毕业设计数字温湿度计的设计论文

1、数字温湿度计的设计 摘 要 温度和湿度是两个最基本的环境参数，人们生活与温湿度息息相关。在工农 业生产、气象、环保、国防、科研等部门，经常需要对环境温度与湿度进行测量 和控制。准确测量温湿度在生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要的。 因此研究温湿度的测量方法和控制具有重要的意义。 本论文介绍了一种以单片机 at89c52 为主要控制器件，以 dht91 为数字温 湿度传感器的新型数字温湿度计。本设计主要包括硬件电路的设计和系统软件的 设计。硬件电路主要包括主控制器，测温湿控制电路和显示电路等。主控制器采 用单片机 at89c52，温湿度传感器采用盛世瑞恩半导体公司生产的 dht91，显示

2、 电路采用 8 位共阳极 led 数码管，驱动电路用八个 pnp 型的小电压大电流三极 管（s9012）。测温湿控制电路由温湿度传感器和预置温湿度值比较报警电路组 成，当实际测量温湿度值大于预置温湿度值时，发出报警信号（发光二极管点亮） 。软件部分主要包括主程序，测温湿度子程序，显示子程序和按键子程序等。 本次设计采用的 dht91 数字温湿度传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和 一个能隙式测温元件，并与一个 14 位的 a/d 器以及串行接口电路在同一芯片上 实现无缝链接，从而具有超快响应，抗干扰能力强，性价比高等优点。用 dht91 与 at89c52 做的数字温湿度计不仅外围电路简单，而

3、且测量精度比较高。 关键词：温度测量, 湿度测量，at89c52，dht91 the design of digital thermometers and hygrometer abstract temperature and humidity are two basic environmental parameters. peoples lives are closely related to temperature and humidity. in the industrial and agricultural production, meteorology, environmental

4、protection, national defense, scientific research, and other departments, we often need to ambient temperature and humidity measurements and control. accurate measurement of temperature and humidity in the pharmaceutical, food processing, paper making and other sectors is essential. so the temperatu

5、re and humidity control and measurement method is of great significance. this paper presents a new design of digital thermometers and hygrometer. it includes a main control device-microcontroller at89c52 and a digital temperature and humidity sensor. this design includes hardware and system software

6、 .the hardware design includes a main controller circuit, temperature and humidity measurement and control circuits and show circuit. main controller uses scm at89c52.temperature and humidity sensor uses dht91 which is yielded by sensirion (a semiconductor corp). show circuit is a total of eight cir

7、cuits using digital led of the anode. driver show circuit uses eight of the pnp small voltage high current transistor (s9012). temperature and humidity control circuit includes the temperature and humidity sensor and preset temperature and humidity values compared alarm circuit. when the actual meas

8、urement of temperature or humidity values is greater than the preset temperature or humidity values, the alarm signal (light emitting diode is lit) is sent. the major software includes the main routines, temperature and humidity routines, show routines and keys routines. the digital temperature and

9、humidity sensor (dht91) in this design includes a capacitive polymer sensing element for power consumption makes it the ultimate choice for even relative humidity and a band gap temperature sensor. both the most demanding applications are seamlessly coupled to a 14bit analog to digital converter wit

10、h a 14 and the a / d, as well as serial interface circuits in the same chip on the realization of a gap link to a super-fast response, anti-interference capability and cost-effective advantages. the design of digital thermometers and hygrometer with at89c52 and dht91 not only has a simple external c

11、ircuit, but also has a high-precision measurement. key words: temperature measurement, humidity measurements, at89c52, dht91 目 录 前 言 .1 第一章 设计任务要求和温湿度计的发展史 .2 1.1 设计任务及要求.2 1.2 设计数字温湿度计的依据和意义.2 1.3 温度计的发展史.3 1.4 湿度计的由来.4 1.5 露点意义.4 第二章 设计任务分析及方案论证 .5 2.1 设计总体方案及方案论证.5 2.2 元器件的选择.6 2.2.1 主控制器芯片.6 2.2

12、.2 数字温湿度传感器.7 2.2.3 驱动显示电路.8 2.3 温湿度测量的方法及分析.9 第三章 硬件电路的设计 .10 3.1 主控制电路和测温湿控制电路.10 3.2 驱动显示电路.11 第四章 软件设计及分析 .13 4.1 dht91 传输时序和指令集 7 .13 4.1.1 通讯复位时序.13 4.1.2 启动传输时序.13 4.1.3 数据传输和指令集.14 4.1.4 湿度的测量时序.15 4.1.5 输出转换为物理量.15 4.1.6 dht91 的 dc 特性。 .16 4.2 程序流程图.17 4.3 程序的设计.18 4.3.1 通讯复位子程序.18 4.3.2 传输

