课程设计（论文）-基于USB总线的湿度检测系统.doc

西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 基于基于 USB 总线的湿度检测系统总线的湿度检测系统 摘摘 要要：为了实现对湿度的测量，提出了一种以 CH341 作为 USB 接口芯片的湿度 检测系统，该检测装置通过集成湿度传感器对湿度的变化对应电流的变化，再将电 流的变化转换为电压的变化，该电压信号经 SHT11 内部 A/D1转换器后将模拟信号 转化为数字信号。最后将数字信号送入 AT89C522单片机，经过软件的控制，在 LCD 上显示输出相应的湿度值，湿度检测范围是 15%99%RH，精度是 5%。当湿度 超过所限定的范围,可自动报警并提供了与 PC 机的 USB 通信接口，上位机采用 VB 编程实现了时刻对湿度值的监测记录，DS1302 提供实时时钟。 关键词：关键词：集成湿度传感器，DS1302，A/D，AT89C52，LCD Abstract：In order to realize the humidity measurement, this paper proposes A CH341 as USB interface chip moisture detection system, the detection device with the integrated humidity sensor to humidity changes corresponding to the current changes, and then converts the change of the current the change of the voltage, the voltage signal by the SHT11 after internal 1 of A/D converter converts analog signals into digital signals.Finally the digital signal into 2 AT89C52 single chip microcomputer, through software control, output is displayed on LCD and the corresponding humidity value, humidity detection range is 15% 99% RH, accuracy is 5%. When humidity exceeds the limit, and provide a USB communication interface with a PC, PC using VB programming to achieve the moment the humidity value of monitoring records, provide real-time clock DS1302. Keywords: Integrated humidity sensor, DS1302, A/ D, AT89C52, LCD 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 I 页 目录目录 1 前言前言.1 2 整体方案设计整体方案设计.2 2.1 方案论证.2 2.1.1方案一：干湿球法方案.2 2.1.2方案二：集成湿度传感器方案.2 2.2 方案比较.3 2.3 方案选择.3 3 单元模块设计单元模块设计.5 3.1 湿度采集电路.5 3.1.1 SHT11介绍.5 3.1.2 湿度采集电路.5 3.2 USB 通信电路.6 3.3 单片机电路.6 3.4 报警电路.7 3.5 LCD 显示电路.8 3.6 实时时钟 DS1302.8 4 软件设计软件设计.10 4.1 下位机设计.10 4.1.1 主程序设计.10 4.1.2 串口中断设计.11 4.1.3 定时器设计.11 4.1.4 数据采集设计.12 4.1.5 超限报警设计.13 4.2 上位机设计.14 5 系统调试系统调试.15 5.1 硬件调试.15 5.2 软件调试.15 6 系统功能、指标参数系统功能、指标参数.17 6.1 测量结果比较.17 6.2 误差原因分析.17 6.3 减少误差主要方法.18 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 II 页 6.4 结论.18 7 设计总结设计总结.19 8 谢辞谢辞.20 9 参考文献参考文献.21 附录附录 1：电路总图：电路总图.22 附录附录 2：软件代码：软件代码.23 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 1 页 1 前言前言 湿度，表示大气干燥程度的物理量。在一定的湿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；若表示在 湿蒸汽中水蒸气的重量占蒸汽总重量(体积)的百分比，则称之为蒸汽的湿度。在过程控制、 质量控制、能源利用、健康及安全等诸多领域都扮演着重要的角色, 特别是许多高科技领域, 如半导体制造、制药、电力和通讯等, 对湿度测量的要求越来越高。随着科学技术的发展, 现代湿度测量技术有了长足的进步。从传统的干湿球法3、露点法、电解法到各种电湿度测 量方法再到吸收光谱法, 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。传统的模拟式湿度传感器一般不仅要设计信号调理电路, 还要经过复杂的校 准和标定过程,其测量准确度难以保证。