温湿度监控系统设计报告书

综合实训报告书

实训项目名称：温湿度监控系统设计

学院：信息与电子工程学院

姓名：

专业班级：

学号：

指导教师：

时间：2019 年 1 月7 日至2019 年 1 月11 日

说明

1.综合实训进行期间，学生应按教学计划，将每天的学习情况（包括学习内容、遇到问题及解决办法、心得体会等）如实进行记录。

2.综合实训结束时，根据综合实训内容和学习记录书写综合实训报告书。

3.指导教师应综合考虑学生的学习态度、报告内容和实际操作情况等，进行评定，给出综合成绩。

目录

1 实训任务 (1)

2 实训目的 (2)

3 实训要求 (3)

4 实训内容和步骤 (4)

4.1 湿度模块 (4)

4.1.1 HS1101湿敏电容 (4)

4.1.2 NE555定时器 (4)

4.1.3 测量电路 (5)

4.2 温度模块 (7)

4.2.1 MF11热敏电阻 (7)

4.2.2 LM324N低功率四运算放大器 (7)

4.2.3 测量电路 (7)

4.3 A/D转换模块 (8)

4.3.1 PCF8591（8位A/D和D/A转换） (8)

4.3.2 PCF8591电路连接 (8)

4.3.3 温度计算 (9)

4.4 单片机最小系统 (10)

4.4.1 电路原理图 (10)

4.4.2 单片机最小系统的组成 (10)

4.5 显示模块 (11)

5 实训取得的结果 (13)

5.1 电路原理图 (13)

5.2 实物图 (14)

5.3 程序代码 (14)

6 实训总结和体会 (20)

1 实训任务

温度与湿度这两个参数对人们的生产生活有着非常重要的影响，而且温度和湿度有着密不可分的联系。人不单纯的受到温度或者湿度的影响，而是受温度和湿度两个方面的综合作用。在工业生产需要实时的监控温湿度，在农业生产中有些时候也需要实时的监控温湿度。在人们的生活当中，温湿度对人们的一个比较明显的影响：在人们的卧室中，温湿度对人们的睡眠质量也有着重要的影响，实时地监控温湿度可以为改善人们睡眠质量提供条件。通过温湿度测量系统，用户可以了解其工作生活环境的温度和湿度的情况，以做出相应的应对措施，改善其生活的环境。所以，各种温湿度测量控制系统以各种家电（例如：空调、增湿器）或者智能硬件为载体进入个人用户家庭。

（1）实现温度和湿度的测量；

（2）湿度的测量范围:0%~100%RH; 温度的测量范围:0℃~50℃;

（3）湿度的测量精度: ±2.0%RH; 温度测量精度: ±0.2℃

（4）在LCD显示屏上显示数据和结果；

（5）设置温度和湿度的上限值；

（6）超出预设定的值，自动报警。低于设定值，自动停止报警。

2 实训目的

该实训课程是一门以传感器原理及应用为基础，综合利用光学、精密机械、电子学和计算机技术解决各种工程应用课题的技术学科。它在现代测量与控制技术中，非电量测最与探测占很大一部分。传感器原理及应用实验沙及多种学科领域，它与工程光学，电子学，计算机等课程关系密切。通过此实训课程的学习，激发学生实践动手和创造能力，使学生具备传感器原理图设计的能力，利用传感器检测非电量信号的能力，提高学生的实际操作能力，使用仪器仪表的能力，结果的分析处理能力等，提高学生的综合素质与职业能力，为学生的职业生涯发展奠定基础。

（1）实训了解传感器系统设计的思路、方法和步骤。

（2）训练和提高设计的基本技能，培养思维方式，提高动手能力和综合思考问题的能力。

（3）了解温湿度测试原理。

（4）绘制温湿度测量电路原理图，掌握温湿度测量电路工作原理。

（5）学习温湿度擦混感器的特性与应用。

（6）根据温湿度测量原理，设计温湿度传感器的硬件结构电路。

（7）以数字的形式显示所温湿度监控系统测量的温湿度值。

3 实训要求

对传感器原理与应用具有更深的理解，将传感器模块与51单片机模块进行相结合操作，熟知温湿度传感器的每个模块的原理与应用、51单片机端口的原理与应用，将书上所学的原理知识运用到实物上面来。

