仓库温湿度自动检测报警系统

仓库温湿度自动检测报警系统

绪论

防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。但传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。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。

基本功能

~ 检测温度、湿度

~ 显示温度、湿度

~ 过限报警

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%-90%RH

~ 检测精度：±1%RH

~ 显示方式：温度：四位显示湿度：四位显示

~ 报警方式：三极管驱动的蜂鸣音报警

目录

第一章方案的比较和论证 (3)

1.1 主控制芯片的选择 (3)

1.2温度传感器的选择 (8)

1.3湿度传感器的选择 (9)

第二章系统总体设计 (10)

2.1系统总体设计 (10)

2.2 555芯片的介绍 (11)

2.3 DS18B20的介绍 (13)

2.4 LCD1602介绍 (13)

2.5 湿度检测电路 (15)

2.6 温度检测电路 (16)

2.7 三极管驱动蜂鸣器报警电路 (17)

2.8 LCD显示电路 (18)

结束语 (19)

参考文献 (21)

第一章方案的比较和论证

当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。

1.1 主控制芯片的选择

方案一：采用美国德州仪器公司生产的MSP430系列单片机该单片机具有以下特点：

①处理能力强

MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的

寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

②运算速度快

MSP430 系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）

③超低功耗

MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是1.8-3.6V 电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流最低会在165μA左右，RAM保持模式下的最低功耗只有0.1μA。

其次，独特的时钟系统设计。在MSP430 系列中有两个不同的时钟系统：基本时钟系统、锁频环（FLL 和FLL+）时钟系统和DCO

数字振荡器时钟系统。可以只使用一个晶体振荡器（32.768kHz）DT-26 OR DT-38[4]，也可以使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。

由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。在实时时钟模式下，可达2.5μA ，在RAM 保持模式下，最低可达0.1μA 。

④片内资源丰富

MSP430 系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A0（Timer_A0）、定时器A1（Timer_A1）、定时器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Σ-Δ ADC、DMA、I/O 端口、基本定时器（Basic Timer）、实时时钟（RTC）和USB控制器等若干外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D 转换器；16 位定时器（Timer_A 和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O 端口，P0、P1、P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；10/12位硬件A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160 段；实现两路的12 位D/A转换；硬件I2C串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用的DMA模块。MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

另外，MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5μs。

⑤方便高效的开发环境

MSP430 系列有OTP 型、FLASH 型和ROM 型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于OTP 型和ROM 型的器件是使用仿

真器开发成功之后烧写或掩膜芯片；对于FLASH 型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG 调试接口，还有可电擦写的FLASH 存储器，因此采用先下载程序到FLASH 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台PC 机和一个JTAG 调试器，而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C 语言。

方案二：采用Atmel公司的89系列的89C51单片机。

89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高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。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C51是它的一种精简版本。89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

89C51具有32条可编程I/O线，两个16位定时/计数器，6个中断源管脚P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

89C51价格较MSP430更加便宜，89C51的程序设计也较为简单，运用于对系统功能要求不高时的性价比更高。综合比较方案一和方案二，方案二更为适合于本设计系统。

1.2温度传感器的选择

方案一：采用热电阻温度传感器。

热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。按IEC标准测温范围-200～650℃，百度电阻比W（100）=1.3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±（0.15℃+0.002 |t|），B级为±（0.3℃+0.005 |t|）。铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。在工业中用于-50～180℃测温。

方案二：采集AD590温度传感器

采用AD590，它的测温范围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。M档在测温范围内非线形误差为±0.3℃。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。使用可靠。它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，借口也很简单。作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。AD590的测量信号可远传百余米。方案三：采用DS18B20数字传感器

DS18B20是Dallas公司生产的1-Wire接口数字温度传感器。它采用3引脚TO-92封装，温度测量范围为-55℃～+125℃，编程设置9～12位分辨率。现场温度直接以1-Wire的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。MCU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，但需要接上4.7KΩ的上拉电阻。该芯片硬件接口简单，可节省大量的引脚线和逻辑电路，具有很好的通用性。

综合比较上述方案，采用方案三。

1.3湿度传感器的选择

方案一：采用HOS-201湿敏传感器。

HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ～1KHZ，测量湿度范围为0～100%RH，工作温度范围为0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，

主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。方案二：采用HS1100/HS1101湿度传感器。

HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。相对湿度在1%---100%RH范围内；电容量由16pF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/℃。可见精度是较高的。综合比较方案一与方案二，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。而且还不具备在本设计系统中对温度-30～50℃的要求，因此,我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。

第二章系统总体设计

2.1系统总体设计

本设计是基于AT89C51单片机对温度传感器产生的数字信号和湿度传感器产生的脉冲数进行检测和计数的一套检测系统，其中包

括单片机复位电路，温度检测电路，湿度检测电路，报警电路系统软件部分的设计，总体设计图如图2.1

图2.1温湿度监测系统总设计图

2.2 555芯片的介绍

555定时器是一种模拟和数字功能结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，出单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V～16V工作。

