仓库温湿度检测系统的设计说明

1、 . 毕业设计（论文）题 目 仓库温湿度检测系统的设计 系 别 电气工程系 专 业 电气自动化技术 班 级 电 自10-3 姓 名 进 喜 学 号 1 指导教师（职称）维玲（副教授） 日 期2013年03月02号42 / 47摘 要 实时检测粮仓环境温度和湿度，对于与时了解粮食的储存状况，防止粮食变质、腐烂非常重要。因此，有效地检测粮仓的温湿度变化是一个重要的研究课题。本文设计了一种基于单片机的简易粮仓温湿度实时检测系统。系统主要包括温湿度信号采集电路、温湿度实时显示电路与温湿度的超限报警电路等。系统采用集成数字式温度传感器DS18B20采集粮仓环境的温度，利用电容式湿度传感器HS1101与5

2、55定时器构成多谐振荡电路，将湿度信号转换为脉冲信号输出，通过测量脉冲信号频率实现粮仓湿度的测量。系统采用液晶显示器LCD1602显示温湿度测量值，利用蜂鸣器和发光二极管进行声光报警，通过键盘调整温湿度超限报警的设定值。本文设计的仓库温湿度实时检测系统具有测量准确度高、工作可靠、使用方便等优点，对于实现仓库环境温度和湿度的实时检测有一定的实际意义。关键词：温度测量；温度测量；LCD显示；单片机；传感器AbstractThe temperature and humidity are two important parameters of indoor environment,in order t

3、o control the indoor temperature and humidity environment real-time, this paper introduces implementation principle of temperature and humidity real-time monitoringsystem based onMicrocontroller. In this system, use digital temperature sensor DS18B20 for indoor temperature signal acquisition and use

4、 humidity sensor HS1101 for signalacquisition on the indoorhumidity, using HS1101 humidity sensor and 555 timers to constitute a circuit to output pulse signal. The humidity and the temperature signal are sent to the main controller AT89C51 microcontrollerfor computing. Finally, display the temperat

5、ure and humidity values by the LCD1602. In addition, the system can also setupper and lower limits of temperature and humidity via the keyboard, and to alarm when temperature gauge and humidity gauge respectively,system uses light-emitting diode for light emitting warning. The system has function of

6、 displaying an intuitive accurate easy to use reliable and so on, can be easily realize real-time Monitoring indoortemperature and humidity.Keywords:Temperature measurement ;Humidity measurement ; LCD pane ;Microcontroller 目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1课题研究背景与意义11.2本文主要研究容22系统方案的设计32.1系统功能与设计要求32.2 方案整体

7、设计32.3方案论证42.4 本章小结93 硬件电路的设计103.1 AT89C51的主要性能与引脚介绍103.2 单片机最小系统的设计133.3温度检测电路的设计163.3.1 温度传感器（DS18B20）的主要性能163.3.2 温度传感器（DS18B20）与单片机接口的设计173.4 湿度检测电路的设计193.4.1 湿度传感器（HS1101）的主要性能193.4.2 基于湿度测量电路的设计203.5 系统显示电路的设计223.5.1 液晶显示器（LCD）的主要性能223.5.2 液晶显示器（LCD）与单片机的接口电路设计233.6键盘电路243.7报警电路263.8本章小结264软件设

8、计284.1 系统的主程序设计284.2温度采集子程序的设计294.3湿度采集子程序的设计324.4显示子程序的设计335 结 论37致 38参考文献39 附 录II421 绪 论1.1课题研究背景与意义我国是一个人口众多的大国, 科学储粮是保障人民粮食供应, 促进社会安定的大事, 粮仓温度的检测在科学储粮中占有重要地位，在大多数粮食存储企业, 目前仍主要靠人工检测粮仓温度。由于粮库占地面积大，粮仓分散，仓温度测试点多，因而人工检测工作量大，效率低，检测周期长，容易漏检，而且测量器件损坏率高，测试精度难以保证。控温储粮是使粮食在储藏期间保持一定的温度水平，达到安全储藏的目的。控温储粮能保持粮食

