温湿度监控系统设计报告书

1、综合实训报告书实训项目名称： 温湿度监控系统设计学 院： 信息与电子工程学院姓 名：专业班级：学 号：指导教师：时间： 2019 年 1 月 7 日至 2019 年 1 月 11 日说明综合实训进行期间，学生应按教学计划，将每天的学习情况（包括学习内 容、遇到问题及解决办法、心得体会等）如实进行记录。综合实训结束时，根据综合实训内容和学习记录书写综合实训报告书。指导教师应综合考虑学生的学习态度、报告内容和实际操作情况等，进行 评定，给出综合成绩。温湿度监控系统报告书 I目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 实训任务

2、1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 实训目的 2 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 实训要求 3 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 实训内容和步骤 4湿度模块 4HS1101 湿敏电容 4NE555 定时器 4测量电路 5温度模块 7MF11 热敏电阻 7LM324N 低功率四运算放大器 7测量电路 7A/D 转换模块 8PCF8591 （ 8位 A/D和 D/A转换） 8PCF8591 电路连接 8温度计算 9单片机最小系统 10电路原理图

3、10单片机最小系统的组成 10显示模块 11 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 实训取得的结果 13电路原理图 13实物图 14程序代码 14 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 实训总结和体会 20温湿度监控系统报告书 实训任务温度与湿度这两个参数对人们的生产生活有着非常重要的影响， 而且温度和 湿度有着密不可分的联系。 人不单纯的受到温度或者湿度的影响， 而是受温度和 湿度两个方面的综合作用。 在工业生产需要实时的监控温湿度， 在农业生产中有 些时候也需要实时的监控温湿度。 在人们的生活当中，

4、 温湿度对人们的一个比较 明显的影响：在人们的卧室中， 温湿度对人们的睡眠质量也有着重要的影响， 实 时地监控温湿度可以为改善人们睡眠质量提供条件。 通过温湿度测量系统， 用户 可以了解其工作生活环境的温度和湿度的情况， 以做出相应的应对措施， 改善其 生活的环境。所以，各种温湿度测量控制系统以各种家电 （例如：空调、增湿器） 或者智能硬件为载体进入个人用户家庭。（1）实现温度和湿度的测量；（2）湿度的测量范围 :0%100%RH; 温度的测量范围 :050;（3）湿度的测量精度 : 2.0%RH; 温度测量精度 : 0.2（4）在 LCD显示屏上显示数据和结果；（5）设置温度和湿度的上限值；

5、（6）超出预设定的值，自动报警。低于设定值，自动停止报警。实训目的该实训课程是一门以传感器原理及应用为基础，综合利用光学、精密机械、 电子学和计算机技术解决各种工程应用课题的技术学科。 它在现代测量与控制技 术中，非电量测最与探测占很大一部分。 传感器原理及应用实验沙及多种学科领 域，它与工程光学，电子学，计算机等课程关系密切。通过此实训课程的学习， 激发学生实践动手和创造能力， 使学生具备传感器原理图设计的能力， 利用传感 器检测非电量信号的能力， 提高学生的实际操作能力， 使用仪器仪表的能力， 结 果的分析处理能力等， 提高学生的综合素质与职业能力， 为学生的职业生涯发展 奠定基础 。（1

6、）实训了解传感器系统设计的思路、方法和步骤。（2）训练和提高设计的基本技能，培养思维方式，提高动手能力和综合思 考问题的能力。（3）了解温湿度测试原理。（4）绘制温湿度测量电路原理图，掌握温湿度测量电路工作原理。（5）学习温湿度擦混感器的特性与应用。（6）根据温湿度测量原理，设计温湿度传感器的硬件结构电路。（7）以数字的形式显示所温湿度监控系统测量的温湿度值。实训要求对传感器原理与应用具有更深的理解，将传感器模块与 51 单片机模块进行 相结合操作，熟知温湿度传感器的每个模块的原理与应用、 51 单片机端口的原 理与应用，将书上所学的原理知识运用到实物上面来。（1）根据实训任务书，利用网络、书

7、籍、文献对相关资料进行查找。（2）选用集成温度传感器设计室内或仓库的温度检测系统。（3）画出温湿度传感器模块原理图。（4）设计检测电路，及与单片机的接口电路。（5）编写出温湿度测量的系统程序，利用单片机模块和温湿度模块进行测 温和测量湿度，用液晶显示出数字。（6）对实物测量进行误差分析，写出分析结果。（7）整理书写实验报告。（8）实训分析及总结。（9）整理书写实验报告。实训内容和步骤湿度模块设计思路： HS1101是变介质型电容式传感器。 测量电路以 HS1101为敏感元 件，感受空气湿度， 空气湿度的不同会改变它的电容值， 经过 555 定时器组成的 多谐振荡器，以 HS1101充当充放电电

