【正文】 溫濕度環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計方案第一章 引 言現(xiàn)代電子技術(shù)日新月異，各種新型的自動控制系統(tǒng)也越來越多地運(yùn)用到人們的日常生活、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，它不但可以提高勞動生產(chǎn)率，而且可以使控制的設(shè)備或執(zhí)行的操作更加精確。傳感器是信息采集的重要工具，傳感器技術(shù)與通信技術(shù)（信息傳輸）和計算機(jī)技術(shù)（信息處理），構(gòu)成了現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱，它們在信息系統(tǒng)中分別起著“感覺”，“神經(jīng)”，和“大腦”的作用?，F(xiàn)代電子產(chǎn)品正在以前所未有的革新速度，向著功能多樣化，體積最小化，功耗最低化的方向發(fā)展。它與傳統(tǒng)電子產(chǎn)品在設(shè)計上的顯著區(qū)別：一是大量使用大規(guī)?？删帉懶酒?，以提高產(chǎn)品性能，縮小產(chǎn)品體積，降低產(chǎn)品功耗；二是廣泛運(yùn)用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)，以提高電子設(shè)計自動化程序，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的競爭力。單片機(jī)的單芯片的微小體積和極低的成本，可廣泛地嵌入到電子系統(tǒng)，辦公自動化、艦船、個人信息終端及通信產(chǎn)品等方方面面，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具。測量溫濕度的關(guān)鍵是溫濕度傳感器，溫濕度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：①傳統(tǒng)的分立式傳感器，②模擬集成傳感器，③智能集成傳感器。目前，國際上新型溫濕度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展。本文介紹智能集成溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器HS1101的結(jié)構(gòu)特征；以STC89C52單片機(jī)為控制器，以1602型LCD為顯示器的溫濕度測量裝置；單片機(jī)對溫、濕度傳感器的控制程序，溫、濕度的讀取，16進(jìn)制到BCD碼轉(zhuǎn)換以及LCD顯示程序。使用DS1820的測溫系統(tǒng)電路簡單，測溫精度高，連接方便，占用處理器I/O端口少。使用HS1101的濕度傳感器價格低廉，精度高，軟件資源豐富。但是較小的硬件開銷意味著相對復(fù)雜的軟件補(bǔ)償，傳感器與處理器間采用串行的數(shù)據(jù)通信，因此在進(jìn)行軟件設(shè)計時設(shè)計匯編程序時I/O的時序就顯得較為復(fù)雜。溫濕度是最基本的環(huán)境參數(shù)，人們的生活與其息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過程中需要實(shí)時測量溫濕度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開溫濕度的測量，因此研究溫度和濕度的測量方法和裝置具有重要的意義。51第二章 主要器件選取第二章 設(shè)計方案在本章中，我們將溫、濕度環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計及其主要功能特點(diǎn)進(jìn)行簡單的分析，并給出它的特點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)功能、系統(tǒng)的簡單操作以及對單片機(jī)及其控制系統(tǒng)的了解。 計算機(jī)、電子技術(shù)發(fā)展概述近年來，計算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，使得計算機(jī)在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，國防科研及日常生活的各個領(lǐng)域顯示了日益旺盛的生命力，它已成為各國工業(yè)發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一，是發(fā)展新技術(shù)，改造老技術(shù)的強(qiáng)有力的武器，計算機(jī)使人類面臨著一個新的贊賞技術(shù)和工業(yè)革命，它的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了因蒸汽機(jī)和電的出現(xiàn)而產(chǎn)生的工業(yè)革命。