9、较好的品质，是目前比较先进的一种安全、经济、绿色的储粮技术，已成为当今科学储粮技术发展的新方向。粮食储藏是国家为防备战争、灾荒与其它突发性事件而采取的有效措施，因此，粮食的安全储藏具有重要意义。目前，中国地方与垦区的各种大型粮库都还存在着程度不同的粮食储存变质问题。根据国家粮食保护法规定，必须定期抽样检查粮库各点的粮食温度和湿度，以便与时采取相应的措施。但大部分粮库目前还是采取人工测量温度和湿度的方法，这不仅使粮库工作人员工作量增大，且工作效率低，尤其是大型粮库的温度和湿度检测任务如不能与时彻底完成，则有可能会造成粮食大面积变质。据有关资料统计，中国每年因粮食变质而损失的粮食达数亿斤，直接造成

10、的经济损失是惊人的。 影响粮食安全储藏的主要参数是粮食的温度和湿度，这两者之间又是互相关联的。粮食在正常储藏过程中，含水量一般在12%以下(为安全状态)，不会产生温度突变，一旦粮库进水、结露等使粮食的含水量达到20%以上时，由于粮粒受潮，胚芽萌发，新代加快而产生呼吸热，使局部粮食温度突然升高，必然引起粮食“发烧”和霉变，并可能形成连锁反应，从而造成不可挽回的损失。因此设计出一种经济实用的粮库粮情温湿度智能检测系统是非常有必要。1.2本文主要研究容1完成系统总体方案设计；2进行方案的比较与论证；3进行主机与温湿度传感器的选择；4设计温湿度的采集电路。5设计温湿度的液晶显示电路。6设计系统硬件电路

11、。7设计温湿度的超限报警电路。8完成系统软件流程的设计与编程。2系统方案的设计2.1系统功能与设计要求1.基本功能（1）具有粮仓环境的温度、湿度实时测量功能；（2）具有将测量到的温湿度值用液晶LCD显示的功能；（3）具有键盘设置温度、湿度的上下限报警值；（4）具有温度、湿度超限声光报警功能。2.设计要求(1)监测对象：仓库储存物。(2)检测得到的温、湿度数据可以实时显示。温度围：-30 50。温度测量的精度±0.5oC , 调节温度的超调量小于30%。 湿度检测围：10%100%RH;湿度测量的精度±1%RH。(3)用户可以自行设定监测粮仓中的温、湿度上、下限值。超限报警。

12、(4)报警方式：LED指示灯和蜂鸣器的声光报警。(5)显示方式:LCD显示实现温湿度的测量值。2.2 方案整体设计本设计分为两个部分，一部分是由温湿度传感器组成的检测部分，另一部分是由单片机和LCD1602组成的主控与显示部分。温度传感器和湿度传感器检测电路将检测到的数据送到单片机，单片机对接收到的数据进行处理并送到LCD1602，5V稳压电源给各个部分供电。系统组成框图如图2.1所示。显示模块温度检测电路湿度检测电路单片机电源图2.1系统组成框图2.3方案论证本系统通过单片机的控制从而实现温湿度值的采集、数据的实时显示、上下限的控制以与超限报警的功能。此时，单片机作为微处理器在此起到核心的作

13、用，作为测量型系统要有数据采集模块，即温湿度的采集。经过输入通道，由微处理器拾取必要的数据信息。微处理器对输入数据进行实时处理、显示，出现超限与时报警。方案1系统组成与工作原理方案1原理框图如图2.2所示。单片机控制处理模块温度传感器湿度传感器上下限设定模块显示模块超限报警模块A/D转换555振荡电路图2.2 方案1原理框图 在本方案中采用的是集成温度传感器AD590。集成温度传感器AD590 是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。属于电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分档，AD590的后缀以I、J、K、L、M表示。例如AD590L，AD590M一般用于精密

14、温度测量电路。另外，AD590 还有以下电子特性：（1）流过器件的电流（A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：IT/T=1A /K式中：IT为流过器件（AD590）的电流，单位A；T为热力学温度，单位K。（2）AD590的测温围-55+150。 （3）AD590 的电源电压围为4V30V。电源电压可在4V6V 围变化，电流IT变化1A，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。（4）输出电阻为710M。（5）精度高 AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150。测量温度与AD590电流与经过10K电阻

