1、基于STM32的温湿度数据采集系统第页目录 I摘要 IIAbstract II第一章绪论 41.1温湿度传感器的背景及意义41.2温湿度传感器国内发展现状41.3温湿度传感器的发展趋势 4第二章温湿度原理及相关技术 62.1温湿度传感器62丄1温度传感器62.1.2湿度传感器62.1.3温湿度传感器物理参数及定义72.2温湿度传感器的选型 72.3SHT21 简述 82.3.1SHT21 介绍 82.3.2SHT21通信原理9第三章系统硬件设计 113.1系统硬件设计主要框架113.2STM32芯片的功能描述123.2.1接 口 133.2.2STM32芯片接线图 153.3SHT21温湿度传
2、感器153.4LCD160 显示屏 163.4.1参数及引脚定义163.4.2LCD1602 接线图 193.5.系统复位 203.5.1系统复位功能作用 203.5.2系统复位工作原理 203.6电源模块21第四章系统软件设计 214.1软件平台简述214.2系统软件程序流程框图234.3主程序模块244.3.1主函数244.3.2显示函数 254.3.3计算函数 254.4SHT21 传感器 254.4.112C协议函数264.4.2延迟函数 284.5LCD1602 显示屏 28第II页4.5.1写指令函数294.5.2写数据函数304.5.3温湿度值得显示函数304.5.4延迟函数 3
3、1第五章系统仿真 315.1仿真软件介绍315.2电路仿真32第六章总结与展望34致谢 34参考文献 35附录 错误!未定义书签。摘要随着当代社会的快速的发展，人们把越来越多的科学技术应用于各个领域。温湿度的采集是作为自 动化科学中一个必须掌握的检测技术，也是一项比较实用的技术。在温室人棚中确保农业高效生产 的重要便是对温湿度、二氧化碳浓度等外部参数的实时与及时准确而精确的监测和协调与调节，同 时在文物保护方面，文物对于温湿度非常敏感的，及时检测和对温湿度的变化做出正确的反应，也 长久保护文物的一种必要手段。数据采集是获取信号对彖信息的过程。本次设计设计中实现了一个基于STM32F103的SH
4、T21温湿度 检测系统设计。通过选择了 STM32F103微控制器作为主控芯片和SHT21温湿度传感器来实现对温湿 度数据进行采集：在led显示屏上显示出温度和湿度，目的是实现温湿度的采集和显示同时本次设计 目的是提供方法进行可行性研究。这样的设计不仅能实时准确地测量出我们需要的温度和湿度数据, 而且还可以快速反应和显示周围环境的变化。关键词：STM32F103, sht21温湿度采集，程序设计AbstractWith the rapid developme nt of moder n society, more and more science and tech no logy are ap
5、plied in various fields The collection of temperature and humidity is a technology that must be mastered in the automation science” and it is also a practical technology. In the greenhouse to ensure efficient agricultural production in the importa nt is the exter nal parameters of temperature, humid
6、ity and carb on dioxide concentration real-time and timely and accurate monitoring and coordination and regulatioand in theprotection of cultural relics, artifacts are very sensitive to temperature and humidity, the timely detection and the temperature and humidity changes to make the correct respon
7、se, Iong-term protection of cultural relics of a necessary tool.Data acquisition is the process of acquiring the information of the signal object. The design of a SHT21 temperature and humidity detection system based on STM32F103 is implemented in this design. Through the choice of STM32F103 microco
