智能溫度濕度監(jiān)測報警裝置

1、智能溫度濕度監(jiān)控報警系統(tǒng)摘要：本題設計的系統(tǒng)以溫度和濕度傳感器的應用為核心，應用傳感器實現(xiàn)信號的探測，再通過使用mega16avr單片機實現(xiàn)信號的控制、系統(tǒng)的監(jiān)測與報警。系統(tǒng)采用溫度和濕度傳感器采集周邊信息，實現(xiàn)信號的采集；通過按鍵開關控制溫度和濕度的預設標志值，實現(xiàn)系統(tǒng)的控制；利用顯示電路將溫度和濕度顯示于液晶顯示屏上。信號的采集和顯示，系統(tǒng)的檢測和報警構成了整個無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置。本設計可以實現(xiàn)環(huán)境溫度、濕度的監(jiān)控與報警。關鍵詞：溫度傳感器 濕度傳感器 單片機 監(jiān)控報警1 系統(tǒng)方案概述1.1 系統(tǒng)設計要求題目要求設計一個具有以下功能的報警系統(tǒng)：能夠檢測環(huán)境溫度，并顯示；能夠檢測環(huán)境濕度，

2、并顯示；能夠通過按鍵設定報警溫度和濕度；在達到（超過）報警溫度、濕度時進行有效報警；通過計算機設定報警溫度、濕度；并能夠將當前測量值返回到計算機顯示；設定測量周期，進行周期性數(shù)值測量，或者實現(xiàn)系統(tǒng)的其它功能。1.2 系統(tǒng)應用價值與論證隨著科技的飛速發(fā)展和普及，高性能設備越來越多，各行各業(yè)對溫濕度的要求也越來越高。 傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測模式是以人為基礎，依靠人工輪流值班，人工巡回查看等方式來測量和記錄環(huán)境狀況信息。在這種模式下，不僅效率低下不利于人才資源的充分利用，而且缺乏科學性，許多重大事故都是由人為因素造成的，人工維護缺乏完整的管理系統(tǒng)?；谶@種對溫濕度測控的需求我們有必要設計開發(fā)了以傳感器應用

3、為核心的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，擺脫人工探測的落后模式，更好的提高工程效率。1.3 系統(tǒng)實現(xiàn)步驟與整體框圖環(huán)境溫濕度的監(jiān)控包括以下步驟：通過傳感器感應環(huán)境溫濕度；判斷感應到的溫濕度是否異常；若感應到的溫濕度異常，判斷異常是否超過預設時間；若異常超過預設時間，則輸出異常信號至主控機；異常報警；判斷異常是否處理完畢；以及若異常處理完畢，解除報警。并可以利用控制器和主控機來達到機房溫濕度的遠程控制，從而實現(xiàn)環(huán)境溫濕度管理的實時性和有效性。智能溫度濕度監(jiān)控報警系統(tǒng)以實現(xiàn)環(huán)境溫度和濕度的測量與顯示為載體，進而通過按鍵設定報警溫度和濕度的標志值，在此基礎上實現(xiàn)周期性測量和顯示。由上述分析可知，此裝置分為四個部分：

4、信號檢測部分、信號顯示部分、報警電路和控制電路。其中，信號檢測部分又由溫度檢測電路和濕度檢測電路兩部分構成。溫度、濕度監(jiān)控和報警系統(tǒng)信號檢測部分信號顯示部分報警電路控制電路溫度檢測濕度檢測圖1 溫度濕度監(jiān)控報警系統(tǒng)整體框圖分為四個部分：信號檢測電路、信號顯示電路、報警電路和控制電路。其中，信號檢測電路又由溫度檢測電路和濕度檢測電路兩部分構成。2 系統(tǒng)設計方案選擇與論證2.1 溫度傳感器2.1.1基于ad590的攝氏溫度測量電路ad590 是ad 公司利用pn 結正向電流與溫度的關系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。ad590 式電流輸出性集成溫度傳感器， 國內(nèi)同類產(chǎn)品型號為sg590。實際中通過

