【文章內容簡介】 及。 本設計 的 主要內容 和目標 本設計的主要任務 內容 是以 STC公司生產(chǎn)的 STC89C52單片機為 系統(tǒng)的 控制核心，以 DHT11溫濕度傳感器 作 為環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)采集裝置， 采集周圍環(huán)境的實時溫度和濕度的數(shù)值并上傳給單片機分析處理，并將處理結果輸出到 以 LCD1602 液晶顯示器 的 數(shù)據(jù) 輸出 顯示裝置 ，山東工商學院 201X 屆畢業(yè)論文 4 完成對所處位置周圍環(huán)境溫度以及濕度的實時監(jiān)測顯示和超限報警功能 。 同時 可 顯示溫度和濕度的上下限設定值并可隨時根據(jù)實際需要 通過鍵盤輸入模塊調整設置新的溫 度 和濕度的 上下限數(shù)值。 本設計的目標是設計出一款具有實用價值、操作簡單、 費用低廉的溫度和濕度的實時監(jiān)測和報警系統(tǒng)，用于工作車間、蔬菜大棚、物流倉儲、花卉培育室以及對溫濕度要求比較高的生物化學實驗室等場所，以此來達到對上述對溫度和濕度有著特定要求的場所的實時監(jiān)測功能，并在溫度或者濕度超出限定范圍時發(fā)出聲光報警，以提醒有關人員 注意調節(jié) 相關場所的溫度和濕度 ，以免發(fā)生不必要的損失。 山東工商學院 201X 屆畢業(yè)論文 5 第二章 系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)功能要求與技術指標 功能要求 1. 通過數(shù)字溫濕度傳感器 DHT11 實現(xiàn)對環(huán)境溫濕度參數(shù)的實時采集， 并即時傳輸給單片機； 2. 單片機將 來自溫濕 度傳感器的信號進行分析和處理 ； 3. 單片機將 分析處理后 的溫濕度實時數(shù)據(jù)發(fā)送給 LCD1602 液晶顯示屏， 通過 LCD1602 液晶 顯示屏完成溫濕度 數(shù)據(jù) 的實時對外 顯示； 4. 設置溫濕度上下限數(shù)值， 當溫度或者濕度超限時由蜂鳴器和 LED 發(fā)光二極管發(fā)出聲光報警。 技術指標 1. 供電電壓： ~ DC 2. 測量范圍： 濕度 2095%RH， 溫度 050℃ 3. 測量精度： 濕度177。 5%RH， 溫度177。 2℃ 4. 分 辨 率： 濕度 1%RH， 溫度 1℃ 5. 長期穩(wěn)定性： 177。1%RH/ 年 系統(tǒng)設計思路 電路總體上分為溫濕度采集部分、中央處理器、顯示模塊以及報警模塊 4 個 主要 部分。以 STC89C52 單片機最小系統(tǒng)作為核心控制電路，控制 DHT11 傳感器采集的溫濕度的轉換，控制 1602 液晶屏的顯示，以及蜂鳴器的報警。具體顯示內容及方式由軟件來完成。采集溫濕度方面由 DHT11 傳感器來完成，它是一個數(shù)字溫濕度傳感器、內置模數(shù)轉換，可以直接與單片機相連接。而 1602 液晶屏是插針 式，也可以直接與單片機相連接。因此不需要手動焊接等復雜的過程。具體步驟是：按照原理圖將傳感器、 1602 液晶顯示屏分別接入單片機。通過 DHT11傳感器采集當前的溫濕度 數(shù)值， 再經(jīng)單片機，將處理后的數(shù)據(jù)傳 送到液晶屏上顯示出來。并且接入蜂鳴器。設置溫 、濕度的上下限值， 實現(xiàn)超 限報警。 山東工商學院 201X 屆畢業(yè)論文 6 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。設計原則有以下幾個 。 1. 可靠性高 ： 可靠性是單片機系統(tǒng)應用的前提，在系統(tǒng)設計的每一個環(huán)節(jié)，都應該將可靠性作為首要的設計準則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個 方面考慮：使用可靠性高的元器件；設計電路板時布線和接地要合理；對供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出通道抗干擾措施；進行軟硬件濾波等。 2. 操作維護方便 ： 在系統(tǒng)的軟硬件設計時，應從操作者的角度考慮操作和維護方便，盡量減少對操作人員專業(yè)知識的要求，以利于系統(tǒng)的推廣。因此在設計時，要盡可能減少人機交互接口，多采用操作內置或簡化的方法。 3. 性價比高 ： 單片機除體積小、功耗低等特點外，最大的優(yōu)勢在于高性能價格比。一個單片機應用系統(tǒng)能否被廣泛應用，性價比是其中一個關鍵因素。因此，在設計時，除了保持高性能外，盡可能降低 成本，如簡化外圍硬件電路，在系統(tǒng)性能和速度允許的情況下盡可能用軟件功能取代硬件功能等。 系統(tǒng)方案論證與選擇 單片機芯片選擇 方案一：采用 AT89C51 單片機 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 型 8位單片機，器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內置通用 8位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲單元，功能強大。