【基于51单片机温湿度检测系统的设计8300字（论文）】

PAGE4基于51单片机温湿度检测系统的设计目录TOC\o"1-3"\h\u23829第一章引言 126531.1课题开发的目的和意义 1274851.2温湿度传感器应用行业 2140852方案论证 3195932.1系统方案论证 354302.1.1控制器的选型 319082.1.2显示器件的选型 3215332.1.3温湿度传感器选型 4111122.1.4电源系统选型 5141802.2系统总体架构设计 5165862.3系统架构图 613236第三章应用器件简介 7102593.1AT89C51单片机简介和设计图 7133933.1.1单片机简介 785663.1.2单片机原理图 8313853.1.3单片机系统完成的必要条件 9191813.2DHT11传感器简介 10200723.2.1传感器的介绍 1039733.2.2传感器的原理图 10119523.3LCD显示器 1266823.3.1LCD示器简介 12275943.3.2LCD显示器的原理图 12120043.4蜂鸣器简介 1285173.4.1蜂鸣器的介绍 12108863.4.2蜂鸣器的构成 1329507第四章软件设计 1467844.1设计思路和流程 14214084.2系统运行图 14169374.3按键流程图 15300764.4Proteus仿真图 16145074.5整体电路图和部分电路图 1725224.5.1整体电路框图. 17285544.5.2运行模式下电路图 17303224.5.3按键设置模式图 18119704.5.4LCD正确显示设置成功下的显示图 1932751结论 2114978参考文献 22PAGEPAGE4第一章引言1.1课题开发的目的和意义温湿度监测系统的设计在现实生活中十分重要，本次实验论证的重要内容是关于室内外温湿度的监测和报警功能通过改变室内外温湿度，实施对温湿度的监测和显示。科技的发展非常迅速，各种各样的性能高的智能设备越来越多，在未来的几年里智能设备会在每个家庭中出现并使用。长期以来，人们在温湿度测量中，大部分使用常规的测量方法进行测量。而且在现代化生活中处处都有温湿度监测装置，温湿度监测应用在家庭电器中、种植大棚中、重工业、汽车行业、食品生产等行业中并且温湿度是一个十分重要的参数，它决定着一个行业的发展、安全程度。过去的几年里温湿度的数值监测是需要人工去监测，而每天的不同时段中温湿度的数值是在随时间变化而变化的，这样的话利用人工去监测费时费力而且还提高了人力的成本，但是温湿度传感器智能监测系统可以解决一些人工上的缺点和不足，它的工作方式如下:传感器感应外界的温湿度，单片机去判断是否在控制的温度范围内，如果温湿度异常，则进行报警。这样对温湿度的监测的效率大大提高。现在看来世界上的温湿度传感器开始从数字和集成话以及网络化发展。温湿度传感器也可以分为两类：一.接触式二.非接触式。如果想要被监测问题的数值精度高必须要让被测物体和温湿度传感器充分接触，如果被测物体离传感器距离较远会导致测量的数值由很大的误差，而非接触式是通过热辐射相互交换来进行不接触方式测量，但是外界的温湿度对非接触方式测量的影响大，会使测量不准确。人们现在一般使用简易的温度计测量，而简易的温湿度传感器所测量的数值并不准确，而且很容易受到外界环境的干扰。反而温湿度在某些行业中要求极高，在一些大型电力企业中，温度过高会引发漏电事故，在这些情况下通常会对工作人员的安全造成危害，所以我们对温湿度传感器的需求非常重要。最近几年的发展中，越来越多的智能设备应用到我们的日常生活中，而这些智能设备都离不开温湿度传感器。而且我国现在也在大力发展研究温湿度传感器，传感器也逐渐运用到各个领域，并且不同的行业都为了让自己增大生产、提高生产效率，都在研究和制造适合自己的传感器，温湿度传感器发展迅速，应用广泛，前途不容小觑。1.2温湿度传感器应用行业每个行业自己的领域对温湿度传感器的要求都不同，温湿度传感器在每个行业也发挥着自己的作用例如：食品加工生产：食品的储存对温湿度需要极高的要求，如果温湿度达不到要求会导致食品变质，胀包，软化等，会给生产商负面影响和麻烦，如果顾客使用可能还会给顾客造成身体上的疾病。