13、启动子程序.18 4.3.3 写一个字节子程序.19 4.3.4 读一个字节子程序.20 4.3.5 数据处理子程序.20 4.3.6 显示子程序.21 4.3.7 按键子程序.23 4.3.8 中断刷新显示数码管子程序.26 4.3.9 软件在硬件上的调试分析.27 结 论 .29 参考文献 .30 致 谢 .31 附 录 .32 前 言 温度与湿度与人们的生活息息相关。在工农业生产、气象、环保、国防、科 研等部门，经常需要对环境温度与湿度进行测量及控制。准确测量温湿度在生物 制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要的。传统的温度计是用水银柱来显示 的，虽然结构简单、价格便宜，但是它的精确度不

14、高，不易读数。传统湿度计采 用干湿球显示法，不仅复杂而且测量精度不高。而采用单片机对温湿度进行测量 控制，不仅具有控制方便，简单和灵活等优点，而且可以大幅度提高温度控制的 技术指标。用 led 数码管来显示温湿度的数值，看起来更加直观。 测量温湿度的关键是温湿度传感器。过去测量温度与湿度是分开的。随着技 术的进步和人们生活的需要出现了温湿度传感器。温度传感器的发展经历了 3 个 阶段：传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。 目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化、网络化 的方向发展。湿度传感器也是经历了这样一个阶段逐渐走向数字智能化。 现今国内

15、外用的最多的温湿度传感器是 shtxx 系列。不过很多客户都反应 shtxx 不方便手工焊接，很容易在焊接的时候，由于温度过高造成传感器直接损 害，因此利用 shtxx 传感器重新在国内封装得到了 dht 9x 系列。shtxx 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。它应用专利的工 业 coms 过程微加工技术（cmosens） ，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期 稳定性。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一 个 14 位的 a/d 器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝链接，从而具有超快 响应，抗干扰能力强，性价比高等优点。 采用 d

16、ht91 数字温湿度传感器与单片机 at89c52 相连外围电路比较简单。 所以，本次设计以 dht91 数字温湿度传感器为例，介绍基于单片机的数字温湿度 计的设计。 第一章 设计任务要求和温湿度计的发展史 1.1 设计任务及要求 设计一个以单片机为核心的温湿度测量系统，可实现的功能为： （1）测量温度值精度为1，测量湿度值精确1%； （2）系统允许的误差范围为 1和 1%以内； （3）系统可由用户预设温度值和湿度值，测温范围40125， 测 湿范围 0 100%； （4）超出预设值时系统会自动报警，即发光二极管亮； （5）系统采用数码管显示，能显示设定温湿度值和测得的实际温湿度值。 1.2

17、设计数字温湿度计的依据和意义 温度与湿度与人们的生活息息相关。在工农业生产、气象、环保、国防、科 研等部门，经常需要对环境温度与湿度进行测量及控制。准确测量温湿度在生物 制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要的。传统的温度计是用水银柱来显示 的，虽然结构简单、价格便宜，但是它的精确度不高，不易读数。传统的湿度计 采用干湿球显示法，不仅复杂而且测量精度不高。而采用单片机对温湿度进行控 制，不仅具有控制方便，简单和灵活等优点，而且可以大幅度提高温度控制的技 术指标。用 led 来显示温湿度的数字看起来更加直观。 采用 dht91 数字温湿度传感器作为检测元件，能够同时测试温度和湿度。这 类传感器不

18、仅易于焊接，而且只有四针管脚，减少了外围电路的设计。dht91 传 感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个 14 位的 a/d 器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝链接，从而具有超快响应，抗干 扰能力强，性价比高等优点。dht91 传感器可以直接读出被测的温湿度值。同时 单片机可以把测量出的数据通过串口传到计算机上，来完成工业中的自动控制， 给工业生产带来了极大的便利。用单片机控制的温湿度计不仅硬件电路简单，而 且测量精度比较高。用数码管显示测量值看起来比较美观。 总之，无论在日常生活中还是在工业、农业方面都离不开对周围环境进行温 湿度的测量。因此，研究温湿度的控制和

