基于單片機的溫濕度檢測

本文格式為Word版，下載可任意編輯——基于單片機的溫濕度檢測河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

第2章系統(tǒng)方案設計

本章從控制系統(tǒng)的總體構成及原理框圖對系統(tǒng)進行了總體分析說明，控制

系統(tǒng)組成以后，主要通過控制器、傳感器及執(zhí)行器對控制變量進行分析和處理。

2.1總體方案設計

本系統(tǒng)采用STC89C51單片機作為微處理器，DS18B20作為溫度傳感器對溫度進行檢測，HS1101作為濕度傳感器與NE555組成濕度測量模塊，采用發(fā)光二極管實現(xiàn)報警功能，使用LCD1602對測得的溫度及濕度值進行顯示，使用按鍵對溫度及濕度的設定值進行修改。

2.2系統(tǒng)組成及框圖

系統(tǒng)主要有溫度測量模塊、濕度測量模塊、顯示模塊、報警模塊、及按鍵模塊。其原理框圖如圖2.1所示。

溫度測量LCD液晶顯示濕度測量STC89C51報警按鍵圖2-1系統(tǒng)組成框圖

-第3頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

第3章硬件設計

本溫度及濕度控制系統(tǒng)使用STC89C51作為控制器，用DS18B20實現(xiàn)對溫度測測量，用HS1101及NE555實現(xiàn)的濕度的測量，并采用LCD1602將采集的的數(shù)據(jù)顯示?，F(xiàn)將系統(tǒng)硬件設計表述如下。

3.1微處理器

微處理器是控制系統(tǒng)的核心部件。具有控制功能強，體積小，功耗小等一系列的優(yōu)點，它在工業(yè)控制、智能儀表、節(jié)能技術改造、通訊系統(tǒng)、信號處理及家用電器產品中都得到了廣泛的應用。本設計采用STC89C51作為微處理器。3.1.151單片機的主要特性

51單片機的主要特性如表3-1所示。

表3-1TC89C51主要特性表

兼容MCS51指令系統(tǒng)32個雙向I/O口3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷2個串行中斷2個外部中斷源2個讀寫中斷口線低功耗空閑和掉電模式主要功能特性8K可反復擦寫FlashROM256x8bit內部RAM時鐘頻率0-24MHz可編程UART串行通道共6個中斷源3級加密位軟件設置睡眠和喚醒功能

3.1.2STC89C51的引腳具體介紹

STC89C51系列單片機是宏晶科技推出的新一代高速∕低功耗∕超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機。STC89C51單片機的外形結構為40引腳雙列直插式封裝，其外部管腳如圖3-1所示。

-第4頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

圖3-1STC89C51外部引腳圖

STC89C51的引腳含義具體介紹如下：1.主電源引腳（2根）

VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源GND(Pin20)：接地線2.外接晶振引腳（2根）

XTAL1(Pin19)：片內振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20)：片內振蕩電路的輸出端3.控制引腳（4根）

RST/VPP(Pin9)：復位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平將使單片機復位。

ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號

EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，假使接高電平則從內部程序存儲器讀指令。

4.可編程輸入/輸出引腳（32根）

STC89C51單片機有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個口有8位（8根引腳），共32根。

-第5頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

PO口（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0～P0.7P1口（Pin1～Pin8）：8位準雙向I/O口線，名稱為P1.0～P1.7P2口（Pin21～Pin28）：8位準雙向I/O口線，名稱為P2.0～P2.7P3口（Pin10～Pin17）：8位準雙向I/O口線，名稱為P3.0～P3.73.1.3STC89C51的最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)是是單片機可以工作的最小單元，包括電源、地、復位電路和晶振電路。在此基礎上可擴展外圍電路。STC89C51的最小系統(tǒng)如圖3-2所示。

圖3-2STC89C51的最小系統(tǒng)

3.2溫度測量電路的實現(xiàn)

測溫模塊采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它能代替模擬溫度傳感器和信號處理電路，直接與單片機溝通，完成溫度采集和數(shù)據(jù)處理。DS18B20與AT89C51結合實現(xiàn)最簡溫度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)結構簡單，抗干擾能力強，適合于惡劣環(huán)境下進行現(xiàn)場溫度測量，有廣泛的應用前景。3.2.1溫度傳感器的選擇

