【正文】 基于單片機(jī)溫濕度顯示報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 引言 選題背景20世紀(jì)末，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，在其推動(dòng)下，現(xiàn)代電子產(chǎn)品幾乎滲透了社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)信息化程度的提高，同時(shí)也使現(xiàn)代電子產(chǎn)品性能進(jìn)一步提高，產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏也越來越快[1]。目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢(shì)將是進(jìn)一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。下面是單片機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)[2]。單片機(jī)應(yīng)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(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法[3]。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命[4]。單片機(jī)模塊中最常見之一的是傳感器，溫濕度顯示報(bào)警系統(tǒng)是一種基于單片機(jī)的用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫濕度控制的裝置，在實(shí)踐社會(huì)生產(chǎn)當(dāng)中擁有廣泛的應(yīng)用。 目的和意義 隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)時(shí)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(dāng)人們乘坐公共交通工具時(shí)，溫濕度以及實(shí)時(shí)時(shí)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(chǎn)車間的溫度濕度控制、空調(diào)列車車廂空氣環(huán)境的控制等[5]。常見的低端產(chǎn)品多采用機(jī)械指針式或水銀柱式溫濕度計(jì), 體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格低、安裝簡便。但是, 此類產(chǎn)品測(cè)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(jìn)行功能擴(kuò)展，如不能自動(dòng)報(bào)警[6]。目前，雖然在工業(yè)生產(chǎn)中和科研實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)溫濕度測(cè)量來進(jìn)行自動(dòng)控制的設(shè)備越來越普及，應(yīng)用場(chǎng)合也越來越多。但是，隨之而來的問題是如何能夠測(cè)得精確的溫濕度以保證自動(dòng)控制設(shè)備能夠正確地發(fā)出控制指令來控制生產(chǎn)過程。另一方面，如果溫度或者濕度過高過低可能會(huì)對(duì)一些設(shè)備中的一些半導(dǎo)體元器件造成損壞[7]。因此，對(duì)于自動(dòng)溫濕度報(bào)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(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的自動(dòng)溫濕度顯示與報(bào)警系統(tǒng)。一般溫濕度控制系統(tǒng)中的溫濕度測(cè)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(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路并經(jīng)過復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過程，因此測(cè)量精度難以保證，且在線性度、重復(fù)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(cè)量點(diǎn)數(shù)較少，對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。因此設(shè)計(jì)出一款基于單片機(jī)的精度高、穩(wěn)定性好、成本低的溫濕度顯示報(bào)警系統(tǒng)具有重要實(shí)際意義。 技術(shù)要求和設(shè)計(jì)范圍現(xiàn)代社會(huì)越來越多的實(shí)驗(yàn)都要求在嚴(yán)格的環(huán)境條件下完成，而溫度和濕度是實(shí)驗(yàn)室最基本的環(huán)境條件，也是對(duì)實(shí)驗(yàn)影響較大的因素。一般溫濕度控制系統(tǒng)中的溫濕度測(cè)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(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路并經(jīng)過復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過程，因此測(cè)量精度難以保證，且在線性度、重復(fù)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(cè)量點(diǎn)數(shù)較少，對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合。因此設(shè)計(jì)出一款精度高、穩(wěn)定性好、成本低的溫濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)將具有一定的市場(chǎng)。本系統(tǒng)采用具有高精度[10]、防干擾等優(yōu)點(diǎn)的數(shù)字式傳感器 SHT11，不需要外部元件，可適配各種單片機(jī)。這為開發(fā)新一代的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)提供了有利條件，同時(shí)也有助于將溫濕度測(cè)控技術(shù)提高到新的水平。 發(fā)展現(xiàn)狀單片機(jī)誕生于20世紀(jì)70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SOC三大階段[11]。（1）SCM即單片微型計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)?！皠?chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計(jì)算機(jī)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(shù)發(fā)展方向是：不斷擴(kuò)展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時(shí)，對(duì)象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對(duì)象的智能化控制能力。（3）單片機(jī)是嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素[13]，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機(jī)的發(fā)展自然形成了SOC化趨勢(shì)。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計(jì)、EDA工具的發(fā)展[14]，基于SOC的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)有較大的發(fā)展。智能溫度傳感器在20世紀(jì)90年代中期問世。它是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的結(jié)晶。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部包含溫度傳感器、A/D傳感器[15]、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)和只讀存儲(chǔ)器。智能溫度傳感器能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器，并且可通過軟件來實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能，溫度計(jì)也越來越智能化。跟電子溫度計(jì)一樣濕度計(jì)隨著濕度傳感器的發(fā)展趨于成熟。隨著智能檢測(cè)系統(tǒng)的飛速發(fā)展，基于單片機(jī)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)將多傳感器系統(tǒng)結(jié)合在一起。如何把多傳感器集中于一個(gè)檢測(cè)控制系統(tǒng)，綜合利用來自多傳感器的信息，獲得對(duì)被測(cè)對(duì)象的可靠了解和解釋，以利于系統(tǒng)做出正確的響應(yīng)、決策和控制以及報(bào)警，是智能檢測(cè)控制統(tǒng)中需要解決的重要問題。