环境温湿度参数实时监测系统

摘要

采用单片机对温度、湿度等环境参数进行监测是一个工业生产中经常遇到的监测问题，采用单片机不仅具有监测方便、操作简单等优点，而且可以在节约成本的同时大幅度的提高监测质量。本文设计了单片机构成的环境温度、湿度参数实时监测装置，本装置以单片机AT89C51为控制核心，采用独特的单总线数字式温度传感器DS18B20进行温度采集，采用湿敏电容HS1101对湿度参数进行采集。LCD液晶显示屏对于当前的温度值和湿度值进行实时的显示，可以方便用户直观的了解所测得的温度、湿度环境参数值。用户可使用按键根据自身要求设定温湿度上下限，同时，报警装置可依据用户的设定针对温湿度超限情况进行报警。

关键词：温湿度监测；超限报警；LCD显示

Abstract

MCU is always used in industry measurement as temperature and humidity measurement. With MCU, it can be more convenient and simple to complete the measurement efficiently. The paper designs a real-time temperature and humidity measurement device based on MCU. The device adopts AT89C52 as the control. The device also make use of DS18B20 to obtain the digital temperature signal and HS1101 to gain the analogue humidity signal. In the design, LCD is used to display the consumers the real-time temperature and humidity clearly. The consumer can use the buttons to change the upper and lower limits of the temperature and humidity. And the alert in the design should work based on the limits set up by the consumers.

Keywords：temperature and humidity measurement; alert over-limit; LCD

- 1 -

前言

本课题研究的主要目的是设计一个能够提供环境的温度、湿度并具有对温度、湿度超限报警功能的装置。人类的生存和社会中各项活动的展开与温度、湿度参数值密切相关，随着科学技术的发展，人类在不同应用领域对温度、湿度的测量提出了越来越高的要求。日常生活中，工厂、商场、银行、医院以及各类科研场所都需要符合操作规定的温、湿度环境条件。居民家庭中更离不开对温度、湿度的监测，室内湿度一般控制在45%至65%RH之间，人体感觉比较舒适。而冬季供暖期的室内湿度通常仅为10%—15%RH，在干燥的环境下呆久了，会使人皮肤紧绷，干燥上火，感觉不适，甚至使人的呼吸系统抵抗力降低，从而引发或者加重呼吸系统的疾病。当空气湿度低于40%RH的时候，灰尘、细菌等容易附着在鼻部和肺部呼吸道黏膜上，刺激喉部引发咳嗽，也容易发生呼吸道的其它疾病，由此可见湿度参数测量意义重大。工厂中，产品装配过程历来都存在对装配环境中的温、湿度进行监测的问题。温、湿度参数监测报警装置能对特定环境中的温、湿度参数进行监测并能对温、湿度超限情况及时给出报警信号。该监测报警装置采用温、湿度传感器直接测量环境的温度、湿度，将采集到的信号分别送入单片机，由液晶显示屏显示环境的温、湿度，并可以采用键盘输入温、湿度上下限值，由报警装置完成温、湿度超限报警功能。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍，完成了课题所有要求。

- 2 -

第1章方案论证

1.1 课题的任务与要求

该题目旨在设计一个能够提供环境的温度、湿度并具有对温度、湿度超限报警功能的装置，利用单片机及外围电路构成一个监测系统，达到如下要求：1．能对环境的温度、湿度、静电进行实时检测；

2．检测得到的静电及温、湿度数据可以实时显示，静电测量的误差±

<10%，温度测量的误差±

<5%RH；

<1℃，湿度测量的误差±

3．用户可以自行设定监测中的温、湿度上、下限，超限报警。

1.2 方案论证

根据本课题的任务与要求，提出两种方案进行论证。

1.2.1 方案一

由于课题中涉及温度、湿度两个量的监测，由此设计出应对本课题的方案一，即采用一个温度传感器和一个湿度传感器对温、湿度进行分别测量。基于此设想装置的基本工作原理是：温度、湿度传感器分别采集到两路信号送入单片机，由液晶显示器实时显示环境的温度、湿度，并可通过键盘输入用户需设定的温、湿度上下限，当温、湿度超限时启动报警装置报警，整个装置的控制核心采用单片机。在功能设计上可将整个装置分为测量模块、CPU模块、显示模块、键盘输入模块和报警模块几个部分。

方案一在元器件的选择上，选取DS18B20数字式温度传感器和HS1101湿敏电容作为温、湿度信号的采集传感器。选取1602液晶显示屏显示温、湿度值。DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字式温度传感器，可直接将其测得的温度值传入单片机，再通过LCD进行显示。而HS1101湿敏电容是将空气的湿度值转化为该湿敏电容的电容值，电容值随湿度值的增大而增大，将该湿敏电容置于555振荡电路中，电容值的变化可转为与之成反比的电压频率信号的变化，并可以直接送入单片机。采用温度传感器DS18B20与电容式湿敏传感器HS1101的系统结构框图如图2.1所示。