瑞士 SENSIRON 公司生产的温湿度传感器 SHT11 是 具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度传感器, 可用来测量相对湿度、湿度和 露点等参数。该传感器将 CMOS 芯片技术与传感器技术融合, 为开发高准确度、高可靠性的 数字温湿度传感器提供了测量元件。我们采用温湿度传感器 SHT114和单片机技术相结合的 方法, 研制开发的基于 USB 总线的湿度检测系统, 具有准确度高, 体积小, 成本低, 操作简 单方便, 湿度范围宽和响应速度快等特点。针对湿度的检测，在讨论湿度检测系统的设计方 案的基础上，拟设计一个基于 USB 总线的湿度检测系统，包括硬件电路设计和软件设计。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 2 页 2 整体方案设计整体方案设计 2.1 方案论证方案论证 基于 USB 总线的湿度检测系统的整体思路是：集成湿度传感器湿度的变化对应电流的 变化，再将电流的变化转换为电压的变化，即 0时输出电压为 0V 显示在数码管上的数字 为 0。当 100时输出电压为 100mV 通过 AD 转换器输出显示在数码管上的数字为 100.0。 即湿度在 0100时电压的变化就对应于湿度的变化。该电压信号经放大后通过 A/D 转 换器后将模拟信号转化为数字信号，最后将数字信号送入 AT89C52 单片机，经过软件的控 制，在 LCD 上显示输出相应的湿度值，湿度检测范围是 15%99%，精度是 5%。并提供了 与 PC 机的 USB 通信接口，报警电路用蜂鸣器针对湿度检测，可以采用两个方案，具体的 方案见方案一和方案二。 2.1.1 方案一：干湿球法方案方案一：干湿球法方案 以 AT89C52 单片机为核心的湿度检测仪。该仪器根据干湿球法原理实现高精度测湿， 以代替常规的常规的湿度传感器。 干球 湿球 传感器 传感器 处理器模拟开关A/D AT89C52单片 机 键盘打印 PC 显示 图 2.1 测湿整体方案一框图 2.1.2 方案二：集成湿度传感器方案方案二：集成湿度传感器方案 利用集成湿度传感器的电流与湿度的变化为线性的，我们将电流转换为电压的变化， 通过放大电路输出送入 A/D 转换器 A/D 转换器输出后进入单片机系统，通过软件的控制， 将电压对应于湿度的数值通过查表的方式得出结果,在 LCD 上显示出来。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 3 页 集成 湿度 传感 器 SHT11 PC 报警电路 LCD显示电路 AT89C52单片机模 块 时钟芯片DS1302 USB 图 2.2 测湿整体方案二框图 2.2 方案比较方案比较 （1）方案一： 干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因 此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。 干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。 与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。所以干湿球测湿 方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。 （2）方案二： 在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间一长，会产生老化，精度下降， 湿度传感器年漂移量一般都在2%左右，甚至更高。一般情况下，生产厂商会标明 1 次标定 的有效使用时间为 1 年或 2 年，到期需重新标定。 电子式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，电子式湿度传感器 的长期稳定性和使用寿命不如干湿球湿度传感器。 湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将 对传感器造成损坏。 所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。 2.3 方案选择方案选择 综合方案一与方案二，方案二有以下几点优势： （1）能够感受环境中的湿度变化。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 4 页 （2）能够将环境中的湿度变化转化为电信号。 （3）系统能够对采集到的湿度信号进行分析处理。 （4）能够将环境中的湿度以相对湿度的形式显示出来便于观察记录。 （5）系统反应快、灵敏度高、稳定性好，具有一定的抗干扰能力。 （6）电路简单，操作方便、性价比高、实用性强。 故，选择方案二来实现本次课程设计。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 5 页 3 单元模块设计单元模块设计 主要包括湿度采集电路、USB 通信电路、单片机电路、报警电路、LCD 显示电路、实 时时钟 DS1302。 3.1 湿度采集电路湿度采集电路 3.1.1 SHT11 介绍介绍 SHT11 系列单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感 器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测湿元件，并与一个 14 位的 A/D 转换器以 及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干 扰能力强、性价比极高等优点。 图 3.1 SHT11 管脚图 3.1.2 湿度采集电路湿度采集电路 湿度检测系统采用 SHT11 智能化湿度传感器5。