毕业设计（论文）-基于单片机的温湿度检测系统的设计.doc

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1、 目录 摘要： 1 ABSTRACT2 第 1 章 绪 论 .3 1.1 引言 3 1.2国内外测温湿技术及其发展趋势 3 1.2.1 集成温湿度传感器的产品分类及性能特点.4 1.2.2 温湿度测量领域的发展趋势 .5 1.3 单片机 7 1.3.1 单片机的历史.7 1.3.2 单片机的分类 7 1.3.3 单片机的特点和应用 8 1.3.4 单片机应用系统的设计 .10 1.4 单片机应用系统的研制过程 .11 第 2 章 基于单片机的温湿度检测系统的总体设计 13 2.1 课题主要内容 .13 2.2 系统功能 13 2.3 系统总体设计方案 13 第 3 章 系统的硬件设计 .15

2、3.1 系统总体原理框图 .15 3.2 信号输入部分总体设计 .15 3.2.1 集成温度传感器 .15 3.2.2 集成湿度传感器 .17 3.2.3 放大器设计 .18 3.2.4 采样保持电路 .19 3.2.5 ADC0804 20 3.3 单片机的选择23 3.3.1 单片机及其扩展 I/O 的设计 .23 3.3.2 地址锁存器 .24 3.3.3 程序存储器 .24 3.3.4 数据存储器扩展 .25 3.4 模拟信号输出部分设计 .25 3.4.1 信号输出部分总体设计 .25 3.4.2 芯片的选择 .25 3.5 按键电路设计与器件选择27 3.5.1 键盘结构的选择27

3、 3.5.2 键盘与单片机的接口电路设计 .27 3.5.3 按键去抖动的处理 .28 3.6 时钟与复位电路的设计 .29 3.7LED 显示电路设计与器件选择30 2.7.1 显示器及键盘的设计30 3.7.2 LED 显示器的选择31 3.7.3 LED 的段驱动芯片的选择32 3.7.4 LED 的位驱动芯片的选择.34 3.7.5 LED 驱动电路与单片机的连接35 3.8 蜂鸣器电路的设计 .35 3.9 抗干扰措施 .36 第 4 章 系统软件设计 .37 4.1 系统软件总体设计 .37 4.2 主程序设计 .37 4.3 数据采集及处理子程序设计 .38 4.4 键盘/显示程

4、序设计 38 4.4.1 键盘/显示方式设置命令字 39 4.4.2 编程时钟命令 .39 4.4.3 读显示 RAM 命令 .39 4.4.4 写显示 RAM 命令 .40 4.4.5 清除命令 .40 4.5 电子时钟应用程序设计 .40 4.5.1 电子时钟系统软件设计方案确定40 4.5.2 内存空间的分配 41 4.5.3 电子时钟应用程序设计 .42 结束语 .49 参考文献 .50 致谢 .52 附录 153 附录 266 基于单片机的温湿检测系统的设计 1 基于单片机的温湿度检测系统的设计基于单片机的温湿度检测系统的设计 摘要：本文主要介绍了温湿度的检测，包括温度传感器、湿度传

5、感器、单片机接口及 其应用软件的设计，大体分为以下几大部分：介绍了国内外温湿度检测技术，并且分 析了温度检测技术的未来发展方向；根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统， 该系统能够实现数据采集、 数据处理、数值的在线显示以及时钟电路的时间显示；简 略介绍了该仪表的软件部分；对该温湿度检测系统的未来发展进行了展望。 温湿度检测是以 8051 单片机系统和温湿度相结合的温度测量系统。本系统的数学 模型合理，测量方法容易实现。实际仪器采用抗干扰、低零漂、低温漂的电子元件， 性能稳定。该测量仪总体特点是使用简便、实用、使用对象广、并且实现了自动化。 关键词：温度测量 湿度测量 数据采集 单片机 基

6、于单片机的温湿检测系统的设计 2 The design of temperature and humidity detection system based on SCM Abstract： In this paper, including temperature and humidity testing, temperature sensors, humidity sensors, microcontroller interfaces and application software design. It can be divided into the following parts: in

7、troduction of temperature and humidity detection technology at home and abroad, and analysis of the future of temperature measurement technologies development.This system be designed according to the actual use of the corresponding microcontroller hardware system that enables data acquisition, data

8、processing, numerical circuit-line display and clock time display; briefly describes the software part of the instrument; the temperature and humidity testing system of the future development prospect. Temperature and humidity detection system is base on 8051 the combination of temperature and humid

9、ity, the temperature measurement system. The system mathematical model is reasonable, easy measurement. The actual instruments used anti-interference, low zero-drift, low temperature drift of electronic components, performance and stability. The general characteristics of measuring instrument is eas

10、y to use, practical, widely used object and automated. Keywords: Temperature Measuremen； Humidity measurement； Data Acquisition； Single-chip Microcomputer 基于单片机的温湿检测系统的设计 3 第 1 章 绪 论 1.1 引言 温湿度测量是现代检测技术的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生 产等方面起着关键的作用。因此,能够确保快速、准确地测量温湿度的技术及其装置普 遍受到各国的重视。近年来,利用智能化数字式温湿度传感器以实现温度信息

