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1、 基于单片机的室温湿度监控系统毕业论文目 录前 言- 1 -第一章 绪论- 2 -第一节 温湿度监控技术的研究背景- 2 -第二节 温湿度监控技术的研究现状- 3 -一、温湿度监控系统的研究现状- 3 -二、国研究现状- 3 -第三节 单片机历史- 4 -本章小结- 5 -第二章 系统方案设计- 6 -第一节 总体方案与框图- 6 -第二节 系统流程与功能- 6 -本章小结- 7 -第三章 系统硬件设计- 8 -第一节 微处理器- 8 -一、51单片机的主要特性- 8 -二、STC89C51的引脚介绍- 8 -三、STC89C51的最小系统- 10 -第二节 温度测量电路的实现- 10 -一、
2、温度传感器的选择- 10 -二、DS18B20介绍- 11 -三、温度测量电路- 12 -第三节 湿度测量电路的实现- 13 -一、湿度传感器的选择- 13 -二、HS1101的性能特点- 13 -三、湿度测量电路- 14 -第四节 显示与报警- 16 -一、显示方案的选择- 16 -二、LCD1602以与应用- 16 -三、报警电路- 18 -第五节 按键电路设计- 18 -第六节 复位电路- 19 -第七节 振荡电路- 20 -本章小结- 20 -第四章 系统软件设计- 21 -第一节 程序开发环境与设计原则- 21 -第二节 主程序流程图- 21 -第三节 温度模块程序设计- 22 -第
3、四节 湿度模块程序设计- 23 -第五节 显示子程序设计- 23 -第六节 按键模块程序设计- 24 -本章小结- 25 -第五章 系统的仿真与实现- 26 -第一节 Proteus仿真- 26 -第二节 系统的实现- 27 -本章小结- 29 -结 论- 30 -致 谢- 31 -参考文献- 32 -附录- 33 -一、英文原文- 33 -二、英文翻译- 38 -三、电路设计图- 42 -四、源程序- 43 - 55 - / 57前 言室温湿度监控系统广泛应用于社会生活的各个领域，适用于家电、食品、汽车、材料和电力电子等行业。随着科技水平的提高，温湿度监控系统作为实现设备小型化，智能化和自主
4、知识创新的重要元素，目前在国防、航空、交通、能源、工业、通信和人们的日常生活等各个领域，越来越发挥着极其重要的作用，对传感器技术要求越来越高，需求越来越迫切。床干起技术已称为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理与特性是非常重要的。传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号。使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响整个系统的性能。因此，不仅必须掌握它的原理构造，还必须懂的传感器经过适当的接口电路调试才能满足信号的处理、
5、显示和控制要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。此外，传感器的被测信号来自各个领域，每个领域都为了改革生产力、提高工作效率，各自都在开发研制适合应用的传感器，温湿度传感器是其中最重要的一类传感器，其发展速度之快，以与其应用广泛，并且还有很大的潜力。此次设计是室温湿度监控系统，应用性较强，以STC89C51单片机为核心，结合温湿度传感器采集信号来完成整个监控系统的设计。本设计充分完整的完成了各个硬件电路的设计和软件等各个子程序的相互结合和设计，提出了一种安全实用的室温湿度监控系统。适合任何室
6、温湿度系统的监控，比如粮仓、储藏室、机房、蔬菜大棚、军用重地以与其他的一些室场所，该系统具有操作方便，控制灵活等优点，极大的满足了室温湿度监控系统的要求和设计。第一章 绪论随着近些年科技的不断发展和进步，很多的领域对温湿度监控的要求越来越高，而且监控围越来越广，因此，对温湿度监测技术的要求也随之越来越高。现在的温湿度监控系统已经应用于很多不同的地方，如实验室温湿度监控、储藏室温湿度监控、大棚温湿度监控、粮仓温湿度监控以与其他重要的室场所等。在不同的场合下对温湿度监控系统的要求也不相同，要求的精度也越来越高。第一节温湿度监控技术的研究背景温湿度是一个基本的物理量，它是工业生产过程中嘴普遍、最重要
7、的工艺参数之一。随着工业的不断发展，对温湿度测量的要求也越来越高，而且测量围也越来越广。因此，对温湿度检测技术的要求也越来越高。随着科技的不断发展，温湿度检测技术也不断进步，目前的温湿度监测使用的温湿度监测计种类繁多，应用也比较广泛，大致包括以下几种方法：（1）利用物体热胀冷缩的原理制成温湿度计利用原理制成的主要有双金属温湿度计、压力式温湿度计、玻璃温湿度计等，其中双金属温湿度计在现在各个领域应用比较广泛。（2）利用热电效应技术制成温湿度检测元件利用此技术制成的温湿度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便和测量围广等优点。（3
