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3.1.1温度传感器10
3.1.2湿度传感器14
3.2信号分析与处理16
3.2.1单片机最小系统16
3.2.2STC89C51引脚介绍及管脚说明19
3.3人机交互21
3.3.1显示模块21
3.3.2报警电路22
3.4本章小结22
4.软件设计22
4.1主程序流程图22
4.2DS18B20测温流程图23
4.3DHT11流程图24
4.4键盘扫描程序流程图25
4.5本章小结25
5.总结25
参考文献27
附录1:
温湿度检测模块28
附录2:
报警模块29
附录3:
定时器模块30
摘要
本课题的研究目的是为人们提供一种能够实时了解所处环境质量信息的仪器,包括温度、湿度,使人们能够及时获知信息并做出相应的调整。
本文采用STC89C51单片机来作为控制核心,实现了对温、湿度的检测和LCD实时显示电路等硬件电路的设计,由于其功能的实现主要通过软件编程来完成,这就降低了硬件电路的复杂性,其成本也有所降低,而且还能够完成复杂硬件电路难以实现的任务。
配置新式的微型低功耗传感器,温度传感器为18B20,湿度传感器为DHT11,实现了环境温度,湿度,两个参数的采集,存储,显示等功能,另外,本系统还具有报警功能,当传感器所采集的数据不在使用者所设定的范围内,蜂鸣器就会报警以提醒使用者,系统运行可靠,结构简单,性价比高。
关键词
STC89C51单片机;
温湿度;
液晶显示;
报警;
1.绪论
1.1选题背景及意义
温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系,同时也是工农业生产中最常见最基本的工艺参数,例如农业上农作物的生长离不开对温度、湿度的检测与控制,机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度、湿度的检测与控制,并且随着人们生活水平的提高,人们对自己的生存环境越来越关注,而空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响,所以对温度、湿度的检测及控制就非常有必要了。
温度、湿度是工业农业生产不可缺少的因素,但传统的方法是用温度表、毛发湿度表、双金属式测量计、观测植物的生长情况等手段,通过人工进行检测,对不符合温度、湿度要求的环境进行通风、去湿、降温、采光等工作。
这种人工测试方法费时费力、效率低,且测试的误差大,随机性大。
含有微型计算机或微处理器的测量仪器,由于它拥有对数据存储,运算逻辑判断及自动化的功能,有着智能作用。
随着生产的发展,一个低成本和具有较高精度的环境测量仪在许多领域会代替人工操作,自动控制各种仪器调整环境温度湿度。
目前市场上普遍存在的环境检测仪器大都是单点测量,而且温湿度信息传递不及时,精度达不到要求,不利于控制者根据温度、湿度变化及时做出决定,为此,本设计开发了一种能够同时测量多点,并实时性高、精度高,能够综合处理多点温湿度信息的检测产品。
总之,环境温湿度的检测的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。
1.2传感器介绍
1.2.1温度传感器
集成温度传感器是目前应用范围最广、使用最普及的一种全集成化传感器。
其种类很多,大致可分为以下5类:
1、模拟集成温度传感器;
2、模拟集成温度控制器;
3、智能温度传感器;
4、通用智能温度控制器;
5、微机散热保护专用的智能温度控制器。
集成温度传感器的主要应用领域有以下3个方面:
(1)温度测量:
可以构成数字温度计、温度变送器、温度巡回检测仪、智能化温度检测系统及网络化测温系统。
(2)温度控制:
适用于智能化温度测控系统、工业过程控制、现场可编程温度控制系统、环境温度监测及报警系统、中央空调、风扇温控电路、微处理器及微机系统的过热保护装置、现代办公设备、电信设备、服务器中的温度测控系统、电池充电器的过热保护电路、音频功率放大器的过热保护电路及家用电器。
(3)特殊应用:
例如,热电偶冷端温度补偿、测量温差、测量平均温度、测量温度场、电子密码锁(仅对内含64位ROM的单线总线智能温度传感器而言)及液晶显示器表面温度监测等。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的,它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等,适合远距离测温、控温,不需要进行非线性校准,外围电路简单。
它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器,典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。
智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。
目前,国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)[1]。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU),并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的,其智能化程度也取决于软件的开发水平。
进入21世纪后,智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器,采用的是8位A/D转换器,其测温精度较低,分辨力只能达到1℃。
目前,国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器,所用的是9~12位A/D转换器,分辨力一般可达0.5~0.0625℃。
由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器,能输出13位二进制数据,其分辨力高达0.03125℃,测温精度为±
0.2℃。
为了提高多通道智能温度传感器的转换速率,也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。
以AD7817型5通道智能温度传感器为例,它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27μs、9μs。
新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。
例如,DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟(RTC),使其功能更加完善。
DS1624还增加了存储功能,利用芯片内部256字节的E2PROM存储器,可存储用户的短信息。
另外,智能温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度测控系统创造了良好条件。
智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化,所采用的总线主要有单线总线、I2C总线、SMBus总线和SPI总线[2]。
1.2.2湿度传感器
湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。