溫度傳感器的種類眾多，在應用與高精度、高可靠性的場合時DALLAS（達拉斯）公司生產的DS18B20溫度傳感器當仁不讓。超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能強，使得DS18B20更受歡迎。我們選擇DS18B20作為溫度傳感器。

-第6頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

3.2.2DS18B20介紹

DS18B20具有獨特的單總線接口方式，僅需使用1個端口就能實現(xiàn)與單片機的雙向通訊。全數(shù)字溫度轉換及輸出提高了信號抗干擾能力和溫度測量精度。它具有多樣封裝形式，適應不同硬件系統(tǒng)。它的工作電壓使用范圍寬(3．0～5．5V)，可以采用外部供電方式，也可以采用寄生電源方式，即當總線DQ為高電平日，竊取信號能量給DS18B20供電。它還有負壓特性，電源極性接反時，DS18B20不會因接錯線而燒毀，但不能正常工作?？梢酝ㄟ^編程實現(xiàn)9～12位的溫度轉換精度設置。DS18B20采用3腳TO-92封裝，形如三極管，同時也有8腳SOIC封裝，還有6腳的TSOC封裝，如圖3-3所示。

圖3-3DS18B20的封裝

其測溫范圍為－55～+125℃，在-10～85℃范圍內，精度為±0．5℃。每一個DS18B20芯片的ROM中存放了一個64位ID號：前8位是產品類型編號，隨后48位是該器件的自身序號，最終8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼。因此，一條總線上可以同時掛接多個DS18B20，實現(xiàn)多點測溫系統(tǒng)。另外用戶還可根據(jù)實際狀況設定非易失性溫度報警上下限值TH和TL。DS18B20檢測到溫度值經(jīng)轉換為數(shù)字量后，自動存入存儲器中，并與設定值TH或TL進行比較，當測量溫度超出給定范圍時，就輸出報警信號，并自動識別是高溫超限還是低溫超限。

DS18B20的6個功能指令：

（1）溫度轉換指令（44H）。這個命令用于啟動溫度轉換，無實質的數(shù)據(jù)要求。假使微控制器在該命令之后輸出讀操作命令，那么DS18B20將使DQ端為低電平，表示DS18B20正忙于溫度轉換，不能響應當命令。

（2）寫便箋式存儲器（4EH）。寫便箋式存儲器從TH存儲單元開始，三個字節(jié)的數(shù)據(jù)將被定位在2到4號便箋式存儲器單元。所有的三個字節(jié)必需在復位鉗寫入便箋式存儲器。

-第7頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

（3）讀便箋式存儲器（BEH）。該指令讀取便箋式存儲器的內容，讀出的數(shù)據(jù)將從Byte0（存儲器的0號單元）開始直到第9字節(jié)（CRC校驗字）被讀走。但假使不想讀完所有字節(jié)，微控制器可以再任何時候輸出復位信號中斷其傳輸。

（4）復制便箋式存儲器指令（48H）。把2、3、4號存儲單元的內容存儲到非易失性SRAM中去。復制期間，假使有讀指令，DS18B20將把DQ置為低電平，直到轉換終止，把DQ置為高電平。

（5）回讀SRAM（B8H）。將存儲在SRAM中的溫度報警上下限、分別率配置的內容寫回相應的便箋式存儲器。

（6）讀電源配置結構指令（B4H）。主控制設備發(fā)出該指令后在輸出讀時序，器件即會送出所使用的電源信息：0為寄生電源，1為外接電源。

DS18B20的ROM指令共有5條，每一個工作周期只能發(fā)一條，ROM指令分別是讀ROM數(shù)據(jù)、指定匹配芯片、騰躍ROM、芯片探尋、報警芯片探尋。

