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1、嘉兴职业技术学院毕 业 设 计 （论 文） 题目名称：基于51单片机的温湿度检测装置的设计 姓 名： 林艾欣 所在分院： 信息技术分院 专业班级： 通信121 指导教师： 田立武 2015 年 5 月 23 日目录摘 要11. 绪论21.1 选题背景及意义21.2 传感器介绍21.2.1 温度传感器21.2.2 湿度传感器41.3 课题主要内容及结构安排62. 方案比较和选择62.1 温度传感器的选择62.2 湿度传感器的选择72.3 单片机的选择82.4 本章小结93. 系统整体设计93.1 信号采集103.1.1 温度传感器103.1.2 湿度传感器143.2 信号分析与处理163.2.1

2、 单片机最小系统163.2.2 STC89C51引脚介绍及管脚说明193.3 人机交互213.3.1 显示模块213.3.2 报警电路223.4 本章小结224. 软件设计224.1主程序流程图224.2 DS18B20测温流程图234.3 DHT11流程图244.4 键盘扫描程序流程图254.5本章小结255. 总结25参考文献27附录1：温湿度检测模块28附录2：报警模块29附录3：定时器模块30嘉兴职业技术学院毕业论文（设计）摘 要本课题的研究目的是为人们提供一种能够实时了解所处环境质量信息的仪器，包括温度、湿度，使人们能够及时获知信息并做出相应的调整。本文采用STC89C51单片机来作

3、为控制核心，实现了对温、湿度的检测和LCD实时显示电路等硬件电路的设计，由于其功能的实现主要通过软件编程来完成，这就降低了硬件电路的复杂性，其成本也有所降低，而且还能够完成复杂硬件电路难以实现的任务。配置新式的微型低功耗传感器，温度传感器为18B20，湿度传感器为DHT11，实现了环境温度，湿度，两个参数的采集，存储，显示等功能，另外，本系统还具有报警功能，当传感器所采集的数据不在使用者所设定的范围内，蜂鸣器就会报警以提醒使用者，系统运行可靠，结构简单，性价比高。关键词 STC89C51单片机；温湿度；液晶显示；报警；1. 绪论1.1 选题背景及意义温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系，

4、同时也是工农业生产中最常见最基本的工艺参数，例如农业上农作物的生长离不开对温度、湿度的检测与控制，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。温度、湿度是工业农业生产不可缺少的因素，但传统的方法是用温度表、毛发湿度表、双金属式测量计、观测植物的生长情况等手段，通过人工进行检测，对不符合温度、湿度要求的环境进行通风、去湿、降温、采光等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的误差大，随机性大。含有微型计算机或

5、微处理器的测量仪器，由于它拥有对数据存储，运算逻辑判断及自动化的功能，有着智能作用。随着生产的发展，一个低成本和具有较高精度的环境测量仪在许多领域会代替人工操作，自动控制各种仪器调整环境温度湿度。目前市场上普遍存在的环境检测仪器大都是单点测量，而且温湿度信息传递不及时，精度达不到要求，不利于控制者根据温度、湿度变化及时做出决定，为此，本设计开发了一种能够同时测量多点，并实时性高、精度高，能够综合处理多点温湿度信息的检测产品。总之，环境温湿度的检测的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。1.2 传感器介绍1.2.1 温度传感器集成温度传感器是目前应用范围最广、使用最普及的一种全集成化传感器。

6、其种类很多，大致可分为以下5类：1、模拟集成温度传感器；2、模拟集成温度控制器；3、智能温度传感器；4、通用智能温度控制器；5、微机散热保护专用的智能温度控制器。集成温度传感器的主要应用领域有以下3个方面：（1）温度测量：可以构成数字温度计、温度变送器、温度巡回检测仪、智能化温度检测系统及网络化测温系统。（2）温度控制：适用于智能化温度测控系统、工业过程控制、现场可编程温度控制系统、环境温度监测及报警系统、中央空调、风扇温控电路、微处理器及微机系统的过热保护装置、现代办公设备、电信设备、服务器中的温度测控系统、电池充电器的过热保护电路、音频功率放大器的过热保护电路及家用电器。（3）特殊应用：例

7、如，热电偶冷端温度补偿、测量温差、测量平均温度、测量温度场、电子密码锁（仅对内含64位ROM的单线总线智能温度传感器而言）及液晶显示器表面温度监测等。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世

