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第一章概述1
1.1课题的研究背景1
1.2课题的研究目的和意义1
1.3国内外发展现状和发展趋势2
1.4本文结构3
第二章系统的总体设计4
2.1系统的设计思路4
2.2系统的设计要求4
2.2.1基本功能4
2.2.2主要技术参数4
2.3方案的比较和论证5
第三章系统的硬件设计7
3.1系统主控电路7
3.1.1AT89C52单片机8
3.1.2主要功能特性8
3.1.3主要引脚9
3.2数据采集模块9
3.2.1数字温湿度传感器SHT1010
3.2.2SHT10的工作原理10
3.2.3传输开始时序11
3.2.4连接复位时序12
3.2.5温湿度测量时序12
3.3显示模块设计13
3.3.1LCD1602简介14
3.3.2LCD1602主要技术参数15
3.3.3LCD1602引脚功能15
3.3.4LCD1602指令集16
3.4报警电路18
3.5系统的原理图19
第四章系统的软件设计20
4.1主程序设计20
4.1.1系统主程序流程图20
4.1.2系统主程序21
4.2温湿度测量程序流程图22
4.3报警器流程图23
第五章系统仿真与测试24
5.1仿真软件proteus简介24
5.2源程序的编译、调试25
5.3在proteus里画系统原理图26
5.4在proteus里仿真26
第六章总结28
参考文献30
附录32
附录A实物图32
附录B系统部分程序35
摘要
温、湿度是仓库管理中常见的被控参数,顺着电子科学技术的发展,温度和湿度己不再是相互独立的量,而应在系统集成中综合考虑。
本文是针对我国中、小型仓库的监测现状,进行研究开发,采用较为实用和先进的单片机控制技术,运用温度传感器和湿度传感器对温湿度的敏感性设计的一种基于单片机的仓库温湿度监测系统,以AT89C52单片机为控制核心,用数字式湿度传感器SHT10采集温湿度数据,将它的输出由单片机的软件对其进行校正处理,所得到的结果最终送给液晶显示模块1602进行显示。
该系统可用于对温湿度要求较高的库房及其他场合,具有经济实用、性能价格比高、安装方便、结构灵活等优点。
关键词:
温湿度;
单片机;
仓库;
监测系统;
SHT10
Abstract
Temperatureandhumidityiscommonwasaccusedofparametersinthewarehousemanagement,followthedevelopmentofelectronicscienceandtechnology,temperatureandhumidityhavenolongerisindependentofeachother,andshouldbetakenintoaccountinthesystemintegration.Thisarticleisaimedatourcountrymediumandsmallwarehousemonitoringpresentsituation,carriesontheresearchanddevelopment,withmorepracticalandadvancedMCUcontroltechnology,usingthetemperaturesensorandhumiditysensorsensitivitytotemperatureandhumidityofthedesignofawarehousetemperatureandhumiditymonitoringsystembasedonsinglechipmicrocomputerAT89C52microcontrollerasthecontrolcore,usingdigitalhumiditysensorSHT10temperatureandhumiditydata,itsoutputbyMCUsoftwarecorrectiontodealwith,andtheresultoftheendforliquidcrystaldisplaymodule1602fordisplay.Thesystemcanbeusedforhigherrequirementsfortemperatureandhumidityofwarehouseandotheroccasions,economicalandpractical,highcostperformance,easyinstallation,flexiblestructure,etc.