在進行DS18B20操作時一般有以下步驟：（1）初始化DS18B20。（2）ROM指令操作。（3）便箋式存儲器功能指令操作。（4）處理或數(shù)據(jù)傳送。每一次DS18B20的操作都必需滿足以上步驟，若是缺少或順序混亂，期間將不會返回值。3.2.3溫度測量電路

采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器測量溫度，DS18B20與單片機是單線雙向通信。其連接電路如圖3-4所示。

圖3-4DS18B20的測溫電路（DQ端接51的P2.7）

-第8頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

3.3濕度測量電路的實現(xiàn)

HS1101實際上相當于一個可變電容，它會因外部環(huán)境濕度的變化而致使電容值變化，濕度測量模塊采用HS1101及NE555一起組成，將該HS1101置于NE555震蕩電路中，將電容值的變化轉化為與之呈反比的電壓頻率信號，可直接被計算機采集。

3.3.1濕度傳感器的選擇

傳統(tǒng)的測量濕度使用干濕球濕度計，它雖然維護其來相當簡單，只需定期給濕球加水及更換濕球紗布即可，但其精度不夠、誤差較大。電子式濕度傳感器是近幾十年，特別是近20年才迅速發(fā)展起來的。電子濕度傳感技術由于發(fā)展快，確切性高，誤差小，現(xiàn)在得到了廣泛的應用。我們選擇電子濕度傳感器HS1101測量濕度。3.3.2HS1101介紹

HS1101是法國HUMIREL公司生產的基于獨特工藝設計的電容式濕度傳感器。采用具有專利權的固態(tài)聚合物結構。

特點：全互換性，在標準狀況下不需校正；長時間飽和下快速脫濕；可以自動化焊接，包括波峰焊或水浸；高可靠性與長時間穩(wěn)定性；可用于線性電壓或頻率輸出回爐；快速反應時間。

HS1101是經(jīng)過獨特工藝設計的可變電容元件，這種想對濕度傳感器可以大批量生產?？梢詰糜谵k公自動化，車廂內空氣質量控制，家電，工業(yè)控制系統(tǒng)等在需要濕度補償?shù)膱龊纤部梢缘玫胶艽蟮膽?。HS1101如圖3-5所示。

圖3-5HS1101的等效電路及其外觀

HS1101濕度傳感器隨著濕度的變化其電容值的變化在一定程度上是線性的，測濕電路主要利用它們之間的線性關系，可以將濕度變化轉化為電容值的變化

-第9頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

其的等效電容值與相對濕度之間的關系如圖3-2所示。

表3-2等效電容值與相對濕度之間的數(shù)值關系

相對濕度RH（%）01020304050電容值C（PF）163166170173176179相對濕度RH（%）60708090100電容值C（PF）1831861911952023.3.3NE555振蕩器

NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號，555系列IC的接腳功能及運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產生的振蕩頻率也不大一致；而555是一個用途很廣且相當普遍的計時IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產生數(shù)位電路所需的各種不同頻率之脈沖信號。其引腳位功能配置如圖3-6所示。

圖3-6NE555引腳圖

3.3.4濕度測量電路的實現(xiàn)

采用HS1101及NE555實現(xiàn)對濕度進行測量，其電路連接如圖3-7所示（NE555的3引腳通過１k電阻接51的P2.6）。

-第10頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

圖3-7HS1101和NE555的測濕電路

此電路位典型的555非穩(wěn)態(tài)電路，555芯片外接電阻R4，R5與HS1101，構成對HS1101的充電回路。7端通過555芯片內部的晶體管對地短路實現(xiàn)對HS1101的放電回路，并將引腳2，6端相連引入到片內比較器，構成一個多諧波振蕩器，其中，R4相對于R5必需十分的小，但決不能低于一個最小值。R3是防止短路的保護電阻。555電路的非平衡電阻R6作為內部溫度補償用，目的是為了引入溫度效應，使它與HS1101的溫度效應相匹配。其工作循環(huán)可以描述如下：

Thigh=C＠%RH*(R4+R5)*㏑2Tlow=C＠%RH*R5*㏑2

F=1/(Thigh+Tlow)=1/(C＠%RH*(2*R5+R4)*㏑2)