测量相对湿度的范围是 0 100%， 分辨力高达 0.03%，最高精度为 2% RH; 测量湿度的范围是40 123. 8，分辨率为 01; 测量露点的精度 1。连接时，仅需要两条口线即可实现单片机和 SHT11 的双 向通讯，在使用中不需要任何外围元件，被测湿度通过编程可实现 9 12 位的数字方式 串行输出，测湿范围大、精度高。电路如图 3.2 所示，上拉电阻 10k，C 为电源退耦电容。 图 3.2 湿度采集电路 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 6 页 3.2 USB 通信电路通信电路 系统采用 CH341 作为 USB 接口通信芯片。此芯片是一个 USB 总线的转接片，通过 USB 线提供异步串口、打印口、并口以及常用的 2 线和 4 线等同步串行接口。设计通过使 用其提供的异步串口功能，与单片机进行 USB 数据通讯。由于电脑串口 RS232 的电平是 10 + 10V，而单片机应用系统的信号电压是 TTL 电平 0 + 5V，故与 CH341 通讯 时需进行电平转换。将 TTL 电平转换为 RS232 电平后传入 CH341 中，设计采用 MAX232 用来进行电平转换，该器件包括 2 个驱动器、2 个接收器和 1 个电压发生器电路提供 TIA/EIA 232 F 电平。MAX232 芯片可以完成两路 TTL /RS 232 电平的转换， MAX232 的 9 和 10 引脚是 TTL 电平端，用来连接单片机，11 和 12 引脚分别接 CH341 芯片的 TXD 和 RXD 引脚。 图 3.3 USB 接口通信电路图 3.3 单片机单片机电路电路 AT89C52 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)，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。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，也可以在线编程。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。 单片机是系统的核心部分，它接受来自湿度传感器输出的数字信号以及受 PC 通 USB 总线对其进行控制，包括复位、时钟电路。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 7 页 图 3.4 单片机模块 3.4 报警电路报警电路 为了在湿度测量中对湿度的上下限超出提示报警6，设计采用蜂鸣音报警电路。通过单 片机的 1 根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声，使用三极管驱动，如图 3.7 所示。单片机的 P3.7 通过电阻 R2 接三极管的基极，R3 接在基极和发射极上。当 P3.7 输出低电平时，三 极管导通，蜂鸣器发声; 当 P3.7 输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。 图 3.5 报警电路 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 8 页 3.5 LCD 显示电路显示电路 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 LCD,目前常用 16*1，16*2，20*2 和 40*2 行等的模块. LM016L LCD 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 图 3.6 LCD 显示电路 3.6 实时时钟实时时钟 DS1302 DS1302 的在实时显示时间中的应用，利用它可以实时记录数据以及复查。DS1302 的引 脚排列,其中 Vcc2 为主电源，VCC1 为后备电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的 连续运行。DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2 两者中的较大者供电。当 Vcc2 大于 Vcc1+0.2V 时， Vcc2 给 DS1302 供电。当 Vcc2 小于 Vcc1 时，DS1302 由 Vcc1 供电。X1 和 X2 是振荡源， 外接 32.768kHz 晶振。RST 是复位/片选线，通过把 RST 输入驱动置高电平来启动所有的数 据传送。RST 输入有两种功能:首先，RST 接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存 器;其次，RST 提供终止单字节或多字节数据传送的方法。当 RST 为高电平时，所有的数据 传送被初始化，允许对 DS1302 进行操作。如果在传送过程中 RST 置为低电平，则会终止此 次数据传送，I/O 引脚变为高阻态。上电运行时，在 Vcc2.0V 之前，RST 必须保持低电平。 只有在 SCLK 为低电平时，才能将 RST 置为高电平。I/O 为串行数据输入输出端(双向)。 SCLK 为时钟输入端。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 9 页 图 3.7 DS1302 管脚 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 10 页 4 软件设计软件设计 本系统的处理器是兼容 8051 指令集的高速单片机 AT89C52。为此，首选 Keil Vision 4 作为其开发工具。 