8、容，产生高、低电平，即一定周期的矩形 波。将信号通过单片机外部中断测量其频率，通过频率 -湿度对应表计算其湿度 值。HS1101湿敏电容HS1101是基于独特工艺设计的电容原件，这些相对湿度传感器可以大批量 生产，可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电、工业控制系统等。 在需要湿度补偿的场合它也可以得到很大的应用。 它具有长时间饱和下快速脱湿， 快速反应时间，高可靠性与长时间稳定性的特点。HS1101在温度 Ta=25，工作频率为 10KHz时的 CRH反应曲线如图 1：图 1 C RH反应曲线可知， HS1101具有很好的线性度的特点。NE555定时器NE555是属于 555系列的计

9、时 IC的其中的一种型号， 555系列 IC的引脚功 能及应用都是相容的， 只是型号不同因其价格不同其稳定度、 省电、可产生的振 荡频率也大不相同； 而 555 是一个用途很广且相当普遍的计时 IC，只需要少数的 电阻和电容，便可产生所需要的不同频率的脉冲信号。555 定时器内部电路结构及封装引脚图如图2：图 2 555 定时器内部电路结构及封装引脚图引脚功能：1 引脚： GND地线；2 引脚： TR触发器； 3引脚： OUT输出；引脚： RES复位。当次端为低电平时，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何种电平，电路输出总是为低电平。该引脚不用时应该处于高电平。引脚： Vc 控制电压。

10、Vc 为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部 两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01 F电容接地，以防引入干扰。引脚： TH 阈值。引脚：DIS放电端。该端与放电管集电极相连， 用做定时器时电容的放电。引脚： Vcc电源。双极型时基电路 VCC的范围是 4.5 16V， CMOS型时基 电路 VCC的范围为 3 18V。一般用 5V。测量电路测量电路由 HS1101为核心和 555 定时器组成多谐振荡电路，如图 3：图 3 555 定时器组成的多谐振荡电路电路原理图和输出电平对应表电路上电后，开始对电容 HS1101充电，使得 VTH和 VTR管脚不同电平时输出 状态

11、不同。表 1HS1101充电时输出电压 Uo 的不同状态：表 1 HS1101 充电时输出电压 Uo 的不同状态VTHVTRUO放电管 T2/3Vcc1/3Vcc1截止1/3Vcc1不变2/3Vcc1/3Vcc0导通2)测量原理555 定时器产生的矩形脉冲，一个周期的时间为： T=TH+TL=ln2(2R3+R2)C，其 中 TL=CR3ln2，TH=ln2(R2+R3)C；可知占空比：D=TH/TL= (R2+R3)/(2R3+R2)，由此可知， R1 越小矩形波越接近于方波，但不能低于一个最小值，此处约为52%，电路中R4为限流保护电阻。HS1101感受一定湿度时电容值不同， 从而会产生频

12、率不同的矩形脉冲信号， 图 4 为一定湿度时产生的脉冲信号。图 4 一定湿度时定时器产生的脉冲信号湿度计算由 HS1101湿度 -电容反应曲线可知， 湿度为 55%时对应其电容值为181.5pF，由以上公式 T=ln2(2R3+R2)C可以算出，湿度： 55%，频率为： 6607Hz 由公式:(F55为 55%湿度对应下的频率，此处为 6607Hz)F(Hz)=F55(Hz)(1.1038-1.9368x1-30 xRH+3.0114x10-6xRH2-3.4403x10-8xR3)可以计算出 不同湿度下对应的频率值。如表 2：表2 不同湿度下对应的频率值RH01020304050607080

13、90100F(Hz)72897163704069186795667165456414627761345982555定时器产生的脉冲信号由单片机测量与上表对应，即可计算湿度值。温度模块设计思路：是以 MF11 NTC型热敏电阻为敏感元件，经过利用 LM324N 运算 放大器组成的测量电路， 输出电压值经过 A/D转换，反馈给单片机， 经过反运算 计算出温度值。MF11 热敏电阻MF11 是负温度系数型热敏电阻，即电阻值随着温度的升高而减小。 MF11系列是为测量温度而设计，其次，它还可以用于温度补偿电路等。LM324N 低功率四运算放大器LM324 系列器件带有真差动收入的四运算放大器。 与单电

