实现。

实际仪器采用抗干扰、零漂、低温漂的电子元件，性能稳定。

该测量仪总体特点是使用简便、实用、使用对象广、并且实现了自动化。

关键词：

温度测量；湿度测量；数据采集；单片机

TheDesignofTemperatureandHumidityMonitoring

SysteminLaboratory

Abstract

Inthispaper,includingtemperatureandhumiditytesting,temperaturesensors,humiditysensors,microcontrollerinterfacesandapplicationsoftwaredesign.Itcanbedividedintothefollowingparts:

introductionoftemperatureandhumiditydetectiontechnologyathomeandabroad,andanalysisofthefutureoftemperaturemeasurementtechnologiesdevelopment.

ThesystemisbasedonthecombinedtemperatureandhumiditysensorSHT11,monolithicintegratedcircuitAT89C51surveysseparatelytothetemperaturehumidityanddemonstratedthroughtheliquidcrystaldisplaymonitor1602silkthreadbusiness.Thissystemconsistsofupperandlowerbody,slavemachineiscompletetheacquisitionandprocessingoftemperatureandhumidity,thenpassthemtothe1602LCDdisplay,andjudgetheultralimitalarm.Atthesametime,lowercomputerthroughRS232busisrumoredtofirstdegreetemperatureandhumiditymachine,PCcanshowthecurrenttemperatureandhumidityvalues.Thissystemhasahighreadability,highstability,reactionspeed,measurementaccuracyofcharacteristics.Thecircuitissimple,stableandhighintegrationofthesystem,highaccuracy,havepracticalvalue.

Temperatureandhumiditydetectionsystemisbaseon8051thecombinationoftemperatureandhumidity,thetemperaturemeasurementsystem.Thesystemmathematicalmodelisreasonable,easymeasurement.Theactualinstrumentsusedanti-interference,lowzero-drift,lowtemperaturedriftofelectroniccomponents,performanceandstability.Thegeneralcharacteristicsofmeasuringinstrumentareeasytouse,practical,widelyusedobjectandautomated.

Keywords:

TemperatureMeasurement；Humiditymeasurement；DataAcquisition；Single-chipMicrocomputer

插图清单

图2-1系统总体原理框图…….............................................................................................4

图3-1AT89C51引脚图.........................................................................................................5

图3-4SHT11内部原理图…….............................................................................................8

图3-51602液晶与AT89C51接口电路……........................................................................10

图3-6键盘控制电路…….....................................................................................................11

图3-7三极管驱动的蜂鸣音报警电路…........................................................................….12

图3-8时钟电路图.................................................................................................................12

图3-9复位电路.....................................................................................................................12

图3-9MAX232芯片控制电路…….....................................................................................14

图4-4液晶显示流程图…….................................................................................................17

表格清单

表3-3P3口的第二功能...................................................................................................6

表3-4SHT11的命令代码.......................................................................................…......8

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，它以芯片形式嵌入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。

第1章绪论

1.1课题研究的目的及意义

科学技术是第一生产力，科技的进步离不开大量的科学实验。

科学实验是科技进步的重要前提，随着人们对科学实验的要求越来越高，如何在最优的条件下进行科学实成为众多实验室首要考虑的问题。

很多的实验对环境条件的要求非常的苛刻，而温度和湿度又是环境中最基本的两个条件，也是最不容易保障的指标，而且它们都有可能对实验产生较大的影响。

例如微生物实验室，某些微生物对生存环境的要求特别的严格，只有在特定的温度、湿度条件下才可以存活并生长,温度、湿度稍有改变就有可能导致它们的死亡，甚至导致实验的失败。

