温湿度检测仪

江苏技术师范学院毕业设计说明书(论文)第1页共65页前言温度和湿度的检测和控制是许多行业的重要工作之一，不论是货品仓库、生产车间，都需要有规定的温度和湿度，然而温度和湿度却是最不易保障的指标，针对这一情况，研制可靠且实用的温度和湿度检测与控制系统就显得非常重要。温湿度的检测与控制是工业生产过程中比较典型的应用之一[1]，随着传感器在生产和生活中的更加广泛的应用。在生产中，温湿度的高低对产品的质量影响很大。由于温湿度的检测控制不当，可能使我们导致无法估计的经济损失。为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强生产车间内温度与湿度的监测工作，但传统的方法过于粗糙，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。由于温湿度传感器及其控制系统是20世纪90年代才兴起的行业，因此设计出一款精度高、稳定性好、成本低的温湿度检测控制系统具有一定的市场前景。此研究项目采用具有高精度，防干扰等优点的传感器，结合单片机嵌入式系统技术，设计完成的系统具有易携带、低功耗等特点，从而克服了传统温湿度检测系统需要复杂的校准过程和精度较低的缺点。本设计所介绍温湿度检测仪与传统的温湿度计相比具有读数方便，测温湿范围广，测温湿准确，其输出温湿度度采用LED数码管显示，该设计控制器使用单片机，数字温湿度传感器DS18B20,DHT11，用LED数码管,实现温湿度度显示,能准确达到要求。本次论文只要有四章，其中第一章主要介绍了本次设计的主要内容；第二章主要是介绍了主要的元器件以及硬件设计及其内容；第三章主要介绍了软件流程的过程；第四章主要软硬件的调试。江苏技术师范学院毕业设计说明书(论文)第2页共65页第1章绪论1.1设计任务设计一个基于单片机的测温湿度控制系统，用单片机作为主控芯片，通过温湿度传感器监控对温湿度进行实时性控制，通过设置警戒温度，利用单片机控制，当温湿度高于设定温湿度基准值时启动报警，以达到控制的目的。设计的功能如下：（1）实现LED数码管显示；（2）能通过按键选择工作模式和基准值的设定。设计技术指标如下：（1）显示三位温度三位湿度；（2）温度采集精度为±0.5℃,湿度采集精度为±5%。1.2原理描述本设计主要由电源模块、温湿度采集模块、按键模块、报警模块、单片机控制模块以及数据显示模块几部分组成。如下图1-1所示：图1-1系统总体结构框图1.2.1总体方案的设计用温温度传感器DS18B20，DHT11主要实现检测温度、湿度的检测，将温度单片机控制模块数据显示模块电源模块报警模块温湿度度采集模块按键模块江苏技术师范学院毕业设计说明书(论文)第3页共65页湿度[2]信号通过传感器进行信号的采集并转换成数字信号，再运用单片机进行数据的分析和处理，为显示和报警电路提供信号。设定模块主要为设定温湿度报警的阈值，其流程图1-1所示：1.2.2系统原理温湿度采集模块使用的是DS18B20，DHT11数字温湿度传感器，它使用单总线方式，接口简单，而且无需另外校准，完全能够满足日常环境温湿度的检测要求。数据处理模块使用的是AT89S51单片机，其完成温湿度数据的采集、运算和逻辑控制的功能。其余模块主要由按键、LED和蜂鸣器构成。其中按键用于用户设定温湿度阈值，LED用于数据显示，蜂鸣器用于提示用户。按照系统的设计功能所要求的，温湿度监控系统原理图如下图1-2所示：图1-2温湿度监控系统原理图单片机作为主控制器，主要负责处理由温湿度传感器送来数据，并把处理好的数据送向显示器模块，温湿度传感器主要用来采集周围的环境参数，并把所采集到得数据送向单片机，按键电路主要是用来完成单片机的复位操作和温湿度初始值的设定。蜂鸣器电路就是用三极管来实现的，用来判断周围的温度或者湿度是否超出设定数值，显示电路主要用来显示当前的温湿度。1.3整体方案的论证1.3.1温湿度检测电路方案一：选用DS18B20温度传感器和HS1101湿度传感器。DS18B20是一线温湿度传感器单片机LED温湿度显示按键模块蜂鸣器江苏技术师范学院毕业设计说明书(论文)第4页共65页式数字温度传感器，具有独特的单线式接口方式，测量范围在－55℃～125℃，－10℃～85℃，误差为0.5℃。最高精度可达0.0625℃。HS1101是电容式湿度传感器，可测相对湿度范围在0%~100%RH，误差为2%RH。方案二：选用DHT11作为温湿度检测模块。DHT11是一款数字输出的复合传感器，包含一个电阻式感湿元件和NTC式温度检测元件，可测20~90%RH湿度，误差5%RH，0~50℃，误差2℃。由于HS1101所构成的测湿度电路对电阻的精度要求高并电路繁琐，而DHT11温度精度达不到要求，所以取两者方案优点用DS18B20测温度和DHT11测湿度来完成本设计。1.3.2利用单片机实现控制系统当今，单片机的技术已经非常成熟了，它集成度高、功能强、存储量大、速度快、抗干扰性强和指令丰富等的优点，使它的应用遍及各个领域。本文设计的系统就是单片机应用于温湿度控制的一个例子，其优点如下：（1）片内存储容量越来越大；（2）抗干扰性好，可靠性高；（3）芯片引线齐全，容易扩展；（4）运行速度高，控制功能强。（5）单片机内部的数据信息保存时间很长，有的芯片可以达到100年以上。本系统是一种高精度、测控速度快、测控温度范围广的应用性比较强的基于单片机的温度测控系统。由于本系统对单片机的资源要求不高，故选用了廉价的51单片机AT89S51，大大提高了本系统的性价比。1.4本章小结本章详细介绍了本次设计的主要任务，以及对于所要实现的内容加以分析。江苏技术师范学院毕业设计说明书(论文)第5页共65页第2章温湿度检测仪的硬件设计单片机是整个系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而完成特定的功能,硬件实现上采用模块化设计，每一模块只实现一个特定功能，最后再将各个模块搭接在一起,这种设计方法可以降低系统设计的复杂性，本系统主要硬件设计包括电源模块、温湿度采集模块、按键模块、报警模块、单片机控制模块以及数据显示模块。