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温湿度测量系统设计


河南城建学院本科毕业设计(论文)

摘要





本毕业设计设计了一个宽量程多点智能化的温湿度监测应用系统。随着科学 技术的日新月异,人类社会取得了长足的进步!在居家生活、工农业生产、气象、 环保、国防、科研、航天等部门,经常需要对环境中的湿度和温度进行测量及控 制。本系统采用技术成熟的 SHT

11 芯片作为测量湿度和温度的传感器。SHT11 是 内部集成 IIC 总线接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器。SHT11 具 有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。SHT11 全量程标定, 并且可以二线数字输出。SHT11 的湿度测量范围为 0—100%Rh,温度测量范围为 -40℃—+123.8℃,湿度测量精度为±3.0%Rh,温度测量精度为±0.4℃,响应时 间<4s;内部自带信号调理电路和 A/D 转换电路。控制系统芯片采用技术成熟,功 能强大、价位低廉大众化的 AT89C51 单片机。LED 显示电路,声光报警电路都由 AT89C51 单片机控制。同时设计了能给系统提供稳定工作电压的电源电路。为了提 高系统的抗干扰性能,对湿度、温度的检测采用了硬件抗干扰和软件抗干扰的综 合方法。硬件采抗干扰措施采用集成看门狗芯片 DS1232,它使系性能得到了改善。 最后设计了系统各个功能部分的软件程序。在设计中,对误差产生的原因也进行 了一些理论上的分析,并证明了这种设计方案是可行的。由本设计课题做成的温 湿度检测系统结构简单、价格便宜、量程宽,具有较高的可靠性、安全性及实用 性。

关键词:单片机 SHT11 温湿度传感器 IIC 总线接口

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摘要

ABSTRACT
This paper has designed an intelligent temperature and humidity measurement system with many measuring points. With the new science and technology increasingly, our society has made great progress! In the industrial and agricultural production , meteorology, environmental, national defense, scientific research, aerospace, other and departments, it is usually necessarily to measure and control the environmental temperature and humidity. The virtual network rapid development of a more long-range temperature and humidity control of the increasingly mature. This system uses the technology mature SHT11 as temperature and humidity-measuring the sensor. SHT11 is IIC bus interface with the monolithic whole new digital calibration of relative humidity and temperature sensors. SHT11 with digital output for debugging,for calibration,for the external circuit and the characteristics of the whole exchange. SHT11 has the whole range calibration , and can second-line digital output. The humidity range of -40℃—+123.8℃,humidity measurement range of 0—100%Rh,humidity measurement accuracy of ±3.0%Rh,temperature measurement accuracy of ±0.4℃,response time <4s;have its own internal signal conditioning circuit and A/D converter conversion circuit. The control use technology is mature,low price of the popular AT89C51,the keyboard instruments/monitors,switch control,alarm circuits and are directly linked AT89C51. Using the transformers, change AC to DC become necessarily. In order to improve the anti-jamming performance the humidity ,temperature detected by the anti-jamming hardware and software integrated approach to anti-interference. The watchdog circuit hardware is used to anti-interference,using a software command redundant technology,so that they have improved in performance. In the design, the errors of factors have also carried out some theoretical analysis to prove that this design is feasible. The issue posed by the design of more than make the temperature and humidity monitoring system is simple, cheap, wide range, higher degree of reliability, a safety and practicality.

Keywords: MCU

SHT11 temperature and humidity sensors

IIC bus interface

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摘要

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目录





1 绪 论…………………………………………………………………………………1 1.1 选题意义 ........................................................................................................... 1 1.1.1 生活环境与温湿度的关系 ..................................................................... 1 1.1.2 检测温湿度的意义 ................................................................................ 1 1.2 国内外发展趋势 ............................................................................................... 1 1.3 系统的主要性能指标 ....................................................................................... 2 1.4 主要工作任务 ................................................................................................... 2 1.5 本章小结 ........................................................................................................... 2 2 系统方案选择和工作原理…………………………………………………….……3 2.1 系统综述 ........................................................................................................... 3 2.2 系统设计方案选择 ........................................................................................... 3 2.3 系统工作原理 ................................................................................................... 4 2.4 本章小结 ........................................................................................................... 5 3 系统硬件设计……………………………………………………………………...6 3.1 AT89C51 构成的最小系统 ................................................................................ 6 3.1.1 晶振回路 ................................................................................................ 6 3.1.2 复位电路 ................................................................................................ 6 3.2 温湿度传感器的选择 ....................................................................................... 8 3.2.1 温湿测量相关概念 ................................................................................ 9 3.2.2 温湿度传感器的选择 .......................................................................... 10 3.2.3 SHT11 的工作原理 ............................................................................... 12 3.2.4 SHT11 的传输特性 ............................................................................... 14 3.2.5 IIC 总线简介 ....................................................................................... 15 3.3 温湿度测量回路的设计 ................................................................................. 16 3.4 显示电路设计 ................................................................................................. 17 3.4.1 LED 的两种接法 ................................................................................... 18 3.4.2 LED 的两种显示方法 ........................................................................... 18 3.5 报警电路设计 ................................................................................................. 19 3.6 电源电路设计 ................................................................................................. 20 3.7 本章小结 .......................................................................................................... 21 4 系统的软件设计……………………………………………………………………22 4.1 主程序的设计 ................................................................................................. 22 4.2 IIC 模块程序设计 .......................................................................................... 24 4.3 LED 显示程序设计 .......................................................................................... 24 4.4 报警电路程序设计 ......................................................................................... 24 4.5 本章小结 .......................................................................................................... 24 5 系统抗干扰措施……………………………………………………………………25 5.1 硬件抗干扰措施 .............................................................................................. 25 5.2 软件抗干扰措施 ............................................................................................. 26 5.3 本章小结 ......................................................................................................... 27 结 论………………………………………………………………………………….28
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目录

致 谢 ............................................................ 参考文献 ......................................................... 附录 A 系统原理图 ................................................. 附录 B 系统总程序 .................................................

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绪论

1 绪 论
1.1 选题意义
湿度和温度是测量领域内十分重要的被测对象。不管是人类赖以生存的居住 环境,还是工农业生产,亦或者是军事、气象观测等领域都需要对温度和湿度进 行测量和控制。随着电子技术、计算机技术、通信技术、传感器及传感器材技术 的迅速发展,测量领域内对温度和湿度的检测也取得了跨越式的发展!可以说对 温湿度的测量与控制水平直接影响到人类的所有活动。

1.1.1 生活环境与温湿度的关系
现代人类对生活环境的要求越来越高,尤其是温湿度的影响,温度高了或者 低了都直接影响着这个社会,而湿度低了或高了也同样影响着我们的生活以及其 他物种的生存条件。

1.1.2 检测温湿度的意义
湿度和温度是众多领域中需要检测的重要环境参数。不仅在工业、现代农业, 还是在气象卫星、仓库保管等领域,对温度和湿度的测量都是随处可见的。对温 度和湿度的测量与监控也是十分有意义的。对湿度和温度进行合理有效的调控不 仅可以节约能源还更有利各行业安全健康的发展。 在工业领域,各种现代化的机器设备都需要考虑其所在工作环境的温湿度。 电器设备是工业领域最常使用也是使用最多的基础设备。温湿度的高低对电器设 备的研发者来说是必须要考虑的重要课题。工程师在设计电器产品的时候必须要 考虑设计出的产品将来工作环境中温湿度的大小,使用过程中散热通风的问题。 选择合适的材料并且对电气设备外表面进行合理有效的封装可以提高电气设备的 使用寿命。大型的电器设备长期处于高电压、大电流和满负荷运行,其结果是造 成热量集结加剧,由电流热效应造成的危害直接影响电器设备的绝缘设施,危害 机器的正常运转和操作人员的人身安全,所以就要求对电气设备的温湿度状况进 行测量控制。 温湿度对植物、动物的生长都有一定的影响,当温度达到了植物和动物生长 所能承受的最高值和最低值时,这些植物和动物就会慢慢的消失,或者演变成其 他的一些物种,同样湿度也对动植物的生长有着不可小视的影响,所以对一定的 温湿度我们必须测量。同时我们也必须要记录大气的温湿度的变化,这样我们才 更能对我们的生活的环境的变化有个直观的了解!