其片內的 4K 程序存儲器是 FLASH 工藝的，這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。寫入單片機內的 程序還可以進行加密，這又很好地保護我們的勞動成果。再者， AT89C51 目前的售價比 8031 還低，市場供應也很充足。 AT89C51 可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。只要程序長度小于 4K，四個 I/O 口全部提供給用戶?？捎?5V 電壓編程，而且擦寫時間僅需 lOms。 AT89C51 芯片提供三級程序存儲器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。 PO口是三態(tài)雙向口，通稱數(shù)據(jù)總線口，因為只有該口能直接用于對外部存儲器的讀 /寫操作。 方案二：采用 STC89C52 單片機 山東工商學院 201X 屆畢業(yè)論文 7 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51 內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器，內置 4KB EEPROM， MAX810復位電路 ， 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器， 4 個外部中斷，一個 7 向量 4 級中斷結構（兼容傳統(tǒng)51 的 5向量 2級中斷結構），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率 35MHz， 6T/12T 可選。 比較這兩種方案，由于在學校期間學過數(shù)字電路、單片機原理、 C 語言程序設計，綜合考慮 本系統(tǒng)需要滿足 的技術指標 、 單片機的各部分資源 、 硬件設計的性價比 以及 作為學生能夠獲得的資源， 加之 學校也提供了相應的硬件操作平臺，實際操作起來比較方便，故 STC 為更合理的選擇 ，即選擇方案二。 傳感器選擇 方案一：采用熱電阻溫度傳感器和 HOS201 濕敏傳感器 熱電阻是利用導體的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫元件?，F(xiàn)應用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點為精度高、測量范圍大、便于遠距離測量。鉑的物理、化學性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強，易提純，復制性好，工業(yè)性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測中高精密測溫和溫 度標準。缺點是價格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場影響大，在還原介質中易被玷污變脆。銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價格低，也易于提純和加工；但其電阻率小，在腐蝕性介質中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于 50～ 180℃測溫。 HOS201 濕敏傳感器為高濕度開關傳感器，它的工作電壓為交流 1V 以下，頻率為 50HZ～1KHZ，測量濕度范圍為 0～ 100%RH，工作溫度范圍為 0～ 50℃，阻抗在 75%RH（ 25℃）時為 1MΩ。這種傳感器原是用于開關的傳感器，不能在寬頻帶范圍內檢測濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而 ，這種傳感器只限于一定范圍內使用時才具有良好的線性，從而有效地利用其線性特性。 方案二：采用 DHT11 溫濕度傳感器 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器 ，它應用山東工商學院 201X 屆畢業(yè)論文 8 專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC 測溫元件，并與一個高性能 8 位單片機相連接，因此，該產(chǎn)品具有品質卓越、超快響應，抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。 綜上所述，我們選擇方案二 的 DHT11 作為本系統(tǒng)的溫濕度傳感器。 顯示 器選擇 方案一：采用 LED 數(shù)碼管顯示 用發(fā)光二極管（簡稱 LED）組成的字形來顯示數(shù)字，七個條形 發(fā)光二極管排列成七段組合字型，便構成了半導體數(shù)碼管。