倉庫溫濕度檢測系統(tǒng)的設計說明

1、 . 畢業(yè)設計（論文）題 目 倉庫溫濕度檢測系統(tǒng)的設計 系 別 電氣工程系 專 業(yè) 電氣自動化技術(shù) 班 級 電 自10-3 姓 名 進 喜 學 號 1 指導教師（職稱）維玲（副教授） 日 期2013年03月02號42 / 47摘 要 實時檢測糧倉環(huán)境溫度和濕度，對于與時了解糧食的儲存狀況，防止糧食變質(zhì)、腐爛非常重要。因此，有效地檢測糧倉的溫濕度變化是一個重要的研究課題。本文設計了一種基于單片機的簡易糧倉溫濕度實時檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括溫濕度信號采集電路、溫濕度實時顯示電路與溫濕度的超限報警電路等。系統(tǒng)采用集成數(shù)字式溫度傳感器DS18B20采集糧倉環(huán)境的溫度，利用電容式濕度傳感器HS1101與5

2、55定時器構(gòu)成多諧振蕩電路，將濕度信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號輸出，通過測量脈沖信號頻率實現(xiàn)糧倉濕度的測量。系統(tǒng)采用液晶顯示器LCD1602顯示溫濕度測量值，利用蜂鳴器和發(fā)光二極管進行聲光報警，通過鍵盤調(diào)整溫濕度超限報警的設定值。本文設計的倉庫溫濕度實時檢測系統(tǒng)具有測量準確度高、工作可靠、使用方便等優(yōu)點，對于實現(xiàn)倉庫環(huán)境溫度和濕度的實時檢測有一定的實際意義。關(guān)鍵詞：溫度測量；溫度測量；LCD顯示；單片機；傳感器AbstractThe temperature and humidity are two important parameters of indoor environment,in order t

3、o control the indoor temperature and humidity environment real-time, this paper introduces implementation principle of temperature and humidity real-time monitoringsystem based onMicrocontroller. In this system, use digital temperature sensor DS18B20 for indoor temperature signal acquisition and use

4、 humidity sensor HS1101 for signalacquisition on the indoorhumidity, using HS1101 humidity sensor and 555 timers to constitute a circuit to output pulse signal. The humidity and the temperature signal are sent to the main controller AT89C51 microcontrollerfor computing. Finally, display the temperat

5、ure and humidity values by the LCD1602. In addition, the system can also setupper and lower limits of temperature and humidity via the keyboard, and to alarm when temperature gauge and humidity gauge respectively,system uses light-emitting diode for light emitting warning. The system has function of

6、 displaying an intuitive accurate easy to use reliable and so on, can be easily realize real-time Monitoring indoortemperature and humidity.Keywords:Temperature measurement ;Humidity measurement ; LCD pane ;Microcontroller 目 錄摘 要IAbstractII1 緒 論11.1課題研究背景與意義11.2本文主要研究容22系統(tǒng)方案的設計32.1系統(tǒng)功能與設計要求32.2 方案整體

7、設計32.3方案論證42.4 本章小結(jié)93 硬件電路的設計103.1 AT89C51的主要性能與引腳介紹103.2 單片機最小系統(tǒng)的設計133.3溫度檢測電路的設計163.3.1 溫度傳感器（DS18B20）的主要性能163.3.2 溫度傳感器（DS18B20）與單片機接口的設計173.4 濕度檢測電路的設計193.4.1 濕度傳感器（HS1101）的主要性能193.4.2 基于濕度測量電路的設計203.5 系統(tǒng)顯示電路的設計223.5.1 液晶顯示器（LCD）的主要性能223.5.2 液晶顯示器（LCD）與單片機的接口電路設計233.6鍵盤電路243.7報警電路263.8本章小結(jié)264軟件設

8、計284.1 系統(tǒng)的主程序設計284.2溫度采集子程序的設計294.3濕度采集子程序的設計324.4顯示子程序的設計335 結(jié) 論37致 38參考文獻39 附 錄II421 緒 論1.1課題研究背景與意義我國是一個人口眾多的大國, 科學儲糧是保障人民糧食供應, 促進社會安定的大事, 糧倉溫度的檢測在科學儲糧中占有重要地位，在大多數(shù)糧食存儲企業(yè), 目前仍主要靠人工檢測糧倉溫度。由于糧庫占地面積大，糧倉分散，倉溫度測試點多，因而人工檢測工作量大，效率低，檢測周期長，容易漏檢，而且測量器件損壞率高，測試精度難以保證?？販貎Z是使糧食在儲藏期間保持一定的溫度水平，達到安全儲藏的目的?？販貎Z能保持糧食

