Proteus仿真下的SHT11温度湿度监控系统设计

1、上海交通大学温度湿度监控系统仿真设计研究报告设计题目：基于SHT11的温度湿度监控系统Proteus仿真设计学 院： 电子信息与电气工程学院姓 名：2019年5月24日设计任务书题 目 基于SHT11的温度湿度监控系统Proteus仿真设计一、设计的目的.将理论知识运用于实践当中，掌握模拟电路设计的基本方法、基本步骤以及基本要求。在实践中了解电子器件的功能与作用。.学会温湿度监测系统的设计方法，完成要求的性能和指标.锻炼、提高在电子设计中发现问题、分析问题、解决问题的能力。二、设计的内容及要求.设计一套基于51单片机的温湿度Proteus仿真监控系统;.采用高精度SHT11温湿度传感器模块;.

2、LCD液晶实时显示当前环境温度.、湿度值;.设计报警单元，实现系统对超限温湿度监控报警;.设计输入单元，可对系统正常温湿度范围进行调节:.仿真系统能够可靠、稳定地运行;三、指导教师评语四、成绩指导教师（签章）年 月 日摘要在日常生活中，温度、湿度是两种最基本的环境参数，是与人类的生活、工 作关系最密切的物理量，也是各门学科与工程研究设计中经常遇到的，必须精确 测量和不可忽略的物理量。从工业炉温、环境气温到人体温度，从空间、海洋到 家用电器，每个技术领域都离不开温度、湿度的测量与监控。SHT11是基于CMOSens技术的新型智能温湿度传感器，它将温度湿度传感器、 信号放大调理、A/D转换、二线串

3、行接口全部集成于一个芯片内，融合了 CMOS 芯片技术与传感器技术，使传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性 价比极高等特点。温湿度监控系统的软件部分是以Keil为开发平台，C语言为软件系统的开发 语言，同时采用模块化编程。具体分为以下几个部分：主控制、温湿度采集程序、 温湿度数据处理程序、LCD显示程序、按键设置程序和LED，蜂鸣器报警程序。系统通过SHT11温湿度传感器感应周围的环境的温度和湿度，通过单片机对 采集到的数据进行读取处理，经过LCD1602显示模块实时显示温湿度数据，同时 可以通过按键模块对温湿度报警上、下限值进行设定。当SHT11读取的温湿度值 不再设定范围内时，报

4、警模块LED灯指示故障信息，同时蜂鸣器报警；当温湿度 读取数据正常后，LED灯熄灭，蜂鸣器关闭。关键词：51单片机；SHT11传感器；温湿度监控；Keil； C语言 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document .系统概述6 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 课题研究意义6 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 课题研究主要内容6 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document .系统总体设计7 H

5、YPERLINK l bookmark18 o Current Document .硬件设计8 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 单片机最小系统8AT89C51 介绍8晶振电路10复位电路10上拉排阻电路11 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document SHT11温湿度传感器11 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document LCD1602液晶显示模块14 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 按键模块16 HYPERLI

6、NK l bookmark32 o Current Document 报警模块17蜂鸣器报警模块17LED报警模块18 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document .软件设计19 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 软件开发平台19 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 主程序设计20 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document SHT11程序设计20 HYPERLINK l bookmark42 o Current Do

7、cument LCD1602 程序设计21 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 报警模块程序设计22 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 软件抗干扰措施23 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document .仿真与测试23 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 仿真设计平台23 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 仿真结果分析23.总结24.致谢26.系统概述课题研究意义

