畢業(yè)設(shè)計數(shù)字溫濕度計的設(shè)計論文

1、數(shù)字溫濕度計的設(shè)計 摘 要 溫度和濕度是兩個最基本的環(huán)境參數(shù)，人們生活與溫濕度息息相關(guān)。在工農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境溫度與濕度進(jìn)行測量 和控制。準(zhǔn)確測量溫濕度在生物制藥、食品加工、造紙等行業(yè)更是至關(guān)重要的。 因此研究溫濕度的測量方法和控制具有重要的意義。 本論文介紹了一種以單片機(jī) at89c52 為主要控制器件，以 dht91 為數(shù)字溫 濕度傳感器的新型數(shù)字溫濕度計。本設(shè)計主要包括硬件電路的設(shè)計和系統(tǒng)軟件的 設(shè)計。硬件電路主要包括主控制器，測溫濕控制電路和顯示電路等。主控制器采 用單片機(jī) at89c52，溫濕度傳感器采用盛世瑞恩半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 dht91，顯示

2、 電路采用 8 位共陽極 led 數(shù)碼管，驅(qū)動電路用八個 pnp 型的小電壓大電流三極 管（s9012）。測溫濕控制電路由溫濕度傳感器和預(yù)置溫濕度值比較報警電路組 成，當(dāng)實(shí)際測量溫濕度值大于預(yù)置溫濕度值時，發(fā)出報警信號（發(fā)光二極管點(diǎn)亮） 。軟件部分主要包括主程序，測溫濕度子程序，顯示子程序和按鍵子程序等。 本次設(shè)計采用的 dht91 數(shù)字溫濕度傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和 一個能隙式測溫元件，并與一個 14 位的 a/d 器以及串行接口電路在同一芯片上 實(shí)現(xiàn)無縫鏈接，從而具有超快響應(yīng)，抗干擾能力強(qiáng)，性價比高等優(yōu)點(diǎn)。用 dht91 與 at89c52 做的數(shù)字溫濕度計不僅外圍電路簡單，而

3、且測量精度比較高。 關(guān)鍵詞：溫度測量, 濕度測量，at89c52，dht91 the design of digital thermometers and hygrometer abstract temperature and humidity are two basic environmental parameters. peoples lives are closely related to temperature and humidity. in the industrial and agricultural production, meteorology, environmental

4、protection, national defense, scientific research, and other departments, we often need to ambient temperature and humidity measurements and control. accurate measurement of temperature and humidity in the pharmaceutical, food processing, paper making and other sectors is essential. so the temperatu

5、re and humidity control and measurement method is of great significance. this paper presents a new design of digital thermometers and hygrometer. it includes a main control device-microcontroller at89c52 and a digital temperature and humidity sensor. this design includes hardware and system software

6、 .the hardware design includes a main controller circuit, temperature and humidity measurement and control circuits and show circuit. main controller uses scm at89c52.temperature and humidity sensor uses dht91 which is yielded by sensirion (a semiconductor corp). show circuit is a total of eight cir

7、cuits using digital led of the anode. driver show circuit uses eight of the pnp small voltage high current transistor (s9012). temperature and humidity control circuit includes the temperature and humidity sensor and preset temperature and humidity values compared alarm circuit. when the actual meas

8、urement of temperature or humidity values is greater than the preset temperature or humidity values, the alarm signal (light emitting diode is lit) is sent. the major software includes the main routines, temperature and humidity routines, show routines and keys routines. the digital temperature and

9、humidity sensor (dht91) in this design includes a capacitive polymer sensing element for power consumption makes it the ultimate choice for even relative humidity and a band gap temperature sensor. both the most demanding applications are seamlessly coupled to a 14bit analog to digital converter wit

10、h a 14 and the a / d, as well as serial interface circuits in the same chip on the realization of a gap link to a super-fast response, anti-interference capability and cost-effective advantages. the design of digital thermometers and hygrometer with at89c52 and dht91 not only has a simple external c

11、ircuit, but also has a high-precision measurement. key words: temperature measurement, humidity measurements, at89c52, dht91 目 錄 前 言 .1 第一章 設(shè)計任務(wù)要求和溫濕度計的發(fā)展史 .2 1.1 設(shè)計任務(wù)及要求.2 1.2 設(shè)計數(shù)字溫濕度計的依據(jù)和意義.2 1.3 溫度計的發(fā)展史.3 1.4 濕度計的由來.4 1.5 露點(diǎn)意義.4 第二章 設(shè)計任務(wù)分析及方案論證 .5 2.1 設(shè)計總體方案及方案論證.5 2.2 元器件的選擇.6 2.2.1 主控制器芯片.6 2.2

12、.2 數(shù)字溫濕度傳感器.7 2.2.3 驅(qū)動顯示電路.8 2.3 溫濕度測量的方法及分析.9 第三章 硬件電路的設(shè)計 .10 3.1 主控制電路和測溫濕控制電路.10 3.2 驅(qū)動顯示電路.11 第四章 軟件設(shè)計及分析 .13 4.1 dht91 傳輸時序和指令集 7 .13 4.1.1 通訊復(fù)位時序.13 4.1.2 啟動傳輸時序.13 4.1.3 數(shù)據(jù)傳輸和指令集.14 4.1.4 濕度的測量時序.15 4.1.5 輸出轉(zhuǎn)換為物理量.15 4.1.6 dht91 的 dc 特性。 .16 4.2 程序流程圖.17 4.3 程序的設(shè)計.18 4.3.1 通訊復(fù)位子程序.18 4.3.2 傳輸