15、输出电压。在此模块中使用集成模拟温度传感器则必须使用A/D转换器，把传感器感应到的模拟信号转换成数字信号，再把数字信号直接传输到微处理器当中进行数据处理。A/D转换器通常选用ADC0809，ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以与微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。ADC0809具有IN0IN7，8条模拟量输入通道。A，B，C三条地址线的地址信号用于控制选择

16、8条模拟量输入通道。因ADC0809的部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。测量空气湿度的方法很多，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与周围空气的湿度，其中最常用的为电容式和电阻式两种。本方案中采用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，测量湿度围为20%90%RH，测量精度±5%RH，工作温度围为0+85，最高使用温度120。本方案中采用AT89C52,AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL

17、公司生产的。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片含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），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片置通用8位中央处理器和Flash存储单元。AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程。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本。AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0 和定时/计数器1 外，还增加了一个定时/计数器2。定时/计数器2 的控制和状

18、态位位于T2CON和T2MOD，寄存器对（RCAO2H、RCAP2L）是定时器2 在16位捕获方式或16位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器，适用围更广阔。电子设计中常用的输出显示设备有：LED数码管和LCD这两种。在本方案中采用LED数码管，数码管是现在电子设计中使用非常普遍的一种显示设备，每个数码管由7个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种。利用数码管显示的数据容比较直观，通常显示从0到F中的任意一个数字，一个数码管只能显示一位，而多个数码管就可以显示多位，在此选用四位数码管采用扫描方式进行显示。要显示多位数的时候

19、，数码管操作起来会十分烦琐，同样显示的速度也受到了一定的限制。超限报警最常见的两种方式是光报警和声音报警，在本方案中采用光报警，使用发光二极管发光，为区分是温度超限还是湿度超限，使用发光二极管发光，这样用户就可以一目了然。在本方案中采用行列式键盘，行列式（也称矩阵式）键盘用于按键数目较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上。行、列线分别连接到+5V上。无按键按下时行线处于高电平状态，而当有按键按下时行线电平状态将由与此相连的列线电平决定。这一点是识别行列式键盘是否按下的关键所在。方案2系统组成与工作原理原理框图如图2.3所示。单片机AT89C51显示模块超限报警模块温度传感器湿度

20、传感器555振荡电路 键盘模块 图2.3 方案2原理框图 本方案中温度采集可以直接采用数字式传感器DS18B20，数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器，体积更小、适用电压更宽、更经济。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建温度传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。其测量温度围为-55°C+125°C，在-10+85°C围，精度为±0.5°C。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，分辨率设定，以与用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。因为每一个DS18B20的包含一个独

21、特的序号，多个DS18B20可以同时存在于一条总线，而相互不受影响。本方案中采用HS1101湿度传感器，该传感器具有以下特点：全互换性 在标准环境下不需校正；长时间饱和下快速脱湿；高可靠性与长时间稳定性；专利的固态聚合物结构；可用于线性电压或频率输出回炉；快速反应时间。该传感器将测量到的湿度转变为电容信号，使用555多谐振荡器将电容信号转变为脉冲信号，把脉冲信号输入到微处理器当中进行处理。相对湿度测量围1%-100%RH，脉冲信号频率在56236852Hz之，其误差不大于±2%RH，能够达到误差要求。湿度传感器HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产

22、。可以应用于办公室自动化，车厢空气质量控制，家电，工业控制系统等。它有以下几个显著的特点：1、 全互换性，在标准环境下不需校正2、 长时间饱和下快速脱湿3、 可以自动化焊接，包括波峰或水浸4、 高可靠性与长时间稳定性5、 专利的固态聚合物结构6、 可用于线性电压或频率输出回路7、 快速反应时间相对湿度在0%100%RH围；电容量由162pF变到200pF,其误差不大于2%RH；响应时间小于5s；温度系统为0.04pF/。可见其精度是较高的。NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达200mA。在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；