19、测量具有非常重要的意义。 1.3 温度计的发展史 温度计是测温仪器的总称。根据所用测温物质的不同和测温范围的不同，有 煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差电偶温 度计、辐射温度计和光测温度计等。 最早的温度计是在 1593 年由意大利科学家伽利略(15641642)发明的。他 的第一只温度计是一根一端敞口的玻璃管，另一端带有核桃大的玻璃泡。使用时 先给玻璃泡加热，然后把玻璃管插入水中。随着温度的变化，玻璃管中的水面就 会上下移动，根据移动的多少就可以判定温度的变化和温度的高低。这种温度计， 受外界大气压强等环境因素的影响较大，所以测量误差大。 后来伽利略的学生和其他

20、科学家，在这个基础上反复改进，如把玻璃管倒过 来，把液体放在管内，把玻璃管封闭等。比较突出的是法国人布利奥在 1659 年 制造的温度计，他把玻璃泡的体积缩小，并把测温物质改为水银，这样的温度计 已具备了现在温度计的雏形。以后荷兰人华伦海特在 1709 年利用酒精，在 1714 年又利用水银作为测量物质，制造了更精确的温度计。他观察了水的沸腾温度、 水和冰混合时的温度、盐水和冰混合时的温度；经过反复实验与核准，最后把一 定浓度的盐水凝固时的温度定为 0，把纯水凝固时的温度定为 32，把标准大 气压下水沸腾的温度定为 212，用代表华氏温度，这就是华氏温度计。 在华氏温度计出现的同时，法国人列缪

21、尔(16831757)也设计制造了一种温 度计。他认为水银的膨胀系数太小，不宜做测温物质。他专心研究用酒精作为测 温物质的优点。他反复实践发现，含有 1/5 水的酒精，在水的结冰温度和沸腾温 度之间，其体积的膨胀是从 1000 个体积单位增大到 1080 个体积单位。因此他把 冰点和沸点之间分成 80 份，定为自己温度计的温度分度，这就是列氏温度计。 华氏温度计制成后又经过 30 多年，瑞典人摄尔修斯于 1742 年改进了华伦海 特温度计的刻度，他把水的沸点定为零度，把水的冰点定为 100 度。后来他的同 事施勒默尔把两个温度点的数值又倒过来，就成了现在的百分温度，即摄氏温度， 用表示。华氏温

22、度与摄氏温度的关系为： 9/5+32，或59(-32)。 现在英、美国家多用华氏温度，德国多用列氏温度，而世界科技界和工农业 生产中，以及我国、法国等大多数国家则多用摄氏温度。随着科学技术的发展和 现代工业技术的需要，测温技术也不断地改进和提高。由于测温范围越来越广， 根据不同的要求，又制造出不同需要的测温仪器。 1.4 湿度计的由来 湿度计是测量空气内含水分多少的仪器。 史记天官书中即有测湿的记 载。我国汉朝初年就已出现湿度计，它是利用天平来测量空气干燥或潮湿的。天 平湿度计的使用方法，是把两个重量相等而吸湿性不同的物体，例如灰和铁，分 别挂在天平两端。当空气湿度发生变化时，由于两个物体吸入

23、的分水不同，重量 也就起了变化，于是天平发生偏差，从而指示出空气潮湿的程度。 这就是湿度 计的由来。 1.5 露点意义 气温愈低，饱和水气压就愈小。所以对于含有一定量水汽的空气，在气压不 变的情况下降低温度，使饱和水汽压降至与当时实际的水汽压相等时的温度，称 为露点（dew point） 。 露点温度是指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温 度。形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。露点温度 本是个温度值，可为什么用它来表示湿度呢？这是因为，当空气中水汽已达到饱 和时，气温与露点温度相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所 以露点与气温的差值可以

24、表示空气中的水汽距离饱和的程度。在 100%的相对湿度 时，周围环境的温度就是露点温度。露点温度越小于周围环境的温度，结露的可 能性就越小，也就意味着空气越干燥，露点不受温度影响，但受压力影响。 湿 球温度的定义是在定压绝热的情况下，空气与水直接接触，达到稳定热湿平衡时 的绝热饱和温度。 第二章 设计任务分析及方案论证 2.1 设计总体方案及方案论证 按照系统设计功能的要求，确定系统由 5 个模块组成：主控制器，数字温湿 度传感器，报警电路，按键电路及驱动显示电路。 驱动显示模块 模块 报警电路 按键电路 温湿度传感器 主 控 制 器 图 2-1 总体电路框图 主控制器的功能有单片机来完成，主