大型档案室：档案室一般存放着重要的纸资文件，如果温湿度不在准确的范围内会造成纸质文件上的文字褪色、纸张发黄、软化等，会对后期查看档案内容造成浪费时间、人力的影响。农作物大棚：一些不是当季的水果，只能在大棚中种植，植物生长对温湿度有一定的要求，达不到要求植物会停止生长或者死亡。医药业：药品储存对温湿度要求更为严格，一般药品储存范围0-30℃，如果温湿度不在可控范围内，药品可能会失去药性，如误食轻则生病重则可能会导致死亡。大型机房：机房中放置着许多大型交换机他维持这整个范围内的数据传输，如果温湿度不可控会导致死机导致整个网络瘫痪会给公司或者学校数据传输上造成重大影响。疫苗的储存：疫苗储存须有严格的温度控制标准，而正规的疫苗存储配送链应该全程配备温湿度监控设备，以符合药品经营质量管理规范的要求。在疫苗存储、运输和配送流程中，冷链全程有温度监控记录并备案。疾控中心对每一批次查验货时，必须同时查验途中的温湿度记录，确认运输途中温度记录符合GSP《药品经营质量管理规范》相关规定后再验收入库。空气净化器：在空气净化器中，温湿度传感器目前产品越来越小型化，其作用是检测室内湿度（干燥状态），净化器根据该数据控制加湿量，即可保证室内环境在一定的湿度范围内，以保持最舒适的湿度。2方案论证2.1系统方案论证2.1.1控制器的选型设计采用单片机作为控制器，要求单片机具有开发简单，运算能力强的特点，目前广泛使用的单片机主要有51单片机和stm32单片机两种。方案一：采用51单片机优点：51单片机作为基础型处理器被电子工程师们广泛应用各种场合，51单片机属于8位处理器，它的处理对象是位而不是字或者字节。这就意味着51单片机不仅能对单片机片内某些具有特殊功能的寄存器的某一位进行单独处理，还能同时进行位与位之间的逻辑运算。与此同时51单片机还带有乘法功能，这是其他大部分八位单片机所不具备的。在这之上，51单片机的RAM内还特别带有一个具有双重功能的地址区间，使其使用性更加灵活。缺点：其处理器自带的功能较少，要想其具有AD采集功能，EERPOM等功能时，就需要工程师额外的对硬件进行功能扩展，比较麻烦。虽然51单片机引脚控制相对简单，但其引脚在处于高电平时输出能力的不足也是非常明显的。同时该类型单片机运行速度较慢，对编程要求比较苛刻。另外51单片机内部不带有保护电路，抗干扰能力也比较差，只能饮用于一些比较简单的场合。方案二：stm32单片机stm32单片机，因其远远优于市场上同类型芯片的高性价比特征，广受喜爱。stm32单片机内部具备调压器精确的RC震荡电路，时钟控制电路，低压检测等丰富的功能，此外，stm32单片机的程序编写已经模块化，接口简单明了，大部分功能都是自带的，真正需要扩展的功能几乎很少。基本上芯片型号选择正确，就不需要额外再在硬件上进行二次功能扩展了。但是stm32单片机也有着一些缺点，首先是他的成本相对要高很多，另外其开发难度较大，开发的成本也相对会高，在一些较为复杂的场景之下可以采用stm32单片机作为控制器。综上所述，结合本设计的实际需求本设计采用51单片机作为主控器件。2.1.2显示器件的选型本设计对于显示器有以下几个方案：方案一：采用彩色TFT液晶显示屏显示，这是一种彩色的点阵屏，操作简单且显示效果好。本设计需要显示系统信息，要求在该屏上以字符的形式显示出来，但此屏需要对字符进行建模，工序复杂，对于现阶段由于知识水平有限，这大大的加大了设计难度，在时间上会来不及。方案二：采用LED数码管显示，LED数码管的外壳采用阻燃PC塑料制成，能够有效的防止撞击、抗老化、防紫外线、防潮等优点，而且使用LED数码管的功耗小，寿命也较长，比较适合工业上复杂环境的使用。但是LED数码管的显示内容比较单一，不能很好的达到本次设计所需要的显示效果。所以相对而言，LED数码管不太适用于此次设计。方案三：：采用LCD1602液晶显示屏进行显示,LCD1602液晶显示屏是一种字符型液晶。而我们所谓的1602表示显示屏上的显示范围为16*2,即可以同时显示两行,每行16个字符。