基于单片机的温湿度检测系统硬件设计

I 基于单片机的温湿度检测系统硬件设计

摘要

随着人们的生活及其生产水平的不断提高，对生活环境和生产环境的要求就显的尤为重要,温湿度的控制就是一个典型的例子，因此温湿度检测系统就是现代生产生活中应运而生的一种智能、快捷、方便可靠的检测系统，特别是在工业生产中如果检测得不准确就会发生许多的生产事故。如化工生产中对温度的检测不当就会导致生产效率的降低和产品质量的下降。而现在所使用的温湿度检测系统通常都是精度为1℃或0.1℃的水银、煤油或酒精温度计进行的温度检测和用传统的物理模拟量的方法进行的湿度检测。这些温湿度检测计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便。

要为现代人工作、科研、生活提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本设计是以单片机（AT89S52）为核心，配合温度传感器（DS18B20）和湿度传感器(HIH-3610)，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。所有的测量操作都可以通过主机控制软件来实现，温度和湿度传感器得到的测量信号，经电路转换为电信号，然后湿度通过光电耦合送到单片机进行数据处理，经软件分析处理后送显示装置。

本系统是硬件设计,可靠性高，结构简单，实现了对温湿度的自动调节。系统还应用RS232与上位机相连接，可以设置自动记录温度、湿度的相关的参数，也可以设置每隔一定的时间自动记录，可用在气象的观察方面。

关键词：AT89S52单片机，温度传感器，湿度传感器，LED显示

II Design of Temperature and Humidity Detection Hardware

System Based on Microproccessor

ABSTRACT

As people's living and production levels continue to improve,Living environment and production environment for the requirements of most importance to people.Temperature and humidity control is a typical example, the temperature and humidity detection system came into being of modern production and life of a smart, fast, convenient and reliable detection systems, particularly in the industrial production will occur if the test was not precise Many industrial accidents.Such as chemical production in the detection of improper temperature can cause reduced productivity and product quality decline. And now the temperature and humidity detection system used is usually an accuracy of 0.1 ℃or 1 ℃mercury, kerosene or alcohol thermometer for temperature measurement and the use of traditional methods of physical analog humidity testing. The total scale of temperature and humidity testing is usually very close intervals, not easy to accurately distinguish, reading difficulties, and their relatively large heat capacity, the time required to reach thermal equilibrium longer, making it difficult to read accurate, and very inconvenient to use.

Work for modern, scientific research and to provide better and more convenient facilities need to start from a single chip technology, all toward the digital control, intelligent control direction. The design is based on microcontroller (AT89S52) as the core, with the temperature sensor (DS18B20) and the humidity sensor (HIH-3610), and related peripheral circuits of the detection system, can receive the measured signal is temperature and humidity environment, inspectors can through the digital display of data, real-time monitoring the environment temperature and humidity conditions. All of the measurement operation can be achieved by the host control software, temperature and humidity sensors are measuring the signal, the circuit is converted to electrical signals, then amplified by a certain chip converter to the microcontroller for data processing, the software analysis display device processing evacuation.

The system includes hardware and software design, high reliability, simple structure to realize the automatic adjustment of temperature and humidity. Application RS232 system also is connected with the host computer, you can set up automatic recording of temperature, humidity related parameters can also be set automatically records the time intervals can be used in terms of meteorological observation.

III KEY WORDS: AT89S52 microcontroller, temperature sensor, humidity sensor,LED display

IV

目录

摘要 ..................................................................... I ABSTRACT ................................................................ II 1 绪论 . (1)

1.1课题的研究背景 (1)

1.2温湿度传感器技术的现状及发展趋势 (1)

1.3本课程设计的主要内容 (3)

1.4本论文结构 (3)

2 系统总体方案设计 (5)

2.1系统功能的设计 (5)

2.2系统设计原则 (5)

2.3系统总方案的选定 (6)

2.3.1 主控制器方案的选型 (6)

2.4系统组成框图 (9)

3 系统的工作原理 (11)

3.1传感器的基本特性 (11)

3.1.1 传感器的静态特性 (11)

3.1.2 传感器的动态特性 (11)

3.2温度传感器 (11)

3.2.1 DS18B20的测温原理 (12)

3.3湿度传感器 (14)

3.3.1 主要特性 (15)

3.4单片机AT89S52 (16)

3.5RS-232-C接口 (19)