25、要负责处理由数字温湿度传感器送来数 据，并把处理好的数据送向显示模块。数字温湿传感器主要用来采集周围环境参 数，并把所采集来的参数送向主控制器。按键电路主要用来完成单片机的复位操 作和温湿度初始值的设定。这里需要四个按键，一个用来完成单片机的复位操作， 一个用来切换显示的数据（是设定值还是实际测得的值） ，另外两个分别用来设 定初始温度和初始湿度的个位和十位。报警电路就是用一个发光二极管来实现的， 用来判断周围环境的温度或者湿度是否超出设定值了，任何一个超出设定值发光 二极管就会被点亮。驱动显示电路主要用来驱动八位数码管发光的。由于单片机 的输出电流太小（只有几 ma）不能驱使数码管发光，所以

26、这里必须增加一个驱动 显示模块。 2.2 元器件的选择 2.2.1 主控制器芯片 主控制器模块选用单片机 at89c52。at89c52 是美国 atmel 公司生产的低 电平，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储 器(perom)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，与标准 mcs-51 指令系统及 8052 产品引脚兼 容，片内置通用 8 位中央处理器(cpu)和 flash 存储单元，32 个可编程 i/o 口线, 3 个 16 位定时/计数器, 低功耗空闲和掉

27、电模式。功能强大的 at89c52 单片机适 合于许多较为复杂控制应用场合。 at89c52 共有 6 个中断向量:两个外中断（int0 和 int1） ，3 个定时器中断 (定时器 0, 1, 2)，串行口中断和四个双向 i/0 口。 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 数据总线复位，应为输出驱动级的漏极开路，所以必须外接上拉电阻，否则不能 正常工作。

28、 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 tte 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(ill)。 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(p 1.0/t2)和输入(p 1.1/t2ex )。功能特性如下表 2-1 所示。 表 2-1 p1.0 和 p1.1 的第二功能 p2 口:p2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o

29、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，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(ill)。 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(ill)。 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，如表 2-2

30、 所示。 表 2-2 at89c52 的 p3 口的第二功能 2.2.2 数字温湿度传感器 测温湿模块选用数字温湿度传感器 dht91。现今国内外用的最多的温湿度传 感器是 shtxx 系列。不过很多客户都反应 shtxx 不方便手工焊接，很容易在焊接 的时候，由于温度过高造成传感器直接损害，因此利用 shtxx 传感器重新在国内 封装得到了 dht 9x 系列。shtxx 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。它应用专利的工业 coms 过程微加工技术（cmosens）, 具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件 和一个能隙式测温元件

31、，并与一个 14 位的 a/d 器以及串行接口电路在同一芯片 上实现无缝链接，从而具有超快响应，抗干扰能力强，性价比高等优点。其内部 机构图如下图 2-2 所示。 图 2-2 dht91 结构图 7 2.2.3 驱动显示电路 驱动显示模块选用八位共阳极数码管和八个小功率放大三极管 s9012。由于 单片机的端口输出电流太小，这里必须由外界电路来驱动数码管显示。s9012 就 是用来驱动这八位数码管显示的。 led 数码管也称半导体数码管，是目前数字电路中最常用的显示器件。它是 以发光二极管作段并按共阴极方式或共阳极方式连接后封装而成的。图 2-2 所示 是两种 led 数码管的外形与内部结构，

32、、分别表示公共阳极和公共阴极， ag 是 7 个段电极，dp 为小数点。led 数码管型号较多，规格尺寸也各异，显示 颜色有红、绿、橙等。 led 数码管的主要特点如下： (1)能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与 cmos、itl 电路兼容。 (2)发光响应时间极短(小于 01s)，高频特性好，单色性好，亮度高。 (3)体积小，重量轻，抗冲击性能好。 (4)寿命长，使用寿命在 10 万小时以上，甚至可达 100 万小时。成本低。 因此它被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。 图 2-3 led 数码管外形和内部结构图 小电压大电流的小功率放大三极管 s9012 的放大倍数共分

