【正文】 指導(dǎo)教師 呂運(yùn)朋 2022 年 5 月 4 日黃河科技學(xué)院畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 I 頁 摘 要 溫濕度是環(huán)境中一個(gè)重要的物理參數(shù)， 人類的生存和社會(huì)活動(dòng)與溫濕度密切相關(guān) 。在生產(chǎn)和生活中的許多場(chǎng)合， 不論是倉庫管理、圖書保存，還是工業(yè)生產(chǎn)、居民生活，都對(duì)環(huán)境中的溫濕度有一定的要求， 在某些行業(yè)中對(duì)溫濕度的要求 更 高 。 并且隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)自己的生存環(huán)境越來越關(guān)注，而 且 空氣中溫濕度的變化與人體的舒適度和情緒 也 有直接的影響，所以對(duì)溫度、濕度的檢測(cè)就非常有必要了。該系統(tǒng)以AT89C51 單片機(jī)作為主控芯片，采用了具有精 度高、成本低、體積小、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)的 SHT11溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度與濕度的檢測(cè)，采用點(diǎn)陣字符型 LCD顯示溫濕度字母、數(shù)字。 關(guān)鍵 詞 ： AT89C51 單片機(jī) ，傳感器， LCD,溫濕度 黃河科技學(xué)院畢 業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 II 頁 Family Environment Montior Author:Qin Chang Ze Tutor:Lv Yun Peng Abstract The humiture is an important physics parameter of environment, human being39。 環(huán)境中的溫濕度直接影響著動(dòng)植物的生長(zhǎng)。環(huán)境溫濕度檢測(cè)可有效地避免上述情況的發(fā)生，并為溫濕度管理提供可靠地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 。在這個(gè)發(fā)展過程中，單片機(jī)發(fā)揮了重要的作用，本文介紹的濕度檢測(cè)儀就是以單片機(jī)作為核心控制器設(shè)計(jì)的。 本設(shè)計(jì)首先根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)生活的需要提出溫濕度檢測(cè)儀的功能要求，然后由這些具體要求設(shè)計(jì)出了硬件原理圖，采用模塊化的方法先將整個(gè)系統(tǒng)分成若干部分，然后逐模塊進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)，最后將各部分 結(jié)合起來協(xié)調(diào)工作。可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量環(huán)境中的溫度和相對(duì)濕度。它是 1 個(gè)帶細(xì)長(zhǎng)頸的大玻璃泡，倒置在 1 個(gè)盛有葡萄酒的器皿中，從其中抽出一部分空氣，酒面就上升到細(xì)頸內(nèi)。 干濕球濕度計(jì)的測(cè)量最是在 18 世紀(jì)，干濕球濕度計(jì)的準(zhǔn)確度還取決于干球、濕球兩支溫度計(jì)本身的精度；濕度計(jì)必須處于通風(fēng)狀態(tài)：只有紗布水套、水質(zhì)、風(fēng)速都滿足一定要求時(shí)，才能達(dá)到規(guī)定的準(zhǔn)確度。而濕度的測(cè)量從原先的 5％一 7％ RH 慢慢的提高變成了現(xiàn)在的 3%RH，在那些氣象方面的檢測(cè)精度反而更深，后來慢慢地將溫度以及濕度兩個(gè)集合在一起進(jìn)行測(cè)量，就 是現(xiàn)在的溫濕度監(jiān)測(cè)儀，這款儀器的應(yīng)用范圍還算是比較廣，同時(shí)也因?yàn)樗臏y(cè)量精度高廣受消費(fèi)者的喜好 [2]。信號(hào)線，控制線，電源線混雜在一起，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，容易受到傳輸距離、電電磁干擾的影響而邊的不穩(wěn)定 。溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)的完成建立在大量 研究工作的基礎(chǔ)上，在數(shù)據(jù)的采集、顯示及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)确矫孀隽?充分 實(shí)驗(yàn)，提出了多種可行的方案，可根據(jù)實(shí)際需要靈活變換。這一方面是對(duì)當(dāng)前工業(yè)溫濕度檢測(cè)技術(shù)的更新，另一方面也為人們的家庭生活更加舒適提供了條件。例如，供電部分可以做相應(yīng)的改進(jìn)，低功耗的同時(shí)采用新型能源，如與太陽能電池、熱差電池、壓差電池等，使電池壽命更長(zhǎng)，解決特使 領(lǐng)域環(huán)境的供電問題。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文說明書 第 3 頁 2 溫濕度檢測(cè)儀的工作原理及主要器件介紹 整體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)核心部件為 AT89C51，信號(hào)采集及處理部分由 SHT11構(gòu)成，進(jìn)入單片機(jī)后經(jīng)處理后通過 LCD 顯示溫濕度，其他組成部分為實(shí)時(shí)時(shí)鐘發(fā)生電路，產(chǎn)生同現(xiàn)在相同的時(shí)間和具體日期。 硬件中包括一個(gè)開關(guān)，為復(fù)位開關(guān) 。在測(cè)量結(jié)果中有超過設(shè)定溫濕度上下限的，通過超限模塊作出反應(yīng)。整體電路框圖如圖 。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文說明書 第 4 頁 圖 溫度檢測(cè)儀整體電路原理圖 主要芯片及原理介紹 單片機(jī) AT89C51 單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。