它主要是由LCD液晶控制IC外围驱动电路等部分组成，市面上的字符型液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，和LCD1602液晶的控制原理相似，所以控制程序也较为简单方便。并且它的读写速度较快，价格便宜。对于本次设计而言，LCD1602液晶显示屏成本低廉而且完全可以达到本次设计的要求，属于最优选择[6]。通过对三种方案的比较，采用方案三的LCD1602显示屏显示，价格合适，操作简单，易于编程，能够很好地达到本设计的要求，因此选择方案三。2.1.3温湿度传感器选型DHT11：该种传感器作为非常常用的一款集温湿度检测为一体的单总线形式传感器，对于温湿度的检测具有较强的灵敏性，稳定性。体积小巧，引脚极少只有四路，数据读取方式特别简单，因为其通讯方式为单总线方式，因此可以直接利用51单片机的普通IO口对传感器进行数据读取，供电电压方位也十分宽广，同时其成本价格很低，抗干扰能力极强，相关的开发源码网络上资源相对较为丰富，使用时可以很大程度上减少开发时间[7]。LM35半导体温度传感器：lm35作为一种半导体温湿度传感器，其对于温度检测的原理就是利用其内部半导体器件对于温湿度的敏感程度作为判断温湿度的标准。其灵敏度也是很高的，不过这种传感器直接输出的信号是模拟信号。因为51单片机并不自带AD采集电路，所以51单片机无法直接获取该传感器输出的模拟量数据，需要加装外部AD采样芯片，这样就使得开发难度和开发成本大大增加，同时输出的温度数据准确性还有待进一步调试。而半导体器件自生的固有属性使得LM35在进行温度检测时会逆向受外部温度的影响产生温漂，本身输出的电压和温度之间的关系就已经是非线性得了，加之温漂，使得输出的温度数据矫正和筛选起来相当困难。除非再加之差分电路进行采样，但还不能完全保证其稳定性。但是LM35型温湿度传感器价格低廉稳定性非常好。故综上所述选取dht11温湿度传感器作为本设计温度采集传感器。2.1.4电源系统选型电源系统是本设计的基础保障，因此对于电源的选取是非常重要的。方案一：以市电220V交流电源直接供电。本方案在生活中应用最广泛，也可从市电网络中直接取得，但电压大，而且是交流电，功率也不小，属于强电系统，本系统为弱电系统，供电电压只需要5V的直流电，220V市电为交流电，所以要想利用起来220V市电，则需要繁琐复杂的整流、降压、稳压系统，硬件电路较为的复杂。方案二：采用USB接口进行供电，这种方式供电电源也是随处可取，只要有USB接口的地方便可以进行USB供电，如电脑、充电宝、手机充电器等，电压也同样是5V，比较适合本系统的设计，但是有一个弊端就是不能移动，由于usb设备往往存在于电子设备上，所以USB供电虽然足够稳定，但是供电电流较低。方案三：采用干电池供电，干电池市面上随处可以买到，但是只能是一次性使用，且不利于回收，对环境的影响较大，但是可充电干电池不但可重复利用，还不会对环境产生过于恶劣影响。三节以上的干电池便可以达到本设计要求的要求的5V电压，且相比USB接口供电，不用另外在电路板上做USB接口，且电压较为稳定，不用加装稳压模块，还非常方便移动。本系统的移动性要求较高，所以本设计采用方案三，采用可充电干电池组进行供电。2.2系统总体架构设计系统主要有控制、显示器、温湿度传感器、电源系统这几个部分组成，控制主要为51单片机控制器，该控制是论文的核心控制器，主要负责收集温湿度的数据并对温湿度数据进行处理和存储，并能通过程序的编写实现使用按键电路对温湿度参数进行调节显示器电路主要用于显示温湿度传感器的实时数据，通过不断的刷新来实现数据的更新，温湿度传感器是根据温湿度器件上的两个电极之间电阻的变化来检测湿度的。湿度感测部件是保湿基板，基板表面被施加了电极，不同湿度会有不同的电阻值，通过这个值就能知道环境的湿度。电源系统主要为整个系统进行供电，主要的电压为5-3.3V，采用usb供电的方式，同时也可以直接使用直流电源的工作模式。电路在不同的模式下会进行相应的电路转换，电路为了系统的稳定运行增加了电源保护电路，保证电路安全[8]。2.3系统架构图图2.1系统架构图主要有2部分组成1是温湿度检测设备2是温湿度控制设备是温湿度检测设备包含控制设备、显示器、温湿度传感器、电源系统这几个部分组成。