9、較好的品質(zhì)，是目前比較先進的一種安全、經(jīng)濟、綠色的儲糧技術(shù)，已成為當今科學儲糧技術(shù)發(fā)展的新方向。糧食儲藏是國家為防備戰(zhàn)爭、災荒與其它突發(fā)性事件而采取的有效措施，因此，糧食的安全儲藏具有重要意義。目前，中國地方與墾區(qū)的各種大型糧庫都還存在著程度不同的糧食儲存變質(zhì)問題。根據(jù)國家糧食保護法規(guī)定，必須定期抽樣檢查糧庫各點的糧食溫度和濕度，以便與時采取相應的措施。但大部分糧庫目前還是采取人工測量溫度和濕度的方法，這不僅使糧庫工作人員工作量增大，且工作效率低，尤其是大型糧庫的溫度和濕度檢測任務如不能與時徹底完成，則有可能會造成糧食大面積變質(zhì)。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，中國每年因糧食變質(zhì)而損失的糧食達數(shù)億斤，直接造成

10、的經(jīng)濟損失是驚人的。 影響糧食安全儲藏的主要參數(shù)是糧食的溫度和濕度，這兩者之間又是互相關(guān)聯(lián)的。糧食在正常儲藏過程中，含水量一般在12%以下(為安全狀態(tài))，不會產(chǎn)生溫度突變，一旦糧庫進水、結(jié)露等使糧食的含水量達到20%以上時，由于糧粒受潮，胚芽萌發(fā)，新代加快而產(chǎn)生呼吸熱，使局部糧食溫度突然升高，必然引起糧食“發(fā)燒”和霉變，并可能形成連鎖反應，從而造成不可挽回的損失。因此設計出一種經(jīng)濟實用的糧庫糧情溫濕度智能檢測系統(tǒng)是非常有必要。1.2本文主要研究容1完成系統(tǒng)總體方案設計；2進行方案的比較與論證；3進行主機與溫濕度傳感器的選擇；4設計溫濕度的采集電路。5設計溫濕度的液晶顯示電路。6設計系統(tǒng)硬件電路

11、。7設計溫濕度的超限報警電路。8完成系統(tǒng)軟件流程的設計與編程。2系統(tǒng)方案的設計2.1系統(tǒng)功能與設計要求1.基本功能（1）具有糧倉環(huán)境的溫度、濕度實時測量功能；（2）具有將測量到的溫濕度值用液晶LCD顯示的功能；（3）具有鍵盤設置溫度、濕度的上下限報警值；（4）具有溫度、濕度超限聲光報警功能。2.設計要求(1)監(jiān)測對象：倉庫儲存物。(2)檢測得到的溫、濕度數(shù)據(jù)可以實時顯示。溫度圍：-30 50。溫度測量的精度±0.5oC , 調(diào)節(jié)溫度的超調(diào)量小于30%。 濕度檢測圍：10%100%RH;濕度測量的精度±1%RH。(3)用戶可以自行設定監(jiān)測糧倉中的溫、濕度上、下限值。超限報警。

12、(4)報警方式：LED指示燈和蜂鳴器的聲光報警。(5)顯示方式:LCD顯示實現(xiàn)溫濕度的測量值。2.2 方案整體設計本設計分為兩個部分，一部分是由溫濕度傳感器組成的檢測部分，另一部分是由單片機和LCD1602組成的主控與顯示部分。溫度傳感器和濕度傳感器檢測電路將檢測到的數(shù)據(jù)送到單片機，單片機對接收到的數(shù)據(jù)進行處理并送到LCD1602，5V穩(wěn)壓電源給各個部分供電。系統(tǒng)組成框圖如圖2.1所示。顯示模塊溫度檢測電路濕度檢測電路單片機電源圖2.1系統(tǒng)組成框圖2.3方案論證本系統(tǒng)通過單片機的控制從而實現(xiàn)溫濕度值的采集、數(shù)據(jù)的實時顯示、上下限的控制以與超限報警的功能。此時，單片機作為微處理器在此起到核心的作

13、用，作為測量型系統(tǒng)要有數(shù)據(jù)采集模塊，即溫濕度的采集。經(jīng)過輸入通道，由微處理器拾取必要的數(shù)據(jù)信息。微處理器對輸入數(shù)據(jù)進行實時處理、顯示，出現(xiàn)超限與時報警。方案1系統(tǒng)組成與工作原理方案1原理框圖如圖2.2所示。單片機控制處理模塊溫度傳感器濕度傳感器上下限設定模塊顯示模塊超限報警模塊A/D轉(zhuǎn)換555振蕩電路圖2.2 方案1原理框圖 在本方案中采用的是集成溫度傳感器AD590。集成溫度傳感器AD590 是美國模擬器件公司生產(chǎn)的集成兩端感溫電流源。屬于電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。根據(jù)特性分檔，AD590的后綴以I、J、K、L、M表示。例如AD590L，AD590M一般用于精密

