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1、哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计题 目： 院 、 系： 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 年 月 日- I -哈尔滨理工大学学士学位论文基于无线传感器网络的温湿度监控系统的设计摘要现代各种检测都离不开环境监控，温湿度测量及控制技术广泛应用于气象监测、食品仓储、工农业生产、工业控制、科学研究以及日常生活当中，本课题在对国内外各种温度湿度传感器检测进行调研的基础上，提出了基于无线传感器网络的温湿度传感检测系统设计方案。本系统主要应用于档案室、博物馆，通过不同节点实时监控环境的温湿度。本课题设计以STC89C52单片机为核心，以DS18B20温度传感器，HS1101湿度传感器作为测量元件，
2、通过单片机进行控制，利用无线射频技术实现包括对数据的采集、处理、储存、显示、传输以及报警等功能，供工作人员浏览、记录和进行相关处理。本设计主要做了如下几个方面的工作：一是确定系统的总体设计方案；二是进行传感器和其它模块硬件电路设计；三是软件流程图的设计。本系统实现了对档案室环境不同采集点的温湿度实时监测和控制，在有线网络不通畅或由于现场环境因素的限制不便架设线路的档案室内，利用无线通信技术进行数据采集、传输显得更加高效，且具有抗干扰、低功耗、便于微处理器控制的特点，实现了环境温度检测的自动化和智能化。关键词:STC89C52；DS18B20温度传感器；HS1101湿度传感器Design of
3、temperature and humidity monitoringsystem based on Wireless Sensor NetworkAbstractKeywords 不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- II -哈尔滨理工大学学士学位论文目录摘要IAbstractII第1章 绪 论11.1 课题背景11.2 课题研究的意义11.3 温湿度传感器技术的现状及发展趋势21.4 无线传感器网络的国内外发展现状31.5 本课题研究的主要内容4第2章 系统方案设计52.1 总体方案设计52.2 元器件的选择62.2.1 单片机的选择62.2.2 温度传感器的选择72.2.3 湿度传感器
4、的选择82.2.4 NRF24L01无线收发模块92.3 本章小结10第3章 硬件电路的设计113.1 微处理器113.1.1 STC89C52的引脚具体介绍113.1.2 晶振电路123.1.3 复位电路123.2 温度采集电路设计133.3 湿度采集电路设计163.4 液晶显示及报警电路183.4.1 LCD1602液晶显示183.4.2 报警电路193.5 电源模块203.6 无线模块203.7 本章小结21第4章 软件设计224.1 主程序流程图224.2 温度模块程序设计224.3 湿度模块程序设计234.4 显示子程序设计244.5 按键模块程序设计254.6 无线收发模块程序设计
5、264.7 报警子程序274.8 本章小结28结论29致谢30参考文献31附录A 程序33附录B 原理图和仿真图41附录C 英文原文43附录D 中文翻译49千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- 58 -第1章 绪 论1.1 课题背景温度、湿度是非常重要的物理参数，与人们的生产生活密切相关。温湿度测量及控制技术广泛应用于气象监测、食品仓储、工农业生产、工业控制、科学研究以及日常生活当中。目前市场上的温湿度监测系统多采传统的有线方式，必须在采集现场铺设大量的线缆用于传感器供电、信号传输
6、以及数据采集。近年来，无线通信、微电子技术、传感器技术以及嵌入式计算等技术的不断进步，推动了低成本、低功耗无线传感器网络的发展，促使无线传感器网络成为当今活跃的研究领域1。无线传感器网络由具有感知能力、计算能力和通信能力的大量微型传感器节点组成，强大的数据获取和处理能力使得其应用范围十分广泛。基于需要监控的参数为温度、湿度两个物理量，因而设计低成本、低功耗、高可靠性、高安全性的无线传感器网络技术的检测系统是有必要的。无线传感器网络可监控室内不同点位的数据，通过传感器节点将环境监测所需的信息方便快捷的传到计算机。比如在档案室、图书馆等场所布置大量的传感器节点，并通过计算机监控和现实相关参数，同时
7、实现上下限报警，控制空调等功能。这种监测系统有效地解决了传统有线方式的信号线，控制线，电源线混杂在一起，系统运行时，容易受到传输距离、电磁干扰等因素的影响而变的不稳定，尤其是在测量点数较多或通信距离较远时，系统的不稳定因素会变得更加严重等问题。1.2 课题研究的意义温、湿度是人们日常生活中接触最多的两个物理量，人们的日常生活、动植物的生存繁衍和周围环境的温湿度息息相关，石油、化工、冶金、纺织、机械制造、航空航天、制药、烟草、档案保管、粮食存储等领域对温、湿度也有着较高的要求2。例如：烟叶和纸张是吸湿性极高的材料，卷烟生产的每一个阶段对温、湿度都有非常特别的要求，以确保所使用材料的水分，保证生产
