【正文】 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè) 共 50 頁(yè) 引 言 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用越來(lái)越廣泛，傳感器技術(shù)也逐漸為眾人所熟悉。傳統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備已不能滿足社會(huì)的需要。本文是在單片機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度濕度的實(shí)時(shí)檢測(cè) （ 1） 選題背景及意義 數(shù)字式溫濕度儀，是集傳感 器 技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)與一體的數(shù)據(jù)記錄儀。 絕大部分電子產(chǎn)品都要求在干燥條件下作業(yè)和存放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年有1/4 以上的工業(yè)制造不良品與潮濕的危害有關(guān)。對(duì)于電子工業(yè)，潮濕的危害已經(jīng)成為影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素之一。 數(shù)字式溫濕度記錄儀廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)研究、工業(yè)、環(huán)保、衛(wèi)生 防疫、實(shí)驗(yàn)室、建筑業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸、博物館、溫室等領(lǐng)域，進(jìn)行溫 濕 度監(jiān)測(cè)記錄的儀器。并可將采集記錄的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。 （ 2） 傳感器技術(shù) 隨著信息時(shí)代的到來(lái)，作為獲取信息的手段 —— 傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的一個(gè)重要標(biāo)志。因此，了解和掌握各類傳感器的基本結(jié)構(gòu)，工作原理及特性是非常重要的。 由于傳感器能將各種物理量，化學(xué)量和生物量等信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，使得人們可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，信息處理和自動(dòng)控制， 但是它們都不同程度的溫漂和非線性等影響。傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng)，他的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。因此，不僅必須掌握傳感器的結(jié)構(gòu)，原理和性能指標(biāo)，還必須懂得傳感器經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號(hào)的處理，顯示和控制的要求，而且只有通過(guò)傳感器應(yīng)用實(shí)例的原理和智能傳感器實(shí)例的分析和了解，才能將傳感器和信息通信和信息處理結(jié)合起來(lái)，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)，研制，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。另一方面?zhèn)鞲衅髌鞯谋粶y(cè)信號(hào)來(lái)自于各個(gè)領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力，提高工效和時(shí)效，各自都在開(kāi)發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器，于是種類繁多的新型傳感器和傳 感系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。溫濕度傳感器是其中重要的一類傳感器。其發(fā)展速度非常之南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 共 50 頁(yè) 快，以及其應(yīng)用非常之廣，并且還有很大的發(fā)展?jié)摿Α? 為了提高對(duì)傳感器器的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是對(duì)溫濕度傳感器的深入研究以及其用法和用途，基于實(shí)用，廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本論文利用單片機(jī)結(jié)合溫濕度度傳感器技術(shù)而設(shè)計(jì)了這一數(shù)字式溫濕度儀。 （ 3） 本課題主要研究?jī)?nèi)容 主要研究的是數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)變換處理、量程變換，計(jì)算機(jī)接口電路，輸入通道及顯示。系統(tǒng)是以 STC89S52 單片機(jī)為核心，配合 SHT10 溫濕度傳感器，以及相關(guān)的電路組成?？梢越邮账?測(cè)環(huán)境的溫度和濕度信號(hào)，檢測(cè)人員可以通過(guò)儀器的 LCD 液晶 顯示數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境的溫度和濕度情況。所有的測(cè)量操作都可以通過(guò)主機(jī)控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。由溫度和濕度傳感器得到的測(cè)量信號(hào)，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)一定的放大送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)軟件分析處理后送顯示裝置， CPU 根據(jù)檢測(cè)到的溫度和濕度結(jié)果，判斷溫度，濕度是否在界定的范圍內(nèi)，由此啟動(dòng)系統(tǒng)的報(bào)警，并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，直到溫度和濕度達(dá)到界定范圍。