13、啟動子程序.18 4.3.3 寫一個字節(jié)子程序.19 4.3.4 讀一個字節(jié)子程序.20 4.3.5 數(shù)據(jù)處理子程序.20 4.3.6 顯示子程序.21 4.3.7 按鍵子程序.23 4.3.8 中斷刷新顯示數(shù)碼管子程序.26 4.3.9 軟件在硬件上的調(diào)試分析.27 結(jié) 論 .29 參考文獻(xiàn) .30 致 謝 .31 附 錄 .32 前 言 溫度與濕度與人們的生活息息相關(guān)。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科 研等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境溫度與濕度進(jìn)行測量及控制。準(zhǔn)確測量溫濕度在生物 制藥、食品加工、造紙等行業(yè)更是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的溫度計是用水銀柱來顯示 的，雖然結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但是它的精確度不

14、高，不易讀數(shù)。傳統(tǒng)濕度計采 用干濕球顯示法，不僅復(fù)雜而且測量精度不高。而采用單片機(jī)對溫濕度進(jìn)行測量 控制，不僅具有控制方便，簡單和靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高溫度控制的 技術(shù)指標(biāo)。用 led 數(shù)碼管來顯示溫濕度的數(shù)值，看起來更加直觀。 測量溫濕度的關(guān)鍵是溫濕度傳感器。過去測量溫度與濕度是分開的。隨著技 術(shù)的進(jìn)步和人們生活的需要出現(xiàn)了溫濕度傳感器。溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了 3 個 階段：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器、智能集成溫度傳感器。 目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化 的方向發(fā)展。濕度傳感器也是經(jīng)歷了這樣一個階段逐漸走向數(shù)字智能化。 現(xiàn)今國內(nèi)

15、外用的最多的溫濕度傳感器是 shtxx 系列。不過很多客戶都反應(yīng) shtxx 不方便手工焊接，很容易在焊接的時候，由于溫度過高造成傳感器直接損 害，因此利用 shtxx 傳感器重新在國內(nèi)封裝得到了 dht 9x 系列。shtxx 系列單芯 片傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專利的工 業(yè) coms 過程微加工技術(shù)（cmosens） ，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期 穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一 個 14 位的 a/d 器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫鏈接，從而具有超快 響應(yīng)，抗干擾能力強(qiáng)，性價比高等優(yōu)點(diǎn)。 采用 d

16、ht91 數(shù)字溫濕度傳感器與單片機(jī) at89c52 相連外圍電路比較簡單。 所以，本次設(shè)計以 dht91 數(shù)字溫濕度傳感器為例，介紹基于單片機(jī)的數(shù)字溫濕度 計的設(shè)計。 第一章 設(shè)計任務(wù)要求和溫濕度計的發(fā)展史 1.1 設(shè)計任務(wù)及要求 設(shè)計一個以單片機(jī)為核心的溫濕度測量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)的功能為： （1）測量溫度值精度為1，測量濕度值精確1%； （2）系統(tǒng)允許的誤差范圍為 1和 1%以內(nèi)； （3）系統(tǒng)可由用戶預(yù)設(shè)溫度值和濕度值，測溫范圍40125， 測 濕范圍 0 100%； （4）超出預(yù)設(shè)值時系統(tǒng)會自動報警，即發(fā)光二極管亮； （5）系統(tǒng)采用數(shù)碼管顯示，能顯示設(shè)定溫濕度值和測得的實(shí)際溫濕度值。 1.2

17、設(shè)計數(shù)字溫濕度計的依據(jù)和意義 溫度與濕度與人們的生活息息相關(guān)。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科 研等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境溫度與濕度進(jìn)行測量及控制。準(zhǔn)確測量溫濕度在生物 制藥、食品加工、造紙等行業(yè)更是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的溫度計是用水銀柱來顯示 的，雖然結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，但是它的精確度不高，不易讀數(shù)。傳統(tǒng)的濕度計 采用干濕球顯示法，不僅復(fù)雜而且測量精度不高。而采用單片機(jī)對溫濕度進(jìn)行控 制，不僅具有控制方便，簡單和靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高溫度控制的技 術(shù)指標(biāo)。用 led 來顯示溫濕度的數(shù)字看起來更加直觀。 采用 dht91 數(shù)字溫濕度傳感器作為檢測元件，能夠同時測試溫度和濕度。這 類傳感器不

18、僅易于焊接，而且只有四針管腳，減少了外圍電路的設(shè)計。dht91 傳 感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個 14 位的 a/d 器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫鏈接，從而具有超快響應(yīng)，抗干 擾能力強(qiáng)，性價比高等優(yōu)點(diǎn)。dht91 傳感器可以直接讀出被測的溫濕度值。同時 單片機(jī)可以把測量出的數(shù)據(jù)通過串口傳到計算機(jī)上，來完成工業(yè)中的自動控制， 給工業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的便利。用單片機(jī)控制的溫濕度計不僅硬件電路簡單，而 且測量精度比較高。用數(shù)碼管顯示測量值看起來比較美觀。 總之，無論在日常生活中還是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)方面都離不開對周圍環(huán)境進(jìn)行溫 濕度的測量。因此，研究溫濕度的控制和

19、測量具有非常重要的意義。 1.3 溫度計的發(fā)展史 溫度計是測溫儀器的總稱。根據(jù)所用測溫物質(zhì)的不同和測溫范圍的不同，有 煤油溫度計、酒精溫度計、水銀溫度計、氣體溫度計、電阻溫度計、溫差電偶溫 度計、輻射溫度計和光測溫度計等。 最早的溫度計是在 1593 年由意大利科學(xué)家伽利略(15641642)發(fā)明的。他 的第一只溫度計是一根一端敞口的玻璃管，另一端帶有核桃大的玻璃泡。使用時 先給玻璃泡加熱，然后把玻璃管插入水中。隨著溫度的變化，玻璃管中的水面就 會上下移動，根據(jù)移動的多少就可以判定溫度的變化和溫度的高低。這種溫度計， 受外界大氣壓強(qiáng)等環(huán)境因素的影響較大，所以測量誤差大。 后來伽利略的學(xué)生和其他

