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1、库房室温巡视监测报警仪设计说明书 目录一、设计任务、要求和目标分析3二、控制系统的功能、技术参数的分析和制定3三、系统框图组成和方案设计3四、系统各元器件介绍54.1、温湿度传感器的工作原理和应用技术介绍54.2、单片机的工作原理和应用技术介绍94.3、键盘电路的工作原理和应用技术介绍134.4、报警器的工作原理和应用技术介绍144.5、显示器的工作原理和应用技术介绍164.6、光敏电阻的工作原理和应用技术介绍184.7、三极管的工作原理和应用技术介绍204.8、系统电源电路的电参数的计算和分析224.9、硬件电路的绘制23五、 系统软件介绍-23 5.1、SHT11温湿度传感器软件设计24
2、5.2、独立按键软件设计24 5.3、LCD1602显示器软件设计25 5.4、系统主程序软件设计25六、实验调试方法-26七、设计结论-27八、附录29 8.1参考文献29 8.2软件程序29一、设计任务、要求和目标分析本课程设计的任务为利用温度传感器、湿度传感器和单片机技术，完成一个能在农业大棚上使用的温湿度及光照强度监测系统。要求报警温度可设定输入，大棚温度测量误差为0.5C，报警湿度可设定输入，大棚湿度测量误差为4%RH，光照强度可设定输入，大棚光照强度测量误差为4%，温湿度、光照强度与设定值不同时，发出警报，同时监测报警仪具有日期、时钟显示功能。二、控制系统的功能、技术参数的分析和制
3、定2.1 技术参数a. 温度测量范围：0C-50Cb. 温度测量精度：0.5Cc. 湿度测量范围：50RH-90RHd. 湿度测量精度：4%RHe. 光照强度测量范围：0-20000Luxf. 光照强度测量精度：4%2.2 技术参数分析农业常用的温湿度传感器为HTU21D传感器，HTU210传感器温度测量范围为-40C-105C，温度测量精度为0.3C，湿度测量范围为0-100%RH，湿度测量精度为2%RH。考虑到农产品生产环境，我们将温度测量范围定为0C-50C，湿度测量范围定为50-90RH。考虑到精度越高，成本越高，综合现有传感器的精度，将温度测量精度定为0.5C，湿度测量精度定为4%R
4、H。光照强度用光敏电阻检测，农产品生产环境中，需要的光照强度最高为20000Lux，所以将光照强度测量范围定位0-20000Lux。考虑到精度越高，成本越高，综合现有光敏电阻精度，将光照强度精度定为4%。三、系统的总体控制框图的设计和方案设计3.1系统框图组成图3.1.1根据所选择的元器件，系统框图可细化为下图所示。图3.1.23.2 方案设计本课程设计的任务为利用温度传感器、湿度传感器和单片机技术，完成一个能在农业大棚上使用的温湿度及光照强度监测系统。本方案使用SHT11进行温湿度的监测，光敏电阻进行光照强度的监测，并由A/D转换器PCF8591转换为电信号输出，由独立按键设置用户给定温湿度
5、和光照强度，通过LCD1602显示输出，由电磁式蜂鸣器报警。四、系统各元器件介绍4.1温湿度传感器的工作原理和应用技术介绍4.1.1温湿度传感器的选择方案一:温度传感器:温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。其测温范围为55+125，在-1085范围内，精度为05。每一个DS18B20芯片的ROM中存放了一个64位ID号：前8位是产品类型编号，随后48位是该器件的自身序号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。因此，一条总线
6、上可以同时挂接多个DS18B20，实现多点测温系统。另外用户还可根据实际情况设定非易失性温度报警上下限值TH和TL。DS18B20检测到温度值经转换为数字量后，自动存入存储器中，并与设定值TH或TL进行比较，当测量温度超出给定范围时，就输出报警信号，并自动识别是高温超限还是低温超限。湿度传感器:HS1100/HS1101在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的
7、自动插件和自动装配过程等。相对湿度在1%-100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/。可见精度是较高的。方案二：采用湿度和温度测量，即用一个温湿度传感器SHT11实现。温湿度传感器SHT11将湿度测量、温度测量、信号变换、A/D转换等功能集合到一个芯片上，该芯片包含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，这个两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该信号首先进入微弱信号放大器进行信号放大，然后进入一个14位的A/D转换器，最后经过二线串行数字接口输出数字信号，采用数码管显示所测湿度。由于传统的
