单片机构成的环境温湿度参数实时监测装置

沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-1-摘要采用单片机对温度、湿度等环境参数进行监测是一个工业生产中经常遇到的监测问题，采用单片机不仅具有监测方便、操作简单等优点，而且可以在节约成本的同时大幅度的提高监测质量。本文设计了单片机构成的环境温度、湿度参数实时监测装置，本装置以单片机AT89C52为控制核心，采用独特的单总线数字式温度传感器DS18B20进行温度采集，采用湿敏电容HS1101对湿度参数进行采集。LCD液晶显示屏对于当前的温度值和湿度值进行实时的显示，可以方便用户直观的了解所测得的温度、湿度环境参数值。用户可使用按键根据自身要求设定温湿度上下限，同时，报警装置可依据用户的设定针对温湿度超限情况进行报警。关键词：温湿度监测；超限报警；LCD显示AbstractMCUisalwaysusedinindustrymeasurementastemperatureandhumiditymeasurement.WithMCU,itcanbemoreconvenientandsimpletocompletethemeasurementefficiently.Thepaperdesignsareal-timetemperatureandhumiditymeasurementdevicebasedonMCU.ThedeviceadoptsAT89C52asthecontrol.ThedevicealsomakeuseofDS18B20toobtainthedigitaltemperaturesignalandHS1101togaintheanaloguehumiditysignal.Inthedesign,LCDisusedtodisplaytheconsumersthereal-timetemperatureandhumidityclearly.Theconsumercanusethebuttonstochangetheupperandlowerlimitsofthetemperatureandhumidity.Andthealertinthedesignshouldworkbasedonthelimitssetupbytheconsumers.Keywords：temperatureandhumiditymeasurement;alertover-limit;LCD沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-2-前言本课题研究的主要目的是设计一个能够提供环境的温度、湿度并具有对温度、湿度超限报警功能的装置。人类的生存和社会中各项活动的展开与温度、湿度参数值密切相关，随着科学技术的发展，人类在不同应用领域对温度、湿度的测量提出了越来越高的要求。日常生活中，工厂、商场、银行、医院以及各类科研场所都需要符合操作规定的温、湿度环境条件。居民家庭中更离不开对温度、湿度的监测，室内湿度一般控制在45%至65%RH之间，人体感觉比较舒适。而冬季供暖期的室内湿度通常仅为10%—15%RH，在干燥的环境下呆久了，会使人皮肤紧绷，干燥上火，感觉不适，甚至使人的呼吸系统抵抗力降低，从而引发或者加重呼吸系统的疾病。当空气湿度低于40%RH的时候，灰尘、细菌等容易附着在鼻部和肺部呼吸道黏膜上，刺激喉部引发咳嗽，也容易发生呼吸道的其它疾病，由此可见湿度参数测量意义重大。工厂中，产品装配过程历来都存在对装配环境中的温、湿度进行监测的问题。温、湿度参数监测报警装置能对特定环境中的温、湿度参数进行监测并能对温、湿度超限情况及时给出报警信号。该监测报警装置采用温、湿度传感器直接测量环境的温度、湿度，将采集到的信号分别送入单片机，由液晶显示屏显示环境的温、湿度，并可以采用键盘输入温、湿度上下限值，由报警装置完成温、湿度超限报警功能。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍，完成了课题所有要求。沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-3-第1章方案论证1.1课题的任务与要求该题目旨在设计一个能够提供环境的温度、湿度并具有对温度、湿度超限报警功能的装置，利用单片机及外围电路构成一个监测系统，达到如下要求：1．能对环境的温度、湿度、静电进行实时检测；2．检测得到的静电及温、湿度数据可以实时显示，静电测量的误差10%，温度测量的误差1℃，湿度测量的误差5%RH；3．用户可以自行设定监测中的温、湿度上、下限，超限报警。1.2方案论证根据本课题的任务与要求，提出两种方案进行论证。1.2.1方案一由于课题中涉及温度、湿度两个量的监测，由此设计出应对本课题的方案一，即采用一个温度传感器和一个湿度传感器对温、湿度进行分别测量。基于此设想装置的基本工作原理是：温度、湿度传感器分别采集到两路信号送入单片机，由液晶显示器实时显示环境的温度、湿度，并可通过键盘输入用户需设定的温、湿度上下限，当温、湿度超限时启动报警装置报警，整个装置的控制核心采用单片机。在功能设计上可将整个装置分为测量模块、CPU模块、显示模块、键盘输入模块和报警模块几个部分。方案一在元器件的选择上，选取DS18B20数字式温度传感器和HS1101湿敏电容作为温、湿度信号的采集传感器。选取1602液晶显示屏显示温、湿度值。DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字式温度传感器，可直接将其测得的温度值传入单片机，再通过LCD进行显示。而HS1101湿敏电容是将空气的湿度值转化为该湿敏电容的电容值，电容值随湿度值的增大而增大，将该湿敏电容置于555振荡电路中，电容值的变化可转为与之成反比的电压频率信号的变化，并可以直接送入单片机。采用温度传感器DS18B20与电容式湿敏传感器HS1101的系统结构框图如图2.1所示。沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-4-图2.1采用温度传感器DS18B20、湿度传感器HS1101的系统结构框图1.2.2方案二本方案与方案一的主要不同是采用了SHT71数字温湿度传感器，SHT71是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度传感器。