1.2 国内外发展趋势
近年来,国内外在湿度和温度传感器研发领域取得了长足进步。温湿度传感 器正从结构复杂、功能简单向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展,为
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绪论

开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件,也将温度、湿度测量技术提高到新 的水平。国内数字温湿度仪测量温湿度采用的主要方法有:“温—阻”法和“湿— 阻”法,即采用电阻型的温湿度传感器,利用其阻值随温湿度的变化测定空气的温 度和相对湿度。受传感器灵敏度的限制,这类温湿度仪的精度不可能很高,一般条 件下还可以满足需要,但是在环境实验设备等对精度要求颇高的场合就难以满足 要求了。 目前,国外对温湿度传感器技术的研究也有了较大的进展,特别是用电阻式 温湿传感器发展更快,人们不仅在电阻式陶瓷温湿度传感器特性方面做了大量工 作,而且在高分子电阻式湿度传感器上做出可喜的研究成果。

1.3 系统的主要性能指标
根据生活环境,设计本产品的主要技术指标为: (1)测温范围:-20—+45℃;湿度测量范围为 0—100%Rh (2)温度测量精度:±0.5?C (3)湿度测量误差:≤4%Rh (4)可设置上、下限报警值,当湿度温度超限时,发出报警信号 (5)电源工作范围:DC4.5~5.5V

1.4 主要工作任务
在对各类湿度、温度传感器原理介绍的基础上,根据本毕业设计实际的任务 要求,完成湿度、温度传感器芯片的选型,系统芯片的选择,并设计显示接口电 路、电源电路、报警电路、部分功能电路的程序。系统开始工作后,根据初始条 件读取湿度值和温度值,测量数据经处理后,将其与设定的湿温度值比较,如果 发现当前的温湿度超限,则发出报警信号,未超限时,系统显示正常的湿温度度 值。

1.5 本章小结
本章主要介绍了所选课题的研究意义、温湿度测量国内外的发展趋势、系统 的主要性能指标、及主要任务。温湿度检测是本设计的核心,也是以后各章节着 重介绍的内容。

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系统方案选择和工作原理

2 系统方案选择和工作原理
2.1 系统综述
根据本设计第一章要求的性能指标,方案设计时不仅要考虑怎么样实现测量 一定精度的温湿度信号值的基本功能,还要考虑温湿度超限时系统的报警功能。 根据设计要实现的功能,还要考虑系统控制芯片扩展口分配方案。 选择 AT89C51 单片机就能够满足设计要求。AT89C51 单片机的 P1.0 口作为温 湿度测量切换控制, P1.1 作为多路测量芯片选择切换控制口,T0、T1 口为报警 控制口,X1、X2 为晶振回路端口,RESET、AEL 口作为复位电路接口,P2 口的前四 位作为 LEDP 的位选口,P1 口为 LED 字型码控制口。最后还要考虑设计系统选择元 器件的成本。作为家庭用的环境检测类仪器,系统工作的可靠性,实用性,长久 性指标也是系统在设计时值得考虑的几个因素。

2.2 系统设计方案选择
根据目前国内外市场上常用的各种温湿度检测仪器,结合本设计的设计任务 要求,能实现本设计要求的方案基本上有以下三种。 (1)纯模式 这种方案所有的电路均采用模拟电路构成,包括湿度、温度信号的采样、放 大电路、报警电压的电位调节设置,模拟比较器的选用以及驱动超限报警电路, 模拟的电磁结构的指针式显示电路等,尽管这种电路也能起到温度,湿度的实时 测量与报警,但是不能获得湿度、温度的历史数据,显示方式也不够直观,在抗 干扰性能上由于电路没有足够的判断能力可能会增加误报警从而引起错误动作, 而且在价格上也无优势可言,由上述原理构成的这类仪表被称之为第一代仪表, 目前设计的仪表中极少使用这类结构。 (2)数字式 这种方案在信号的采样、放大电路、报警设置以及报警电路等环节与第一种方案 区别不大,只是在放大电路后采用了 A/D 转换电路,它将模拟量转换成数字量, 然后经过驱动电路进行数码显示,它最大的好处是显示直观,这是模拟式产品向 智能式产品过渡的中间型产品,属于第二代仪表,在上个世纪 80 年代的设计中大 都采用这种结构的方案,在日常生活中看到的大都是未被替换的产品。在目前的 设计中,基本上是不采用这种方案的。 (3)智能式 这是目前检测类仪器首选的方案,利用目前成熟的计算机技术,依靠计算机 强大的处理能力,对数据前向通道采集到的湿度,温度数据进行判断、处理、存 储,并可采用十分简单的方法通过显示驱动芯片将显示信息送出进行数码显示。
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系统方案选择和工作原理

对测量所得结果超限时的报警处理可以按照测量时间的不同情况分别设置不同的 报警值。系统将会对测量回路巡回监测。 常规的环境参数中,湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛 发湿度计来测量湿度的方法,早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量 湿度要比测量温度复杂的多,温度是个独立的被测量,而湿度却受其它因素(大 气压强、温度)的影响。所以湿度的测量比温度的测量要复杂的多。 目前国内外对温度和湿度测量产品有很多,但是大部分的产品都是用红外热 辐射的传感器制作的。这种产品结构复杂,价格昂贵并不适用于大气的测量。本 设计使用比较常见的温湿度传感器和价格便宜的电子元器件,实现检测系统的智 能化。它还具有较高的安全性,可靠性,适用于一般的家庭。鉴于国外欧美等国 家微电子技术的发展,在不少的测试领域,将一个系统的所有电路,包括 CPU 都 集成在一块芯片上,构成一个集成的系统,况且这也是目前仪表发展的方向。所 以本设计采用集成芯片 SHT11 作为温湿度传感器。鉴于以上情况,本课题考虑到 国内目前的现状,构成器件的来源以及微电子技术的发展趋势,本设计决定采用 智能化的设计方案设计。 从节约能源和成本及使用方便的角度考虑,每一个设计都要本着满足设计要 求的前提下,尽量简单方便快捷的设计。这个原则适用各个领域。由于各种不可 克服的误差和适用环境的影响,检测仪表都存在一定的误差。不过我们还要竭尽 所能的降低误差,提高设计的精度。

2.3 系统工作原理
根据上述的方案选择和本课题的设计目标,加上目前智能仪表的一般特点, 本系统的原理结构框图如图 2-1 所示。由系统的原理图可以看出,实现本设计智 能测量系统的核心是 AT89C51 单片机。湿度和温度信号检测可以使用传统的电阻 式温湿传感器测量,也可以采用集成的智能温湿传感器芯片测量。集成传感器芯 片内部自带有信号放大电路。放大电路是提高单片机对信号进行识别的有效方法, 而且在复杂电路的各种设计领域中是最常用也是必须要采用的方法。由温湿度传 感器检测到的温湿度信号经过芯片内部的 A/D 转换电路,将模拟信号转化成数字 信号后通过 IIC 总线输入通道传送给单片机。为了提高测量的精度,提高信号的 转换质量,作为模拟信号转化成数字信号的 A/D 转换器,对其本身的性能要求也 很高,因此传感器芯片内要有性能良好的 A/D 转换器。作为智能化的检测仪器, 由 LED 实现的显示器使人们直观的观看到测量到的温度和湿度的值。在本设计系 统中,正常情况下,显示电路可以实时的显示室内的温度和湿度。当温度和湿度 超限时,报警电路可以立即发出警报,以便实现坏境温度和湿度的调整。

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系统方案选择和工作原理

湿度温度传感器

扩 展 单 片 通信 机 报警电路 显示电路

湿度温度传感器 I/O 湿度温度传感器 口

湿度温度传感器

图 2-1 系统原理图

2.4 本章小结
本章介绍了设计测量仪器的三种方式。最传统的是纯模模式。随着科学技术 的进步,采用这种设计方案设计出来的产品由于自身的缺陷性已满足不了当今社 会的要求,所以基本上被淘汰了。数字式检测仪表目前在实际应用中也很少用到。 智能式是目前检测仪表设计采用的主流方案,也是本设计选用的方式。根据设计 要求,本章对系统工作的原理也做了简要说明。

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系统硬件设计

3 系统硬件设计
为了实现检测系统的智能化,系统的硬件设计包括控制系统最小系统的设计, 湿度和温度测量回路的设计,显示电路的设计,报警电路设计,以及电源电路的 设计。

