温湿度测量系统设计

1、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SHT11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0100%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

2、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

3、：单片机 SHT11温湿度传感器 IIC总线接口ABSTRACTThis 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，environmenta

4、l，national defense，scientific research，aerospace，and other 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 use

5、s 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 characte

6、ristics 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 0100%Rh,humidity measurement accuracy of 3.0%Rh，temperature measurement accuracy of 0.4,response time 4s;have its own internal signal

7、 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 i

8、mprove 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 performanc

9、e. 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，a higher degree of reliability，safety and practical

10、ity.Keywords: MCU SHT11 temperature and humidity sensors IIC bus interface目 录1 绪 论11.1 选题意义11.1.1生活环境与温湿度的关系11.1.2 检测温湿度的意义11.2 国内外发展趋势11.3 系统的主要性能指标21.4 主要工作任务21.5 本章小结22 系统方案选择和工作原理.32.1 系统综述32.2 系统设计方案选择32.3 系统工作原理42.4 本章小结53 系统硬件设计.63.1 AT89C51构成的最小系统63.1.1 晶振回路63.1.2 复位电路63.2 温湿度传感器的选择83.2.1 温湿

11、测量相关概念93.2.2 温湿度传感器的选择103.2.3 SHT11的工作原理123.2.4 SHT11的传输特性143.2.5 IIC总线简介153.3 温湿度测量回路的设计163.4 显示电路设计173.4.1 LED的两种接法183.4.2 LED的两种显示方法183.5 报警电路设计193.6 电源电路设计203.7 本章小结214 系统的软件设计224.1 主程序的设计224.2 IIC模块程序设计244.3 LED显示程序设计244.4 报警电路程序设计244.5本章小结245 系统抗干扰措施255.1硬件抗干扰措施255.2 软件抗干扰措施265.3 本章小结27结 论.28致

12、 谢29参考文献30附录A 系统原理图31附录B 系统总程序321 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

13、。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

14、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，

15、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

16、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：2045；湿度测量范围为0100%Rh（2）温度测量精度：0.5C（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：DC4.55.5V1.4 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，

17、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。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

18、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

19、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

20、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。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

21、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

22、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21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

23、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

24、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。单片机报警电路扩展I/O口湿度温度传感器显示电路湿度温度传感器湿度温度传感器湿度温度传感器通信图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。3 系统硬件设计为了实现检测系统的智能化，系

25、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

26、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

27、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

28、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。在DS1232内部集成有看门狗定时器，当DS1232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

29、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。预置值通过第3脚(TOL)来设定；当TOL接地时，RST和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和信号。当电源恢复正常后，RST和信号至少保持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

30、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；：低电平有效复位输出端；ST：周期输入端;VCC：电源。图3-1 DS1232引脚图本设计中，PA接开关S3实现单片机的按键复位功能。TOL与VCC相连，当VCC跌落至4.

31、5V以下时才产生RST和信号。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2045之间。所以选用智能

32、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

33、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

34、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

35、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

36、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

37、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

38、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（1020）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

39、。温湿度传感器在使用过程中，由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。

40、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0100%，分辨率0.3%Rh。测量温度的范围-40

41、+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AD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

42、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（7.655.0823.5mm）,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；电源电压范围为2.45.5V；电流消耗，测量时为550A,休眠时为3A；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

43、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“

44、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

45、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

46、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

47、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。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

48、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 (3-1)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=2.81068位：SORH：C1=4,C2=0.648,C3=7.2104（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5

49、V，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：LogEW=0.66077+7.5/(273.3+T)+log(RH)-2 (3-2)Dp=(0.66077-LogEW)273.3/(LogEW-8.16077) (3-3)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

50、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

51、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（d）应答信号：接收数据的S

52、HT11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

53、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/

54、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。图3-7 测量回路电路图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

55、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，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

56、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，