4.1 下位机设计下位机设计 4.1.1 主程序设计主程序设计 用 keil 与 proteus 进行联合仿真，当 SHT11 采集的湿度数据送入单片机内部后，单片机 就采集数据，将数据采集到内部存储器的存储单元存储，将输入的 BCD 码调用查表子程序 送入到 LCD 上显示。 开始 初始化 湿度返回值 A/D转换 湿度显示界面 超出界 限？ 报警程序 按键按 下？ 按键处理 子程序 FLAG=0? 设置显示界面 N Y Y N Y 比较处 理程序 湿度采集 N 图 4.1 主程序设计框图 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 11 页 4.1.2 串口中断设计串口中断设计 湿度检测系统中，单片机7系统向 USB 接口芯片的数据传输是利用在定时器 0 中触发 串口中断的形式完成。并于 PC 机系统达成协议，当 FLAG3 标志位为 0 时发送的是湿度信 息; 当标志位 FLAG3 为 1 时发送的是湿度信息。然后，由 PC 机系统软件将接收到的数据 分别处理，打印历史曲线并显示，详细流程如图 4.2 所示。 串口中断 出中断 发送湿度处 理 FLAG3=0? SBUF=湿度； T1=0; T1=0? T1=0? SBUF-湿度； T1=0; N Y Y Y N N 图 4.2 串口中断流程图 4.1.3 定时器设计定时器设计 定时器初始化初值设置为: TMOD = 0 x01; TR0= 1; IE = 0 x82; TH0 = ( 65525 -500000) /256; TL0 =( 65535-500000) %256，流程图设计如图 4.3 所示。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 12 页 定时器中断 子程序 重新赋值 湿度发送 湿度处理 中断处理 完毕？ 返回 Y N 图 4.3 定时器中断流程图 4.1.4 数据采集设计数据采集设计 数据采集软件主要实现单片机系统 AT89C52 对湿度传感器 SHT11 的初始化、发送测 量命令及数值的读取，还有实验调试时的显示等辅助程序。按键处理程序主要用于 FLAG3 发送信息标志位，湿度上限值和下限值的设置。在正常情况下，绿灯亮，显示器第 1 行实 时湿度。当设置键按下 1 次时,第 1 行显示上限湿度和下限湿度。在此情况下，按 1 次加速 键，湿度上限加 1% RH，按 1 次减速键，湿度上限减 1%RH。当设置键第 4 次按下时，仍 然显示湿度信息，第 1 行显示实时湿度，第 2 行显示上限湿度和下限湿度;在此情况下，按 1 次加速键，湿度上限加 1% RH，湿度下限减 1%RH。当设置键第 5 次按下时，显示器显 示恢复正常显示，即显示实时湿度。 在湿度数据通信系统中，单片机与 PC 机之间的数据通信采用 USB 接口芯片 CH341 实现。由于 CH341 是在转异步串口的方式下获取单片机系统数据的，所以 CH341 芯片与 单片机之间的信息交换是通过串行通信实现。在时序处理中，单片机主动发送命令或数据， 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 13 页 触发中断，然后 CH341 芯片将发送的命令和数据传入 PC，进行相应处理。 按键处理子 程序 设置键是 否按下？ 加速键是 否按下？ 根据FLAG标志位进行 湿度的上下限自加 减速键是 否按下？ 根据FLAG标志位进行 湿度的上下限自加 FLAG+ FLAG=4?FLAG=0 切换键是 否按下? Flag3标志位 取反 返回主程序 N Y Y Y N Y N Y N 图 4.4 数据采集流程图 4.1.5 超限报警设计超限报警设计 对湿度参量所采集到的四个数据进行滤波，将滤波后的数据转换成十进制供数码管显示， 若湿度值大于 70%RH 或者小于 45%RH，则进行报警提示。 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 14 页 图 4.5 超限报警流程图 4.2 上位机设计上位机设计 上位机采用 VB 作为上位机软件开发平台。VB 的 MSComm 通信控件具有丰富的与串 口通信密切相关的属性及事件，提供了一系列标准通信命令的接口，可以用它创建全双工的、 事件驱动的、高效实用的通信程序。 图 4.6 上位机流程图 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 15 页 5 系统系统调试调试 系统调试主要分为硬件调试和软件调试。该部分调试主要采用 KEIL C 的 uVision4 和 Proteus7 的 ISIS 软件进行仿真。 5.1 硬件调试硬件调试 为保证成功率，系统的完善需进行软件仿真，只有仿真通过后才可能成功，否则硬件的 盲目焊接只会延长系统的开发周期。本次设计在硬件搭接前首先完成了系统的局部模块仿真 工作，使用 PROTEUS 软件和 KEILC51 编译软件进行联合调试完成，硬件调试仿真图如图 5.1 所示。 图 5.1 硬件调试仿真图 5.2 软件调试软件调试 其操作流程依次是：建立新工程-确认工程保存路径-选择单片机型号-建立 C 文件并 保存-添加工程文件（即新建的 C 文件）-在 C 文件中输入 C 代码-设置 Target 选项- 编译、链接、生成二进制代码。应当特别注意的是：在设置 Target 选项时，单击“Output” 选项后应选中“Create HEX File”选项，并确认晶振频率和电路中所使用的晶振匹配，否则无 法生成二进制代码且系统无法正常工作。在单击编译、链接、生成按钮后应确保没有语法错 误，方可进行系统联调。软件调试仿真图如图 5.2 所示 西华大学课程设计说明书西华大学课程设计说明书 第 16 页 图 5.2 软件调试仿真图 西华大学课程设计说明书