【正文】 總結(jié)與展望 ............................................................ 26 致 謝 ................................................................... 28 參考文獻 ................................................................ 29 附錄 .................................................................... 30 基于單片機的溫濕度檢測系統(tǒng)硬件設計 1 1 緒論 課題的研究背景 工業(yè)生產(chǎn)中有些場合需要使用精密的機臺設備，這些設備的精密度高、價格高，因此為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量及機臺的使用壽命，對其環(huán)境的要求也很高，尤其的是對溫度、濕度的控制。所有的測量操作都可以 通過主機控制軟件來實現(xiàn)，溫度和濕度傳感器得到的測量信號，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換為電信號，然后濕度通過光電耦合送到單片機進行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)軟件分析處理后送顯示裝置。而現(xiàn)在所使用的溫濕度檢測系統(tǒng)通常都是精度為 1℃ 或 ℃ 的水銀、煤油或酒精溫度計進行的溫度檢測和用傳統(tǒng)的物理模擬量的方法進行的濕度檢測。如化工生產(chǎn)中對溫度的檢測不當就會導致生產(chǎn)效率的降低和產(chǎn)品質(zhì)量的下降。本設計是以單片機（ AT89S52）為核心，配合溫度傳感器（ DS18B20）和濕度傳感器 (HIH3610)，以及相關(guān)的外圍電路組成的檢測系統(tǒng)，可以接收所測環(huán)境的溫度和濕度信號，檢測人員可以通過數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控環(huán)境的溫度和濕度情況。 關(guān)鍵詞 ： AT89S52 單片機，溫度傳感器，濕度傳感器， LED 顯示 II Design of Temperature and Humidity Detection Hardware System Based on Microproccessor ABSTRACT As people39。常用溫濕度傳感器的非線性輸出及一致性較差，使溫濕度的測 量方法和手段相對較復雜，且給電路的調(diào)試帶來很大的困難。另外和控制電路相連，可以進行加濕電路和除濕電路的控制，使溫度和濕度參 數(shù)在預先設定的范圍內(nèi)，不需要人的直接參與。從 20 世紀 80 年代起，日本就將傳感器技術(shù)列為優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)之首，美國等西方國家也將此 技術(shù)列為國家科技和國防技術(shù)發(fā)展的重點內(nèi)容。水銀溫度計至今仍是各種溫度測量的計量標準。如銅電阻、鎳電阻、鉑電阻等，它們的特點是穩(wěn)定性好、耐高溫，如鉑電 阻有的可達六、七百度。更高溫度測量需使用熱電耦。這類器件 的優(yōu)點是在 50℃ ~+150℃ 范圍內(nèi)有良好的特性，體積小、響應時間快、價格低。檢測精度在 177。微波波溫度檢測器是利用在不同溫度下，溫度與控制電壓成線性關(guān)系的原理制成的。與模擬傳感器相比，數(shù)字式傳感器在精度、分辨率、可靠性、抗干擾能力以及器件微小化方面都有明顯的優(yōu)點，由于采用數(shù)字反饋方式，比較器的失調(diào)電壓和零點漂移不會影響溫度的轉(zhuǎn)換精度，而且，輸出的溫度數(shù)據(jù)和相關(guān)的溫度控制量可以適配各種微控制器。比如實際應用時需加修正值，測溫范圍不寬，一般為 50～ +l50℃ 。國內(nèi)濕度傳感器研制與生產(chǎn)方面，開始于二十世紀八十年代，且研究單位多于生產(chǎn)廠家，多數(shù)從事電解質(zhì)、陶瓷類以及高分子類傳 感器的研制與開發(fā)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和光通 信技術(shù)的發(fā)展，信息的傳輸、處理技術(shù)有了突破性的進展，發(fā)展相對滯后的傳感器技術(shù)業(yè)已得到全世界的普遍重視。 （ 2） 小型化。有兩種類型。 （ 4） 數(shù)字化。它兼有檢測、信息處理、推理、聯(lián)想和控制等各種功能，重點是具有邏輯功能，是傳統(tǒng)傳感器無法比擬的。滿足了對作物生長狀態(tài)實行全面、實時、長期監(jiān)測的要求。 （ 4） 對模擬設備采集到的數(shù)據(jù)，為防止失真，采用了數(shù)據(jù)插值算法。 第二章是 系統(tǒng)總體設計方案的確定 ， 溫濕度傳感器，單片機， 顯示 模塊的選擇。 基于單片機的溫濕度檢測系統(tǒng)硬件設計 5 2 系統(tǒng)總體方案設計 該系統(tǒng)以單片機為控制核心，采用溫濕度測量，通信技術(shù)，誤差修正等關(guān)鍵技術(shù)，以溫濕度傳感器作 為測量元件，構(gòu)成智能溫濕度測量系統(tǒng)。 濕度根據(jù)測量空間或設備的實際需要，由多路溫度、濕度傳感器對關(guān)鍵溫、濕度敏感點進行測量，由單片機對各路數(shù)據(jù)進行循環(huán)檢測、數(shù)據(jù)處理、存儲，實現(xiàn)溫濕度的智能、多空間點的測量。 （ 4） 通信系統(tǒng)具有較高的可靠性、較好的實時性和較強 的抗干 擾能力。 要求達到的技術(shù)指標 ： 測溫范圍 ： 20℃ ~100℃ 測溫精度 ： ℃ 測濕范圍 ： 0100%RH 測濕精度 ： %RH 系統(tǒng)設計原則 要求單片機系統(tǒng)應具有可靠性高、操作維護方便、性價比高等特點。因此在設計時，要盡可能減少人機交互接口，多采用操作內(nèi)置或簡化的方法。單片機種類很多，在眾多 51 系列單片機中，較為常用的是 ATMEL 公司的 AT89C51 和 AT89S52 單片機，AT89C51 片內(nèi) 4K， ROM 是 Flash 工藝的，使用專用的編程器自己就可以隨時對單片機進行電擦除和改寫，片內(nèi)有 128 字節(jié)的 RAM。 溫度傳感器選用 隨著溫度傳感器智能化、集成化技術(shù)的進步，數(shù)字式溫度傳感器也得到了快速發(fā)展，世界上許多公司推出了新型的數(shù)字溫度傳感器系列。 常用的數(shù)字溫度傳感器主要有： （ 1） AD7418 是 美國模擬器件公司（ ADI）推出的單片溫度測量與控制用集成電其內(nèi)部包含有帶隙溫度傳感器和 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器。 AD7418 可以級聯(lián)至多 8基于單片機的溫濕度檢測系統(tǒng)硬件設計 7 片在同一個 I2C 總線上。 LM74 具有休眠模式，在休眠時消耗的電流不超過 10μA,適用于對功率消耗有嚴格限制的系統(tǒng)。3 ℃ 在 85℃ 時優(yōu)于 177。它最多允許在一根 MCU 的 I/O 總線上同時掛接 8 個MAX6575L/H 進行多點溫度測量。 DS18B20 的測溫范圍 55~+125℃ ，最高分辨率可達 ℃ ，由于每一個 DS18B20 出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其 ROM中，因此 CPU 可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展。其主要特點是采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號，響應速度快，重復性好，抗污染能力強。 （ 3） 頻率 /溫度輸出式集成濕度傳感器典型產(chǎn)品為 HTF3223 型。工作范圍：溫度 40~+85℃ ，相對濕度 0~100%RH，精度達到 177。%RH，溫度工作范圍 30~+80℃ ，溫度特性好，高可靠性與長時間穩(wěn)定性，在長時間處于飽和狀態(tài)后快速脫濕，反應時間 10s，對化學品有較高的抵抗性，浸水沒有影響。3%RH（ 10~95%RH 范圍），防灰塵，可有效抵抗各種腐蝕性氣體物質(zhì)，非常低的溫度依賴性，長期穩(wěn)定性好，反映時間 5s，廣泛應用于機房監(jiān)控，智能樓宇，倉庫監(jiān)控等控制場合，價格實惠，是一款性價比極高的濕度傳感器。 顯示 模塊 的選用 顯示有串行和并行兩種方式。 可見液晶顯示器在使用中有眾多的限制條件，但它同時也有一定的優(yōu)勢，其中最明顯的就是低功耗，消耗電流一般是 PA 級的。濕度傳感器是采用了 HIH3610 相對濕度傳感器它 是一種熱固聚脂電容式傳感器。選用的主要器件有 :溫度傳感器 DS18B20，濕度傳感器 HIH3610，單片機 AT89S52， 6 數(shù)碼管顯示模塊， MAX232，集成定時器 555 芯片等。傳感器這一基本特性可用靜態(tài)特性和動態(tài)特性來描述 [7]。而實際中大量的被測量是隨時間變化的動態(tài)信號，傳感器的輸出不僅需要精確地顯示被測量的大小，還要顯示被測量隨時間變化的規(guī)律，即被測量的波形。 溫度傳感器 美國 DALLAS 公司生產(chǎn)的 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，可以直接將被測溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號供微機處理，通過簡單的編程實現(xiàn) 9 位的溫度讀數(shù)。 （ 2） DS18B20 支持多點組網(wǎng)功能，多 個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書 ） 12 DS1820采用 3腳 TO92封裝 或 8腳 50封裝，管腳排列如圖 31所示 ： 圖 31 DS18B20的引腳 對圖 31中 DS18B20的引腳功能說明如下 ： NC： 空引腳，不連接外部信號。 DQ： 引腳的 I/O為數(shù)據(jù)輸入 /輸出端 (即單線總線 )，該引腳為漏極開路輸出，常態(tài)下呈高電平。高溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率對溫度很敏基于單片機的溫濕度檢測系統(tǒng)硬件設計 13 感的振蕩器，為計數(shù)器 2提供一個頻率隨溫度變化的計數(shù)脈沖。為了補償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率 累加器提供的預置數(shù)也隨溫度相應變化。這樣，經(jīng)過比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，其最末位代表 ℃ ，四舍五入最大量化誤差為士 l/ZLSB，即 ℃ 。 DS18B20內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號 :同樣 的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號。