半導體數(shù)碼管分共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管，此次設計采用 共陰極數(shù)碼管顯示，即七個發(fā)光二極管的陰極連在一起接地。當共陰極數(shù)碼管的某一陽極接高電平時，相應的二極管發(fā)光，根據(jù)字形使某幾段二極管發(fā)光，所以共陰極數(shù)碼管需要輸出高電平有效的譯碼器來驅動。 數(shù)碼管亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定，從而得到了廣泛的應用，但對于溫濕度的顯示不太方便，而且連 線復雜。 方案二：采用 1602 液晶屏 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。 1602 具有輕薄短小、低壓微功耗、體積小、無輻射、平面直角顯示及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)點，且可視面積大、效果好、分辨率高、抗干擾能力強，適合用于顯示字母、數(shù)字、符號等信息，而且不需要擴展過多外圍電路，可由單片機直接進行控制輸出顯示 。 相對而言，液晶顯示器顯示質量高、體積小、功耗低等特點，而且其電路設計簡單，操作更加方便。加之，由于本系統(tǒng)需要顯示的內容多且要顯示一些特殊字符如 等于號、百分號、字母等，數(shù)碼管無法顯示，因此我們選擇方案二 LCD 液晶屏 顯示。 報警器選擇 方案一：采用語音芯片 ISD1820 美國 ISD 公司于 2021 年最新推出一種單片 8～ 20 秒單段語音錄放電路 ISD1820，它的基本結構與 ISD11 1420 完全相同，采用 CMOS 技術，內含振蕩器，話筒前置放大，自動增益控制，防混淆濾波器，揚聲器驅動及 FLASH 陣列。 ISD1820 的地址模式必須要精確計算錄音時間與地址單元的換算，才能確定每段語音的山東工商學院 201X 屆畢業(yè)論文 9 起始地址，除非使用 ISD 公司生產(chǎn)的 ISD1425 高級語音編 程拷貝機進行自動分段錄音并將地址讀出，否則使用起來還是很麻煩的。而操作模式雖然可以不用擔心語音地址的問題，但在多段錄放上的操作略顯繁瑣，完成一個功能要進行多個管腳的操作，使用起來不是很方便。而且 ISD1820 價格昂貴，貨源稀缺，雖功能強大，但不是最佳選擇。 方案二：采用壓電式蜂鳴器 壓電式蜂鳴器是一種電聲轉換器件。將 壓電材料 粘貼在金屬片上，當壓電材料和金屬片兩端施加上一個電壓后，因為 壓電效應 ，蜂鳴片就會產(chǎn)生機械變形而發(fā)出聲響。壓電材料有多種，用在蜂鳴片上的壓電材料通常是高壓極化后的 壓電陶瓷 片。蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成，有 的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構成，當接通電源后（ 直流工作電壓）多諧振蕩器起振輸出 的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。因此該產(chǎn)品電路設計簡單，操作更加方便，而且具有很高的性價比。 綜上所述，本設計選擇方案二 蜂鳴器 作為本系統(tǒng)的報警模塊。 系統(tǒng)整體 設計 系統(tǒng)整體 框圖 由 本 系統(tǒng)的設計思路和相關的功能要求 ，同時也充分考慮到要盡可能的降低系統(tǒng)運行的成本， 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ， 降低系統(tǒng)的復雜程度， 最終確定 的系統(tǒng) 的 整體 框圖 便 如下圖 21所示。 山東工商學院 201X 屆畢業(yè)論文 10 圖 21 系統(tǒng)總體 框圖 本系統(tǒng)是采用電路模塊化設計的 智能 溫濕度檢測報警器，目前被廣泛應用于 工作車間、蔬菜大棚、物流倉儲 等領域。 由上圖可以很直觀的看出本溫濕度檢測報警系統(tǒng)設計的組織結構， 本系統(tǒng) 主要由 STC89C52 單片機、 DHT11 溫濕度傳感器、 LCD1602 液晶顯示器、蜂鳴器等器件組成 。 系統(tǒng)工作原理 溫濕度傳感器 DHT11 將從所處周圍環(huán)境中采集到的溫度和濕度數(shù)據(jù)上傳給控制核心STC89C52 單片機， STC89C52 單片機 將得到的溫度和濕度數(shù)據(jù)進行分析和處理，同時，將相應的 數(shù)據(jù)傳遞給顯示模塊 LCD1602 液晶顯示器顯示。當檢測到的溫度或者濕度的數(shù)值高于 設定的溫濕度上 限或者 低于 設定的溫濕度 下限時，由蜂鳴器和 LED 發(fā)光二極管發(fā)出聲光報警。 其中，溫濕度的上下限數(shù)值可以 通過 按鍵 在規(guī)定范圍內 自由設置。 STC89C52單片機 DHT11 溫濕度采集模塊 LCD 液晶顯示模塊 復位模塊 按鍵輸入模塊 蜂鳴