多功能数字温湿度计设计

第1章引言最常见的温度测量方法是通过水银温度计来测量；测量湿度的方法则是干湿球湿度检测法，此种方法过程复杂不易操作。并且这两种测量方法都是通过人工进行检测以及读数，有着十分强的随机记录导致产生误差。正因如此，我们就更要找到价格优惠、能够便捷的进行使用而且数据精准的温湿度测量仪器。所以我选择利用DHT11温湿度传感器来实现对温湿度的检测，利用单片机来为这个温湿度测量仪器增加万年历功能，让其实现多功能。本论文所使用的温湿度测量仪器优势十分明显，操作简便易行，测量准确低误，同等价格能获得更高的性能，同时此测量仪器简化了硬件电路，测量结果更易阅读获取，能够很好的满足工艺要求以及功能要求。本论文主要内容需要以STC89C52作为控制器的基础，DHT11湿度传感器和温度传感器，DS1302、AT24C02分别为时钟模块、存储模块，而配备电位器的主要功能是对LED指示灯、按键等模块进行管理，在具体操作时，需要通过LCD12864显示温湿度，时间，日期、闹钟等组合为温湿度检测系统。从硬件部分看，主要包括LCD12864液晶显示模块、AT24C02存储模块、LED指示灯模块等内容。1.1设计背景和意义现阶段社会的发展带动了人民群众对高质量生活需求的不断提高，生活的精细程度成为了衡量高质量生活的一个重要指标。因此，人们在日常生活和生产中不断要求高效准确地检测和控制温湿度。与此同时，人工智能设备的快速发展与不断创新带动了温湿度监测的智能化发展和创新。如何让温湿度检测的精确度更高，让温湿度呈现方式的智能程度更高成为了我们达成温湿度测量目标的重要课题。在对比以往温度测量设备，例如水银温度计时可以明显看出该仪器在结果可读性、测量准确性和操作简便性上有明显的不足。而现阶段在湿度测量方面，通过干湿球显示法获取湿度数据的过程操作难度较高，数据可靠性较低。人工读取测量结果的方式本身也存在缺陷，因此必须克服人工误差，降低肉眼读数造成的不良影响。本论文内容中介绍的以STC89C52型单片机设计为核心控制器的多功能温湿度检测系统，对实时变化的环境温度与湿度具有极强的检测能力，并且有很好的准确度。将此系统应用到日常生活当中便可以帮助人们实时掌握环境的温湿度状态，在超出温湿度范围时能及时采取措施。对于大棚种植、花圃和花卉栽培这种对温湿度有要求的地方，对温度信息和湿度信息进行即时的监测就尤为重要。本系统就能适用于这些场景，能够满足温湿度范围调节的要求，并且为了体现“多功能”，本次设计中还加入了万年历以及闹钟的功能，可以观察时间以及设定闹钟。1.2设计目标从本系统的设计目标进行分析，希望能建立以STC89C52单片机为控制中心，融入温湿度检测、万年历显示等系统，在基础功能执行时，如下所示：（1）测量温度和测量湿度分辨力分别是0.1℃、1%;（2）系统允许误差范围为±0.5℃和±5%以内;（3）用户可通过按键来调节温湿度的上下限，当超出设定的阈值时系统将进行声光报警。（4）用户可以在LCD12864显示屏上看到当前的日期、对应的农历日期以及时间，并且能通过按键对其进行调整。（5）该系统还有闹钟的功能，设定闹钟时间只需要借助该系统按键即可完成，设定的时间一到，闹钟便会响起。当然开启或者关闭闹钟也能够借助按键完成。（6）该系统实时监测和采集环境的温湿度变化数据和时间数据，并通过液晶屏幕显示，便于记录者读数和记录。1.3本文创新点本文在结合前任的研究基础上以STC89C52型单片机设计为核心，设计出的温湿度能够实时检测出所处环境的温湿度并且精度较高。本系统在设计时扩展了可使用的场景。同时本次设计中还加入了万年历以及闹钟的功能。第2章系统总体设计方案2.1系统总框图本多功能数字温湿度计的硬件部分如下图所示。