20、科學(xué)家，在這個基礎(chǔ)上反復(fù)改進(jìn)，如把玻璃管倒過 來，把液體放在管內(nèi)，把玻璃管封閉等。比較突出的是法國人布利奧在 1659 年 制造的溫度計，他把玻璃泡的體積縮小，并把測溫物質(zhì)改為水銀，這樣的溫度計 已具備了現(xiàn)在溫度計的雛形。以后荷蘭人華倫海特在 1709 年利用酒精，在 1714 年又利用水銀作為測量物質(zhì)，制造了更精確的溫度計。他觀察了水的沸騰溫度、 水和冰混合時的溫度、鹽水和冰混合時的溫度；經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)與核準(zhǔn)，最后把一 定濃度的鹽水凝固時的溫度定為 0，把純水凝固時的溫度定為 32，把標(biāo)準(zhǔn)大 氣壓下水沸騰的溫度定為 212，用代表華氏溫度，這就是華氏溫度計。 在華氏溫度計出現(xiàn)的同時，法國人列繆

21、爾(16831757)也設(shè)計制造了一種溫 度計。他認(rèn)為水銀的膨脹系數(shù)太小，不宜做測溫物質(zhì)。他專心研究用酒精作為測 溫物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。他反復(fù)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，含有 1/5 水的酒精，在水的結(jié)冰溫度和沸騰溫 度之間，其體積的膨脹是從 1000 個體積單位增大到 1080 個體積單位。因此他把 冰點(diǎn)和沸點(diǎn)之間分成 80 份，定為自己溫度計的溫度分度，這就是列氏溫度計。 華氏溫度計制成后又經(jīng)過 30 多年，瑞典人攝爾修斯于 1742 年改進(jìn)了華倫海 特溫度計的刻度，他把水的沸點(diǎn)定為零度，把水的冰點(diǎn)定為 100 度。后來他的同 事施勒默爾把兩個溫度點(diǎn)的數(shù)值又倒過來，就成了現(xiàn)在的百分溫度，即攝氏溫度， 用表示。華氏溫

22、度與攝氏溫度的關(guān)系為： 9/5+32，或59(-32)。 現(xiàn)在英、美國家多用華氏溫度，德國多用列氏溫度，而世界科技界和工農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)中，以及我國、法國等大多數(shù)國家則多用攝氏溫度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和 現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的需要，測溫技術(shù)也不斷地改進(jìn)和提高。由于測溫范圍越來越廣， 根據(jù)不同的要求，又制造出不同需要的測溫儀器。 1.4 濕度計的由來 濕度計是測量空氣內(nèi)含水分多少的儀器。 史記天官書中即有測濕的記 載。我國漢朝初年就已出現(xiàn)濕度計，它是利用天平來測量空氣干燥或潮濕的。天 平濕度計的使用方法，是把兩個重量相等而吸濕性不同的物體，例如灰和鐵，分 別掛在天平兩端。當(dāng)空氣濕度發(fā)生變化時，由于兩個物體吸入

23、的分水不同，重量 也就起了變化，于是天平發(fā)生偏差，從而指示出空氣潮濕的程度。 這就是濕度 計的由來。 1.5 露點(diǎn)意義 氣溫愈低，飽和水氣壓就愈小。所以對于含有一定量水汽的空氣，在氣壓不 變的情況下降低溫度，使飽和水汽壓降至與當(dāng)時實(shí)際的水汽壓相等時的溫度，稱 為露點(diǎn)（dew point） 。 露點(diǎn)溫度是指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時的溫 度。形象地說，就是空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r候的溫度叫露點(diǎn)溫度。露點(diǎn)溫度 本是個溫度值，可為什么用它來表示濕度呢？這是因?yàn)椋?dāng)空氣中水汽已達(dá)到飽 和時，氣溫與露點(diǎn)溫度相同；當(dāng)水汽未達(dá)到飽和時，氣溫一定高于露點(diǎn)溫度。所 以露點(diǎn)與氣溫的差值可以

24、表示空氣中的水汽距離飽和的程度。在 100%的相對濕度 時，周圍環(huán)境的溫度就是露點(diǎn)溫度。露點(diǎn)溫度越小于周圍環(huán)境的溫度，結(jié)露的可 能性就越小，也就意味著空氣越干燥，露點(diǎn)不受溫度影響，但受壓力影響。 濕 球溫度的定義是在定壓絕熱的情況下，空氣與水直接接觸，達(dá)到穩(wěn)定熱濕平衡時 的絕熱飽和溫度。 第二章 設(shè)計任務(wù)分析及方案論證 2.1 設(shè)計總體方案及方案論證 按照系統(tǒng)設(shè)計功能的要求，確定系統(tǒng)由 5 個模塊組成：主控制器，數(shù)字溫濕 度傳感器，報警電路，按鍵電路及驅(qū)動顯示電路。 驅(qū)動顯示模塊 模塊 報警電路 按鍵電路 溫濕度傳感器 主 控 制 器 圖 2-1 總體電路框圖 主控制器的功能有單片機(jī)來完成，主