Keyword:
Temperatureandhumidity;
Singlechipmicrocomputer;
Thewarehouse;
Monitoringsystem;
SHT10
第1章概述
1.1课题的研究背景
目前对仓库的环境进行实时和有效监控,是生产生活中经常遇到的问题。
很多物品的存放,如:
粮食、货物等需要仓库内的湿、温度保持在一个合理且平衡的状态,而仓库内的环境参数会随着昼夜与季节的变化而变化[1]。
吹风机、排气、空调扇是大部分仓库用来调节仓库内环境的设备,其中排气扇和吹风机主要用来保持仓库内空气清新和流通,空调则是用来调节温度和湿度这两个环境指标,需要不断地调整这两个指标以适应环境的变化。
仓库环境监控系统的目标就是实时自动化采集环境数据,分析处理后执行相应的指令来控制相应的环境调节设备,从而使被监控的环境保持稳定状态。
本文介绍一套基于AT89C52单片机的温湿度测控系统设计了一个简单经济、稳定可靠、高效实用的小型仓库环境温湿度监测系统。
仓库日常维护工作的重要内容是防霉、防潮、防腐、防爆,也是用于衡量仓库管理水平的重要指标[2]。
它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。
为了保证日常维护工作的顺利展开,最主要的问题是加强仓库内温、湿度的采集监测工作。
在传统的监测方法中毛发湿度表、湿度表、湿度试纸和双金属式测量计等是常用的测试器材,通过人工的检测,对于不满足温度和湿度要求标准的库房采取通风、去湿和降温等措施,进行仓库的维护工作。
这种人工测试方法浪费资源、效率极低,且测试的温度及湿度误差较大,随机性大[3]。
因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。
1.2课题的研究目的和意义
随着科技的飞速发展和普及,高性能设备越来越多,各行各业对温湿度的要求也越来越高。
传统的温湿度监测模式是以人为基础,依靠人工轮流值班,人工巡回查看等方式来测量和记录环境状况信息。
在这种模式下,不仅效率低下且不利于人才资源的充分利用,而且缺乏科学性,许多重大事故都是由人为因素造成的,人工维护缺乏完整的管理系统。
而智能监控系统就可以解决这些问题,这是由于它的智能化设计所决定的[4]。
它的工作步骤如下:
利用传感器采集环境温湿度,单片机判断采集到的温湿度是否异常;
若温湿度异常,则输出异常信号报警,实行措施进行调节;
判断异常是否处理完毕,若处理完毕,解除报警。
这样就可以利用控制器对仓库温湿度进行监控,从而实现环境温湿度管理的实时性和有效性。
目前,国内中小型仓库在仓储日常管理过程中由于资金和技术方面的原因,很多只限于对温度参数进行监测,当温度超标时采取强制通风和翻仓等措施,即便这样,但因设备人力条件有限或处理不及时仍然会造成较大损失。
导致库房储藏物温升的主要原因是湿度的变化,连续高湿天气或仓库储藏的东西自身水分过高都会导致储藏物新陈代谢的加快而释放热量,放出的热量会引起温度的升高,从而使代谢进一步加剧导致发霉变质[5]。
这样的恶性循环一旦形成就很难再进行有效的控制。
因此,仓库在进行温度检测的同时,必须同时重视对空气的湿度检测,以便于提前采取有效的措施来控制仓库储藏物由升温而导致霉变。
本设计中的温湿度控制系统采用AT89C52单片机为核心控制单元,结合数字温湿度传感器SHT10,液晶LCD1602显示技术,实现了温度与湿度监测同时实现对仓库温度和湿度的有效控制,有效的降低降低经济损失和劳动强度。
1.3国内外发展现状和发展趋势
目前温湿度检测技术和物品智能去湿干燥系统的研究已具备温湿度检测、超温报警、自动生成各种报表、自动存储历史数据并据此自动生成温湿度变化曲线等功能,供仓储管理人员查询分析之用。
温度是一个重要的物理量,其检测方法有多种,常用的有电阻式、热电偶式、PN结型温度传感器[6],石英谐振型温度传感器以及光线传感器等,当今国外在温度的超高精度测量领域,多数使用标准的铂电阻温度传感器。