（1）根据实训任务书，利用网络、书籍、文献对相关资料进行查找。

（2）选用集成温度传感器设计室内或仓库的温度检测系统。

（3）画出温湿度传感器模块原理图。

（4）设计检测电路，及与单片机的接口电路。

（5）编写出温湿度测量的系统程序，利用单片机模块和温湿度模块进行测温和测量湿度，用液晶显示出数字。

（6）对实物测量进行误差分析，写出分析结果。

（7）整理书写实验报告。

（8）实训分析及总结。

（9）整理书写实验报告。

4 实训内容和步骤

4.1 湿度模块

设计思路：HS1101是变介质型电容式传感器。测量电路以HS1101为敏感元件，感受空气湿度，空气湿度的不同会改变它的电容值，经过555定时器组成的多谐振荡器，以HS1101充当充放电电容，产生高、低电平，即一定周期的矩形波。将信号通过单片机外部中断测量其频率，通过频率-湿度对应表计算其湿度值。

4.1.1 HS1101湿敏电容

HS1101是基于独特工艺设计的电容原件，这些相对湿度传感器可以大批量

生产，可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电、工业控制系统等。在需要湿度补偿的场合它也可以得到很大的应用。它具有长时间饱和下快速脱湿，快速反应时间，高可靠性与长时间稳定性的特点。

HS1101在温度Ta=25℃，工作频率为10KHz时的C—RH反应曲线如图1：

图1 C—RH反应曲线

可知，HS1101具有很好的线性度的特点。

4.1.2 NE555定时器

NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的引脚功

能及应用都是相容的，只是型号不同因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也大不相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需要少数的电阻和电容，便可产生所需要的不同频率的脉冲信号。

555定时器内部电路结构及封装引脚图如图2：

图2 555定时器内部电路结构及封装引脚图

引脚功能：

1引脚：GND地线；2引脚：TR触发器；3引脚：OUT输出；

4引脚：RES复位。当次端为低电平时，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何种电平，电路输出总是为低电平。该引脚不用时应该处于高电平。

5引脚：Vc控制电压。Vc为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

6引脚：TH阈值。

7引脚：DIS放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

8引脚：Vcc电源。双极型时基电路VCC的范围是4.5 ~ 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 ~ 18V。一般用5V。

4.1.3 测量电路

测量电路由HS1101为核心和555定时器组成多谐振荡电路，如图3：

图3 555定时器组成的多谐振荡电路

（1）电路原理图和输出电平对应表

电路上电后，开始对电容HS1101充电，使得V TH和V TR管脚不同电平时输出状态不同。表1HS1101充电时输出电压Uo的不同状态：

表1 HS1101充电时输出电压Uo的不同状态

（2）测量原理

555定时器产生的矩形脉冲，一个周期的时间为：T=T H+T L=ln2(2R3+R2)C，其中T L=CR3ln2，T H=ln2(R2+R3)C；可知占空比：D=T H/T L= (R2+R3)/(2R3+R2)，由此可知，R1越小矩形波越接近于方波，但不能低于一个最小值，此处约为52%，电路中R4为限流保护电阻。

HS1101感受一定湿度时电容值不同，从而会产生频率不同的矩形脉冲信号，图4为一定湿度时产生的脉冲信号。

图4一定湿度时定时器产生的脉冲信号

湿度计算由HS1101湿度-电容反应曲线可知，湿度为55%时对应其电容值为181.5pF，由以上公式T=ln2(2R3+R2)C可以算出，湿度：55%，频率为：6607Hz

由公式:（F55为55%湿度对应下的频率，此处为6607Hz）

F(Hz)=F55(Hz)(1.1038-1.9368x10-3xRH+3.0114x10-6xRH2-3.4403x10-8xR3)可以计算出不同湿度下对应的频率值。如表2：

表2 不同湿度下对应的频率值

555定时器产生的脉冲信号由单片机测量与上表对应，即可计算湿度值。

4.2 温度模块

设计思路：是以MF11 NTC型热敏电阻为敏感元件，经过利用LM324N运算放大器组成的测量电路，输出电压值经过A/D转换，反馈给单片机，经过反运算计算出温度值。

4.2.1 MF11热敏电阻

MF11是负温度系数型热敏电阻，即电阻值随着温度的升高而减小。MF11

系列是为测量温度而设计，其次，它还可以用于温度补偿电路等。

4.2.2 LM324N低功率四运算放大器

LM324系列器件带有真差动收入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著的优点。该四放大运算器可以工作低到3.0V 或者高到32V的电源下，四个独立放大器是高增益，内部频率补偿运算放大器。它的封装引脚图如图5：

图5 LM324封装引脚图

4.2.3 测量电路

（1）电路原理图

测量温度0℃——50℃，电压输出0V时对应温度为0℃，电压输出5V时，对应温度为50℃，原理图如图6。

电路有三路组成：

1）U2:A 组成电压跟随器，用于前级与后级的隔离，避免彼此之间产生影响。 2）U2:B 组成减法器控制电压输出，使后级放大输出电压0~5V 3）U2:C 电压放大电路，对前级输出的电压信号进行放大。 （2）输出电压计算