8、在现代工业生产过程中，温度、湿度对于生产来说是最主要的参数，它们是 关乎产品质量和产品效率的物理量，在工程研究与各个领域也是极其重要，必须 精确测量和不可忽略的物理量。自古以来，无论是工业的温度湿度、自然环境的 温湿度，还是人体温度；从航天学、航海学到农业学，每个技术领域都离不开温 度和湿度的检测与控制。工业生产中，当温湿度度测量不准确，很可能导致产品的失败，阻碍工业的 发展，在家庭生活发面，但温湿度监控不准确，很可能导致家庭电器的正常运行， 不能达到预想的工作效果，在设备比较密集的核心地带，如果温湿度控制不精确， 很有可能导致设备故障的发生。因此，温湿度监控系统的研究对我们人类生活具 有重要

9、的意义。课题研究主要内容本设计包括硬件部分和软件部分设计。本设计的硬件是以51系列单片机为核 心、SHT11传感器为采集模块、LCD1602为显示显示模块、按键输入模块和报警模 块共同构建的温湿度监测系统。包括单片机最小系统模块设计、传感器采集模块 设计、液晶显示模块设计、按键模块设计和报警模块设计部分。系统软件则是基 于Keil开发平台，以C语言为开发语言进行，采用模块化编程，构建温湿度监控 系统从数据采集、处理、显示、外围输入和故障动作等整个过程。.系统总体设计本课题设计的仓库温湿度监测系统主要是利用AT89C51单片机最小系统为 核心，包括晶振电路、复位电路和排阻电路，SHT11温湿度传

10、感器对环境温湿度 的采集，经过单片机进行数据处理，最终通过LCD1602液晶显示模块准确、快捷、 实时地显示出当前环境的温度和湿度，同时，按键模块可设置温湿度的上下限值， 当采集的数据不在设定范围内时，实现LED和蜂鸣器报警，从而达到对环境温湿度监测的目的。本系统的总体设计如下图2所示。晶振电路复位电路SHT11传感器图2系统总体设计框图晶振电路复位电路SHT11传感器图2系统总体设计框图.硬件设计单片机最小系统AT89C51 介绍AT89C51单片机是一款MCS-51系列的CMOS8位单片机，具有微功耗、高性 能等特点。该芯片内部含有4K字节的可反复擦除的只读程序存储器（PEROM）以 及1

11、28字节的随机存取数据存储器，同时该芯片内部还有Flash存储单元以及8 位的中央处理器（CPU），该芯片利用高密度、非易失性存储等先进的生产技术， 兼容标准MSC-51指令系统，其强大的功能对各个场合提供了便利，可灵活的应 用在各种行业领域。对于51系列的单片机外部结构总共有40个引脚，其主要采用的是双列直插 式结构，其中内含6条控制信号线、2条电源线（Vss与GND）和4个8位并行 I/O接口炉0、P1、P2、P3）。P3接口同时还具有第二功能，根据引脚不同的功 能我们可以将其划分为以下几类。具体详见下图3.1.1。图3.1.1 AT89C51单片机.电源引脚VCC和VSS其中VCC接+5

12、V电压。VSS接地。.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2其中XTAL1端口用来接外部晶体以及微调电容的一端，其作用是用来作为振 荡反相放大器的输入端口。如果需要采用外部时钟信号时，必须将该引脚接地。 XTAL2用来连接外部晶体与微调电容的另外一端，其具体作用是用来作为该电路 的输出端口。如果我们需要采用外部时钟电路进行振荡时，我们必须给XTAL2 端口输入时钟脉冲信号。.控制和复位引脚PSEN、ALE、RST/VPD和EAALE：如果需要访问外部存储器时，ALE端的信号输出主要用于锁存地址的低位 字节。PSEN:主要输出的外部程序存储器的读选通信号。EA:如果该端口保持高电平信号时，则表示只访

13、问单片机内部程序存储器。如果 该端口为低电平信号时，表示只访问外部程序存储器，而不管有没有内部存储器。 RST/VPD：单片机复位引脚，主要用来维护程序的正常运转，当程序出现问题或 者跑飞速，该引脚发出2个机器周期的高电平信号，对其进行复位，让其正常工 作运行。.输入/输出（1/0）引脚 P0、P1、P2、P3P0端口是双向8位三态I/O 口，如果需要连接部存储器时，该端口与地址 总线的低8位及数据总线进行复用，以吸收电流的方式驱动8个TTL负载。 P1,P2,P3 口都是8位准双向I/O 口。以下是该单片机的主要性能参数：（1）具有4K字节可以用来反复擦除Flash闪存存储器，具有100次的