14、溫度測量電路。另外，AD590 還有以下電子特性：（1）流過器件的電流（A）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數(shù)，即：IT/T=1A /K式中：IT為流過器件（AD590）的電流，單位A；T為熱力學溫度，單位K。（2）AD590的測溫圍-55+150。 （3）AD590 的電源電壓圍為4V30V。電源電壓可在4V6V 圍變化，電流IT變化1A，相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會損壞。（4）輸出電阻為710M。（5）精度高 AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150。測量溫度與AD590電流與經(jīng)過10K電阻

15、輸出電壓。在此模塊中使用集成模擬溫度傳感器則必須使用A/D轉(zhuǎn)換器，把傳感器感應到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再把數(shù)字信號直接傳輸?shù)轿⑻幚砥鳟斨羞M行數(shù)據(jù)處理。A/D轉(zhuǎn)換器通常選用ADC0809，ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以與微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓圍是05V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。ADC0809具有IN0IN7，8條模擬量輸入通道。A，B，C三條地址線的地址信號用于控制選擇

16、8條模擬量輸入通道。因ADC0809的部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ。測量空氣濕度的方法很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量與周圍空氣的濕度，其中最常用的為電容式和電阻式兩種。本方案中采用CHR-01濕敏電阻。CHR-01濕敏電阻適用于阻抗型高分子濕度傳感器，它的工作電壓為交流1V，頻率為50Hz2kHz，測量濕度圍為20%90%RH，測量精度±5%RH，工作溫度圍為0+85，最高使用溫度120。本方案中采用AT89C52,AT89C52是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL

17、公司生產(chǎn)的。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片置通用8位中央處理器和Flash存儲單元。AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程,但不可以在線編程。其將通用的微處理器和flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C52除了與AT89C51所有的定時/計數(shù)器0 和定時/計數(shù)器1 外，還增加了一個定時/計數(shù)器2。定時/計數(shù)器2 的控制和狀

18、態(tài)位位于T2CON和T2MOD，寄存器對（RCAO2H、RCAP2L）是定時器2 在16位捕獲方式或16位自動重裝載方式下的捕獲/自動重裝載寄存器，適用圍更廣闊。電子設計中常用的輸出顯示設備有：LED數(shù)碼管和LCD這兩種。在本方案中采用LED數(shù)碼管，數(shù)碼管是現(xiàn)在電子設計中使用非常普遍的一種顯示設備，每個數(shù)碼管由7個發(fā)光二極管按照一定的排列結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)七個發(fā)光二極管的正負極連接不同，又分為共陰極數(shù)碼管和共陽極數(shù)碼管兩種。利用數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)容比較直觀，通常顯示從0到F中的任意一個數(shù)字，一個數(shù)碼管只能顯示一位，而多個數(shù)碼管就可以顯示多位，在此選用四位數(shù)碼管采用掃描方式進行顯示。要顯示多位數(shù)的時候

19、，數(shù)碼管操作起來會十分煩瑣，同樣顯示的速度也受到了一定的限制。超限報警最常見的兩種方式是光報警和聲音報警，在本方案中采用光報警，使用發(fā)光二極管發(fā)光，為區(qū)分是溫度超限還是濕度超限，使用發(fā)光二極管發(fā)光，這樣用戶就可以一目了然。在本方案中采用行列式鍵盤，行列式（也稱矩陣式）鍵盤用于按鍵數(shù)目較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點上。行、列線分別連接到+5V上。無按鍵按下時行線處于高電平狀態(tài)，而當有按鍵按下時行線電平狀態(tài)將由與此相連的列線電平?jīng)Q定。這一點是識別行列式鍵盤是否按下的關(guān)鍵所在。方案2系統(tǒng)組成與工作原理原理框圖如圖2.3所示。單片機AT89C51顯示模塊超限報警模塊溫度傳感器濕度

20、傳感器555振蕩電路 鍵盤模塊 圖2.3 方案2原理框圖 本方案中溫度采集可以直接采用數(shù)字式傳感器DS18B20，數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器，體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松地組建溫度傳感器網(wǎng)絡，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。其測量溫度圍為-55°C+125°C，在-10+85°C圍，精度為±0.5°C。DS18B20可以程序設定912位的分辨率，分辨率設定，以與用戶設定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。因為每一個DS18B20的包含一個獨