8、纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）1。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单

9、片测温系统等高科技的方向迅速发展。在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是912位A/D转换器，分辨力一般可达0.50.0625。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125，测温精度为±0.2。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27s

10、、9s。新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线总线、I2C总线、SMBus总线和SPI总线2。1.2.2 湿度传感器湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。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

11、膜。空气中的水蒸汽吸附在感湿材料上后，元件的阻抗、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3。国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一，质量价格都相差较大，用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度，需要在这方面作深入的了解。现在国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化锂和金属氧化物。湿敏元件是最简单的湿度传感器。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

12、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4。国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。

13、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5s。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。目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别

14、为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。这些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

15、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。2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT（DHT）11、 SHT（DHT）15型智能化温度/温度传感器，其外形尺寸仅为7.6（mm）×5(m

16、m)×2.5（mm），体积与火柴头相近。出厂前，每只传感器都在温度室中做过精密标准，标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。测量相对温度的范围是0100%，分辨力达0.03%RH，最高精度为±2%RH。测量温度的范围是-40 123.8，分辨力为0.01。1.3 课题主要内容及结构安排本设计以STC89C51单片机为核心来对环境的温湿度进行实时巡检。各检测单元(传感器)能独立完成各自功能，同时能根据主控机的指令对温湿度信息进行实时采集。并将采集来的信息通过液晶屏显示清晰的呈现给用户，如果

17、采集的信息超出了预设范围，蜂鸣器将给出报警示意用户，以便做出及时决定。本系统能够同时检测多路温湿度，检测温度范围-55+125。根据实际需要，检测点数可以扩展。系统采用DHT11湿度传感器，产生数字信号传输给单片机进行分析、处理和控制显示。湿度检测范围为2090RH，其检测精度为±5。此外，本系统还具有报警模块，可设定报警上下限，当检测到任何数据超过设定上下限就进行报警。2. 方案比较和选择2.1 温度传感器的选择方案一：采用热电阻温度传感器。热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。铂的

18、物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。按IEC标准测温范围-200650，百度电阻比W(100)=13850时，R0为100?和10?，其允许的测量误差A级为±(015+0.002|t|)，B级为±(0.3+0.005|t|)。铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。方案二：采用模拟集成温度传感器AD590，它的测温范围在-55+150之间，而且精度高。M档在测温范围

19、内非线性误差为±0.3。AD590可以承受44V下向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏，使用可靠。它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接El也很简单。作为电流输出型传感器和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。AD590的测量信号可远传百余米。方案三：采用数字化温度传感器。DSl8B20是Dallas半导体公司研制的一款数字化温度传感器，支持“一线总线”接口，即只通过一根信号线完成数据、地址和控制信息的传输。该器件只有3个引脚(即电源VDD、地线GND、数据线DQ)，且不需要外部元件，内部有64位光NROM，64位器件序列号出厂前就被光刻

20、于ROM中，可作为器件地址序列码，便于实现多点测量。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。该电路的检测温度范围为-55+125：精度为±0.5(在-10+85范围)；可以分别在93.75ms和750 ms内完成9位和12位的数字温度值读入。系统有如下特点：(1) 不需要备份电源，可通过信号线供电；(2) 送串行数据，不需要外部元件；(3) 零功耗等待；(4) 系统的抗干扰性好，适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、

21、设备过程控制、测温类消费电子产品等。考虑到硬件设计的性价比，综合本系统需要满足的技术指标我们选择方案三。2.2 湿度传感器的选择测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。方案一：采用CHR-01湿敏电阻。CHR-01湿敏电阻适用于阻抗型高分子湿度传感器，它的工作电压为交流1V，频率为50Hz2kHz，测量湿度范围为20%90%RH，测量精度±5%，工作温度范围为0+85，最高使用

22、温度120，阻抗在60%RH（25）时为30（2140.5）K。采用555时基或RC振荡电路，将湿度传感器等效为阻抗值，测量振荡频率输出，振荡频率在1k Hz左右。方案二：采用DHT11数字温湿度传感器，这款传感器和Sensiron公司研制的SHT1X同属一个系列只是测量精度上不同，这是一款含有已校准熟悉信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。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。每个DHT11传感器都在即为