物理实验室里的某些高精度电子仪器对温湿度也很敏感，只有工作在特定的环境下才能保证它们的精度，所以必须维持一个恒定的温湿度值。

在化学实验室里，某些实验必须在特定的温湿条件下进行，否则不仅得不到的应有的结果，甚至会发生危险，这些都对实验室的温湿度监控提出了高要求。

在生命科学设施，计量/校准实验室和电子制造环境，温度和湿度往往需要监测和报警显示7/24，以保障产品和工艺。

在环境监测，实时数据报告，以确保环境“符合规格”是至关重要的。

在我们的生活中，我们要时刻关心环境的变化，只有很好的把握好环境的差异变化，我们才能更好的生存与发展。

做好温度和湿度的防范工作，比如说在一些实验室生物的成长，和温湿度是离不开的它们只有在适宜的环境下，在适宜的温度和湿度下，才能成长的更快，我们才能获取更大的效益。

另外，一些仓库，也需要实时知道温湿度的具体变化，什么样的物品在什么样的环境下比较适宜等等。

现代社会越来越多的实验都要求在严格的环境条件下完成，而温度和湿度是实验室最基本的环境条件，也是对实验影响较大的因素。

一般温湿度控制系统中的温湿度测量均采用热敏电阻与湿敏电容，这种传统的模拟式温湿度传感器一般都需要设计信号调理电路并经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性等方面也存在一定问题。

这种传感器只适合那些测量点数较少，对精度要求不高的场合。

因此设计出一款精度高、稳定性好、成本低的温湿度检测控制系统将具有一定的市场。

1.2国内外测温湿技术及其发展趋势

随着人们的生活及其生产水平的不断提高，对生活环境和生产环境的要求就显的尤为重要,温湿度的控制就是一个典型的例子，因此温湿度检测系统就是现代生产生活中应运而生的一种智能、快捷、方便可靠的检测系统，特别是在实验室做实验中如果检测得不准确就会发生许多的生产事故。

如实验过程中对温度的检测不当就会导致生产效率的降低和产品质量的下降。

而现在所使用的温湿度检测系统通常都是精度为1℃或0.1℃的水银、煤油或酒精温度计进行的温度检测和用传统的物理模拟量的方法进行的湿度检测。

这些温湿度检测计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。

在传统领域中，温度测量是通过物质的物理热胀冷缩原理来实现的，物质的选择可以是气体，也可以是液体，还可以是金属。

我们一般常用的水银玻管温度计就是一种常见的通过金属物质热胀冷缩原理制成的温度测量器具，在计量检定中，很多温度的检定都依靠它来标定。

他的优点是结构简单，使用方便，测量精度相对较高，价格低廉。

缺点是测量上下限和精度受玻璃质量与测温介质的性质限制，只能近距离观测，而且有毒，并且由于易碎，不适宜运输和传递。

国内对温湿控制技术研究起步较晚。

自20世纪80年代以来，在引进、吸收国外高科技温室生产技术的基础上，我国进行了温室中温度、湿度和二氧化碳等单项环境因子控制技术的研究。

1982年中国农业科学院建立了全国农业系统的第一个计算机应用研究机构。

1995年，北京农业大学研制成功的“WJG一1型实验温室环境监控计算机管理系统”，仅仅是进行单因子控制，操作性和可靠性均不够理想。

温湿度传感器正朝着集成化、智能化、系统化的方向发展；与此同时，温湿度测量技术也在不断进步。

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。

第2章系统总体方案设计与选择论证

在本章中，我们将实验室温、湿度环境监测系统的总体设计及其主要功能特点进行简单的分析，并给出它的特点、实现功能、系统的简单操作以及对单片机及其控制系统的了解。

2.1系统主要单元的选择与论证

方案一：

采用XC9000系列的FPGA。

该类器件具有并行处理能力，能快速的响应外部的各种数字信号，但在数据处理方面过于复杂，而且芯片价格较昂贵。

方案二：

采用单片机作为控制核心，单片机数学运算功能较强。

在程序相互调用方面，处理方便灵活，性能稳定，适合实际应用。

且单片机技术发展较为成熟，价格便宜。

基于以上分析，采用单片机控制可更为简便灵活地实现系统功能，故拟采用方案二。

2.2系统总体原理框图

该系统主要由以下功能系统构成：

中央控制处理器AT89C51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、键盘输入控制电路和通信电路等。