33、六级： d 级：64-91 e 级：78-112 f 级：96-135 g 级：112-166 h 级：144-220 i 级：190-300 2.3 温湿度测量的方法及分析 dht91 是一个两线串行接口的数字温湿度传感器，一个接口是时钟线，一个 接口是数据线（支持双向传输） 。它是四针单排封装，一个接电源，一个接地线， 另两个直接和单片机的 p0_5 和 p0_6 相连。不过数据线和时钟线上需要接两个 10k 的上拉电阻，因为 at89c52 的 p0 口内部没有上拉电阻。单片机通过 p0_5 和 p0_6 向 dht91 发送命令，dht91 接收到命令后做出相应的应答。由于 dht91

34、 内部 包含一个 14 位 a/d 转换器，所以单片机接收到就是数字信号，只需要做相应的 处理就能得到所需要的数据。这里减少了很多外部的电路的连接，用起来比较方 便。 第三章 硬件电路的设计 3.1 主控制电路和测温湿控制电路 本次硬件设计的核心就是 ta89c52，其他部件都是围绕它设计的。数字温 2 湿度传感器 dht91的 data 口和 sck 口分别与 ta89c52 的 p0_5 口和 p0_6 口相连。 7 因为 p0 口内部没有上拉电阻，所以这里在 data 和 sck 传输线上分别加了一个 10k 的上拉电阻。预置数电路就是三个按键分别与 ta89c52 的 p0_1,p0_

35、2 和 p0_3 口相连，为了降低 at89c52 的功耗在按键和单片机的端口间加了个 10k 的限流电 阻。当有按键按下时单片机收到有效的信号，s1 键用来切换显示的模式（分别显 示实际所测得的温湿度，预置的温度值和预置的湿度值） ，s2 键用来设置初始温 度或者湿度的十位，s3 键用来设置初始温度或者湿度的个位。报警电路就是把个 发光二极管和 ta89c52 的 p0_4 口相连，当 p0_4 口为低电平时放光二极管被点亮。 发光二极管的压降一般为 1.52.0 v，其工作电流一般取 1020 ma 为宜。使用 led 作指示电路时，应该串接限流电阻，该电阻的阻值大小应根据不同的使用电 压

36、和 led 所需工作电流来选择。 i=(5v-2v)/200=15ma 这个电流能使放光二极管正常放光。如果电流小于 10ma 放光二极管的亮度 会减弱，如果电流大于 20ma 发光二极管亮度会更强，但是会有损发光二级管的 寿命有时候甚至会直接烧毁发光二极管。 单片机复位有两种：一种是上电复位，一种是按键复位。下图用的就是按键 复位，当按键按下时单片机的 rst 口从低电平变为高电平，从而进入复位状态。 当按键松开后，vcc 给电容 c3 充电，从而把 rst 口拉至电平，单片机进入工作状 态。只要把下图的 reset 按键和 r2 电阻去掉就成了上电复位了。 at89c52 中有一个用于构成

37、内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 xtal1 和 xtal2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石 英晶体或陶瓷谐振器构成自激振荡器。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容 c1、c2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，对外接电容 c1、c2 虽然没 有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作 的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使 用 30pf 士 10pf，而如果使用陶瓷谐振器，建议选择 40pf 士 l0pf。这里用到的 是 12m 的石英晶体振荡器和两个 30pf 的电容。具体原理图如下图 3-

38、1 所示。 图 3-1 主控制电路和测温湿电路原理图 3.2 驱动显示电路 数码管的显示有两种方法：一种是静态显示，一种是动态扫描显示。静态显 示就是数码管的段选端一对一与单片机的 i/o 相连，位选端则根据数码管的极型 来接地（gnd）或者是高电平（vcc） 。静态显示实现起来比较简单，但是浪费了 单片机的 i/o 口资源。动态扫描显示就是几个数码管的段选端可以同时接到单片 机的 i/o 口，位选端一对一的接到单片机的其它 i/o 口，当位选信号选中某个数 码管时，那个数码管就被点亮，而其它数码管不亮。动态扫描显示节省了单片机 的 i/o 资源。 采用动态显示方案，设计中使用八个共阴极数码管

39、作为显示载体，通过八路 并口传输，共使用了十六个 i/o 口。显示时采用循环移位法，即八位数码管依次 循环点亮，利用人眼睛的视觉暂留效果达到连续显示，主程序每运行一遍便调用 一次显示子程序，将数据显示出来。显示部分为八位共阳极数码管（四位一组）， 数码管的段端 a,b,c,d,e,f,g 和 dp 与 ta89c52 的 p1 口相连，顺序可以根据硬件 接线方便而定。数码管的字段通过八个 pnp 型的小功率放大三极管 s9012 与 ta89c52 的 p2 口相连。因为 at89c52 的端口输出电流太小（只有几 ma）不能点 亮这八位数码管，所以这里用了八个 s9012 来驱动它们。具体原