23、在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，它可以延时数微秒到数小时。其工作电压围为：4.5V16V。 555的框图如图2.4所示 图2.4 555的基本框图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。目前，8位单片机在国外仍占有重要地位。在8位单片机中又以MCS51系列单片机与其兼容机所占的份额最大。本方案采用AT89C51芯片作为硬件核心，该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，采用Flash ROM，部具有4KB ROM存储空间,能于3V的超低压工作与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯

24、片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。电子设计中常用的输出显示设备有：LED数码管和LCD这两种。在本方案中采用采用LCD液晶显示。液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示容丰富等特点。因此用户可以根据自己的需求，随意设计显示的容甚至是图案。液晶显示具有很多优点：显示容丰富，兼容性强，而且外围驱动电路设计比较简单，显示能力的扩展将不会涉与到硬件电路的修改，可扩展性很强。不足之处在于其价格较高，驱动程序编写有些复杂。LCD从显示的形式上通常可以分为笔段型、字符型和点阵图形型。在本方案中选用LCD1602，它属于字符型，字符型液晶显示模块是专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块

25、，在电极图形设计上是由若干个5×8或5×11点阵组成，每一个点阵显示一个字符。LCD1602是一种5×7点阵图形来显示字符的液晶显示器，可以显示2行16个字，足够显示温度值和湿度值。现代的报警有很多种方式，但多数都采用声音报警系统和发光报警这两种，在此方案中采用扬声器报警系统，当温度、湿度分别超标或都超标时，使扬声器发出声音和二极管发光引起用户的注意。在该模块中采用独立式键盘，独立式键盘就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态很容易地判断哪个键被按下。但在数目较多时，独立式键盘电路需要较多的输入口线且电路结构复杂。2.4 本章小结本章主要

26、确定了系统的设计方案，提到主机的选择，液晶显示的选择，温湿度传感器的选择方案，并具体介绍各个方案的具体设计，各个方案都具有很强的可行性，都能够很好的完成系统的设计。经过各个方面的比对，最终选择方案2作为设计的最后方案，下一章节将通过该方案对系统硬件电路进行设计。3 硬件电路的设计3.1 AT89C51的主要性能与引脚介绍 本系统选择AT89C51作为微处理器，AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片含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（REM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51

27、指令系统，片置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C51单片机在电子行业中有着广泛的应用。设计是以89C51单片机为控制中心，这种控制芯片具有4KB的快擦写可编程/擦除只读存储器EEPROM、256KB片RAM、3个16位定时计数器、5个中断源，无需进行系统扩展既可满足任务要求，能较大幅度提高系统的性价比其主要功能：1、兼容MCS51指令系统2、8k可反复擦写(大于1000次）Flash ROM；3、32个双向可编程I/O口线；4、256x8bit部RAM；5、3个16位可编程定时/计数器中断；6、时钟频率0-24MHz；7、2个串行中断，可编程UART串行通道；8、2个外部中断源

28、，共8个中断源；9、2个读写中断口线，3级加密位；10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；11、有PDIP、PQFP、TQFP与PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。AT89C51为8 位通用微处理器，采用工业标准的C51核，在部功能与管脚排布上与通用的89C52 一样。AT89C51的引脚分布如图3.1所示图3.1 AT89C51的引脚图AT89C51引脚介绍：VCC：电源接口，接+5VGND：接地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）。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行部程序

29、存储器中的指令。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。P0 口：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。P1 口：一个带部上拉电阻的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

30、 逻辑门电路。对端口写“1”，通过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。P2口：一个带有部上拉电阻的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。P3 口：一组带有部上拉电阻的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，它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

31、此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流。 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3.2所示。表3.2 P3口第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外中断0）P3.3INT1（外中断l）P3.4T0（定时计数器0）P3.5Tl （定时计数器l）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通） 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

32、可对外输出时钟或用于定时目的。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 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PSEN信号。XTAL1：振荡器反相放大器的与部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。UART串口：AT89C51的UART 串口用于进行串行通信。串行接口的电路结构还包括了串行口控制寄存器SCON，电源与波特率选择寄存器PCON和串行缓冲寄存器SBUF，他们都属于SFR，PCON和SCON用于设置串行口工作方式和确定数据发送和接收，SB

