温湿度控制单片机课程设计

江苏师范大学物电学院课程设计报告

课程名称：单片机课程实训

题目：温湿度控制

专业班级： 11物41

学生姓名：易长祥 _

学生学号： 11224032

日期： 2014年6月

指导教师：陈斯

物电学院教务部印制

指导教师签字：

年月日

目录

目录 (1)

摘要 (2)

ABSTRACT (2)

1绪论 (3)

1.1设计目的 (3)

1.2设计背景 (3)

2 设计方案简述 (4)

2.1方案设计 (4)

2.2方案设计 (4)

3 设计部分 (5)

3.1硬件设计 (5)

3.1.1MCS08QG8芯片 (6)

3.1.2液晶显示模块电路设计 (7)

3.1.3蜂鸣器模块电路设计 (7)

3.1.4 DHT11温度湿度传感器电路设计 (8)

3.2软件设计 (9)

3.2.1系统软件设计说明 (9)

3.2.2编程语言的选择 (10)

3.2.3主程序流程图 (10)

3.2.3系统的软硬件的调试 (12)

4 设计结果及分析 (13)

5 总结 (14)

参考文献 (15)

附录1 (16)

附录2 (17)

摘要

本文主要以MC9S08QG8单片机为核心,并通过DHT11温湿度传感器的工作原理，实现了对当前环境中温度与湿度的测量，并且通过设置好的湿度的上限、下限的值对当前环境实施监控，超过预警值则实施自动报警。该系统由温度传感器模块、湿度传感模块和液晶显示模块组成，应用温湿度传感器的工作原理对当前环境实施监控，定时采集数据传送给单片机，单片机根据温湿度传感器采集到的数据进行处理，再将接收的数据显示到12864液晶显示屏上，若是超过预期设置的上限和下限，采用二极管模拟报警，由于制作和组合上的精细，使得本设计显得智能化、实用化。

关键词：单片机（MC9S08QG8）；温度传感器；湿度传感器；12864液晶显示

Abstract

The design MC9S08QG8microcontroller core, and through DHT11 temperature and humidity sensor works to achieve in the current environment, temperature and humidity measurements, and a good temperature and humidity by setting the upper limit, lower limit value of the temperature on the current environment implementation of monitoring and humidity, more than the value of implementing an early warning alarm. The system consists of temperature sensor module, humidity sensing module and liquid crystal display module, the application of temperature and humidity sensor works by monitoring the implementation of the current environment, regularly collected data to the microcontroller, microcontroller based temperature and humidity sensor for processing the data collected, and then will rece ive the data to the LCD screen on the 12864, if more than expected to set the upper and lower limits, the use of diode analog alarm, due to a combination of production and fine, making the design is intelligent, practical.

Keywords：single chip（MC9S08QG8）；temperature sensor；humidity sensor；12864 LCD

1 绪论

1.1设计目的

在人类的生活环境中，温湿度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度和湿度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温湿度有着密切的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温湿度的因素。温湿度不但对于工业如此重要，在农业生产中温度的监测与控制也有着十分重要的意义。近年来,我国的设施农业得到了较大发展,温室大棚钟植技术已突破了传统的农作物种植受地域自然环境等诸多因素的限制,对农业生产有重大意义。但目前我国温室大棚的温湿度测量和设备的操作大多还是由人工来完成,当温室较大时,操作人员的劳动强度很大本温湿度控制系统是以单片机控制为核心, 以瑞士生产的SHT11单片集成温湿度传感器作为温湿度检测元件,初步实现了温室大棚的自动化管理，大大降低了工人的劳动强度。

1.2设计背景

随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温湿度控制措施.但是，目前应用于温室大棚的温湿度检测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟开关、A/D转换器及单片机等组成的传输系统。这种温湿度度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大。为了克服这些缺点，本文参考了一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温度测控系统应用于温室大棚的的设计方案。本文介绍的温湿度测控系统就是基于单总线技术及其器件组建的。该系统能够对大棚内的温湿度进行采集，利用温湿度传感器将温室大棚内温湿度的变化，变换成数字量，其值由单片机处理，最后由单片机去控制液晶显示器，显示温室大棚内的实际温湿度，同时通过与预设量比较，对大棚内的温度进行自动调节，如果超过我们预先设定的湿度限制，湿度报警模块将进行报警。这种设计方案实现了温湿度实时测量、显示和控制。该系统抗干扰能力强，具有较高的测量精度，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。这种温湿度测控系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对温度的实时控制，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，以带来很好的经济效益和社会效益。