8、ntroller as the main control chip and SHT21 temperature and humidity sensors to achieve for temperature and humidity data acquisition; in the LCD screen display of temperature and humidity to achieve temperature and humidity acquisition and display at the same time the design objective is to provide
9、 a method to con duct a feasibility study. This design not only can accurately measure the temperature and humidity data in real time, but also can quickly respond to the adverse changes in the surrounding environment.Keywords: STM32F103, SHT21 temperature and humidity acquisition, program design第一章
10、绪论1.1温湿度传感器的背景及意义我们依靠感觉器和借助感觉器官等为了从外界获得更多和更新的信息，可是仅仅如此是远远 不够的。这样就需要工具即传感器为了了解此种状况，因此传感器被我们当做人体内的附加 感觉器官，各种的环境各种的传感器。经研究调查，我们的体感并不是受仅仅受无温度和湿度的影响，温度和湿度有着密不可分与 不可分离的联系，结果就会受到两者相连系的影响，固在一定的温度条件下，空气中就会保 持相应的稳定的湿度和温度，研发出的温湿度传感器的作用就是为了清楚的知道我们周边的 温湿度。在食品与食物方面，非常致命对于温湿度对储存食品来讲就是至关重要的，人们能够运用和 使用温湿度传感器，获取温湿度的数
11、值，其变化就会促使人们了解什么温度下，食物变质而 不能食用。温湿度传感器就应该算是与我们口常生活紧密接轨和紧密联系的存在了吧，免去 不必要的麻烦，及时发现问题，解决问题。而今很多地方都种植温室养殖蔬菜水果其生长 对温湿度的要求是非常严厉和严格的，直观观察温湿度传感器的变化，就可以观察和了解植 物产生与生长，防止发生严重的事情即可能会导致植物死亡，同时控制温室人棚里面的温湿 度，就会确保植物在安全的环境卞生长。在监控文物方面,，文物博物馆也需要用到温湿度 传感器来测量温湿度数据，通过温湿度的变化来确定温湿度的量对文物的影响。但是要用到 温湿度传感器时，就必须对其进行全天候监控，因为文物对于温湿度
12、的需求是极其苛刻的, 因此必须无时无刻都要把数据传送给监控中心。温湿度传感器体型小就会容易放置和少占空间，同时必须灵敏度高、测量值准确才能根据其 变化采取必要措施，才能更好的发挥其作用。1.2温湿度传感器国内发展现状信息采集（即传感器技术）、信息传输（通信技术）和信息处理（计算机技术）就是当代信 息技术的三大基础。现代科技发展中传感器作为属于信息技术的前沿尖端产物，以致人们特 别把温度传感器普遍用于工农业生产、科学研究和生活等领域范畴，同时，在各类传感器中 数量高居首榜。近一个世纪以来，传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；模拟集成温度传 感器（控制器）；智能温度传感器就是温度传感器的发展人致
13、经历了以下三个阶段。当前，国 际上新型温度传感器朝模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的水平方向发展。总体来看，国内技术能力低、生产能力差、生产规模小，全跟不上和比不上国际水平，国内 仅存温度传感器生产厂家都还位于低水平竞争的形势卞。因为价格战的广泛，导致生产了低 下和下降质量的产品。同时也导致许多生产厂家要面对激烈的市场竞争。如果国内生产商想 要提升综合竞争力水平，就需要通过各种方式降低生产成本，减少固定输出，加强科学生产 力，科技创新。由此可知，在未来激烈竞争中处于有利地位的重要因素就是国内企业产品质 量的提高、技术创新以及成本降低的三方面的优化。目前，中国的温湿度传感器缺乏具体使 用
