【正文】 引言 第 1 頁（共 43 頁） 基于 AT89C51 單片機溫濕度顯示報警系統(tǒng)設計 1 引言 選題背景 20 世紀末，電子技術獲得了飛速的發(fā)展，在其推動下，現(xiàn)代電子產品幾乎滲透了社會的各個領域，有力地推動了社會生產力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，同時也使現(xiàn)代電子產品性能進一步提高，產品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快 [1]。 目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著 CMOS 化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內裝化等幾個方面發(fā)展。下面是單片機的主要發(fā)展趨勢 [2]。單片機應用的重要意義還在于，它從根本上改變了 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計思想和設計方法 [3]。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術也稱為微控制技術，是傳統(tǒng)控制技術的一次革命 [4]。 單片機模塊中最常見之一的是傳感器，溫濕度顯示報警系統(tǒng)是一種基于單片機的用數(shù)字電路技術實現(xiàn)溫濕度控制的裝置，在實踐社會生產當中擁有廣泛的應用。 目的和意義 隨著社會的發(fā)展，人們對時間和環(huán)境中的溫度及濕度的要求越來越高，尤其在日常的生活中和人們的生活和健康有著緊密的聯(lián)系，特別是當人們乘坐公共交通工具 時，溫濕度以及實時時間和人們的出行都有著密切的聯(lián)系。溫濕度控制在日常生活中使用比較普遍 , 如各種儀器控制箱、溫室或生產車間的溫度濕度控制、空調列車車廂空氣環(huán)境的控制等 [5]。常見的低端產品多采用機械指針式或水銀柱式溫濕度計 , 體積小、質量輕、價格低、安裝簡便。但是 , 此類產品測量精度低 , 沒有 LED 顯示屏 , 不能向智能化方向發(fā)展 , 不利于進行功能擴展，如不能自動報警 [6]。 目前，雖然在工業(yè)生產中和科研實驗中通過對溫濕度測量來進行自動控制的設備越來越普及，應用場合也越來越多。但是，隨之而來的問題是如何能夠 測得精確的溫濕度以保證自動控制設備能夠正確地發(fā)出控制指令來控制生產過程。另一方面，如果溫度或者濕度過高過低可能會對一些設備中的一些半導體元器件造成損壞 [7]。因此，對于自動基于單片機溫 濕度顯示報警系統(tǒng)設計 第 2 頁（共 43 頁） 溫濕度報警的需求也在逐漸增加。本文基于以上方面的考慮，研究并設計了一種基于單片機的自動溫濕度顯示與報警系統(tǒng)。 一般溫濕度控制系統(tǒng)中的溫濕度測量均采用熱敏電阻與濕敏電容，這種傳統(tǒng)的模擬式溫濕度傳感器一般都需要設計信號調理電路并經(jīng)過復雜的校準和標定過程，因此測量精度難以保證，且在線性度、重復性、互換性等方面也存在一定問題 [8]。這種傳感器只適 合那些測量點數(shù)較少，對精度要求不高的場合。因此設計出一款基于單片機的精度高、穩(wěn)定性好、成本低的溫濕度顯示報警系統(tǒng)具有重要實際意義。 技術要求和設計范圍 現(xiàn)代社會越來越多的實驗都要求在嚴格的環(huán)境條件下完成，而溫度和濕度是實驗室最基本的環(huán)境條件，也是對實驗影響較大的因素。一般溫濕度控制系統(tǒng)中的溫濕度測量均采用熱敏電阻與濕 敏電容 [9]，這種傳統(tǒng)的模擬式溫濕度傳感器一般都需要設計信號調理電路并經(jīng)過復雜的校準和標定過程，因此測量精度難以保證，且在線性度、重復性、互換性等方面也存在一定問題。這種傳感器只適合 那些測量點數(shù)較少，對精度要求不高的場合。因此設計出一款精度高、穩(wěn)定性好、成本低的溫濕度檢測控制系統(tǒng)將具有一定的市場。本系統(tǒng)采用具有高精度 [10]、防干擾等優(yōu)點的數(shù)字式傳感器 SHT11，不需要外部元件，可適配各種單片機。這為開發(fā)新一代的溫濕度測控系統(tǒng)提供了有利條件，同時也有助于將溫濕度測控技術提高到新的水平。 發(fā)展現(xiàn)狀 單片機誕生于 20 世紀 70 年代末，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SOC 三大階段 [11]。 （ 1）SCM 即單片微型計算機階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結構。―創(chuàng)新模式 ‖獲得成 功，奠定了 SCM 與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。 （ 2） MCU 即微控制器階段 [12]，主要的技術發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M足嵌入式應用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。 （ 3） 單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向 MCU階段發(fā)展的重要因素 [13]，就是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了 SOC 化趨勢。隨著微電子技術、 IC 設計、EDA 工具的發(fā)展 [14]，基于 SOC 的單片機應用系統(tǒng)設計會有較大的發(fā)展。方案論證 第 3 頁（共 43 頁） 智能溫度傳感器在 20 世紀 90 年代中期問世。它是微電子技 術、計算機技術和自動測試技術的結晶。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產品。智能溫度傳感器內部包含溫度傳感器、 A/D 傳感器 [15]、信號處理器、存儲器和接口電路。有的產品還帶多路選擇器、中央控制器、隨機存取存儲和只讀存儲器。智能溫度傳感器能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量，適配各種微控制器，并且可通過軟件來實現(xiàn)測試功能，溫度計也越來越智能化。 跟電子溫度計一樣濕度計隨著濕度傳感器的發(fā)展趨于成熟。隨著智能檢測系統(tǒng)的飛速發(fā)展，基于單片機的溫濕度檢測系統(tǒng)將多傳感器系統(tǒng)結合在一起。如何把多傳感器集中于一個檢測 控制系統(tǒng)，綜合利用來自多傳感器的信息，獲得對被測對象的可靠了解和解釋，以利于系統(tǒng)做出正確的響應、決策和控制以及報警，是智能檢測控制統(tǒng)中需要解決的重要問題。 2 方案論證 方案設計思路 溫濕度報警系統(tǒng)的設計以單片機 AT89C51 為核心，通過控制單片機的 P1 口的一些端口來調節(jié)當前溫濕度的顯示，完成了溫濕度的顯示報警功能，在程序中設置溫濕度范圍后，達到指定范圍后讓 LED 燈的閃亮來實現(xiàn)溫濕度控制的效果，讓 LED1602液晶屏接到單片機的串口上，賦值來控制 1602 的顯示。因此，整個方案設計包含四個部分，即 ：單片機最小系統(tǒng)部分、顯示部分、溫濕度數(shù)據(jù)采集部分、報警部分。 方案選擇 方案：單片機編程，用單片機設計電路，充分利用好 AT89C51 單片機的 I/O 口，使用軟硬件結合的方式，具體的基本框圖如圖 [16]1 所示： 圖 1 單片機設計電路的基本框圖 單片機 AT89S51 溫濕度傳感器 被測對象 顯示部分 報警部分 基于單片機溫 濕度顯示報警系統(tǒng)設計 第 4 頁（共 43 頁） 方案選擇：從上述原理圖看來，這種設計方案電路結構簡單，條理清晰，調試也相對方便，易于實現(xiàn)。 設計流程 對于溫濕度顯示報警系統(tǒng)的設計，先用 PROTEUS 做電路仿真，再在 KEIL軟件中編寫程序生成源代碼，最后將 PROTEUS 和 KEIL連接 起來進行在線仿真。設計流程如圖 [17]2 所示。 圖 2 系統(tǒng)設計流程圖 軟件環(huán)境 PROTEUS軟件 本設計主要用 電子設計軟件進行電子線路的設計和仿真。 Proteus 軟件的功能很強大，它不僅可以在線仿真模擬電子，數(shù)字電子和單片機，還可以將設計直接轉換成 PCB 版圖 [18]，因此，受到眾多電子工程師的喜愛。電路原理圖的設計是仿真中的第一步，也是非常重要的一步。電路原理圖設計得好壞將直接影響到后面的工作。首先，原理圖的正確性是最基本的要求，因為在一個錯誤的 基礎上所進行的工作是沒有意義的；其次，原理圖應該布局合理，這樣不僅可以盡量避免出錯，也便于讀圖、便于查找和糾正錯誤；最后，在滿足正確性和布局合理的前提下應力求原理圖的美觀。電路原理圖的設計過程可分為以下幾個步驟： （ 1） 置電路圖紙參數(shù)及相關信息 根據(jù)電路圖的復雜程度設置圖紙的格式、尺寸、方向等參數(shù)以及與設計有關的信息，為以后的設計工作建立一個合適的工作平面。 （ 2） 裝入所需要的元件 Proteus 電路設計 源程序設計生成目標代碼 基于 proteus 仿真 方案論證 第 5 頁（共 43 頁） 將所需的元件裝入設計系統(tǒng)中，以便從中查找和選定所需的元器件。 （ 3） 設置元件 將選定的元件放置到已建立好的工作平面上，并對元件 在工作平面上的位置進行調整，對元件的序號、參數(shù)、顯示狀態(tài)等進行定義和設置，以便為下一步的仿真工作打好基礎。 （ 4） 連線電路圖 利用 Proteus 所提供的各種工具、命令進行畫圖工作，將事先放置好的元器件用具有電氣意義的導線、網(wǎng)絡標號等連接起來，布線結束后，一張完整的電路原理圖基本完成。 （ 5） 調整、檢查和修改 利用 Proteus 所提供的各種工具對前面所繪制的原理圖做進一步的調整和修改。 （ 6） 補充完善 對原理圖做一些相應的說明、標注和修飾，增加可讀性和可觀性。 （ 7） 仿真 這部分工作主要是對設計完成的原理圖結 合 KEIL在線仿真，調試并修改程序。 