1、温湿度测控系统DLMU大连海事大学毕业论文基于单片机温室大棚温湿度的控制系统设计专业班级：电子信息科学与技术专业2010级一班姓 名：安清洁学 号：2220103900指导教师：鲁晓东老师二零一四年五月概要本文主要讨论基于单片机（AT89C52）温室大棚温湿度的控制系统的设计。主要介绍了单片机（AT89C52），LCD1602，数字温湿度传感器的基本使用方法；以及传感器与单片机的通信模块，显示模块，报警模块，控制模块以及数据采集和处理模块的设计方法。由于温湿度传感器种类繁多，本文主要介绍SHT10温湿度传感器和DHT11温湿度传感器的使用方法。关键词：单片机(AT89C52)、温湿度传感器、L
2、CD1602AbstractThis dissertation mainly discusses the control systems design for greenhouse which based on MCU（AT89C52）.Mainly introducing the method of use of MCU(AT89C52), LCD1602,digital temperature and humidity sensor.As well as the design method of the communication module between the sensor and
3、 MCU,the display module,the alarm module,the control module and the module of data acquisition and processing.Due to the kind of temperature and humidity sensor is various,this dissertation mainly introducing the design method of SHT10 and DHT11.Keyword：MCU(AT89C52),temperature and humidity sensor,L
4、CD1602目录第一章 引言 51.系统设计的背景及意义 52.发展现状及前景 6第二章 系统设计方案 7 1.系统构成简述 7 2.系统的基本功能 7 3.主要技术参数 7 4.工作原理概述 8第三章 电子器件及仿真软件介绍 91.单片机（AT89C52） 92.SHT10温湿度传感器 113.DHT11温湿度传感器 14 4.LCD1602液晶显示器 185.Keil uVision仿真软件 22 6.Proteus 7 Professional仿真软件 23第四章 温湿度测量与控制系统设计流程 25 1.使用SHT10温湿度传感器的设计流程 25 1.1 SHT10传感器模块 25 1.
5、2 LCD1602液晶显示模块 25 1.3 模拟控制输出模块 26 1.4 报警模块和键入模块 27 1.5 仿真测试 27 2.使用DHT11温湿度传感器的设计流程 27 2.1 DHT11温湿度传感器模块 27 2.2 LCD1602液晶显示模块 28 2.3 报警模块，键入模块和模拟控制模块 28 2.4仿真测试 29第五章 仿真结果及实物测试 30 1.基于SHT10温湿度传感器的测量与控制系统 30 2.基于DHT11温湿度传感器的测量与控制系统 33第六章 设计总结 35 1.对设计方案的评价 35 2.自我评价 35附录 37 一、说明 37 二、SHT10程序示例 37 三、
6、DHT11程序实例 48 四、DHT11系统电路图 62第一章 引言1.系统设计的背景及意义二十世纪八十年代，人类文明进入第三次工业革命。包括原子能、电子计算机、空间技术、生物工程等领域的发明和应用有了重大飞跃。尤其是微电子领域，渗透到人们生活的每一个角落。而且正在向着智能化，自动化的方向蓬勃的发展。其中传感器的应用必不可少，可以说传感器技术与应用是现代科技的前沿。温湿度测量与控制就是一个典型的应用。温室大棚，动物养殖，档案管理，药品储存，烟草行业等生活领域都需要严格的检测温度和湿度，并需要实时控制温度和湿度。温度和湿度是温室大棚重要指标，它直接影响到农作物的生长和产量。为了保障农作物的产量，
7、实时的检测温湿度尤为重要。而以往的检测方法包括：饱和盐法，露点法，干湿球法等，这些方法通过人工测量，很难达到实时、准确的检测，并且效率低，并造成人力资源的浪费。由此，我们需要一个效率高，并且实时性强的智能检测与自动控制系统。2.发展现状及前景如今人类生活正在面向智能化，自动化，节能化。传感器系统的设计与应用行业也在高速发展。但是模拟传感器在现代领域所占比例较大，而数字传感器却刚刚萌芽。但是伴随着半导体技术和材料科学的发展进步，数字传感器将得到量与质的飞跃。温湿度传感器已经被应用于日本某名牌手机的设计中。同时Windows 8、Android 4.0增加了对温湿度传感器的API支持，由此，第三方
8、开发者可以在此基础上研发大量的应用软件。随着随着数字式温湿度传感器精度高，成本低，便宜设计开发的优点，在今后的科技领域，将得到更好的发展。第二章系统设计方案1.系统构成简述该温湿度测量与控制系统由数据采集模块、数据处理模块、数据输出模块和控制模块。温湿度传感器构成数据采集模块；MCU构成数据处理模块和控制模块；LCD1602，报警电路以及各种控制电路构成数据输出模块。2.系统的基本功能 测量温度，并显示。 测量湿度，并显示。 温度或湿度超过阈值，声光报警。 报警的同时，自动启动控制系统，改善环境的温湿度。 阈值能够实时的设定。3.主要技术参数 SHT10的技术参数 温度测量范围：-40123.