23、精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中药调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。综合比较，方案一需要很好地解决引线误差补偿、多点测量切换误差和放大电路零点漂移等问题，需要在接口上需要AD转换器，因而造成结构复杂且成本高，调试也繁琐，测量温度的精度也很低，方案二把以上的功能都集成在芯片里面，数字输出，可直接和mcu相连，电路结构简单，精度高，虽然也有温度检测的功能，但其精度没有DS18B20高，所以只用它的湿度检测功能。相比较，选择方案二。2.3 单片机的选择在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。目

24、前，8位单片机在国内外仍占有重要地位。在8位单片机中又以MCS51系列单片机及其兼容机所占的份额最大。MCS51的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化，设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型，他们只需将重点放在芯片内部资源的比较上。方案一：采用AT89C51芯片作为硬件核心，采用Flash ROM，内部具有4KBROM存储空间，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AT89C51片内R

25、OM全都采用Flash ROM；能以3V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KB ROM存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，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，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。方案三：STC89C51 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用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允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Fl

26、ash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。方案一是多年前的的产品，因自身设计缺陷，已经很少被人使用。方案二和方案三使用差别不大，但方案二需要专有下载线，方案三使用串口下载即可。因此选择方案三。2.4 本章小结本章主要介绍环境检测仪用到的主要芯片的选择，如温度传感器、湿度传感器、控制处理芯片等。对比考虑各器件性能、特点、使用难易度、成本等因素，选择适合本产品指标的元器件。3. 系统整体设计本方案以STC89C51单片机系统为核心来对温度、湿度进行实时控制和巡检。各检测单元能独立完成各自功能，并根据主控机的指令对温湿度进行实时采集。主控机负责控制指令的发送，

27、并控制各个检测单元进行温度采集，收集测量数据，同时对测量结果进行整理和显示。其中包括单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。系统方框图如图3.1：放大电路STC89C51液晶显示AD模式时钟电路控制按键复位电路图3.1 系统方框图3.1 信号采集3.1.1 温度传感器(1) DS18B20简介DSl8820是美国DALLAS公司最新推出的数字式温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同的是它可直接将被测温度转化成串行数宁信号供微机处理，并且根据具体要求，通过简单的编程实现9位的温度读数。并且多个DSl8820可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。由于每一个

28、DSl8820出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。(2) DS18B20功能特点1) 3.05.5V单电源供电2) 微型化、低功耗、抗干扰能力强、易与微处理器接口3) 温度测量范围为55°C+125°C，测温分辨率可达0.5°C4) 3引脚TO92小体积封装或8引脚SOP封装5) 可编程为9位12位A/D转换精度6) 只需一根端口线就能与微处理器通讯7) 每只DS18B20有唯一的序列号并可存入其ROM中，便于实现多芯片多点测量8) 在使用中不需要任何外围元件9) 用户可定义的非易失

29、性温度报警设置图3.2 DS18B20(3) DS18B20结构和工作原理图3.2是表示 DS18B20 的结构图，表3.1已经给出了引脚说明。64位只读存储器储存器件的唯一片序列号。高速暂存器含有两个字节的温度寄存器，这两个寄存器用来存储温度传感器输出的数据。除此之外，高速暂存器提供一个直接的温度报警值寄存器（TH和TL），和一个字节的的配置寄存器。配置寄存器允许用户将温度的精度设定为9，10，11或12位。TH，TL和配置寄存器是非易失性的可擦除程序寄存器（EEPROM），所以存储的数据在器件掉电时不会消失。DS18B20通过达拉斯公司独有的单总线协议依靠一个单线端口通讯。当全部器件经由一

30、个3态端口或者漏极开路端口（DQ引脚在DS18B20上的情况下)与总线连接的时候，控制线需要连接一个弱上拉电阻。在这个总线系统中，微控制器（主器件）依靠每个器件独有的64位片序列号辨认总线上的器件和记录总线上的器件地址。由于每个装置有一个独特的片序列码,总线可以连接的器件数目事实上是无限的。DS18B20的另一个功能是可以在没有外部电源供电的情况下工作。当总线处于高电平状态，DQ与上拉电阻连接通过单总线对器件供电。同时处于高电平状态的总线信号对内部电容（Cpp）充电，在总线处于低电平状态时，该电容提供能量给器件。这种提供能量的形式被称为“寄生电源” 。作为替代选择，DS18B20同样可以通过V