8、的效率和产品质量；印刷车间的温、湿度控制水平对印刷质量有很大的影响；为防止库存武器弹药、金属材料等物品霉烂、生锈，必须保持环境温度不能过高和干燥；而水果、种子、肉类等的保存又需要保证一定的湿度；在矿山、棉麻、塑料、粉末金属、食品生产加工等企业的生产车间（环境）中往往会产生大量的可燃或易燃粉尘，如果空气湿度过低，在一定的能量下，极易发生粉尘爆炸。随着科学技术的发展，许多新兴产业对环境提出了更高的要求：制造大规模集成电路需要极高的空气洁净度，生物化学制药需要精确的温湿度控制。因此，对温、湿度的监测和控制已成为生产过程中非常重要的技术要求。温、湿度检测与控制技术被广泛应用于人们的日常生产和生活当中，
9、传感器无疑是测量与控制系统中重要的组成部分。但是伴随传感器而来的是大量的数据线缆。众多的线缆不仅带来布线复杂的不便，而且存在着短路、断线隐患，成本高、易老化，错综复杂的线路还给系统的调试和维护增加了难度。同时对于一些临时使用的传感器，搭接线缆十分不便。因此，寻找一种便捷的、能够满足数据通信要求的无线通信技术，以解除线缆搭接复杂的困扰，成为一个亟需解决的问题。无线通信技术与有线通信技术相比，有成本低、携带方便、不必穿墙钻孔布线、搭建网络简单快捷等优点。特别是在有线网络不通畅或由于现场环境因素的限制不便架设线路的情况下，使用无线通信技术进行数据采集、传输显得更加实用、高效、快捷。随着微处理器以及微
10、电子技术的发展，数字设备以其抗干扰、功耗低、便于微处理器控制的特点，逐渐成为测控系统中的主流。本课题将传感器技术和新兴的无线通信技术结合，力图以现场设备的无线化来解决由线缆带来的诸多问题。1.3 温湿度传感器技术的现状及发展趋势在后工业化时代，信息技术对社会的发展及科技的进步起了决定性作用，传感器技术、通信技术、计算机技术构成了信息技术的三大支柱。传感器技术是2l世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键3。从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。我国从
11、20世纪80年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术必将得到较大的发展4。传统的温度测量是从金属(物质)的热胀冷缩开始。水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。可是它的缺点是只能近距离观测，而且有毒。代替它的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低。在电气时代主要发展了金属热敏电阻。如铜电阻、镍电阻、铂电阻等，它们的特点是稳定性好、耐高温，如铂电阻有的可达六、七百度。但它们的缺点是灵敏度低，当传输线路长短不等时，需要进行温度补偿。近年发展起来的有PN结测温器件。这类器件的优点是在
12、-50+150范围内有良好的特性，体积小、响应时间快、价格低。但它的缺点是一致性差、不易做到互换，而且PN结易受外界幅射的影响，稳定性难以保证。石英晶体温度检测器的测量精度较高，一般可检测到0.001，可作标准检测之用。光纤传感器技术是本世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种5。检测精度在1以内，测温范围可以从绝对0+2000。国外在湿度传感器研制方面起步较早，目前日本、德国、美国处于国际领先地位，测量范围可实现全湿范围测量，且精度可达到2%RH。近几年，国外湿度传感器有了较大的发展，特别是电阻式湿度传感器发展更快，人们不仅在电阻式
13、陶瓷湿度传感器特性方面做了大量工作，而且在高分子电阻式湿度传感器上做出可喜的研究成果，这种传感器稳定性好、精度高、响应特性优，这是应当引以重视的技术动向6。根据工业自动化控制的需要，国内外正在开展新一代湿度传感器的研制与开发。随着大规模集成电路技术和光通信技术的发展，信息的传输、处理技术有了突破性的进展，发展相对滞后的传感器技术业已得到全世界的普遍重视。因此，今后一个时期传感技术将成为人们研究的新热点，并有可能形成较大产业。传感器技术未来将向以下几个方面发展：高精确度。为了提高测控精度，必须使传感器的精度尽可能地高；小型化。很多测试场合要求传感器具有尽可能小的尺寸；多功能集成化。研究多功能集成
14、传感器是传感器发展的一个重要方向。有两种类型。一种是将传感器、放大器及温度补偿电路等集成在同一芯片上，减小体积，增强了抗干扰能力。另一种是在一个芯片上集成多种功能敏感元件或同一功能的多个敏感元件。例如温湿度一体化传感器，一个芯片可同时检测温度和湿度；数字化。为了使传感器与计算机直接接口，致力于数字式传感器研究是很重要的；智能化。这种传感器一般是计算机与传感器相结合的复杂系统。它兼有检测、信息处理、推理、联想和控制等各种功能，重点是具有逻辑功能，是传统传感器无法比拟的。智能传感器的出现将是传感技术中的一次飞跃。1.4 无线传感器网络的国内外发展现状Wi-Fi是基于IEEE 802.11标准的无线
15、网路产品之间的互通性的无线网路通信技术，其特点为网络布置比较容易，数据传输速率高，应用范围非常广，功耗高，可靠性及安全性的相对较低，移动性差。蓝牙技术特点为传输距离较短，系统成本高，集成度大，节点少。超宽带技术的耗较低以及发射机和接收机的复杂度不高。红外线数据通信充分体现了移动终端所要求的小体积、低功耗、低成本等优势，其最大的缺点就是只能两台设备同时进行通信，限制了它的应用范围。Zigbee技术的低功耗，低传输速率，高连接设备数十分适合无线传感器网络的大规模组网，蓝牙技术虽然在传输速率上远高于Zigbee，但功耗和连接设备数的缺陷使得其并不适合应用于大规模的无线传感器网络中，而适合于个人设备的
