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1、课程设计（论文） 题 目： 院 （系）： 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 年 月 日目录1绪论11.1课题研究背景和意义11.2本课题的主要内容12系统硬件电路设计22.1系统总体硬件设计22.2主控芯片AT89C5232.3温度传感器52.3.1温度检测中常用到的温度传感器及原理52.4湿度传感器62.5 本设计方案所采用的传感器82.5.1 SHT11的特点82.5.2 SHT11的内部结构和工作原理82.6最小系统电路设计92.6.1传感器电路102.7 LCD显示电路103系统软件设计113.1系统主程序设计113.2 温度、湿度检测子程序设计123.4 LCD显示子程序设
2、计13结论15参考文献16附录系统源程序17附录系统总原理图24室内环境测量设计方案1绪论1.1课题研究背景和意义 温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。在整个宇宙当中，温度无处不存在。无论在地球上还是在月球上，也无论是在炽热的太阳上还是在阴冷的冥王星上，这一切无不由于空间位置的不同而存在着温度的差别。湿度，表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度”。在此意义下，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示。湿度表示气体中的水蒸汽含量,有绝对
3、湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，一般其单位是克/立方米，绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度；相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比，它的值显示水蒸气的饱和度有多高1。温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数，例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度、湿度的检测与控制。并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注，而空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温度、湿度的检测及控制就非常有必要了。1.2本课题的主要内容 本设计主要利用传感器为基础，设计一个室内环境测
4、量设计方案，完成室内温度及湿度的检测及显示。本设计主要要经过以下俩个部分的设计来完成：（1）LCD数码管显示部分设计 （2）温度和湿度采集部分设计2系统硬件电路设计2.1系统总体硬件设计AT89C52温度显示湿度显示湿度检测温度检测图2-1系统总体硬件框图由系统的总框图可以看出该系统的工作原理为：单片机AT89C52作为控制核心并协调整个系统的工作，通过数字温度、湿度传感器检测当前室内的温度、湿度，由于数数字信号就直接送入单片机AT89C52内，通过单片机的处理在LED数码管上显示当前的值。2.2主控芯片AT89C52AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。 AT8
5、9C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。 AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。
6、其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。1P0 口 P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的 方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 口 P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可
7、驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑 门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX）。P2 口 P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑 门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚
8、被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI 指令）时，P2 口输出P2 锁存器的内容。P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻 辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。 P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能 。P3 口还接收
9、一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。表2-1 P3 口第二功能说明口线引脚第二功能P3.010RXD（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）P3.212INT0（外部中断0）P3.313INT1（外部中断1）P3.414T0（定时器0外部输入）P3.515T1（定时器1外部输入）P3.616WR（外部数据存储器写脉冲）P3.717RD（外部数据存储器读脉冲）2.3温度传感器2.3.1温度检测中常用到的温度传感器及原理目前常用到的温度传感器有：数字温度传感器，注塑型温度传感器, PN结型及集成电路式温度传感器，辐射式温度传感器，热电阻温度传感器，热敏电阻温度传感，热电偶