14、和发展解决产品性能和功能背后的技术产品更新周期缓慢的方案。产品质量必须要靠科技 创新来提高，才能解决问题之道。1.3温湿度传感器的发展趋势当前，全世界新的温度传感器朝模拟到数字到智能化、网络化方向的发展。在具有高精度、 多功能、标准总线、高可靠性、高安全性的传感器，智能温度传感器、虚拟传感器和传感器 网络作为二十一个世纪的高精度传感器的发展方向。随着科学技术的不断发展和开拓，科学 技术不断地提高测屋和自动化技术的自身的硬性需求，因此发展和创新越来越多的类型的温 度传感器种类，目前，中国的温湿度传感器缺乏具体使用和发展解决产品性能和功能背后的 技术产品更新周期缓慢的方案。产品质量必须要靠科技创新
15、来提高，才能解决问题之道。二 十一个世纪的高速发展，高精度智能温度传感器必须具有移动、多功能、标准化的总线，高 可靠性和高安全性的优点，同时开开拓虚拟传感器和传感器网络，开发的单片机温度测量系 统和其他高技术方向。第二章温湿度原理及相关技术2.1温湿度传感器温湿度是一个自然界中的一切过程无不与温湿度密切相关联的基本的物理量。因为温度和湿 度，无论是从物理方面来说还是在现实生活中都是与人们的生产生活密切相关的，以至两考 合为一体的温湿度传感器对应产生；温度和湿度传感器意味着能够将温度和湿度，转换成容 易被测量处理的电信号的设备或装置。2.1.1温度传感器相对于温湿度而言，温度传感器是首先发展的，
16、它是使用最普遍的传感器工具。温度传感器 用于检测设备的温度，数量最多，最广泛使用和增长最快的。正如我们所了解的，人部分的 口常使用电子元件和材料的特性，都随温度变化而改变。温度传感器主要有四种主要类型: 热电偶温度传感器、热敏电阻温度传感器、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。IC温度 传感器又包含模拟输出和数字输出这两种类型。1.热电偶工作原理热电偶的定义就是两种不同导体或半导体的组合。接触电势和温差电势合成的就是热电偶的 热电势EAB(T, T0)o两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势被称为接触电势，这种潜 在半导体或半导体的接触点的性能与温度有关。当两端连接到彼此的两种不同的导
17、体和半导体A和B形成一个回路时，只要温度在两端的 两端的温度形成差异，称为热端或者工作端，又称为自由端，当回路有电流时目前在电路中 的电动称为热电动势。这种现彖是由于在电动势温度差称为塞贝克效应。2.红外温度传感器工作原理制作红外温度传感器所利用的原理就是在自然界中，只要物体内部有势能时，那么就存在内 部热运动，就会向周I制连续不断辐射电磁波，它包扌舌了位于0.75100 Um波段的红外线 SMTIR9901/02是基于硅热电堆红外传感器，在当今商业领域，它是一个相对普遍应用的红 外线传感器。其原理测量原理就是：人屋的热电偶积累在底层的硅，高温和低温通过接触隔 离层的的热薄脸隔离能量，热结上方
18、的黑色吸收层的入射辐射转化为热能的热电效应表明输 出电压的辐射成正比，一般热电堆把BiSb和NiCr作为热电偶。3温度传感器工作原理-模拟温度传感器AD590是一款3301/的电源额定电压范围，输出电流为223 U A 423 U A,灵敏度A/C 的电流输出温度传感器。只要在电路中串联取样电阻R,输出电压就可以当作R两头电压。 R不能有太多的阻力，用来确保在AD590的电压要高于或等于3V。AD590输出电流信号具 有超过lkm的传输距离能。R作为一个最高达20MQ高阻抗电流源，固无须考虑选择开关 转换或CMOS多路转换器引起的附加电阻，对温湿度传感器的影响而导致的误差。此模拟温 度传感器适
19、用控制多处温度测量和远程温度测量。4.温度传感器工作原理-数字式温度传感器它采纳硅技术，制造而成的数字温度传感器。通过调节比较器的工作周期为一个数字信号输 出与温度成正比，占空比和温度之间的关系如下公式：DC=0.32+0.0047*t, T摄氏度。它的输 出数字信号与MCU相兼容，通过高频采样可以计算出输出方波信号占空比，便能得到温度。 温度传感器凭借其特殊的技术，分辨率优于0.005ko测量温度范闱-45130C,它被普遍应 用于高精度的坏境和场合。2.1.2湿度传感器湿度传感器能将感测气体中水汽含量的值转换成传感器输出信号流，以直观显示，便于观察。 其偏是两者之中最简单的，它主要有电阻式