25、要負(fù)責(zé)處理由數(shù)字溫濕度傳感器送來數(shù) 據(jù)，并把處理好的數(shù)據(jù)送向顯示模塊。數(shù)字溫濕傳感器主要用來采集周圍環(huán)境參 數(shù)，并把所采集來的參數(shù)送向主控制器。按鍵電路主要用來完成單片機(jī)的復(fù)位操 作和溫濕度初始值的設(shè)定。這里需要四個按鍵，一個用來完成單片機(jī)的復(fù)位操作， 一個用來切換顯示的數(shù)據(jù)（是設(shè)定值還是實(shí)際測得的值） ，另外兩個分別用來設(shè) 定初始溫度和初始濕度的個位和十位。報警電路就是用一個發(fā)光二極管來實(shí)現(xiàn)的， 用來判斷周圍環(huán)境的溫度或者濕度是否超出設(shè)定值了，任何一個超出設(shè)定值發(fā)光 二極管就會被點(diǎn)亮。驅(qū)動顯示電路主要用來驅(qū)動八位數(shù)碼管發(fā)光的。由于單片機(jī) 的輸出電流太小（只有幾 ma）不能驅(qū)使數(shù)碼管發(fā)光，所以

26、這里必須增加一個驅(qū)動 顯示模塊。 2.2 元器件的選擇 2.2.1 主控制器芯片 主控制器模塊選用單片機(jī) at89c52。at89c52 是美國 atmel 公司生產(chǎn)的低 電平，高性能 cmos 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲 器(perom)和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(ram ),器件采用 atmel 公司的 高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn) mcs-51 指令系統(tǒng)及 8052 產(chǎn)品引腳兼 容，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器(cpu)和 flash 存儲單元，32 個可編程 i/o 口線, 3 個 16 位定時/計數(shù)器, 低功耗空閑和掉

27、電模式。功能強(qiáng)大的 at89c52 單片機(jī)適 合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。 at89c52 共有 6 個中斷向量:兩個外中斷（int0 和 int1） ，3 個定時器中斷 (定時器 0, 1, 2)，串行口中斷和四個雙向 i/0 口。 p0 口：p0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 i/o 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。 作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 ttl 邏輯門電路，對端口 p0 寫“1”時可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址(低 8 位)和 數(shù)據(jù)總線復(fù)位，應(yīng)為輸出驅(qū)動級的漏極開路，所以必須外接上拉電阻，否則不能 正常工作。

28、 p1 口:p1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 (吸收或輸出電流)4 個 tte 邏輯門電路。對端口寫“1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把 端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻， 某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(ill)。 與 at89c51 不同之處是，p1.0 和 p1.1 還可分別作為定時/計數(shù)器 2 的外部計 數(shù)輸入(p 1.0/t2)和輸入(p 1.1/t2ex )。功能特性如下表 2-1 所示。 表 2-1 p1.0 和 p1.1 的第二功能 p2 口:p2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o

29、口，p2 的輸出緩沖級可驅(qū) 動(吸收或輸出電流)4 個 ttl 邏輯門電路。對端口 p2 寫“1” ，通過內(nèi)部的上拉電 阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電 阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(ill)。 p3 口:p3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口。p3 口輸出緩沖級可 驅(qū)動(吸收或輸出電流)4 個 ttl 邏輯門電路。對 p3 口寫入“1”時，它們被內(nèi)部 上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的 p3 口將用上拉電阻輸出 電流(ill)。 p3 口除了作為一般的 i/o 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表 2-2

30、 所示。 表 2-2 at89c52 的 p3 口的第二功能 2.2.2 數(shù)字溫濕度傳感器 測溫濕模塊選用數(shù)字溫濕度傳感器 dht91?，F(xiàn)今國內(nèi)外用的最多的溫濕度傳 感器是 shtxx 系列。不過很多客戶都反應(yīng) shtxx 不方便手工焊接，很容易在焊接 的時候，由于溫度過高造成傳感器直接損害，因此利用 shtxx 傳感器重新在國內(nèi) 封裝得到了 dht 9x 系列。shtxx 系列單芯片傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸 出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專利的工業(yè) coms 過程微加工技術(shù)（cmosens）, 具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件 和一個能隙式測溫元件

31、，并與一個 14 位的 a/d 器以及串行接口電路在同一芯片 上實(shí)現(xiàn)無縫鏈接，從而具有超快響應(yīng)，抗干擾能力強(qiáng)，性價比高等優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)部 機(jī)構(gòu)圖如下圖 2-2 所示。 圖 2-2 dht91 結(jié)構(gòu)圖 7 2.2.3 驅(qū)動顯示電路 驅(qū)動顯示模塊選用八位共陽極數(shù)碼管和八個小功率放大三極管 s9012。由于 單片機(jī)的端口輸出電流太小，這里必須由外界電路來驅(qū)動數(shù)碼管顯示。s9012 就 是用來驅(qū)動這八位數(shù)碼管顯示的。 led 數(shù)碼管也稱半導(dǎo)體數(shù)碼管，是目前數(shù)字電路中最常用的顯示器件。它是 以發(fā)光二極管作段并按共陰極方式或共陽極方式連接后封裝而成的。圖 2-2 所示 是兩種 led 數(shù)碼管的外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，

32、、分別表示公共陽極和公共陰極， ag 是 7 個段電極，dp 為小數(shù)點(diǎn)。led 數(shù)碼管型號較多，規(guī)格尺寸也各異，顯示 顏色有紅、綠、橙等。 led 數(shù)碼管的主要特點(diǎn)如下： (1)能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動發(fā)光，能與 cmos、itl 電路兼容。 (2)發(fā)光響應(yīng)時間極短(小于 01s)，高頻特性好，單色性好，亮度高。 (3)體積小，重量輕，抗沖擊性能好。 (4)壽命長，使用壽命在 10 萬小時以上，甚至可達(dá) 100 萬小時。成本低。 因此它被廣泛用作數(shù)字儀器儀表、數(shù)控裝置、計算機(jī)的數(shù)顯器件。 圖 2-3 led 數(shù)碼管外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 小電壓大電流的小功率放大三極管 s9012 的放大倍數(shù)共分