21、特的序號，多個DS18B20可以同時存在于一條總線，而相互不受影響。本方案中采用HS1101濕度傳感器，該傳感器具有以下特點：全互換性 在標準環(huán)境下不需校正；長時間飽和下快速脫濕；高可靠性與長時間穩(wěn)定性；專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)；可用于線性電壓或頻率輸出回爐；快速反應時間。該傳感器將測量到的濕度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙菪盘枺褂?55多諧振蕩器將電容信號轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號，把脈沖信號輸入到微處理器當中進行處理。相對濕度測量圍1%-100%RH，脈沖信號頻率在56236852Hz之，其誤差不大于±2%RH，能夠達到誤差要求。濕度傳感器HS1101是基于獨特工藝設計的電容元件，這些相對濕度傳感器可以大批量生產(chǎn)

22、?？梢詰糜谵k公室自動化，車廂空氣質(zhì)量控制，家電，工業(yè)控制系統(tǒng)等。它有以下幾個顯著的特點：1、 全互換性，在標準環(huán)境下不需校正2、 長時間飽和下快速脫濕3、 可以自動化焊接，包括波峰或水浸4、 高可靠性與長時間穩(wěn)定性5、 專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)6、 可用于線性電壓或頻率輸出回路7、 快速反應時間相對濕度在0%100%RH圍；電容量由162pF變到200pF,其誤差不大于2%RH；響應時間小于5s；溫度系統(tǒng)為0.04pF/?？梢娖渚仁禽^高的。NE555是一個能產(chǎn)生精確定時脈沖的高穩(wěn)度控制器，其輸出驅(qū)動電流可達200mA。在多諧振蕩器工作方式時，其輸出的脈沖占空比由兩個外接電阻和一個外接電容確定；

23、在單穩(wěn)態(tài)工作方式時，其延時時間由一個外接電阻和一個外接電容確定，它可以延時數(shù)微秒到數(shù)小時。其工作電壓圍為：4.5V16V。 555的框圖如圖2.4所示 圖2.4 555的基本框圖在多數(shù)電子設計當中，基于性價比的考慮，8位單片機仍是首選。目前，8位單片機在國外仍占有重要地位。在8位單片機中又以MCS51系列單片機與其兼容機所占的份額最大。本方案采用AT89C51芯片作為硬件核心，該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，采用Flash ROM，部具有4KB ROM存儲空間,能于3V的超低壓工作與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯

24、片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。電子設計中常用的輸出顯示設備有：LED數(shù)碼管和LCD這兩種。在本方案中采用采用LCD液晶顯示。液晶顯示屏具有體積小、功耗低、顯示容豐富等特點。因此用戶可以根據(jù)自己的需求，隨意設計顯示的容甚至是圖案。液晶顯示具有很多優(yōu)點：顯示容豐富，兼容性強，而且外圍驅(qū)動電路設計比較簡單，顯示能力的擴展將不會涉與到硬件電路的修改，可擴展性很強。不足之處在于其價格較高，驅(qū)動程序編寫有些復雜。LCD從顯示的形式上通?？梢苑譃楣P段型、字符型和點陣圖形型。在本方案中選用LCD1602，它屬于字符型，字符型液晶顯示模塊是專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶顯示模塊

25、，在電極圖形設計上是由若干個5×8或5×11點陣組成，每一個點陣顯示一個字符。LCD1602是一種5×7點陣圖形來顯示字符的液晶顯示器，可以顯示2行16個字，足夠顯示溫度值和濕度值?，F(xiàn)代的報警有很多種方式，但多數(shù)都采用聲音報警系統(tǒng)和發(fā)光報警這兩種，在此方案中采用揚聲器報警系統(tǒng)，當溫度、濕度分別超標或都超標時，使揚聲器發(fā)出聲音和二極管發(fā)光引起用戶的注意。在該模塊中采用獨立式鍵盤，獨立式鍵盤就是各鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)很容易地判斷哪個鍵被按下。但在數(shù)目較多時，獨立式鍵盤電路需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復雜。2.4 本章小結(jié)本章主要