第三章应用器件简介3.1AT89C51单片机简介和设计图3.1.1单片机简介AT89C51单片机是美国生产的具有低电压、高性能的8位单片机，单片机内是可以反复擦写的只读程序存储器（PEROM）、128字节随机储存器，其器件具有密度高、不容易失性。可以应用在各种各样的生产环境中。AT89C51的一些主要的性能数据如下·可以完全兼容MCS-51的指令·4000bytes反复擦写闪存储存器·1000次的擦写周期·完全静态操作·三级程序加密功能·128*8bytes内部储存·32个可以编写的I/O口·两个16位的定时器·6个中断·可以编写串行USRT通道·功耗低·P0口：P0口是一个8位漏极开路双向I/O口，P0是输出口，其每一位可以吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，如果用于访问外部储存器时其数据总线可以反复使用。·P1口：是一个带内部上拉8位双向I/O口，P1可以驱动4个TTL逻辑门电路，P1可以用作输入口，当闪存编程和检验程序时P1会接收较低的8位地址。作为输入口，其中的一个引脚会被外部信号拉低输出一个电流。·P2口：P2口是一个内部带上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出可驱动4个TTL逻辑门电路。当闪存编程和检验程序时P2会接收高位地址和控制信号。·P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口作为输出口可驱动4个TTL逻辑门电路，作为输入端，会被外部拉低P3口用上拉电阻输出电流。P3口也可以用于AT89C51的一些其他的功能口，如下表所示：端口引脚功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口还可以接收闪存储存器的控制信号。RST：复位输入。振荡器正常工作时，引脚上出现高电平把单片机复位。XTAL1：反向振荡放大器的和时钟电路的输入端。XTAL2：反向振荡器放大的输出端。

VCC：接电源GND：接地3.1.2单片机原理图单片机原理图见下3-1图3-1单片机原理图3.1.3单片机系统完成的必要条件1：电源AT89C51单片机电压范围为4.0V-5.5V。可以利用USB进行供电。2：晶振电路每个单片机电路中都会有晶振，晶振频率的快慢就代表着单片机的运行速度，晶振频率越高单片机的运行速度就越快，晶振频率越低单片机运行也就越慢，处理数据能力就越低，某些特殊情况下，还会通过附加电压的方式使晶振的频率稳定在一个固定的数值内，可以让电路工作稳定。3：复位电路（表1）为了确保电路运行稳定可靠，必须要有复位电路.通常情况下复位电路的工作需要稳定的电压，只有电压在一定的范围内，复位信号才会消失，电路才可顺利运行。4：时钟电路时钟电路可以这样理解，电路运行是需要有像时钟一样稳定的振荡电路其次电路工作需要按时间顺序，时钟电路是晶体振荡器、晶振控制芯片、电容是三个部分构成。表1复位电路3.2DHT11传感器简介3.2.1传感器的介绍DHT11温湿度传感器是一种高精度、及其稳定的复合传感器，它一般使用在温湿度采集技术运用上，DTH11由电阻式感湿、NTC测温两个元器件构成，在本次实验中温湿度传感器与AT89C51单片机相连接，它可以将检测的外部环境数据传输到单片机中。DHT11温湿度传感器具有质量好，运行快、不受外界干扰、便宜、偏于携带、消耗少等优点，而且DHT11温湿度传感器适用与恶劣的环境，它有4个引脚，连接起来十分简单。3.2.2传感器的原理图DHT11原理图如3-2图3-2温湿度原理图图中温湿度传感器DHT11中1引脚连接电源，2号引脚连接单片机的I\O口，4号引脚连接地。DHTT11所需电压为3.5-5.5V。温湿度传感器存储及其使用温湿度传感器密封性很差。如果想要温湿度传感器保持灵敏的检测功能，不应该存在含有酸碱性的环境中，与需要避免在粉尘环境中使用。利用温湿度传感器测量时应在空气流通的地方使用，如果测量的环境较大时应放置多个传感器（传感器之间应避免距离较近导致传感器之间互相干扰），使用时电量要高（电量较低时会影响测量精度）选择传感器的时需要选用配套的电源适配器。