9、8 温度测量精度：0.5 湿度测量范围：0%RH100%RH 湿度测量精度：4.5%RH 阈值参数设定：手动设定 DHT11的技术参数 温度测量范围：050 温度测量精度：2 湿度测量范围：20%RH90%RH 湿度测量精度：5%RH 阈值参数设定：手动设定4.工作原理概述温湿度传感器将采集到的数字信号传送到MCU，MCU将温湿度数据进行处理运算，显示到LCD1602上；同时将温湿度数据与设定的阈值进行比较，如果超出阈值，那么将启动报警模块，并开启相应的控制电路，改善环境。如果未超出阈值，将不做任何操作。下图为系统的工作原理图图2.4.1 系统工作原理图第三章电子器件及仿真软件介绍1.单片机（
10、AT89C52）单片机种类繁多，在此只简述AT89C52单片机。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。图3.1.1为AT89C52单片机图示，图3.1.2为单片机引脚图。图3.1.1 单片机AT89C52 图3.1.2 AT89C52引脚图 AT89C52指令系统与MCS51相同。并且具有8
11、KB的EEPROM作为程序存储器，以及256B的内部RAM，其中80HFFH字节与特殊功能寄存器的地址重叠，如果访问地址大于7FH，则依靠寻址方式来区分，如果是直接寻址方式，则访问特殊功能寄存器，其他方式，则访问内部RAM的高128字节。单片机的工作频率在024MHz之间。并且具有3个16位的定时/计数器。可以实现对外部事件计数功能，也可以作为定时器使用。工作方式由特殊功能寄存器的TCON决定。AT89C52具有6个中断向量，包括串行中断，两个外部中断（INT0和INT1），三个定时器中断（TF0、TF1和TF2）。中断源可以通过设置专用寄存器IE来实现中断的开关。另外EA为中断源的总开关。使
12、用中断时，应先把总开关EA打开。AT89C52具有32个数据引脚。包括P0端口、P1端口、P2端口和P3端口，功能和用途各不相同。P0口是一组双向I/O口，可以作为地址/数据复用。P1口普通的双向I/O口，其中P1.0和P1.1还可作为定时/计数器2的外部计数输入端。P2口常作为地址输出口输出高八位地址。P3口可作为普通I/O口使用，也可以作为第二功能使用。ALE/PROG：ALE地址锁存信号，当访问外部存储器时，P0口作为地址低八位输出，同时产生ALE信号，使得地址低八位通过锁存器锁存。PROG对内部EEPROM编程时，编程脉冲由此输入。PSEN：外部程序存储器选通信号。RST是单片机的复位
13、输入端，当持续出现两个机器周期的高电平时，单片机复位。复位电路如图3.1.3：图3.1.3 单片机复位电路 XTAL1和XTAL2：单片机的时钟端，分为内部时钟（图3.1.4）和外部时钟（图3.1.5）。图3.1.4 内部时钟 图3.1.5外部时钟 EA/VPP：外部访问允许端。2.SHT10温湿度传感器SHT10温湿度传感器将传感器元件和信号处理电路集成在一起，输出数字信号。具有极高的可靠性与稳定性。传感器中内含湿度敏感元件、温度敏感元件和一个14位A/D转换器。图3.2.1为SHT10图例，图3.2.2为SHT10的引脚图。 图3.2.1 SHT10温湿度传感器 图3.2.2 SHT10引
14、脚图 SHT10温湿度传感器在超出工作范围后会导致信号暂时性漂移，当恢复到正常工作范围是，传感器会缓慢的自动恢复并校正。如果曾在极端环境中或者化学蒸汽中工作过，可以采用烘干和重新水合处理。使其恢复到校准状态。工作范围参考图3.2.3：图3.2.3 SHT10工作范围 气体的湿度，一般决定于温度，因此为了较准确的测量湿度，应该尽量保证所测同一湿度的传感器工作在同一温度下。SHT10温湿度传感器共有四个有效引脚，分别是GND，VDD，DATA和SCK引脚。其中VDD和GND为电源引脚。正常供电电压为2.45.5V。此系列传感器不能按照I2C总线协议编址，但是可以加载到I2C总线上，但必须按照传感器
15、的工作协议。SCK引脚用于SHT10与单片机之间的同步通信。不存在最小工作频率。DATA引脚为三态型。当传感器接收数据时，DATA在SCK上升沿有效并且在SCK高电平时维持稳定。DATA在SCK下降沿时可以改变。传感器与单片机通信时，首先启动传感器，对传感器进行通电，此时传感器进入休眠状态。然后才能发送命令，需要一组“启动传输”时序对传感器进行初始化。接着传送三个地址位和五个命令位。测量时，发布一组测量命令。如测量湿度为00000101，测量温度为00000011。等待一段时间后，传送2个字节的测量数据和1个字节的奇偶校验。图3.2.4为状态寄存器写时序，图3.2.5为状态寄存器读时序，图3.