式中：Thigh表示一次循環(huán)輸出高電平日間，單位（s）

Tlow表示一次循環(huán)輸出低電平日間，單位（s）C＠%RH表示相對濕度下HS1101的容值，單位（F）F表示輸出頻率值，單位（HZ）

電路工作原理：HS1101作為一個變化的電容器，當電源VCC接通時，HS1101兩端的電壓Vc=0，定時電路處于置位狀態(tài)由VCC通過R4與R5對變量電容HS1101充電，當Vc達到門限電壓（2/3VCC)時，定時電路翻轉為復位狀態(tài)，HS1101通過R5向555內部的晶體管放電，當Vc降到觸發(fā)電平（1/3VCC）時，定時電路又翻轉為置位狀態(tài)，HS1101又開始充電，這樣周而復始，形成震蕩。

典型頻率濕度關系如表3-3所示（參考點：25℃，相對濕度：55%，輸出頻率：6660Hz）。由此可以看出，空氣相對濕度與555芯片輸出頻率存在一定線性關系。可以通過微處理器采集555芯片的頻率，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以直接以相對濕度的數(shù)據(jù)進行顯示。

-第11頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

表3-3相對濕度與頻率的關系

相對濕度值/%01020304050輸出頻率值/Hz735172247100697668536728相對濕度值/%60708090100輸出頻率值/kHz660064686330618660333.4液晶顯示及報警電路

本系統(tǒng)需要將測得的溫度值和濕度值顯示出來，并對值進行處理，判斷其是否超出最大承受范圍，若超出，則需要要報警。3.4.1顯示方案的選擇

顯示方案有兩種：一種是數(shù)碼管顯示，一種是LCD液晶顯示。前者電路連接繁雜，并且簡單出現(xiàn)故障，后者使用起來十分便利，它和微處理器的連接簡單直觀，簡單理解。因此我們采用LCD1602液晶對溫度和濕度實現(xiàn)顯示。3.4.2LCD1602及其應用

1602液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄便捷、位數(shù)多、程序簡單的諸多優(yōu)點，頗受歡迎。在本系統(tǒng)中使用的是字符型兩行16字液晶顯示器。在與單片機連接時使用接口電路（排針）相連，為并行通信。以下是1602液晶顯示器的基本資料。

1602液晶顯示采用標準的16腳接口，其中引腳功能如表3-4所示：（模塊后面有標注）

-第12頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

表3-41602引腳功能表

編號12345678符號VSSVDDVLRSR/WED0D1引腳說明電源地電源正極液晶顯示偏壓信號數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）讀/寫選擇端（H/L）使能信號Data1/0Data1/0編號910111213141516符號D2D3D4D5D6D7BLABLK引腳說明Data1/0Data1/0Data1/0Data1/0Data1/0Data1/0背光源正極背光源負極1602液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了不同的點陣字符圖形，這些字符有，阿拉伯數(shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，其中數(shù)字與字母同ASCII碼兼容。

1602與微處理器的連接電路如圖3-8所示。

圖3-81602與微處理器的連接電路

其中，滑動變阻器R主要起調理1602亮度的作用，電阻R0起保護作用。

-第13頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

3.4.3報警電路

對于控制系統(tǒng)，當溫度和濕度超出最大設定范圍時，需要對溫度及濕度進行調理，由于受到試驗條件的限制，我們只設計報警電路。

報警電路可以使用蜂鳴器作聲音報警，也可以使用發(fā)光二極管LED作光報警，本系統(tǒng)考慮到簡單實用采用其次種方案。電路連接圖如圖3-9所示。

圖3-9報警電路（接51的P2.5）

3.5按鍵電路設計

在一些智能化儀表中，人機接口尋常是LED顯示和小型鍵盤。對于鍵盤，其常見的工作方式有兩種：一是直接使用系統(tǒng)中的微處理器對鍵盤進行檢測，為鍵盤的及時響應，CPU需要頻繁的執(zhí)行動態(tài)掃描程序；二是采用專用的顯示、鍵盤芯片，如8279、SAA1064等。結合本系統(tǒng)的具體狀況，微處理器的工作強度并不大，故采用第一種方式進行鍵盤設計，其價格低廉，使用便利，能較充分的利用資源。