比如:
美国的国家实验室(NSIT)就是采用标准的铂电阻温度传感器来对纳米测试装置中的工作腔展开测试,它的测试精度是0.001℃。
国内方面,清华大学采用石英晶体传感器来作为测温的元件,把温度变化的模拟信号量转化成石英晶体振荡的频率的数字信号量,以测量频率的方式来计算出温度值,它能测出0.001℃精度的温度变化量[7]。
近年来,国内外在湿度传感器的研发领域取得了很大的进步。
湿敏传感器从简单的湿敏元件走向高度集成化、高度智能化和多参数检测的方向快速发展,将湿度的测量技术提高到了新的水平。
湿敏传感器的种类繁多,总体上大概分为三类:
半导体陶瓷湿度传感器、电解质湿度传感器和有机高分子聚合物湿度传感器。
国外的湿度传感器研制起步较早,目前日本、德国、美国处于国际领先地位,测量范围可实现全湿范围测量,且精度可达到士2%RH[8]。
国内湿度传感器研制与生产方面,开始于二十世纪八十年代,且研究单位多于生产厂家,多数从事电解质、陶瓷类以及高分子类传感器的研发。
温度传感器的种类繁多,测温范围较宽,高可达几千度,低几乎接近绝对零度,但在稳定性、测量精度、抗干扰等诸多方面仍存在大量问题。
像铂电阻温度计,虽有较宽的测量范围和较高的测量精度,但它的抗震动能力比较差;
热敏电阻温度计体积小、灵敏度高、响应速度快,可是它的稳定性较差,热电偶温度传感器的缺点是灵敏度低[9]。
因此,进一步改良敏感元件在制作工艺及结构的设计,充分发挥微处理技术的优势来发展集成化、数字化和自动化的温度传感器。
更要探索新的敏感原理,寻找新的温度敏感元件同样是温度传感器的重要发展方向之一。
湿度传感器广泛应用于农业、工业、气象、医疗以及日常生活的各个方面,尤其是随着科学技术的不断发展,湿度的监测和控制正在越来越受到人们的逐渐重视,开始进行大量的研制。
通常,理想湿敏传感器的参数特性要求有:
适合在温、湿范围较宽的场合使用,测量精度要求高;
使用寿命得长、稳定性要好、响应速度比较快、湿滞回差要小、灵敏度得高、线性好、温度系数要小;
制造工艺得简单、易于批量量产、转换电路要求简单、成本低、抗腐蚀、耐高温和低温特性等[10]。
湿敏传感器正在迅速发展,从简单的湿敏元件向智能化、集成化、多参数检测的方向快速发展,为研发新型湿度测控系统提供了有利条件,湿度测量技术也迈上一个新的阶段。
1.4本文结构
1.SHT10采集温湿度数据。
2.AT89C52单片机、软件校正处理。
3.1602液晶显示屏显示温湿度。
4.在keil里进行软件主程序和子程序的编程和调试。
5.在proteus里画电路图并进行系统仿真。
第二章系统的总体设计
2.1系统的设计思路
本课题设计的仓库温湿度监测系统主要是利用AT89C52单片机为核心、基于SHT10温湿度传感器对仓库内环境温湿度的采集监测,最终通过LCD1602液晶显示模块准确、快捷地显示出仓库内所存货物的温度和湿度,从而达到仓库温湿度监测的目的。
以下就是本系统的总体设计。
仓库温湿度
图2.1仓库温湿度监测系统总体设计
2.2系统的设计要求
2.2.1基本功能
~检测温度、湿度
~显示温度、湿度
~过限报警
2.2.2主要技术参数
~温度检测范围:
-30℃-+50℃
~测量精度:
±
0.5℃
~湿度检测范围:
10%-100%RH
~检测精度:
1%RH
~显示方式:
LCD液晶显示(1602)
~报警方式:
三极管驱动的蜂鸣音报警
2.3方案的比较和论证
把将单片机用在测控系统中时,系统需要有被测信号送到输入通道,由计算机识别必要的相关输入信息。
对于测量系统来说,怎样准确获取被测信号是它的核心任务;
同时对测控系统而言,对受控对象状态的测试以及对控制条件的检查是必不可少的环节。
传感器是满足测量和控制的首要环节,是测控系统的核心部件。
假如没有对原始被测信号实施准确可靠的捕捉和转换的传感器,所有精确测量和实时控制都将难以实现。
生产过程中的自动化测量和控制,主要依靠各种各样的传感器来检测信号并控制生产中的各种参量,使设备和系统处在正常运行的最佳状态,从而实现生产的高效率及高质量[11]。