26、確定了系統(tǒng)的設計方案，提到主機的選擇，液晶顯示的選擇，溫濕度傳感器的選擇方案，并具體介紹各個方案的具體設計，各個方案都具有很強的可行性，都能夠很好的完成系統(tǒng)的設計。經(jīng)過各個方面的比對，最終選擇方案2作為設計的最后方案，下一章節(jié)將通過該方案對系統(tǒng)硬件電路進行設計。3 硬件電路的設計3.1 AT89C51的主要性能與引腳介紹 本系統(tǒng)選擇AT89C51作為微處理器，AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片含8k bytes的可反復擦寫的flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（REM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51

27、指令系統(tǒng)，片置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C51單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應用。設計是以89C51單片機為控制中心，這種控制芯片具有4KB的快擦寫可編程/擦除只讀存儲器EEPROM、256KB片RAM、3個16位定時計數(shù)器、5個中斷源，無需進行系統(tǒng)擴展既可滿足任務要求，能較大幅度提高系統(tǒng)的性價比其主要功能：1、兼容MCS51指令系統(tǒng)2、8k可反復擦寫(大于1000次）Flash ROM；3、32個雙向可編程I/O口線；4、256x8bit部RAM；5、3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷；6、時鐘頻率0-24MHz；7、2個串行中斷，可編程UART串行通道；8、2個外部中斷源

28、，共8個中斷源；9、2個讀寫中斷口線，3級加密位；10、低功耗空閑和掉電模式，軟件設置睡眠和喚醒功能；11、有PDIP、PQFP、TQFP與PLCC等幾種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。AT89C51為8 位通用微處理器，采用工業(yè)標準的C51核，在部功能與管腳排布上與通用的89C52 一樣。AT89C51的引腳分布如圖3.1所示圖3.1 AT89C51的引腳圖AT89C51引腳介紹：VCC：電源接口，接+5VGND：接地EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行部程序

29、存儲器中的指令。RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。P0 口：一組8 位漏極開路型雙向I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8 個TTL邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活部上拉電阻。在Flash 編程時，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1 口：一個帶部上拉電阻的8 位雙向I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL

30、 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P2口：一個帶有部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口P2 寫“1”，通過部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。P3 口：一組帶有部上拉電阻的8 位雙向I/O口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。

31、此時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流。 P3 口除了作為一般的I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.2所示。表3.2 P3口第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外中斷0）P3.3INT1（外中斷l(xiāng)）P3.4T0（定時計數(shù)器0）P3.5Tl （定時計數(shù)器l）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它

32、可對外輸出時鐘或用于定時目的。PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。XTAL1：振蕩器反相放大器的與部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。UART串口：AT89C51的UART 串口用于進行串行通信。串行接口的電路結(jié)構(gòu)還包括了串行口控制寄存器SCON，電源與波特率選擇寄存器PCON和串行緩沖寄存器SBUF，他們都屬于SFR，PCON和SCON用于設置串行口工作方式和確定數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，SB

33、UF用于存放欲發(fā)送的數(shù)據(jù)起到緩沖的作用。3.2 單片機最小系統(tǒng)的設計單片機最小系統(tǒng)包括單片機與其所需的必要電源、時鐘、復位等部件，它能使單片機處于正常的運行狀態(tài)。電源、時鐘等電路是使單片機能運行的必要條件，可以將最小系統(tǒng)作為應用系統(tǒng)的核心部分，對其進行存儲擴展、A/D擴展等。單片機最小系統(tǒng)的功能主要如下。（1）能夠運行用戶程序；（2）用戶可以復位單片機；（3）具有相當強大的外部擴展功能。單片機時鐘電路復位電路圖3.3 最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖時鐘振蕩電路：AT89C51中有一個用于構(gòu)成部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。外接石英晶體與電容C1、C2

34、接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1、C2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序與溫度穩(wěn)定性，在使用石英晶體時，通常電容使用30pF±10pF，而如使用瓷諧振器通常選擇40pF±10pF。也可以采用外部時鐘。這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL1 端，即部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2 則懸空。由于外部時鐘信號是通過一個2 分頻觸發(fā)器后作為部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。本設計選擇部時鐘，選用12MHz石

35、英晶體和30pF電容，如圖3.4所示。圖3.4 時鐘振蕩電路復位電路：在設計單片機應用系統(tǒng)時，必須了解單片機的復位狀態(tài)和復位電路的設計，因為單片機工作時，會經(jīng)常進入復位工作狀態(tài)，所以，系統(tǒng)的復位電路必須能夠準確可靠的工作。單片機通常都采用上電復位和開關(guān)復位兩種方式。當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫死鎖狀態(tài)，還需按復位鍵重新啟動。對于單片機電路來說，每12 個時鐘周期為1 個機器周期，即Tcy=12/fosc，本設計采用12MHz晶體振蕩器，所以fosc=12MHz，Tcy=1s，即當復位按鍵按下時，只要保證RST引腳端出現(xiàn)2s以上穩(wěn)定的高電平，單片機便可實現(xiàn)復位。此外，