3.6数码管的显示 (20)

4 系统的硬件设计和连接 (21)

4.1主控模块 (21)

4.2显示模块 (21)

4.3光电耦合 (21)

4.4温度和湿度采集模块 (22)

4.4.1 DS18B20温度传感器与单片机的连接 (22)

4.4.2 湿度信号采集的设计 (22)

4.5输出驱动的设计 (23)

4.6与上位机相连电路的设计 (24)

V

4.7电源电路的设计 (24)

4.8报警电路设计 (25)

5 总结与展望 (26)

致谢 (28)

参考文献 (29)

附录 (30)

基于单片机的温湿度检测系统硬件设计 1

1 绪论

1.1 课题的研究背景

工业生产中有些场合需要使用精密的机台设备，这些设备的精密度高、价格高，因此为了保证产品的质量及机台的使用寿命，对其环境的要求也很高，尤其的是对温度、湿度的控制。随着信息产业的发展及工业化的进步,温度和湿度不仅仅表现在以上几个方面直接或间接影响着人类基本生活条件, 还表现在对生物制品、医药卫生、科学研究、国防建设等方面的影响。针对以上情况，研制可靠且实用的温湿度控制器显得非常重要。常用温湿度传感器的非线性输出及一致性较差，使温湿度的测量方法和手段相对较复杂，且给电路的调试带来很大的困难。传统的温湿度测量多采用模拟小信号传感器，不仅信号调理电路复杂，且温湿度值的标定过程也极其复杂，并需要使用昂贵的标定仪器设备。因此对于温湿度控制器的设计有着很大的现实生产意义。

本文设计的是基于单片机AT89S52的温湿度检测和控制系统，主要以广泛应用的DS18B20和HIH-3610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。另外和控制电路相连，可以进行加湿电路和除湿电路的控制，使温度和湿度参数在预先设定的范围内，不需要人的直接参与。本系统还通过RS232和上位机相连，可以设置每隔一定的时间进行温度和湿度的采集，上传到上位机，以供查询。

1.2 温湿度传感器技术的现状及发展趋势

在后工业化时代，信息技术对社会的发展及科技的进步起了决定性作用，传感器技术、通信技术、计算机技术构成了信息技术的三大支柱。传感器技术是2l世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。我国从20世纪80年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术必将得到较大的发展。

传统的温度测量是从金属(物质)的热胀冷缩开始。水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。可是它的缺点是只能近距离观测，而且有毒。代替它的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低。在电气时代主要发展了金属热敏电阻。如铜电阻、镍电阻、铂电阻等，它们的特点是稳定性好、耐高温，如铂电阻有的可达六、七百度。但它们的缺点是灵敏度低，当传输线路长短不等时，需要进行温度补偿。热敏电阻的另一分支是金属氧化物半导体型热敏电阻，作为测温用的是负温度系数热敏电阻(NTC),它由多种金属氧化物粉混合烧结而成，其主要优点是灵敏度高。过去

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的缺点是一致性差，现由于改进配方问题基本解决，测量精度可达0.1%以内，能满足工业要求。更高温度测量需使用热电耦。该类热电偶最高测量温度可达+3000℃，是目前冶炼不可缺少的仪器设备。不过它的缺点是线性不好，冷端需要温度补偿[3]。

近年发展起来的有PN结测温器件。这类器件的优点是在-50℃~+150℃范围内有良好的特性，体积小、响应时间快、价格低。但它的缺点是一致性差、不易做到互换，而且PN结易受外界、幅射的影响，稳定性难以保证。石英晶体温度检测器的测量精度较高，一般可检测到0.001℃，可作标准检测之用。光纤传感器技术是本世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。检测精度在±1℃以内，测温范围可以从绝对0~+2000℃。激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量。用氦氖激光源的激光作反射计，可测很高的温度，精度达1%；用激光干涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度，上限可达+3000℃，专门用于核聚变研究，但在工业上应用还需进一步开发和实验。微波波温度检测器是利用在不同温度下，温度与控制电压成线性关系的原理制成的。这种检测器的灵敏度为250kHz/℃，精度为1%左右，检测范围为+20~+1400℃。近几年来，随着微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的发展，人们开发出将温度传感器和数字电路集成在一起的新型数字式集成温度传感器。数字式温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路，有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。与模拟传感器相比，数字式传感器在精度、分辨率、可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点，由于采用数字反馈方式，比较器的失调电压和零点漂移不会影响温度的转换精度，而且，输出的温度数据和相关的温度控制量可以适配各种微控制器。目前，数字式温度传感器的总线技术已实现了标准化、规范化，主要有单线（1-Wire）总线、