- 3 -

- 4 -

图2.1 采用温度传感器DS18B20、湿度传感器HS1101的系统结构框图

1.2.2 方案二

本方案与方案一的主要不同是采用了SHT71数字温湿度传感器，SHT71是瑞士Sensirion 公司推出的基于CMOSens 技术的新型温湿度传感器。该传感器将CMOS 芯片技术与传感器技术结合起来, 发挥出强大的优势互补作用。包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接。SHT71数字温湿度传感器的引脚图如图2.2所示。

图2.2 SHT71数字温湿度传感器引脚图

由于SHT71数字温湿度传感器上除了温度、湿度敏感元件以外，还包括一个放大器，A/D 转换器，OTP 内存和数字接口，所以系统框图得以简化，采用SHT71数字温湿度传感器的系统框图如图2.3所示。

图2.3 采用SHT71数字温湿度传感器的系统框图

1.3 方案比较

在上述两种以传感器为主要区别的方案选择中，主要差别在于是否运用数字传感器以及是否考虑将温度、湿度两个传感器合二为一。从性价比的角度分析，虽然方案1中要采用两个单独的传感器温度传感器DS18B20和湿敏传感器HS1101，看似有些资源浪费，但方案2的SHT71传感器的单价已胜过方案1中两个传感器售价之和，在购置传感器上的开销要大。因此，从性价比角度考虑，方案1更优。另一方面，电容式湿敏传感器实用化程度高，工艺成熟，性能稳定，普遍用于各种情况下湿度测量，且可以使用555振荡电路将其湿度变化对应的湿敏电容值的变化转化为脉冲频率送入单片机。而DS18B20由于具有结构简单不需要外接电路、可用一根I/O数据线既供电又传输数据、体积小、分辨率高、转换快等优点，被广泛用于测量和控制温度的地方。从应用程度上来说，方案1的可操作性更强。

1.4 结论

通过上述方案比较最终确定选择方案1作为温湿度传感器的设计方案。

- 5 -

- 6 - 第3章 硬件系统的设计与实现

本系统以单片机

AT89C52为控制核心，以数字式温度传感器DS18B20作为温度检测元件，以湿敏电容HS1101作为湿度检测元件。本系统在功能设计上可将整个装置分为测量单元、CPU 单元、显示单元、键盘输入单元和报警单元几个部分。系统框图如图3.1所示。

图3.1 系统框图

3.1 测量电路的设计

3.1.1 温度检测单元的设计

设计中采用可编程分辨率的单总线数字式温度传感器DS18B20。DS18B20可以以9-12位数字量的形式反映所测得的温度值。DS18B20通过一个单线接口发送或接收信息，因此在微处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，而无需外部电源。因为每个DS18B20都有一个独特的64位序列号，所以多只DS18B20可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方，从而同时采集多处温度。 可编程分辨率的单总线数字式温度传感器DS18B20具有如下的特性： ? 独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯 ? 简单的多点分布应用 ? 无需外部器件 ? 可通过数据线供电 ? 零待机功耗

? 测温范围-55℃—125℃ ? 温度以9-12位数字量读出

? 温度数字量转换时间200ms （典型值）

- 7 -

? 用户可定义的非易失性温度报警设置

? 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件 DS18B20引脚排列如图3.2所示。

图3.2 DS18B20引脚排列图

DS18B20的引脚说明表如表3.1所示。

表3.1 DS18B20引脚说明表

GND 地 DQ

数据I/O V

可选DD V NC

空脚

DS18B20 有三个主要数字部件：

1）64 位激光ROM; 2）温度传感器;

3）非易失性温度报警触发器TH 和TL 。

DS18B20采用如下方式从单线通讯线上汲取能量：在信号线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工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。DS18B20也可用外部+5V 电源供电。DS18B20的结构图如图3.3所示。

- 8 -

图3.3 DS18B20结构图

当DS18B20采用寄生电源供电时，所采用电路会在I/O 口或DD V 引脚处于高电平时“偷”能量。当有特定的时间和电压需求时，I/O 口要提供足够的能量。寄生电源有两个好处：