36、由于本設計中對溫濕度圍以與系統(tǒng)誤差的要求并不是很高，所以設計電路電容C1取10f，R1取10K歐姆，R2取1K歐姆時，復位所需時間遠遠大于2s左右的機器周期，完全可以實現(xiàn)復位功能。如圖3.5所示。圖3.5 復位電路單片機晶振電路和復位電路設計完成，這樣單片機外圍最小系統(tǒng)電路就設計完成，單片機最小系統(tǒng)電路如圖3.6所示。圖3.6 單片機最小系統(tǒng)電路3.3溫度檢測電路的設計3.3.1 溫度傳感器（DS18B20）的主要性能DS18B20是美國DALLAS半導體公司推出的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配微處理器等優(yōu)點，可直接將溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字

37、信號供處理器處理。DS18B20溫度傳感器特性如下：（1）適應電壓圍寬，電壓圍在3.0-5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。（2）特的單線接口方式，它與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通信。（3）支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測量。（4）在使用中不需要任何外圍元器件，全部傳感元件與轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路。（5）測溫圍-55+125，在-10+85時精度為±0.5。（6）編程分辨率為9-12位，對應的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫。（7）在9位

38、分辨率時，最多在93.75ms把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字；在12位分辨率時，最多在750ms把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字。（8）測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。（9）負壓特性。電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒壞，但不能正常工作。DS18B20 溫度傳感器部結(jié)構(gòu)與工作原理：DS18B20部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20依靠一個單線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立ROM操作協(xié)議，才能進行存儲器和控制操作。DS18B20工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測

39、和數(shù)據(jù)處理。首先我們先了解DS18B20的部存儲器資源。DS18B20共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是： ROM只讀存儲器，用于存放DS18B20ID 編碼，其前8 位是單線系列編碼（DS18B20的編碼是19H），后面48 位是芯片唯一的序列號，最后8位是以上56 的位的CRC 碼。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設置不由用戶更改。DS18B20共64位ROM。RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20共9 個字節(jié)RAM，每個字節(jié)為8 位。第1、2 個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第3、4個字節(jié)是用戶EEPROM（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復位時其值將被刷新。第5

40、個字節(jié)則是用戶第3 個EEPROM的鏡像。第6、7、8 個字節(jié)為計數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設計的，同樣也是部溫度轉(zhuǎn)換、計算的暫存單元。第9個字節(jié)為前8 個字節(jié)的CRC碼。EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(shù)據(jù)，DS18B20 共3 位EEPROM，并在RAM都存在鏡像，以方便用戶操作。3.3.2 溫度傳感器（DS18B20）與單片機接口的設計DS18B20有兩種封裝：三腳TO-92直插式和八腳SOIC貼片式，如圖3.7所示。在此，我們選用三腳TO-92直插式封裝的DS18B20芯片。它有三個腳，分別為電源正極VDD、信號輸入輸出

41、DA和電源負極GND。圖3.7 DS18B20的兩種封裝表3.8 引腳介紹引 腳8腳SOIC引腳PR35符號說 明51GND地42DA單線運用的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，漏極開路。33VDD寄生電可選VDD引腳 DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，其部結(jié)構(gòu)框圖如圖3.9所示。I/OC64位ROM單線接口高速緩存存儲器與控制邏輯溫度傳感器高溫觸發(fā)器TH低溫觸發(fā)器TL配置寄存器8位CRC發(fā)生器Vdd圖3.9 DS18B20部結(jié)構(gòu)框圖DS18B20是以單總線的方式與單片機相連接的。單總線技術(shù)是采用單條信號線，既可傳輸時鐘，又可傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，因而這種單總線技術(shù)具有線路簡單

42、，硬件開銷少，成本低廉，便于總線擴展和維護等優(yōu)點。單總線適用于單主機系統(tǒng)，能夠控制一個或多個從機設備。單總線通常要求外接一個約為5K的上拉電阻。本系統(tǒng)中采用4.7K的上拉電阻。本系統(tǒng)DS18B20與單片機的連接是由DS18B20的DA與單片機P2.0相連。DS18B20部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖3.10所示: 圖3.10 DS18B20的管腳排列DS18B20溫度傳感器的部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器。頭2個字節(jié)包含測

43、得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應精度的溫度數(shù)值。低5位一直為1，TM是工作模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設置分辨率。3.4 濕度檢測電路的設計3.4.1 濕度傳感器（HS1101）的主要性能測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量與周圍空氣的濕度。電容