3.1 AT89C51 构成的最小系统
微型计算机即单片机是因工业测控系统数字化,智能化的迫切需求而发展起 来的。在测控领域,使用最多还是 Intel 公司的 MCS-51 系列单片机。MCS-51 系列 单片机是 8 位增强型,其主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线 和具有多级识别功能的串行通讯接口(UART) ,规范了功能单元的 SFR 控制模式及 适应控制器特点的布尔处理和指令系统。由于单片机具有较高的性能比,国内尤 其以 MCS-51 系列单片机应用最为广泛。此系列单片机易于开发、使用灵活、而且 体积小、抗干扰能力强,可以兼容种类众多的支持芯片、较为丰富的软件资源, 可以工作于各种恶劣的条件下,工作稳定等特点。考虑到本系统的需要以及本人 对单片机的熟悉程度,因此本设计选用 MCS-51 系列的 AT89C51 单片机作为本系统 的 CPU。由 AT89C51 单片机为核心的单片机最小系统包括晶振电路和复位电路。

3.1.1 晶振回路
晶振回路的主要任务是为 AT89C51 单片机正常工作需要的时钟电路提供一个 稳定的工作频率。 根据 AT89C51 单片机时钟周期的要求, 回路需要选用频率为 12MHz 的晶振。晶振回路由电容和陶瓷谐振器晶振组成。作为单片机的时钟源。AT89C51 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,此放大器的输入和输出端分别 是引脚 XTAL0 和 XTAL1,在 XTAL0 和 XTAL1 端口接上时钟电源即可构成时钟电路。 本设计中采用内部时钟产生方式。如图 3-2 所示。在 XTAL0 和 XTAL1 两端跨接晶 振,与内部的反相器构成稳定的自激振荡器。其发出的时钟脉冲直接送入单片机 内定时控制部件。电容 C5 和 C6 对频率有微调作用。电容 C5 和 C6 应尽可能的安 装在单片机芯片附近,以减少寄生电容,保证振荡器稳定可靠的工作。

3.1.2 复位电路
复位电路的功能就是对 CPU 进行实时检测,当 CPU 落入死循环之后,能及时 发现并使整个系统复位。若失控的程序进入“死循环”,通常采用“看门狗”技 术使程序脱离“死循环”。通过不断检测程序循环的运行时间,如果发现程序循 环时间超过最大循环运行时间,则认为系统陷入“死循环”,需进行出错处理。 本设计中采用 DS1232 看门狗芯片作为复位电路。 由美国 DALLAS 公司生产的“看门狗(WATCHDOG)”集成芯片 DS1232 具有性能 可靠、 使用简单、 价格低廉的特点。 DS1232 内部集成有看门狗定时器, DS1232 在 当
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系统硬件设计

的 ST 端在设置的周期时间内没有有效信号到来时,DS1232 的 RST 和 RST 端将产生 复位信号以强迫单片机复位。DS1232 提供了可直接连接复位按键的输入端 PA(第 1 脚),在该引脚上输入低电平信号,将在 RST 和 RST 端输出至少 250ms 的复位信 号。这一功能对于防止由于干扰等原因造成的单片机死机是非常有效的。DS1232 还能够实时监测向单片机供电的电源电压, 当电源电压 VCC 低于预置值时, DS1232 的第 5 脚和第 6 脚输出互补复位信号 RST 和 RST 。 预置值通过第 3 脚(TOL)来设定; 当 TOL 接地时, 和 RST 信号在电源电压跌落至 4.75V 以下时产生; TOL 与 VCC RST 当 相连时,只有当 VCC 跌落至 4.5V 以下时才产生 RST 和 RST 信号。当电源恢复正常 后,RST 和 RST 信号至少保持 250ms,以保证单片机的正常复位。看门狗定时器的 定时时间由 DS1232 的 TD 引脚确定,看门狗定时器的周期输入信号 ST 可以从单片 机的地址信号、数据信号或控制信号中获得。不论哪种信号都必须能够周期性的 访问 DS1232,对于 MCS-51 系列单片机,推荐使用 ALE 信号。DS1232 具有如下特 点:具有 8 脚 DIP 封装 SOIC 贴片封装形式,可以满足不同设计要求;在单片机失 控状态下可以停止和重新启动单片机;单片机掉电或电源电压瞬变时可自动复位 单片机;精确的 5%或 10%电源供电监视;不需要分立元件。其引脚如图 3-1 所示。 DS1232 个引脚的功能如下: PA:按键复位输入端; TD:看门狗定时器延时设置端; TOL:5%或 10%电压监测选择端; GND:电源接地端; RST:高电平有效复位输出端;

RST :低电平有效复位输出端;
ST:周期输入端; VCC:电源。

图 3-1 DS1232 引脚图
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本设计中, 接开关 S3 实现单片机的按键复位功能。 与 VCC 相连, VCC PA TOL 当 跌落至 4.5V 以下时才产生 RST 和 RST 信号。ST 与 AT89C51 单片机的 AEL/P 相连, 实现 AT89C51 对 DS1232 的时钟周期输入。RST 与 AT89C51 单片机的 RESET 连接, 由 RST 发出复位信号,实现 AT89C51 单片机工作系统的复位功能。 由晶振和 DS1232 看门狗芯片构成的最小系统原理图如图 3-2 所示:

图 3-2 AT89C51 的最小系统图

3.2 温湿度传感器的选择
不管是我们日常居住生活的房间,还是工农业生产、气象、环保、国防、科 研、航天等领域,经常需要对所处环境的温湿度进行测量及控制。但在常规的环 境参数中,湿度是最难准确测量的一个参数。一般情况下,室内室外环境中的温 度都在-20—+45℃之间。所以选用智能化的集成温湿度传感器芯片 SHT11,足以 满足我们的设计要求。 计量法中,湿度定义为“物象状态的量”。日常生活中所指的湿度为相对湿 度,用%RH 表示。总而言之,湿度即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气 压)与相同情况下所含饱和水蒸气(饱和水蒸气压)的百分比。湿度传感器是指检测 外界环境湿度的传感器,它将所测环境中的湿度信号转换为便于处理,显示,记
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系统硬件设计

录的电(频率)信号。湿度传感器在仓贮,工业生产,过程控制,环境监测,家 用电器,气象等方面有着广泛的应用。温度传感器是指检测外界温度的传感器, 它将所测环境中的温度信号转换为便于处理,显示,记录的电(频率)信号等, 在很多领域都有普遍的应用。 湿度、温度传感器是本设计中核心的器件,其感湿感温特性直接决定了本设 计的性能指标。湿度传感器的种类有很多,大致可以分为物性型,结构型,其他 形式三大类。物性型包括电解质系,半导体及陶瓷系,聚合物系;结构型包括毛 发型,肠膜型;其他形式包括干湿球式,石英振子式,种子法式等等。温度传感 器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类。前者是让温度传感器直接 与待测物体接触,来检测被测物体温度的变化,而后者是使温度传感器与待测物 体离开一定的距离。检测从待测物体放射出的红外线,从而达到测温的目的。在 接触式和非接触式两大类温度传感器中,相比之下运用较多的是接触式传感器, 非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用。目前在工业生产和科学研究工作 中得到广泛使用的接触式温度传感器主要是热电传感器。它是利用转换元件电磁 参数随温度变化的特性,对温度和与温度有关的参量进行检测的装置,其中将温 度变化转换为电阻变化的称热电阻传感器,金属热电阻式传感器简称热电阻,半 导体热电阻式传感器简称热敏电阻,将温度变化转换为电动势变化的称为热电偶 传感器。 近年来,国内外在温湿传感器研发领域取得了长足进步。温湿敏传感器正从 简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展,为开发新一代 湿度/温度测控系统创造了有利条件,也将湿度温度测量技术提高到新的水平。智 能温湿度传感器(亦称数字温湿度传感器)是在 20 世纪 90 年代中期问世的。智 能温湿度度传感器是微电子技术、计算机技术和自动化测试技术的结晶,它也是 集成温湿度传感器领域中最具活力和发展前途的一种新产品。智能温湿度度传感 器内部都包含温湿度传感器、A/D 转换器、存储器(或寄存器)和接口电路。智能 温湿传感器芯片具有三个显著特点:第一;能输出温湿度数据及相关的温湿度控 制量,适配各种微控制器;第二;能以最简方式构成高性能、多功能的智能化温 湿度测控系统;第三;它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的。用干湿 球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法,早已无法满足现代科技发展的需要。 这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多,温度是个独立的被测量,而湿度却受 其他因素(大气压强、温度)的影响。因此本设计选用智能温湿度传感器芯片, 实现温湿度测量系统的智能化设计。