10、温度传感等2。应用于太阳能热水器测温的主要是热电偶温度传感器，热电阻温度传感器以及热敏电阻温度传感器，其测温原理为： 1.热电偶温度传感器：热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，它是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一个大小的电流。其优点是：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响；测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）；构造简单，使用方便。 2.热电阻温度传感器：它是
11、基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造热电。 3热敏电阻温度传感器：热敏电阻其原理就是把热敏电阻作为温度传感器，利用热敏电阻具有的负温度系数把相应的阻值变化转换成相应的电压变化值，然后通过A/D转换，输出温度值3 。2.4湿度传感器湿度传感器主要分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附在感湿材料上后，元件
12、的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了较大的发展。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。湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要分为电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋
13、酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%99%）RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF202pF。温度系数为0.04pF/，湿度滞后量为1.5%，响应时间为5
14、s。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性4。目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品可分成以下三种类型：(1)线性电压输出式集成湿度传感器；典型产品有 HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。(2)线性频率输出集成湿度传感器；典型产
15、品为HF3223型。它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。(3)频率/温度输出式集成湿度传感器；典型产品为HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。2.5 本设计方案所采用的传感器本次设计要求检测室内环境，而室内环境的因素
16、中湿度和温度为主要因素。采用将温度和湿度一起测量，即用一个温湿度传感器SHT11实现。温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集合到一个芯片上，该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，经过单片机转换采用数码管显示所测温度和湿度。2.5.1 SHT11的特点（1）高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、AD转换和加热器等功能集成到一个芯片上；（2）提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输可靠性高；（3）测量精度可编程调节，内置AD转换器(分辨率为8
17、12位，能通过对芯片内部寄存器编程米选择)；（4）测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，能提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；（5）封装尺寸超小(7.62 mm5.08mm2.5 mm)，测量和通信结束后，自动转入低功耗模式；2.5.2 SHT11的内部结构和工作原理温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、AD转换和加热器等功能集成到一个芯片上，其内部结构如图所示。该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大；然后进入一个14位的AD转换器；最后经过二线串
18、行数字接口输出数字信号。SHT11在出厂前，都会在恒湿或恒温环境巾进行校准，校准系数存储在校准寄存器中；在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号。此外，SHT11内部还集成一个加热元件，加热元件接通后能将SHT11的温度升高5左右，同时功耗也会有所增加。此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度值，能综合验证两个传感器元件的性能。在高湿(95RH)环境中，加热传感器可预防传感器结露，同时缩短响应时间，提高精度。加热后SHT11温度升高、相对湿度降低，较加热前，测量值会略有差异。SHT11内部结构2.6最小系统电路设计 图3-3单片机最小系统电路如图所示，AT89C52单片机最小系统由复位电
19、路、晶振电路、电源构成。这些电路是单片机正常工作的必要条件。本设计中使用的是11.0592MHz的晶振频率。2.6.1传感器电路传感器电路2.7 LCD显示电路本设计显示部分采用字符型LCD1602液晶显示所测温湿度值。LCD1602显示器主要特点：液晶显示屏是以若干个58或511点阵块组成的显示字符群。每个点阵块为一个字符位，字符间距和行距都为一个点的宽度。主控制驱动电路为HD44780（HITACHI）及其他公司全兼容电路，如SED1278（SEIKO EPSON）、KS0066（SAMSUNG）、NJU6408（NER JAPAN RADIO）。具有字符发生器ROM可显示192种字符（1
