毕业设计(论文)温湿度控制系统的软件设计

毕业设计（论文）题目：温湿度系统的软件设计

学院：信息工程学院

专业名称：电子信息工程

班级学号： 08041232

学生姓名：周赟

指导教师：刘清平

二O一二年六月

温湿度系统的软件设计

学生姓名：周赟班级：08041232

指导老师：刘清平

摘要：随着微电子技术、计算机技术、测试技术的发展，单片机通信和信息监测技术在日常生活中的运用日益广泛。虽然红外，蓝牙等无线通信技术得到了很大的发展，但是有线通信仍然是占据着当今通信领域的半壁江山，其在各种信息监测和通信方面也占有着重要的作用。

本文采用STC89C52单片机为主控微处理器，设计了一个能够同时监测温度和湿度的单片机系统。本设计是以单片机STC89C52为核心，配合DS1820温度传感器和CHR-01湿度传感器，以及相关的外围电路组成的检测系统，可以接收所测环境的温度和湿度信号，检测人员可以通过数码管显示的数据，实时监控环境的温度和湿度情况。本系统包括系统硬件和软件设计,可靠性高，结构简单，实现了对温湿度的自动调节。该系统的测温范围：-25℃—+55℃，采集精度为±0.5℃，湿度范围：20%—80%，采集精度为±5%。用DS18B20温度传感器作为温度采集模块，采用CHR-01作为湿度传感器，LM324作为运算放大器，TLC0831作为模数转换器等组成了湿度采集模块；利用HD7279A 作为键盘和显示模块；使用单片机的串口组成数据发射、接收模块。

经过精心的设计和制作，整个系统完成了对温度和湿度的采集、传输、接收和显示等功能，该系统具有系统结构简单、电路成本低、数据传输距离长，传输精度高、抗干扰强等特点。

关键词：温度传感器湿度传感器STC89C52单片机

指导老师签名：

The software design of Temperature and

humidity system

Student name : Zhou Yun Class: 08041232

Supervisor: Liu Qingping

Abstract: With microelectronic technology, computer technology, testing technology, computer communication and information monitoring technology in daily life increasingly widespread use. Although the infrared, Bluetooth and other wireless communication technology has got great development, but is still occupying the wired communication communication field in the half of the country, all kinds of information monitoring and communication also plays an important role in.

In this paper, using STC89C52 microcontroller to control the microprocessor, the design of a can simultaneously monitor the temperature and humidity of the single chip microcomputer system. The design is based on STC89C52 single chip computer as the core, with the temperature sensor DS1820 and CHR-01 humidity sensor, and related peripheral circuits of the detection system, which receives the measurement of environmental temperature and humidity signals, the testing personnel can through the digital tube display data, real time monitor of environment temperature and humidity conditions. The system includes the design of hardware and software, high reliability, simple structure, realizes the automatic regulation of temperature and humidity. The system of temperature measurement range: -25℃ - +55 ℃, acquisition accuracy is ± 0.5 ℃, humidity range:20% - 80%, acquisition accuracy is ± 5%. With the temperature sensor DS18B20as the temperature acquisition module, using CHR-01as a humidity sensor, LM324 as operational amplifier, TLC0831 as analog-to-digital converter composed of humidity acquisition module; the use of HD7279A as a keyboard and display module; the use of single-chip serial port data transmitting, receiving module.

Carefully design and production, the whole system for temperature and humidity of the collection, transmission, reception and display functions, the system has the

advantages of simple structure, low cost, data transmission circuit for long distance, high transmission precision, strong anti-interference.