3.2.1 温湿测量相关概念
湿度和温度很久以前就与人类生活存在着密切的关系,但用数量来进行表示较
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为困难。湿度计测的历史可以追溯到中国的天秤型(公元前 179 年),这是最早的 湿度计测。温度计测可追溯到记载的希腊时代的温度计。现代科学对温湿度做明 确的定义和测量表示方法。 绝对湿度: 单位体积(1m3)的气体中含有水蒸气的质量(g) 。 但是,即使水蒸气量相同,由于温度和压力的变化气体体积也要发生变化,即 绝对湿度 D 发生变化。D 为容积基准。 相对湿度: 气体中所含的水蒸气(e)与气体饱和时所含的水蒸气(es)的比,用百分比 表示。 但是,温度和压力的变化导致饱和水蒸气气压也将随之而变化。通常在工作和 生活中我们使用的湿度即为相对湿度。 饱和水蒸气压(Saturation Vapor Pressure) 气体中所含水蒸气的量是有限度的,达到限度的状态即可称之为饱和,此时的 水蒸气压即称为饱和水蒸气压。此物理量亦随着温度,压力的变化而变化,并 且,0℃以下即使同一湿度,与水共存的饱和水蒸气压(esw)和与冰共存的饱和水 蒸气压(esi)的值不同,通常所采用的是与水共存的饱和水蒸气压。各温度对应 的饱和水蒸气压表在 JIS-Z-8806 卷中有记载。 露点: 温度较高的气体其所含水蒸气也较多,将此气体冷却后,其所含水蒸气的量即 使不发生变化,但相对湿度也会增加。当达到一定温度、相对湿度达到 100%饱和, 此时,继续进行冷却的话,其中一部分的水蒸气将凝聚成露。此时的温度即为露点 温度。露点在 0℃以下结冰时即为霜点。

3.2.2 温湿度传感器的选择

湿度传感器的精度应达到±2%—±5%Rh,达不到这个水平很难作为计量器具 使用,湿度传感器要达到±2%—±3%Rh 的精度是比较困难的,通常产品资料中给 出的特性是在常温(10℃—20℃)和洁净的气体中测量的。在实际使用中,由于 尘土、油污及有害气体的影响,温湿度传感器使用时间一长,容易产生老化,精 度下降。所以选择温湿度传感器就要考虑温湿度传感器的精度、长期稳定性,以 及互换性。 湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断。一般说来,长期稳定性 和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题。温湿度传感器在使用过程中,由
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于受到环境的影响都会产生年漂移。一般情况下年漂移量控制在 1%Rh 水平的产品 很少,一般都在±2%Rh 左右,甚至更高。 目前,湿度传感器普遍存在着互换性差的现象,同一型号的传感器不能互换, 严重影响了使用效果,给维修、调试增加了困难,有些厂家在这方面作出了种种 努力, (但互换性仍很差)取得的效果并不明显。 然而温湿度传感器的选择是本设计的核心问题。传统的模拟式的温湿度传感 器一般都要设计信号调理电路并需要经过负复杂的校准和标定过程,因此测量精 度难以保证,且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。目前 国际上新型传感器正从模拟式向数字式、集成化向智能化和网络化的方向发展。 鉴于上述原因,本系统采用 SHT11 芯片测量温湿度值。SHT11 是瑞士 Scnsirion 公 司推出的基于 CMOSensTM 技术的新型温湿度传感器。该传感器将 CMOS 芯片技术与 传感器技术完美的结合起来,从而发挥出它们强大的优势互补作用。 SHT11 是一款新型的数字式温湿度传感器芯片。SHT11 的外形尺寸仅为 7.6(mm) ×5(mm)×2.5(mm),体积与火柴头相近。出厂前,每只传感器都在温室中做过 精密标准测试。标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中,在测量工程中可 以对相对湿度进行自动校准。它不仅能准确测量相对湿度,还能测量湿度和露点。 测量相对的范围是 0—100%,分辨率 0.3%Rh。测量温度的范围-40℃—+123.8℃, 分辨率为 0.01℃。测量露点的精度<±1℃。在测量湿度、温度时 A/D 转换器的位 数分别可达 12 位、14 位。利用降低分辨力的方法可以提高测量速率,减小芯片的 功耗。 该芯片广泛应用于冷暖空调、 汽车、 消费电子、 自动控制等领域。 采用 SHT11 进行温湿度实时监测的系统具有精度高、成本低、体积小、接口简单等优点;另 外 SHT11 芯片内部集成了 12、14 位 A/D 转换器,且采用数字信号输出,因此抗 干扰能力也比同类芯片高。该芯片在温湿度监测、自动控制等领域均已得到广泛 应用。SHT11 的主要特性如下: ●将温湿度传感器、信号放大调理、A/D 转换、IIC 总线接口全部集成于一芯片 (COMensTM 技术) ; ●可给出全校准相对湿度及温度值输出; ●带有工业标准的 IIC 总线数字输出接口; ●具有露点值计算输出功能; ●具有卓越的长期稳定性; ●是只读输出分辨率为 14 位,温度值输出分辨率为 12 位; ●小体积(7.65×5.08×23.5mm),可表面贴装; ●具有可靠的 CRC 数据传输校验功能; ●片内装载的校准系数可保证 100%互换性;
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●电源电压范围为 2.4—5.5V; ●电流消耗,测量时为 550μA,休眠时为 3μA;

3.2.3 SHT11 的工作原理

SHT11 的 DATA 引脚在 SCK 时钟的下降沿之后改变状态,并仅在 SCK 时钟上升 沿后有效,所以,AT89C51 单片机可以在 SCK 高电平时读出数据,而当其向 SHT11 发送数据时,则必须保证 DATA 上的电平状态在 SCK 高电平段稳定。在需要输出高 电平时,单片机将置为高阻状态,由外部的上拉电阻将信号拉至高电平,从而实 现高电平输出。SHT11 首先由两个传感器分别测量相对湿度和温度信号,经过放大 电路放大后分别送到 14 位的 ADC 进行 A/D 转换、标准和纠错,最后通过二线制的 串行接口,将相对湿度和温度的数据送至 AT89C51 单片机。最后利用 AT89C51 单 片机完成非线性补偿和温度补偿。SHT11 的引脚图如图 3-3 所示。

图 3-3 SHT11 的引脚图

SHT11 各引脚功能如下: GED:接地端 DATA:串行数据输出/输入端 SCK :串行口时钟输入端 VDD :接电源端 NC:不连接 SHT11 的湿度检测运用电容式结构, 并采用具有不同保护的“微型结构”检测 电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容,除保持电容式的原有特性外, 还可以抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构
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成了一个单一的个体,因而测量精度较高且可得出露点,同时不产生由于温度与 湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。 CMOSensTM 技术不仅将温湿度传感器 结合在一起,而且还将信号放大电路、模/数转换器、校准数据存储器、标准 IIC 总线等电路集成在一个芯片内。SHT11 传感器的校准系数预先存在 OTP 内存中。经 校准的相对湿度和温度传感器与 A/D 转换器相连,可以将转换后的数字温湿度值 送给二线 IIC 总线器件,从而将数字信号转换为符合 IIC 总线协议的串行数字信 号。 传输开始:初始化传输时,应首先发出“传输开始”命令,该命令可在 SCK 为高电平时使 DATA 由高电平变为低电平,并在下一个 SCK 为高时将 DATA 升高。 接下来的命令顺序包含三个地址(目前只支持“000”)和 5 个命令位,当 DATA 脚的 SCK 位处于低电平时,表示 SHT11 正确接收到命令。 连接复位顺序:如果与 SHT11 传感器的通讯中断,下列信号顺序会使串口复 位: 即当 DATA 线处于高电平时, 触发 SCK9 次以上 (含九次) 此后接着发一个“传 , 输开始”命令。 温湿度测量时序:当发出了温湿度测量命令后,控制器就要等到测量完成。 使用 8/12/14 位的分辨率测量分别需要大约 11/55/210 毫秒的时间。为表明测量 完成,SHT11 会使数据线为低,此时单片机必须重新启动 SCK,然后传送两字节的 测量数据与 1 字节的校验码。控制器必须通过使 DATA 为低来确认每一个字节。通 讯在确认 CRC 数据位后停止。如果没有用校验,则单片机就会在测量数据后保持 SCK 为高来停止通讯,SHT11 在测量和通讯完成后会自动返回睡眠模式。需要注意 的是,为了使 SHT11 的温升低于 0.1℃,此时的工作频率不能大于标定的 15%(如: 12 位精度时,每秒最多进行三次测量) 低电压检测,SHT11 工作时可以自行检测 VDD 电压是否低于 2.45V,准确度为 ±0.1V。 下载校准系数:为了节省能量并提高速度,在每次测量前都要重新下载校准系 数,从而使每一次测量节省 8.2ms 的时间。 测量分辨率设定:将测量分辨率从 14 位(温度)和 12 位(湿度)分别减到 12 位和 8 位可应用于高速或低功耗场合。 由于将传感器与其它功能电路部分结合在一起,因此,该传感器具有比其它 类型的湿度传感器优越得多的性能。首先是传感器信号强度的增加增强了传感器 芯片的抗干扰性能,保证了传感器的长期稳定性。而 A/D 转换同时完成,则降低 了传感器对干扰噪声的敏感程度。其次在传感器芯片内部装载的校准数据保证了 每一只湿度传感器具有相同的功能,具有 100%的互换性。最后,传感器可直接通 过 IIC 总线与任何类型的单片机。
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3.2.4 SHT11 的传输特性