16、互联。UWB技术实现了低功耗条件下的高速率传输，但目前只能点对点传输，欠缺组网能力，而且其产品化还处于起步阶段，并没有得到大规模的实际应用。在2.4GHz非授权频段上,目前已经云集了蓝牙、Wi-Fi、Zigbee等多个标准无线协议。具有带宽高（2Mbps），双向传输，抗干扰性强，传输距离远（短距离无线技术范围），耗电少的优点，用于无线键鼠等室内场合7。Nordic公司等公司已成功推出nRF24L01芯片，2.4G全球开发ISM频段免许可证使用。同时许多公司也相继推出基于nRF24L01的无线传输模块。nRF24.L01模块是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz2.5GHz ISM频段。
17、内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。至此这种基于此频段的通信方式已日渐趋向成熟。无线传感器网络可用于气象和地理研究，土壤空气变更监视、珍稀濒临野生动植物种群追踪研究、地质结构变化测量研究等。这些被密集布置在丛林中的传感器节点，能够在不破坏生态环境的同时，实时监测动植物生长复杂的微观环境因素，为科研人员研究生物行为提供科学准确的数
18、据信息。无线传感器网络在军事科技及民防国防、自然生态环境观测、古建筑及文物保护、灾害预警及灾难救援、健康监测及医疗护理、工业自动控制与检测、空间探索、智能家居、智能交通流量监控、智能电力系统、精准农业及水利等诸多领域存在广泛的应用前景和潜在的市场研发价值。在现阶段成熟技术的基础上，以下系统已成功地得到应用8。其理论研究一直是国际信息领域的关注热点，其应用研究更是成为各大无线传感器产品生产厂商的竞争焦点。1.5 本课题研究的主要内容由于一般博物馆，档案室的空间相对比较大，布置大量的数据线监控环境数据影响美观的同时又会带来安全隐患，针对这样的特殊环境，综合整理的相关资料，提出设计一种无线温湿度监控
19、系统，有效解决布线困难等问题，并可以实时监控数据。本设计中采用STC89C52单片机，利用温度传感器DS18B20、湿度传感器HS1101进行温湿度测量，并通过LCD1602显示，如若温湿度超过设定上下限利用蜂鸣器进行报警，并将数据通过无线模块发送到上位机进行监控。实现了以下功能：(1) 档案室的温度、湿度实时测量功能。(2) 将测量到的温、湿度通过液晶屏显示。(3) 利用开关键设置温度、湿度的报警值。(4) 实现温度、湿度超限报警功能。第2章 系统方案设计2.1 总体方案设计(1) 系统功能实现对环境温度参数的实时采集；由单片机对各路数据进行循环检测，数据处理，储存并显示；实现超限的及时报警
20、；检测系统应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力。通过无线传输模块，实现在档案室不同地点的温度、湿度检测并将数据通过无线收发模块上传到上位机。(2) 技术指标测温范围：-20 100；测湿范围：0100%RH；测温精度：0.5；测湿精度：5.0%RH(3) 系统组成框图系统主要有温度测量模块、湿度测量模块、显示模块、报警模块、无线收发模块，系统组成框图如图2-1所示。图2-1 系统组成框图将数字温度传感器DS18B20采集得到的数据和湿度传感器HS1101采集到的数据传输到单片机AT89S52的信号输入端口。单片机将数据传递到LCD1602屏上进行显示，并判断是否超过设置上下限（温度范围14-
21、28，相对湿度范围45-60%RH）如超过则蜂鸣器报警，同时将温、湿度数据通过无线发射模块传到上位机进行监控。2.2 元器件的选择2.2.1 单片机的选择STC89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RA
22、M，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式9。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。单片机实物图如图2-1所示。单片机的主要特性如表2-2所示。图2-2 单片机实物图表2-1 STC89C52主要特性主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bi
23、t内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能2.2.2 温度传感器的选择本设计中温度传感器之所以选择单线数字器件DS18B20，是在经过多方面比较和考虑后决定的，主要有以下几方面的原因：测温范围为-55+125，测温精度为士0.5；可以通过数据线供电，具有超低功耗工作方式。由于计算机技术和微电子技术的发展，新型大规模集成电路功能越来越强大，体积越来越小，而价格也越来越低。由于DS18B20是单总线器件，测温时无需任何外部元件，因此，与模拟传感器相