33、六級： d 級：64-91 e 級：78-112 f 級：96-135 g 級：112-166 h 級：144-220 i 級：190-300 2.3 溫濕度測量的方法及分析 dht91 是一個兩線串行接口的數(shù)字溫濕度傳感器，一個接口是時鐘線，一個 接口是數(shù)據(jù)線（支持雙向傳輸） 。它是四針單排封裝，一個接電源，一個接地線， 另兩個直接和單片機(jī)的 p0_5 和 p0_6 相連。不過數(shù)據(jù)線和時鐘線上需要接兩個 10k 的上拉電阻，因?yàn)?at89c52 的 p0 口內(nèi)部沒有上拉電阻。單片機(jī)通過 p0_5 和 p0_6 向 dht91 發(fā)送命令，dht91 接收到命令后做出相應(yīng)的應(yīng)答。由于 dht91

34、 內(nèi)部 包含一個 14 位 a/d 轉(zhuǎn)換器，所以單片機(jī)接收到就是數(shù)字信號，只需要做相應(yīng)的 處理就能得到所需要的數(shù)據(jù)。這里減少了很多外部的電路的連接，用起來比較方 便。 第三章 硬件電路的設(shè)計 3.1 主控制電路和測溫濕控制電路 本次硬件設(shè)計的核心就是 ta89c52，其他部件都是圍繞它設(shè)計的。數(shù)字溫 2 濕度傳感器 dht91的 data 口和 sck 口分別與 ta89c52 的 p0_5 口和 p0_6 口相連。 7 因?yàn)?p0 口內(nèi)部沒有上拉電阻，所以這里在 data 和 sck 傳輸線上分別加了一個 10k 的上拉電阻。預(yù)置數(shù)電路就是三個按鍵分別與 ta89c52 的 p0_1,p0_

35、2 和 p0_3 口相連，為了降低 at89c52 的功耗在按鍵和單片機(jī)的端口間加了個 10k 的限流電 阻。當(dāng)有按鍵按下時單片機(jī)收到有效的信號，s1 鍵用來切換顯示的模式（分別顯 示實(shí)際所測得的溫濕度，預(yù)置的溫度值和預(yù)置的濕度值） ，s2 鍵用來設(shè)置初始溫 度或者濕度的十位，s3 鍵用來設(shè)置初始溫度或者濕度的個位。報警電路就是把個 發(fā)光二極管和 ta89c52 的 p0_4 口相連，當(dāng) p0_4 口為低電平時放光二極管被點(diǎn)亮。 發(fā)光二極管的壓降一般為 1.52.0 v，其工作電流一般取 1020 ma 為宜。使用 led 作指示電路時，應(yīng)該串接限流電阻，該電阻的阻值大小應(yīng)根據(jù)不同的使用電 壓

36、和 led 所需工作電流來選擇。 i=(5v-2v)/200=15ma 這個電流能使放光二極管正常放光。如果電流小于 10ma 放光二極管的亮度 會減弱，如果電流大于 20ma 發(fā)光二極管亮度會更強(qiáng)，但是會有損發(fā)光二級管的 壽命有時候甚至?xí)苯訜龤Оl(fā)光二極管。 單片機(jī)復(fù)位有兩種：一種是上電復(fù)位，一種是按鍵復(fù)位。下圖用的就是按鍵 復(fù)位，當(dāng)按鍵按下時單片機(jī)的 rst 口從低電平變?yōu)楦唠娖剑瑥亩M(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。 當(dāng)按鍵松開后，vcc 給電容 c3 充電，從而把 rst 口拉至電平，單片機(jī)進(jìn)入工作狀 態(tài)。只要把下圖的 reset 按鍵和 r2 電阻去掉就成了上電復(fù)位了。 at89c52 中有一個用于構(gòu)成

37、內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 xtal1 和 xtal2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石 英晶體或陶瓷諧振器構(gòu)成自激振蕩器。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 c1、c2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路，對外接電容 c1、c2 雖然沒 有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作 的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使 用 30pf 士 10pf，而如果使用陶瓷諧振器，建議選擇 40pf 士 l0pf。這里用到的 是 12m 的石英晶體振蕩器和兩個 30pf 的電容。具體原理圖如下圖 3-

38、1 所示。 圖 3-1 主控制電路和測溫濕電路原理圖 3.2 驅(qū)動顯示電路 數(shù)碼管的顯示有兩種方法：一種是靜態(tài)顯示，一種是動態(tài)掃描顯示。靜態(tài)顯 示就是數(shù)碼管的段選端一對一與單片機(jī)的 i/o 相連，位選端則根據(jù)數(shù)碼管的極型 來接地（gnd）或者是高電平（vcc） 。靜態(tài)顯示實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，但是浪費(fèi)了 單片機(jī)的 i/o 口資源。動態(tài)掃描顯示就是幾個數(shù)碼管的段選端可以同時接到單片 機(jī)的 i/o 口，位選端一對一的接到單片機(jī)的其它 i/o 口，當(dāng)位選信號選中某個數(shù) 碼管時，那個數(shù)碼管就被點(diǎn)亮，而其它數(shù)碼管不亮。動態(tài)掃描顯示節(jié)省了單片機(jī) 的 i/o 資源。 采用動態(tài)顯示方案，設(shè)計中使用八個共陰極數(shù)碼管