33、UF用于存放欲发送的数据起到缓冲的作用。3.2 单片机最小系统的设计单片机最小系统包括单片机与其所需的必要电源、时钟、复位等部件，它能使单片机处于正常的运行状态。电源、时钟等电路是使单片机能运行的必要条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，对其进行存储扩展、A/D扩展等。单片机最小系统的功能主要如下。（1）能够运行用户程序；（2）用户可以复位单片机；（3）具有相当强大的外部扩展功能。单片机时钟电路复位电路图3.3 最小系统结构图时钟振荡电路：AT89C51中有一个用于构成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。外接石英晶体与电容C1、C2

34、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、起振的难易程序与温度稳定性，在使用石英晶体时，通常电容使用30pF±10pF，而如使用瓷谐振器通常选择40pF±10pF。也可以采用外部时钟。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1 端，即部时钟发生器的输入端，XTAL2 则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2 分频触发器后作为部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。本设计选择部时钟，选用12MHz石

35、英晶体和30pF电容，如图3.4所示。图3.4 时钟振荡电路复位电路：在设计单片机应用系统时，必须了解单片机的复位状态和复位电路的设计，因为单片机工作时，会经常进入复位工作状态，所以，系统的复位电路必须能够准确可靠的工作。单片机通常都采用上电复位和开关复位两种方式。当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱死锁状态，还需按复位键重新启动。对于单片机电路来说，每12 个时钟周期为1 个机器周期，即Tcy=12/fosc，本设计采用12MHz晶体振荡器，所以fosc=12MHz，Tcy=1s，即当复位按键按下时，只要保证RST引脚端出现2s以上稳定的高电平，单片机便可实现复位。此外，

36、由于本设计中对温湿度围以与系统误差的要求并不是很高，所以设计电路电容C1取10f，R1取10K欧姆，R2取1K欧姆时，复位所需时间远远大于2s左右的机器周期，完全可以实现复位功能。如图3.5所示。图3.5 复位电路单片机晶振电路和复位电路设计完成，这样单片机外围最小系统电路就设计完成，单片机最小系统电路如图3.6所示。图3.6 单片机最小系统电路3.3温度检测电路的设计3.3.1 温度传感器（DS18B20）的主要性能DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化为串行数字

37、信号供处理器处理。DS18B20温度传感器特性如下：（1）适应电压围宽，电压围在3.0-5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。（2）特的单线接口方式，它与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。（3）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测量。（4）在使用中不需要任何外围元器件，全部传感元件与转换电路集成在形如一只三极管的集成电路。（5）测温围-55+125，在-10+85时精度为±0.5。（6）编程分辨率为9-12位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。（7）在9位

38、分辨率时，最多在93.75ms把温度转换为数字；在12位分辨率时，最多在750ms把温度转换为数字。（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。（9）负压特性。电源极性接反时，芯片不会因发热而烧坏，但不能正常工作。DS18B20 温度传感器部结构与工作原理：DS18B20部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下，必须先建立ROM操作协议，才能进行存储器和控制操作。DS18B20工作周期可分为两个部分，即温度检测

39、和数据处理。首先我们先了解DS18B20的部存储器资源。DS18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是： ROM只读存储器，用于存放DS18B20ID 编码，其前8 位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48 位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56 的位的CRC 码。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20共64位ROM。RAM 数据暂存器，用于部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9 个字节RAM，每个字节为8 位。第1、2 个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5

40、个字节则是用户第3 个EEPROM的镜像。第6、7、8 个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是部温度转换、计算的暂存单元。第9个字节为前8 个字节的CRC码。EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20 共3 位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。3.3.2 温度传感器（DS18B20）与单片机接口的设计DS18B20有两种封装：三脚TO-92直插式和八脚SOIC贴片式，如图3.7所示。在此，我们选用三脚TO-92直插式封装的DS18B20芯片。它有三个脚，分别为电源正极VDD、信号输入输出