16、2.6为全部通信过程时序，图3.2.7为湿度测量时序示例。图3.2.4状态寄存器写时序图3.2.5状态寄存器读时序图3.2.6 通信过程图3.2.7 温度测量时序示例由于实际温度与测试参考温度25 (77)的显著不同， 湿度信号需要温度补偿。温度校正粗略对应于0.12%RH/50%RH，温度补偿系数请参阅图3.2.8。图3.2.8 温度补偿系数3.DHT11温湿度传感器DHT11数字温湿度传感器是一种内含校准的温湿度复合传感器。采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具备较高的可靠性与稳定性。DHT11温湿度传感器具备独特的单总线传输协议，使得其与单片机通信更为快捷，并且有效地节省单片机的
17、I/O口资源。编码方式为8位二进制数，具有全部校准功能。能够输出40bit二进制数，湿度整数部分占1Byte，小数部分占1 Byte；温度整数部分占1 Byte，小数部分占1 Byte，最后1Byte为校验和。其中湿度为高16位，温度为中间16位。由于采用数字信号输出，因而不需外部A/D转换。图3.3.1为DHT11外形及管脚。图3.3.1 DHT11外形及管脚其中VDD和GND引脚提供电源，Dout为数据输入/输出引脚。NC接地。DHT11温湿度传感器与单片机通信电路比较简单，只需占用一个I/O口。需要注意的是连线长度大于20米时，需要设计合适的上拉电阻；当小于20米时，需要设计5K的上拉电
18、阻。典型通信电路如图3.3.2。图3.3.2 典型电路 DHT11温湿度传感器采用奥松电子有限公司开发的单总线协议。其与单片机通信具有严格的读写协议，以确保数据的正确性和稳定性。整个通信过程为：单片机发送起始信号，并接收传感器的响应信号，单片机接收40Bit的数据。所有数据单片机只发送复位信号，其余数据都有DHT11产生。图3.3.3为单片机复位信号和DHT11响应信号时序。图3.3.4为读DHT11数据流程图3.3.3 单片机复位信号和DHT11响应信号时序图3.3.4 读DHT11数据流程 数字信号中的0和1，在传输线上不是高低电平表示，而是用高电平的持续时间表示。数据0传送方法：DHT1
19、1将总线先拉低12-14us，然后拉高并持续26-28us。数据1传送方法：DHT11将总线先拉低12-14us，然后拉高并持续116-118us。图3.3.5表示0的传送方式。图3.3.6表示1的传送方式。图3.3.5 数据0的传送方式图3.3.6 数据1的传送方式4.LCD1602液晶显示器 LCD1602液晶显示器为数字型，直接与单片机接口相连，简单可靠，操作方便。其显示原理是利用液晶的物理特性，通过电压进行控制显示。LCD1602为字符型显示器，专门用于显示数字，字母，符号等。规格为16*2。图3.4.1为LCD1602的实物图图3.4.1.a LCD1602实物图（正面）图3.4.1
20、.b LCD1602实物图（背面）LCD1602采用14引脚（无背光）或16引脚（有背光）借口。各引脚功能见图3.4.2。图3.4.2 LCD1602各引脚功能LCD1602共具有11条控制指令，如图3.4.3。指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。图3.4.3 LCD1602指令功能指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表
21、示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。 LCD1602中内部字符发生存储器（CGROM）已经存储有1
22、60个不同的点整字符，其对应地址和点阵字符如图3.4.4。图3.4.4 地址与字符对应表5.Keil uVision仿真软件 Keil C51是美国Keil Software公司出品的兼容51系列单片机的C语言开发系统。与汇编语言相比，C语言容易上手，便于开发。在结构上、功能上具有明显的优势，而且也具有很强的可读性，可维护性。Keil内含C语言编译器、宏汇编、连接器、库管理以及一个功能完善的仿真调试器。该仿真软件可以运行在Win98、NT、Win2000、WinXP等操作系统上，方便用户使用。2006年ARM推出针对各种嵌入式处理器的软件开发工具，集成Keil uVision3的RealVie