39、作為顯示載體，通過八路 并口傳輸，共使用了十六個 i/o 口。顯示時采用循環(huán)移位法，即八位數(shù)碼管依次 循環(huán)點(diǎn)亮，利用人眼睛的視覺暫留效果達(dá)到連續(xù)顯示，主程序每運(yùn)行一遍便調(diào)用 一次顯示子程序，將數(shù)據(jù)顯示出來。顯示部分為八位共陽極數(shù)碼管（四位一組）， 數(shù)碼管的段端 a,b,c,d,e,f,g 和 dp 與 ta89c52 的 p1 口相連，順序可以根據(jù)硬件 接線方便而定。數(shù)碼管的字段通過八個 pnp 型的小功率放大三極管 s9012 與 ta89c52 的 p2 口相連。因?yàn)?at89c52 的端口輸出電流太?。ㄖ挥袔?ma）不能點(diǎn) 亮這八位數(shù)碼管，所以這里用了八個 s9012 來驅(qū)動它們。具體原

40、理圖如下圖 3-2 所示。 這里用的是 s9012h331,放大倍數(shù) 150 倍左右。下圖數(shù)碼管的段選端與單片機(jī) 的 i/o 間還有一個 470 的電阻。 =(5v-0.7v)/4.7k=0.915ma eb i = =*150=137ma ecmax i eb i = =(5v-0.3v-2v)/470*8=46ma(足以點(diǎn)亮數(shù)碼管了) ecmax i 圖 3-2 驅(qū)動顯示電路原理圖 第四章 軟件設(shè)計及分析 4.1 dht91 傳輸時序和指令集 7 4.1.1 通訊復(fù)位時序 串行時鐘輸入 (sck)用于微處理器與 dth91 之間的通訊同步。由于接口包含 了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小 sc

41、k 頻率。串行數(shù)據(jù) (data) 三態(tài)門用于數(shù)據(jù) 的讀取。data 在 sck 時鐘下降沿到來之后改變狀態(tài)，并僅在 sck 時鐘上升沿有 效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在 sck 時鐘高電平時，data 必須保持穩(wěn)定。為避免信號沖 突，微處理器應(yīng)驅(qū)動 data 在低電平。需要一個外部的上拉電阻（例如：10k） 將信號提拉至高電平。 如果與 dth91 通訊中斷，下列信號時序可以復(fù)位串口：當(dāng) data 保持高電平 時，觸發(fā) sck 時鐘 9 次或更多。這些時序只復(fù)位串口，狀態(tài)寄存器內(nèi)容仍然保 留。 圖 4-1 通訊復(fù)位時序 4.1.2 啟動傳輸時序 用一組“啟動傳輸”時序，來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。它包括：?dāng)

42、 sck 時鐘 高電平時 data 翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著 sck 變?yōu)榈碗娖剑S后是在 sck 時鐘高電 平時 data 翻轉(zhuǎn)為高電平。在下一次指令前，發(fā)送一個“傳輸啟動”時序。啟動 傳輸時序如下圖 4-2 所示。 圖 4-2 啟動傳輸時序 4.1.3 數(shù)據(jù)傳輸和指令集 后續(xù)命令包含三個地址位（目前只支持“000” ） ，和五個命令位。dth 91 會 以下述方式表示已正確地接收到指令：在第 8 個 sck 時鐘的下降沿之后，將 data 下拉為低電平（ack 位） 。在第 9 個 sck 時鐘的下降之后，釋放 data（恢 復(fù)高電平） 。發(fā)布一組測量命令（00000101 表示相對濕度 rh

43、， 00000011 表示溫度 t）后，控制器要等待測量結(jié)束。這個過程需要大約 20/80/320ms ，分 別對應(yīng) 8/12/14bit 測量。確切時間隨內(nèi)部晶振速度的變化而變化，最多可能有- 30%的變化。dth91 通過下拉 data 至低電平并進(jìn)入空閑模式，表示測量的結(jié)束。 控制器在再次觸發(fā) sck 時鐘前，必須等待這個“數(shù)據(jù)備妥”信號來讀出數(shù)據(jù)。檢 測數(shù)據(jù)可以先被存儲，這樣控制器可以繼續(xù)執(zhí)行其它任務(wù)在需要時再讀出數(shù)據(jù)。 接著傳輸 2 個字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和 1 個字節(jié)的 crc 奇偶校驗(yàn)。uc 需要通過下拉 data 為低電平，以確認(rèn)每個字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)從 msb 開始，右值有效（例如：

44、 對于 12bit 數(shù)據(jù)，從第 5 個 sck 時鐘起算作 msb；而對于 8bit 數(shù)據(jù)，首字節(jié)則 無意義） 。 用 crc 數(shù)據(jù)的確認(rèn)位，表明通訊結(jié)束。如果不使用 crc-8 校驗(yàn)，控制器可 以在測量值 lsb 后，通過保持確認(rèn)位 ack 高電平，來中止通訊。在測量和通訊 結(jié)束后，dth91 自動轉(zhuǎn)入休眠模式。dth91 的指令集如下表 4-1 所示。 表 4-1 命令集 4.1.4 濕度的測量時序 圖 4-3 測量濕度的時序 4.1.5 輸出轉(zhuǎn)換為物理量 由能隙材料 ptat (正比于絕對溫度) 研發(fā)的溫度傳感器具有極好的線性。可 用如下公式將數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換為溫度值： temperatur

45、e = d1 +d2 .sot d1 和 d2 的值如下表 4-2 所示。 表 4-2 溫度轉(zhuǎn)換系數(shù) 為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，建議使用如下公式 1 修正輸 出數(shù)值： rhlinear = c1 + c2 .sorh + c3 .sorh 2 c1,c2 和 c3 值如下表 4-3 所示。 表 4-3 濕度轉(zhuǎn)換系數(shù) 濕度傳感器相對濕度的溫度補(bǔ)償實(shí)際測量溫度與 25 (77)相差較大時， 應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度修正系數(shù)： rhtrue = (tc -25).(t1 + t2 .sorh) + rhlinear t1 和 t2 的值如下表 4-4 所示。 表 4-4 溫度補(bǔ)償系數(shù)