系统本身包括多个模组的内容：将STC89C52单片机作为主控制系统的核心，而温湿度监测系统、时钟模块、显示模块、存储模块的核心则分别选择DHT11、DS1302、LCD12864、AT24C02，同时配备了蜂鸣器、按键以及LED指示灯，使其能调节温湿度上下限、时间以及实现超出阈值时发出声光报警的效果。图2.1总体设计框图STC89C52单片机属于主控制器，能为温湿度监测系统提供支持，在DHT11温湿度传感器部分，可以将收集整理的温度、湿度信息，直接传达至单片机完成管理，再由单片机将DS1302初始化后，DS1302读取时分秒、星期以及年月日寄存器，接下来单片机把数据处理完成之后发送显示指令给液晶显示屏将数据显示出来。按键模块中的按键可以对温湿度上下限、日历、时钟以及闹钟进行检查和修正。2.2设计方案选择2.2.1单片机的选择方案一：AT89C52单片机是由美国ATMEL公司生产出来的，该单片机的运行电压很低，但运行性能却十分优秀，是一种类属CMOS型的八位单片机，整个器件所采取的技术是ATMEL公司所独有的存储技术，这种技术的密度很高，并且安全性很高，不容易丢失。单片机、MCS-51指令系统保持较好的兼容效果，单片机装置则可应用8位中央处理器（CPU），运行性能非常优秀，同时系统配置Flash存储单元，使得整体的功能十分值得称赞。此单片机内的8K程序存储器的制作方法采取的是FLASH，因为由FLASH工艺制得的单片机可以不要求高配的开发设备，更加高效的开发。除此之外，使用这种工艺所制得的单片机内部的程序可以进行加密操作，使得可以很好的保护开发出的产品不被破坏。与此同时，市面上常见的物美价廉的单片机有8031，而AT89C52的价格比这个价格还要低一些，在市场上被流通销售的数量也足够多，足以供给使用者的需求。AT89C52的系统是目前市面上最小的一种，应用系统在合理范围内被最大程度上的缩小，使整个系统的性能更加可靠，并且使得整个开发过程的成本大大降低了。如果整个程序的长度可以不超过8K，4个I/O口无论哪一个都可以提供给用户使用。在编程的过程中，采用的电压大小仅为五伏，擦写的时间也极短，仅为10ms。AT89C51芯片在筛选存储加密方式时，将三级程序作为主导，这是一种硬加密手段，这种加密方法不仅非常灵活，而且可靠性很强，在三级程序为主导的加密方式支持下，能提升程序和系统的稳定性，避免被恶意模仿。PO口则是独立的三态双向口，通常情况下我们将其称之为数据总线口，在选择取名时，是因为外部存储器行读写操作都需要以PO口进行输出。方案二：虽然说STC89C52这一系列的单片机所配备的指令系统的兼容性很强，兼容范围很广阔，可以和AT89C52系列的单片机达到非常完美的兼容状态，但是在实际操作应用过程当中，想达到这种状态是很难得的：（1）要想下载AT89C52就需要用下载器才能达到目的，简单的ISP是不行的。要想下载STC89C52，可以通过USB转串口来实现，如果还有软件的需求，还可以去STC厂家网上进行下载满足需求。（2）ATC89C52的执行速度不算缓慢，但STC单片机在对命令的执行速度这一方面明显更胜一筹，是前者的三倍到三十倍不等，虽然运行速度快本是一个好事，但是正因为两种单片机的运行速度不同，因此在ATC89C52上可以进行良好运行的程序在STC单片机上运行的并不顺利。举个很简单的例子，在运行过程当中，某些模块对于时序的要求是很高的，将程序从AT转到STC上后，就需要将延时加长，至于具体需要调整多少参数需要在实践中自己摸索调整。（3）STC与AT所能适应的工作环境是不同的，后者对于工作环境的要求更高于前者一些。