單片機(jī)也被稱為微控制器（ Microcontroler），是因?yàn)樗钤绫挥迷诠I(yè)控制領(lǐng)域。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)提及要求嚴(yán)格的控制設(shè) 備當(dāng)中。 AT89C51是一種帶 2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文說明書 第 5 頁 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。 芯片引腳如圖 [3]。 本設(shè)計(jì)采用 LCD1602， LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的 16腳接口，其中： 第 1腳： VSS為地電源 第 2腳： VDD接 5V正電源 第 3腳： VO為液晶顯 示屏對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。當(dāng) RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng) RS為低電平 RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng) RS為高電平 RW為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文說明書 第 6 頁 第 7~14腳： D0~D7為 8位雙向數(shù)據(jù)線。它的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。 指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)反回到地址 00H。 指令 4：顯示開關(guān)控制。 指令 5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo) 。 指令 7：字符發(fā)生器 RAM地址設(shè)置 。 指令 9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文說明書 第 7 頁 命令或者數(shù)據(jù)，如果是低電平表示不忙。 指令 11：讀數(shù)據(jù) [3]。每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動(dòng)調(diào)整，時(shí)鐘操作可通過AM/PM指 示決定采用 24或者 12小時(shí)格式。時(shí)鐘 /RAM的讀 /寫數(shù)據(jù)以一個(gè)字節(jié)或多達(dá) 31個(gè)字節(jié)的字符組方式通信， DS1302工作時(shí)功耗很低，保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息時(shí)功率小于 1mW。 DS1302外部引腳排列及描述如圖 ， DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對(duì)某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點(diǎn)的記錄上，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時(shí)間同時(shí)記錄，因此廣泛應(yīng)用于 測(cè)量系統(tǒng)中 [46]。 DS1302內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 ，主要組成部分為：移位寄存器、控制邏輯、振蕩器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及 RAM。 圖 DS1302的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS1302的工作原理是： DS1302工作時(shí)為了對(duì)任何數(shù)據(jù)傳送進(jìn)行初始化，需要將復(fù)位腳（ RST）置為高電平且將 8位地址和命令信息裝入移位寄存器。時(shí)鐘 脈沖的個(gè)數(shù)在單字節(jié)方式下為 8+8(8位地址 +8位數(shù)據(jù) )，在多字節(jié)方式下為 8加最多可達(dá) 248的數(shù)據(jù) [710]。該傳感器將 CMOS 芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)融合，從而發(fā)揮出它們強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用，為開發(fā)高集成度、高精度、高可靠性的溫濕度 測(cè)控系統(tǒng)提供了解決方案。 DATA串行數(shù)據(jù)引腳； SCK串行時(shí)鐘輸入 圖 SHT11 外形及管腳排列示意圖 與傳統(tǒng)的溫濕度傳感器不同， SHT11 是基于 CMOS 技術(shù)的新型智能溫濕度 傳感器，它將溫濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、 A/D 轉(zhuǎn)換、二線串行接口全部集成于一個(gè)芯片內(nèi)。 圖 SHT11 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 SHT11 傳感器默認(rèn)的測(cè)量溫度和相對(duì)濕度的分辨率分別為 14 位、 12 位，通過狀態(tài)寄存器可降至 12 位、 8 位。 其測(cè)量的工作原理：首 先 利用 2 只傳感器分別產(chǎn)生相對(duì)濕度、溫度的信號(hào)；然后經(jīng)過放大，分別送至 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯(cuò) ；再通過二線串行 接 口將相對(duì)濕度及溫度的數(shù)據(jù)送至微控器完成非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償。通信協(xié)議與通用的 I2C總線協(xié)議是不兼容的，因此需要用通用微處理器 I/O 口模擬該通信時(shí)序。 