41、DA和电源负极GND。图3.7 DS18B20的两种封装表3.8 引脚介绍引 脚8脚SOIC引脚PR35符号说 明51GND地42DA单线运用的数据输入/输出引脚，漏极开路。33VDD寄生电可选VDD引脚 DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其部结构框图如图3.9所示。I/OC64位ROM单线接口高速缓存存储器与控制逻辑温度传感器高温触发器TH低温触发器TL配置寄存器8位CRC发生器Vdd图3.9 DS18B20部结构框图DS18B20是以单总线的方式与单片机相连接的。单总线技术是采用单条信号线，既可传输时钟，又可传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单

42、，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。单总线通常要求外接一个约为5K的上拉电阻。本系统中采用4.7K的上拉电阻。本系统DS18B20与单片机的连接是由DS18B20的DA与单片机P2.0相连。DS18B20部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图3.10所示: 图3.10 DS18B20的管脚排列DS18B20温度传感器的部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。高速暂存RAM的结构为8字节的存储器。头2个字节包含测

43、得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。低5位一直为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。3.4 湿度检测电路的设计3.4.1 湿度传感器（HS1101）的主要性能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与周围空气的湿度。电容

44、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。下面介绍HS1100/HS1101湿度传感器与其应用。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自动插件和自动装配过程等。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与周围空气的湿度。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

45、数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。下面介绍本设计中用到的HS1100/HS1101湿度传感器。HS1100/HS1101电容传感器具有不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快速的特点，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自动插件和自动装配过程等。其测量的围相对湿度在1%-100%RH，电容量由160pF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3.4.2 基于湿度测量电路的设计HS1100/HS1101电容传感器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

46、大。将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常有两种方法：一是将湿敏电容置于桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种是将湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接传送给单片机。555振荡电路如图3.11所示。图3.11 555振荡电路集成定时器555芯片外接电阻、R5与湿敏电容C，构成了对湿敏电容C的充电回路。7端通过芯片部的晶体管对地短路又构成了对湿敏电容C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。另外，3是防止输出短路的保护电阻，6用于平衡温度系数。该

47、振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源Vcc通过R4、R6向湿敏电容C充电，经充电时间充电后，Uc达到芯片比较器的高触发电平，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经放电时间T放电后，Uc下降到比较器的低触发电平，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此翻来覆去，形成方波输出。其中，充放电时间为=C(+R5)ln2 （31）=CR5ln2 （32）因而，输出的频率为f=1/( +)=1/C(+2R5)ln2 （33）可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，表3.12给出了其中的一组典型测试值。表3.12 空气湿度与电压频率的典型值湿度（%RH）频

48、率Hz湿度（%RH）频率Hz073516066001072247064682071008063303069769061684068531006033506728经过555振荡电路转换为频率信号与单片机直接相连，根据测得的频率转化成相对湿度值进行显示。3.5 系统显示电路的设计3.5.1 液晶显示器（LCD）的主要性能液晶显示器LCD以其微功耗、体积小、显示容丰富、超薄轻巧、没有电磁辐射、寿命长等优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。液晶（Liquid Crystal）是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，20世纪中叶开始广泛应用在轻薄型显示器上。液晶显示器（L

49、iquid Crystal Display，LCD）的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。为叙述简便，通常把各种液晶显示器都直接叫做液晶。各种型号的液晶通常是按照显示字符的行数或液晶点阵的行、列数来命名的。比如：1602的意思是每行显示16个字符，一共可以显示两行；类似的命名还有0801、0802、1601等，这类液晶通常都是字符型液晶，即只能显示ASCII码字符，如数字、大小写字母、各种符号等。还有另一类液晶属于图形型液晶，如12232，它的意思是液晶由122列、32行组成，即共有122×32个点来显示各种图形，我们可以通过程序控制这122×

50、32个点中的任何一个点显示或不显示。类似的命名还有12864、19264、192128、320240等，根据客户需要，厂家可以设计出任意数组合的点阵液晶。液晶体积小、功耗低、显示操作简单，但是它有个致命的弱点，其使用的温度围很窄，通用型液晶正常工作温度围为0-+55，存储温度围为-20- +60，即使是宽温级液晶，其正常工作温度围也仅为-20- +70，存储温度围为-30- +80。由于本系统只需要温度、湿度，所以用字符型液晶LCD1602足以满足要求。下面对LCD1602进行介绍。3.5.2 液晶显示器（LCD）与单片机的接口电路设计LCD1602管脚定义LCD1602采用标准14脚（无背光