在采用STC时，即使电压的大小已经低于五伏，STC还是可以正常进行运转的，但是这样的工作环境换给AT就是完全不可以的。因此如果在一个已经被应用了的系统由应用STC转为使用AT无法正常工作的话，就可以通过检查内部的工作电压来消除问题的所在。将以上提出的两种方案作出一个对比，在以往的学习中了解到了数字电路的原理，并进一步学习了单片机原理，基本掌握了C所涉及的技巧与能力，作为学生，所能得到了资源是相对有限的，将实际情况与问题需求相结合，将STC系列的芯片应用到本论文的设计中。不仅如此，学校为我们所提供的基础实验设施使得选择STC这一系列更加方便，成功率更高。在该系统中，主要的核心控制芯片采取的是STC89C52单片机，足以支撑整个系统及程序的运行，除此之外，价格更容易让人接受，也十分方便的就可以下载程序。2.2.2传感器的选择方案一：首先需要考虑测量温度这一部分，我们选择的是DS18D20温度传感器。这种温度传感器的接口方式非常特别，采用的是单线式。其所能测得的温度范围较为广阔，零下五十五度到一百二十五度，零下十度到85度都是可以的，误差范围也是可以接受的范围内，在±0.5摄氏度内，其最高精度能够达到0.0625摄氏度。其次需要考虑的就是湿度的测量问题。本论文设计所应用的HS1101电容式湿度传感器可以检测到更加广阔的环境范围，大致范围在0%RH到100%RH内波动，误差同样是可以接受的程度，在上下不超过2%RH之间。方案二：一体化取用温湿度传感器，若要以数字化的方式在显示温度的同时也一并显示湿度，我们可以应用DHT11传感器，因为其具有较好的集成属性。此种同时显示温度和湿度的传感器主要是将两种技术相结合，从而显示我们所需的结果，一种是数字模块的采集技术，一种是温湿度的传感技术，这能够保证传感器的性能非常稳定的发挥出来并且得到的数据是可靠的。完整的传感器由三个部分相连组成的，一是电阻式的感湿元件，二是NTC测温相关元件，三是性能受到普遍认同的8位单片机。正因硬件配备十分到位，该设备的品质十分值得夸奖，响应速度极快，不易受到干扰影响，综合下来，性价比非常高。它的测量范围在20%RH到90%RH，零度到五十度之间，湿度的误差上下不超过5RH，温度的误差上下不超过2摄氏度。和本次毕业设计所需的要求完全符合。综上所述，采取方案一虽然能使实验所得到的数据更加的精确，但是整个操作流程下来十分麻烦。方案二相比方案一虽然误差更大一些，但是已经足够满足本次设计所提出的需求了，而且整个操作过程以及实验过程都能够更方便一些，因此在本次设计中选择方案二进行试验。2.2.3显示器的选择方案一：静态显示方案，在制作静态显示模块硬件部分时相对复杂，并且产生较高的功耗，此时需要综合应用移位寄存器，但是需要确保不会对端口形成占用作用，并且需要在两根串口线的配合下完成输出。方案二：动态显示方案，由于动态显示模块硬件生产时相对简单和直接，所以可以直接在位扫描、段扫描位置配置独立端口，所以合计需要占据单片机14端口，以这样的方式进行处理，能降低模块的整体成本，控制功率损耗，调整硬件的系统体积，使硬件更为小巧。方案三:LCD方案，在使用LCD方案时能确保硬件生产的简单化，与单片机接口保持兼容性，展示更多样化的信息、保持较低的操作成本和功耗。在LCD方案使用时，单片机能呈现多个字符，但是缺点也相对明显，就是字符大小偏小。对比分析上述三个不同的方案和思路：方案一出现功耗偏高、体积偏大、操作复杂的特点；方案二出现功耗偏低、硬件操作简便的特点；方案三出现硬件简单化，能展示丰富内容，功耗和成本较低等特点。结合本系统对能耗、成本、体积、信息显示等多方面的需求，最终选用方案三，即LCD方案。