14、擦 除周期。（2）具有三级加密程序存储器。（3）全静态操作，6个中断源。（4）含有128X8字节的RAM, 32个可用来编程的8位I/O 口线（P0、P1、 P2、 P3）。（5）含有2个16位的 定时器/计数器。（分别为P3.4 口和3.5 口）。（6）拥有微功耗空闲模式以及掉电模式，同时还具备可编程串行UART通道。3.1.2晶振电路单片机的工作过程要对各种指令在时间上有明确的次序，这种时间次序也叫 做时序，所以单片机需要产生一个时钟信号。晶振电路如图3.1.2所示。C2 -I- C122 pf22pf XTAL2图3.1.2晶振电路产生时钟信号的方式是：在XTAL1（18脚）和XTAL2

15、（19脚）引脚接入 一个振荡电路。用两个22pF电容的作用是开启振荡器和调节振荡频率。接入12M 晶振来确定时钟周期，此时产生的信号为单片机最基本的时间单位，即时钟周期， 用振荡频率的的倒数代表它的大小（1/fosc）。3.1.3复位电路复位电路在单片机设计中是一个必不可少的部分。单片机在刚开始运行的时 候需要进行一次复位，以确保整个系统电路在要开始运行时保持一种最初状态， 保证一开始的运行正常。AT89C51单片机的第九引脚RESET，当这个引脚接收 到两个机器周期（24个振荡脉冲周期）的高电平时，就会发生复位。复位电路 的实现方式有很多种方式。常见的方式有上电、手动和自动复位三种。电路连接

16、 图如图3.1.3所示：图3.1.3复位电路3.1.4上拉排阻电路AT89C51单片机P0 口内部结构与其他三个I/O 口（?1 口、P2 口和P3 口） 不同，由于P0 口内部没有上拉电阻，当它用于通用I/O 口使用时，其输出驱动 级为漏极开路，不能正常的输出高低电平，因此必须外接上拉电阻。一般我们选 择接入阻值为10K的上拉电阻。如图3.1.4所示。SHT11温湿度传感器数字温湿度传感器SHT11是SHT1X家族中的一员，它是一款高度集成的温 湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。串岗器包括一个电容性聚合体湿 度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件与一个14 位的

17、A/D转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片面上。其实物图如图 3.2所示。SHT7X图3.2数字温湿度传感器SHT11数字温湿度传感器SHT11具有以下几个特点：相对湿度和温度测量；露点测量；全标定输出，无需标定即可互换使用；卓越的长期稳定性；两线制数字接口，无需额外电路；基于请求式测量，低能耗；自动休眠；超快响应时间；数字温湿度传感器SHT11广泛应用于空调、汽车电子、家电产品、医疗仪 测试和检测设备和自动控制等领域。SHT11为具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感其外形及管脚的示意图如图3.2.2所示。图3.2.2 SHT11管脚示意图SHT11传感器默认的测量温

18、度和相对湿度的分辨率为14位、12位，通过状 态寄存器可降至12位、8位。温度测量范围是0-100%RH,对于12位的分辨率 为0.03%RH；测量温度的范围为-40-+123.8，对于14位的分辨率为0.01。每个传感器芯片都在极为精确的湿度室中标定，校准系数以程序形式存储在OTP 内存中，在测量过程中可对相对湿度自动校准，使SHT11具有100%的互换性。 器内部框图见图3.2.3。图3.2.3 SHT11内部框图其测量原理：首先利用2只传感器分别产生相对湿度、温度的信号；然后经 过放大，分别送至A/D转换器进行模数转换、校准和纠错；再通过二线串行接 将先对湿度和温度的数据送至AT89C5