46、rhtrue 就是測量的濕度值。 4.1.6 dht91 的 dc 特性。 dht91 的 dc 特性如下表 4-5 所示。 表 4-5 dht91 的 dc 特性 4.2 程序流程圖 開始 通訊復(fù)位 啟動傳輸 定時器初始化 寫濕度指令 成功 error=0 失敗 error=1 讀濕度值 成功 error=0 失敗 error=1 寫溫度指令 成功 error=0 失敗 error=1 讀溫度值 成功 error=0 失敗 error=1 error=1? y y數(shù)據(jù)處理 顯示處理 通訊復(fù)位 啟動傳輸 n n 定時器時間到 中斷其它程序 設(shè)置初始值 刷新數(shù)碼管 回到中斷點(diǎn) 圖 4-4 程序流

47、程圖 4.3 程序的設(shè)計 4.3.1 通訊復(fù)位子程序 void s_connectionreset(void) unsigned char i; data=1; sck=0; for(i=0;i0;i/=2) if(i else data=0; sck=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); sck=0; data=1; sck=1; error=data; sck=0; return error; 可以通過寫一個字節(jié)子程序?qū)鞲衅鬟M(jìn)行寫指令操作。若想讀出濕度值就向 傳感器寫入00000101如想讀出溫度值就向傳感器寫入00000011 。 4.3.4 讀一個字節(jié)子程序 c

48、har s_read_byte(unsigned char ack) unsigned char i,val=0; data=1; for(i=0 x80;i0;i/=2) sck=1; if(data) val=(val|i); sck=0; data=!ack; sck=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); sck=0; data=1; return val; 通過讀一個字節(jié)子程序從傳感器讀出溫度值或濕度值，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)送到單 片機(jī)的寄存器中。 4.3.5 數(shù)據(jù)處理子程序 void calc_sth11(float *p_humidity,float *p_tempe

49、rature) const float c1=-4.0; const float c2=0.0405; const float c3=-0.0000028; const float t1=0.01; const float t2=0.00008; float rh=*p_humidity; float t=*p_temperature; float rh_lin; float rh_true; float t_c; t_c=t*0.01-40; rh_lin=c3*rh*rh+c2*rh+c1; rh_true=(t_c-25)*(t1+t2*rh)+rh_lin; if(rh_true0.1

50、) rh_true=0.1; *p_temperature=t_c; *p_humidity=rh_true; 把從傳感器讀出的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。 4.3.6 顯示子程序 void display(float humi,float temp) int humi1,temp1; humi1=(humi*10); temp1=(temp*10); if(temp1humiset)|(temptempset) p0_4=0; else p0_4=z; else if(cnt=1) if(temph9) dispbuf0=10; else dispbuf0=11; dispbuf1=tem

51、ph%10; dispbuf2=templ%10; dispbuf3=11; dispbuf4=11; dispbuf5=11; dispbuf6=11; dispbuf7=11; else dispbuf0=11; dispbuf1=11; dispbuf2=11; dispbuf3=11; dispbuf4=11; dispbuf5=humih%10; dispbuf6=humil%10; dispbuf7=11; 當(dāng) cnt=0 時數(shù)碼管顯示實(shí)際的溫濕度值，當(dāng) cnt=1 時數(shù)碼管顯示設(shè)定溫度值， 當(dāng) cnt=2 時數(shù)碼管顯示設(shè)定濕度值。 4.3.7 按鍵子程序 void key() i

52、f(p0_0=0) for(i=5;i0;i-) for(j=248;j0;j-); if(p0_0=0) cnt+; if(cnt2) cnt=0; while(p0_0=0); if(cnt=1) if(p0_1=0) for(i=5;i0;i-) for(j=248;j0;j-); if(p0_1=0) temph+; if(temph=15) temph=0; while(p0_1=0); if(p0_2=0) for(i=5;i0;i-) for(j=248;j0;j-); if(p0_2=0) templ+; if(templ=10) templ=0; while(p0_2=0);

53、 else if(cnt=2) if(p0_1=0) for(i=5;i0;i-) for(j=248;j0;j-); if(p0_1=0) humih+; if(humih=10) humih=0; while(p0_1=0); if(p0_2=0) for(i=5;i0;i-) for(j=248;j0;j-); if(p0_2=0) humil+; if(humil=10) humil=0; while(p0_2=0); if(temph2 時 cnt=0。當(dāng) cnt=1 時每按一次 s2 鍵，temph 加 1，當(dāng) temph14 時 temph=0,當(dāng) temph 為 10，11，1

54、2，13，14 時分別對應(yīng)的是-，-1，-2，-3，- 4，每按一次 s3 鍵，templ 加 1，當(dāng) templ9 時 templ=0。當(dāng) cnt=2 時 s2,s3 鍵調(diào) 的是 humih 和 humil。 4.3.8 中斷刷新顯示數(shù)碼管子程序 void t0(void) interrupt 1 mstcnt+; if(mstcnt=8) mstcnt=0; if(dispbitcnt=2)|(dispbitcnt=6) p1=dispcodedispbufdispbitcnt else p1=dispcodedispbufdispbitcnt; p2=dispbitcodedispbit