系統(tǒng)可以調理設定的溫度及濕度值，我們可以通過四個按鍵來進行實現(xiàn)，前兩個按鍵選擇是溫度設定還是濕度設定，后兩個按鍵實現(xiàn)加一和減一操作，設計電路圖如圖3-10所示。

圖3-10按鍵電路

-第14頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

其工作原理如下：開關S-wendu和S-shidudu同時閉合或者同時斷開時，U6和U7都輸出低電平；當S-wendu閉合、S-shidudu斷開時，U6輸出低電平、U7輸出高電平；當S-wendu斷開、S-shidudu閉合時，U6輸出高電平、U7輸出低電平。U6和U7的輸出端分別接微處理器的P0.1和P0.0端口，通過檢查這兩個端口的電平判斷是溫度設定還是濕度設定。將S+和S-分別接微處理器的兩個外部中斷接口。

-第15頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

第4章軟件設計

本章主要對各個功能模塊的程序流程進行說明

4.1主程序流程圖

主程序的主要功能是負責讀出并處理DS18B20的測量溫度值，讀出測濕電路的結果，并將溫度及濕度進行實時顯示。程序流程圖如圖4-1所示

開始開總中斷允許外部中斷和定時器T0、T1中斷1602初始化顯示及T0、T1初始化設置讀取溫度值判斷溫度是否超出范圍溫度顯示判斷濕度是否超出范圍濕度顯示圖4-1主程序流程圖

-第16頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

4.2溫度模塊程序設計

溫度模塊主要包括DS18B20的初始化以及與單片機之間的數(shù)據(jù)處理，程序流程圖如圖4-2所示。

開始初始化DS18B20N應答脈沖Y跳過讀ROM啟動溫度轉換初始化DS18B20N應答脈沖Y讀暫存器（兩個字節(jié)：高字節(jié)a，高字節(jié)b）(b河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

wr_dat(disdata2[2]);wr_com(0xcd);

wr_dat(disdata2[3]);wr_com(0xce);wr_dat('%');wr_com(0xcf);wr_dat(')');}

/********************主程序***********************************/voidmain(){

Sjia=0;Sjian=0;WBJ=0;HBJ=0;

init_play();//1602初始化顯示delay1ms(50);EA=1;//開中斷

EX0=1;//允許外部中斷0中斷EX1=1;//允許外部中斷1中斷ET0=1;//允許定時器0中斷ET1=1;//允許計數(shù)器1中斷IT0=1;IT1=1;

init_timer();//定時/計數(shù)器初始化設置while(1){

read_temp();//讀取溫度TPanDuan();//溫度是否超出范圍的判斷ds1820disp1();//顯示溫度delay1ms(50);ds1820disp2();//顯示濕度delay1ms(50);}}

-第33頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

RW=0;EN=0;P1=com;delay1ms(1);EN=1;

delay1ms(1);EN=0;}

voidwr_dat(uchardat)//1602寫數(shù)據(jù){

delay1ms(1);RS=1;RW=0;EN=0;P1=dat;

delay1ms(1);EN=1;

delay1ms(1);EN=0;}

voidlcd_init()//1602初始化設置{

wr_com(0x38);delay1ms(1);//設置16*2顯示，5*7點陣，8位數(shù)據(jù)接口；并延時wr_com(0x08);delay1ms(1);//設置關顯示，光標不顯示，光標不閃爍；并延時wr_com(0x01);delay1ms(1);//設置顯示清屏；并延時

wr_com(0x06);delay1ms(1);//設置顯示光標移動位置；并延時wr_com(0x0c);delay1ms(1);//設置顯示開及光標設置；并延時}

voiddisplay(uchar*p)//顯示子程序{

while(*p!='\\0'){

wr_dat(*p);p++;

delay1ms(1);}}

init_play()//1602初始化顯示{

lcd_init();

wr_com(0x80);display(str1);

-第28頁-

河南大學本科畢業(yè)生學士學位論文

wr_com(0xc0);display(str2)