19、1控制器；最后利用控制器完成非线性 补偿和温度补偿。其典型应用电路如图3.2.4所示，引脚说明如图3.2.5所示。图3.2.4 STH11典型应用电路图3.2.5 STH11引脚说明LCD1602液晶显示模块显示温、湿度需要较长的显示字码，在单片机的人机交流界面中，一般的输 出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶LCD显示器。在本文中采用液晶 显示LCD1602作为显示模块。在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生，当今 液晶显示器已经成为市场上很多电子产品的显示器件，比如在电子表、计算器、 万用表以及很多家用的电子产品中都可以看到，其显示主要是数字、符号和图形。在单片机系统中应用晶液显示

20、器作为输出器件有以下几个优点：显示质量 高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低。LCD1602液晶显示模块可以和 单片机AT89C51直接接口，电路如图3.3所示。图3.3 LCD1602与AT89C51电路连接LCD1602主要技术参数为显示容量为16*2个字符；工作电压范围4.5-5.0V； 工作电流在5.0V供电电压下位2mA；字符尺寸为2.95*4.35mm。LCD1602引脚功能如表3.3.2所示：弓|脚号符号状态功能1Vss电源地2Vdd+5V逻辑电源3V0液晶驱动电源4RS输入寄存器选择1：数据；0：指令5R/W输入读、写操作选择1：读；0：写6E输入使能信号7DB0三态数据总线

21、（LSB）8DB1三态数据总线9DB2三态数据总线10DB3三态数据总线11DB4三态数据总线12DB5三态数据总线13DB6三态数据总线14DB7三态数据总线（MSB）15LEDA输入背光+5V16LEDK输入背光地表3.3.2 LCD1602弓|脚功能表LCD1602指令集说明如下：它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置指令2：光标复位，光标返回到地址00H指令3：光标和显示模式设置I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左 移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则

22、无效指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示， 低电平表示关显示C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无 光标B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁指令5：光标或显示移位S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光 标指令6：功能设置命令DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N： 低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:低电平时显示5x7的点阵字符，高 电平时显示5x10的点阵字符指令7：字符发生器RAM地址设置指令8： DDRAM地址设置指令9：读忙信号和光标地址BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块 不能接收命令或者数据，如果为低电平表

23、示不忙。指令10：写数据指令11：读数据按键模块常用的按键电路有两种形式，独立式按键和矩阵式按键，由于在温湿度监控 系统设计中，按键的主要功能是设置报警温湿度的上下限值，功能明确单一，因 此采用独立式按键模块。独立式键盘的按键相互独立，每个按键接一根I/O 口线，一根I/O 口线上的 按键工作状态不会影响其它I/O 口线的工作状态。因此，通过检测I/O 口线的电 平状态，即可判断键盘上哪个键被按下。在本系统中只需检测引脚P30、P31、P32是否被拉低为低电平，若为低电 平则表示有键按下。P30对应“设置”键，P31对应“数值+”键，P32对应为“数 值-键。连接方式如图3.4所示。图3.4按

24、键模块电路图当“设置”键被按下时，LCD液晶显示温湿度上下限设置界面，如图3.4.2 所示，此时可以通过“数值+”和“数值，键对温湿度上下限数值进行设置。图3.4.2温湿度上下限值设置界面报警模块蜂鸣器报警模块本次设计采用三极管驱动蜂鸣器报警。蜂鸣器又称为喇叭，广泛运用在各种 电子产品中的一种元器件，常用于提示、报警等多种场合。蜂鸣器和家用电气上的喇叭在用法上也有相似的地方。通常工作电流比较 大，电路上的TTL电平基本上不能驱动蜂鸣器。一个管脚很难驱动蜂鸣器发出 声音，这时就需要加一个电流放大电路，增加一个三极管来增加通过蜂鸣器的电 流。蜂鸣器的正极性的一端联接三极管的集电极，另一端接地，三极