55、cnt; dispbitcnt+; if(dispbitcnt=8) dispbitcnt=0; 每 2ms 刷新數(shù)碼管一次，人眼的視覺暫留時間大概是 0.1s，所以可以讓人感 覺到每個數(shù)碼管都在顯示。第三和七個數(shù)碼管分別為溫度和濕度的個位，所以讓 這兩個數(shù)碼管的小數(shù)點(diǎn)位一直顯示。 4.3.9 軟件在硬件上的調(diào)試分析 軟件在 keil 里編譯通過以后還得在硬件電路上調(diào)試，讓數(shù)碼管顯示正確的 溫濕度值，按鍵能夠設(shè)定初始值，led 發(fā)光二極管能夠指示報警，這些功能都實(shí) 現(xiàn)，本設(shè)計才能算基本完成。硬件電路是我本著連線簡單的原則焊接的，數(shù)碼管 的段選信號端（a,b,c,d,e,f,g,dp）并不是與單

56、片機(jī)的 p1 口（從 0-7）正好相互 對應(yīng)的。所以這里我們需要對數(shù)碼管所要顯示的 0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，-和“不顯示”從新編碼。在開始調(diào)試的時候 我就忽略了這一點(diǎn)，我用的是資料書中常用到那種，所以數(shù)碼管顯示的是亂碼。 我以為是硬件電路出了錯誤，我用萬用表把每根線從新測了一遍，發(fā)現(xiàn)硬件電路 一切正常啊。這時我才忽然想到，是編碼這邊出現(xiàn)了錯誤。我根據(jù)硬件的連線從 新對 0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，-和“不顯示”進(jìn)行了編碼。顯示的數(shù)值 還是不正確，但是數(shù)碼管中顯示的數(shù)和我想要顯示的數(shù)有幾分相似。在編碼時我 又忽略的一點(diǎn)，我們總是習(xí)慣性的從左往右寫數(shù)，我就在紙上從左往右

57、一次寫了 p1_0, p1_1，p1_2， p1_3， p1_4， p1_5， p1_6 和 p1_7 。所以編出的結(jié)果與 實(shí)際所要的結(jié)果高位與低位正好錯了位置。 這次畢業(yè)設(shè)計讓我認(rèn)識到了一般的設(shè)計流程以及設(shè)計中所要注意到的一些細(xì) 節(jié)。在設(shè)計開始，應(yīng)該先要認(rèn)識到這次設(shè)計所要完成的功能。接著大致分析一下 所要用到的元器件?？傮w思路清晰以后就要畫原理圖。根據(jù)原理圖焊接電路板， 焊接的時候應(yīng)該怎樣布線簡單怎樣焊接，盡量達(dá)到布線少，布線短，跳線少，美 觀大方。在焊接好電路板以后，我用萬用表對所有的焊點(diǎn)及連線進(jìn)行一一檢測， 看是否有漏焊、虛焊及短路的地方。硬件電路沒有任何問題后就可以根據(jù)我們所 焊接好的

58、電路進(jìn)行軟件編程了。 結(jié) 論 本次設(shè)計是基于單片機(jī)的數(shù)字溫濕度的設(shè)計，包括硬件電路和軟件兩部分。 開始時自己對單片機(jī)的應(yīng)用了解的不是很多，又由于自己學(xué)過 c 語言，我是先從 軟件入手的。王老師給我提供了一個開發(fā)板，這讓我編程順利多了。我在軟件完 全通過以后，才開始硬件電路的設(shè)計。由于受軟件的影響我的硬件電路設(shè)計不是 很美觀。 在軟件設(shè)計過程中我是先從流水燈一步一步學(xué)起的，當(dāng)自己能用按鍵控制數(shù) 碼顯示，能編出數(shù)字鐘控制程序后，我才開始根據(jù) dht91 的時序圖進(jìn)行軟件的編 寫。在軟件設(shè)計過程中我遇到了很多問題，經(jīng)過王老師的指點(diǎn)和同學(xué)之間的討論， 我學(xué)到了很多編程技巧也掌握了一些編程思想。由于元器

59、件的局限性，硬件電路 焊接不是很美觀。一些電容和電阻的數(shù)值并不是原理圖中設(shè)計的大小，但是不影 響結(jié)果。由于技術(shù)欠佳，電路焊接的不太理想。有很多焊點(diǎn)都不符合要求，還有 很多虛焊的地方，用萬用表一個一個檢測發(fā)現(xiàn)不導(dǎo)通的地方又從新焊接。在畫原 理圖和制作 pcb 版圖的過程中我又熟練掌握了 altium designer 的基本應(yīng)用。由 于是初次制作 pcb 版圖，我的 pcb 版圖在布線方面還不夠完美。 經(jīng)過軟件在硬件電路上的調(diào)試后，基本功能都能實(shí)現(xiàn)。溫度和濕度都是顯示 到小數(shù)點(diǎn)后一位。如果把手放大數(shù)字溫濕度傳感器 dth 9x 上，數(shù)碼管上顯示的 溫度和濕度會立即發(fā)生變化。 由于時間的倉促沒有對

60、系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展，其實(shí)還可以加上一些計算機(jī)串口傳 輸，掉電存儲等模塊。 參考文獻(xiàn) 11 李光飛，樓然苗，胡佳文等.單片機(jī)課程設(shè)計實(shí)例指導(dǎo).北京：北京航空航天 大學(xué)出版社,2004，105-125 22 http:/ 33劉文濤.單片機(jī)語言 c51 典型應(yīng)用設(shè)計.人民郵電出版社，2001，12：25-29 44 靳桅，潘育山，鄔芝權(quán).單片機(jī)原理及應(yīng)用.西南交通大學(xué)出版社， 2002,10（4）: 278-280 55 http:/ 66 凌玉華.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.長沙：中南大學(xué)出版社,2006，222-228 77 http:/ 88 劉華東.單片機(jī)原理與應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社,200