表 命令控制代碼 表 命令代碼 含 義 00011 測(cè)量溫度 00101 測(cè)量適度 00111 讀內(nèi)部狀態(tài)寄存器 00110 寫內(nèi)部狀態(tài)寄存器 11110 復(fù)位命令，使內(nèi)部狀態(tài)寄存器恢復(fù)默認(rèn)值，下一次命令前至少等待 11ms 其他 保留 微處理器采用二線串行數(shù)字接口和溫濕度傳感器芯片 SHT11 進(jìn)行通信，所以硬件接口設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單；然而，通信協(xié)議是芯片廠家自己定義的，所以在軟件設(shè)計(jì)中，需要用微處理器通用 I/O 口模擬通信協(xié)議。傳感器上電后，要等待 1s 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。 DATA 用于微處理器與 DHT11 之間的通訊和同步 ， 采用單總 線數(shù)據(jù)格式 ， 一次通訊時(shí)間 4ms 左右 ,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分 ,具體格式在下面說明 ， 當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展 ,現(xiàn)讀出為零 .操作流程如下 ： 一次完整的數(shù)據(jù)傳輸 40bit， 高位先出。 從模式下 ， DHT11 接收到開始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕 度采集 ， 如果沒黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文說明書 第 11 頁 有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào) ， DHT11 不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集 .采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式 [12][13]。 DHT11 接收到主機(jī)的開始信號(hào)后 ， 等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束 ， 然后發(fā)送 80us 低電平響應(yīng)信號(hào) 。 (2) 總線為低電平 ， 說明 DHT11 發(fā)送響應(yīng)信號(hào) ， DHT11 發(fā)送響應(yīng)信號(hào)后 ， 再把總線拉高 80us， 準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù) ， 每一 字節(jié) 數(shù)據(jù)都以 50us 低電平時(shí)隙開始 ,高電平的長(zhǎng)短定了數(shù)據(jù)位是 0 還是 1。 當(dāng)最后一 字節(jié) 數(shù)據(jù)傳送完畢后 ， DHT11 拉低總線 50us， 隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài) 。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文說明書 第 12 頁 3 模塊功能介紹 復(fù)位電路部分 這種復(fù)位電路的工作原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)的復(fù)位電路在剛接通電時(shí)，剛開始電容是沒有電的，電容內(nèi)的電阻很低，通電后， 5V 的電通過電阻給電容進(jìn)行充電，電容兩端的電會(huì)由 0V 慢慢的升到 4V 左右（此時(shí)間很短一般小于 秒）， RC 構(gòu)成的微分電路在上電瞬間產(chǎn)生一個(gè)微分脈沖，其寬度大于兩個(gè)機(jī)器周期， 89C51 將復(fù)位。電路圖如圖 所示。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文說明書 第 13 頁 圖 傳感器電路 時(shí)鐘電路部分 此模塊是系統(tǒng)時(shí)間的實(shí)時(shí)顯示而設(shè)計(jì) 的，主要由芯片 DS1302 構(gòu)成，其中引腳 RST、CLK、 I/O 分別接單片機(jī) 、 、 口，屬于控制引腳。芯片連接簡(jiǎn)單，時(shí)間日期準(zhǔn)確。 圖 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路 超限處理電路 此部分電路比較簡(jiǎn)單，主要由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)蜂鳴器構(gòu)成，蜂鳴器接單片機(jī)的 口，一旦傳感器測(cè)定的溫濕度超過設(shè)定的限額，蜂鳴器就會(huì)連續(xù)發(fā)出“滴”的聲音，二極管發(fā)光提醒。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文說明書 第 14 頁 圖 超限處理電路原理圖 黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文說明書 第 15 頁 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 檢測(cè)儀的應(yīng)用軟件系統(tǒng)包括：主程序模塊、溫度檢測(cè)模塊、相對(duì)濕度檢測(cè)模塊、鍵盤和顯示模塊以及串行通信模塊。主程序采用中斷嵌套方式設(shè)計(jì)，各功能模塊子程序可直接調(diào)用。 主程序框圖 首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括單片機(jī)、 LCD、 DS130和 SHT11 的初始化，然后溫濕度傳感器 SHT11 進(jìn)行溫濕度的采集和處理，并把溫濕度的值通過單片機(jī)送給 LCD顯示出來，如果溫濕度超過設(shè)定的溫濕度的值，則會(huì)引起報(bào)警電路發(fā)出響聲和光亮。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文說明書 第 16 頁 圖 整體電路工作流程圖 主函數(shù)解析 include include include include include include include include include void Delay1ms(unsigned int count) { unsigned int i,j。icount。j120。 SHT_dat aa。 LCD_Initial()。 Print(Temper:)。 Pri