湿度传感器主要分为电阻式和电容式两种,产品的基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜。
空气中的水蒸汽吸附在感湿材料上后,元件的阻抗、介质常数发生很大的变化,从而制成湿敏元件。
近年来,国内外在湿度传感器研发领域取得了较大的发展。
湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展[3]。
国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一,质量价格都相差较大,用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度,需要在这方面作深入的了解。
现在国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品,电容式湿敏元件较为多见,感湿材料种类主要为高分子聚合物,氯化锂和金属氧化物。
湿敏元件是最简单的湿度传感器。
湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜,当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时,元件的电阻率和电阻值都发生变化,利用这一特性即可测量湿度。
湿敏电阻的种类很多,例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。
湿敏电阻的优点是灵敏度高,主要缺点是线性度和产品的互换性差。
湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的,常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。
当环境湿度发生改变时,湿敏电容的介电常数发生变化,使其电容量也发生变化,其电容变化量与相对湿度成正比。
湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化,其精度一般比湿敏电阻要低一些[4]。
国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。
以Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例,其测量范围是(1%~99%)RH,在55%RH时的电容量为180pF(典型值)。
当相对湿度从0变化到100%时,电容量的变化范围是163pF~202pF。
温度系数为0.04pF/℃,湿度滞后量为±
1.5%,响应时间为5s。
除电阻式、电容式湿敏元件之外,还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件(利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率)、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。
湿敏元件的线性度及抗污染性差,在检测环境湿度时,湿敏元件要长期暴露在待测环境中,很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。
目前,国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司(HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型),Humirel公司(HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型),Sensiron公司(SHT11、SHT15型)。
这些产品可分成以下三种类型:
(1)线性电压输出式集成湿度传感器;
典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。
其主要特点是采用恒压供电,内置放大电路,能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号,响应速度快,重复性好,抗污染能力强。
(2)线性频率输出集成湿度传感器;
典型产品为HF3223型。
它采用模块式结构,属于频率输出式集成湿度传感器,在55%RH时的输出频率为8750Hz(型值),当上对湿度从10%变化到95%时,输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。
这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。
(3)频率/温度输出式集成湿度传感器;
典型产品为HTF3223型。
它除具有HF3223的功能以外,还增加了温度信号输出端,利用负温度系数(NTC)热敏电阻作为温度传感器。
当环境温度变化时,其电阻值也相应改变并且从NTC端引出,配上二次仪表即可测量出温度值。
2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT(DHT)11、SHT(DHT)15型智能化温度/温度传感器,其外形尺寸仅为7.6(mm)×
5(mm)×
2.5(mm),体积与火柴头相近。
出厂前,每只传感器都在温度室中做过精密标准,标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中,在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。
它们不仅能准确测量相对温度,还能测量温度和露点。
测量相对温度的范围是0~100%,分辨力达0.03%RH,最高精度为±
2%RH。
测量温度的范围是-40℃~123.8℃,分辨力为0.01℃。
1.3课题主要内容及结构安排
本设计以STC89C51单片机为核心来对环境的温湿度进行实时巡检。
各检测单元(传感器)能独立完成各自功能,同时能根据主控机的指令对温湿度信息进行实时采集。
并将采集来的信息通过液晶屏显示清晰的呈现给用户,如果采集的信息超出了预设范围,蜂鸣器将给出报警示意用户,以便做出及时决定。
本系统能够同时检测多路温湿度,检测温度范围-55℃~+125℃。
根据实际需要,检测点数可以扩展。
系统采用DHT11湿度传感器,产生数字信号传输给单片机进行分析、处理和控制显示。
湿度检测范围为20%~90%RH,其检测精度为±
5%。
此外,本系统还具有报警模块,可设定报警上下限,当检测到任何数据超过设定上下限就进行报警。
2.方案比较和选择
2.1温度传感器的选择
方案一:
采用热电阻温度传感器。
热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。
现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。
其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。
铂的物理、化学性能极稳定,耐氧化能力强,易提纯,复制性好,工业性好,电阻率较高,因此,铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。
缺点是价格贵,温度系数小,受到磁场影响大,在还原介质中易被玷污变脆。
按IEC标准测温范围-200℃~650℃,XX电阻比W(100)=1.3850时,R0为100?