Keyword：Temperature sensor Humidity sensor STC89C52 single chip microcomputer

Signature of Supervisor:

目录

1 绪论 (5)

1.1 课题研究背景及意义 (5)

1.2 国内外研究概括及发展趋势 (5)

1.3 课题设计的主要内容 (6)

2 系统总体设计方案 (7)

2.1 课题设计的主要内容 (8)

2.2 系统组成框图 (8)

3 系统硬件电路设计 (9)

3.1 单片机最小系统 (9)

3.2 温度采集电路的设计 (12)

3.3 湿度采集电路的设计 (14)

3.4 A/D转换电路的设计 (18)

3.5 键盘显示电路的设计 (20)

3.6 报警电路的设计 (21)

4 系统的软件设计 (22)

4.1 系统主程序设计 (22)

4.2 中断模块 (24)

4.3 键盘显示模块 (26)

4.4 采样转换模块 (28)

4.5 温度采样模块 (29)

4.6 湿度采样模块 (29)

4.7 报警模块 (30)

5 系统调试 (31)

5.1 单片机最小系统的调试 (31)

5.2 键盘显示电路的调试 (32)

5.3 温度采集电路的调试 (32)

5.4 湿度采集电路的调试 (32)

5.5 系统软件调试 (33)

6 总结与展望 (35)

参考文献 (37)

致谢 (38)

附录 A 系统原理图 (38)

附录 B 源程序清单 (39)

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

湿度和温度是测量领域内十分重要的被测对象。不管是人类赖以生存的居住环境，还是工农业生产，亦或者是军事、气象观测等领域都需要对温度和湿度进行测量和控制。随着电子技术、计算机技术、通信技术、传感器及传感器材技术的迅速发展，测量领域内对温度和湿度的检测也取得了跨越式的发展！可以说对温湿度的测量与控制水平直接影响到人类的所有活动。

现代人类对生活环境的要求越来越高，尤其是温湿度的影响，温度高了或者低了都直接影响着这个社会，而湿度低了或高了也同样影响着我们的生活以及其他物种的生存条件。

湿度和温度是众多领域中需要检测的重要环境参数。不仅在工业、现代农业，还是在气象卫星、仓库保管等领域，对温度和湿度的测量都是随处可见的。对温度和湿度的测量与监控也是十分有意义的。对湿度和温度进行合理有效的调控不仅可以节约能源还更有利各行业安全健康的发展。

在工业领域，各种现代化的机器设备都需要考虑其所在工作环境的温湿度。电器设备是工业领域最常使用也是使用最多的基础设备。温湿度的高低对电器设备的研发者来说是必须要考虑的重要课题。工程师在设计电器产品的时候必须要考虑设计出的产品将来工作环境中温湿度的大小，使用过程中散热通风的问题。选择合适的材料并且对电气设备外表面进行合理有效的封装可以提高电气设备的使用寿命。大型的电器设备长期处于高电压、大电流和满负荷运行，其结果是造成热量集结加剧，由电流热效应造成的危害直接影响电器设备的绝缘设施，危害机器的正常运转和操作人员的人身安全，所以就要求对电气设备的温湿度状况进行测量控制。

温湿度对植物、动物的生长都有一定的影响，当温度达到了植物和动物生长所能承受的最高值和最低值时，这些植物和动物就会慢慢的消失，或者演变成其他的一些物种，同样湿度也对动植物的生长有着不可小视的影响，所以对一定的温湿度我们必须测量。同时我们也必须要记录大气的温湿度的变化，这样我们才

更能对我们的生活的环境的变化有个直观的了解！

1.2 国内外研究概括及发展趋势

国内外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。目前社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器分辨率和精度较低，温度控制效果不是很理想，但价格便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较贵。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表．并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；--是能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛；五是温控器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化；六是具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国内外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。

近年来，国内外在湿度和温度传感器研发领域取得了长足进步。温湿度传感器正从结构复杂、功能简单向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件，也将温度、湿度测量技术提高到新的水平。国内数字温湿度仪测量温湿度采用的主要方法有:“温—阻”法和“湿—阻”法,即采用电阻型的温湿度传感器,利用其阻值随温湿度的变化测定空气的温度和相对湿度。受传感器灵敏度的限制,这类温湿度仪的精度不可能很高,一般条件下还可以满足需要,但是在环境实验设备等对精度要求颇高的场合就难以满足要求了。