总线、SMBus总线和SPI总线。温度传感器做为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。受半导体器件本身限制，数字式传感器还存在一些不够理想的地方。比如实际应用时需加修正值，测温范围不宽，一般为-50～+l50℃。

虽然存在一些不足，但是充分利用微处理器技术发展数字化、集成化和自动化的温度传感器仍是温度传感器的发展方向之一。国外在湿度传感器研制方面起步较早，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±2%RH。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制与开发。近几年，国外湿度传感器有了较大的发展，特别是电阻式湿度传感器发展更快，人们不仅在电阻式陶瓷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，这种传感器稳定性好、精度高、响应特性优，这是应当引以重视的技术动向。根据工业自动化控制的需要，国内外正在开展新一代湿度传感器的研制与开发。目前，湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开

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发新一代湿度、温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。随着大规模集成电路技术和光通信技术的发展，信息的传输、处理技术有了突破性的进展，发展相对滞后的传感器技术业已得到全世界的普遍重视。因此，今后一个时期传感技术将成为人们研究的新热点，并有可能形成较大产业。传感器技术未来将向以下几个方面发展：

（1）高精确度。为了提高测控精度，必须使传感器的精度尽可能地高。

（2）小型化。很多测试场合要求传感器具有尽可能小的尺寸。

（3）多功能集成化。研究多功能集成传感器是传感器发展的一个重要方向。有两种类型。一种是将传感器、放大器及温度补偿电路等集成在同一芯片上，减小体积，增强了抗干扰能力。另一种是在一个芯片上集成多种功能敏感元件或同一功能的多个敏感元件。例如温湿度一体化传感器，一个芯片可同时检测温度和湿度。

（4）数字化。为了使传感器与计算机直接接口，致力于数字式传感器研究是很重要的。（5）智能化。这种传感器一般是计算机与传感器相结合的复杂系统。它兼有检测、信息处理、推理、联想和控制等各种功能，重点是具有逻辑功能，是传统传感器无法比拟的。智能传感器的出现将是传感技术中的一次飞跃。

1.3 本课程设计的主要内容

本设计主要做了如下几方面的工作:一是确定系统的总体功能设计方案，二是进行智能传感器的硬件电路的设计，三是单片机及通信接口的硬件电路设计。

本文将信息采集技术、信息传输技术、信息存储技术及信息处理技术等相互融合，将温室环境多种参数监测和单片机控制理论相结合，提出一种切实可行的温室环境监测系统，可以全面、实时、自动地对监测数据进行自动记录、存储和处理，并将有关信息根据现场实际情况，采用最有效方式送入计算机进行处理，并可对监测系统进行远程控制。满足了对作物生长状态实行全面、实时、长期监测的要求。

与传统监测系统相比，本系统具有以下优点：

（1）传感器设计成智能型，可以增加系统数据采集速度，减轻监控计算机的负担。（2）增加了辅助存储功能，在监控计算机不工作的时候，采用多媒体存储卡存储采集据。

（3）单片机的设计提高了系统的监测速度，系统的可靠性、实时性都有很大的提高。（4）对模拟设备采集到的数据，为防止失真，采用了数据插值算法。

（5）利用蜂鸣器，超限报警。

1.4 本论文结构

本论文共有五章，分别对无线测温系统硬件设计部分和监控软件部分进行详细的介绍。

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第一章绪论，介绍温湿度传感器的发展状况。

第二章是系统总体设计方案的确定，温湿度传感器，单片机，显示模块的选择。

第三章是对检测系统的硬件电路功能描述，包括温度信号采集模块、湿度采集模块、单片机、温度报警模块等。

第四章是系统的硬件设计和连接，包括显示模块的连接、温度和湿度采集模块和单片机的连接、报警电路的设计等。

第五章是总结与展望。

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2系统总体方案设计

该系统以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统。该系统，可分为温度测量电路、湿度测量电路、显示电路、蜂鸣器报警电路，与上机位连接电路。选用的主要器件有:温度传感器DS18B20，湿度传感器HIH-3610，单片机AT89S52，6数码管显示模块，MAX232，集成定时器555芯片等。