8、模拟式温湿度传感器（方案一）一般不仅要设计信号电路，还要经过复杂的校准和标定过程，其测量精度难以保证。而方案二直接输出数字信号，免外围电路，所以本设计选用方案二。4.1.2 SHT11温湿度传感器的引脚说明图4.1.1引脚说明如下：（1）GND：接地端；（2）DATA：双向串行数据线；（3）SCK：串行时钟输入；（4）VDD电源端：0.45.5V电源端；（58）NC：空管脚。4.1.3 SHT11温湿度传感器的性能参数a. SHT11温湿度传感器的主要特性如下：（1）将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片（CMOSensTM技术）；（2）可给出全校准相对湿度及
9、温度值输出；（3）带有工业标准的I2C总线数字输出接口；（4）具有露点值计算输出功能；（5）具有卓越的长期稳定性；（6）湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位；（7）小体积（7.65x5.08x23.5mm），可表面贴装；（8）具有可靠的CRC数据传输校验功能；（9）片内装载的校准系数可保证100%互换性;（10）电源电压范围为2.45.5V;（11）电流消耗,测量时为550A，平均为28A，休眠时为3A。b. SHT11温湿度传感器的主要参数如下：测量范围测湿精度测温精度分辨率封装形式20-90RH 0-503%RH0.48-12bit略表4.1.1c.
10、SHT11温湿度传感器的电气特性 参数条件mintypmax单位供电电压2.43.35.5V功耗s休眠状态25W测量状态3mW平均150W通讯2线制数字接口，参见通讯存储条件10-50（0-125peak），20-60%RH表4.1.24.1.4 SHT11温湿度传感器的内部结构及其工作原理SHT11传感器的内部结构框图如图所示。图4.1.2SHT11的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。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一个14位的A/D转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线I2C总线器件，从而将数字信号转换为符合I2C总线协议的串行
11、数字信号。SHT11工作的系统框图如下。图4.1.34.1.5 SHT11的接口电路图图4.1.4P22、p23分别为单片机P2.2、P2.3接口。4.1.6 器件分析SHT11温湿度传感器测量范围为20-90RH和0-50，精度范围为3%RH和0.4。而我们一开始设定的温度测量范围为0C-50C，温度测量精度为0.5C，湿度测量范围为50RH-90RH，湿度测量精度为4%RH。SHT11的分辨率为8-12bit，对应的可分辨温度分别为1、0.5、0.25、0.125、0.0625，满足一开始设定的要求。SHT11需要的供电电压一般为2.4-5.5V，满足低电压和低功率要求。所以满足开始设定的
12、技术参数要求与电压要求。4.2 单片机的工作原理和应用技术介绍 4.2.1单片机的选择方案一：采用MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片作为核心器件，有4K 字节的内部 FLASH PERAM，能于3V的超低压工作，而且与MCS-51系列单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。方案二：采用AT89C52芯片作为核心器件,片内ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超低压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全兼容。该芯片内部存储器为8KB RO
13、M 存储空间，同样具有89C51的功能，并且具有在线编程技术，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，由此不会对芯片造成损坏。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS八位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许ROM在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使其为众多嵌入式控制应用系统提供灵活的解决方案。所以本设计采用AT89C52作为主控制系统。4.2.2 AT89C52单片机的引脚功能图4.2.