24、比，可以大大减少接线的数量，降低系统的复杂度，减少工程的施工量。使测温系统的线路结构设计和硬件开销大为简化。由于引线的减少，使得系统接口大为简化，给系统的调试带来方便。同时因为DS18B20是全数字元器件，故障率很低，抗干扰性强，因此，减少了系统的日常维护工作。DS18B20相对于其他温度传感器有以下几方面特征。独特的单引线接口仅需一个端口引脚进行通讯，每个期间有唯一的64位的序列号存储在内部存储器中，简单的多点分布式测温应用，无需外部器件，可通过数据线供电。供电范围3.0V到5.5V，测温范围为-55+125，在-10+85内精度为5，温度计分辨率可以被使用者选择为912位，最多在750ms
25、内将温度转化为12位数字，用户可定义的非易失性温度报警设置，报警命令识别并标志超过程序限定温度的器件。DS18B20芯片封装结构如图2-3所示。图 2-3 DS18B20的芯片封装结构2.2.3 湿度传感器的选择HS1101电容传感器，其工作原理是空气中的水分子透过多孔金电极被感湿膜吸附，使得两电极间的介电常数发生变化，环境湿度越大，感湿膜吸附的水分子就越多，使湿度传感器的电容量增加得越多，根据电容量的变化可测得空气的相对湿度。涉及如何将电容的变化量准确地转变为单片机易于接受的信号，采用将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被单片机所采集。 HS
26、1101电容传感器有以下几个显著特点10。(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，包括波峰焊或水浸(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范围内；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。其湿度电容响应曲线如图2-4所示，湿度传感器的产品图片如图2-5所示，HS1101湿度传感器常用参数如表2-2所示。 20 40 60 80相对湿度%RH 图2-4 HS1101 湿度
27、电容响应曲线图2-5 HS1101产品实物图表2-2 HS1101常用参数参数符号参数值单位工作温度Ta-40100储存温度Tstg-40125供电电压Vs10Vac湿度范围RH0100%RH焊接时间=260T10S2.2.4 NRF24L01无线收发模块NRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。NRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA；接收时，工作电流只有12.3 mA
28、，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。实物图如图2-6所示。NRF24L01主要特性如下11：(1) GFSK调制 (2) 硬件集成OSI链路层(3) 具有自动应答和自动再发射功能(4) 片内自动生成报头和CRC校验码(5) 数据传输率为l Mb/s或2Mb/s(6) SPI速率为0 Mb/s10 Mb/s(7) 125个频道(8) 与其他nRF24系列射频器件相兼容(9) QFN20引脚4 mm4 mm封装(10) 供电电压为1.9 V3.6 V通过配置寄存器可将NRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表2-3所示。表2-3 NRF24L01四种工
29、作模式模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TX FIFO 寄存器中发射模式1010停在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TX FIFO 为空待机模式11-0无数据传输掉电0-2.3 本章小结本章首先是介绍了总体方案的设计，包括系统要实现的功能，系统要达到的技术指标和系统的组成框图，系统的组成框图中明确的注明了系统各部分使用的传感器和实现系统功能所需的模块。针对系统方案的整体构思选择51单片机作为微处理器，DS18B20温度传感器为温度采集的感温元件，湿度采集则使用HS1101湿度传感器，并对传感器进行了相应的介绍，也对实现无线传感器网络
30、的NRF24L01芯片进行了介绍和说明。第3章 硬件电路的设计3.1 微处理器单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机。目前，可用于51系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。单片机最小系统是在以AT89S52单片机为基础上扩展，使其能更方便地运用于测试系统中，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被测试的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。3.1.1 STC89C52的引脚具体介绍STC89C52系列单片机