2.1 系统功能的设计

系统要完成的设计功能如下：

（1）实现对温室温湿度参数的实时采集，测量空间多点的温度。湿度根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温、湿度敏感点进行测量，由单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，实现温湿度的智能、多空间点的测量。（2）实现超限数据的及时报警。

（3）现场监测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力。并具有存储、远程通信功能。

（4）通信系统具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。与计算机通讯功能，采用RS232串行通讯方式最远传输距离为20米。

（5）长时间测量数据记录功能：可以根据需要设置数据记录时。间间隔，数据存入数据存储器。

要求达到的技术指标：

测温范围：-20℃~100℃

测温精度：0.5℃

测湿范围：0-100%RH

测湿精度： 2.5%RH

2.2 系统设计原则

要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。

（1）可靠性

高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准则。提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑：使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出通道抗干扰措施；进行软硬件滤波；系统自诊断功能等。

（2）操作维护方便

在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作

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人员专用知识的要求，以利于系统的推广。因此在设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法。同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。

2.3 系统总方案的选定

2.3.1 主控制器方案的选型

单片机的选择

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AT89S52单片机，AT89C51片内4K，ROM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AT89S52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ATMEL公司的AT89S52单片机。

温度传感器选用

随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，数字式温度传感器也得到了快速发展，世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列。这些产品的出现极大的丰富了设计工程师的选择对象。在如此众多的产品中选择出合适的器件，应该把握以下几点：外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用MCU的I/O 引脚数情况如何，因为MCU的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约；与MCU的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。

目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有Philips公司的I2C总线、Motorola 公司的SPI总线、National Semiconductor公司的Microwireplus总线、Dallas Semiconductor 公司的1-Wire总线和Siemens公司的Profibus总线等。

常用的数字温度传感器主要有：

（1）AD7418是美国模拟器件公司（ADI）推出的单片温度测量与控制用集成电其内部包含有带隙温度传感器和10位A/D转换器。测温范围为-55℃~+125℃，具有10位数字输出温度值，分辨率为0.25℃，精度为±2℃，转换时间为15~30ms。具有体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境干扰等优点。AD7418可以级联至多8

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片在同一个I2C总线上。

（2）LM74是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、A/D数转换器，并具有SPI/Microwire 兼容总线接口的数字温度传感器。具有抗干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。在传感器通电工作后自动按一定速率对温度进行检测，并在片内寄存器中存储转换的温度值，主机可以在任意时刻读出传感器温度值。LM74具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过10μA,适用于对功率消耗有严格限制的系统。LM74的模数转换器为12位外加符号位，因此在其有效工作范围内可达0.0625℃的分辨率，转换时间为425ms。

（3）MAX6575L/H是美国MAXIM公司的一种单总线式数字温度传感器，具有较好的线性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。测温范围为-40~+125℃，其误差范围：在25℃时优于±3℃在85℃时优于±4.5℃，在125℃时优于±5℃。但是MAX6575L/H在其测温范围内非线性误差较大，因此，当它用于高精度温度测量时，必须对其进行非线性补偿。它最多允许在一根MCU的I/O总线上同时挂接8个MAX6575L/H进行多点温度测量。为了避免多个传感器同时测温时有重叠的现象MAX6575提供了“L”和“H”两种型号的传感器,它们的使用方法相同,而且每一种型号的传感器又可以通过时间选择引脚。但是，MAX6575L的远距离传输特性并不理想，传输范围只能在5m以内，超过此范围将采集不到被测温度数据，这也是这种器件的一个弊端。

（4）DS18B20是美国Dallas半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。DS18B20的测温范围-55~+125℃，最高分辨率可达0.0625℃，由于每一个DS18B20出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM 中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。Dallas公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特点：

（1）适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性；

（2）性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好；

（3）具有CRC校验功能，可靠性高；

（4）软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。

由于DS18B20独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占MCU的I/O 引脚资源少，MCU的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以，选用DS18B20作为温度测量的传感器。

湿度传感器的选用

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近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了较大的发展。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。选择集成湿度传感器应考虑以下几点：感湿性能好、灵敏度高、响应速度快、测量范围宽，要有较好的一致性、可重复性，线性度要好、湿滞小，较高的稳定性和可靠性，有较强的抗污染能力、使用寿命长。