20、、电容式两大类。测量湿度利用的特性就是湿度电阻在基板表层的一层表征膜覆盖湿敏材料，当水把水蒸气吸 附于湿度敏感薄膜上时，其电阻率和电阻值元素发生变化，利用其中的变化就可得湿度。 湿度一般用由高分子材料制作而成电容器的电容膜。高分子材料常用就有聚苯乙烯、聚酰亚 胺、丁酸酯纤维。当介质的电容随着周闱坏境湿度量发生改变时改变，同时电容人小发生了 改变，此中电容与相对湿度的变化形成正比。电子湿度传感器精度可达2-3%相对湿度，这是高于干湿球测量精度。环境湿度的检测中，线性差耐湿度传感器，在测试坏境湿度传感器长期与空气接触，非常容 易被污染，直接导致测屋精确性和长久稳定性。那么就必须寻找更好的方法测量湿
21、度计的方 法了。2.1.3温湿度传感器物理参数及定义温度：度量物体冷热的物理量，是国际单位制中7个基本物理量之一；在生产和科学研究 中，许多物理现彖和化学过程都是在一定的温度下进行和发生的，人们的生活也和温度有 着密不可分的联系；湿度：湿度很久以前便与生活存在着密不可分的关系，但用数量来对其表示较为艰难： 口常生活中最常用的表示湿度的物理量就是空气的相对湿度；用RH表示；在物理量的推 导上相对湿度与温度有着密不可分的联系：一定体积的密闭气体，其温度越高相对湿度越 低，温度越低，其相对湿度越高，两者成反比：其中涉及到复杂的热力工程学知识； 同时还有有关湿度的一些定义：相对湿度：在计量法中规定，湿
22、度被定义为“物彖状态的量”；口常生活中所指的湿度 就是相对湿度，用RH%表示。总之，即气体中（通常为空气中）所含水蒸气量（水蒸气 压）与其空气相同情况下饱和水蒸气量（饱和水蒸汽压）的百分比；绝对湿度：指单位容积的空气里实际所含的水汽量，一般以克为单位；温度对绝对湿度有 着直接的影响，通常情况下，温度越高，水越容易蒸发，水蒸气得越多，绝对湿度就越大： 相反，绝对湿度就小；饱和湿度：在一定温度卞，单位容积，空气中所能容纳的水汽量的最人限度。如果超过这个 限度，多余的水蒸气就会凝结，变成水滴，此时的空气湿度变称为饱和湿度；空气的饱和 湿度不是固定不变的，它随着温度的变化而变化；温度越高，单位容积空气
23、中能容纳的水蒸 气就越多，饱和湿度就越大，两者成正比；露点：指含有一定量水蒸气（绝对湿度）的空气，当温度下降到一定程度时所含的水蒸气就 会达到饱和状态（饱和湿度）并开始液化成水，这种现象叫做凝露；水蒸气开始液化成水 时的温度叫做“露点温度”，简称“露点”。若温度继续下降到露点以下，空气 中超饱和的水蒸气就会在物体表面上凝结成水滴。此外，风与空气中的温湿度有密切关系, 也是影响空气温湿度变化的重要因素之一。2.2温湿度传感器的选型本次系统设计将SHT21温湿度传感器作为本次设计选择的温湿度传感器。新一代Sensirion温湿度传感器在尺寸与智能方面创立了新的标准：它把适于回流焊的双列 扁平无引脚
24、DFN封装嵌入其中，底面3x3mm ,高度1.1mm。传感器标准的I2C格式，数 字信号被输出经过标定。SHT21配有经过改进的电容式湿度传感元件和标准的能隙温度传感元件各一个的全新 设计的CMOSens芯片，其质量有着已经人大提高以致超出了前一代传感器（SHTlx和SHT7x） 的可靠性程度。例如，新一代湿度传感器，已经经过改进的性能被使其在高湿坏境下的更稳 定和更优越。每一个传感器都被经过校准和测试。印有产品批号的产品表面，同时以在芯片 内保存的电子识别码可以被通过输入命令读出。其中，输入命令把SHT21的分辨率进行改 变（8/12bit乃至12/14bit的RH/T）,通过传感器可以把电
25、池低电量的状态检测出来，而且 可以把输出校验和，然后经查证，通讯的可靠性被有助于提升。因为对传感器做了改良和微 型化改进和改良，所以它的性价比更高，更优越，更实用，并且至终全数设备都将会被得益于尖端的节能运行模式。SHT21配有4C代CMOSens芯片。除了包拾一个放大器、A/D转换器、OTP内存和数字 处理单元，此芯片电容式相对湿度传感器和能隙温度传感器同时都配有。固选择SHT21温湿度传感器。2.2SHT21 图2.3SHT21 简述2.3.1SHT21 介绍SHT21该传感器可以检测环境的温度和湿度。测量，湿度精度+2%RH （20%80%RH的控温精度度+0.3 （25度至42摄氏度）
26、。传感器校准，无论是提供一世二C数字接1丨，还可以 提供PWM模拟输出模式。因为数字通信可以人降低功率消耗，例如在正常工作状态下功率 消耗可以是3W F测量间隔的延长的情况卞，功耗可进一步降低，因此在实际使用SHT21处 理在中间，都是协调电路数字信号转换。除此之外外，SHT21分辨率，也可以通过指令进行 8/12位达到12/14bit的之间的范怜I内的变化，容易检测的电功率的状态下，在同一当输出 被选中时，它有利于提高通信的可靠性。接口介绍：2.3.1SHT21 接 I I 图2.3.2SHT21 结构图箪片机NC与VSS内部已连接，必须保持悬空状态。 每个接口定义如下：VSS: VSS=G