51、）或16脚（带背光）接口，各引脚如表3.13所示。表3.13 LCD1602的引脚功能表引脚号符号引脚说明引脚号符号引脚说明1Vss 电源地9D2数据口2VDD电源正极10D3数据口3VO液晶显示对比度调节端11D4数据口4RS数据/命令选择端（H/L）12D5数据口5R/W读写选择端（H/L）13D6数据口6E使能信号14D7数据口7D0数据口15BLA背光电源正极8D1数据口16BLB背光电源负极含义如下所示：（1）VO为显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最强。弱对比度过强会产生“影”，使用时可以通过一只10K的可调电位器来调整对比度。（2）RS为寄存器选择端，RS为高

52、电平时选择数据寄存器，为低时选择指令寄存器。（3）R/W为读写信号，高电平时进行读操作，低电平时执行写操作。（4）E为使能端，当E端由高电平变成低电平时，液晶显示模块执行命令。（5）D0D7为双向数据线。在设计LCD1602与单片机的接口时，我们将D0-D7八个数据接口与单片机P0口相连，但必须注意单片机AT89C51的P0口不带上拉电阻，所以必须附加10K的上拉电阻。LCD1602与单片机的接法如图3.14所示。图3.14 LCD1602与单片机的接法3.6键盘电路键盘在单片机应用系统中能够实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘实质上是一组按键开关的集合。通常

53、，键盘开关利用了机械触点的合、断作用。按键的闭合与否，反应在输出电压上就是呈现高电平和低电平，如果高电平表示键断开，低电平则表示键闭合，则可以通过对输出电平的高低状态的检测，便可以确认按键按下与否。常用的键盘接口分为独立式键盘接口和行列式键盘接口。独立式键盘就是各个按键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态进行判断哪个键被按下。在独立式键盘电路中各按键均采用上拉电阻，这是为了保证在按键断开时，各I/O口有确定的高电平。本系统要求用户可以自行设计上下限，S5是温湿度转换键，S4进行加一，S3减一操作，按键S2作为启动键。这样，一共需要4个按键进行调节，键盘与单片机连接图如图3

54、.15所示。图3.15 键盘与单片机的连接3.7报警电路在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或经过计算机进行数据处理之后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。在本系统中要求对温湿度上下限进行超限报警，常用的报警方式有光报警和声报警两种，在此选用声光报警方式进行提醒。为了使温度超限或湿度超限报警的明显性，选用红色LED发光二极管报警提示。为了防止烧坏发光二极管，在使用发光二极管时必须经过串联电阻，连接

55、电路如图3.16所示。图3.16 声光报警电路3.8本章小结本章主要介绍系统整体硬件电路设计。在系统整体的框架下，对各个模块进行设计。采用数字式温度传感器DS18B20对室温度信号进行采集，采用模拟式湿度传感器HS1101对室湿度信号进行采集，湿度传感器HS1101与555定时器构成多谐振荡电路，输出脉冲信号。将温度信号与湿度信号送入主控制器单片机AT89C51进行运算处理。最后通过LCD1602显示实时温度和湿度值。此外该系统还可以通过键盘设定温湿度上下限，并且具有温度超限和湿度超限分别报警的功能，系统采用发光二极管进行发光报警。介绍了各个子模块的基本结构、基本原理、应用电路，实现功能等。硬件电路原理图见附录I4软件设计 基于单片机的系统设计中由单片机构成的硬件电路只作为一个系统的框架，要想实现系统的功能，系统的软件设计至关重要，在本章将对系统的软件设计做以详细介绍。4.1 系统的主程序设计主程序是系统的监控程序，在程序运行的过程中必须先经过初始化，包括键盘程序，温度采集程序，湿度采集程序，以与各个控制端口的初始化工作。系统在初始化完成后可以对各部分函数进行调用