44、式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進行濕度測量的。下面介紹HS1100/HS1101濕度傳感器與其應用。不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應時間，專利設計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量與周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常

45、數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進行濕度測量的。下面介紹本設計中用到的HS1100/HS1101濕度傳感器。HS1100/HS1101電容傳感器具有不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，響應時間快速的特點，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。其測量的圍相對濕度在1%-100%RH，電容量由160pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH，響應時間小于5S；溫度系數(shù)為0.04 pF/?？梢娋仁禽^高的3.4.2 基于濕度測量電路的設計HS1100/HS1101電容傳感器在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增

46、大。將電容的變化量準確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C易于接受的信號，常有兩種方法：一是將濕敏電容置于橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；另一種是將濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號，可直接傳送給單片機。555振蕩電路如圖3.11所示。圖3.11 555振蕩電路集成定時器555芯片外接電阻、R5與濕敏電容C，構(gòu)成了對濕敏電容C的充電回路。7端通過芯片部的晶體管對地短路又構(gòu)成了對濕敏電容C的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，3是防止輸出短路的保護電阻，6用于平衡溫度系數(shù)。該

47、振蕩電路兩個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下：首先電源Vcc通過R4、R6向濕敏電容C充電，經(jīng)充電時間充電后，Uc達到芯片比較器的高觸發(fā)電平，此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R2放電，經(jīng)放電時間T放電后，Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，此時輸出引腳3端又由低電平突降為高電平，如此翻來覆去，形成方波輸出。其中，充放電時間為=C(+R5)ln2 （31）=CR5ln2 （32）因而，輸出的頻率為f=1/( +)=1/C(+2R5)ln2 （33）可見，空氣濕度通過555測量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號，表3.12給出了其中的一組典型測試值。表3.12 空氣濕度與電壓頻率的典型值濕度（%RH）頻

48、率Hz濕度（%RH）頻率Hz073516066001072247064682071008063303069769061684068531006033506728經(jīng)過555振蕩電路轉(zhuǎn)換為頻率信號與單片機直接相連，根據(jù)測得的頻率轉(zhuǎn)化成相對濕度值進行顯示。3.5 系統(tǒng)顯示電路的設計3.5.1 液晶顯示器（LCD）的主要性能液晶顯示器LCD以其微功耗、體積小、顯示容豐富、超薄輕巧、沒有電磁輻射、壽命長等優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。液晶（Liquid Crystal）是一種高分子材料，因為其特殊的物理、化學、光學特性，20世紀中葉開始廣泛應用在輕薄型顯示器上。液晶顯示器（L

49、iquid Crystal Display，LCD）的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點、線、面并配合背部燈管構(gòu)成畫面。為敘述簡便，通常把各種液晶顯示器都直接叫做液晶。各種型號的液晶通常是按照顯示字符的行數(shù)或液晶點陣的行、列數(shù)來命名的。比如：1602的意思是每行顯示16個字符，一共可以顯示兩行；類似的命名還有0801、0802、1601等，這類液晶通常都是字符型液晶，即只能顯示ASCII碼字符，如數(shù)字、大小寫字母、各種符號等。還有另一類液晶屬于圖形型液晶，如12232，它的意思是液晶由122列、32行組成，即共有122×32個點來顯示各種圖形，我們可以通過程序控制這122×

50、32個點中的任何一個點顯示或不顯示。類似的命名還有12864、19264、192128、320240等，根據(jù)客戶需要，廠家可以設計出任意數(shù)組合的點陣液晶。液晶體積小、功耗低、顯示操作簡單，但是它有個致命的弱點，其使用的溫度圍很窄，通用型液晶正常工作溫度圍為0-+55，存儲溫度圍為-20- +60，即使是寬溫級液晶，其正常工作溫度圍也僅為-20- +70，存儲溫度圍為-30- +80。由于本系統(tǒng)只需要溫度、濕度，所以用字符型液晶LCD1602足以滿足要求。下面對LCD1602進行介紹。3.5.2 液晶顯示器（LCD）與單片機的接口電路設計LCD1602管腳定義LCD1602采用標準14腳（無背光