為了提高系統(tǒng)智能化、可靠性和實(shí)用性，采用溫度補(bǔ)償電路，線性補(bǔ)償，自動(dòng)校準(zhǔn)等。能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度，濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)的參數(shù)檢測(cè)，數(shù) 字顯示及參數(shù)修改，報(bào)警。相對(duì)濕度在 0%~100%之間，溫度量程范圍在 10~100 度之間，測(cè)量精度達(dá)到 %。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 50 頁(yè) 1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)?？梢苑譃榘藗€(gè)模塊，分別為：?jiǎn)纹瑱C(jī) STC89C52的實(shí)時(shí)控制模塊、 LCD 的實(shí)時(shí)顯示模塊、報(bào)警電路、串口通訊接口電路模塊、按鍵復(fù)位電路模塊、 5 路單鍵盤(pán)輸入控制模塊、 AT24C04 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，時(shí)鐘電路及 SHT10 傳感器數(shù)據(jù)采集部分。 本設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)八個(gè)模塊來(lái)分別介紹，這個(gè)系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的連接方式可表示為下圖 所示 ： 圖 系統(tǒng)總原理 框 圖 系統(tǒng)功能總介紹： 采用 SHT10 溫濕度傳感器和時(shí)鐘芯片 DS1302，對(duì)外部溫度濕度信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路， A/D 轉(zhuǎn)換電路，溫度補(bǔ)償?shù)葦?shù)據(jù)處理，檢測(cè)到的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字 輸入單片機(jī)再由 LCD1302 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示。采用按鍵的方式來(lái)進(jìn)行復(fù)位。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用 AT24C04 存儲(chǔ)芯片，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，需要調(diào)用歷史數(shù)據(jù)時(shí)可以通過(guò) MAX232 串口下載。 MAX232 還具有將編寫(xiě)好的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)的功能。用 5 路單鍵電路實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改，保存能功能。當(dāng)被 測(cè)參數(shù)超過(guò)設(shè)定的上下限時(shí)，報(bào)警電路自動(dòng)啟動(dòng)直至被測(cè)參數(shù)符合設(shè)定要求為止。 單 片 機(jī)STC89C52RC 時(shí)鐘模塊 DS1302 按鍵輸入 溫濕 度傳感器 SHT10 電源 電路 串口 通信 LCD溫濕度 顯示 蜂鳴器 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 AT24C04 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 50 頁(yè) 2 單片機(jī) 簡(jiǎn)介 STC89C52 是一種帶 8K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 STC 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， STC89C52 是一種高效 微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。下圖 是單片機(jī) STC89C52 的引腳圖： 圖 單片機(jī) STC89C52芯片 單片機(jī) STC89C52 的主要特性如下 ： ? 8 位 CPU ? 21 個(gè)特殊功能寄存器 ? 4 個(gè) 8位并行 I/O 口 ? 1 個(gè)全雙工串行 I/O 口 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 50 頁(yè) ? 3 個(gè) 16位計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器 ? 5 個(gè)中斷源，分為 2 個(gè)優(yōu)先級(jí) ? 256 字節(jié)片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM，另有 128 字節(jié)特殊寄存器 ? 8K 字節(jié)片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 ROM ? 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間為 64KB ? 邏輯操作為尋址功能 ? 單一 +5V 電源供電 ? 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 VCC：正常運(yùn)行和編程檢驗(yàn)時(shí)為 +5V。 VSS：地線。