2.2.4时钟芯片的选择方案一：以单片机定时计数器为基础向系统提供秒信号，通过程序的使用，确保获取年、月、日、时、分、秒等信息。在上述方案的配合下，能降低芯片的依赖性，控制整体的操作成本，然而对应的时间误差偏高，所以本方案不予采纳。方案二：以DS1302时钟芯片的方式进行时间显示，在功能上相对突出和稳定，可智能的对秒、分、时、日、周、月、年等进行显示，并且得到的结果十分准确，而RAM则作为数据暂存区，工作电压和2.5V时耗电范围分别是2.5V至5.5V、不高于300nA.2.2.5最终决定方案对比分析上述的方案，本系统设计确定如下思路：主控制系统、温湿度监测系统、时钟模块、显示模块核心分别选择STC89C52单片机、DHT11单片机、DS1302单片机、LCD12864单片机、AT24C02单片机，同时配备了蜂鸣器、按键以及LED指示灯。第3章软硬件系统设计3.1硬件电路设计STC89C52单片机作为系统设计的核心内容，能基于温度传感器、湿度传感器检测对应的数据信息，随后将改变LCD液晶显示屏操作，收集整理温湿度实时信息、时钟信息等。数字式温湿度传感器对应的DATA脚和STC89C52的P1.0口保持连接关系，时钟芯片则接入P1.1~P1.3接口。12864液晶显示屏连接在单片机的P2.5~P2.7口上。通过LCD12864将数值显示出来，在超过设定的阈值时会进行声光报警。能满足时钟信息展示，并且带有闹钟功能。通过按键，能调节温湿度的上下限；调节日期和时间；调节闹钟的时间以及闹钟的开关。采用DS1302时钟芯片、纽扣电池以及AT24C02芯片，设置报警值等信息，随后以掉电存储的方式进行处理。3.2软件部分设计图3.1计算阳历程序流程图当接通电源开始工作后，单片机程序逐步启动，随后完成DHT11初始化设定。在初始化后的DHT11环境温湿度则需要将检测数据保存在单片机内，此外DS1302所组成的寄存器可读取分秒、星期、年月日等信息，单片机把数据经过处理之后发送显示指令给12864液晶显示屏显示出来。按键模块中的按键可以对温湿度上下限、日历、时钟以及闹钟进行调整。图3.2系统流程图第4章系统调试4.1硬件测试因为本次论文中介绍的多功能温湿度计的电路系统的规模相比较之下比较宏大，因此，在对其进行焊接的过程中一定要十分仔细，一旦在焊接上出现了一处错误，就会影响整个系统的功能，严重的错误还会导致整个系统毫无反应。并且面对这么大的电路系统，错误的排查也是比较困难的，非常的费时费力。值得一提的是因为此系统中电路的交线情况复杂并且数量很多，导线外面的包裹材质较薄软，很容易被过于锐利的电路引脚刺破，从而引发短路，不能正常运作。所以说在焊接这一步骤上需要格外的仔细。4.2软件测试本次设计的温湿度计的功能多种多样，数字型可以看到当前的日期信息和具体时间，能自动换算农历日期，并且可以设置闹钟。因为功能比较多，因此设计所需的程序内容自然复杂一些,所以在程序的编译和编写上出现了许许多多难题。最终，反复操作错误排查，错误修改，将代码逐步的检查与完善，最终将编程部分的问题全部解决。以下是在编译和编写代码过程中遇到的几个比较大的问题：1．烧入程序后，温度显示85℃不变。解决：最重要的环节是检查确认硬件电路有没有出现虚焊和漏焊，接着排除程序编写错误的问题，最后检查发现是程序编写中存在失误，由于ds18b20的数据读写时间模块没有写上延时，导致留给温度的复位时间不足，所以导致了问题的产生。2．将日期修改后或者将时间修改后不能自动跳转到对应的农历。解决：首先把与农历内容无关的部分暂时屏蔽处理，防止干扰，抛开整个程序主体，讲子程序作为研究对象进行调试，经过不断的检查终于发现原来问题出在了调用农历的自动更新环节上，由于处理没有发现十进制以及十六进制处理过程中的问题，所以才在此处发生了一系列的错误。