设一级U2:A 输入电压为U 3，即热敏电阻压降为U 3；二级U2:B 输出电压为U 7，U 7=2U 3-0.98；三级U2:C 输出电压为U 0，则U 0=-7U 7，U 0=-7（2U 3-0.98）；这样可以近似认为温度为0°C 时，输出电压为0V ；温度为50°时，输出电压为5V ；

4.3 A/D 转换模块

4.3.1 PCF8591（8位A/D 和D/A 转换）

（1）芯片封装引脚如图7：

引脚功能介绍

AIN0-AIN3：模拟输入（A/D 转换） A0-A2：硬件地址（可编程） Vss ：负电压供应端 SCL ：I 2C-总线时钟输入 SDA ：I 2C-总线数据的输入/输出 OSC ：振荡器输入/输出

EXT ： 外部/内部开关振荡器输入 AGND ：模拟地 V REF ：参考电

压输入

AOUT ：模拟电压输出端（D/A 转换）

V DD ：正电压供应端

4.3.2 PCF8591电路连接

PCF8591可编程硬件地址A0~A2令其状态为100，模拟输入通道选择0通道，参考电源为5V 。模拟地为0V ，同时，PCF8591使用时时钟输入端与数据输入/输出端必须接上拉电阻，电路图如图8：

前级经过运算由LM324N模拟运算输出的电压信号通过A/D转换器通道0

进行转换，经过以下公式进行运算电压，进而计算温度。

电压计算公式：

V AOUT=V AGND+V AGND=0V

4.3.3 温度计算

（1）热敏电阻的计算公式：

Rt=R*e(B*(1/T1-1/T2))

MF11-5K热敏电阻B=3800

Rt：热敏电阻在T1温度下的阻值

R：热敏电阻在T2常温下的标称阻值

这里的T1、T2指的是K度即开尔文温度，K度=273.15+摄氏度

（2）由PCF8591计算的电压信号V OUT，即为经LM324放大输出的信号。前面已指出U0=-7（2U3-0.98），U0=V OUT，U3即为热敏电阻两端的压降，U3=0.49-V OUT/14，由热敏电阻计算公式可计算出温度值。

4.4 单片机最小系统

4.4.1 电路原理图

图9 单片机最小系统

4.4.2 单片机最小系统的组成

单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。

（1）电源供电模块：对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。

（2）复位电路：单片机复位电路是为了在电路跑飞时使电路恢复到初始状态，原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由RC电路计算出时间常数。

复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。

上电复位：STC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。

按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。

（3）振荡电路：

单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

STC89C52使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF 至50pF之间。

4.5 显示模块

图10 LCD1602液晶显示器

（1）显示模块是以LCD1602液晶显示屏显示，它共有16个引脚，1、为负电源端；2脚为正电源端；3脚为液晶显示器对比度调节；RS引脚为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；RW为读写信号线，高电平时读操作，低电平时进行写操作；E端为使能端；D0~D7为8位双向数据线；15脚为背光电源正极；16脚为背光电源负极。

（2）LCD1602读/写操作时序图：

图11 LCD1602读/写时序图

基本操作时序：

1）读状态：输入：RS=L，RW=H，E=H

2）写指令：输入：RS=L，RW=L，D0~D7=指令码，E=高脉冲3）读数据：输入：RS=H，RW=H，E=H

4）写数据：输入：RS=H，RW=L，D0~D7=数据，E=高脉冲

5 实训取得的结果

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、电源、温度与湿度传感器电路四部分，其中温度模块是以MF11NTC热敏电阻为核心，由LM324输出电压信号，再经过A/D转换，反馈给单片机；湿度模块是以HS1101湿敏电容为核心，测量电路为多谐振荡器电路产生脉冲信号，由单片机外部中断1采集其频率进而计算湿度；单片机采用STC89C52，利用其P2口和P1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LCD1602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。

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

5.1 电路原理图

图12 温湿度检测系统原理图

5.2 实物图

图13温湿度检测系统实物图5.3 程序代码

#include

#include

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

uchar code

tab[]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9'}; static uint Hz;

static uint flg=0;

sbit RS = P1^5; //数据/命令选择端(H/L)

sbit RW = P1^6; //数/写选择端(H/L)

sbit EN = P1^7; //使能信号sbit SCL=P1^3;

sbit SDA=P1^4;

void DelayMS(uint ValMS) {

uint uiVal,ujVal;

for(uiVal = 0; uiVal < ValMS; uiVal++) for(ujVal = 0; ujVal < 113; ujVal++);

}

void Delay5us()

