温湿度监控系统设计报告书

综合实训报告书实训项目名称：温湿度监控系统设计学院：信息与电子工程学院姓名：专业班级：学号：指导教师：时间：2019年1月7日至2019年1月11日说明1.综合实训进行期间，学生应按教学计划，将每天的学习情况（包括学习内容、遇到问题及解决办法、心得体会等）如实进行记录。2.综合实训结束时，根据综合实训内容和学习记录书写综合实训报告书。3.指导教师应综合考虑学生的学习态度、报告内容和实际操作情况等，进行评定，给出综合成绩。温湿度监控系统报告书I目录1实训任务..........................................................12实训目的..........................................................23实训要求..........................................................34实训内容和步骤....................................................44.1湿度模块....................................................44.1.1HS1101湿敏电容........................................44.1.2NE555定时器...........................................44.1.3测量电路...............................................54.2温度模块....................................................74.2.1MF11热敏电阻..........................................74.2.2LM324N低功率四运算放大器..............................74.2.3测量电路...............................................74.3A/D转换模块.................................................84.3.1PCF8591（8位A/D和D/A转换）..........................84.3.2PCF8591电路连接.......................................84.3.3温度计算...............................................94.4单片机最小系统.............................................104.4.1电路原理图............................................104.4.2单片机最小系统的组成..................................104.5显示模块...................................................115实训取得的结果...................................................135.1电路原理图.................................................135.2实物图.....................................................145.3程序代码...................................................146实训总结和体会...................................................20温湿度监控系统报告书11实训任务温度与湿度这两个参数对人们的生产生活有着非常重要的影响，而且温度和湿度有着密不可分的联系。人不单纯的受到温度或者湿度的影响，而是受温度和湿度两个方面的综合作用。在工业生产需要实时的监控温湿度，在农业生产中有些时候也需要实时的监控温湿度。在人们的生活当中，温湿度对人们的一个比较明显的影响：在人们的卧室中，温湿度对人们的睡眠质量也有着重要的影响，实时地监控温湿度可以为改善人们睡眠质量提供条件。通过温湿度测量系统，用户可以了解其工作生活环境的温度和湿度的情况，以做出相应的应对措施，改善其生活的环境。所以，各种温湿度测量控制系统以各种家电（例如：空调、增湿器）或者智能硬件为载体进入个人用户家庭。（1）实现温度和湿度的测量；（2）湿度的测量范围:0%~100%RH;温度的测量范围:0℃~50℃;（3）湿度的测量精度:±2.0%RH;温度测量精度:±0.2℃（4）在LCD显示屏上显示数据和结果；（5）设置温度和湿度的上限值；（6）超出预设定的值，自动报警。低于设定值，自动停止报警。温湿度监控系统报告书22实训目的该实训课程是一门以传感器原理及应用为基础，综合利用光学、精密机械、电子学和计算机技术解决各种工程应用课题的技术学科。它在现代测量与控制技术中，非电量测最与探测占很大一部分。传感器原理及应用实验沙及多种学科领域，它与工程光学，电子学，计算机等课程关系密切。通过此实训课程的学习，激发学生实践动手和创造能力，使学生具备传感器原理图设计的能力，利用传感器检测非电量信号的能力，提高学生的实际操作能力，使用仪器仪表的能力，结果的分析处理能力等，提高学生的综合素质与职业能力，为学生的职业生涯发展奠定基础。（1）实训了解传感器系统设计的思路、方法和步骤。（2）训练和提高设计的基本技能，培养思维方式，提高动手能力和综合思考问题的能力。（3）了解温湿度测试原理。（4）绘制温湿度测量电路原理图，掌握温湿度测量电路工作原理。（5）学习温湿度擦混感器的特性与应用。（6）根据温湿度测量原理，设计温湿度传感器的硬件结构电路。（7）以数字的形式显示所温湿度监控系统测量的温湿度值。