Keil C51軟件 Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機 C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比， C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用 C 來開發(fā)，體會更加深刻。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全 Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到 Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很 緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 單片機開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程序要變?yōu)?CPU可以執(zhí)行的機器碼有兩種方法，一種 Keil 軟件圖標是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，用于 MCS51 單片機的匯編軟件有早期的 A51，隨著單片機開發(fā)技術的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展， Keil 軟件是目前最流行開發(fā) MCS51 系列單片機的軟件，這從近年來各仿真 機廠基于單片機溫 濕度顯示報警系統(tǒng)設計 第 6 頁（共 43 頁） 商紛紛宣布全面支持 Keil 即可看出 。 Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ uVision） 將這些部份組合在一起。運行 Keil 軟件需要 Pentium或以上的 CPU， 16MB或更多 RAM、 20M 以上空閑的硬盤空間、 WIN9 NT、 WIN202 WINXP 等操作系統(tǒng)。掌握這一軟件的使用對于使用 51 系列單片機的愛好者來說是十分必要的，如果你使用 C 語言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選（目前在國內你只能買到該軟件、而你買的仿 真機也很可能只支持該軟件），即使不使用 C 語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調試工具也會令你事半功倍。 下面詳細介紹 Keil C51 開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。 （ 1） Keil C51 單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)的整體結構： C51 工具包的整體結構，其中uVision與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用 IDE 本身或其它編輯器編輯 C 或匯編源文件。然后分別由 C51 及 A51 編譯器編譯生 成目標文件 (.OBJ)。目標文件可由 LIB51 創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng) L51 連接定位生成絕對目標文件 (.ABS)。 ABS 文件由 OH51 轉換成標準的 Hex文件，以供調試器 dScope51或 tScope51 使用進行源代碼級調試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調試，也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM 中。 （ 2） 使用獨立的 Keil 仿真器時，注意事項：仿真器標配 ，但用戶可以在仿真器上的晶振插孔中換插其他頻率的晶振。 仿真器上的復位按鈕只復位仿真芯片，不復位目標系統(tǒng)。 仿真芯片 的 31 腳 （ /EA） 已接至高電平，所以仿真時只能使用片內 ROM， 不能使用片外 ROM；但仿真器外引插針中的 31 腳并不與仿真芯片的 31 腳相連，故該仿真器仍可插入到擴展有外部 ROM（其 CPU的 /EA 引腳接至低電平）的目標系統(tǒng)中使用。 3 過程論述 AT89C51單片機最小系統(tǒng) AT89C51單片機最小系統(tǒng)原理圖 最小系統(tǒng)包括晶體振蕩電路、復位開關和電源部分 [19]。下面圖 3 為 AT89C51 單片機的最小系統(tǒng)電路圖。 過程論述 第 7 頁（共 43 頁） 圖 3 單片機最小系統(tǒng)電路圖 電源引腳 Vcc 40 電源端 GND 20 接地端 工作電壓為 5V，另有 AT89LV51 工作電壓則是 , 引腳功能一樣。 外接晶體引腳 XTAL1 19 XTAL2 18 基于單片機溫 濕度顯示報警系統(tǒng)設計 第 8 頁（共 43 頁） 圖 4 晶振連接的內部、外部方式圖 晶振連接的內部、外部方式如上圖 4 所示 。 XTAL1 是片內振蕩器的反相放大器輸入端， XTA