14、1a. P0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。b. 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
15、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），Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。表.P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2，时钟输出P1.1T2EX（定时/计数器2）表4.2.1c. 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，
16、某个引脚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MOVXDPTR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MOVXRI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。d. 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
17、第二功能,P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。e. ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，
18、只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。f. PESN：程序储存允许（PESN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PESN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PESN信号。g. EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的
19、指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。h. XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。i. XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。4.2.3 AT89C52的接口电路图图4.2.2在本次实验电路设计中，单片机P0接口分配给显示屏1602的D0D7，P1暂未使用，P2负责sht11的数据输入，pcf8591数据输入，蜂鸣器数据输入和复位电路。P3负责按键电路和显示器的数据输出。剩下的接口则需要用来完成单片机内部最小系统电路，即晶振电路和复位电路。4.2.4 器件分析AT89C52供电电压一般为5V，满足电
20、压要求。4.3 键盘电路的工作原理和应用技术介绍4.3.1 键盘的选择方案一：采用独立式按键，每个按键占用一条I/0线，当按键数量较多时，I/0口利用率不高，但程序编制简单，适用于所需按键较少的场合。方案二：采用4x4矩阵式键盘，电路连接复杂，但提高了I/0口利用率，软件编程较复杂，适用于需使用大量按键的场合。由于本设计使用按键较少，故选用方案一。4.3.2 独立式按键电路图图4.3.1首先判断有无键按下，若检测到有键按下，延时10ms避开抖动的影响，查询是哪一键被按下并执行相关的操作。然后再用软件查询等待按键的释放，当判明键释放后，用软件延时10ms后再返回。4.3.3 独立按键的接口电路图
21、图4.3.2各个按键功能介绍：如电路图中所示：按下“报警设置”键，显示屏跳至系统初始设置的各参数报警值，按下“温度+”、“温度-”、“湿度+”、“湿度-”依次实现温度报警值升高，降低，湿度报警值升高，降低。4.4 报警器的工作原理和应用技术介绍4.4.1 报警器的选择蜂鸣器分为压电式及电磁式二大类：压电式蜂鸣器是以压电陶瓷的压电效应，来带动金属片的振动而发声；电磁式的蜂鸣器，则是用电磁的原理，通电时将金属振动膜吸下，不通电时依振动膜的弹力弹回。故压电式蜂鸣器是以方波来驱动，电磁式是1/2方波驱动，压电式蜂鸣器需要比较高的电压才能有足够的音压,一般建议为9V以上。电磁式蜂鸣器用1.5V就可以发出
22、85dB以上的音压了。所以本设计采用电磁式蜂鸣器。4.4.2 电磁式蜂鸣器结构及原理电磁式蜂鸣器主要由振动装置和谐振装置组成。线圈有电流通过时,振动装置会因磁能量变化,振动片位置发生变化,从而产生振动。4.4.3 电磁式蜂鸣器的分类电磁式蜂鸣器分为有源型（自激型）和无源型（它激型）两种。图4.4.1图4.4.2本设计采用有源型电磁式蜂鸣器。4.4.4 电磁式蜂鸣器的接口电路图图4.4.3由于电路中提供的电压是5V，而蜂鸣器的工作电压是12V，所以在电路中连接一个三极管来提高蜂鸣器电路中的电压。我们选择了常用的NPN型三极管，型号为2N1711，三极管各参数为：晶体管型号： 2N1711（S）生
23、产厂家： 德国AEG公司，DIT，德国椤茨标准电器公司制作材料： Si-NPN性质： 通用型（Uni）封装形式： 直插封装极限工作电压： 75V最大电流允许值： 0.5A放大倍数： 未知放大倍数最大工作频率： 70MHZ引脚数： 3当正常情况下，此时P24端电压为0V，晶体管T工作于截止区，蜂呜器不发声。 当温湿度及光照强度超过设定值是，单片机发出指令P24端的电压为5V，晶体管T导通，此时蜂呜器发出声音报警。4.4.5 器件分析电磁式蜂鸣器分贝一般在85dB左右，而温室大棚的一般尺寸是10m*6m，85dB的声音足以让温室大棚的每一个地方都能听到，所以满足要求。电磁式蜂鸣器只要1.5V的电压