8、）利用热阻效应技术制成温湿度计用此技术制成的温湿度计大致可以分为电阻测温湿元件、导体测温湿原件、陶瓷温湿敏原件。（4）利用热辐射原理制成的温湿度计热辐射温湿计常分为两种：一种是单色辐射温湿计，一般称为光学温湿计；一种是全辐射高温计。它的原理是物体吸收热辐射之后，视物体本身的性质，能将它吸收、透过或反射。第二节温湿度监控技术的研究现状一、温湿度监控系统的研究现状自70年代以来，由于工业控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅速发展以与自动控制理论和设计的推动下，国外温湿度监控系统发展快速，并在智能化，参数自整定等方面取得成果，在这方面，日本、美国、德国、瑞典等国已经走到了世界前列，掌握了领
9、先的技术，并且都已经生产出了一批商品化的、性能优异的温湿度监控器和仪器仪表，在各行业广泛应用。其特点是适应于大惯性、大滞后等复杂的温湿度监控系统，具有参数自定功能和自学功能，即温湿控制对象，参数以与特性进行自动整定，并根据历史经验以与控制变化的情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。温湿度监控系统具有精度高、抗干扰能力强等特点。目前，国外温湿度监控仪表正朝高精度、智能化、小型化等方向发展。二、国研究现状我国对于室温湿度监控技术的研究与应用起步比较晚，主要为实验室、储藏室和大棚温室等。我国工程技术人员在吸收发达国家温湿度监控技术的基础上，才掌握了人工气候室微机监控技术，该技术仅限于温
10、湿度和CO2浓度等单项环境的控制。我国室设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用性、综合性过渡和发展。在技术上，一单片机控制的单参数回路最常见，尚无真正意义上的多参数综合监控系统。与发达国家相比，存在较大差距。近几年随着现代科技的发展，电子计算机已用于监控室环境。监控系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。先编写出最正确的室温湿度管理子程序表，存放在单片机或者电子计算机的记忆装置之中，单片机或者电子计算机再根据程序表确认、修正各室温湿度值以与各点的参数，然后送到终端控制系统的执行指令。终端控制器会与时向中央控制器输送检测到的有效信息，再根据中央控制器承受到的指令输出控制
11、信号，这时电气设备会接收到最终的信号并且执行各自的功能，从而准确的实现室环境的调节。该种系统可以达到自动控制降温、除湿、通风。根据各室环境的不同需要，也可以通过按键将所需要的其他信息直接输入到中央管理装置，在不同的环境条件下可以快速的调节室温湿度的变化值。（1）广泛采用新技术、新工艺随着单片机的不断发展和完善，许多新的技术被用到温湿度监控领域。比如，由美国公司制造且基于MODBUS-RTU协议的温湿度传感器SLSM1010，是一种实用型的在线监控温湿度传感器，本模块可用于SMT行业温湿度监控、电子设备厂温湿度监控、粮仓温湿度监测、药厂GMP监测系统、环境温湿度监控、电信机房温湿监控、其它需要监
12、测温湿度的各种场合等。由于其自带大容量控制能力，可以直接控制大负载的设备。SLSM1010A温湿度传感器能让SHT11/15在原有性能的基础之上同时兼有变送器的功能，很利于实现系统的集成。Honeywell公司生产的HIH3610型温湿度传感器是一种能在高温，有化学气体或液体的环境下正常工作的高性能传感器，可以测量羊圈、猪舍和鸡棚等场所中有害气体的相对温湿度。HIH3610 芯片之所以在安装的时候不容易损坏，是因为其芯片表面涂有一层亚硝酸盐钝化层起到了非同小可的保护作用。（2）提高测量精度和分辨力目前，许多精度较高且分辨率强的温湿度传感器在国推出SHT11/15传感器的测量围在0100，最高精
13、度为2RH分辨力达到了0.03RH。在测量温度的时候A/D转换器位数达12位，湿度达到14位。A/D转换器芯片功耗小和测量速率高的特点是因为它采用了降低分辨率的方法设计而成。SHT11/15型传感器适用于各种单片机的特点，而且它的响应快、互换性好，经常被用于一些很重要的场所。（3）增加测试功能新型温湿度传感器的测试功能随时代的发展也在不断增强。有些智能温湿度传感器增加了256字节的实时日历时钟（RTC）存储等功能。比如DS1629和DS1624型单线智能温湿度传感器，使其部功能更加强大和完善。另外，智能温湿度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温湿度测控系统创造了良好的条件