目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610 型），Humirel公司HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。这些产品可分成以下三种类型：（1）线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。

（2）线性频率输出集成湿度传感器典型产品为HF3223型。它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。

（3）频率/温度输出式集成湿度传感器典型产品为HTF3223型。它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC 端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。

常用的集成湿度传感器主要有：

（1）HIH-3610是美国Honeywell 公司生产的具有信号处理功能的热固聚酯电容式相对湿度传感器，线性放大输出、工厂标定，独特的多层结构能非常好地抵抗环境的侵蚀，诸如湿气、尘埃、脏物、油、及一些化学品。工作范围：温度-40~+85℃，相对湿度

0~100%RH，精度达到±2%RH，激光修正互换性至5%RH，低功耗驱动电流设计为

200μA，反应时间为15s，稳定性好、较低的漂移、抗化学腐蚀性能强。

（2）HF3223湿度传感器是法国Humirel公司生产的专利的固态聚合物结构相对湿度传感器，具有线性的频率输出，湿度测量范围10~95%RH，精度±5%RH，湿度迟±1.5%RH，温度工作范围-30~+80℃，温度特性好，高可靠性与长时间稳定性，在长时间处于饱和状态后快速脱湿，反应时间10s，对化学品有较高的抵抗性，浸水没有影响。

（3）HM1500湿度传感器是法国Humirel公司采用Humirel专利湿敏电容HS1101 设计制造的相对湿度传感器。带防护棒式封装，5VDC恒压供电，1~4VDC 放大线性电压输出，便于用户使用。湿度测试量程为0~100%RH，精度达±3%RH（10~95%RH 范围），防灰尘，可有效抵抗各种腐蚀性气体物质，非常低的温度依赖性，长期稳定性好，反映时间5s，广泛应用于机房监控，智能楼宇，仓库监控等控制场合，价格实惠，是一款性价比极高的湿度传感器。

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线性电压输出式集成湿度传感器典型产品HIH3610。其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。故选用HIH3610。

显示模块的选用

显示有串行和并行两种方式。并行显示方式占用硬件资源多，八个笔划段和几个显示驱动控制端都要接到单片机的I/O引脚，但显示刷新速度快；串行显示方式占用硬件资源少，仅数据锁存控制端、时钟端、数据端三个端口要接到单片机的I/O引脚上，显示刷新速度较并行显示方式慢。

显示单元是人机交互的窗口，是传递仪表工作状态和检测数据的关键性设备，通常的显示器件有液晶显示器（LCD）和数码管显示器（LED）。

液晶显示器在使用中有许多注意事项：不能对它长期施加直流电，否则易造成显示器的老化；必须注意防潮；防止施加过大的压力；对于使用的环境温度要特别注意，温度不能太高也不能太低；防止紫外线的直接照射；要特别注意防静电，焊接显示器时烙铁要接地。

可见液晶显示器在使用中有众多的限制条件，但它同时也有一定的优势，其中最明显的就是低功耗，消耗电流一般是PA级的。数码管显示器不同与液晶显示器，它对电源没有特殊要求，受环境温度的影响不大，不怕阳光的照射，也没有严格的防静电要求，而且它的显示亮度要比液晶显示器亮许多，适于安装在室内、室外、黑暗和光线强的各种环境中，但它的耗电量明显高于液晶显示器。本系统由于要适合在不同环境条件下使用，所以选用数码管显示器。

综上所述，本设计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HIH-3610相对湿度传感器它是一种热固聚脂电容式传感器。采集到的湿度信号经过555振荡电路后，送至单片机P3.2口，实现湿度的显示与控制。

2.4 系统组成框图

以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统。该系统，可分为温度测量电路，湿度测量电路，数据存储及显示电路，语音报警电路，见图2-1。选用的主要器件有:温度传感器DS18B20，湿度传感器HIH-3610，单片机AT89S52，6数码管显示模块，MAX232，集成定时器555芯片等。

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图2-1 系统框图

本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的：

（1）信号采集由DS18B20、HIH-3610组成；

（2）信号分析单片机AT89S52基本系统组成；

（3）信号显示由串行口LED显示器和报警电路组成。

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3 系统的工作原理

3.1 传感器的基本特性

在监控系统中有各种不同的物理量需要监测和控制，这就要求传感器能感受被测非电量并将其转换成与被测量有一定函数关系的电量。传感器所测量的非电量是处在不断的变化之中，传感器能否将这些非电量的变化不失真地转换成相应的电量，取决于传感器的输入——输出特性。传感器这一基本特性可用静态特性和动态特性来描述[7]。