31、DD引脚连接外部电源供电。图3.3 DS18B20内部结构表3.1 DS18B20引脚说明序号名称引脚功能描述1GND地信号2DQ数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源3VDD可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地(4) 硬件设计DS18B20可以通过从VDD引脚接入一个外部电源供电，或者可以工作于寄生电源模式，该模式允许DS18B20工作于无外部电源需求状态。寄生电源在进行远距离测温时是非常有用的。当总线为高电平时，寄生电源由单总线通过VDD引脚。这个电路会在总线处于高电平时偷能量，部分汲取的能量存储在寄生电源储能电容内，在总线处于

32、低电平时释放能量以提供给器件能量。当DS18B20处于寄生电源模式时，VDD引脚必须接地。寄生电源模式下，单总线和电容在大部分操作中能提供充分的满足规定时序和电压的电流给DS18B20。然而，当DS18B20正在执行温度转换或从高速暂存器向EPPROM传送数据时，工作电流可能1.5mA。这个电流可能会引起连接单总线的弱上拉电阻的不可接受的压降，这需要更大的电流，而此时电容无法提供7。为了保证DS18B20由充足的供电，当进行温度转换或拷贝数据到EEPROM操作时，必须给单总线提供一个强上拉电阻。用漏极开路把I/O直接拉到电源上就可以实现。在发出温度转换指令或拷贝暂存器指令之后，必须在至多10u

33、s之内把单总线转换到强上拉，并且在温度转换时序或拷贝数据时序必须一直保持为强上拉状态。当强上拉状态保持时，不允许有其它的动作。对DS18B20供电的另一种传统办法是从VDD引脚接入一个外部电源，见图3.5。这样做的好处是单总线上不需要强上拉。而且总线不用在温度转换期间总保持高电平。温度高于100时，不推荐使用寄生电源，因为DS18B20在这种温度下表现出的漏电流比较大，通讯可能无法进行。在类似这种温度的情况下，强烈推荐使用DS18B20的VDD引脚。对于总线控制器不直到总线上的DS18B20是用寄生电源还是用外部电源的情况，DS18B20 预备了一种信号指示电源的使用意图。总线控制器发出一个

34、Skip ROM指令，然后发出读电源指令，这条指令发出后，控制器发出读时序，寄生电源会将总线拉低，而外部电源会将总线保持为高。如果总线被拉低，总线控制器就会知道需要在温度转换期间对单总线提供强上拉。图3.4 DS18B20 温度转换期间的强上拉供电图3.5外部电源给 DS18B20 供电3.1.2 湿度传感器(1) DHT11概述DHT11属于Sensirion温湿度传感器家族中的插针型封装系列。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号。传感器采用专利的CMOSens技术，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性聚合体测湿敏感元件、一

35、个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此，该产品具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强，性价比高等优点。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，校准系数以程序形式储存在OTP内存中，用于内部的信号校准。两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。(2) DHT11特点1) 湿温度传感器的一体化结构能相对的同时对相对湿度和温度进行测量。 数字信号输出，从而减少用户信号的预处理负担。2) 单总线结构输出有效的节省用户控制器的I/O口资源。并且，不需要额外电 器元件。3) 独特的单总数据传输线协议使得读取传感器的数

36、据更加便捷。4) 全部校准。编码方式为8位二进制数。5) 40bit 二进制数据输出。其中湿度整数部分占1Byte，小数部分1Byte，温度 整数部分1Byte，小数部分1Byte。其中，湿度为高16位。最后1Byte为和。 卓越的长期稳定性，超低功耗。6) 4引脚安装，超小尺寸。7) 各型号管脚完全可以互换。8) 测量湿度范围从20RH到90RH；测量温度范围从0到50。 适用范围包括恒湿控制，消费家电类产品，温湿度计等领域图3.6 DHT11外形及引脚说明(3) DHT11引脚说明及工作原理传感器管脚方向识别：正面（有通气孔的一面）看过去，从左到右依次为1、2、3、4脚。表3.2 引脚说明

37、Pin名称注释1VDD供电 3-5.5VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，请悬空4GND接地，电源负极数字湿温度传感器采用单总线数据格式。即单个数据引脚端口完成输入输出双向传输。其数据包由5Byte（40Bit）组成。一次通讯时间最大3ms，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明。 DATA 用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，当前小数部分用于以后扩展，现读出为0。操作流程如下：一次完整的数据传输为40bit，高位先出。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据 +8bit温度整数数据+8bit温度小数数据 +8bit校验和，校验和数据为前四个