和10?
,其允许的测量误差A级为±
(0.15℃+0.002|t|),B级为±
(0.3℃+0.005|t|)。
铜电阻的温度系数比铂电阻大,价格低,也易于提纯和加工;
但其电阻率小,在腐蚀性介质中使用稳定性差。
方案二:
采用模拟集成温度传感器AD590,它的测温范围在-55℃~+150℃之间,而且精度高。
M档在测温范围内非线性误差为±
0.3℃。
AD590可以承受44V下向电压和20V反向电压,因而器件反接也不会损坏,使用可靠。
它只需直流电源就能工作,而且,无需进行线性校正,所以使用也非常方便,接El也很简单。
作为电流输出型传感器和电压输出型相比,它有很强的抗外界干扰能力。
AD590的测量信号可远传百余米。
方案三:
采用数字化温度传感器。
DSl8B20是Dallas半导体公司研制的一款数字化温度传感器,支持“一线总线”接口,即只通过一根信号线完成数据、地址和控制信息的传输。
该器件只有3个引脚(即电源VDD、地线GND、数据线DQ),且不需要外部元件,内部有64位光NROM,64位器件序列号出厂前就被光刻于ROM中,可作为器件地址序列码,便于实现多点测量。
全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内;
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性,适合于恶劣环境的现场温度测量,如:
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
该电路的检测温度范围为-55~+125℃:
精度为±
0.5℃(在-10℃~+85℃范围);
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字温度值读入。
系统有如下特点:
(1)不需要备份电源,可通过信号线供电;
(2)送串行数据,不需要外部元件;
(3)零功耗等待;
(4)系统的抗干扰性好,适合于恶劣环境的现场温度测量,如环境控制、设备过程控制、测温类消费电子产品等。
考虑到硬件设计的性价比,综合本系统需要满足的技术指标我们选择方案三。
2.2湿度传感器的选择
测量空气湿度的方式很多,其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化,间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。
电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。
采用CHR-01湿敏电阻。
CHR-01湿敏电阻适用于阻抗型高分子湿度传感器,它的工作电压为交流1V,频率为50Hz~2kHz,测量湿度范围为20%~90%RH,测量精度±
5%,工作温度范围为0~+85℃,最高使用温度120℃,阻抗在60%RH(25℃)时为30(21~40.5)KΩ。
采用555时基或RC振荡电路,将湿度传感器等效为阻抗值,测量振荡频率输出,振荡频率在1kHz左右。
采用DHT11数字温湿度传感器,这款传感器和Sensiron公司研制的SHT1X同属一个系列只是测量精度上不同,这是一款含有已校准熟悉信号输出的温湿度复合传感器,它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式存在OTP内存中,传感器内部在检测型号的处理过程中药调用这些校准系数。
单线制串行接口,使系统集成变得简易快捷。
综合比较,方案一需要很好地解决引线误差补偿、多点测量切换误差和放大电路零点漂移等问题,需要在接口上需要A/D转换器,因而造成结构复杂且成本高,调试也繁琐,测量温度的精度也很低,方案二把以上的功能都集成在芯片里面,数字输出,可直接和mcu相连,电路结构简单,精度高,虽然也有温度检测的功能,但其精度没有DS18B20高,所以只用它的湿度检测功能。
相比较,选择方案二。
2.3单片机的选择
在多数电子设计当中,基于性价比的考虑,8位单片机仍是首选。
目前,8位单片机在国内外仍占有重要地位。
在8位单片机中又以MCS-51系列单片机及其兼容机所占的份额最大。
MCS-51的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化,设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型,他们只需将重点放在芯片内部资源的比较上。
采用AT89C51芯片作为硬件核心,采用FlashROM,内部具有4KBROM存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。
采用AT89C51片内ROM全都采用FlashROM;
能以3V的超底压工作;
同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间,同样具有89C51的功能,且具有在线编程可擦除技术,当在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,不需要对芯片多次拔插,所以不会对芯片造成损坏。
STC89C51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和在线系统可编程Flash,使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