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。

系统总体原理框图如图2-1所示：

图2-1系统总体原理框图

第3章系统的硬件设计

本设计的硬件系统主要由主控模块、显示模块、温湿度采集模块、键盘模块和蜂鸣器模块组成。

3.1单片机AT89C51简介

AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及AT80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89C51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器；此外，AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

3.2AT89C51引脚及介绍

图3-1AT89C51引脚图

3.2.2引脚介绍

VCC：

电源电压

GND：

地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口，作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：

P1是一个内部带上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号校验期间，P1接收低8位地址。

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。

在访问８位地址的外部数据存储器（如执行：

MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内（也即特殊功能寄存器，在整个访问期间不改变。

Flash编程或校验时，P2也接收高位地址和其它控制信号。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端口时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口的第二功能如下表3-3。

表3-3P3口的第二功能

端口功能

第二功能

端口引脚

第二功能

RXD（P3.0）

串行输入口

T0（P3.4）

定时/计数器0外部输入

TXD（P3.1）

串行输出口

T1（P3.5）

定时/计数器1外部输入

INT0（P3.2）

外中断0

WR（P3.6）

外部数据存储器写选通

INT1（P3.3）

外中断1

RD（P3.7）

外部数据存储器读选通

RST：

复位输入。

当振荡工作时，RST引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不再访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目地，要注意的是：

当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

PSEN：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲访问外部数据存储器，高有两次有效的PSEN信号。

EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU访问外部程序存储器（地址0000H－FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时,该引脚加上＋12V的编程电压VPP。

XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

3.3SHT11传感器

3.3.1SHT11传感器简介

SHT11数字式温湿度传感器是由瑞士的Sensation公司设计的，是一种带有两线制串行接口的复合式传感器。

片内实现了对数据的调试及其标定，并且测量精度可以调节，分辨率可以达到8位、12位或14位，可由用户自行设定。

输出的数据还带有CRC校验，保证了数据传输的准确性。

其加工工艺采用了特殊的COMS过程微加工技术，生产出的产品可靠性非常的高，并且能够长期工作在非常稳定的状态。

该复合式的传感器内部的集成度非常的高，将一个能隙式的测温元件、一个聚合体测湿元件、一个A/D转换器、一个加热器以及串行接口电路都集成在了一片7.42×4.88×2.5mm的无铅芯片载体上，并且采用了无缝连接的工艺。

极大的增加了产品的抗干扰能力，也使得芯片的响应时间非常的短，在同类产品中，性能非常的突出

为了使用户能够得到非常准确的温湿度信息，每个芯片在出厂前都经过了严格的测试，并将校正值存于内存中，简化了用户对采集数据处理的复杂度，同时也大大增加了产品的精度，绝对可以成为各种温湿度采集芯片中的佼佼者。

SHT11数字式温湿度传感器的应用范围非常的广泛，小到智能家居，大到自动化控制。

相比于其他同类产品具有以下几种特点：

一、集成度高。

将湿感元件、温感元件、串行接口电路以及A/D转换器等都集成在一片无铅芯片载体上，具有超小的外部尺寸。

二、基于两线制串行接口的数据传输。

SHT11采用的是两线式串行总线，一条数据线DATA，一条串行时钟线SCK，可进行CRC校验，保证了数据传输的准确性。

三、分辨率可调。

SHT11内部的A/D转换器的分辨率可以通过内部的特殊功能寄存器进行选择，8位/12位/14位，满足不同需求。

四、精度高。

片内集成的温感元件和湿感元件，使SHT11在测量湿度时可以进行温度补偿，提高了测量的精度。

五、体积小。

SHT11的封装非常的小，只有7.42×4.88×2.5mm，并且在每次测量之后能够自动的进入低功耗工作模式。

六、可靠性高。

由于SHT11采用的是特殊的COMS过程微加工技术，内部元件实现了无缝连接，即使在测量时将其放入水中也可以正常工作。

3.3.2SHT11传感器内部结构及工作原理

数字式温湿度传感器SHT11是将测湿元件、测温元件、A/D变换、串行接口电路等都完全集成在一起，结构如图3