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来,发挥出强大的优势互补作用。包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。SHT71数字温湿度传感器的引脚图如图2.2所示。图2.2SHT71数字温湿度传感器引脚图由于SHT71数字温湿度传感器上除了温度、湿度敏感元件以外，还包括一个放大器，A/D转换器，OTP内存和数字接口，所以系统框图得以简化，采用SHT71数字温湿度传感器的系统框图如图2.3所示。沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-5-图2.3采用SHT71数字温湿度传感器的系统框图1.3方案比较在上述两种以传感器为主要区别的方案选择中，主要差别在于是否运用数字传感器以及是否考虑将温度、湿度两个传感器合二为一。从性价比的角度分析，虽然方案1中要采用两个单独的传感器温度传感器DS18B20和湿敏传感器HS1101，看似有些资源浪费，但方案2的SHT71传感器的单价已胜过方案1中两个传感器售价之和，在购置传感器上的开销要大。因此，从性价比角度考虑，方案1更优。另一方面，电容式湿敏传感器实用化程度高，工艺成熟，性能稳定，普遍用于各种情况下湿度测量，且可以使用555振荡电路将其湿度变化对应的湿敏电容值的变化转化为脉冲频率送入单片机。而DS18B20由于具有结构简单不需要外接电路、可用一根I/O数据线既供电又传输数据、体积小、分辨率高、转换快等优点，被广泛用于测量和控制温度的地方。从应用程度上来说，方案1的可操作性更强。1.4结论通过上述方案比较最终确定选择方案1作为温湿度传感器的设计方案。沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-6-第3章硬件系统的设计与实现本系统以单片机AT89C52为控制核心，以数字式温度传感器DS18B20作为温度检测元件，以湿敏电容HS1101作为湿度检测元件。本系统在功能设计上可将整个装置分为测量单元、CPU单元、显示单元、键盘输入单元和报警单元几个部分。系统框图如图3.1所示。图3.1系统框图3.1测量电路的设计3.1.1温度检测单元的设计设计中采用可编程分辨率的单总线数字式温度传感器DS18B20。DS18B20可以以9-12位数字量的形式反映所测得的温度值。DS18B20通过一个单线接口发送或接收信息，因此在微处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，而无需外部电源。因为每个DS18B20都有一个独特的64位序列号，所以多只DS18B20可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方，从而同时采集多处温度。可编程分辨率的单总线数字式温度传感器DS18B20具有如下的特性：•独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯•简单的多点分布应用•无需外部器件•可通过数据线供电•零待机功耗•测温范围-55℃—125℃•温度以9-12位数字量读出•温度数字量转换时间200ms（典型值）沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-7-•用户可定义的非易失性温度报警设置•报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件DS18B20引脚排列如图3.2所示。图3.2DS18B20引脚排列图DS18B20的引脚说明表如表3.1所示。表3.1DS18B20引脚说明表GND地DQ数据I/ODDV可选DDVNC空脚DS18B20有三个主要数字部件：1）64位激光ROM;2）温度传感器;3）非易失性温度报警触发器TH和TL。DS18B20采用如下方式从单线通讯线上汲取能量：在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。DS18B20也可用外部+5V电源供电。DS18B20的结构图如图3.3所示。沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-8-图3.3DS18B20结构图当DS18B20采用寄生电源供电时，所采用电路会在I/O口或DDV引脚处于高电平时“偷”能量。当有特定的时间和电压需求时，I/O口要提供足够的能量。寄生电源有两个好处：1）进行远距离测温时，无需本地电源；2）可以在没有常规电源的条件下读ROM。在寄生电源模式下，单总线和DS18B20内部的电容在大部分操作中能提供充分的满足规定时序和电压的电流给DS18B20。然而，当DS18B20正在执行温度转换或从高速暂存器向EPPROM传送数据时，工作电流可能高达1.5mA。这个电流可能会引起连接单总线的弱上拉电阻的不可接受的压降，这需要更大的电流，而此时DS18B20内部的电容无法提供。为了保证DS18B20有充足的供电而进行精确的温度转换，单总线线必须在转换期间保证供电。有两种方法能够使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应。第一种方法，当进行温度转换或拷贝数据到EEPROM操作时，给单总线线提供一个强上拉。用漏极开路把单总线直接拉到电源上就可以实现，在发出任何涉及拷贝到暂存器的指令或启动温度转换的指令之后，必须在最多10µs之内把I/O线转换到强上拉。使用寄生电源供电时，DDV引脚必须接地。DS18B20温度转换期间的强上拉供电原理图如图3.4所示。沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）-9-图3.4DS18B20温度转换期间的强上拉供电原理图另一种给DS18B20供电的方法是从DDV引脚接入一个外部电源，这样做的好处是单总线上不需要加强上拉，而且总线控制器不用在温度转换期间总保持高电平。这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据往来。另外，在单线总线上可以挂任意多片DS18B20，而且如果它们都使用外部电源的话，可以让它们同时进行温度转换。需注意的是当加上外部电源时，GND引脚不能悬空。DDV供电原理图如图3.5所示。图3.5DS18B20采用VDD供电原理图DS18B20通过一种片上测温技术来测量