{

_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); }

/* ************温度测试

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

//起始信号

void IIC_Start()

{

SDA=1;

SCL=1;

Delay5us();

SDA=0;

Delay5us();

}

//停止信号

void IIC_Stop()

{

SDA=0;

SCL=1;

Delay5us();

SDA=1;

Delay5us();

}

//非应答信号

void IIC_NOack()

{

SCL=0;

SDA=1;

SCL=1;

Delay5us();

SCL=0;

}

bit IIC_ReadAck()

{

bit AckFlag;

uchar uVal=0;

SCL=0;

Delay5us();

SDA=1;

SCL=1;

Delay5us();

while((SDA==1) && (uVal<255))

{

uVal++;

AckFlag=SDA;

}

SCL=0;

if(AckFlag==0)

return 1;

else

return 0;

}

//写入一个字节，先操作高位

void InPutOneByte(uchar uDat)

{

uchar iVal;

for(iVal=0;iVal<8;iVal++)

{

SCL=0;

Delay5us();

SDA=(uDat&0x80)>>7;

Delay5us();

SCL=1;

uDat<<=1;

}

SCL=0; //以备下次输入数据}

//输出一个字节,先操作低位

uchar OutPutOneByte()

{

uchar iVal;

uchar uVal;

SDA=1; //释放总线

for(iVal=0;iVal<8;iVal++)

{

SCL=0;

Delay5us();

SCL=1;

Delay5us();

uVal<<=1;

if(SDA)

uVal |= 0x01;

else

uVal &= 0xfe;

}

SCL=0;

return uVal;

}

bit write_PCF8591address() {

IIC_Start();

InPutOneByte(0x92);

if(!IIC_ReadAck())

return 0;

InPutOneByte(0x40);

IIC_NOack();

IIC_Stop();

return 1;

}

uchar read_PCF8591data() {

uchar DATA;

IIC_Start();

InPutOneByte(0x93);

if(!IIC_ReadAck())

return 0;

DATA=OutPutOneByte();

IIC_NOack();

IIC_Stop();

return DATA;

}

/* ************湿度测试************* */

void DectectBusyBit(void)

{

P2 = 0xff; // 读状态值时，先赋高电平

RS = 0;

RW = 1;

EN = 1;

DelayMS(1);

while(P2 & 0x80); // 若LCD忙，停止到这里，否则走起

EN = 0; // 之后将EN 初始化为低电平

}

void WrComLCD(uchar ComVal)

{

DectectBusyBit();

RS = 0;

RW = 0;

EN = 1;

P2 = ComVal;

DelayMS(1);

EN = 0;

}

void WrDatLCD(uchar DatVal)

{

DectectBusyBit();

RS = 1;

RW = 0;

EN = 1;

P2 = DatVal;

DelayMS(1);

EN = 0;

}

void LCD_Init(void)

{

WrComLCD(0x38); // 16*2行显示、5*7点阵、8位数据接口

DelayMS(1);

WrComLCD(0x38);

//WrComLCD(0x38); // 重新设置一遍

WrComLCD(0x01); // 显示清屏

WrComLCD(0x06); // 光标自增、画面不动

DelayMS(1); // 稍作延时

WrComLCD(0x0C); // 开显示、关光标并不闪烁

}

void Display(uint RH,uint T)

{

WrComLCD(0x80);

// 选择第一行

if(RH==100)

{

WrDatLCD('C');

WrDatLCD('u');

WrDatLCD('r');

WrDatLCD('r');

WrDatLCD('e');

WrDatLCD('n');

WrDatLCD('t');

WrDatLCD(' ');

WrDatLCD('R');

WrDatLCD('H');

WrDatLCD(':');

WrDatLCD(tab[RH/100]);

WrDatLCD(tab[(RH%100)%10]);

WrDatLCD(tab[RH%10]);

WrDatLCD('%');

}

else

{

WrDatLCD('C');

WrDatLCD('u');

WrDatLCD('r');

WrDatLCD('r');

WrDatLCD('e');

WrDatLCD('n');

WrDatLCD('t');

WrDatLCD(' ');

WrDatLCD('R');

WrDatLCD('H');

WrDatLCD(':');

WrDatLCD(tab[RH/10]);

WrDatLCD(tab[RH%10]);

WrDatLCD('%');

WrDatLCD(' ');

}

WrComLCD(0xC0);

// 选择第二行

WrDatLCD('T');

WrDatLCD('e');

WrDatLCD('m');

WrDatLCD('p');

WrDatLCD(':');

WrDatLCD(tab[T/100]); WrDatLCD(tab[(T%100) /10]); WrDatLCD('.');

WrDatLCD(tab[T%10]); WrDatLCD(0xDF);