(1)湿度值输出 SHT11 可通过 IIC 总线直接输出数字量湿度值, 其相对湿度数字输出特性曲线 如图 3-4 所示。

图 3-4 SHT11 传感器相对湿度数字输出特性曲线

由图 3-4 可以看出,SHT11 的输出特性呈一定的非线性,为了补偿湿度传感器 的非线性,可以按如下公式修正湿度值: RHIinera=C1SORH+C2SORH+C3SORH2 式中,SORH 为传感器相对湿度测量值, 系数取值如下: 12 位:SORH:C1=-4,C2=0.0405,C3=-2.8×10-6 8 位:SORH:C1=-4,C2=0.648,C3=-7.2×10-4 (2)温度值输出 由于 SHT11 温度传感器的线性度非常好,故可以用下列公式将温度数字输出 转换成实际温度值:T=d1+d2SOT。当电源电压位 5V,且温度传感器的分辨率为 14 位时,d1=-4,d2=0.01,当温度传感器的分辨率为 12 位时,d1=-40,d2=0.04。 (3)露点计算 空气的露点值可根据相对湿度和温度值得来,具体的计算公式如下: L o g E W = 0 . 6 6 0 7 7 + 7 . 5 / ( 2 7 3 . 3 + T ) + [log( RH) -2] Dp=[ ( 0 . 6 6 0 7 7 - L o g E W ) × 2 7 3 . 3 ] / ( L o g E W - 8 . 1 6 0 7 7 ) (3-2) (3-3) (3-1)

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3.2.5 IIC 总线简介

对于较复杂的单片机应用系统,元件与芯片之间短距离通信的物理线路往往 比较多,这样不仅增加了硬件应用系统设计的难度,而且也不利于系统稳定性, 成了系统设计中的一个瓶颈。针对这一问题,Philips 公司提出了 IIC 总线协议, IIC 总线协议有效地解决了这一问题。IIC(Inter-Integrated Circuit)总线是 Philips 公司开发的两线式串行总线,用于连接单片机及其外围设备。由于 IIC 总 线仅用于两根信号线,并支持多主控工作方式,所以 IIC 总线在电子产品设备中 应用非常普遍。 IIC 总线是由数据线 SDA 和时钟线 SCL 构成的串行总线,可发送和接收数据。 在 CPU 与被控 IIC 之间、进行双向传送,最高传送速度 100 kbit/s。IIC 总线在 传送数据的过程中共有 4 种基本类型信号,分别是:开始信号、数据传输信号、 应答信号和结束信号。 (a)开始信号:SCL 为高电平时,SDA 由高电平向低电平跳变,开始传送数 据。所有的命令都必须在开始条件以后进行。 (b)结束信号:SCL 为高电平时,SDA 由低电平向高电平跳变,结束传送数 据。所有的操作都必须在停止条件以前结束。IIC 总线开始和停止数据传送的时序 图如图 3-5 所示。

开始

停止

图 3-5 IIC 总线开始和停止数据传输时序图

(c)数据传输信号:在开始条件以后,时钟信号 SCL 的高电平周期期间,当 数据线稳定时,数据线 SDA 的状态表示数据有效,即数据可以被读走,开始进行 读操作。在时钟信号 SCL 的低电平周期期间,数据线上数据才允许改变。每位数 据需要一个时钟脉冲。

数据线保持 允许数据变化 稳定数据有效 图 3-6 IIC 总线有效数据传输时序图
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(d)应答信号:接收数据的 SHT11 收到 8bit 数据后,向发送数据的单片机 发出特定的低电平脉冲,表示已收到数据。这要求单片机必须产生一个与确认位 相应的额外时钟脉冲(第 9 个脉冲)。若单片机确认失败,单片机必须发送一个数 据结束信号给从器件。这时 SHT11 必须使 SDA 线保持高电平,使单片机能产生停 止条件。IIC 数据传输和信号应答时序图如图 3-6 所示。

3.3 温湿度测量回路的设计
为了实现多点测量系统采用了四个 SHT11 芯片。由于 AT89C51 单片机不具备 IIC 总线接口,所以只能单片机通过 I/O 口线来虚拟 IIC 总线。用 P16 来虚拟数据 线 DATA, P17 口线来虚拟时钟线 SCK,并接上 4.7K ? 的上来电阻。SHT11 温湿度芯 片通过两个虚拟的 IIC 总线接连接在 AT89C51 单片机的 P16 和 P17 口上。 电源 VCC 和接地 GND 端接入一个 0.4 微法的去耦电容。滤除回路产生的耦合电流。电源接 上上拉电阻后,连在两个控制开关后分别接在单片机的 P10 和 P11 口。开关 SW1 是切换温度和湿度测量的。SW2 是控制转换四个 SHT11 工作的。SHT11 首先由温度 传感器、湿度传感器分别检测出相对湿度和温度信号,然后经过内部的放大电路 放大后分别送到 ADC 中进行 A/D 转换、标准和纠错,最后通过二线制的串行接口, 将相对湿度和温度的数据送至 AT89C51 单片机,再利用 AT89C51 单片机完成非线 性补偿和温度补偿。当测量控制系统发出温湿度测量命令以后,使用 8/12/14 位 的分辨率测量分别需要大约 11/55/210 毫秒的时间。为表明测量完成,SHT11 会使 数据线为低, 此时 AT89C51 单片机必须重新启动 SCK,然后传送两字节的测量数据。 AT89C51 单片机必须通过使 DATA 为低来确认每一个字节。 通讯在确认后停止。 SHT11 在测量和通讯完成后会自动返回睡眠模式。需要注意的是,为使 SHT11 的温升低 于 0.1℃,此时的工作频率不能大于标定的 15%。由 SHT11 和 AT89C51 单片机组成 的测量回路如图 3-7 所示。

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VCC

R1 51K

R2 51K

SW1 SW2 1 2 3 4 5 6 7 8 13 12 15 14 31 3 19 18 VCC 2 3 9 17 16 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 INT1 INT0 T1 T0 EA/VP XATL1 XATL0 RESET RD WR RXD TXD ALE/P PSEN AT89C 51 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27

GND T1 VCC 4 C7 1 0.1uf 4 C8 1 0.1uf 4 C9 1 0.1uf 4 C10 1 0.1uf VDD GND SHT11 T3 VDD GND SHT11 T4 VDD GND SHT11 T2 VDD GND SHT11
图 3-7 测量回路电路图

P16 DATA SCK 2 3 R5 4.7K

P16 P17 VCC P17

DATA SCK

2

4.7K R5

DATA SCK

DATA SCK

2 3

3.4 显示电路设计
显示电路作为常用的现场人机接口,尤其是作为测量数据的智能仪表,显示 电路的设计是不可缺少的。作为温湿度测量系统,显示电路的设计也不例外。在 本设计系统中,不仅要显示测量的温湿度值,而且还有不同的温湿度报警参数,
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故而显示器的设计是十分必要的。 显示器是最常用的输出设备。 显示器件使用最多的是发光二极管显示器 (LED) 和液晶显示器(LCD) 。因为它们都具有结构简单、耗电少、价格低廉、接口简单、 寿命长等优点,广泛应用于智能仪表场合,尤其是单片机系统中大量应用。考虑 到使用环境的特点(工作温度、光线等) ,在本设计中我们选用 LED 数码管显示。 AT89C51 单片机的 P2 口的前四位作为 LED 显示器的位显示连选接口。通过位选信 号送点亮相应的发光二极管。实现 LED 数码管的动态显示。AT89C51 单片机的 P0 口作为 LED 显示器的字型码输入口。点亮的发光二极管显示出相应的数字。