14、。第三节 单片机历史单片机产生于20世纪末，简单的说它就是把中央处理器、储存器、输入输出接口和定时/计数器集中在一个芯片上的一种微型计算机。经过几十年的迅速发展，现在应用领域很广泛。人们都喜欢追求价格低，性能好的产品，单片机正是因为具有即单体积小、抗干扰能力强、应用方便、价格低廉、灵活性好等优点深受人们喜爱。单片机中的大部分功能部件都来源于微型计算机，其工作的原理也基本一样，因此单片机虽然也是属于微型计算机的一种，但其具体结构和处理的方法也是有所不同的。我们知道，微型计算机由微处理器CPU、存储器、I/O接口三大部分通过总线有机的连接在一起，各种外部设备通过接口与微型计算机连接。各个部分部件分
15、开，功能强大。单片机是应测控领域的需要而诞生的，在生活中用途很广。它在温馨计算机的基础之上又增加了许多新的性能在主芯片上集成了大部分功能部件。另外，还在外部设计了各种转换器以与调制接口，极为方便。现在一部分单片机已经把A/D、D/A转换器与HSO、HIS等外设集成在单片机中以增强处理能力。此外，单片机的多机应用也很广泛，主要用在一些大型的自动化控制，这时整个系统分成多个子系统完成各个子程序的实现。单片微机计算机是随着1971年的Intel公司制造的世界上第一块微处理器芯片4004出现而出现的，并且单片机的发展非常迅速，在其发展期间，相继出现了单片机4位、8位、16位、32位等具有代表性的单片微
16、机计算机。第一代：1975年美国德克萨斯仪器公司首次推出了4位单片机TMS-1000，紧接着其他国家也在次单片机的基础之上经过不同的扩展和研发相继推出了自己的4位单片机，国的主要是COP400系列的单片机，性能还不是很完善。第二代：美国Intel公司推出8位单片机的出现。如Fairchild公司的F8系列、ZILOG公司的Z8系列、Motorola公司的6801等系列。第三代：1983年以后一个更高性能的单片机问世，它就是，16位的单片机的出现，它的出现把整个单片机的性能推向了一个新的发展阶段，可以说是单片机的一次改革，它的部可以集成了多个CPU接口以与并串行接口，如MCS-96系列、HPC1
17、6040系列和783XX等系列。第四代：近年来，各个计算机厂家相继推出了更高性能的32位单片机，但在测控方面的应用还不够成熟，因此，32位单片机的应为很少。本章小结本章主要对温湿度监控技术的研究背景和现状做了充分详细的表达，同时也对我国国温湿度监控技术和国外进行对比，并且对单片机的发展历史做了介绍。第二章 系统方案设计第一节总体方案与框图本系统采用STC89C51单片机作为微处理器，DS18B20作为温度传感器对温度进行监测，HS1101作为湿度传感器与NE555组成湿度测量模块，采用蜂鸣器实现报警功能，使用LCD1602对测得的温湿度值进行显示，使用按键对温湿度的设定值进行修改。根据此设计系
18、统的总体功能，将其划分为以下几个功能模块：温度信号采集电路、湿度信号采集电路、按键、LED显示以与报警系统组成，整个系统的构成如图2.1所示。ST 单C8 片9C 机51LED显示温度测量报警湿度测量按键图2.1系统总体框图第二节 系统流程与功能本设计可分为三个阶段，即分析阶段，设计阶段和实现阶段。分析阶段：为本设计的开始，即作为系统设计的准备阶段以与本设计会涉与到那些元器件和知识，大体上要有一个思路，并初步的确定系统的整套设计方案。设计阶段：在已经分析好的基础之上开始着手系统的总体设计，包括系统硬件部分的设计和软件部分的设计。实现阶段：到这个阶段说明监控系统的总体设计已经基本完成，剩下的就是
19、连接安装工作并且需要验证设计的可操作性和可实用性即可。具体的流程可概括如下：(1)了解系统的总体概况，初步确定系统的设计方案。(2)对整个监控系统进行软件和硬件的全面的设计。(3)系统的实现：对已设计连接好的系统进行调试仿真，确定系统的可行性。整个监测系统以STC89C51单片机位主芯片，它是承受温湿度信号并且控制其他硬件电路协调正常工作的。首先DS18B20集成了传感器采集温度信号，信号经过处理放大后送入A/D转换器之中，由此将模拟信号转变成数字信号后送至CPU进行运算处理，其湿度传感器HS1101将采集到的湿度信号通过以NE555定时器为主的单稳态电路转换成数字信号直接送至STC89C51
20、进行处理，在单片机部，CPU根据模拟量与数字量的对应关系，把收到的数字量与温湿度值一一对照，找出适宜的温湿度值进行显示，达到测温测湿的目的。显示部分由LED1602来完成，并可通过键盘输入指令进行控制，充分提高了单片机的工作效率。本监控系统可对室的温湿度值进行监测，测温围可达到-50+150，根据整个室环境的实际温度变化情况，可将测温围设定为0-70，可测湿度测量围是（0-100）%RH，极大的满足了不同环境带来的问题。所测温湿度数值通过LED1602在数码管上进行显示，并可根据需要设定按键功能控制温湿度的显示和消隐。整个系统设计测量稳定性好、操作简单、精度高，性能上能够达到远距离测量温湿度的