3.1.1 传感器的静态特性

传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要技术指标有:线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。

3.1.2 传感器的动态特性

传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如:最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。

3.2 温度传感器

美国DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器，可以直接将被测温度转化为串行数字信号供微机处理，通过简单的编程实现9位的温度读数。并且多个DS18B20可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。由于每一个DS18B20出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省大量的引线和逻辑电路。

与其它温度传感器相比，DS18B20具有以下特性:

（1）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

（2）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。

（3）DS18B20在使用中不需要任何外围元件。

（4）温范围-55℃~+125℃，固有测温分辨率0.5℃。

（5）测量结果以9位数字量方式串行传送。

陕西科技大学毕业论文（设计说明书）12 DS1820采用3脚TO-92封装或8脚50封装，管脚排列如图3-1所示：

图3-1 DS18B20的引脚

对图3-1中DS18B20的引脚功能说明如下：

NC：空引脚，不连接外部信号。

VDD：接电源引脚，电源供电3.0~5.0V。

GND：接地。

DQ：数据的输入和输出引脚。

DQ：引脚的I/O为数据输入/输出端(即单线总线)，该引脚为漏极开路输出，常态下呈高电平。

3.2.1 DS18B20的测温原理

DS18B20的内部框图如图3.2所示，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM 单线接口、存放中间数据的高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值、触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等7部分。

图3-2 DS18B20的内部框图

测温原理见图3-3。低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供一频率稳定的计数脉冲。高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏

基于单片机的温湿度检测系统硬件设计 13

感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。

初始时，温度寄存器被预置成-55℃，每当计数器1从预置数开始减计数到0时，温度寄存器中寄存的温度值就增加1℃，这个过重复进行直到计数器2计数到0时便停止。 斜坡累加器

比较

计数器预置温度寄存器

=0预置低温度系数振荡器高温度系数振荡

器计数器

=0增加停止

LSB

置位/

清0

图3-3 DS18B20测温原理图

初始时，计数器1预置的是与-55℃像对应的一个预置值。以后计数器l 每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。计数器1的预置数也就是在给定温度外使温度寄存器存值增加1℃计数器所需的计数个数。

图中比较器的作用是以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。在计数器2停止计数后，比较器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与025℃进行比较，若低于0.25℃，温度寄存器的最低位就置0，若高于0.25℃，就置1，若高于0.75℃，温度寄存器的最低位就进位后置0。这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最末位代表0.5℃，四舍五入最大量化误差为士l/ZLSB ，即0.25℃。

温度寄存器中的温度值以9位数据格式表示，最高位为符号位其余8位以二进制补码形式表示温度值。测温结束时，这9位数据转存到暂存寄存器的前两个字节中，符号位占用第1字节，8位温度数据占用第2字节。

DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号:同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。当计数门打开时，DS18B20进行计数计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位(包含一位符号)，但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，

陕西科技大学毕业论文（设计说明书）14

温度和数字量的关系如表3-1所示。

表3-1 温度和数字量的关系

单线总线，即1-wire技术是DS18B20的一个特点。该技术采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作;当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作。

DS18B20 有两种供电方式：一种为数据线供电方式，此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，完成温度转换的时间较长。为了保证在有效的时钟周期内，提供足够的电流，这种情况下，用一个MOSFET管和单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式(VDD接+5V)，完成温度测量的时间较短。当使用数据总线寄生供电时，供电端必须接地，同时总线口在空闲的时候必须保持高电平，以便对传感器充电。但当所测温度超过100℃时，DS18B20的漏电流增大，传感器从I/O线上获取的电流不足以维持DS18B20通讯所需的电流，此时只能选用外部供电方式。比较而言，寄生电源方式少用一根导线，但它完成温度测量所需的时间较长，而外部电源方式测量速度则要快些。

3.3 湿度传感器

本设计中采用相对湿度传感器HIH-3610。HIH-3610是美国Honeywell公司生产的相对湿度传感器，该传感器采用热固聚酯电容式传感头，同时在内部集成了信号处理功能电路，因此该传感器可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容值转换成线性电压输出的任务，同时该传感器还具有精度高、响应快、高稳定性、低温漂、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点。