5、對電流的測量即可得到相應的溫度數(shù)值。ad590 后綴以i， j， k， l， m 表示， 實質(zhì)上指特性不同和測量溫度范圍不同。其外形、電路符號如圖2所示。圖2 ad590外形、電路符號ad590 主要技術參數(shù)：工作電壓:430v 工作溫度:-55150 保存溫度:-65175正向電壓:44v 反向電壓:20v 靈敏度:1la/k 輸出電阻:710m焊接溫度（10秒）：300應用ad590在設計測量溫度電路時， 必須將電流轉換成為電壓。溫度每升高1k， 電流就增加1ua。攝氏溫度測量電路的設計必須完成兩部分任務: 一是將ad590 輸出的電流轉換為電壓信號， 也就是電流轉換為電壓電路。二是將熱力

6、學溫度轉換成為攝氏溫度， 即絕對溫度轉換為攝氏溫度電路。攝氏溫度測量電路工作原理見圖3。根據(jù)ad590 的特性， 溫度每升高1k 熱力學溫度，電流增加1ua， 當負載電阻為10k8 ， 這個電阻上的壓降為10m v。其中由ad590、電位器rp1 和r1、運算放大器a1組成電流電壓轉換電路， a1 連接為電壓射隨器形式， 主要為增加信號的輸入電阻。而運算放大器a2 為絕對溫度轉換為攝氏溫度的核心器件， 其轉換原理為攝氏零度對應熱力學273k， 因此熱力學轉換為攝氏溫度必須設置基準電壓， 數(shù)值為攝氏零度對應的電壓值2.73v。實現(xiàn)方法是給a2 的同名端輸入一個恒定的電壓， 恒定電壓由限流電阻r2

7、 和穩(wěn)壓管提供， 恒定電壓選擇穩(wěn)壓管型號為cw385， 數(shù)值為1.235v，由a2 將此電壓放大為2.73v， rp2為調(diào)整a2 運算放大器增益的大小。通過轉換電路， 這樣在a1、a2 輸出端的電壓即為與攝氏溫度成正比的電壓數(shù)值， 即每攝氏度對應100mv的電壓數(shù)值。特別說明: 在調(diào)試時， 將集成溫度傳感器ad590置于零度冰水溶液中， 首先調(diào)整rp1 電位器使a1 運算放大器輸出端為2.73v， 其次調(diào)節(jié)rp2 電位器， 使a2 運算放大器輸出端為2.73 v， 因此溫度測量溫度測量電路輸出電壓在零攝氏度輸出電壓為0v。變化規(guī)律為每攝氏度對應為輸出電壓為10mv。圖3 攝氏溫度測量電路ad5

8、90 集成溫度傳感器應用相當廣泛， 在工程上主要應用測量熱力學溫度、攝氏溫度、兩點溫度差、多點最低溫度、多點平均溫度等。因此，不僅廣泛應用在日常生活中，更重要大量應用在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)以及自動檢測過程控制系統(tǒng)。另外，由于ad590精度高、價格低、不需輔助電源、線性好， 常用于測溫和溫度檢測和控制領域。但是，利用ad592設計的電路比較復雜，外圍器件較多，給硬件設計帶來不必要的繁瑣。因此，此種方案不可行。2.2.2基于ds18b20的溫度測量電路ds18b20是美國dallas 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字式溫度計芯片，它具有結構簡單，不需外接元件，采用一根i/ o 數(shù)據(jù)線既可供電又可傳輸數(shù)據(jù)、并可由