14、源应用场合的标准 运算放大器相比，它们有一些显著的优点。该四放大运算器可以工作低到 3.0V 或者高到 32V 的电源下，四个独立放大器是高增益，内部频率补偿运算放大器。 它的封装引脚图如图 5：图 5 LM324 封装引脚图测量电路（1）电路原理图测量温度 0 50，电压输出 0V时对应温度为 0，电压输出 5V 时， 对应温度为 50，原理图如图 6。图6 温度模块测量电路电路有三路组成：1）U2:A组成电压跟随器， 用于前级与后级的隔离， 避免彼此之间产生影响。2）U2:B 组成减法器控制电压输出，使后级放大输出电压 05V3）U2:C电压放大电路，对前级输出的电压信号进行放大。（2）输

15、出电压计算设一级 U2:A 输入电压为 U3，即热敏电阻压降为 U3；二级 U2:B 输出电压为 U7，U7=2U3-0.98；三级 U2:C 输出电压为 U0，则 U0=-7U7，U0=-7（ 2U3-0.98）；这 样可以近似认为温度为 0 C 时，输出电压为 0V；温度为 50时，输出电压为5V；A/D 转换模块PCF8591（8 位 A/D 和 D/A 转换）1）芯片封装引脚如图 7：图 7 PCF8591封装引脚图4.3.2 PCF8591电路连接引脚功能介绍AIN0-AIN3：模拟输入（ A/D 转换）A0-A2：硬件地址（可编程）Vss：负电压供应端SCL：I2C-总线时钟输入S

16、DA：I2C-总线数据的输入 / 输出OSC：振荡器输入 / 输出EXT： 外部 /内部开关振荡器输入AGND：模拟地VREF：参考电压输入AOUT：模拟电压输出端（ D/A 转换）VDD：正电压供应端PCF8591可编程硬件地址 A0A2令其状态为 100，模拟输入通道选择 0 通道， 参考电源为 5V。模拟地为 0V，同时， PCF8591使用时时钟输入端与数据输入 / 输出端必须接上拉电阻，电路图如图 8：图 8 A/D 和 D/A 转换电路前级经过运算由 LM324N模拟运算输出的电压信号通过 A/D 转换器通道 0 进行转换，经过以下公式进行运算电压，进而计算温度。电压计算公式：VA

17、OUT=VAGND+VAGND=0V温度计算(1)热敏电阻的计算公式：Rt=R *e(B*(1/T1-1/T2)MF11-5K热敏电阻 B=3800Rt：热敏电阻在 T1 温度下的阻值R：热敏电阻在 T2 常温下的标称阻值这里的 T1、 T2指的是 K度即开尔文温度， K 度=273.15+摄氏度(2)由 PCF8591计算的电压信号 VOUT，即为经 LM324 放大输出的信号。前 面已指出 U0=-(7 2U3-0.98)，U0=VOUT，U3即为热敏电阻两端的压降， U3=0.49-VOUT/14， 由热敏电阻计算公式可计算出温度值。4.4 单片机最小系统电路原理图图9 单片机最小系统单

18、片机最小系统的组成单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。（1）电源供电模块：对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个 系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。（2）复位电路：单片机复位电路是为了在电路跑飞时使电路恢复到初始状 态，原理是在单片机的复位引脚 RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位 电平持续两个机器周期以上时复位有效。 复位电平的持续时间必须大于单片机的 两个机器周期。具体数值可以由 RC电路计算出时间常数。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。上电复位： STC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚 RST上

19、连接 个电容到 VCC，再连接一个电阻到 GND，由此形成一个 RC充放电回路保证单片 机在上电时 RST脚上有足够时间的高电平进行复位， 随后回归到低电平进入正常 工作状态，这个电阻和电容的典型值为 10K 和 10uF。按键复位： 按键复位就是在复位电容上并联一个开关， 当开关按下时电容被 放电、 RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来 使单片机复位。（3）振荡电路：单片机系统里都有晶振， 在单片机系统里晶振作用非常大， 全程叫晶体振荡 器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率， 单片机晶振提供的时钟 频率越高， 那么单片机运行速度就越快， 单片接的一切

20、指令的执行都是建立在单 片机晶振提供的时钟频率。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。 通常一个系统共用一个晶 振，便于各部分保持同步。 有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振， 而通过 电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用， 以提供系统所需的时钟频率。 如果不同子 系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。STC89C52使用 11.0592MHz 的晶体振荡器作为振荡源， 由于单片机内部带有 振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在 15pF 至 50pF 之间。显示模块图 10 LCD1602 液晶显示器（1）