目前，国外对温湿度传感器技术的研究也有了较大的进展，特别是用电阻式温湿传感器发展更快，人们不仅在电阻式陶瓷温湿度传感器特性方面做了大量工作，而且在高分子电阻式湿度传感器上做出可喜的研究成果。

1.3 课题设计的主要内容

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，STC89C52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。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STC89C52单片机。

本设计中，最终选用的集成温度传感器DS18B20是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。湿度传感器是采用了CHR-01阻抗型高分子湿度传感器,它是一种热固聚脂电容式传感器。采集到的湿度信号再配以进行适当的放大，经过A/D转换送至单片机，实现湿度的显示与控制。

系统主要由以上元器件组成，通过硬件电路和软件程序的设计，实现系统的基本功能。

本课题研究设计的是基于单片机STC89C52的温湿度检测和控制系统，主要以广泛应用的DS1820和CHR-01阻抗型高分子作为温度和湿度的检测，该仪器具有测量精度高、硬件电路简单、并能很好的进行显示，可测试不同环境温湿度的特点。

2 系统总体设计方案

2.1 课题设计的主要内容

本设计是基于STC89C52单片机的温湿度数据采集监测系统，主要完成以下功能：

1）选择STC89C52单片机，了解其基本特性和功能，使用STC89C52实现对温湿度的采集监测。

2）使用DS18B20温度传感器测量现场环境温度，进行数据的采集及传到单片机处理，温度误差≤0.1℃。

3）使用CRH-01阻抗型湿度传感器对现场时读数据采集，由单片机进行数据处理，湿度误差≤5。

4）使用STC89C52单片机接收数据并处理, 具有定点监测方式，有数据和状态显示功能。

5）环境温湿度超过一定范围就报警。

在完成以上功能时，要确保系统的可靠性和稳定性，是系统能够长期稳定的工作。

2.2 系统组成框图

本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号，和A/D模拟数字转换芯片的性能，此设计以STC89C52基本系统为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、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。系统总体方框图如图2.1所示。

图2.1 系统总体框图

通过系统组成框图可以看出系统的各个模块及其模块间的关系。按照本课题的设计要求分析组成框图。本设计的课题是基于单片机串口通信的信息监测系统的研制。课题的主要内容是以STC89C52为控制中心设计的系统。单片机STC89C52是整个系统的核心，它完成温度和湿度的采集、数据计算处理、结果显示，串口通信等工作。

3 系统硬件电路设计

3.1 单片机最小系统

本设计采用的是STC89C52单片机，STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL 搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。其原理图如下图所示：

图3.1 最小系统电路图

STC89C52单片机是双列直插式40引脚封装。这40引脚大致分为：电源（VCC、VSS、VDD、VPD），时钟（XTAL1、XTAL2），I/O（P0-P3），地址总线（P0、P2），数据总线（BUS）和控制总线（ALE、RST、PROG、PSEN、EA）6大部分。STC89C52的引脚图如下图所示：

图3.2 STC89C52引脚图

电源线

VCC：芯片的主电源，接+5V电压。

VSS：电源地线。

控制总线

ALE/PROG：地址锁存允许信号，在它的下降沿用于外部存储器的低8位地址锁存，使BUS（P0）分时用作地址总线低8位和数据总线。此信号每机器周期出现2次，只在访问外部数据存储器期间才不输出ALE。所以在任何不使用外部数据存储器的系统中，ALE以1/6振荡频率的固定速率输出，因而它能用作外部时钟和定时器。

/PSEN：外部程序存储器选择信号，并在外部程序存储器读取指令时产生，指令内容读到数据总线上。PSEN在每个机器周期产生2次有效，在执行内部程序存储器取指时，PSEN无效。