9、用戶設置溫度報警界限等特點。ds18b20是ds1820的改進型產(chǎn)品，但該產(chǎn)品具有比ds1820更好的性能，目前，該產(chǎn)品已成為ds1820的替代品而在溫控系統(tǒng)中得到廣泛的應用。ds18b20具有獨特的單線接口，僅需一個端口引腳進行通訊，可通過數(shù)據(jù)線供電，零待機功耗，測溫范圍-55+125。最重要的是基于ds18b20的外圍器件較少。因此，此種設計較成功。綜上所述，我們選擇使用ds18b20作為溫度信號檢測元件。ds18b20使用方法：序號名稱引腳功能描述1gnd地信號2dq數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3vdd可選擇的vdd引腳。當工作于寄

10、生電源時，此引腳必須接地。由于ds18b20采用的是1wire總線協(xié)議方式，即在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對使用的單片機來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對ds18b20芯片的訪問。由于ds18b20是在一根i/o線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。ds18b20有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設備，單總線器件作為從設備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，

11、主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。ds18b20的復位時序：使用ds18b20 時，首先需將其復位，然后才能執(zhí)行其它命令。復位時，主機將數(shù)據(jù)線激發(fā)為低電平并保持480s 960s，然后釋放數(shù)據(jù)線，再由上拉電阻將數(shù)據(jù)線拉升15 60s。然后再由ds18b20發(fā)出響應信號，以將數(shù)據(jù)線激發(fā)成低電平60 240s，這樣，就完成了復位操作。其復位時序如圖4所示。圖4 復位時序ds18b20的寫時序：在主機對ds18b20 寫數(shù)據(jù)( 主機對ds18b20 發(fā)送各種命令) 時， 先將數(shù)據(jù)線激發(fā)為低電平， 該低電平應大于1s 。然后根據(jù)寫“ 1 ”或寫“ 0 ”來使數(shù)據(jù)線變高或繼續(xù)為

12、低。ds18b20 將在數(shù)據(jù)線變成低電平后15s 60s 對數(shù)據(jù)線進行采樣。要求寫入ds18b20 的數(shù)據(jù)持續(xù)時間應大于60s 而小于120s ， 兩次寫數(shù)據(jù)之間的時間間隔應大于1s 。寫時隙的時序如圖5所示。圖5 寫時隙時序圖ds18b20的讀時序：當主機從ds18b20 讀數(shù)據(jù)時，主機先將數(shù)據(jù)線激發(fā)為低電平，然后釋放，以使數(shù)據(jù)線再升為高電平。ds18b20 在數(shù)據(jù)線從高電平變?yōu)榈碗娖降?5s 內(nèi)將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)線上。主機可在15s 后讀取數(shù)據(jù)線以獲得數(shù)據(jù)。其時序圖如圖6所示。圖6讀時隙時序圖2.2濕度傳感器hs1101電容傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大

13、而增大。涉及如何將電容的變化量準確地轉變?yōu)橛嬎銠C易于接受的信號時，常用兩種方法:一是將hs1101置于運放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再a/d轉換為數(shù)字信號;另一種是將hs1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之呈反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集。ne555是一個能產(chǎn)生精確定時脈沖的高穩(wěn)度控制器，其輸出驅動電流可達200ma.。在多諧振蕩器工作方式時，其輸出的脈沖占空比由兩個外接電阻和一個外接電容確定；在單穩(wěn)態(tài)工作方式時，其延時時間由一個外接電阻和一個外接電容確定，它可以延時數(shù)微秒到數(shù)小時。其工作電壓范圍為：4.5v16v。把hs11

14、01和ne555同時接入電路中的電路設計原理圖如圖7所示。圖7 測量濕度電路圖ne555電路功能的簡單概括為：當6端和2端同時輸入為“1”時，3端輸出為“0”；當6端和2端同時輸入為“0”時，3端輸出為“1”。在此電路中，555定時器正是根據(jù)這一功能用作多穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出頻率信號的。當電源接通時，由于6和2端的輸入為“0”，則定時器3腳輸出為“1”；又由于c1 兩端電壓為0，故 通過r2 和r3 對c1充電，當c1 兩端電壓達到2/3 時，定時電路翻轉，輸出變?yōu)椤?”。此時555定時器內(nèi)部的放電bjt的基極電壓為“1”，放電bjt導通，從而使電容c1 通過r3 和內(nèi)部放電bjt 進行放電，當c1