21、要求，适用于安置在不同的室环境中进行温湿度监测。本章小结本章主要介绍了整个室温湿度监控系统的总体设计，同时分析了整个设计过程中各个部件的工作顺序，比如系统的组成、工作流程以与各个系统最终要实现什么样的功能。让读者清晰明确的了解到本设计的整体思路和结构。第三章 系统硬件设计第一节微处理器 微处理器是控制系统的核心部件。具有控制功能强，体积小，功耗小等一系列的优点，它在工业控制、智能仪表、节能改造、通讯系统、信号处理、家用电器与粮仓等各个环境中得到了广泛的应用。本设计采用STC89C51作为微处理器。一、51单片机的主要特性51单片机的主要特性如表3-1所示。表3-1 STC89C51主要特性表8
22、K可反复擦写Flash ROM兼容MCS-51指令系统32个双向I/O口3个16位可编程定时/计数器中断3级加密位2个串口中断软件设置睡眠和唤醒功能2个读写中断口线工6个中断源低功耗空闲和掉电模式时钟频率024MHz2个外部中断源2568bit部RAM可编程UART串行通道二、STC89C51的引脚介绍 STC89C51系列单片机是宏晶科推出的新一代高速、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。STC89C51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。（1）VCC:电源电压 （2）GND:地 （3） P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O
23、口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复位，在访问期间激活部上拉电阻。 （4）P1口:P1是一个带部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTE逻辑门电路。对端口写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(ILL)。 与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数
24、输入(P 1.0/T2)（5）P2口:P2是一个带有部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(ILL)。 在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX DPTR指令)时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX RI指令)时，P2口输出P2锁存器的容。 （6）P3口:P3口是一组带有部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电
25、流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(ILL)。 (7) RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。图3.1 STC89C51引脚图三、STC89C51的最小系统 单片机最小系统是单片机可以工作的最小单元，包括电源、地、复位电路和晶振电路。在此基础上可扩展外围电路。STC89C51的最小系统如图3.2所示。图3.2 STC89C51的最小系统第二节温度测量电路的实现测温模块采用数字温度传感器DS18B20，它能代替模拟温度传感器和信号处理电路，直接与单片机连
26、接，完成温度采集和数据处理。DS18B20与STC89C51结合实现最简温度检测系统，该系统结构简单，抗干扰能力强，适合于恶劣环境下进行现场温度测量，有广泛的应用前景。一、温度传感器的选择温度传感器的种类很多，在应用于高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器则当仁不让。超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰能力强，附加功能强，是的DS18B20很受欢迎，因此本系统采用DS18B20作为温度传感器。二、DS18B20介绍1.DS18B20的主要特征（1）适应电压围更宽，电压围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；（2）独特的单线接口方式，DS18B