38、字节相加。DHT11传感器是通过奥松电子有限公司开发的单总线协议和上位机（控制器）进行数据通信。DHT11 传感器需要严格的读写协议来确保数据的完整性。整个读写分为，上位机发送起始信号，上位机接收下位机发来的握手响应信号，读0和读1四个步骤。所有的信号除主机启动复位信号外，全部都由 DHT11 产生。通过单总线访问 DHT11顺序归纳如下：1) 主机发开始信号2) 主机等待接收 DHT11 响应信号3) 主机连续接收 40Bit 的数据和校验和4) 数据处理(4) DHT11与单片机连接的设计DHT11数字湿温度传感器连接电路简单，只需要占用控制器一个I/O口即可完成上下位的连接8。典型应用电

39、路如下图所示。另外，建议连接线长度短于20时用5K上拉电阻，大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻，如图3.7所示。图3.7 DHT11与MCU的连接3.2 信号分析与处理本系统的单片机型号选择STC89C51芯片。STC89C51指令代码完全兼容8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，本系统中，选择STC89C51单片机为该系统的总控芯片，STC89C51单片机可把由温度、湿度检测电路检测出的信号数据传输到LED显示模块，实现温度、湿度的显示；通过键盘设定报警值，超过温度、湿度上下限，蜂鸣器实现报警。3.2.1 单片机最小系统单片机系统的扩展是以基本最小系统为基础

40、的9，故应首先熟悉应用应用系统的结构。单片机最小系统包括晶体振荡电路、复位电路，其电路图如图3.8所示。图3.8 单片机最小系统(1) 复位电路单片机复位的原理是在时钟电路开始工作后，在单片机的RST引脚施加24个时钟振荡脉冲（即两个机器周期）以上的高电平，单片机便可以实现复位。在复位期间，单片机的ALE引脚和PSEN引脚均输出高电平。当RST引脚从高电平跳变为低电平后，单片机便从0000H单元开始执行程序。在实际应用中，一般采用既可以手动复位，又可以上电复位的电路，这样可以人工复位单片机系统，这种电路如图3.9复位部分所示。上电复位电路部分的原理也是RC电路的充放电效应。除了系统上电的时候可

41、以给RST引脚一个短暂的高电平信号外，当按下按键开关的时候，VCC通过一个高电阻连接到RST引脚，给RST一个高电平，按键松开的时候，RST引脚恢复为低电平，复位完成。产生复位信号的电路逻辑如图3.9所示图3.9复位信号的电路(2) 晶振电路时钟电路是用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号，STC89C51单片机内部包含有一个振荡器，可以用于CPU的时钟源。另外也可以采用外部振荡器，由外部振荡器产生的时钟信号来供内部CPU运行使用。 内部时钟模式内部时钟模式是采用单片机内部振荡器来工作的模式。51系列单片机内部包含有一个高增益的单级反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为片内放大器的输入

42、端口和输出端口,其工作频率为033MHz。当单片机工作于内部时钟模式的时候，只需在XTAL1引脚和XTAL2引脚连接一个晶体振荡器或陶瓷振荡器，并联两个电容后接地即可。使用时对于电容的选择有一定得要求，具体如下：A 当外接晶体振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=30±10pF；B 当外接陶瓷振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=40±10pF。在实际电路设计时，尽量保证外接的振荡器和电容尽可能接近单片机的XTAL1和XTAL2引脚，这样可以减少寄生电容的影响，使振荡器能够稳定可靠24地为单片机CPU提供时钟信号。 外部时钟模式外部时钟模式是采用外部振荡器产生时钟信号，

43、直接提供给单片机使用。如图3.10所示，对于不同的结构的单片机，外部时钟信号接入的方式有所不同。对于普通的8051单片机，外部时钟信号由XTAL2引脚接入后直接送到单片机内部的时钟信号发生器，而引脚XTAL1则应直接接地。这里需要注意，由于XTAL2引脚的逻辑电平不是TTL信号，因此外接一个上拉电阻10。对于CMOS型的80C51,80C51,AT89S52等单片机，和普通的8051不同的是其内部的时钟信号取自于反相放大器的输入端。因此外部的时钟信号应该接到单片机的XTAL1引脚，而XTAL2引脚悬空即可。图3.10外部时钟模式根据实际应用，我们选择内部时钟电路，外接频率12.000MHz的晶