15、 兩端電壓降低到/3 時，定時器又翻轉，使輸出變?yōu)椤?”，內(nèi)部放電bjt 截止，vcc 又開始通過r2 和r3 對c1 充電，如此周而復始，形成振蕩。其工作循環(huán)中的充電時間為=0.7(r2+r3)c1；放電時間為 = 0.7r3*c1； 輸出脈沖占空比為q (r2+r3)/(r2+2r3)，為了使輸出脈沖占空比接近50，r2應遠遠小于r3。當外界濕度變化時，hs1101 兩端電容值發(fā)生改變，從而改變定時電路的輸出頻率。因此只要測出555的輸出頻率，并根據(jù)濕度與輸出頻率的關系，即可求得環(huán)境的濕度。2.3最終模塊選擇信號檢測部分：ds18b20傳感器、濕度傳感器hs1101信號的顯示：lcm160

16、2b液晶屏幕控制電路：按鍵開關3 理論分析和計算3.1 信息的檢測3.1.1探測與控制方法信號檢測模塊是環(huán)境信息與微處理器的中介。信號采集過程采用傳感器探測周邊溫度和濕度大小。信號轉化即利用單片機這一核心元件控制不同信號間的轉換。3.2.2電路中數(shù)值的控制（1）可探測濕度范圍為0%100%。（2）可探測溫度范圍為0100，模塊中溫控范圍為-55125。3.2信號的顯示和控制信號的控制通過“內(nèi)部軟件”和“外部按鍵”兩方面設定和控制，當環(huán)境溫度或濕度超過預設的標志值時，蜂鳴器產(chǎn)生報警信號。環(huán)境的溫度和濕度最終通過液晶顯示出來。4 電路與程序設計4.1硬件設計（總電路圖見附件）4.1.1信號的檢測信

17、息檢測，即用溫度和濕度傳感器檢測周圍環(huán)境里的溫濕度，傳感器將采集到的信號轉換成電壓信號，并送入單片機，通過單片機的處理，電壓信號轉變成了數(shù)字信號（矩形波）。信號的檢測電路成功實現(xiàn)了溫度和濕度信號向數(shù)字信號的轉換。4.1.2信號的顯示信號的顯示，即顯示電路，設計中使用液晶顯示電路。溫度和濕度信號送入單片機后經(jīng)過軟件編程將溫度和濕度值顯示于液晶屏幕上。4.1.3 信號的控制信號控制即設定報警信號的標志值，設計中通過軟件可以設定報警的初始標志值，而在硬件中可以通過按鍵增加標志值的數(shù)值大小。從而將標志值設定為自動可調(diào)。4.1.4 報警電路當環(huán)境溫度發(fā)生變化時，信號檢測電路（溫度和濕度傳感器）可以檢測到

18、變化的信號。如果環(huán)境溫度或濕度超出預設的標志值，單片機就會輸出高電平，從而使蜂鳴器發(fā)出報警信號；如果環(huán)境溫度或濕度沒有超過預設值，就不會觸發(fā)蜂鳴器報警。 4.2軟件設計4.2.1 程序流程圖程序設計過程中，首先進行初始化設定，然后在掃描時間內(nèi)采集溫濕度值，最后將數(shù)值顯示于液晶屏幕上。程序流程圖如下圖所示：設置初值及初始化定時器中斷報警控制采集溫度和濕度值顯示溫度和濕度值y圖8 主程序流程圖測溫開始延遲復位ds18b20發(fā)溫度轉換命令復位ds18b20n復位ds18b20轉換完畢？發(fā)報警搜索命令y有ds18b20溫度超限？指向下一個ds18b20n發(fā)一個ds18b20序號y鳴報警器（蜂鳴器響）讀