3.4.1 LED 的两种接法
LED 数码显示器有两种接法:将所有发光二极管的阳极连在一起,称为共阳 极法;而将所有的发光二极管的阴极连在一起,称为共阴极发法。当选用共阴极 的 LED 显示器时,所有的发光二极管的阴极连在一起接地,当某个发光二极管的 阳极加上高电平时,对应的二极管点亮。因此要显示某字形就应使此字形的相应 段的二极管点亮,实际上就是送一个用不同电平组合代表的数据(显示码)来控 制 LED 的显示,字数据称为字符的段码或成为字型码。共阴极的 LED,被选中时的 段为高电平有效, 熄灭的段码为低电平。 共阳极的 LED, 被选中的段为低电平有效, 熄灭的段码为高电平。

3.4.2 LED 的两种显示方法
点亮 LED 显示器有静态和动态两种方法。所谓静态显示,就是显示某一字符 时,相应的发光二极管得全导通或截止,这种方法,每一显示位都需要 8 位的输 出口控制,占用的硬件多,一般用于显示位数较少的场合。而动态显示就是一位 一位地轮流点亮显示器,对每一位显示器而言,每隔一段时间点亮一次,利用人 的视觉感达到显示的目的。显示器的亮度跟导通的电流有关,也和点亮的时间与 间隔的比例有关。在本设计中,考虑到动态显示器的硬件成本低,所以采用动态 显示的共阴极接法。LED 与 AT89C51 组成的显示电路如图 3-8 所示。

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VCC

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R 1K TRANS1 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 INT1 INT0 T1 T0 EA/VP XATL1 XATL0 RESET RD WR RXD TXD ALE/P PSEN 10 11 30 29 AT89C 51 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 1 2 3 4 5 6 7 8
DPY a a b c f b g d e e c d f dp g dp DPY a f e g d b c dp f e DPY a g d b c dp f e DPY a g d b c dp dp

C1

C2

C3

dp

dp

1

2

3

4

图 3-8 LED 显示电路

3.5 报警电路设计
目前智能化的测试仪表设计都自带有报警电路。设计报警电路也是为了更完 善系统的功能。本设计采用由发光二极管和压电式蜂鸣器为核心的声光报警电路。 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,采用直流电压供电,广泛应用于计算机、 打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产 品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。压电 式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹器及共鸣箱、外壳等组成。有 的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。 当接通电源后(1.5~15V 直流工作电压),多谐振荡器起振,输出 1.5~2.5kHZ 的 音频信号,阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅 压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极,经极化和老化处理后,再与黄 铜片或不锈钢片粘在一起。 报警电路的功能是在 AT89C51 单片机的控制下实现声光报警或解除报警。当 AT89C51 单片机检测工作间隙超过规定的量值时, 通过报警电路向报警器发出有效 信号(高电平有效),声音报警电路接到有效电平后则自动发出预置的报警声,同 时红色报警指示灯发出耀眼的红色信号。当 P3.4, P3.5 为低电平时,输出 0 电平, 三极管集电极为 0 电平,三极管截止,集电极电流为 0,发射极电流为 0,声光报 警器均不能正常工作。当 P3.4, P3.5 为高电平时,输出高电平,三极管集电极为
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C4

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高电平,三极管导通,集电极电流不为 0,发射极电流不为 0,声光报警器均能正 常工作,处于报警状态。报警电路结构如图 3-9 所示

GND

BELL

R7

1 2 3 4 5 6 7 8 R3 8051AH GND 15 14 LED 31 19 18 13 12

P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 INT1 INT0 T1 T0 EA/VP XATL1 XATL0 RESET RD WR AT89C 51

P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27

R4

VCC

9 17 16

RXD TXD ALE/P PSEN

图 3-9 声光报警电路

3.6 电源电路设计
温湿度测量系统的电源一般使用直流电源。电源部分是整个系统的基础,这 部分的稳定工作对整个以单片机为核心的系统的内稳定工作起着至关重要的作 用。供电方面,各部件甚至是同一部件各引脚上的电平信部有可能不同,因此还 必须清楚整个系统的电源需求。 AT89C51 单片机单片机和 SHT11 温湿度传感器芯片正常工作电压范围都是 DC4.5~5.5V。为了使系统安全稳定的工作,还需要设计系统的电源电路。首先 +220V 的交流电压源需要经过变压器降到 10V 左右。 然后经过桥式整流电路把交流 电转变成直流电。整流后的电流经过稳压器 LM7805 输出稳定的+5V 电压。桥式整 流电路是有四个型号相同的二极管组成的。VD1 和 VD3 两个二极管组成一对桥臂; VD2 和 VD4 两个两个二极管组成一对桥臂。由于二极管的启动电压比较小,所以经 过变压器的电压可以使 VD1 和 VD3 二极管组成桥臂在正半周期导通, 和 VD4 两 VD2 个二极管组成的桥臂在负半周期导通。稳压器 LM7805 是由三个管脚的串联型降压 式电源芯片。Vin 是输入端,Vout 输出端。两个端口接去耦电容后接地。经稳压 器 LM7805 稳压后,电源输出基本不受外输入变动的干扰,而且有效的消除电磁干
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系统硬件设计

扰。 稳压器 LM7805 输出端输出稳定的+5V 直流电压。 电源电路设计如图 3-10 所示。
2 VD1 VD2

LM 7805 JAC 220V 2 1 CON2 TRANS1 GND T 1 VD4 VD3 3 1 GND Vin Vout 3 VCC

BRIDGE1

C1

C2 2

C3

图 3-10 电源电路图

3.7 本章小结

本章主要介绍了温湿度传感器的定义及其分类。对温湿度传感器 SHT11 芯片 的工作原理,内部结构,性能特点做了充分的说明。本章还简单介绍了 I2C 总线 的相关知识。本章系统阐述了本设计硬件的工作原理。设计了由于 AT89C51 单片 机控制的温湿度测量回路、LED 动态显示电路,声光报警电路,电源电路。

4

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系统软件设计

4 系统的软件设计
为了实现系统的自动化功能,硬件设计只是完成了整个系统设计的基础部分, 整个功能的智能化实现还是要靠软件设计来实现的。在智能测控系统中软件的重 要性与硬件同样重要。硬件是设计的躯体,软件是设计的灵魂,当系统的硬件电 路确定之后,系统的主要功能还要靠软件来实现,而且软件的设计在很大程度上 就决定了产品的性能。为了满足系统的要求,编制软件时一般要符合以下基本要 求: (1)易理解性、易维护性。要达到易理解和易维护等指标,在软件的设计方 法中结构化设计是最好的一种设计方法,这种设计方法时由整体到局部,然后再 由局部到细节,先考虑整个系统所要实现的功能。确定整体目标,然后把这个目 标分成一个个的任务,任务中可以分成若干个子任务,这样逐层细分,逐个实现。 (2)实时性。实时性是电子测量系统的普遍要求,即要求系统及时响应外部事 件的发生,并及时给出处理结果。近年来,由于硬件的集成度与速度的提高,配 合相应的软件,实时性比较容易满足设计的要求。 (3)准确性。准确性对整个系统具有重要意义,尤其是测量系统,系统要进 行一定量的运算。算法的正确性和准确性对结果有着直接的影响,因此再算法的 选择、计算的精度等方面都要附和设计的要求。

4.1 主程序的设计

AT89C51 单片机上电复位后,即进入主程序。主程序的作用是完成温湿度的检 测,并把检测结果通过 LED 显示出来。主程序首先要做初始化,包括 SHT11 测量 开始命令的初始化,IIC 地址的初始化,LED 字型码的定义等等。除了系统的初始 化程序和从 E2PROM 中读取参数外,其余部分是个循环圈,循环圈的大小得看工作 时的条件,除非系统掉电或程序受干扰飞跑等异常情况而重新使系统复位。主程 序的流图如图 4-1 所示。

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系统软件设计

开始

初始化

启动温/湿度测量

判断显示温度/湿度

判断显示通道

读温度/湿度值

显示温度/湿度值

N 判断是否超出 设定范围

Y

报警

图 4-1 系统流程图

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系统软件设计

SHT11 传感器共有 5 个用户命令。这 5 个命令是测量湿度、测量湿度、读寄 存器状态、写寄存器状态、软启动。具体命令表格见表 4-1 所列。
表 4-1 SHT11 传感器命令表