目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，單片機(jī)的發(fā)展正朝著CMOS化，低功耗，小體積，大容量，高性能，低價格和外圍電路的內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。近幾年，由于CMOS技術(shù)的進(jìn)步，大大地促進(jìn)了單片機(jī)的CMOS化，此種芯片除了低功耗外，還具有功耗的可控性，使單片機(jī)可以工作在功耗精細(xì)管理狀態(tài)，并且單片機(jī)一般采用精簡指令集結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)，可以大幅度提高運(yùn)行速度，提升信息處理功能，中斷和定時控制功能，在一般上還具有串行擴(kuò)展技術(shù)，隨著低價位OTP及各種類型片內(nèi)程序存儲器的發(fā)展，加之外圍接口不斷進(jìn)入片內(nèi)，特別是IIC，API等串行總線的引入，可以使單片機(jī)的引腳設(shè)計得更少，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及規(guī)范化。這就引導(dǎo)我們利用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對數(shù)顯可調(diào)穩(wěn)壓電源的控制。 隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機(jī)已深入滲透到我們的生活中，就51系列而言，由于Intel公司將其內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售的形式轉(zhuǎn)給世界許多著名IC制造商，隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，在工業(yè)測量控制領(lǐng)域內(nèi)單片機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。同時，隨著超大規(guī)模集成電路工藝和集成制造技術(shù)的不斷完善，單片機(jī)的硬件集成度也不斷提高，已經(jīng)出現(xiàn)了能滿足各種不同需求、具有各種特殊功能的單片機(jī)，這類單片機(jī)具有集成度高、性能價格比優(yōu)越、貨源充足等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)測量領(lǐng)域內(nèi)獲得了極為廣泛的應(yīng)用價值?，F(xiàn)代的電子產(chǎn)品朝密集型發(fā)展，而電子產(chǎn)品的溫度特性普遍比較差，這就對溫、濕度的監(jiān)測提出了新的要求。若采用國外進(jìn)口的溫、濕度監(jiān)測系統(tǒng)，雖然其性能較好，但是結(jié)合國情，其價格相當(dāng)昂貴，又是全英文，推廣起來較困難。就是在以上問題出現(xiàn)的情況下，我們設(shè)計出一個利用集成溫度傳感器及濕度傳感器，配合單片計算機(jī)系統(tǒng)，從軟件的編制上實(shí)現(xiàn)對各外圍硬件的控制，最終實(shí)現(xiàn)對當(dāng)前環(huán)境溫、濕度進(jìn)行監(jiān)測。在硬件的設(shè)計上，所有元器件都采用了通用型產(chǎn)品，使得設(shè)計出來的產(chǎn)品生產(chǎn)及維修都相當(dāng)方便，可以有效地降低成本，同時另外一點(diǎn)就是能用軟件實(shí)現(xiàn)的功能盡量選用軟件進(jìn)行操作，更加突出了產(chǎn)品的簡單性和高可靠性，因此，我們這一設(shè)計方法是一個值得推廣的方法，接下來我們就對方案與設(shè)計原理方框圖進(jìn)行比較分析。 系統(tǒng)主要單元的選擇與論證 方案一：采用XC9000系列的FPGA。該類器件具有并行處理能力，能快速的響應(yīng)外部的各種數(shù)字信號，但在數(shù)據(jù)處理方面過于復(fù)雜，而且芯片價格較昂貴。 方案二：采用單片機(jī)作為控制核心，單片機(jī)數(shù)學(xué)運(yùn)算功能較強(qiáng)。在程序相互調(diào)用方面，處理方便靈活，性能穩(wěn)定，適合實(shí)際應(yīng)用。且單片機(jī)技術(shù)發(fā)展較為成熟，價格便宜?；谝陨戏治?，采用單片機(jī)控制可更為簡便靈活地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，故擬采用方案二。方案一：選用DHT11作為溫濕度檢測模塊。DHT11是一款數(shù)字輸出的復(fù)合傳感器，包含一個電阻式感濕元件和NTC式溫度檢測元件，可測20~90%RH濕度，誤差5%RH，0~50攝氏度，誤差2攝氏度。方案二：選用DS18B20溫度傳感器和HS1101濕度傳感器。