发现问题之后，我及时改正了进制编写上的问题，正确匹配了十六进制和十进制，软件测试恢复正常。4.3测试结果分析与结论4.3.1测试结果分析DS1302需要将数据和微处理器结合，完成信息交换，其过程如下，电路将通过微处理器接收命令字节，MSB(D7)则代表命令字节最高点，在发送过程中，它必须保证逻辑是1，当D7=0时，则不允许写DS1302，也就是写保护；如果D6=0，系统中的时钟数据固定，如果D6=1，RAM数据保持固定；当然，D5~D1也有其特定的功能，寄存器需要完成定向指定，这一工作就由其来实现；D5～D1则直接配置输入/输出寄存器；最低位LSB按照0逻辑进行操作，直接指向写操作，能完成系统的输入步骤，如果D0=1，此时指向读操作，也就是输出操作。DS1302时钟数据传输过程中，需要在内部提前做好准备工作，为命令字节发送提供基础，若输出字节是单字节，8位命令字节将保留在特定的位置，随后在SCLK周期中逐步提升至对应的位置，随后数据字节将进行内部传到，同时能在后续8个SCLK周期中，逐步将数据字节完成输出处理。DS1302和RAM在寄存器中划分2个类型：首先是单个RAM单元，在单个RAM单元中配置31个单元，以8字节单位组件单元组态，控制指令输出C0H～FDH，如果是奇数，此时可执行读操作，若输出为偶数，此时可实施写操作；然后是突发式RAM寄存器，在该模式下，RAM中的31个字节均开始独立读操作、写操作。备用电源B1需要重视和关注，此时使用电池、0.1F超级电容器等基本满足设计标准，从主电源掉电后的耗电情况看，DS1302与其他相比有所降低，然而由于始终需要在很长一段时间内保持正常运作的状态，所以小型充电电池最为合适。此时可基于老式电脑主板配置充电电池（3.6V），从断电周期看，一般会在几个小时或者几天直接完成，也可以选择漏电偏低的普通电解电容器直接取代。100μF支持下，即可保证1小时正常运动时间。DS1302在完成首次加电，要将整个部分初始化。完成初始化设定后，可以结合常规思路进行时间调整。4.3.2测试结论多次试验，我们收集了数据进行了深度的分析，进而掌握更全面的电路管理原理，熟悉电路的发展历程，促进电路分析能力、设计能力的提高。从软件编程的角度分析，对应的能力也有一定的改善，使以往所学的知识真正应用到了实践当中，得到了提升。通过对本系统的设计，可以实现实时检测当前环境下的温湿度参数值并显示出来，还可以调节温湿度的上下限，能较好地实现测量温湿度的目标，设计出来的仪器具有一定的适用性。第5章结论经过近两个月的奋斗，对一名渴求知识，渴求在所学领域不断成长的学生来说，无论是毕业选题、设计开题报告和准备答辩，还是设计电路图、选择所需元器件、焊接电路、调试软件等每一个过程都是不断打磨自己的过程。而本论文所呈现的设计思路是我在结合课程学习与论文文献之后，在单片机在数字温湿度计的设计和应用基础上，不断克服对陌生知识的学习恐惧，逐步熟悉和掌握单片机以及温湿度传感器理论知识和实践应用，一步步提高对C语言的编写软件的水平。考虑到本设计的组成部分为软件和硬件电路，我一方面尝试编写软件，并从零开始学习蓝牙通信模块以及如何调试手机串口，而后再根据程序设计硬件电路，但是由于对C语言的掌握程度不够导致后续的硬件电路设计存在一些问题。另一方面，在全身心投入这次毕业设计时，我发现自己的综合能力也得到了明显提升，我学会了高效的自学，学会了如何从发现问题到解决问题一步步实现自我提升，这是亲身实践与参与才能获取的知识。或许正是一次次的修改，一次次的调试，一次次的发现和解决问题才让我从一味依赖课本知识到逐渐学会用双手去触摸和探索，这正