27、20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20 的双向通讯；（3）DS18B20 支持多点组网功能，多个DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；（4）DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件与转换电路集成在形如一只三极管的集成电路；（5）温围55125，在-10+85时精度为0.5；（6）可编程的分辨率为912 位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；（7）在9 位分辨率时最多在93.75ms 把温度转换为数字，12 位分辨率时最多在750ms 把温度值转换为数字，速度更快；（8）测量结果
28、直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；9.负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2. DS18B20的部结构与外形DS18B20 部结构主要由四部分组成：64 位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH 和TL、配置寄存器。DS18B20 的管脚排列如图3.3所示：图3.3 DS18B20 引脚排列图DS18B20 引脚定义：(1) GND为电源地；(2) DQ为数字信号输入/输出端；(3)VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。3. DS18B20工作原理 DS18B20 测
29、温原理如图3.4所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2 的脉冲输入。计数器1 和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。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，当计数器1 的预置值减到0 时，温度寄存器的值将加1，计数器1 的预置将重新被装入，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。图3.4中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修
30、正计数器1 的预置值。低温度系数晶振高温度系数晶振计数器2斜率累加器计数器1预置比较预置=0=0温度寄存器加1停止LSB置位/清除图3.4 DS18B20 测温原理框图三、温度测量电路采用DS18B20数字温度传感器测量温度，DS18B20与单片机是单线双向通信。其连接电路如图3.5所示。图3.5 DS18B20的测量电路（DQ端接51单片机的P2.7）第三节 湿度测量电路的实现一、湿度传感器的选择在测量室湿度的时候有很多方法可以用到，其基本原理大体相同。现在很多高分子电容器被广泛应用，其中HS1101作为具有代表性的一种高分子市民电容传感器在高分子薄膜上形成电容，这种传感器吸附周围环境中的水
31、分时介电系数会发生相应的变化，因为介电系数会随着室湿度的变化而不断的变化，所以在测量过程中很方便，我们只需要测量出电容的数值，就可以清楚的得到相对湿度，因为HS1101具有互换性、长期稳定性、测量精度高以与响应时间快等特点，可以应用于一些大型环境检测中，比如粮仓的温度控制、车厢空气以与机房等主要场所空气质量的控制，在很多需要湿度补偿的环境中HS1101也被广泛的被应用。二、HS1101的性能特点HS1101的主要性能特点如下：(1)相对湿度在0%100%RH围, 相对湿度为55%RH时的典型电容值约182pF温度系数为0.04pF/可见精度是较高的，如果在常温下使用，就不需要温度补偿和校准。相
32、对湿度在(3375) %RH 之间时平均灵敏度为0.34pF/%RH 。(2)HS1101有响应快(响应时间小于5S)、线性度高、高可靠性与长期稳定性(年漂移量0.5 %RH/年)、常时间饱和下快速脱湿等优点。供电电压一般选+5V最高不超过+10V。+5V供电时间的漏电仅为1nA，工作温度围为- 40。C100。C。(3)在一定的条件下产品具有很好的互换性，更换HS1101时不需要重复标定其他的参数。具有独特的单线接口方式，HS1101微处理器所需的双向通信微处理器和HS1101只有一个I / O口线。在不改变其它电路的情况下，可以直接输出被测温度值。(4)每个芯片可以唯一编码，支持网络寻址，