23、w MDK开发环境。2009年发布的Keil uVision4引入灵活地窗口管理系统，使开发人员能够使用多台监视器。为用户提供了一个灵活，快捷的开发环境。2013年，Keil正式发布了Keil uVision5 IDE。图3.5.1为Keil uVision3的窗口界面。图3.5.1 Keil uVision3的窗口界面6.Proteus 7 Professional仿真软件Proteus软件由英国Lab Center Electronics公司开发的EDA工具。不仅能够从事EDA开发，还具有较好的单片机系统仿真功能。是国内外单片机开发爱好者的青睐工具。图3.6.1为ISIS 7 Profes
24、sional的工作界面图3.6.1 ISIS 7 Professional的工作界面 Proteus具有原理布图，PCB自动或人工布线，SPICE仿真等功能特点。更具备电路仿真互动，处理器及外围电路仿真等革命性特点。 智能原理图设计：具有丰富的元件库以及智能的元件搜索引擎。智能的连线功能，使得设计电路更加方便快捷。并且支持总线结构。还可以输出高质量的图纸。 完美的电路仿真功能：具备基于工业标准SPICE3F5的ProSPICE混合仿真功能。包含各式各样的激励源以及丰富的虚拟仪器。还能生动的表示各引脚的数字电平。 单片机协同仿真功能：支持主流的各种CPU以及通用的外设模块。实时的仿真，编译及调试
25、功能。使得电子设计更加人性化。PCB设计平台：可以一键将原理图转为ARWS的PCB环境中的完整设计。具备先进的布线、布局以及完整的PCB设计功能。此外，还可以输出多种格式的工程文件。综合以上特点，可以看出Proteus是一个功能强悍的教学与学习及设计开发的软件资源。第四章温湿度测量与控制系统设计流程1.使用SHT10温湿度传感器的设计流程1.1 SHT10传感器模块SHT10温湿度传感器与单片机接口电路如图4.1.1。图4.1.1 接口电路a) 编写延时程序。延时长度为1ms。b) 编写复位程序，使SHT10复位，并启动工作。c) 编写数据发送和接受程序，正确的接收SHT10发送的数据。d)
26、编写数据处理程序，将数据转换为显示代码。1.2 LCD1602液晶显示模块 LCD1602液晶显示器与单片机接口电路如图4.1.2。图4.1.2a) 编写LCD1602液晶显示器启动程序。b) 编写固定字符显示程序。c) 编写数字字符显示程序。1.3 模拟控制输出模块 模拟控制输出电路与单片机接口如图4.1.3。图4.1.3a) 编写报警程序。b) 编写报警判断程序。1.4 报警模块和键入模块a) 编写键入程序。b) 编写声光报警模块程序1.5 仿真测试a) 首先对程序进行综合仿真。修改错误，直到通过编译。b) 然后进行电路连接。c) 最后进行电路仿真。下载程序，运行调试。2.使用DHT11温
27、湿度传感器的设计流程2.1 DHT11温湿度传感器模块 DHT11温湿度传感器与单片机接口电路如图4.2.1。图4.2.1a) 编写延时程序，延时长度1ms。b) 编写发送接收数据程序。c) 编写数据处理程序，将数据转换为显示格式。2.2 LCD1602液晶显示模块LCD1602液晶显示器与单片机接口如图4.2.2。图4.2.2d) 编写LCD1602液晶显示器启动程序。e) 编写固定字符显示程序。f) 编写数字字符显示程序。2.3 报警模块，键入模块和模拟控制模块 报警模块电路如图4.2.3。键入模块电路如图4.2.4。 图4.2.3 图4.2.4a) 编写报警程序。b) 编写键入程序。c) 编写模拟控制输出程序。2.4仿真测试d) 首先对程序进行综合仿真。修改错误，直到通过编译。e) 然后进行电路焊接。f) 最后进行电路上电运行。检查并纠正错误。第五章仿真结果及实物测试 由于Proteus的元件库中没有DHT11温湿度传感器，所以仿真部分介绍基于SHT10温湿度传感器的测量与控制系统，而实物测试介绍基于DHT11温湿度传感器的测量与控制系统。1. 基于SHT10温湿度传感器的测量与控制系统 仿真结果如图5.1.1。图5.1.1 SHT10仿真结果当温度高于设定阈值时报警，如