命令 测量温度 测量湿度 读寄存器状态 写寄存器状态 软启动

编码 00011 00101 00111 00110 11110

说明 温度测量 湿度测量 “读” 状态寄存器 “写” 状态寄存器 重启芯片,清除状态寄存器错误 记录 11 毫秒后进入下一个状态

4.2 IIC 模块程序设计
主要运用的是 IIC 的协议,对协议做一个定义,来完成单片机的读、写、发 送、接受字节之间的相互配合。

4.3 LED 显示程序设计
主要通过单片机接受的传感器的信号来通过 LED 来显示。

4.4 报警电路程序设计
当得到信号的范围超出所预置的范围时,就会发出信号来驱动蜂鸣器和发光 二极管工作,达到报警要求。

4.5 本章小结
本章介绍了设计程序的方法和原则。为了满足系统的功能要求设计了系统程序, 并绘制了系统程序的流程图,然后设计了系统的主程序。又分别设计了系统的子 程序。包括 LED 显示子程序,报警电路子程序。系统主程序如下(详见:附录 B 系 统总程序)

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系统抗干扰措施

5 系统抗干扰措施

一个智能测量系统的设计是否成功,除了前面所讲的总体方案设计、硬件、 软件设计以外,还有一项起决定作用的因素,那就是抗干扰措施。为了提高系统 的稳定性和精确度,还需要对系统采取相应的抗干扰措施。在实际使用中,由于 尘土、油污及有害气体的影响,温湿度传感器芯片使用时间一长,会产生老化, 精度下降等问题,所以就需要采用抗干扰措施抗干扰以提高系统的可靠性。 在抗干扰措施中最常用的就是硬件抗干扰,但是仅靠硬件抗干扰措施是不够 的,需要进一步借助于软件措施来克服某些干扰。对于各种随机出现的干扰信号, 在单片机组成的自动检测系统中,通过一定的计算程序,对多次采样信号构成的 数据组进行平滑加工,以提高其有用信号在采样值中所占的比例,减少乃至消除 各种干扰及噪声,以保证系统工作的可靠性。在具体系统设计过程中,如果能正 确的采用软硬件抗干扰措施构成双道抗干扰防线,无疑将大大提高工业测控系统 的可靠性。

5.1 硬件抗干扰措施
若失控的程序进入“死循环”,通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循 环”。通过不断检测程序循环运行时间,若发现程序循环时间超过最大循环运行 时间,则认为系统陷入“死循环”,需进行出错处理。“看门狗”技术可由硬件 实现,也可由软件实现。“看门狗”电路的功能就是对 CPU 进行实时检测,当 CPU 落入死循环之后,能及时发现并使整个系统复位。使用看门狗电路的目的,就是 当单片机受干扰程序运行异常时,产生一个复位信号使单片机复位。看门狗电路 实质上是一个单稳电路。当程序运行正常时,单片机定时给单稳电路输入触发信 号,使单片机输出保持暂稳态:当干扰异常时,单片机不能给触发信号,单稳输 出回到稳态引起单片机硬件复位。 程序中一种常见的情况是“跑飞”的程序既没有进入软件循环,而自动形成 一个死循环,则可使用权用监视定时器(俗称看门狗)的方法。大多数可靠性高 的测控系统都设置监视定时器功能单元。其作用是使因受到干扰而偏离了预定路 径运行的测控应用程序能在允许的时间内回到原先的路径上来,从而保障系统的 正常运行。监控定时器功能单元可由硬件方法实现,也可由软件方法实现。看门 狗内部电路如图 5-1 所示。

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1 2 3 4 5 6 7 8 13 12 15 14 31 19 18 9 SW3 1 2 3 4 PA TD TOL GND VCC ST RST RST 5 6 7 8 VCCC4 GND 0.1u 17 16 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 INT1 INT0 T1 T0 EA/VP XATL1 XATL0 RESET RD WR AT89C 51

系统抗干扰措施
P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28

RXD TXD ALE/P PSEN

10 11 30 29

VCC

D S 1232 GND

图 5-1 看门狗电路

其工作原理是:DS1232 提供了可直接连接复位按键的输入端 PA(第 1 脚), 在该引脚上输入低电平信号,将在 RST 和 RST 端输出至少 250ms 的复位信号。这一 功能对于防止由于干扰等原因造成的单片机死机是非常有效的。DS1232 还能够实 时监测向单片机供电的电源电压,当电源电压 VCC 低于预置值时,DS1232 的第 5 脚和第 6 脚输出互补复位信号 RST 和 RST 。 预置值通过第 3 脚(TOL)来设定; TOL 当 接地时,RST 和 RST 信号在电源电压跌落至 4.75V 以下时产生;当 TOL 与 VCC 相连 时,只有当 VCC 跌落至 4.5V 以下时才产生 RST 和 RST 信号。当电源恢复正常后, RST 和 RST 信号至少保持 250ms,以保证单片机的正常复位。

5.2 软件抗干扰措施
在提高硬件系统抗干扰能力的同时,软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资 源、可靠性好越来越受到重视。软件抗干扰的内容主要是;一、消除模拟输入信 号的嗓声(如数字滤波技术) ;二、程序运行混乱时使程序重入正轨的方法。数字 滤波技术中通常使用的方法有:算术平均法、中值法、抑制脉冲算术平均法、一 阶惯性滤波法、程序判断滤波法和递推平均滤波法等。软件冗余对于条件控制系 统可有效地消除偶然干扰。对控制条件的一次采样、处理控制输出可改为多采样、 处理控制输出。设置软件陷阱 ,当由于干扰使操作系统失控而进入非程序区时,用 引导指令强行将捕获到的乱飞程序引向复位入口地址,在此处将程序转向专门对 程序出错进行处理的程序,使程序纳入正轨。重要指令冗余
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系统抗干扰措施

对程序流向起决定作用的指令(如 RET、RETI、LCALL、JZ、JC、JNC 等)和某些对 系统工作状态起重要作用的指令(如 SETB、EA 等)的后面,可重复写上这些指令,以 确保这些指令的正确执行。

5.3 本章小结
本章分析了影响系统稳定性、可靠性的干扰。阐述了有效的抗干扰软硬件措 施。为系统设计了硬件抗干扰的看门狗电路。

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结论

结 论
历时两个多月,我顺利的完成了毕业设计。在硬件电路设计中选用了 AT89C51 作为系统的核心控制部件。温湿度检测采用了集成芯片 SHT11。为了实现系统的设 计要求,通过翻阅大量的资料,最终确定了智能化的设计方案。由 AT89C51 单片 机、晶振和 DS1232 芯片组成的最小系统,可以使整个系统正常稳定的工作起来。 温湿度测量数据的传输采用 IIC 总线技术。这就使系统省去很多不必要的麻烦。 对于一个空间来说,各个空间点的温湿度值都是不同的。一个点的温湿度值并不 能准确的反应整体的情况,所以设计中采用四个 SHT11 芯片对室内不同的空间范 围进行多点温湿度测量。由 LED 为核心的显示电路可以直观的显示测量结果。报 警电路的设计采用了声光并用的方式。显示电路可以显示四位的测量值。设计的 电源电路可以为系统提供稳定的工作电压。为了实现系统的智能化,系统软件设 计了显示电路子程序,报警电路程序,测量电路程序。由于 SHT11 内部集本身就 成了 A/D 转换器,标准校准电路、IIC 总线,所以系统就没有设计复杂的 A/D 转换 电路。这就使我们的系统电路设计更简单明了,测量的精确度有较大的提高。根 据选择芯片的性能和系统电路的设计,本设计的主要优点有分辨率高、设计简单, 精度高,成本低等。构成硬件电路的芯片为 AT89C51 和 SHT11,工作时受电源震动 的影响小;显示器为数码管动态显示,亮度高,可以在黑暗和强光清楚显示。由 于学习到的知识有限,加上时间上的仓促和经验的缺乏,故而本设计整体上的性 能还不是十分完善。比如硬件电路晶体管耗散功率的存在,有些部件工作时间长 久本身会发热,软件倍频存在计数误差等等。这些缺陷还有待在以后做进一步修 改完善中得到弥补和消除。

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致谢

致 谢
经过近两个多月的努力,在陈英老师的悉心指导下我顺利的完成了毕业设计。 此次的毕业设计使我受益匪浅。做毕业设计不仅是对我所学知识的一次检验,更 是对我能力的一个挑战。从接触到毕业设计题目的那一刻起,我就开始仔细认真 的查找相关资料和文献,我一直都在尽自己最大的努力去完成它。完成毕业设计 后,我发现自己不仅拓宽了专业理论知识,而且其它专业外的知识也丰富了不少, 实际动手能力更是提高了很多。 在做毕业设计的过程中,陈英老师不仅给我提了许多指导性的意见,还倾注 了大量的心血。他兢兢业业的工作作风、科学严谨的治学态度和宽以待人、认真 负责的优秀品质给我留下了非常深刻的印象。没有陈英老师方向性的指导和帮助, 我是不可能按时完成毕业设计的。感谢陈英老师在百忙之中给予我的精心指导和 帮助。在做毕业设计的过程中,陈英帮助我解决了许多新的疑点和难点,使我顺 利的完成了毕业设计。除此之外我还跟陈老师还学到了严谨的工作态度和科学的 学习方法,也学会了如何做人的道理,所有这些对我今后的成长成才都将产生深 远的影响。在此,我要向我的导师陈英老师表示最衷心的感谢!另外,本设计也 得到了其他老师、同学的支持和帮助,谨在此一并感谢!