33、零功耗等待。可编程的分辨率为12，对应的分辨率温度0.5，0.25，0.125和0.0625。湿度传感器工作围如以下图3.6所示：图3.6 HS1101湿敏电容工作的温湿度围从上图可以清楚的看到，HS1101可以工作的围有长期稳定区，正常工作区和非正常区。如果粮食在长期稳定区，它可以长时间安全有效的储存并且不会带来粮食的损失。三、湿度测量电路HS1101电容传感器在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量正比于空气湿度。经常把湿敏电容放在桥式电路和将湿敏电容至于555振荡电路中来接收信号，本设计采用如图3.7所示的频率输出格式作为采集电路。电源接通后，电压沿UCCR 4R 2C地传输到电容器C，
34、电源电压被充电t1时间之后充电，湿度电容下降，部比较器将形成自动翻转功能在UC将被充电到高电平触发TLC555（UH=0.67UCC）时，OUT输出端口将迅速改变从高向低。然后开始放电的电容C将放电循环调整为终端CR 2D端室。经过一段时间t2，湿度电容UC将下降到低电平触发（UL=0.33UCC）。这样一直循环进行充电和放电，就可以形成振荡电路。充电时间可以表示为：t1=C（R2+R4）ln2放电时间可以表示为：t2=CRln2图3.7 湿度信号采集电路输出波形的频率（f）和占空比（D）的计算机公式如下：通常情况下取R4大于R2,使占空比D50%，输出结果就会接近于方波。输出方波频率与相对湿
35、度的数据对照如表3-2。湿敏电容器会经过振荡电路变换后得到脉冲频率信号，然后送入具有16位工作方式的51单片机定时/计数器T1之中，并且用T0来定时1s，从而实现计数功能，并把记录的脉冲次数存入到存缓冲区中。表3-2 湿度与方波频率对照表湿度 频率 湿度 频率 %RH Hz%RH Hz 0 7351 10 7224 20 7100 30 6976 40 6853 50 672860 660070 646880 633090 6186100 6033第四节 显示与报警本系统需要将测得的温湿度值显示出来，并对此进行处理，判断其是否超出最大承受围，若超出，则需要报警。一、显示方案的选择显示方案有两种
36、：一种是数码管显示，一种是LCD液晶显示。前者电路连接复杂，并且容易出现故障，后者使用起来非常方便，它和微处理器的连接简洁直观，容易理解。因此采用LCD1602液晶对温湿度值实现显示。二、LCD1602以与应用 1602液晶显示器以其功耗低、体积小、显示容丰富、轻巧超薄、位数多、程序简单等特点，颇受欢迎。在本设计中使用的是字符型两行16字液晶显示器。在于单片机连接时使用接口电路相连，为并行通道。1602液晶显示采用标准的16脚接口，其中引脚功能如表3-3所示。表3-3 LCD1602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 I/O2VDD电源正极10D3Data
37、I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端12D5Data I/O5R/W读/写选择端13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极1602液晶模块部的字符发生存储器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，没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 1602与微处理器的连接电路其中，滑动变阻器R主要起调节1602亮度的作用，电阻R0起保护
38、作用。三、报警电路对于控制系统，当温湿度超出最大设定围时，需要对温湿度进行调节，由于收到实验条件的限制，智能设计报警电路。报警电路可以使用蜂鸣器声音报警，也可以使用发光二极管LED作为光报警，本系统考虑到简单使用采用第二种方案。电路连接如图3.9所示。图3.9 报警电路（接51单片机的P2.5）第五节 按键电路设计在一些智能化仪表中，人机接口通常是LED显示和小型键盘。对于键盘，其常见的工作方式有两种：一是直接使用系统中的微处理器对键盘进行监测，位键盘的与时响应，CPU需要频繁的执行动态扫描程序；二是采用专用的显示、键盘芯片，如8279、SAA1604等。结合本系统的具体情况，微处理器的工作强