20、60个57点阵字符和32个510点阵字符）具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个58点阵字符或四个511点阵字符。具有80个字节的RAM，标准的接口特性，适配M6800系列MPU的操作时序。模块结构紧凑、轻巧、装配容易，像素尺寸小，分辨率高。颜色分单色（黑白）、彩色两种。为便于夜间观察，可采用由LED或ELD器件构成的背景光源。液晶显示器属于被动发光型显示器件，它本身不发光，只能反射或透射外界光线，因此环境亮度越高，显示越清晰。其亮暗对比度可达100:1。单+5V电源供电，采用交流驱动方式。LCD显示电路3系统软件设计3.1系统主程序设计主程序设计思想：软件采用模块化设计方式，将各个功
21、能分成独立模块来进行设计。本设计的软件包括主程序，温度、湿度检测子程序及显示子程序。主程序完成功能：系统对传感器、LED显示器进行初始化，并且采集温度和湿度信息，然后通过调用显示子程序来对温度和湿度进行显示。开始初始化温度、湿度信息采集调用显示子程序 显示图3-1系统主程序流程图3.2 温度、湿度检测子程序设计检测子程序的功能：对室内温度、湿度进行检测，因为SHT11为数字温度、湿度传感器，所以对检测到的数据只需要进行转换，使之变成十进制的数值，然后在LCD数码管上显示。开始读取温度、湿度数据转换显示返回图3-2 温度、湿度检测子程序流程图3.4 LCD显示子程序设计LCD上电时，都必须按照一
22、定的时序对LCD进行初始化操作，主要任务是设置LCD的工作方式，显示状态，清屏，输入方式，光标位置等。开始功能设置命令调用写入指令到LCD子程序设定工作方式调用写入指令到LCD子程清屏设置显示状态调用写入指令到LCD子程设置输入方式调用写入指令到LCD子程返回 LCD初始化程序流程图结论本设计综合利用单片机技术、传感器技术、数字电子技术和LCD显示等科学知识，完成了单片机控制的温度、湿度和显示装置的设计。比较系统地介绍了硬件的组成及设计方法。利用单片机C语言完成了系统软件的设计。1. 把传感器技术应用到单片机控制系统中，实现了对环境温度和湿度的数据采集和读取。2. 利用LCD的显示技术完成了环
23、境温度、湿度及显示电路的设计。由于单片机经济实用、开发简便，因而在工业控制、农业自动化、家电智能化等领域占据了广泛的市场。本文介绍的系统设计有一定的实用性，但该系统在设计过程中仍有很多漏洞。还需要在智能化方面加以改进。特别是在节省功耗，提高稳定度等方面。不过，该产品有很好的可扩性能，比如，该设备的测量结果不仅能在本地显示，而且可以利用单片机的串行口和RS-485总线通信协议将采集的数据传送到主控机，以进行进一步的存档、处理。主控机负责控制指令的发送，以控制各个从机的温湿度采集，收集测量数据，并对测量结果(包括历史数据)进行整理、显示和存储。主控机与从机之间也能够相互联系、相互协调，从而达到系统
24、整体统一、和谐的效果。参考文献12 吴建平.传感器原理及应用.北京：机械工业出版社，2010.73 刘笃仁，韩保君传感器原理及应用技术机械工业出版社200345 李光飞，楼然苗，胡佳文等.单片机课程设计实例指导.北京：北京航空航天大学出版社,2004，105-1256 刘文涛.单片机语言C51典型应用设计.人民邮电出版社，2001，12：25-297 靳桅，潘育山，邬芝权.单片机原理及应用.西南交通大学出版社，2002,10（4）: 278-2808 凌玉华.单片机原理及应用系统设计.长沙：中南大学出版社,2006，222-2289 刘华东.单片机原理与应用.北京：电子工业出版社,2003，1
25、75-180附录系统源程序#include #define uint unsigned int #define uchar unsigned chartypedef bit BOOL ; sbit io = P10 ;sbit rs = P25; sbit rw = 26 ;sbit ep = P27 ;uchar data_byte;uchar RH,RL,TH,TL;void delay(uchar ms) / 延时子程序 uchar i ; while(ms-) for(i = 0 ; i18msio=1;delay1();/20-40usdelay1();delay1();delay1
26、();delay1();uchar receive_byte()/接收一个字节uchar i,temp,count;for(i=0;i8;i+)count=2;while(!io)&count+)/等待50us低电平结束temp=0;delay1();delay1();delay1();delay1();if(io=1)temp=1;count=2;while(io)&count+);if(count=1)break;data_byte=1;data_byte|=temp;return data_byte;void receive()/接收数据uchar T_H,T_L,R_H,R_L,che
27、ck,num_check;uchar count;start();/开始信号io=1;if(!io)/读取DHT11响应信号count=2;while(!io)&count+);/DHT11高电平80us是否结束count=2;while(io)&count+);R_H=receive_byte();R_L=receive_byte();T_H=receive_byte();T_L=receive_byte();check=receive_byte();io=0;/拉低延时50usdelay1();delay1();delay1();delay1();delay1();io=1;num_che
28、ck=R_H+R_L+T_H+T_L;if(num_check=check)RH=R_H;RL=R_L;TH=T_H;TL=T_L;check=num_check;void main()lcd_init();delay(10);while(1) receive(); delay(100); display(0x00,R) ; display(0x01,:); display(0x02,RH/10+0x30); display(0x03,RH%10+0x30); display(0x04,%); display(0x40,T) ; display(0x41,:); display(0x42,TH/10+0x30); display(0x43,TH%10+0x30); display(0x44,0xdf); display(0x45,0x43);附录系统总原理图