方案一是多年前的的产品,因自身设计缺陷,已经很少被人使用。
方案二和方案三使用差别不大,但方案二需要专有下载线,方案三使用串口下载即可。
因此选择方案三。
2.4本章小结
本章主要介绍环境检测仪用到的主要芯片的选择,如温度传感器、湿度传感器、控制处理芯片等。
对比考虑各器件性能、特点、使用难易度、成本等因素,选择适合本产品指标的元器件。
3.系统整体设计
本方案以STC89C51单片机系统为核心来对温度、湿度进行实时控制和巡检。
各检测单元能独立完成各自功能,并根据主控机的指令对温湿度进行实时采集。
主控机负责控制指令的发送,并控制各个检测单元进行温度采集,收集测量数据,同时对测量结果进行整理和显示。
其中包括单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。
系统方框图如图3.1:
放大电路
STC89C51
液晶显示
AD模式
时钟电路
控制按键
复位电路
图3.1系统方框图
3.1信号采集
3.1.1温度传感器
(1)DS18B20简介
DSl8820是美国DALLAS公司最新推出的数字式温度传感器,与传统的热敏电阻有所不同的是它可直接将被测温度转化成串行数宁信号供微机处理,并且根据具体要求,通过简单的编程实现9位的温度读数。
并且多个DSl8820可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。
由于每一个DSl8820出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中,因此CPU可用简单的通信协议就可以识别,从而节省了大量的引线和逻辑电路。
(2)DS18B20功能特点
1)3.0~5.5V单电源供电
2)微型化、低功耗、抗干扰能力强、易与微处理器接口
3)温度测量范围为—55°
C~+125°
C,测温分辨率可达0.5°
C
4)3引脚TO—92小体积封装或8引脚μSOP封装
5)可编程为9位~12位A/D转换精度
6)只需一根端口线就能与微处理器通讯
7)每只DS18B20有唯一的序列号并可存入其ROM中,便于实现多芯片多点测量
8)在使用中不需要任何外围元件
9)用户可定义的非易失性温度报警设置
图3.2DS18B20
(3)DS18B20结构和工作原理
图3.2是表示DS18B20的结构图,表3.1已经给出了引脚说明。
64位只读存储器储存器件的唯一片序列号。
高速暂存器含有两个字节的温度寄存器,这两个寄存器用来存储温度传感器输出的数据。
除此之外,高速暂存器提供一个直接的温度报警值寄存器(TH和TL),和一个字节的的配置寄存器。
配置寄存器允许用户将温度的精度设定为9,10,11或12位。
TH,TL和配置寄存器是非易失性的可擦除程序寄存器(EEPROM),所以存储的数据在器件掉电时不会消失。
DS18B20通过达拉斯公司独有的单总线协议依靠一个单线端口通讯。
当全部器件经由一个3态端口或者漏极开路端口(DQ引脚在DS18B20上的情况下)与总线连接的时候,控制线需要连接一个弱上拉电阻。
在这个总线系统中,微控制器(主器件)依靠每个器件独有的64位片序列号辨认总线上的器件和记录总线上的器件地址。
由于每个装置有一个独特的片序列码,总线可以连接的器件数目事实上是无限的。
DS18B20的另一个功能是可以在没有外部电源供电的情况下工作。
当总线处于高电平状态,DQ与上拉电阻连接通过单总线对器件供电。
同时处于高电平状态的总线信号对内部电容(Cpp)充电,在总线处于低电平状态时,该电容提供能量给器件。
这种提供能量的形式被称为“寄生电源”。
作为替代选择,DS18B20同样可以通过VDD引脚连接外部电源供电。
图3.3DS18B20内部结构
表3.1DS18B20引脚说明
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下,也可以向器件提供电源
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时,此引脚必须接地
(4)硬件设计
DS18B20可以通过从VDD引脚接入一个外部电源供电,或者可以工作于寄生电源模式,该模式允许DS18B20工作于无外部电源需求状态。
寄生电源在进行远距离测温时是非常有用的。
当总线为高电平时,寄生电源由单总线通过VDD引脚。
这个电路会在总线处于高电平时偷能量,部分汲取的能量存储在寄生电源储能电容内,在总线处于低电平时释放能量以提供给器件能量。
当DS18B20处于寄生电源模式时,VDD引脚必须接地。
寄生电源模式下,单总线和电容在大部分操作中能提供充分的满足规定时序和电压的电流给DS18B20。
然而,当DS18B20正在执行温度转换或从高速暂存器向EPPROM传送数据时,工作电流可能1.5mA。
这个电流可能会引起连接单总线的弱上拉电阻的不可接受的压降,这需要更大的电流,而此时电容无法提供[7]。
为了保证DS18B20由充足的供电,当进行温度转换或拷贝数据到EEPROM操作时,必须给单总线提供一个强上拉电阻。
用漏极开路把I/O直接拉到电源上就可以实现。
在发出温度转换指令或拷贝暂存器指令之后,必须在至多10us之内把单总线转换到强上拉,并且在温度转换时序或拷贝数据时序必须一直保持为强
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