19、溫度值，送顯示器顯示n個ds18b20處理完？ny圖9 溫度檢測流程圖4.2.2主程序（見附件一）5 制作體會本次小制作屬于單片機知識的一次擴展和應用，也是單片機和其它學科知識的綜合。制作過程中，我們小組花費了很長的時間和精力，但是，這所有換來最后的成功。這些都是值得的。從資料的搜集到電路的設計，從硬件的焊接到軟件的編寫，每一項工作都是在我們?nèi)齻€人共同努力和互幫互助下完成的。本次小制作，我們深入理解了單片機課程之內(nèi)的知識，也學到了課程之外的不少知識，掌握了溫度和濕度傳感器的應用、單片機最小系統(tǒng)的焊接和使用、分立電路模塊的綜合、硬件軟件的調(diào)試等各方面的知識和技巧。本次小制作帶給了我們知識，也給予

20、了我們友誼。我們組所做的監(jiān)控和報警系統(tǒng)實現(xiàn)了題述要求的基本功能，但是，仍有一些地方需要改進，例如：可以改進控制電路，使溫度和濕度的預設標志值可以通過手動設定，而不通過軟硬兩方面來調(diào)節(jié)。另外，我們可以實現(xiàn)擴展中的部分功能。但是，由于時間等因素，這些不足沒有來得及改進，擴展功能也并沒有實現(xiàn)，我們將在今后的學習實踐過程中將其完善。6 參考文獻1張軍，宋濤.avr單片機c語言程序設計實例精粹.北京：電子工業(yè)出版社，2009.12黃智偉.全國大學生電子設計競賽訓練教程.北京：電子工業(yè)出版社，2005.13高吉祥.全國大學生電子設計競賽培訓系列教程.北京：電子工業(yè)出版社，2007.5附件一 軟件程序#in

21、clude #include / standard input/output functions#include /1 wire bus functions#asm.equ _w1_port=0x1b /porta.equ _w1_bit=4#endasm#include #include / alphanumeric lcd module functions#asm.equ _lcd_port=0x18 /lcd接portb#endasm#include /使用cvavr的lcd函數(shù) / 使用cvavr的延時函數(shù)typedef unsigned char uchar;typedef unsi

22、gned int uint;typedef unsigned long ulong;flash unsigned char position6=0xfe，0xfd，0xfb，0xf7;unsigned char dis_buff2=0，0;float curtemp;uint temp1，temp3;uchar temp24;bit time_2ms_swd;unsigned char sd2=0，1，td2=0，1;/ int0中斷服務程序interrupt ext_int0 void ext_int0_isr(void)if (sd0+=9)sd0=0;sd1+;/ int1中斷服務程序i

23、nterrupt ext_int1 void ext_int1_isr(void)if (td0+=9)td0=0;td1+;/ adc電壓值送顯示緩沖區(qū)函數(shù)void adc_to_disbuffer(unsigned int adc)unsigned char i;for (i=0;i=1;i+)dis_buffi=adc%10;adc /= 10;void wd(float tem)temp1=(uint)tem;temp20=temp1/(uint)100;temp3=temp1-(uint)(temp20)*(uint)(100);temp21=temp3/10;temp22=temp

24、3%10;temp23=(uint)(curtemp*10)%10;temp20+=0;temp21+=0;temp22+=0;temp23+=0;/ 4位led數(shù)碼管動態(tài)掃描函數(shù)void display1(void)int i;lcd_gotoxy(0，0);lcd_putsf(tmp=);for(i=1;i=0;i-)lcd_putchar(dis_buffi+0);lcd_putchar(%);lcd_putsf( !h=);lcd_putchar(sd1+0);lcd_putchar(sd0+0);/ timer 0 比較匹配中斷服務interrupt tim0_comp void timer0_comp_isr(void)time_2ms_swd = 1;int adc_data，adc_v;/