31、是新一代高速低功耗超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机。STC89C52单片机的外形结构为40引脚双列直插式封装，其外部管脚如图3-1所示，STC89C52外部管脚如图3-1所示。图3-1 STC89C51外部引脚图STC89C52的引脚含义具体介绍如下：1. 主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线2. 外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端3. 控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/
32、PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。4. 可编程输入/输出引脚（32根）STC89C51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin
33、10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.73.1.2 晶振电路MCS-51单片机片内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器， 引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器或陶瓷谐振器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。3.1.3 复位电路单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。MCS-51系列单片机的复位引脚RST上只要出现10ms以上的高电平，单片机就实现复位。硬件电路如图3-2所示。图3-2 单片机最小系统
34、3.2 温度采集电路设计DS18B20的测温原理如图3-4所示。低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减
35、到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度12。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，提高测量准确制度。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。DS18B20的内部结构如图3-3所示：斜率累加器预置减法计数器减至0减法计数器高温度系数振荡器低温度系数振荡器温度寄存器减至0预置计数比较器图3-3 DS18B20内部结构图图3-4温度测量原理电路DS18B20主要
36、由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20有4个主要的数据部件：光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以
37、0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。表3-1为不同温度对应的二进制和十六进制数。表3-1 DS18B20温度数据表温度DIGITAL OUTPUT(Binary)DIGITAL OUTPUT(Hex)+1250000 0111 1101 000007D0h+850000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00010191h+10.1250000 0000 1010 001000A2h+0.50000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 00000000h-0.51111 1111 1111 1000F
38、FF8h-10.1251111 1111 0101 1110FF5Eh-25.06251111 1110 0110 1111FF6Eh-551111 1100 1001 0000FC90hDS18B20温度传感器的存储器：DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。配置寄存器：该字节各位的意义如表3-2所示。表3-2 配置寄存器结构TMR1R011111低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。
39、R1和R0用来设置分辨率，如表3-3所示（DS18B20出厂时被设置为12位）： 表3-3 分辨率设置R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750msDS18B20可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1脚接地，2脚作为信号线，3脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，单片机端口接单线总线。采用寄生电源供电方式是VDD和GND端接地。DS18B20与单片机接口电路如图3-6所示，图中，DS18B20的I/O端口DQ通过一个4.7k的外部上拉电阻与单片机连接。本设计中DS18B20采用外部电源方式供电，故