RST/VPD：复位输入信号。在振荡器工作时，该引脚2个机器周期的高电平可实现复位操作。在掉电情况下（VCC降到操作允许限度以下），VPD将为芯片内的RAM提供备用电源。

/EA/VDD：访问外部程序存储器控制信号输入端。当为低电平时，单片机都到

外部程序存储器取指。当EA为高电平且PC值小于0FFFH时，CPU执行内部程序存储器程序。

I/O线

P0（BUS）：单片机的双向数据总线和低8位地址总线。在分时操作时先用作地址总线，在ALE信号的下降沿，地址被锁存，然后作为数据总线；也可以作为双向并行I/O口。在程序校验期间，它用于数据输出。

P1：准双向I/O口。

P2：准双向I/O口。在访问外部存储器时，用作高8位地址总线。

P3：准双向I/O口。P3的每一根线还有特殊的第二功能，如表3.1所示。

表3.1 P3口的第二功能

3.2 温度采集电路的设计

3.2.1 DS18B20的测温原理

数字化温度传感器DS18B20，是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字温度传感器芯片，在其内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一支三极管的集成电路内，支持“一线总线”的数字方式传输，具有较强的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。

DS18B20测温原理如图3.3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影

响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3.3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

图3.3 DS18B20的测温原理图

3.2.2 DS18B20与单片机的接口电路设计

图3.4 DS18B20与单片机接口电路图

如图3.4采用外接电源供电方式，在外接电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上吸取能量,在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能来继续工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。独特的寄生电源方式有三个好处，分别是在进行远距离测温时，无需本地电源；可以在没有常规电源的条件下读取ROM；电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温。要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间获得足够的能量。该电路只适应于单一温度传感器测温情况下，不适宜于电池供电系统中工作，并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。单片机的P1.4口接DQ,当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的。主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。本次单片机系统所用的晶振频率为11.0592 MHz，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写3个子程序：初始化子程序、写（命令或数据）子程序、读数据子程序，所有的数据读写均由最低位开始。

3.3 湿度采集电路的设计

本设计中采用CHR-01阻抗型高分子湿度传感器，利用其阻抗的特性来分压，直接通过分压法采集，将湿度信号转换成电压信号，经放大和A/D转化成数字信号进入单片机处理，同时检测当前温度T，通过查阅湿度传感器Z/RH/T

数据表，反推得到当前的相对湿度RH%。

3.3.1 CRH-01湿度传感器的特性参数

1）工作电压：1V AC（50Hz ～ 2 K Hz）

2）检测范围：20%～90% RH

3）检测精度：±5%

4）工作温度范围：0℃～＋85℃

5）最高使用温度：120℃

6）特征阻抗范围：30(21 ～ 40.5)KΩ，( 60%RH, 25℃) 7）响应时间：≤12 s (0%～ 100%)

8）湿度飘移（/年）：≤±2% RH

9）湿滞：≤ 1.5%RH

表3.2 0～60℃湿度阻抗特性数据表

65

43.3 21.1 15.61 13.12 9.02 %

70

31.3 15.44 11.51 10.09 6.58 %

75

22.6 11.84 8.74 7.35 4.64 %

80

15.8 9.13 6.52 5.46 3.38 %

85

10.48 6.55 4.52 3.89 2.48 %

90

7 4.6 3.15 2.65 1.807 %

单位: KΩ

图3.5 0～60℃湿度阻抗特性特性图

3.3.2 模拟信号产生电路

高分子湿度传感器CHR-01为新一代复合型电阻型湿度敏感部件，其复阻抗与空气相对湿度成指数关系，直流阻抗（普通数字万用表测量）几乎为无穷大，与传统意义上的电阻有空气中水分子参与膜感湿中的离子导电，由于水分子为极性分子，在直流电存在的情况下，会电离，分解，从而影响导电与元件的寿命，所以要求采用交流电路对传感器进行供电。