44、体振荡器，选择两个电容值为30pF的陶瓷电容。3.2.2 STC89C51引脚介绍及管脚说明（1）引脚介绍 主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线 外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端 控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平

45、则从内部程序存储器读指令。(4) 可编程输入/输出引脚（32根）STC89C51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根11。PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7 管脚说明单片机采用40Pin封装的双列直接DIP结构，它们的引脚配置如图3.11所示，40个引脚中，正电源和地线两

46、根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。图3.11引脚配置3.3 人机交互3.3.1 显示模块在单片机应用系统设计中，一般都是把键盘和显示器放在一起考虑。显示器作为输出部件，可以将系统的运行结果、状态等信息直观地显示出来供操作者了解系统的运行情况和程序的执行结果，本次设计的温湿度实时信息采用LCD12864来显示，其引脚及说明如表3.3所示表3.3 12864引脚说明编号名称引脚说明编号名称引脚说明1VSS电源地11DB4三态数据线2VDD电源正极12DB5三态数据线3V0对比度调整13DB6三态数据线4RS(CS)显示数据14DB7三态数据线5R/W

47、读/写选择端（H/L）15PSB传输方式6E使能信号16NC悬空7DB0三态数据线17RESET复位端，低电平有限8DB1三态数据线18VOUT驱动电压输出端9DB2三态数据线19A背光源正极10DB3三态数据线20K背光源负极与MCU的连接如图3.12所示图3.12 LCD12864硬件连接图3.3.2 报警电路压电式蜂鸣器约10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，在此选用一个三极管来做驱动。P1.7接三极管输入端，当P1.7输出低电平时，三极管导通，压电式蜂鸣器两端获得+5V电压而发出报警，当P1.7输出为高电平时，三极管截止，蜂鸣器12停止工作。其硬件

48、电路连接如图图3.13 三极管驱动的蜂鸣器报警电路3.4 本章小结本章主要介绍系统的整体设计，信号采集部分分别介绍了温度传感器、湿度传感器传感器的工作原理和它们各自与单片机的硬件连接，具体怎么连接还要结合程序来进行操作。单片机对采集到的信号按照要求进行处理，实现设计功能，液晶屏也会在同时把检测到的各种数据通过单片机处理之后显示出来，让用户能够实时了解到所需信息，报警部分可以在所检测数据超出设定范围时给予用户提示。4. 软件设计4.1主程序流程图系统监控程序是系统的主程序，它是系统程序的框架，控制着单片机系统按预定操作方式运转。监控程序的主要作用是能及时的响应来自系统内部的各种服务请求，有效地管

49、理系统自身软硬件及人机对话设备与系统中其它设备交换信息，并在系统一旦出现故障时，及时作出相应处理。该系统控制核心是单片机STC89C51，其工作过程是：系统通电后，单片机STC89C51进入监控状态，同时完成对各扩展端口的初始化工作。在没有外部控制信息输入的情况下，系统自动采集温湿度传感器数据，最后产生的数据在LCD显示器上显示和蜂鸣器报警。4.2 DS18B20测温流程图准备测温时首先初始化DS18B20，初始化成功后，DS18B20接收单片机的命令，DS18B20在成功后启动测温，进行写数据操作，然后将温度保存起来，在测得温度后，DS18B20会将温度数据转换为十进制数的温度表示，然后将温

50、度值显示在LCD液晶显示屏上。4.3 DHT11流程图图4.1DHT11流程图4.4 键盘扫描程序流程图图4.2键盘扫描程序流程图4.5本章小结本章主要介绍软件设计流程图，程序流程图是人们对解决问题的方法、思路或算法的一种描述，流程图包括系统主程序流程图，测量温度流程图，测量湿度流程图、键盘扫描流程图。5. 总结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，完成了基于单片机的温度、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，实现了对环境温湿度的数据采集和读取。2) 利用L

51、CD液晶的显示技术完成了环境温湿度及显示电路的设计。3) 外接了蜂鸣器报警模块，在超过设定温湿度上下限时自动报警。4) 整个系统软硬件搭配合理，设计、开发、维护方便，性价比高。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，