2.1器件的介绍2.1.1温湿度传感器温度传感器DS18B20DS18B20温度传感器[3]是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，它是单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点：（1）采用单总线的接口方式与微处理器连接仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。（2）测量温度范围宽测量精度高DS18B20的测量范围为-55℃～+125℃；在-10～+85℃范围内,精度为±0.5℃。（3）在使用中不需要任何外围元件（4）持多点组网功能多个DS18B20可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。（5）供电方式灵活DS18B20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。江苏技术师范学院毕业设计说明书(论文)第6页共65页(6)测量参数可配置DS18B20的测量分辨率可通过程序设定9～12位。(7)负压特性电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。(8)掉电保护功能DS18B20内部含有EEPROM，在系统掉电以后，它仍可保存分辨率及报警温度的设定值。DS18B20具有体积更小、适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围，适合于构建自己的经济的测温系统。DS18B20外部结构如图2-1所示图2-1DS18B20引脚图1.GND为电源地；2.DQ为数字信号输入/输出端；3.VDD为外接供电电源输入端；DS18B20的使用注意DS18B20虽然具有测温系统简单[4]、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：1.DS18B20从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间，这是必须保证的，不然会出现转换错误的现象。2.在实际使用中发现，应使电源电压保持在5V左右，若电源电压过低，会使所测得的温度精度降低。3.较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器江苏技术师范学院毕业设计说明书(论文)第7页共65页间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。4.在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此，当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。5.在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环，这一点在进行DS18B20硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。湿度传感器DHT11DHT11为温湿度传感器[5]，由于DHT11测量的温度精度不符合本设计，本设计只采用DHT11测量湿度部分，把DHT11当做湿度传感器运用。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的温湿度传感和数字模块采集技术，具有很高的稳定性和可靠性，DHT11传感器内含一个NTC测温和一个电阻式感湿元件，并与一个8位的高性能单片机相连接，在精确的湿度校验室中DHT11传感器进行过校准，以程序的形式校准系数储存在0TP内存中，检测信号的时候，在处理过程中传感器内部要调用这些校准系数，采用单线制的串行接口，使系统集成可以有较低的功耗，而且更加简单快速，信号传输距离超过20米，作为一个数字温湿度传感器DHT11具有响应快速、抗干扰强、性价比高等优点。典型的应用电路如图2-2所示：江苏技术师范学院毕业设计说明书(论文)第8页共65页图2-2典型的应用电路DHT11实物图如图2-3所示：图2-3DHT11实物图DHT11引脚说明如表2-1所示表2-1DHT11引脚说明pin名称注释1VDD供电3－5.5V2DATA串行数据，单总线江苏技术师范学院毕业设计说明书(论文)第9页共65页3NC空脚，悬空4GND接地，电源负极封装信息如图2-4：如图2-4DHT11的封装信息2.1.2单片机AT89S51[6]是美国ATMEL公司生产的低功耗、高性能CMOS的8位单片机，片内含4K的可编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚，它集Flash程序存储器既可在线编程(ISP)，也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片机芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制的领域。引脚图如下图2-5所示：江苏技术师范学院毕业设计说明书(论文)第10页共65页图2-5AT89S51引脚图8051单片机的引脚[7]1.主电源引脚VCC（40脚）：接＋5V电源正端GND（20脚）：接＋5V电源地端一般VCC和GND间应接高频去耦电容和低频滤波电容。2．外接晶体或外部振荡器引脚XTAL1（19脚）：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器OSC。当采用外部振荡器时，此引脚应接地。XTAL2（18脚）：接外部晶振的另一个引脚。在片内接至反相放大器的输出端和内部时钟电路的输入端。当采用外部振荡器时，此脚接外部振荡器的输出端。控制信号线RST/VPD（9脚）：复位信号输入端，复位/掉电时内部RAM的备用电源输入端江苏技术师范学院毕业设计说明书(论文)第11页