27、ND,接地端;VDD:接电源；电源(VDD)和接地(VSS)之间须连接一个lOOnF的去耦电容SDA: SDA=DATA,用于传感器数据的输出与输入;当传感器发送命令时，当SCL为高电平时，SDA 必须持续稳定，而当串行时钟(SCL)的上升时，SDA就有效。当SDA值在SCL下降沿之后 可能回发生变化。SCL: SCL用来选择输出湿度信号或者温度信号。SCL高电平输出湿度信号,SCL低电平输出温 度信号。2.3.2SHT21通信原理SHT21遵循I2C协议来通信的。I2C协议是单片机与其它芯片常用的通讯协议。I2C协议具有 两条两条双向串行线，数据线SDA,时钟线SCL。SDA传输数据是传输，
28、每次传输都是一字 节8bit,。支持多主控(multimastering),任何时间点只能有一个主控制。总线上每个设备都有 自己的一个addr,共7个bit,广播地址全0。串行数据线SDA和串行时钟线SCL构成的, 可发送和接收数据。所有具有I2C总线接I I的挂接在I2C总线上的器件和接I I电路都应与的 SDA/SCL同名端相连。总线上全数元器件要依靠SDA发送的地址信号寻址，不必需要另外选 线和接线同。因此多主机总线具备总线仲裁和高低速设备同步等功能的高性能。cc图2.3.2.1典型的I2C总线系统结构 温湿度传感器工作时分为以卞几个步骤：1.MCU与传感器的通讯第一步，将传感器上电至V
29、DD(2.1V-3.6V)o通电后，最多等待须要150ms的时间传感器就会 进入静止状态。这段时间内，SDA是未定义状态，之后传感器开始测量并输出PWM比特流。PWM即脉宽调制信号以恒定频率运行，通过基于这个频率的占空比获得测量结果，见图 2.4.2.1o SCL拉高时测量的数据值为湿度，SCL拉低时测量的数据值为温度。VDD0V23 .2.2 PWM信号图对其发送一组“启动传输”命令序列，来完成初始化数据传输。它包含几个命令时序：初始 时SCL时钟为电平，紧接着SDA就会跳变为低电平，然后立马SCL跳变为低电平，随后接 连传输命令，在SCL时钟高电平时SDA跳转为高电平。后续命令序列包括3个
30、地址 位地址和五5个命令位命令。SHT21温湿度传感器表示已正确地接收到指令时，会用下述方式来表示：在第八个SCL时 钟的下降沿之后，SDA被下拉变为低电平（ACK位）。在第9个SCL时钟的下降之后，释 放SDA（恢复高电平）。2.启动传感器第一步，将传感器上电，电压为所选择的VDD电源电压（范围介于2.1V与3.6V之间）。通 电之后，最多需要15亳秒时间传感器（此时SCL为高电平）就会到达空闲状态，就是准备 好接收由主机（MCU）发送的命令。启动时的最大电流消耗为350|iAo3.启动/停止时序每个传输序列都以Start状态作为开始并以Stop状态作为结束。如图图2.323和图2.3.2.
31、4 所示：图 23.2.3传输状态（S）-当SCL为高电平时，SDA由高电平跳转为低电平：总线状态就是由主机控制 的一种特殊的的状态，它就是开始状态，指示从机传输开始（Start之后，BUS总线通常考 虑为处于占线状态）； 70%-30%-70%-30%图 23.2.4停止传输状态（P）当SCL高电平时，SDA线上从低电平跳转为高电平；总线状态是由主 机总线状态控制的一种特殊的状态，它就是停止状态，指示从机传输结束（Stop之后，BUS 总线通常考虑为处于闲置状态）。宀|刘铮;陈拓；高結度温湿度传感器SHT2X的应用J-单片机与嵌入式系统应用-2013-01-014.发送命令当启动传输之后，紧
32、接着传输包含7位的I2C设备地址（B-范例地址*1000* 000）的I2C 首字节和一个SDA方向位（读R： V,写W： 0）。当第八个SCL时钟下降沿之后，就能 把SDA引脚拉至ACK位，传感器被指示正常接收数据。在发出测量命令之后（1110* OOir 表示温度测量，1110 oior表示相对湿度测量），MCU 定要等待测量完成。基本的命 令在表6中进行概述。主机模式或非主机模式就是两种不同的模式。命令卩代码d触发T测星保持主机“11100012触发RH测量/保持主机2111001014-1触发T测星卩非保持主机十11110012触发RH测量a非保持主机J11110102写用户寄存器21U0011O1