21、显示模块是以 LCD1602液晶显示屏显示，它共有 16个引脚， 1、为负 电源端；2 脚为正电源端； 3 脚为液晶显示器对比度调节； RS引脚为寄存器选择， 高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器； RW 为读写信号线，高电 平时读操作，低电平时进行写操作； E端为使能端； D0D7为 8 位双向数据线； 15 脚为背光电源正极； 16 脚为背光电源负极。（2）LCD1602读/写操作时序图：11 LCD1602读/ 写时序图图基本操作时序：1）读状态：输入： RS=L，RW=H， E=H2）写指令：输入： RS=L，RW=L，D0D7=指令码， E=高脉冲3）读数据：输入： RS=

22、H，RW=H， E=H4）写数据：输入： RS=H，RW=L，D0D7=数据， E=高脉冲实训取得的结果设计的最终结果是使温湿度测量仪测量并且显示温度， 实现温湿度数据的发 送与接收，从而实现利用温湿度传感器进行测量，以数字的形式显示测量数据。 它的硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、 电源、温度与湿度传感器 电路四部分，其中温度模块是以 MF11NTC热敏电阻为核心，由 LM324 输出电压 信号，再经过 A/D 转换，反馈给单片机；湿度模块是以 HS1101湿敏电容为核心， 测量电路为多谐振荡器电路产生脉冲信号， 由单片机外部中断 1 采集其频率进而 计算湿度；单片机采用 STC8

23、9C5，2 利用其 P2口和 P1 口用来驱动液晶显示屏目 显示和设置温湿度的相关数据。显示电路采用简单实用的 LCD1602液晶显示屏。 单片机的数据口直接驱动。实现测量，并且在液晶上显示温度和湿度。经过实验表明，这套系统软硬件设计合理、执干扰能力强、安时性良好，实 验结果符合预期要求。电路原理图图 12 温湿度检测系统原理图5.2 实物图图 13 温湿度检测系统实物图程序代码/*#include#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned char uchar code tab=0,1,2,3,4,5,6,7

24、,8,9; static uint Hz;static uint flg=0;sbit RS = P15;/ 数据 /命令选择端 (H/L)sbit RW = P16; / 数/ 写选择 端(H/L)sbit EN = P17; / 使能信号 sbit SCL=P13;sbit SDA=P14;void DelayMS(uint ValMS)uint uiVal,ujVal;for(uiVal = 0; uiVal ValMS; uiVal+) for(ujVal = 0; ujVal 113;ujVal+);void Delay5us()_nop_();_nop_();_nop_();_no

25、p_();温度测试* */ 起始信号 void IIC_Start() SDA=1;SCL=1;Delay5us();SDA=0;Delay5us();/ 停止信号void IIC_Stop()SDA=0;SCL=1;Delay5us();SDA=1;Delay5us();/ 非应答信号void IIC_NOack()SCL=0;SDA=1;SCL=1;Delay5us();SCL=0;bit IIC_ReadAck()bit AckFlag;uchar uVal=0;SCL=0;Delay5us();SDA=1;SCL=1;Delay5us();while(SDA=1) & (uVal255

26、) uVal+;AckFlag=SDA;SCL=0;if(AckFlag=0)return 1;elsereturn 0;/ 写入一个字节，先操作高位void InPutOneByte(uchar uDat)uchar iVal;for(iVal=0;iVal7;Delay5us();SCL=1;uDat=1;SCL=0; / 以备下次输入数据/ 输出一个字节 ,先操作低位uchar OutPutOneByte()uchar iVal;uchar uVal;SDA=1; / 释放总线for(iVal=0;iVal8;iVal+)SCL=0;Delay5us();SCL=1;Delay5us()

27、;uVal 7289)RH=0;void INIT0(void) interrupt 2else if(Hz = 7163)RH=(uint)(7289-Hz)*10)/126);Hz+;else if(Hz = 7040)RH=(uint)(7163-Hz)*10)/123)+10;void main()else if(Hz = 6918)uint RH;RH=(uint)(7040-Hz)*10)/122)+20;uint T;float Rt;else if(Hz = 6795)uchar val;RH=(uint)(6918-Hz)*10)/123)+30;float FADC_val

28、;/ init();else if(Hz = 6671)/ 开始定时器 1和外部中断 1，开RH=(uint)(6795-Hz)*10)/124)+40;始测试温湿度TMOD = 0 x10;else if(Hz = 6545)TH1 = (65536-46083)/256;RH=(uint)(6671-Hz)*10)/126)+50;TL1 = (65536-46083)%256;ET1 = 1;else if(Hz = 6414)TR1 = 1;RH=(uint)(6545-Hz)*10)/131)+60;/ 外部中断EX1=1;else if(Hz = 6277)IT1=1; / 下降沿触发RH=(uint)(6414-Hz)*10)/137)+70;EA=1; / 开总中断LCD_Init();else if(Hz = 6134)DelayMS(5);RH=(uint)(6277-Hz)*10)