40、理图如下图 3-2 所示。 这里用的是 s9012h331,放大倍数 150 倍左右。下图数码管的段选端与单片机 的 i/o 间还有一个 470 的电阻。 =(5v-0.7v)/4.7k=0.915ma eb i = =*150=137ma ecmax i eb i = =(5v-0.3v-2v)/470*8=46ma(足以点亮数码管了) ecmax i 图 3-2 驱动显示电路原理图 第四章 软件设计及分析 4.1 dht91 传输时序和指令集 7 4.1.1 通讯复位时序 串行时钟输入 (sck)用于微处理器与 dth91 之间的通讯同步。由于接口包含 了完全静态逻辑，因而不存在最小 sc

41、k 频率。串行数据 (data) 三态门用于数据 的读取。data 在 sck 时钟下降沿到来之后改变状态，并仅在 sck 时钟上升沿有 效。数据传输期间，在 sck 时钟高电平时，data 必须保持稳定。为避免信号冲 突，微处理器应驱动 data 在低电平。需要一个外部的上拉电阻（例如：10k） 将信号提拉至高电平。 如果与 dth91 通讯中断，下列信号时序可以复位串口：当 data 保持高电平 时，触发 sck 时钟 9 次或更多。这些时序只复位串口，状态寄存器内容仍然保 留。 图 4-1 通讯复位时序 4.1.2 启动传输时序 用一组“启动传输”时序，来表示数据传输的初始化。它包括：当

42、 sck 时钟 高电平时 data 翻转为低电平，紧接着 sck 变为低电平，随后是在 sck 时钟高电 平时 data 翻转为高电平。在下一次指令前，发送一个“传输启动”时序。启动 传输时序如下图 4-2 所示。 图 4-2 启动传输时序 4.1.3 数据传输和指令集 后续命令包含三个地址位（目前只支持“000” ） ，和五个命令位。dth 91 会 以下述方式表示已正确地接收到指令：在第 8 个 sck 时钟的下降沿之后，将 data 下拉为低电平（ack 位） 。在第 9 个 sck 时钟的下降之后，释放 data（恢 复高电平） 。发布一组测量命令（00000101 表示相对湿度 rh

43、， 00000011 表示温度 t）后，控制器要等待测量结束。这个过程需要大约 20/80/320ms ，分 别对应 8/12/14bit 测量。确切时间随内部晶振速度的变化而变化，最多可能有- 30%的变化。dth91 通过下拉 data 至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。 控制器在再次触发 sck 时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。检 测数据可以先被存储，这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。 接着传输 2 个字节的测量数据和 1 个字节的 crc 奇偶校验。uc 需要通过下拉 data 为低电平，以确认每个字节。所有的数据从 msb 开始，右值有效（例如：

44、 对于 12bit 数据，从第 5 个 sck 时钟起算作 msb；而对于 8bit 数据，首字节则 无意义） 。 用 crc 数据的确认位，表明通讯结束。如果不使用 crc-8 校验，控制器可 以在测量值 lsb 后，通过保持确认位 ack 高电平，来中止通讯。在测量和通讯 结束后，dth91 自动转入休眠模式。dth91 的指令集如下表 4-1 所示。 表 4-1 命令集 4.1.4 湿度的测量时序 图 4-3 测量湿度的时序 4.1.5 输出转换为物理量 由能隙材料 ptat (正比于绝对温度) 研发的温度传感器具有极好的线性。可 用如下公式将数字输出转换为温度值： temperatur

45、e = d1 +d2 .sot d1 和 d2 的值如下表 4-2 所示。 表 4-2 温度转换系数 为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，建议使用如下公式 1 修正输 出数值： rhlinear = c1 + c2 .sorh + c3 .sorh 2 c1,c2 和 c3 值如下表 4-3 所示。 表 4-3 湿度转换系数 湿度传感器相对湿度的温度补偿实际测量温度与 25 (77)相差较大时， 应考虑湿度传感器的温度修正系数： rhtrue = (tc -25).(t1 + t2 .sorh) + rhlinear t1 和 t2 的值如下表 4-4 所示。 表 4-4 温度补偿系数