40、GND接地。图3-6 DS18B20与单片机接口电路3.3 湿度采集电路设计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大。如何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：一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，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；另一种是将该湿敏电容置于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，可直接被计算机所采集。NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电路可达200mA。在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两
41、个外接电阻和一个外接电容确定；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，它可以延时数微妙到数小时。其工作电压范围为：4.516。硬件电路如图3-7所示。图3-7 HS1101和NE555连接电路把HS1101和NE555同时接入电路中的电路设计原理图如图3-6所示。NE555电路功能的简单概括为：当6端和2端同时输入为“1”时，3端输出为“0”；当6端和2端同时输入为0时，3端输出为“1”时；在此电路中，555定时器正是根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号的13。当电源接通时，由于6和2端的输入为“0”，则定时器3脚输出为“1”；又由于两端电压为0，故通过R4和R5对
42、充电，当两端电压达到时，定时电路翻转，输出变为“0”.此时555定时器内部的放电BJT的基极电压为“1”，放电BJT导通，从而使电容通过R3和内部放电BJT进行放电，当两端电压降低到时，定时器又翻转，使输出变为“1”，内部放电BJT截止，又开始通过R4和R5对充电，如此周而复始，形成振荡14。其工作循环中的充电时间为：放电时间为：输出脉冲占空比为：式中： 表示一次循环输出高电平时间，单位（s） 表示一次循环输出低电平时间，单位（s）表示相对湿度下HS1101的容值，单位（F）为了使输出脉冲占空比接近50%，R4应远远小于R5。当外界湿度变化时，HS1101两端电容值发生改变，从而改变定时电路的
43、输出频率。因此只要测出555的输出频率，并根据湿度与输出频率的关系，即可求得环境的湿度。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，典型频率湿度关系如表3-3所示（参考点：25，相对湿度：55%，输出频率：6660Hz）15。由此可以看出，空气相对湿度与555芯片输出频率存在一定线性关系。可以通过微处理器采集555芯片的频率，经过数据处理可以直接以相对湿度的数据进行显示。相对湿度与频率的关系如表3-4所示表3-4 相对湿度与频率的关系相对湿度值/%输出频率值/Hz相对湿度值/%输出频率值/Hz073516066001072247064682071008063303069769061
44、8640685310060335067283.4 液晶显示及报警电路本系统需要将测得的温度值和湿度值显示出来，并判断其是否超出温湿度的上下限，若超出，则需要报警。3.4.1 LCD1602液晶显示1602液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、位数多、程序简单的诸多优点，颇受欢迎16。在本系统中使用的是字符型两行16字液晶显示器。在与单片机连接时使用接口电路（排针）相连，为并行通信。1602液晶显示采用标准的16脚接口，其中引脚功能如表3-5所示。表3-5 1602引脚功能表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data 1/02VDD电源正极10D3Data 1/
45、03VL液晶显示偏压信号11D4Data 1/04RS数据/命令选择（H/L）12D5Data 1/05R/W读/写选择端（H/L）13D6Data 1/06E使能信号14D7Data 1/07D0Data 1/015BLA背光源正极8D1Data 1/016BLK背光源负极1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了不同的点阵字符图形，这些字符有，阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，其中数字与字母同ASCII码兼容。1602与微处理器的连接电路如图3-8所示。图3-8 LCD1602与单片机连接电路3.4.2 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记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，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。本设计采用蜂鸣音报警电路。蜂鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过单片机的1根口线经驱动蜂鸣器发