方案一
1.温湿度数据采集
~温度温度传感器(例如:
AD590、DS18B20等)
~湿度湿度传感器(例如:
HS110、HR202D等)
2.温湿度数据分析
~A/D转换器(例如:
MC14433等)、单片机(例如:
STC89C52、AT89C52等)
3.温湿度数据的处理
~串行口LED显示和报警
其系统框图如下:
图2.2方案一系统框图
方案二
1.温湿度数据采集
~采用温湿度集成传感器(例如:
DHT11、SHT10等)
~集成温湿度传感器带有A/D转换
3.温湿度数据处理
~串行口LCD液晶显示(1602)和蜂鸣音报警
图2.3方案二系统框图
比较方案一和方案二,显然方案二电路简单易于操作,于是我选方案二来做本论文设计。
在方案二中温湿度传感器、单片机有好几种,综合考虑仓库温湿度的变化范围及监测系统的稳定,我选用数字式SHT10做温湿度传感器、单片机芯片选用AT89C52。
第三章系统的硬件设计
3.1系统主控电路
本系统以AT89C52单片机为核心控制单元,再加上晶振电路、复位电路构成单片机最小应用系统。
图3.1晶振电路
图3.2晶振电路
图3.3单片机最小系统电路图
3.1.1AT89C52单片机
单片机是系统的控制核心,所以单片机的性能关系到整个系统的好坏。
因此单片机的选择,对所设计系统的实现以及功能的扩展有着很大的影响。
单片机种类很多,在众多51系列单片机中,较为常用的是ATMEL公司的AT89C51和AT89C52单片机,AT89C51片内4KROM是Flash工艺的,使用专用的编程器自己就可以随时对单片机进行电擦除和改写,片内有128字节的RAM。
而AT89C52含有在系统可编程的Flash存储器,片内有8K闪存,RAM的容量也较AT89C51大,为256字节[12]。
显然这种单片机优点更多,开发时间也大为缩短。
因此,在本次设计中选用了ATMEL公司的AT89C52。
3.1.2主要功能特性
1、兼容MCS-51的指令系统
2、8k可多次擦写(大于1000次)FlashROM;
3、32个双向I/O口;
4、256x8bit内部RAM;
5、3个16位可编程的定时/计数器中断;
6、时钟频率0~24MHz;
7、2个串行的中断,可编程UART串行通道;
8、2个外部的中断源,共8个中断源;
9、2个用于读写的中断口线,3级加密位;
10、低功耗空闲模式和掉电模式,软件可以设置睡眠以及唤醒功能;
3.1.3主要引脚
XTAL2(18脚)和XTAL1(19脚)为
图3.5AT89C52引脚图
振荡器的输入输出端口,通常外接12MHz晶振。
RST/Vpd(9脚)是复位信号输入端口,外接电
阻和电容组成的复位电路。
VCC(40脚)与VSS
(20脚)是供电端口,分别接在+5V电源的正负
两端。
P0、P1、P2、P3是可编程通用I/O口,它
们的功能用途通过软件定义,在次设计中,端口
P0(32~39脚)用于功能控制端口N1,分别与
N1的各个功能管脚相接,13脚用于IR输入端,
10脚和11脚用于I2C总线控制端,分别连接
N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12
脚、27脚和28脚分别用于握手信号控制,连
接主板CPU的相应的功能端[13]。
3.2数据采集模块
本系统的温湿度数据采集使用数字温湿度传感器SHT10。
图3.6系统连接图
图3.7SHT10传感器
3.2.1数字温湿度传感器SHT10
SHT10传感器由相对湿度传感器,温度传
感器,校准存储器,14位A/D转换器,信号放
大器和I2C总线接口构成。
SHT10具备卓越的长
期稳定性,露点值计算输出功能,全较准、数字
输出功能,免外围电路,完全低功耗,采用表面
贴片封装或四脚互换封装,体积微小,全自动降能功能。
SHT10是一个含有已校准的数字信号输出的温湿度复合型传感器。
它应用专利的工业COMS过程微加工技术(CMOSens?