一般情況下的溫度值應為 9位 (包含一位符號 )，但因符號位擴展成高 8位，故以 16位補碼形式讀出，陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書 ） 14 溫度和數(shù)字量的關(guān)系如表 31所示 。主機可以是微控制器，從機可以是單總線器件，它們之間的數(shù)據(jù)交換只通過一條信號線。為了保證在有效的時鐘周期內(nèi)，提供足夠的電流，這種情況下，用一個 MOSFET 管和單片機的一個 I/O 口來完成對 DS18B20 總線的上拉。比較而言，寄生電源方式少用一根導線，但它完成溫度測量所需的時間較長，而外部電源方式測量速度則要快些。2%RH，極好的線形輸出； （ 5） 5VDC 恒壓供電， ~ 放大線形電壓輸出； （ 6）低功耗設計 200181。 利用 HIH3610 的線性電壓輸出可直接輸入到控制器或其他裝置。傳感元件的多層結(jié)構(gòu)對應用環(huán)境的不利因素，諸如潮濕、灰塵、污垢、油類和環(huán)境中常見的化學品具有最佳的抗力。 在無片外擴展的存儲器的系統(tǒng)中，這 4 個端口的每一位都可以作為雙向通用 I/O 端口使用。片上 Flash 允許 ROM 在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。對 P0 端口寫 “ 1” 時，引腳用作高阻抗輸入。程序校驗時，需要外部上拉電阻。此外， 和 分別作定時器 /計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入（ ）和定時器 /計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ），具體如表 31 所示。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將 輸出電流（ In）。對 P3 端口寫 “ 1” 時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。晶振工作時， RST 腳持續(xù) 2 個 機器周期高電平將使單片機復位。 在一般情況下， ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。否則， ALE 將被微弱拉高。 EA /VPP：訪問外部程序存儲器控制信號。 XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 RS232C 接口 計算機與計算機或計算機與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。它是在 1970 年由美國電子工業(yè)協(xié)會 (EIA)聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標準。 （ 2） 接口的電氣特性 在 RS232C 中任何一條信號線的電壓均為負邏輯關(guān)系。 （ 3） 接口的物理結(jié)構(gòu) 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書 ） 20 RS232C 接口連接器一般使用型號為 DB25 的 25 芯插頭座，通常 插頭在 DCE 端，插座在 DTE 端 .一些設備與 PC機連接的 RS232C 接口，因為不使用對方的傳送控制信號，只需三條接口線，即 “ 發(fā)送數(shù)據(jù) ” 、 “ 接收數(shù)據(jù) 和“ 信號地 ” 。 （ 2） 傳輸速率較低，在異步傳 輸時，波特率為 20KbPs。單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和計算機之間可以方便地進行串口通訊。數(shù)碼管的體積小、輸出內(nèi)容的器件重量輕，并且功耗低，是一種理想的顯示單片機數(shù)據(jù)在單片機系統(tǒng)中有著重要的作用。其中 P 為小數(shù)點。實現(xiàn)濕度模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量便于單片機處理。 Q2P N51 3 8Q3P N51 3 8Q4P N51 3 8Q5P N51 3 8Q6P N51 3 8Q7P N51 3 8R 2 01 0 kR 2 11 0 kR 2 21 0 kR 2 31 0 kR 2 41 0 kR 2 51 0 k 圖 42 現(xiàn)實模塊連接電路 光電耦合 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書 ） 22 光電偶合器件（簡稱光耦）是把發(fā)光器件（如發(fā)光二極體）和光敏器件（如光敏三極管）組裝在一起，通過光線實現(xiàn)耦合構(gòu)成電 —光和光 —電的轉(zhuǎn)換器件 。下圖為與單片機的連接。如何將電容的變化量準確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C易于接受的信號，常用兩種方法 ： 一是將該濕敏電容置于運放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再 A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 ； 另一種是將該濕敏電容置于 555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集。當檢測的濕度值高于設定的濕度值范圍時 ，單片機 A