2 设计方案简述

2.1方案设计

温湿度的测量模块

经过温湿度传感器DHT11采集数据，再通过QG8单片机对其内部数字进行分析后，

将其数值送到12864液晶模块上进行显示，本系统可以设定温度范围0~50摄氏度，最

小区分度为一度，设定湿度范围为20%-90%RH，最小区分度为1%RH。其优点在于DHT11

1.湿温度传感器的一体化结构能相对的同时对相对湿度和温度进行测量。

2.数字信号输出，从而减少用户信号的预处理负担。

3.单总线结构输出有效的节省用户控制器的I/O口资源。并且，不需要额外电器元件。

4.独特的单总数据传输线协议使得读取传感器的数据更加便捷。

5.全部校准。编码方式为8位二进制数。

6.40bit 二进制数据输出。其中湿度整数部分占1Byte，小数部分1Byte；温度整数部分

1Byte，小数部分1Byte。其中，湿度为高16位。最后1Byte为校验和。

7.卓越的长期稳定性，超低功耗。

8.4引脚安装，超小尺寸。

9.各型号管脚完全可以互换。

2.2方案设计

根据设计要求确定了系统的总体方案，整个系统由单片机、温湿度传感器、显示模块、报警器、温湿度调节系统组成。用户预先输入温湿度报警值到程序中，该值作为系

统阈值。温湿度传感器监测值传输给单片机，当单片机比较监测到的数值超出所设定阈

值时，驱动蜂鸣器报警，并为温湿度调节系统提供控制信号，实现自动控制。

图 2-1 DHT11电路连接图

单片机发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，如果没有接收到单片机发送来的信号，DHT11不会主动进行温度采集，采集数据后转换到低速模式。湿度测量范围1%～99%；最小进步为1%；

3 设计部分

3.1 硬件设计

单片机是整个系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而完成特定的功能。硬件实现上采用模块化设计，每一模块只实现一个特定功能，最后再将各个模块搭接在一起。这种设计方法可以降低系统设计的复杂性。系统电路原理图如图2所示。本系统主要硬件设计包括电源电路、复位电路、LCD 显示电路以及温湿度传感器电路。

3.1.1．MCS08QG8芯片

图3-1 MC9S08QG8的16管脚分配

AT89S52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为该反向放大器的输入端和输出端。这个反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。

外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性。如果使用石英晶体,电容应该使用30pF。

还可以使用外部时钟。这种情况下,外部时钟脉冲接XTAL1端,即内部时钟发生器的输入端, XTAL2应悬空。

图3-2 MC9S08QG8最小系统

3.1.2液晶显示模块电路设计

LCD12864液晶部分

图3-3 12864液晶显示

下位机显示部分采用的是12864液晶显示，系统中采用的液晶使用ST7920控制器，5V电压驱动，带背光，内置8192个16*16点阵、128个字符（8*16点阵）及64*256点阵显示RAM（GDRAM），与外部CPU接口采用并行和串行两种控制方式。

为了实现快速处理数据，系统中12864液晶采用并行控制方式，为了节约I/O端口对液晶控制线进行了适当删减。与单片机接口用了十根线，其中八根数据线，两根控制线，分别为数据/命令选择端和使能信号接口，串/并选择位直接接高表示使用并行控制方式，充分节约了单片机的I/O资源。

这部分设计液晶屏显示，包括显示温度、显示湿度以及设置温湿度上下限值。

3.1.3蜂鸣器模块电路

压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器

图3-4蜂鸣器

及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与

黄铜片或不锈钢片粘在一起。

图3-5蜂鸣器部分电路

3.1.4 DHT11温度湿度传感器电路设计

图3-6 DHT11电路连接图图3-7 DHT11实物图

1、电源引脚

DHT11的供电电压为3－5.5V。传感器上电后，要等待 1s 以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VCC，GND）之间可增加一个电容，用以去耦滤波。

2、串行接口 (单线双向)

DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:一次完整的数据传输为40bit,高位先出。数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。

用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。

3.2软件设计

3.2.1系统软件设计说明

进行测量控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个测量对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机测量控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件设计更为重要。