),确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包含一个电容式的聚合体测湿元件与一个能隙式的测温元件,并连接一个14位的A/D模数转换器通过串行接口电路实现无缝连接在同一芯片上。
所以,该传感器具有超快响应、品质卓越、强抗干扰能力、性价比极高的优点。
超小的体积、极低的功耗,使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
产品提供表面贴片LCC(无铅芯片)或4针单排引脚封装。
以下是它的内部结构框图。
3.2.2SHT10的工作原理
SHT10进行湿度检测是采用电容式结构,根据不同的保护的“微型结构”来检测电极系统和聚合物覆盖层组成传感器芯片的电容,不仅保持了电容式湿敏器件的特性,还可以除去外界的影响,它是将温度传感器与湿度传感器结合在一起而形成了一个模块[14]。
所以测量精度比较高并且可精确地得出露点,还不会产生因湿度与温度传感器之间随着温度梯度的变化所引起的误差。
CMOSensTM技术在将温湿度传感器结合在一起的同时,还将信号的放大器、A/D转换器、校准用的数据存储器以及标准的I2C总线等各个电路全部都集成在一个很小的芯片内[15]。
SHT10传感器每一个产品都是经过极为精确校准的。
SHT10传感器所用的校准系数是预先存储在芯片内存的OTP中。
经过校准后的相对湿度、温度传感器和一个14Bit的数/模转换器直接相连,可把转换后的数字温湿度值传送给二总线器件,以实现将数字信号转换成I2C总线的串行数字信号。
3.2.3传输开始时序
传输开始时,应首初始化,发出“传输开始”的命令。
此命令包括:
当SCK的时钟处于高电平时,DATA就翻转为低电平,然后紧接着SCK上变为低电平,接下来是在SCK的时钟处于高电平时,DATA就翻转为高电平。
之后命令的顺序是:
1个地址位“000B”+5个命令位,分别是:
11110B、00110B、00111B、00101B、00011B。
当DATA脚上的ACK位为低电位时,此时表示SHT10收到正确命令。
SHT10会以下的方式答复已正确地收到指令:
当第8个SCK的时钟处于下降沿之后,就把DATA下拉成低电平(ACK位),在第九个SCK的时钟的下降沿完成,就释放DATA(恢复到高电平)。
SHT10传感器的具体的命令格和SHT10命令的编码表如表3.1。
图3.9“启动传输”时序
命令
编码
说明
保存
0000X
测量温度
00011
温度测量
测量湿度
00101
湿度测量
读状态寄存器
00111
写状态寄存器
00110
0101X-1110X
软启动
11110
重启芯片,清除状态寄存器的错误值,等待11毫秒后进入下一个命令
表3.1 SHT10命令编码表
3.2.4连接复位时序
如果单片机与SHT10传感器的通讯中断(SHT10没有正确收到命令),则需要重新发出传输开始命令。
下列信号顺序会使串口复位:
当使DATA线处于高电平时,触发SCK9次以上(含9次),在下一次指令前,发送一个“传输启动”时序。
这些时序只复位串口,状态寄存器内容仍然保留。
图3.10通讯复位时序
3.2.5温湿度测量时序
当单片机发出了传输开始命令,且SHT10正确接收到温(湿)度测量的命令后,单片机就必须等待直到测量完成。
运用8/12/14位的分辨率来测量需要大约的时间分别为11/55/210ms。
为区别测量完成,SHT10就会让数据线拉低,此刻单片机就必须再重启SCK。
接下来传送两字节的测量数据再与1字节CRC校验的和。
在传输过程中控制器必须通过改变DATA为低以确认每一字节,所有的测量值从右算MSB列在第一位。
通信在确认CRC的数据位后就停止。
如果没用到CRC-8校验和,则单片机需要在数据的LSB后,保持ACK信号为高以停止通信,SHT10在通讯、测量完成之后就会自动返回到睡眠模式。
需注意的地方是,为了使SHT10温升保持低于0.1℃,则此时工作的频率要小于15%(如:
12位精度时,每秒最多可进行3次测量)。
测量温度和湿度命令所对应的时序如下图所示:
图3.11RH测量时序举例:
“0000’1001’0011’0001”=2353=75.79%RH
图3.12测量时序概览(TS=启动传输)
3.3显示模块设计
显示温、湿度需要较长的显示字码,在单片机的人机交流界面中,一般的输出方式有以下几种:
发光管、LED数码管、液晶LCD显示器[16]。
在本文中采用液晶显示LCD1602作为显示模块。
在日常生活中,我们对液晶显示器并并不陌生,当今液晶显示器已经成为市场上很多电子产品的显示器件,比如在电子表、计算器、万用表以及很多家用的电子产品中都可以看到,其显示主要是数字、符号和图形。
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点:
显示质量高、数
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