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555引脚图如下所示。

图2.2555引脚图

555的内部结构可等效成23个晶体三极管、17个电阻、两个二极管，组成了比较器、RS触发器等多组单元电路，特别是有三支精度较高的5K电阻构成了一个电阻分压器，为上下比较器提供准电压，所以称之为555。

555属于CMOS工艺制造。555引脚图介绍如下

1地GND

2触发

3输出

4复位

5控制电压

6门限(阈值）

7放电

8电源电压Vcc

2.3 DS18B20的介绍

当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存器的第1、2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时地位在前，高位在后，数据格式以0.0625℃/LSB形式表示。温度格式如图2.3所示。

这是分辨率为12位的数据测量结果，前5位为符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测得的数值乘以0.0625即可得到实际温度值；如果所测温度值小于0，这5为符号位为1，测得的数值必须要先取反加21再乘以0.0625才能得到实际的温度值。

2.4 LCD1602介绍

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。

LCD1602是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块，其引脚功能入下：

第1脚：VSS为电源地

第2脚：VCC接5V电源正极

第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。

第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。其特性有以下：

3.3V或5V工作电压，对比度可调。

内含复位电路。

提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能。

有80字节显示数据存储器DDRAM。

内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM。

8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。

2.5 湿度检测电路

图2.4 湿度检测电路图

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 充电的回路。引脚7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，即方波发生器。电源VCC通过R4、R2行C充电，经 T充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，约0.76VCC，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，经过T 放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，约0.33VCC，此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。其充放电时间为

T充电=C(R2+R4)*ln2

T放电=C *R2*ln2

输出方波频率为

F=1/( T充电+ T放电)=1/(C*(R4+2*R2)*ln2)

为了使循环时间降低50%，则与R2相比，R4应该非常小，但是不要低于最小值。电阻R3是为了短路保护。

可见，空气的湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，表2-1给出了其中的一组典型测试值。

表2-1 空气湿度与电压频率的典型值

（RH：百分比相对湿度，F：频率Hz）

2.6 温度检测电路

图2.5 温度检测电路图

图中R14为上拉电阻，因为DS18B20为单线双向传输，所以单片机引脚只需直接与其数据引脚DQ连接即可实现数据传输。但因其输出

功率不很大，所以传输距离不能很远，如果要远距离传输，则还需加放大电路。

2.7 三极管驱动蜂鸣器报警电路

图2.6三极管驱动蜂鸣器报警电路图

图中beer为蜂鸣器，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无缘蜂鸣器）就可以发声。D1为续流二极管，因为蜂鸣器本质上是一个感性元件，其电流不能瞬间变化，因此必须有一个续流二极管提供续流。否则，在蜂鸣器两端会产生几十伏的尖峰电压，可能损坏三极管，并干扰整个电路系统的其他部分。三极管起开关作用，其基极的高电平时三极管饱和导通，使蜂鸣器发声，二基极低电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。

2.8 LCD显示电路

图2.7 液晶显示电路图

单片机与字符型LCD显示模块的连接方式分为直接访问和间接访问两种。

（1）直接访问方式

直接访问方式是把字符型液晶显示模块作为存储器或I/O端口设备直接连到单片机总线上。采用8位数据传输形式时，数据端DB0～DB7直接与单片机的数据线相连接，数据和指令选择控制端RS信号和读写控制线R/W信号利用单片机的地址线来控制。使能端

E信号则由单片机的RD和WR信号与地址线共同控制。在单片机应用系统设计中，目前较少使用这种控制方法。

（2）间接访问方式

间接访问方式是把字符型液晶显示模块作为终端与单片机的并行接口连接，单片机通过对并行接口的操作，实现LCD读写时序控制，从而间接实现对字符型液晶模块的控制。图3.7就是在间接访问方式下，89C51与字符型液晶显示模块的接口电路图。

结束语

时光匆匆如流水，转眼便是大学毕业时节，春梦秋云，聚散真容易。离校日期已日趋渐进，毕业论文的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到论文的顺利完成，一直都离不开老师、同学、朋友给我热情的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！在此我向航天职业技术学校应用电子技术专业的所有老师表示衷心的感谢，谢谢你们三年的辛勤栽培，谢谢你们在教学的同时更多的是传授我们做人的道理，谢谢三年里面你们孜孜不倦的教诲！

三年寒窗，所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。很庆幸这三年来我遇到了如此多的良师益友，无论在学习上、生活上，还是工作上，都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在一个充满温馨的环境中度过三年的大学生活。感恩之情难以用言语量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。

最后要感谢的是我的父母，他们不仅培养了我对中国传统文化的浓厚的兴趣，让我在漫长的人生旅途中使心灵有了虔敬的归依，而且也为我能够顺利的完成毕业论文提供了巨大的支持与帮助。在未来的日子里，我会更加努力的学习和工作，不辜负父母对我的殷殷期望！我一定会好好孝敬他们，报答他们！爸妈，我爱你们！

“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。”这是我少年时最喜欢的诗句。就用这话作为这篇论文的一个结尾，也是一段生活的结束。希望自己能够继续少年时的梦想，永不放弃。