温湿度监控系统报告书33实训要求对传感器原理与应用具有更深的理解，将传感器模块与51单片机模块进行相结合操作，熟知温湿度传感器的每个模块的原理与应用、51单片机端口的原理与应用，将书上所学的原理知识运用到实物上面来。（1）根据实训任务书，利用网络、书籍、文献对相关资料进行查找。（2）选用集成温度传感器设计室内或仓库的温度检测系统。（3）画出温湿度传感器模块原理图。（4）设计检测电路，及与单片机的接口电路。（5）编写出温湿度测量的系统程序，利用单片机模块和温湿度模块进行测温和测量湿度，用液晶显示出数字。（6）对实物测量进行误差分析，写出分析结果。（7）整理书写实验报告。（8）实训分析及总结。（9）整理书写实验报告。温湿度监控系统报告书44实训内容和步骤4.1湿度模块设计思路：HS1101是变介质型电容式传感器。测量电路以HS1101为敏感元件，感受空气湿度，空气湿度的不同会改变它的电容值，经过555定时器组成的多谐振荡器，以HS1101充当充放电电容，产生高、低电平，即一定周期的矩形波。将信号通过单片机外部中断测量其频率，通过频率-湿度对应表计算其湿度值。4.1.1HS1101湿敏电容HS1101是基于独特工艺设计的电容原件，这些相对湿度传感器可以大批量生产，可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电、工业控制系统等。在需要湿度补偿的场合它也可以得到很大的应用。它具有长时间饱和下快速脱湿，快速反应时间，高可靠性与长时间稳定性的特点。HS1101在温度Ta=25℃，工作频率为10KHz时的C—RH反应曲线如图1：图1C—RH反应曲线可知，HS1101具有很好的线性度的特点。4.1.2NE555定时器NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的引脚功能及应用都是相容的，只是型号不同因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也大不相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需要少数的电阻和电容，便可产生所需要的不同频率的脉冲信号。温湿度监控系统报告书5555定时器内部电路结构及封装引脚图如图2：图2555定时器内部电路结构及封装引脚图引脚功能：1引脚：GND地线；2引脚：TR触发器；3引脚：OUT输出；4引脚：RES复位。当次端为低电平时，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何种电平，电路输出总是为低电平。该引脚不用时应该处于高电平。5引脚：Vc控制电压。Vc为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。6引脚：TH阈值。7引脚：DIS放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8引脚：Vcc电源。双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。一般用5V。4.1.3测量电路测量电路由HS1101为核心和555定时器组成多谐振荡电路，如图3：图3555定时器组成的多谐振荡电路温湿度监控系统报告书6（1）电路原理图和输出电平对应表电路上电后，开始对电容HS1101充电，使得VTH和VTR管脚不同电平时输出状态不同。表1HS1101充电时输出电压Uo的不同状态：表1HS1101充电时输出电压Uo的不同状态VTHVTRUO放电管T2/3Vcc1/3Vcc1截止2/3Vcc1/3Vcc1不变2/3Vcc1/3Vcc0导通（2）测量原理555定时器产生的矩形脉冲，一个周期的时间为：T=TH+TL=ln2(2R3+R2)C，其中TL=CR3ln2，TH=ln2(R2+R3)C；可知占空比：D=TH/TL=(R2+R3)/(2R3+R2)，由此可知，R1越小矩形波越接近于方波，但不能低于一个最小值，此处约为52%，电路中R4为限流保护电阻。HS1101感受一定湿度时电容值不同，从而会产生频率不同的矩形脉冲信号，图4为一定湿度时产生的脉冲信号。图4一定湿度时定时器产生的脉冲信号湿度计算由HS1101湿度-电容反应曲线可知，湿度为55%时对应其电容值为181.5pF，由以上公式T=ln2(2R3+R2)C可以算出，湿度：55%，频率为：6607Hz由公式:（F55为55%湿度对应下的频率，此处为6607Hz）F(Hz)=F55(Hz)(1.1038-1.9368x10-3xRH+3.0114x10-6xRH2-3.4403x10-8xR3)可以计算出不同湿度下对应的频率值。如表2：表2不同湿度下对应的频率值RH0102030405060708090100F(Hz)72897163704069186795667165456414627761345982555定时器产生的脉冲信号由单片机测量与上表对应，即可计算湿度值。温湿度监控系统报告书74.2温度模块设计思路：是以MF11NTC型热敏电阻为敏感元件，经过利用LM324N运算放大器组成的测量电路，输出电压值经过A/D转换，反馈给单片机，经过反运算计算出温度值。4.2.1MF11热敏电阻MF11是负温度系数型热敏电阻，即电阻值随着温度的升高而减小。MF11系列是为测量温度而设计，其次，它还可以用于温度补偿电路等。4.2.2LM324N低功率四运算放大器LM324系列器件带有真差动收入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著的优点。该四放大运算器可以工作低到3.0V或者高到32V的电源下，四个独立放大器是高增益，内部频率补偿运算放大器。它的封装引脚图如图5：图5LM324封装引脚图4.2.3测量电路（1）电路原理图测量温度0℃——50℃，电压输出0V时对应温度为0℃，电压输出5V时，对应温度为50℃，原理图如图6。图6温度模块测量电路温湿度监控系统报告书8电路有三路组成：1）U2:A组成电压跟随器，用于前