51、）或16腳（帶背光）接口，各引腳如表3.13所示。表3.13 LCD1602的引腳功能表引腳號符號引腳說明引腳號符號引腳說明1Vss 電源地9D2數(shù)據(jù)口2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)口3VO液晶顯示對比度調(diào)節(jié)端11D4數(shù)據(jù)口4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）12D5數(shù)據(jù)口5R/W讀寫選擇端（H/L）13D6數(shù)據(jù)口6E使能信號14D7數(shù)據(jù)口7D0數(shù)據(jù)口15BLA背光電源正極8D1數(shù)據(jù)口16BLB背光電源負極含義如下所示：（1）VO為顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最強。弱對比度過強會產(chǎn)生“影”，使用時可以通過一只10K的可調(diào)電位器來調(diào)整對比度。（2）RS為寄存器選擇端，RS為高

52、電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，為低時選擇指令寄存器。（3）R/W為讀寫信號，高電平時進行讀操作，低電平時執(zhí)行寫操作。（4）E為使能端，當E端由高電平變成低電平時，液晶顯示模塊執(zhí)行命令。（5）D0D7為雙向數(shù)據(jù)線。在設計LCD1602與單片機的接口時，我們將D0-D7八個數(shù)據(jù)接口與單片機P0口相連，但必須注意單片機AT89C51的P0口不帶上拉電阻，所以必須附加10K的上拉電阻。LCD1602與單片機的接法如圖3.14所示。圖3.14 LCD1602與單片機的接法3.6鍵盤電路鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中能夠?qū)崿F(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預單片機的主要手段。鍵盤實質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)的集合。通常

53、，鍵盤開關(guān)利用了機械觸點的合、斷作用。按鍵的閉合與否，反應在輸出電壓上就是呈現(xiàn)高電平和低電平，如果高電平表示鍵斷開，低電平則表示鍵閉合，則可以通過對輸出電平的高低狀態(tài)的檢測，便可以確認按鍵按下與否。常用的鍵盤接口分為獨立式鍵盤接口和行列式鍵盤接口。獨立式鍵盤就是各個按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)進行判斷哪個鍵被按下。在獨立式鍵盤電路中各按鍵均采用上拉電阻，這是為了保證在按鍵斷開時，各I/O口有確定的高電平。本系統(tǒng)要求用戶可以自行設計上下限，S5是溫濕度轉(zhuǎn)換鍵，S4進行加一，S3減一操作，按鍵S2作為啟動鍵。這樣，一共需要4個按鍵進行調(diào)節(jié)，鍵盤與單片機連接圖如圖3

54、.15所示。圖3.15 鍵盤與單片機的連接3.7報警電路在微型計算機控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設有緊急狀態(tài)報警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其方法就是把計算機采集的數(shù)據(jù)或經(jīng)過計算機進行數(shù)據(jù)處理之后，與該參數(shù)上下限給定值進行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進行報警，否則就作為采樣的正常值，進行顯示和控制。在本系統(tǒng)中要求對溫濕度上下限進行超限報警，常用的報警方式有光報警和聲報警兩種，在此選用聲光報警方式進行提醒。為了使溫度超限或濕度超限報警的明顯性，選用紅色LED發(fā)光二極管報警提示。為了防止燒壞發(fā)光二極管，在使用發(fā)光二極管時必須經(jīng)過串聯(lián)電阻，連接

55、電路如圖3.16所示。圖3.16 聲光報警電路3.8本章小結(jié)本章主要介紹系統(tǒng)整體硬件電路設計。在系統(tǒng)整體的框架下，對各個模塊進行設計。采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20對室溫度信號進行采集，采用模擬式濕度傳感器HS1101對室濕度信號進行采集，濕度傳感器HS1101與555定時器構(gòu)成多諧振蕩電路，輸出脈沖信號。將溫度信號與濕度信號送入主控制器單片機AT89C51進行運算處理。最后通過LCD1602顯示實時溫度和濕度值。此外該系統(tǒng)還可以通過鍵盤設定溫濕度上下限，并且具有溫度超限和濕度超限分別報警的功能，系統(tǒng)采用發(fā)光二極管進行發(fā)光報警。介紹了各個子模塊的基本結(jié)構(gòu)、基本原理、應用電路，實現(xiàn)功能等。硬件電路原理圖見附錄I4軟件設計 基于單片機的系統(tǒng)設計中由單片機構(gòu)成的硬件電路只作為一個系統(tǒng)的框架，要想實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，系統(tǒng)的軟件設計至關(guān)重要，在本章將對系統(tǒng)的軟件設計做以詳細介紹。4.1 系統(tǒng)的主程序設計主程序是系統(tǒng)的監(jiān)控程序，在程序運行的過程中必須先經(jīng)過初始化，包括鍵盤程序，溫度采集程序，濕度采集程序，以與各個控制端口的初始化工作。系統(tǒng)在初始化完成后可以對各部分函數(shù)進行調(diào)用