DS18B20是一線式數(shù)字溫度傳感器，具有獨(dú)特的單線式接口方式，測量范圍在55℃～125℃，誤差為177?！妗！妗S1101是電容式濕度傳感器，可測相對濕度范圍在0%~100%RH，誤差為177。2%RH。方案選擇，有上述數(shù)據(jù)可知，根據(jù)需要（溫度測量范圍為1050℃，濕度為0100%；℃，濕度測量誤差為3%RH；），從設(shè)計要求的精度來看，本方案更優(yōu)。綜上所述，雖然方案一具有綜合作用，但是方案二的測試范圍和精度都由于方案一，故本模塊采用方案二。方案一：采用12864液晶模塊顯示測得的數(shù)據(jù)，可顯示較多組的數(shù)據(jù)，字體較大，可清晰讀數(shù)，但12864液晶模塊價格昂貴，接線復(fù)雜，故不采用。方案二：采用1602液晶模塊顯示所測數(shù)據(jù)，1602液晶接線簡單方便，同時也能滿足顯示需要，價格遠(yuǎn)低于12864液晶。因此，本方案為首選方案。綜上所述，顯示模塊選擇方案二。為了使設(shè)計具有高可靠性，與實(shí)際運(yùn)用的緊密結(jié)合性，從經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的角度出發(fā)，我們對室內(nèi)溫、濕度控制系統(tǒng)進(jìn)行精心的設(shè)計，在設(shè)計過程中，我們綜合多方面的知識進(jìn)行分析，對于本系統(tǒng)的設(shè)計，其控制部分的電路基本相同，主要不同的是對溫、濕度傳感器的選用，下面就各種不同的傳感器構(gòu)成的溫、濕度監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行分析與對比。 溫度傳感器的選取 一、熱膨脹式溫度計該溫度計是利用膨脹法來測量溫度的一種儀表。膨脹式溫度計按選用的物質(zhì)不同可分為液體膨脹式溫度計，氣體膨脹式溫度計(壓力式溫度計) 和固體膨脹式溫度計三大類。對于液體膨脹式溫度計，根據(jù)填充的工作液不同又可分為水銀溫度計和有機(jī)液體溫度計；固體膨脹式溫度計，按結(jié)構(gòu)又可分為雙金屬溫度計和桿式溫度計兩種。膨脹式溫度計可以用作標(biāo)準(zhǔn)儀器，廣泛用于測量設(shè)備，管道和容器的溫度； 在醫(yī)療衛(wèi)生和食品工業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用。膨脹式溫度計具有結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用方便，價格便宜以及精度高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：不便于遠(yuǎn)距離測溫(壓力式溫度計除外) ，結(jié)構(gòu)脆弱，易壞。二、電阻溫度計熱電阻是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性來測量溫度的一種感溫元件。使用熱電阻作感溫元件的溫度計常稱為電阻溫度計。常用的熱電阻有： 銅電阻、鉑熱電阻和鎳熱電阻。熱電阻必須與二次儀表配合使用才能指示出被測介質(zhì)的溫度。熱電阻的測溫原理是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化的特性，再用顯示儀表測出熱電阻的電阻值從而得出與電阻值相應(yīng)的溫度值。這種測溫的方法已廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)與民用生活中，在此基礎(chǔ)上，人們還將熱敏電阻與信號放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換集成在一塊芯片中，開發(fā)了集成溫度傳感器，使得設(shè)計出來的溫度自動控制系統(tǒng)既簡單可靠性又高，因此在業(yè)內(nèi)運(yùn)用極廣。優(yōu)點(diǎn)：電阻溫度計具有測量精度高，性能穩(wěn)定，靈敏度高，應(yīng)用范圍廣，可遠(yuǎn)距離測溫，便于微機(jī)實(shí)時處理，并能實(shí)現(xiàn)溫度自動控制和記錄。三、熱電偶熱電偶是用兩種不同成份的導(dǎo)體焊接在一起，兩端溫度不同時，在回路中就會有熱電勢產(chǎn)生，因此熱電偶是通過測量熱電勢從而測量溫度的一種感溫元件，它是一種變換器，它能將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栐儆娠@示儀表顯示出來。熱電偶測量溫度的基本原理是熱電效應(yīng)。它是熱電效應(yīng)理論的具體應(yīng)用之一。在溫度測量中得到了廣泛的應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)：測量精度高，結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)快，可作遠(yuǎn)距離測量， 測溫范圍廣。