39、度并不大，故采用第一种方式进行键盘设计，其价格低廉，使用方便，能较充分的利用资源。系统可以调节设定的温湿度值，我们可以通过四个按键进行实现，前两个按键选择是温度设定还是湿度设定，后两个按键实现加一减一操作，设计电路如图3.10所示。图3.10 按键电路其工作原理如下：开关S-wendu和S-shidu同时闭合或者同时断开时，U6和U7都输出低电平；当S-wendu闭合、S-shidu断开时，U6输出低电平、U7输出高电平；当S-wendu断开、S-shidu闭合时，U6输出高电平、U7输出低电平。U6和U7的输出端分别接微处理器的P0.1和P0.0端口，通过检查这两个端口的电平判断是温度设定还
40、是湿度设定。将S+和S-分别接微处理器的两个外部中断接口。第六节 复位电路一般情况下STC89C51复位引脚保持在10ms以上的高电平才可以用于系统可靠地复位以与复位电路的设计,它是高电平有效。要让单片机刚接通电源时图中RESET按键必须没有按下，进入电复位状态时说明单片机已经接通电源。在单片机开始工作之后，如果再次按下RESET按键的时候，由两个复位电阻组成的串联分压电路会使RST瞬间得到一个高电平，从而使单片机重新复位；松开RESET按键时，复位信号就会立刻消失，这时单片机可以正常的开始工作。按下两个按钮中的任意一个，瞬时功率电容器可短路，所以RST引脚为高电平。随着时间的电容器充电，稳定
41、电压VCC之后施加到电容器。电容极板最后的RST引脚为0V。这样RST最终在低电平一段时间后稳定，高持续时间是由RC时间常数来确定。这是说，高复位按钮电源。相当于电源按钮被随意按下去，使得电容器短路。电路图如3.11所示。图3.11 复位电路第七节 振荡电路根据本设计需要，STC89C51的振荡电路由一个6MHZ 和两个20PF的电容组成。这个电路是一个典型的单片振荡电路。电路图如3.12所示。图3.12 振荡电路本章小结本章是该设计最核心最重要的一章，主要介绍了硬件设计方案，其中包括了微处理器的选择、温湿度测量电路的选择、显示报警电路、按键电路设计、复位电路和振荡电路的设计。其中微处理器小节
42、中重点介绍了51单片机的主要特性和STC89C51的引脚功能和它构成的最小系统。温度测量电路主要运用DS18B20来实现温度的测量，湿度主要用HS1101来测量，显示电路用LCD1602以与报警系统用到的蜂鸣器，共同组成了整个系统的硬件设计。第四章 系统软件设计第一节 程序开发环境与设计原则单片机常用的语言有汇编语言，C语言等。单片机刚问世以来，最开始使用汇编语言，但是必须要知道单片机的汇编指令以与它的部资源等，而且用汇编语言时它的移植性和可读性都很差，但是她的效率高，功能最强。最后人们普遍采用C语言来编程，这并不意味编程过程不再用汇编语言，C语言一般编写难度较大且程序较复杂。最后人们把这两种
43、语言混合使用，在整个过程只简单方便、编程效率高、可读性和可移植性好、执行速度快，被广泛的应用。本设计中结合了汇编语言和C语言一体化的混合编程语言，更清楚直观的了解各个子程序的设计思路和工作原理。混合汇编语言像机器指令一样，是硬件操作的控制信息。用于编程系统软件和过程控制软件的混合汇编语言，它占用的目标储存程序空间很小，运行速度快，所以汇编语言常常用于制备系统软件和控制软件本系统也将应用到混合编程语言。编制软件最基本的要求是：（1）软件结构清晰、简捷、流程合理；（2）具有高精度的功能模块化，由利于系统的仿真和调试；（3）程序存储区，数据存储区规划合理，既节省空间，又便于操作；本设计基于模块化思想
44、。编写过程中，使用了子程序。主程序比较简单,可读性强，结构清晰，层次明确。第二节主程序流程图主程序的主要功能是负责读出并处理DS18B20的测量温度值，读出测量电路的结果，并将温度与湿度进行实时显示。程序流程图如图4.1所示。图4.1 主程序流程图第三节 温度模块程序设计温度模块主要包括DS18B20的初始化与与单片机之间的数据处理，程序流程如4.2所示。图4.2 温度程序流程图DS18B20与微处理器之间的通信比较复杂，每一次通信之前必须进行复位，复位的时间、等待时间、回应时间应该严格按时序编程。第四节 湿度模块程序设计湿度模块主要是利用定时器T0和T1对555的输出频率进行测量，进而得到相
45、对湿度值，显示程序流程图如图4.3所示。图4.3 湿度程序流程图在该块程序设计中，我们选取T0座定时器，定时时间是50ms，而选择T1做计数器，每当T0定时时间到就读去T1的计数值，然后将T1的计数值乘以20就可得到555芯片的输出频率，可进行数据处理从而得到相对湿度值。第五节 显示子程序设计显示子程序包括1602的初始化，以与对温湿度的显示。初始化时第一行显示“wend”，第二行显示“shid”，然后根据温度的测得值与其正负将测得温度值和设定温度值在第一行，并将测得的频率值装换为相对湿度值，并将其和湿度设定值显示在第二行，显示子程序流程图如图4.4所示。图4.4 显示子程序流程图第六节 按键模块程序设计本系统采用了四个按键，将加减设置按键接两个外部中断0