24、就能发出85dB以上的音压，这里供电电压为12V，满足实验要求。4.5 显示器的工作原理和应用技术介绍4.5.1 显示器的选择方案一：采用LCD1602液晶显示器。1602是字符型液晶，其显示容量为16*2个字符，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。LCD1602低压、微功耗，只要2V-3V即可工作，而工作电流仅几个微安。方案二：采用LCD12864液晶显示器, 可以显示四行汉字，每行为16个字符，八个汉字，不带字库的LCD需要自己提供字库字模，此时可以根据个人喜好设置各种字体显示风格，设计上较为灵活。带字库的LCD提供字库字模，但是只能显示GB2312的宋体。两方案相比，LCD160
25、2更加简易，所以这里选用方案一。4.5.2 LCD1602的主要参数1602LCD主要技术参数： 显示容量:162个字符 芯片工作电压:4.55.5V工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm 4.5.3 LCD1602的引脚功能图4.5.11602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表：编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15B
26、LA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极表4.5.14.5.4 LCD1602的接口电路图图4.5.2各引脚接线说明：D0D7引脚连至单片机P0.0P0.7,用于数据传输；VSS接地；VDD接系统电源5V；RS，RW，E分别接P3.5，P3.6和P3.4,分别用于数据、命令选择，读、写选择，使能信号。4.5.5 部件分析LCD1602的显示状况：图4.5.3其中，T为温度，H为湿度，Light Level为光照强度LCD1602能满足显示温湿度以及光照强度的要求。LCD1602芯片工作电压为4.5V-5.5V,工作电流为2.0mA(5V)，模块最佳工作电压为5V，满足实验的电压要求。4.6
27、 光敏电阻的工作原理和应用技术介绍4.6.1光敏电阻的选择光敏电阻分为环氧树脂封装和金属封装两款，同属于导线型（DIP型），环氧树脂封装光敏电阻按陶瓷基板直径分为3mm、4mm、5mm、7mm、11mm、12mm、20mm、25mm，这里选用LXD/5506型光敏电阻。4.6.2 LXD/5506的光电参数Parameter参数单位亮电阻（at 10Lux）2-8K暗电阻（at 0Lux）0.2M伽玛值（at 100-10Lux）0.6最大功耗（at 25）90MW最大电压（at 25）150VDC光谱峰值（at 25）540nm环境温度-30-+70响应时间上升30ms下降30ms表4.6.
28、14.6.3 光敏电阻的主要参数（1）光电流、亮电阻：光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“10LUX”表示。（2）暗电流、暗电阻：光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LUX”表示。（3）灵敏度：灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。（4）光谱响应：光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。（5）光照特性：光照特性指光
29、敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。（6）伏安特性曲线：伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。（7）温度系数：光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。（8）额定功率：额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。4.6.4 光敏电阻的接口电路图图4.6.2各引
30、脚接线说明： GND接地； OUT接PCF8591数据接口AIN0，将光敏电阻采集到的数据传输到PCF8591上进行ADDA转换从而传输到单片机中进行处理； 5V：接系统电源。4.6.5 器件分析LXD5506的灵敏度很高，反应速度快，满足设计要求。光敏电阻的工作电压一般为5V，满足低电压要求。4.7系统电源电路的电参数的计算和分析单片机及外围电路都需要直流5V工作电压，均由变压器次级线圈输出，经由整流、滤波、稳压。直流电源的输入为220V的电网电压，所需直流电压的数值和电网电压的有效值相差较大，因而需要通过电源变压器降压。再通过整流电路将正弦波电压转换为单一方向的脉动电压。为了减小电压的脉动
31、，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。理想情况下是可以将交流分量全部滤掉，但是因为受负载影响，加之滤波电路并不能达到理想效果。还需要加入稳压电路，使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响。若是断电，则切换到备用电源继续工作。在本次设计仿真电路中，我们需要稳定的5V电压，选择常用的稳压块7805，它的优点有：（一） 电路简单,稳定.调试方便(几乎不用调试)；（二） 价格便宜,适合于对成本要求苛刻的产品；（三）电路中几乎没有产生高频或者低频辐射信号的元件,工作频率低,EMI等方面易于控制。稳压块7805的各参数如下：参数符号测试条件最小值典型值最大值单位输出电压VoTj=254.85.05.2V5.0mA1o1.0APo0;i=1) /?1,? if (i&value) DATA=1; /?,? else DATA=0; SCK=1; _nop_();_nop_();_nop_(); /?3us SCK=0;DATA=1; /?SCK=1; error=DATA; /?,?_nop_();_nop_();_nop_();SCK=0; DATA=1;return err