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参考文献

参考文献

[1]《传感器原理与应用》

钱显毅

东南大学出版社

2008.7 人民邮电出版社

[2]《单片机应用系统设计与产品开发》 2004.11

冯建华 赵亮

[3]《单片机原理与应用技术实践》 卢胜利 郝立果 丁峰 边琰 机械工业出版社 2009.5 [4] 《C51 基础与应用实例》 [5]《C 程序设计》 谭浩强 常喜茂 孔英会 付小宁 电子工业出版社 2009.1 清华大学出版社 康华光 康华光 2005.7 高等教育出版社 高等教育出版社 清华大学出版社 2006.1 2006.1 2008.3 电子工业出版社

[6]《电子技术基础(模拟部分) 》 [7]《电子技术基础(数字部分) 》 [8]《Protel 电路设计教程》

江思敏 陈明

[9]《传感器应用电路 300 例》 2008.3 [10]《电子电路使用抗干扰技术》

孙余凯 吴鸣山 项绮明

邦田

人民邮电出版社社

1994.6

30

VCC

VCC

R1 51K 1K TRANS1
DPY a f g d dp dp dp c d d e c e c e d g g g e b f b f b f b c dp DPY a DPY a DPY a

R2 51K

R

SW1

GND

SW2

a b c d e f g dp

BELL C1 C2 C3
dp dp

R7 P16 P17 13 12 INT1 INT0 T1 T0 AT89C 51 EA/VP XATL1 XATL0 RESET RD WR 2 VD1 VD2 15 14 LED Y 12M Hz 9 VCCC4 GND 17 16 0.1u P16 2 VCC VD4 4.7K P17 TRANS1 2 3 VCC 2 3 4.7K R5 CON2 4 3 R5 2 1 JAC 220V T 1 3 RXD TXD ALE/P PSEN 19 18 31 1 2 3

GND

附录 A 系统原理图

P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 4 C4
dp

1 2 3 4 5 6 7 8 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07

39 38 37 36 35 34 33 32

1 2 3 4 5 6 7 8

R3

8051AH

GND

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R4

C5 30pf

P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27

21 22 23 24 25 26 27 28

VCC 10 11 30 29

GND

C6 30pf

S W3

VCC

C7

VDD

DATA

VD3

1

GND

SCK

BRIDGE1

C1

C2 2

GND

31
5 6 7 8 2 3

VCC

1 2 3 4

PA TD TOL GND

VCC ST RST RST

LM 7805 1 Vin Vout 3 VCC

GND

D S 1232 T1

4

C3

0.1uf

SHT11 T3

4

C8

VDD

DATA

GND

1

GND

SCK

0.1uf

SHT11 T4

4

C9

VDD

DATA

1

GND

SCK

0.1uf

SHT11

T2

4

C10

VDD

DATA

1

GND

SCK

附录A 系统原理图

0.1uf

SHT11

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附录 B 系统总程序

附录 B 系统总程序
#include <reg51.h> #include <intrins.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define IIC_ADDRESS1 0X10 #define IIC_ADDRESS2 0X11 #define IIC_ADDRESS3 0X12 #define IIC_ADDRESS4 0X14 #define temperature_start 0x03 #define humidity_start #define get_value 0x05 0x07

#define set_temperature_max 26 #define set_temperature_min 10 #define set_humidity_max 70 #define set_humidity_min 40 uchar code dis_7[]={0XC0,0xF9,0XA4,0XB0,0X99,0x92, 0x82, 0XF8,0x80,0x90};

uchar code yw[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef}; uchar code iicaddress[4]= {IIC_ADDRESS1,IIC_ADDRESS2, IIC_ADDRESS3,IIC_ADDRESS4}; //I/O 口定义 sbit scl_IIc=P1^6; sbit sda_IIc=P1^7; sbit alarm_led=P3^4; sbit alarm_sou=P3^5; sbit key_sw1= P1^0; sbit key_sw2= P1^1;// // void nopdelay( void) { _nop_(); _nop_();
32

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附录 B 系统总程序

_nop_(); _nop_(); _nop_(); }

void mDelay(uint t) //延时 { uchar i; while(t--) { for(i=0;i<125;i++);

} } //////////////////////////////////////////////报警函数 void alarm() { uchar alarm_led; uchar alarm_sou; alarm_led=1; alarm_sou=1; nopdelay(); nopdelay(); nopdelay(); alarm_led=0; alarm_sou=0; nopdelay(); nopdelay(); nopdelay(); } ///////////////LED 显示程序

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附录 B 系统总程序

void Display(int { int i; long int t; uchar key_data[4]; t=number; for(i=4;i>=0;i--) { key_data[i]=t%10; t=t/10; } for(i=0;i<4;i++) { P0=1; P2=yw[i];

number)

//显示数据

P0=dis_7[key_data[i]]; mDelay(10); P0=1; } } //////////////// IIC 函数的启动函数 void start_IIc() { scl_IIc=1; //延时要足够长 _nop_(); _nop_(); _nop_(); nopdelay(); sda_IIc=1; nopdelay(); sda_IIc=0; nopdelay(); scl_IIc=0;//钳住 c 总线准备发送或接收数据 nopdelay();
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附录 B 系统总程序

} //IIC 函数的停止函数 stop_IIc() { sda_IIc=0; nopdelay(); nopdelay(); scl_IIc=1; nopdelay(); sda_IIc=1; nopdelay(); } ///////写字节 void writebyte_IIc(unchar date) { uchar i,temp; temp=date; for(i=0;i<8;i++) { temp=temp<<1; scl_IIc=0; mDelay(1); sda_IIc=CY; mDelay(1); scl_IIc=1; mDelay(1); // // delay(); } scl_IIc=0; mDelay(1); sda_IIc=1; mDelay(1); } /////读字节
35

scl=0;

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附录 B 系统总程序

uchar readbyte_IIc() { uchar i,k; scl_IIc=0; mDelay(1); sda_IIc=1; mDelay(1); for(i=0;i<8;i++) { scl_IIc=1; mDelay(1); k=(k<<1)|sda_IIc; scl_IIc=0; mDelay(1); } return k; } //C 传送一个字节数据 void sendbyte(uchar outbyte) { uchar i; scl_IIc=0; //接受数据准备 for(i=0;i<8;i++) { _nop_(); _nop_(); sda_IIc=(bit)(outbyte&0x80); nopdelay(); scl_IIc=1; //数据线数据有效 nopdelay(); outbyte<<=1; scl_IIc=0; } }
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附录 B 系统总程序

//IIC 接收一位数据 uchar receivebyte_IIc() { uchar i, reveout=0; for(i=0;i<8;i++) { scl_IIc=0; //接收数据准备 _nop_(); _nop_(); sda_IIc=1; nopdelay(); scl_IIc=1; reveout<<=1; nopdelay(); if(sda_IIc) reveout|=0x01; nopdelay(); } return(reveout); //数据线为输入状态

} ///////主函数 void main() { uchar temperature = 0; uchar humidity = 0; static uchar states_sw= 0; static uchar channels_sw = 0; while(1) { if(key_sw1== 0) { states_sw++; states_sw = states_sw%2; }
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附录 B 系统总程序

if(key_sw2== 0) { channels_sw++; channels_sw = channels_sw%4; } if(states_sw == 0) { writebyte_IIc(iicaddress[channels_sw],temperature_start); temperature readbyte_IIc(IIC_ADDRESS, get_value ); Display(temperature); if ((temperature>set_temperature_max)&&(temprature<set_temperature_min))a larm(); else {writebyte_IIc(iicaddress[channels_sw], humidity_start); humidity=readbyte_IIc(IIC_ADDRESS, get_value ); Display(humidity); if (( humidity>set_humidity_max)&&( humidity<set_humidity_min)) alarm(); } } } } =

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