46、rhtrue 就是测量的湿度值。 4.1.6 dht91 的 dc 特性。 dht91 的 dc 特性如下表 4-5 所示。 表 4-5 dht91 的 dc 特性 4.2 程序流程图 开始 通讯复位 启动传输 定时器初始化 写湿度指令 成功 error=0 失败 error=1 读湿度值 成功 error=0 失败 error=1 写温度指令 成功 error=0 失败 error=1 读温度值 成功 error=0 失败 error=1 error=1? y y数据处理 显示处理 通讯复位 启动传输 n n 定时器时间到 中断其它程序 设置初始值 刷新数码管 回到中断点 图 4-4 程序流

47、程图 4.3 程序的设计 4.3.1 通讯复位子程序 void s_connectionreset(void) unsigned char i; data=1; sck=0; for(i=0;i0;i/=2) if(i else data=0; sck=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); sck=0; data=1; sck=1; error=data; sck=0; return error; 可以通过写一个字节子程序对传感器进行写指令操作。若想读出湿度值就向 传感器写入00000101如想读出温度值就向传感器写入00000011 。 4.3.4 读一个字节子程序 c

48、har s_read_byte(unsigned char ack) unsigned char i,val=0; data=1; for(i=0 x80;i0;i/=2) sck=1; if(data) val=(val|i); sck=0; data=!ack; sck=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); sck=0; data=1; return val; 通过读一个字节子程序从传感器读出温度值或湿度值，把相应的数据送到单 片机的寄存器中。 4.3.5 数据处理子程序 void calc_sth11(float *p_humidity,float *p_tempe

49、rature) const float c1=-4.0; const float c2=0.0405; const float c3=-0.0000028; const float t1=0.01; const float t2=0.00008; float rh=*p_humidity; float t=*p_temperature; float rh_lin; float rh_true; float t_c; t_c=t*0.01-40; rh_lin=c3*rh*rh+c2*rh+c1; rh_true=(t_c-25)*(t1+t2*rh)+rh_lin; if(rh_true0.1

50、) rh_true=0.1; *p_temperature=t_c; *p_humidity=rh_true; 把从传感器读出的二进制数转换成相应的十进制数。 4.3.6 显示子程序 void display(float humi,float temp) int humi1,temp1; humi1=(humi*10); temp1=(temp*10); if(temp1humiset)|(temptempset) p0_4=0; else p0_4=z; else if(cnt=1) if(temph9) dispbuf0=10; else dispbuf0=11; dispbuf1=tem

51、ph%10; dispbuf2=templ%10; dispbuf3=11; dispbuf4=11; dispbuf5=11; dispbuf6=11; dispbuf7=11; else dispbuf0=11; dispbuf1=11; dispbuf2=11; dispbuf3=11; dispbuf4=11; dispbuf5=humih%10; dispbuf6=humil%10; dispbuf7=11; 当 cnt=0 时数码管显示实际的温湿度值，当 cnt=1 时数码管显示设定温度值， 当 cnt=2 时数码管显示设定湿度值。 4.3.7 按键子程序 void key() i

52、f(p0_0=0) for(i=5;i0;i-) for(j=248;j0;j-); if(p0_0=0) cnt+; if(cnt2) cnt=0; while(p0_0=0); if(cnt=1) if(p0_1=0) for(i=5;i0;i-) for(j=248;j0;j-); if(p0_1=0) temph+; if(temph=15) temph=0; while(p0_1=0); if(p0_2=0) for(i=5;i0;i-) for(j=248;j0;j-); if(p0_2=0) templ+; if(templ=10) templ=0; while(p0_2=0);

53、 else if(cnt=2) if(p0_1=0) for(i=5;i0;i-) for(j=248;j0;j-); if(p0_1=0) humih+; if(humih=10) humih=0; while(p0_1=0); if(p0_2=0) for(i=5;i0;i-) for(j=248;j0;j-); if(p0_2=0) humil+; if(humil=10) humil=0; while(p0_2=0); if(temph2 时 cnt=0。当 cnt=1 时每按一次 s2 键，temph 加 1，当 temph14 时 temph=0,当 temph 为 10，11，1

54、2，13，14 时分别对应的是-，-1，-2，-3，- 4，每按一次 s3 键，templ 加 1，当 templ9 时 templ=0。当 cnt=2 时 s2,s3 键调 的是 humih 和 humil。 4.3.8 中断刷新显示数码管子程序 void t0(void) interrupt 1 mstcnt+; if(mstcnt=8) mstcnt=0; if(dispbitcnt=2)|(dispbitcnt=6) p1=dispcodedispbufdispbitcnt else p1=dispcodedispbufdispbitcnt; p2=dispbitcodedispbit