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用 作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě)“ 1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 50 頁(yè) P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個(gè)TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫(xiě)入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 STC89C52 的一些特殊功能口，如下表 所示： 表 P3口引腳說(shuō)明表 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口 ） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0外部輸入） T1（記時(shí)器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí) ， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無(wú)效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1時(shí)， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng)南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 50 頁(yè) /EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 RST/VPD：?jiǎn)纹瑱C(jī)工作時(shí)，如該引腳輸入超過(guò) 24 個(gè)時(shí)鐘寬度的高電平信號(hào)，則使單片機(jī)復(fù)位。在 RST/VPD 和 VCC 之間接一個(gè) 22uF 的電容，同時(shí)在 RST/VPD和 VCC 之間接一個(gè) 22KΩ的電阻時(shí)，單片機(jī)就具備了加電時(shí)自動(dòng)復(fù)位 的功能。此外，如在此處外接 +5V 備用電源，可在 VCC 電壓突然下降或斷電時(shí)，保護(hù)片內(nèi) RAM中的信息不丟失，以便 VCC 恢復(fù)后繼續(xù)正常運(yùn)行。 XTAL1：接外部晶振。它是內(nèi)部一個(gè)反相放大器的輸入端，用外部時(shí)鐘時(shí)，此端接地。 XTAL2：接外部晶振的另一端。它是內(nèi)部一個(gè)反相放大器的輸入端，用外部時(shí)鐘時(shí)，此端引入外部時(shí)鐘脈沖。 STC89C52在本文中的應(yīng)用 STC89C52 本身的特性已經(jīng)介紹完畢，在本文中各引腳的應(yīng)用如 附錄 1總 硬件 圖所示： P0 口用于 LCD 顯示輸出模塊 ， 控制被測(cè)溫濕度的實(shí)時(shí)顯示。（ 數(shù)據(jù)顯示位置 ，字長(zhǎng)等） P2 口用于 5 路單鍵鍵盤(pán) 的輸入 ，實(shí)現(xiàn)報(bào)警上下限參數(shù)的修改，數(shù)據(jù)保存等功能。 P1 口用于時(shí)鐘電路和傳感器采集的數(shù)字信號(hào)的輸入， 獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 P3 口用于數(shù)據(jù)通訊模塊，單片機(jī)與 MAX232 之間的通信能把程序指令寫(xiě)入單片機(jī)，保存 的歷史 數(shù)據(jù)下載至帶通訊功能的設(shè)備。單片機(jī)與 AT24C04之間的通訊能實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)字信號(hào)的保存，以便日后有需要?dú)v史數(shù)據(jù)時(shí)調(diào)用。單片機(jī)的復(fù)位采用外圍電路手動(dòng)復(fù)位方式，時(shí)鐘信號(hào)也由外部晶振電路提供，分別與 XTAL1,XTAL2 接口相接。以上是單片機(jī)在本設(shè)計(jì)中總體應(yīng)用，其引腳的具體應(yīng)用 分 別如下列各個(gè)模塊的介紹所示： 南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 共 50 頁(yè) 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) LCD 液晶顯示模塊 LCD芯片介紹 LCD 是 Liquid Crystal Display 的縮寫(xiě)。一般而言， LCD 顯示器都是以點(diǎn)矩陣的顯示方式來(lái)顯示文字或圖形數(shù)據(jù)。實(shí)際上， LCD 是由一些專為 LCD 設(shè)計(jì)的芯片所控制，如日立公司的 HD44780。這些芯片與 LCD 構(gòu)成一個(gè) LCM 模塊（ LCD Module）。因此， LCM 的顯示接口十分簡(jiǎn)單，只要熟悉 LCM 的規(guī)格，即可在 LCD上顯示所要的信息。 LCD 液晶顯示器的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃中放置 液態(tài)的晶體，玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)電線，通過(guò)通電與否來(lái)控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來(lái)產(chǎn)生圖像或文字。常用的 LCD 有筆段型、字符型和圖形型三種：筆段型最簡(jiǎn)單，以長(zhǎng)條狀顯示像素組成一位顯示，例如電子計(jì)算器，其控制與 8 段 LED差不多；字符型和圖形型一般采用點(diǎn)陣列來(lái)進(jìn)行字母、數(shù)字和符號(hào)的顯示，其控制相對(duì)復(fù)雜。字符型 LCD 一般在模塊控制驅(qū)動(dòng)器內(nèi)有已固化好字符字模的字符庫(kù)CGROM（下文會(huì)詳細(xì)介紹），本身具有字符發(fā)生器，使用者只需寫(xiě)入對(duì)應(yīng)編碼即可顯示該字符。若要顯示字符庫(kù)中沒(méi)有的圖形就很困難，雖然一般字 符型 LCD 也有讓用戶自定義建立專用字符的隨機(jī)存儲(chǔ)器