3.3LCD显示器3.3.1LCD示器简介LCD液晶显示器（LiquidCrystalDispiay）,LCD由两个平行的玻璃基板中放入一个液晶盒，下面基板上放置薄膜晶体管，上面基板放置彩色的滤光片，利用上基板的薄膜晶体管和电压来控制液晶分子运动，使每个像素点偏振光出射来达到显示效果，因为LCD价格便宜所以常被使用。3.3.2LCD显示器的原理图见下图3-3图3-3LCD显示电路原理图3.4蜂鸣器简介3.4.1蜂鸣器的介绍蜂鸣器式一个整体化的电子器件，使用直流电压进行供电，蜂鸣器通常用于提示和报警，它可以根据不同场景所需要的声音进行设定，它可以唱歌、汽车喇叭叫、电铃、报警等各种声音，蜂鸣器使用十分广泛，列如电子玩具、农业、汽车上、空调环境监控等场景。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“ZZG”、“LB”、“JD”等）表示。3.4.2蜂鸣器的构成蜂鸣器主要由五大部分构成（1.振荡器2.压电式蜂鸣片3.阻抗匹配器4.共鸣箱5.保护壳），一些特别的蜂鸣器的保护壳上还会配有发光二极管。如图3-4-2图3-4蜂鸣器报警模块蜂鸣器额定电流<=0mA，而AT89C51的P3.2口电流为15mA，所以光靠单片机的电流是无法让蜂鸣器工作的，所以直接使用基极导通VCC直接给buzzer通电，晶体管一般情况下使用pnp型，如果我们所监测环境中的温湿度数值高于预先设定的数值时基极变为低电平，蜂鸣器报警。第四章软件设计4.1设计思路和流程刚开始需要构思的一个大概的流程图，接着想明白程序的设计需要哪些部分和东西，构思完成后先建立一个整体的程序框架，把整体的框架分为几个部分，每一个部分实现自己的功能，然后把每一个分部连接起来，搭建成一个总体程序，然后将编写的代码导入到单片机中进行编程。程序代码的编写分为三步：第一步、在网上搜集、去图书馆查阅、询问老师的方式收集资料，然后根据每个元器件所需要的功能进行编写代码实现其基本功能。第二步、把所编写成功的代码用Keil软件进行编译，如果keil报错误则进行修改，编译没有错误后，生成hex文件。第三步、需要在Proteus软件中绘制出电路的仿真电路图，然后把生成的hex文件下载到电路图中的单片机中进行仿真实验，若有错则进行检查并修改错误，没有错误后保存电路仿真的文件，最后焊接实物完成毕业设计所需硬件。4.2系统运行图在系统运行中如何进行温湿度检测步骤:先给设备通电各个设备进行初始化设置，设定预先设置的温湿度范围，改变DHT11监测范围内的温度和湿度，温湿度传感器自动监测到温湿度数值，单片机主机进行判断，若在设定范围内蜂鸣器不报警，LCD显示当前温湿度数值，若超出设定范围蜂鸣器进行报警，控制设备启动，LCD显示出温湿度数值。流程图如下图4－2所示：图4-2整个系统软件运行走向图4.3按键流程图检查运行中是否有按键按下，见下图4-2图4-3检验按键图4.4Proteus仿真图图4--44.5整体电路图和部分电路图4.5.1整体电路框图.整个电路的整体框图，见下图4-1图4-1整体电路框图4.5.2运行模式下电路图LCD液晶显示器正常运作下的电路图，见下图4-2图4-2运行模式下的电路图LCD1602显示器TA:预先设定的温度值L手动设定的最低温度值H手动设定的最高温度值RH:预先设定的湿度值L手动设定的最低湿度值H手动设定的最高湿度值4.5.3按键设置模式图电路图中按键的设置，见下图4-3图4-3按键设置模式图4.5.4LCD正确显示设置成功下的显示图LCD液晶显示屏显示设定的数值，见下图4-4图4-4LCD正确显示设置图结论本文设计了温湿度监测报警与控制系统。数字式温湿度传感器采用高性价比AT89C51单片机控制，温湿度传感器采集温湿度数据。当所检测的室内外温湿度超过我们预先设定的温度、湿度值，数据传输到单片机上，单片机进行处理控制蜂鸣器发出警报声音，当温湿度降低到设定的数值内，蜂鸣器停止报警，让其恢复正常。首先介绍了本设计的核心部分AT89C51的基本结构和原理，并且简要说明了中断、复位和时钟三个主要构成电路。接下来还介