四、石英溫度傳感器測溫儀石英溫度傳感器的測溫原理是以石英晶體片作為測溫元件，將溫度變化的模擬量轉(zhuǎn)化為石英晶體震蕩頻率的數(shù)字量，再將此頻率信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并顯示其溫度值。石英晶體溫度傳感器穩(wěn)定性很好， ℃以上。缺點(diǎn)：響應(yīng)速度較慢，測溫速度約為一秒鐘一次，顯然不適合快速測溫場合。五、DS18B20傳感器（1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：～，寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供。 （2）獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。 （3）DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫。 （4）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 （5）溫范圍－55℃～＋125℃，在10～+85℃時精度為177?！?。 （6）可編程的分辨率為9～12位，℃、℃、℃℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫。 （7），12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。 （8）測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力。 （9）負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。經(jīng)過以上分析，結(jié)合本系統(tǒng)的運(yùn)用需要，決定選用電壓電流式集成溫度傳感器DS18B20作為系統(tǒng)的測溫傳感器。 濕度傳感器的選取濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過器件材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化成有用信號的器件。濕度檢測較之其它物理量的檢測顯得困難，這首先是因?yàn)榭諝庵兴魵夂恳瓤諝馍俚枚?；另外，液態(tài)水會使一些高分子材料和電解質(zhì)材料溶解，一部分水分子電離后與溶入水中的空氣中的雜質(zhì)結(jié)合成酸或堿，使?jié)衩舨牧喜煌潭鹊厥艿礁g和老化，從而喪失其原有的性質(zhì)；再者，濕信息的傳遞必須靠水對濕敏器件直接接觸來完成，因此濕敏器件只能直接暴露于待測環(huán)境中，不能密封。通常，對濕敏器件有下列要求：在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好，響應(yīng)時間短，壽命長，有互換性，耐污染和受溫度影響小等。微型化、集成化及廉價是濕敏器件的發(fā)展方向。 HS1101以其全互換性、在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正、長時間飽和下快速脫濕、快速反應(yīng)時間、價格低廉等特點(diǎn)深受大家歡迎。該系統(tǒng)主要由以下功能塊系統(tǒng)構(gòu)成：中央控制處理器STC89C52組成的主機(jī)系統(tǒng)；環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，輸出顯示與鍵盤控制系統(tǒng)等。主要的系統(tǒng)電路有：電源電路、溫度傳感器與濕度傳感器電路、顯示電路，報警電路、鍵盤輸入控制電路等。電路分析我們在下一章節(jié)中進(jìn)行分析。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：（1）該產(chǎn)品的互換性好，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，外圍電路簡單易懂，因此體積小。（2）該系統(tǒng)能用軟件的方式控制硬件，所有用軟件方式設(shè)計的系統(tǒng)向硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關(guān)開發(fā)軟件自動完成的，易操作。（3）可以從以前的組合設(shè)計轉(zhuǎn)向真正的自由設(shè)計，所以設(shè)計的移植性好，效率高?？蛇m合大規(guī)模的現(xiàn)場制作。 溫度傳感器DS18B20濕度傳感器HS1101多諧振蕩器波形產(chǎn)生電路CPU處理器STC89C51鍵盤輸入控制電路系統(tǒng)電源1602液晶顯示電路蜂鳴器報警電路圖 21 基于DS18B20和HS1101的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)0017理方框圖