52、以控制各个从机的温湿度，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，从而达到系统整体统一、和谐的效果。参考文献1 金伟正.单线数字温度传感器的原理与应用.J.电子技术与应用.2000（6）2韩成浩，李柏峰，高晓红.单总线温度传感器的实用技术及冗余校验.J.制造业自动化。2009(9)3沙占友，薛树琦，葛家怡.温湿度传感器的发展趋势.J.电子技术应用.2003(7)4单晓锋，杨建红.电容型温湿度传感器模拟计算与分析.J.半导体技术.2010(11)5朱顺兰，王雪萍.光照强度传感器及其变送电路设计与实现.J.中国电子商务.2009(12

53、)6姜连祥，汪小燕.基于光强传感器TSL256x的感测系统设计.J.单片机与嵌入式系统应用.2006(12)7彭秋红，沈占彬.基于单片机温度控制系统的硬件设计.J.机电产品开发与创新.2010(5)8包长春.环境参数监测与报警设备的设计与实现:硕士学位论文.北京：北京工业大学20099洪新华，陈建锋，霍鹏飞.基于单片机的步进电机控制系统的设计.J.湛江师范学院学报2010(6)10杨淑英.单片机应用的广阔前景.J.价值工程.2010(21)11胡汉才.单片机原理及接口技术.北京：清华大学出版社.2004.636412李建昌，卢红星，宫兴，陈超超.一种基于AT89C51单片机的智能报警逃生门锁系

54、统.J.消防科学与技术.2011(1). 附录1：温湿度检测模块void COM(void)           for(i=0;i<8;i+)  U8FLAG=2;       while(!P4_4)&&U8FLAG+);  /等待数据起始信号结束      Delay_30us()

55、;   /延时30-40us后判断如果是低电平表示为数据0   /如果是高电平表示为数据1      U8temp=0;      if(P4_4)U8temp=1;      U8FLAG=2;      while(P4_4)&&U8FLAG+);  

56、0;      if(U8FLAG=1)break;          U8comdata<<=1;U8comdata|=U8temp;             void RH(void)      P4_4=0; &

57、#160;/拉低总线  Delay(25);    /主机拉低总线大于18ms作为开始信号  P4_4=1; /拉高总线  Delay_40us();  /开始信号发送完后拉高总线20-40us等待响应P4_4=1;     if(!P4_4)      /从器件发送响应     U8FLAG=2; 

58、;   while(!P4_4)&&U8FLAG+);  /超出时间后自动认为结束响应   U8FLAG=2;   while(P4_4)&&U8FLAG+);   /发送数据的起始信号   COM();    /读出湿度的整数部分   U8RH_data_H_temp=U8comdata;/   

59、;COM();   /读出湿度的小数部分        U8RH_data_L_temp=U8comdata;COM();        U8T_data_H_temp=U8comdata; /读出温度的整数部分        COM();      

60、0; U8T_data_L_temp=U8comdata;  /读出温度的小数部分        COM();    /读出校验数据        U8checkdata_temp=U8comdata;      P4_4=1;       

61、;  U8temp=(U8T_data_H_temp+U8T_data_L_temp   +U8RH_data_H_temp+U8RH_data_L_temp);/校验        if(U8temp=U8checkdata_temp)    /校验规则  U8RH_data_H=U8RH_data_H_temp; /湿度高位      

62、;     U8RH_data_L=U8RH_data_L_temp; /湿度低位，为0           U8T_data_H=U8T_data_H_temp;  /温度高位           U8T_data_L=U8T_data_L_temp;  /温度低位，为0

63、60;          U8checkdata=U8checkdata_temp; /校验位             wendu_shi=U8T_data_H/10;              wendu_ge=U8T

64、_data_H%10;             shidu_shi=U8RH_data_H/10;            shidu_ge=U8RH_data_H%10;            附录2：报警模块void baoji

65、ng()  /判断是温度越界还是湿度越界，不同的越界显示不同的参数  if(U8T_data_H > wen_MAX | U8T_data_H < wen_MIN)    default_show=0;   Write_cmd_data(0x88,0xff);/取消闪烁   if(U8T_data_H > wen_MAX )       P0=0xff;  / 全部灭    DELAY_10nms(10);    P0=0xaa;    / 红灯亮    DELAY_10nms(10);      if(U8T_data_H < wen_MIN)