2 方案論證 方案設(shè)計(jì)思路溫濕度報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C51為核心，通過控制單片機(jī)的P1口的一些端口來調(diào)節(jié)當(dāng)前溫濕度的顯示，完成了溫濕度的顯示報(bào)警功能，在程序中設(shè)置溫濕度范圍后，達(dá)到指定范圍后讓LED燈的閃亮來實(shí)現(xiàn)溫濕度控制的效果，讓LED1602液晶屏接到單片機(jī)的串口上，賦值來控制1602的顯示。因此，整個(gè)方案設(shè)計(jì)包含四個(gè)部分，即：單片機(jī)最小系統(tǒng)部分、顯示部分、溫濕度數(shù)據(jù)采集部分、報(bào)警部分。 方案選擇方案：單片機(jī)編程，用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路，充分利用好AT89C51單片機(jī)的I/O口，使用軟硬件結(jié)合的方式，具體的基本框圖如圖[16]1所示：單片機(jī)AT89S51溫濕度傳感器被測(cè)對(duì)象顯示部分報(bào)警部分圖1 單片機(jī)設(shè)計(jì)電路的基本框圖方案選擇：從上述原理圖看來，這種設(shè)計(jì)方案電路結(jié)構(gòu)簡單，條理清晰，調(diào)試也相對(duì)方便，易于實(shí)現(xiàn)。 設(shè)計(jì)流程對(duì)于溫濕度顯示報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(jìn)行在線仿真。設(shè)計(jì)流程如圖[17]2所示。Proteus電路設(shè)計(jì)源程序設(shè)計(jì)生成目標(biāo)代碼基于proteus仿真 圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖 軟件環(huán)境 PROTEUS軟件。Proteus軟件的功能很強(qiáng)大，它不僅可以在線仿真模擬電子，數(shù)字電子和單片機(jī)，還可以將設(shè)計(jì)直接轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)是仿真中的第一步，也是非常重要的一步。電路原理圖設(shè)計(jì)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?yàn)樵谝粋€(gè)錯(cuò)誤的基礎(chǔ)上所進(jìn)行的工作是沒有意義的；其次，原理圖應(yīng)該布局合理，這樣不僅可以盡量避免出錯(cuò)，也便于讀圖、便于查找和糾正錯(cuò)誤；最后，在滿足正確性和布局合理的前提下應(yīng)力求原理圖的美觀。電路原理圖的設(shè)計(jì)過程可分為以下幾個(gè)步驟：（1）置電路圖紙參數(shù)及相關(guān)信息根據(jù)電路圖的復(fù)雜程度設(shè)置圖紙的格式、尺寸、方向等參數(shù)以及與設(shè)計(jì)有關(guān)的信息，為以后的設(shè)計(jì)工作建立一個(gè)合適的工作平面。（2）裝入所需要的元件將所需的元件裝入設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，以便從中查找和選定所需的元器件。（3）設(shè)置元件將選定的元件放置到已建立好的工作平面上，并對(duì)元件在工作平面上的位置進(jìn)行調(diào)整，對(duì)元件的序號(hào)、參數(shù)、顯示狀態(tài)等進(jìn)行定義和設(shè)置，以便為下一步的仿真工作打好基礎(chǔ)。（4）連線電路圖利用Proteus所提供的各種工具、命令進(jìn)行畫圖工作，將事先放置好的元器件用具有電氣意義的導(dǎo)線、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)等連接起來，布線結(jié)束后，一張完整的電路原理圖基本完成。（5）調(diào)整、檢查和修改利用Proteus所提供的各種工具對(duì)前面所繪制的原理圖做進(jìn)一步的調(diào)整和修改。（6）補(bǔ)充完善對(duì)原理圖做一些相應(yīng)的說明、標(biāo)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(duì)設(shè)計(jì)完成的原理圖結(jié)合KEIL在線仿真，調(diào)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(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會(huì)更加深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)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(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢(shì)。單片機(jī)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)镃PU可以執(zhí)行的機(jī)器碼有兩種方法，一種Keil軟件圖標(biāo)是手工匯編，另一種是機(jī)器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機(jī)器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C(jī)器碼，用于MCS51單片機(jī)的匯編軟件有早期的A51，隨著單片機(jī)開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級(jí)語言開發(fā)，單片機(jī)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(jī)的軟件，這從近年來各仿真機(jī)廠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(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部份組合在一起。運(yùn)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、WIN9NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。掌握這一軟件的使用對(duì)于使用51系列單片機(jī)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(nèi)你只能買到該軟件、而你買的仿真機(jī)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(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)令你事半功倍。下面詳細(xì)介紹Keil C51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。（1）Keil C51單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)：C51工具包的整體結(jié)構(gòu)，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(diào)試、仿真等整個(gè)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(biāo)文件(.OBJ)。目標(biāo)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(duì)目標(biāo)文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51使用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。（2）使用獨(dú)立的Keil仿真器時(shí)，注意事項(xiàng)：，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(fù)位按鈕只復(fù)位仿真芯片，不復(fù)位目標(biāo)系統(tǒng)。 仿真芯片的31腳（/EA）已接至高電平，所以仿真時(shí)只能使用片內(nèi)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(kuò)展有外部ROM（其CPU的/EA引腳接至低電平）的目標(biāo)系統(tǒng)中使用。3 過程論述 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng) AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖最小系統(tǒng)包括晶體振蕩電路、復(fù)位開關(guān)和電源部分[19]。下面圖3為AT89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖。圖3 單片機(jī)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，, 引腳功能一樣。 外接晶體引腳XTAL1　19XTAL2　18圖4 晶振連接的內(nèi)部、外部方式圖晶振連接的內(nèi)部、外部方式如上圖4所示。XTAL1是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時(shí)，外部振蕩信號(hào)應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。內(nèi)部方式時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時(shí)鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz24MHz內(nèi)選擇。電容取30PF左右。系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