555定时器是一种多用途单片集成电路，利用它可以极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。555定时器使用灵活、方便。因而得到广泛应用。本设计中湿敏电阻的工作电压只能是交流电压，采用555多谐振荡器正好可以满足这个要求。湿敏电阻的阻抗变化能反映环境湿度的变化，使其输出的电压也有对应的变化继而将数据传到单片机内处理。

图3.6 方波信号产生电路

如图3.6 所示，为模拟电压信号产生电路，2、6脚短接作为输入，3脚输出，利用555定时器组成了一个多谐振荡器。考虑到湿敏电阻的工作频率为

50Hz～2 K Hz，所以参数的选择要使输出频率在适当的范围内。笔者设计让其输出一个固定频率为1KHZ，幅度为4V的矩形方波信号。输出矩形方波的频率如下所示。

F=1.43/(RA+2RB)C1 式(1-1)

在此555多谐振荡电路中，和5脚相连的电容C2固定为0.01μ，不必参与参数选择。同时C1不能太小，否则电路不起振，确定F=1KHZ，确定参数RB=510Ω， C1=1μF，可代入式1-1中进行计算，得到滑动变阻器RA等于410Ω左右，硬件调试时只要让RA调到410Ω即可。

产生的矩形方波信号经过C3时，被滤除了直流分量进入湿度传感器CHR-01, 湿度传感器输出电压为V0，电阻为Rchr，由式(1-2)

V0=V*R4/(R4+Rchr) 式(1-2)

通过电压采样后得到V0,再由式（1-3）计算得到Rchr。

Rchr= R4*(V-V0)/V0 式（1-3）

同时检测当前温度T，通过查阅湿度传感器Z/RH/T数据表，在不同温度下Rchr的值推算出当前的相对湿度RH%。

R4采样电阻的阻值通常建议在30－200KΩ，侧重高湿测量，采样电阻阻值可降低到20KΩ，低湿阻值可提高到200KΩ。

3.3.3 放大和整流滤波电路

产生的电压信号由于比较小，由3脚进入运放进行放大，再通过滤波整行电路才能进入A/D转换。如图3.7所示为放大和整形滤波电路。

图3.7 放大和整形滤波电路

运放采用的是LM324四运算放大器，放大倍数为Av=(1+RP2/R7)。

硬件调试时只要调节RP2，就可以达到想要的放大部数。

经放大的电压信号，从1脚进入整流滤波电路，利用两个二极管的单向导通性，达到整流的目的，C6，C7起到滤波的作用。

3.4 A/D转换电路的设计

3.4.1 A/D芯片的选择

A/D 转换是决定测量精度和稳定性的重要一环。所以，A/D的选择也是一个要重点考虑的问题。本次设计中使用的是TLC0831。

TLC0831是8位逐次逼近电压型A/D转换器，支持单信道输入串口输出，极性设置固定，不需寻址。其内部有一采样数据比较器将输入的摸拟信号微分比较后转换为数字信号。摸拟电压的差分输入方式有利于抑制共摸信号和减少或消除转换的偏移误差。而且，电压基准输入可调，使得小范围摸拟电压信号转化时的分辨率更高。其主要特点如下：

(1) 8位分辨率；

(2) 单信道差分输入；

(3) 5V的电源提供0-5V可调基准电压；

(4) 输入输出可与TTL和MOS兼容；

(5) 总失调误差为1SB。

此次设计的目的是初步实现对温度的采集和转化。综合比较两块芯片发出，虽然ADC0809芯片转换速度快，但其硬件电路相对较复杂一些，且占用I/O多，TLC0831为串口输出，芯片的精度、速度都不错，能满足这次设计的要求，而且占用很少I/O口。设计者从成本最小化和实用化的原则出发，选择了TLC0831。

3.4.2 A/D转换电路的设计

此次A/D电路设计的主要任务是反映电压信号的模拟量转换成数字量，其电路原理图如图3.8所示：