1）进行远距离测温时，无需本地电源； 2）可以在没有常规电源的条件下读ROM 。

在寄生电源模式下，单总线和DS18B20内部的电容在大部分操作中能提供充分的满足规定时序和电压的电流给DS18B20。然而，当DS18B20正在执行温度转换或从高速暂存器向EPPROM 传送数据时，工作电流可能高达1.5mA 。这个电流可能会引起连接单总线的弱上拉电阻的不可接受的压降，这需要更大的电流，而此时DS18B20内部的电容无法提供。为了保证DS18B20有充足的供电而进行精确的温度转换，单总线线必须在转换期间保证供电。有两种方法能够使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应。第一种方法，当进行温度转换或拷贝数据到EEPROM 操作时，给单总线线提供一个强上拉。用漏极开路把单总线直接拉到电源上就可以实现，在发出任何涉及拷贝到暂存器的指令或启动温度转换的指令之后，必须在最多10μs 之内把I/O 线转换到强上拉。使用寄生电源供电时，DD V 引脚必须接地。DS18B20温度转换期间的强上拉供电原理图如图3.4所示。

- 9 -

图3.4 DS18B20温度转换期间的强上拉供电原理图

另一种给DS18B20供电的方法是从DD V 引脚接入一个外部电源，这样做的好处是单总线上不需要加强上拉，而且总线控制器不用在温度转换期间总保持高电平。这样在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据往来。另外，在单线总线上可以挂任意多片DS18B20，而且如果它们都使用外部电源的话，可以让它们同时进行温度转换。需注意的是当加上外部电源时，GND 引脚不能悬空。DD V 供电原理图如图3.5所示。

图3.5 DS18B20采用VDD 供电原理图

DS18B20通过一种片上测温技术来测量温度，测温原理如下：用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数来得到温度值。计数器被预置到对应于-55℃的一个值。如果计数器在门周期结束前到达0，则温度寄存器（同样被预置到-55℃）的值增加，表明所测温度大于-55℃。同时，计数器被复位到一个值，这个值由斜坡式累加器电路确定，斜坡式累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。斜坡式累加器用来补偿感温振荡器的非线性，以期在测温时获得比较高的分辨力。这是通过改变计数器对温度每增加一度所需计数

的值来实现的。因此，要想获得所需的分辨力，必须同时知道在给定温度下计数器的值和每一度的计数值。DS18B20的测温原理图如图3.6所示。

图3.6 DS18B20测温原理图

DS18B20电路图如图3.7所示。

图3.7 DS18B20电路图

- 10 -

3.1.2 湿度检测单元的设计

测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。

课题中采用的湿度传感器HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，该相对湿度传感器可以应用于办公自动化，车厢内空气质量检测，家电，工业控制系统等场合。在需要湿度补偿的场合该湿度传感器也可以得到很大的应用。下面介绍HS1100/HS1101湿度传感器及其特点。

一、特点

⑴不需校准的完全互换性；

⑵高可靠性和长期稳定性；

⑶快速响应时间；

⑷专利设计的固态聚合物结构；

⑸有顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品；

⑹适用于线性电压输出和频率输出两种电路；

⑺适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程。

湿敏电容是值随空气湿度变化，同时湿敏电容的工作条件也受温、湿度的限制。图3.8为湿敏电容HS1101工作的温、湿度范围，图3.9为湿度-电容响应曲线。

图3.8 湿敏电容HS1101工作的温、湿度范围

- 11 -

图3.9 湿度-电容响应曲线

相对湿度在1%RH—100%RH范围内；电容量由160pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/℃。由此可见，HS1101湿度传感器的精度较高。

二、湿度测量电路

HS1100/HS1101电容式湿敏传感器，在电路构成中等效于一个电容元件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。将电容的变化量准确地转变为计算机易于接收的信号，常有两种方法：一种是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，再将产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、A/D转换后变为可以被单片机接收的为数字信号；另一种方法是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号的变化，可直接被计算机计数。

湿度测量电路如图3.10所示。集成定时器555芯片外接电阻R4、R2与湿敏电容C，构成了对C的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，生成矩形脉冲。另外，R3 是防止输出短路的保护电阻，R1 用于平衡温度系数。

- 12 -

- 13 -

图3.10 湿度测量电路

该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源VCC 通过R4、R2 向C 充电，经充电t 时间后，C u 达到芯片内比较器的高触发电平，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经放电t 时间后，C u 下降到比较器的低触发电平。此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此周而复始，形成矩形脉冲输出。其中，充放电时间如（3.1）、（3.2）所示。

充电t =()24R R C +㏑2 （3.1） 放电t =2CR ㏑2 （3.2） 因而，输出的方波频率如（3.3）所示。

f=1/(充电t +放电t )=1/[ ()242R R C +㏑2] （3.3） 可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，表3.2给出了其中的一组典型对应值。