在单片机测量控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便达到测量控制目的。

本软件设计主要是对距离进行测量、显示。因此，整个软件可分为按照硬件电路对单片机位定义；温湿度设置子程序；温湿度接收子程序；显示子程序；延时子程序等。

3.2.2编程语言的选择

本设计是硬件电路和软件编程相结合的设计方案，选择合适的编程语言是一个重要的环节。在单片机的应用系统程序设计时，常用的是汇编语言和C语言。汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一种语言。其主要优点是占用资源少、程序执行效率高,而且执行速度快。但是不同的CPU，其汇编语言可能有所差异，即依赖于计算机硬件，程序可读性和可移植性比较差。

C语言是编译型程序设计语言，兼顾高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C 语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外，C语言程序具有完善的模块程序结构。C语言执行效率没有汇编语言高，但语言简洁，使用方便，灵活，运算丰富，表达化类型多样化，数据结构类型丰富，具有结构化的控制语句，程序设计自由度大，有很好的可重用性，可移植性等特点。基于C语言的众多优点本设计选择此语言来编程。

3.2.3主程序流程图

软件分为两部分，主程序和中断服务程序。主程序完成初始化工作、温湿度数据接收处理控制。外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。

图3-8 主程序流程图

图 3-9显示温湿度内部流程

3.2.3系统的软硬件的调试

硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改温度和湿度的上限值和下限值，以达到监控的作用。根据所设计的电路参数和程序，温湿度测量仪的温度测量范围为0-50摄氏度，温度测量的最大误差不超过±2摄氏度；湿度的测量范围为20%-90%RH，湿度测量的最大误差不超过±5%RH。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。

4 设计结果及分析

设计的最终结果是使温湿度测量仪测量并且显示温度，实现温湿度数据的发送与接收，从而实现利用温湿度传感器进行测量，以数字的形式显示测量数据。

它的硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、系统电源、温度与湿度传感器电路四部分。单片机采用MC9S08QG8，单片机用P0口和P2口用来驱动液晶显示屏目显示和设置温湿度的相关数据。显示电路采用简单实用的12864液晶显示屏，单片机的数据口直接驱动。实现测量，并且在液晶上显示温度和湿度。

温湿度测量仪的软件设计主要由主程序、温度和湿度的传送程序以及显示子程序组成。测量仪通过温湿度传感器采集到数据，送到单片机中进行数据处理，然后送到液晶显示屏中显示。用户还可以通过液晶屏自行设置温湿度的上下限的值，待设置完之后按下确定按键后，送往单片机中处理，超过上限或者低于下限给予相应的报警。

经过实验表明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，实验结果完全符合预期要求。

5 总结

课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。

回顾起此次单片机课程设计，我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在接近一星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说不懂一些元器件的使用方法，对单片机汇编语言掌握得不好……通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。

参考文献

1．谢自美. 电子线路设计-实验-测试[M] .武汉:华中科技大学出版社, 2000

2．楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导[M].北京航天航空大学出版社，2007

3．张齐，朱宁西.单片机应用系统设计技术[M].电子工业出版社，2010

4．周新华.手把手叫你学单片机C程序设计[M].北京航天航空大学出版社，2009

5.李刚，陈世利等. 飞思卡尔8位单片机实用教程[M]. 北京：电子工业出版社，2009

6.郭天祥. 新概念51单片机C语言教程—入门、提高、开发、拓展全攻略[M]. 北京：电子工业出版社，2009.1

附录1 总电路图

附录2

系统部分程序

/*****************************************************

#include /* for EnableInterrupts macro */

#include "derivative.h" /* include peripheral declarations */

#include

//#include

#include

#include

#include "12864.h"

#include "DHT11.h"

#define FE PTAD_PTAD3

#define FED PTADD_PTADD3

//unsigned char displaytemp[16];

void MCU_INIT(void)

{

ICSC1=0x04;

ICSC2=0x40;

ICSTRM=0xa8;

SOPT1=0x7f;

SOPT2=0x00;

}

void Port_Init(void)

{

DataPortD=0xff;

RSD = 1;

ED = 1;

FED=1;

}

//********************************************************* //******主程序********************************************* //********************************************************* void main()

{

int bb=30;

int RRH;

uchar num=0;

MCU_INIT();

Port_Init();