55、cnt; dispbitcnt+; if(dispbitcnt=8) dispbitcnt=0; 每 2ms 刷新数码管一次，人眼的视觉暂留时间大概是 0.1s，所以可以让人感 觉到每个数码管都在显示。第三和七个数码管分别为温度和湿度的个位，所以让 这两个数码管的小数点位一直显示。 4.3.9 软件在硬件上的调试分析 软件在 keil 里编译通过以后还得在硬件电路上调试，让数码管显示正确的 温湿度值，按键能够设定初始值，led 发光二极管能够指示报警，这些功能都实 现，本设计才能算基本完成。硬件电路是我本着连线简单的原则焊接的，数码管 的段选信号端（a,b,c,d,e,f,g,dp）并不是与单

56、片机的 p1 口（从 0-7）正好相互 对应的。所以这里我们需要对数码管所要显示的 0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，-和“不显示”从新编码。在开始调试的时候 我就忽略了这一点，我用的是资料书中常用到那种，所以数码管显示的是乱码。 我以为是硬件电路出了错误，我用万用表把每根线从新测了一遍，发现硬件电路 一切正常啊。这时我才忽然想到，是编码这边出现了错误。我根据硬件的连线从 新对 0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，-和“不显示”进行了编码。显示的数值 还是不正确，但是数码管中显示的数和我想要显示的数有几分相似。在编码时我 又忽略的一点，我们总是习惯性的从左往右写数，我就在纸上从左往右

57、一次写了 p1_0, p1_1，p1_2， p1_3， p1_4， p1_5， p1_6 和 p1_7 。所以编出的结果与 实际所要的结果高位与低位正好错了位置。 这次毕业设计让我认识到了一般的设计流程以及设计中所要注意到的一些细 节。在设计开始，应该先要认识到这次设计所要完成的功能。接着大致分析一下 所要用到的元器件。总体思路清晰以后就要画原理图。根据原理图焊接电路板， 焊接的时候应该怎样布线简单怎样焊接，尽量达到布线少，布线短，跳线少，美 观大方。在焊接好电路板以后，我用万用表对所有的焊点及连线进行一一检测， 看是否有漏焊、虚焊及短路的地方。硬件电路没有任何问题后就可以根据我们所 焊接好的

58、电路进行软件编程了。 结 论 本次设计是基于单片机的数字温湿度的设计，包括硬件电路和软件两部分。 开始时自己对单片机的应用了解的不是很多，又由于自己学过 c 语言，我是先从 软件入手的。王老师给我提供了一个开发板，这让我编程顺利多了。我在软件完 全通过以后，才开始硬件电路的设计。由于受软件的影响我的硬件电路设计不是 很美观。 在软件设计过程中我是先从流水灯一步一步学起的，当自己能用按键控制数 码显示，能编出数字钟控制程序后，我才开始根据 dht91 的时序图进行软件的编 写。在软件设计过程中我遇到了很多问题，经过王老师的指点和同学之间的讨论， 我学到了很多编程技巧也掌握了一些编程思想。由于元器

59、件的局限性，硬件电路 焊接不是很美观。一些电容和电阻的数值并不是原理图中设计的大小，但是不影 响结果。由于技术欠佳，电路焊接的不太理想。有很多焊点都不符合要求，还有 很多虚焊的地方，用万用表一个一个检测发现不导通的地方又从新焊接。在画原 理图和制作 pcb 版图的过程中我又熟练掌握了 altium designer 的基本应用。由 于是初次制作 pcb 版图，我的 pcb 版图在布线方面还不够完美。 经过软件在硬件电路上的调试后，基本功能都能实现。温度和湿度都是显示 到小数点后一位。如果把手放大数字温湿度传感器 dth 9x 上，数码管上显示的 温度和湿度会立即发生变化。 由于时间的仓促没有对

60、系统进一步扩展，其实还可以加上一些计算机串口传 输，掉电存储等模块。 参考文献 11 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,2004，105-125 22 http:/ 33刘文涛.单片机语言 c51 典型应用设计.人民邮电出版社，2001，12：25-29 44 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）: 278-280 55 http:/ 66 凌玉华.单片机原理及应用系统设计.长沙：中南大学出版社,2006，222-228 77 http:/ 88 刘华东.单片机原理与应用.北京：电子工业出版社,200