25、管的基极由 单片机的P1.2管脚来控制，当P1.2管脚为低时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。当P1.2管脚为高时，三极管截至，蜂鸣器不发出声音。其电路如图3.5.1所示。图3.5.1蜂鸣器报警电路LED报警模块系统LED报警模块，主要有4个LED灯组成，它们分别指示当前温湿度值 的状态，数值过低，相应绿色LED灯点亮；数值过高，相应的红色LED灯点亮;当温湿度数值处于设定的上下限范围之中时，LED灯熄灭。LED报警模块电路 图见图3.5.2。图3.5.2 LED报警模块电路图4.软件设计软件开发平台Keil C51是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言 在

26、功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿 真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境(mVision)将这些部 份组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、 20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。C51工具包的整体结构，其中mVision与Ishell分别是C51 for Windows和 for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个 开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇

27、编源文件。然后分 别由C51及A51编译器编译生成目标文件(OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成 库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(ABS)。ABS文 件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行 源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序 存贮器如EPROM中。基于SHT11传感器的温湿度监控系统仿真为原创设计，文中有五个重要内 容已被省去，它们是：.主程序设计流程流程图；.附录一的仿真总电路图；.附录二的程序和程序注释；.软件抗干扰措施内容；.参考文献；得到完整doc文档、Proteus仿

28、真文件、Visio流程图、Keil C程序以及参 考资料等，请 Subscribe the WeChat Public Number:交大小将。分享如下所示：基于51单片腱 HTK的温温度基于SHTILL的温 湿度触控仿真（基于51单片腱 HTK的温温度基于SHTILL的温 湿度触控仿真（LCD16D2 + 按逾+ 报警），D$NLast Loaded 基于MHTIl的涅湿度测控仿真（LCD16O2 + .文报告完整版基于汨Tn的温湿度艇控仿真（LCD16D2+按逊+报警）,PW1主程序设计主程序就是调用各个子程序的C语言文件中定义的函数，实现SHT11、 LCD1602初始化等操作，然后测量

29、温湿度，调用函数对数据进行处理，最后进 行显示并监测预警当前温湿度信号，主程序流程图如图所示。SHT11程序设计采集模块的任务是负责温湿度信号的采集以及将采集到的温度模拟量信号 转化为相应的数字量信号提供给单片机。单片机再经过相应的数据处理，数据采 集主要通过SHT11温湿度传感器采集当前环境的温度。因为数字式温湿度传感 器SHT11能将外界的温度直接转换成数字信号，直接送入单片机处理就行了， 就不用在经过A/D转化器将其转化成数字信号，这样就方便了很多而且抗干扰 能力强。软件程序也简化了很多，数据采集模块的程序流程：数据采集的程序初 始化即SHT11的程序初始化、采集温湿度、等待温湿度转换、

30、读取温湿度送给 单机处理。如图4.3所示：图4.3 SHT11温湿度采集程序流程图4.4 LCD1602程序设计LCD1602程序设计流程图如图4.4所示。图4.4 LCD1602程序设计流程图4.5报警模块程序设计图4.5为本系统报警模块程序设计流程图。4.6软件抗干扰措施本系统中，在软件方面的抗干扰措施主要从以下两个个方面来考虑。5.仿真与测试本设计的单片机采用C语言编程，在Proteus软件仿真环境中测试。仿真设计平台Proteus是目前较为先进手段，在资金以及设备的维护成本高的问题上，它 可以在有限的硬件设备的情况下采用不同的方法，不仅可以直观形象化，也可以 使流程运行可视化并能够获得传统方法不能达到锻炼的效果；它可以提供超过 27000模拟装置，能够同时模拟和数字仿真，虚拟可以直接在原理图上编程，然 后显示输出实现这个结果；仿真软件使得它可以使抽象的原理变得形象化，