表3.2 空气相对湿度与电压频率的对应值

湿度/%RH 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 频率/Hz

7351

7224

7100

6976

6853

6728

6600

6468

6330

6168

6033

3.2 CPU单元的设计

单片机是整个系统的核心，在此装置中选择8位微处理器AT89C52，该微处理器是一种CMOS工艺的低功耗、高性能8位嵌入式微控制器。该器件与MCS-51系列的同类产品（如80C52等）在指令系统及引脚上完全兼容。微处理器具有8K可写/擦1000次的Flash内部程序存储器，对系统开发过程中的程序编写和调试可以提供极大的方便。另外，微处理器内部还有256字节的RAM、3个16位定时器/计数器、8个中断源和可编程串行口。在该系统的单片机模块中，还有一路由11.0592MHz晶振和电容组成的振荡电路用于构成系统时钟。本设计的CPU单元电路图如图3.1所示。

图3.11 CPU单元电路图

3.2.1时钟信号设计

时钟引脚为XTAL1、XTAL2。时钟引脚外接晶体与片内的反向放大器构成了一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。

XTAL1（19脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反向放大器的输入端。这个放大器构成了片内振荡器。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至内部反向放大器的输出端。若采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生

- 14 -

器的输入端。

本系统采用晶振时钟电路。外部晶振以及电容C2和C3构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格要求，但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和稳定性。外接晶振时，C1和C2通常选择30pf,晶振采用12MHz。时钟电路如下图3.12所示。

图3.12 时钟电路图

3.2.2复位电路设计

本系统采用的复位电路如图3.13所示。

3.13 复位电路图

本复位电路必须确保系统上电时能够自动复位。上电自动复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为了可靠起见电源稳定后，还要经一定的延时才撤销复位信号以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。为了实现这种功能，本设计采用了一种RC定时电路。其时间常数τ=RC，系统上电时，C两端的电压为零，单片机的复位端的电平为高电平，单片机复位，经过4—5个τ后，C两端的电压约等于电源电压，单片机的复位端的电平为低电平，单片机退出复位状态。

- 15 -

3.3 LCD液晶显示单元的设计

LCD液晶显示单元电路图如图3.14所示。

本系统利用LCD液晶显示屏显示温度、湿度参数。液晶显示屏的第一行显示用户可能需要调节的温湿度上下限值，第二行显示当前测得的温度、湿度值。硬件电路中LCD1602的8个数据端接到单片机P1口。

图3.14 LCD液晶显示单元电路图

本系统的液晶显示单元采用的是长沙太阳人电子有限公司生产的1602字符型液晶显示器，可显示字符、汉字、图形，显示屏结构为160*128点阵。

主要功能：

1.40通道点阵LCD 驱动；

2.可选择当作行驱动或列驱动；

3.输入/输出信号:

输出,能产生20×2个LCD驱动波形；

输入,接受控制器送出的串行数据和控制信号,偏压(V1∽V6)；

4.通过单片机控制将所测的频率信号读数显示出来。

引脚功能如表3.3所示。

- 16 -

表3.3 LCD1602引脚功能

编号符号引脚说明

1 VSS 电源地

2 VDD 电源正极

3 VL 液晶显示偏压

4 RS 数据/命令选择

5 R/W 读/写选择

6 E 使能信号

7 D0 数据

8 D1 数据

9 D2 数据

10 D3 数据

11 D4 数据

12 D5 数据

13 D6 数据

14 D7 数据

15 BLA 背光源正极

16 BLK 背光源负极

3.4 按键单元的设计

本设计采用6个独立按键完成对温、湿度上下限的设定。六个按键的功能分别是：

①选择温度进行设限；

②选择湿度进行设限；

③选择温度或湿度上限进行改变；

④选择温度或湿度下限进行改变；

⑤加1；

⑥减1。

按键电路图如图3.15所示。

- 17 -

图3.15 按键电路图

3.5 报警单元的设计

在监测系统中，对于重要的参数一般都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数上下限设定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示。

本设计采用峰鸣音报警电路。峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过单片机的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。在图中，P3.2接晶体管基极输入端。当P3.2输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；当P3.2输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。

图3.16是运用三极管驱动的峰鸣音报警电路。

- 18 -

图3.16 三极管驱动的峰鸣音报警电路

- 19 -

第4章软件系统的设计与实现

4.1 系统软件设计思想

为了方便于编写、调试，将整个系统程序分为主程序、DS18B20温度子程序、键盘子程序几个主要部分。

4.1.1 主程序设计

主程序流程图如图4.1所示。

开始

初始化

显示当前温湿度值

否

按键扫描

是

键值处理

更改温度上下限更改湿度上下限

确认并退出温湿度上下限修改

图4.1 主程序流程图

- 20 -