11、的在线检 测已成为温湿度测技术的一种发展趋势。本文介绍的温湿度检测系统,以智能化数字式 温湿度传感器与 PIC 微处理器有机结合,构成了一种新型温湿度检测系统。该系统具有 性能可靠、测温准确、结构简单、造价低廉等特点,并兼具线路简捷、使用灵活、抗干 扰性好、可移植性强等优点,可在工程实际中得到广泛应用。 随着电子技术的发展，将组成CPU的部件集成在一块半导体芯片上，这个具有 CPU功能的大规模集成电路芯片就称之为微处理器（MPU） 。微处理器的出现，推动了 微型计算机的发展，同时也引起了电子设计技术领域的探到变革电子技术专业人 员，使之可以把微处理器部件像其他集成电路一样嵌入到电子系统中，使电

12、子系统 具有可编程序的智能化特点，开辟了计算机技术在电子技术领域应用的广阔大地。 将微处理器、存储器、I/O电路集成到一块半导体芯片的技术再次推动了这种嵌 入式技术的发展，单片微型计算机是这种设计技术中的一个典型代表。单片机适用 于测量和控制领域，它以芯片形式嵌人到电子产品或系统中起到“电脑”作用，受 到电子专业技术人员的青睐。单片机以其体积小、可靠性高、功能的专门化为特点。 沿着与适用微处理器不同的方向发展。它的出现和发展，标志着单片嵌入技术已经 成为电子系统设计的一个重要发展方向。 本课题主要为采用单片机实现数据采集与温湿度检测的制作。突出民用产品的 低成本多动能的特点。按照选题要求应实现

13、温湿度的测量，并且能够实现数字钟和 测量部分的通过键盘进行控制。 1.2国内外测温湿技术及其发展趋势 在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境温度与 湿度进行测量及控制。准确测量温湿度对于生物制药、食品加工、造纸等行业更是至 关重要的。相比之下，测量湿度要比测量温度更复杂，这是因为温度是个独立的被测 量，而湿度却受大气压强和温度的影响。目前，温湿度测量领域的新技术不断涌现， 新产品也层出不穷。主要表现在以下两方面：（1）温湿度传感器正从分立元件向集成 基于单片机的温湿检测系统的设计 4 化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件； （2）

14、在温湿度测量系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等项新 技术。 1.2.1 集成温湿度传感器的产品分类及性能特点 （1） 集成温度传感器 集成温度传感器主要包括模拟集成温度传感器、智能温度传感器（亦称数字温度 传感器）两大类。模拟集成温度传感器是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温 度测量及模拟信号输出功能的专用 IC。模拟集成温度传感器的特点是功能单一（仅测 量温度） 、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点， 适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准。外围电路简单。其典型产品有 AD590、AD592、TMP17、LM135 等。 智能温度传感

15、器是在 20 世纪 90 年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术 和自动测试技术（ATE）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产 品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、AD 转换器、信号处理器、存储器（或 寄存器）和接口电路。有的产品还带多路转换器器（MUX） 、中央控制器（CPU） 、随 机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM） 。智能温度传感器的特点是能输出温度 数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU） ；并且它是在硬件的基础上通过 软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。典型产品有 DS18B20、MAX6654、LM76 等。 （2）

16、集成湿度传感器 集成湿度传感器主要有以下 3 种： 电压输出式集成湿度传感器 其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。典型产品有美国霍尼韦尔 （Honeywell）公司生产的 HIH3605/3610、HM1500/1520。 频率输出式集成湿度传感器 频率输出式集成湿度传感器在 55RH 时的输出频率为 8750Hz（典型值） ，当相 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。典型产品有美 国 Hum

17、irel 公司生产的 HF3223。 频率温度输出式集成湿度传感器 基于单片机的温湿检测系统的设计 5 它除电压输出端以外，还增加了温度信号输出端，通常以负温度系数（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。典型产品为 HTF3223 型。 （3 ）单片智能化湿度温湿度传感系统 最近，瑞士 Sensiron 公司在世界上率先研制成功 SHT11、SHT15 型智能化湿度 温度传感器。其外形尺寸仅为 7.6(mm)5(mm)2.5(mm)，体积与火柴头相近。出厂前， 每只传感器都在湿度室中做过精密校准，校准系数被

18、编成相应的程序存入校准存储器 中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对湿度，还能 测量温度和露点。 1.2.2 温湿度测量领域的发展趋势 （1 ）广泛采用新技术、新工艺 随着科技 的 进步，许多新技术和新工艺被应用到温湿度测量领域中。例如， 瑞士 Sensiron 公司采用 CMOSens（Ce-mo-Sens）专利技术为高精度温湿度传感器系 统设置精度。其特征是将半导体芯片（CMOS）与传感器技术融合，为开发高集成度、 智能化、高精度、高可靠性的湿度温度检测系统提供了解决方案。该项技术亦称 “Sensmitter”，它代表传感器（sensor）与变送器（transmi

19、tter）的有机结合。尽管 SHT11/15 属于传感器范畴，但具有创新性的 CMOSens技术使之兼有变送器的功能， 便于实现系统集成。 Honeywell 公司生产的 HIH3610 型湿度传感器，能在高温，有化学液体或气 体的环境下正常工作，例如可以测量含有氨、苯、甲醛等有害气体的鸡棚或猪舍中的 相对湿度。即使在饱和状态下，传感器也很容易从短期凝结中恢复过来。HIH3610 芯片上有一层起保护作用的亚硝酸盐钝化层，在安装过程中不易损坏。 （2 ）提高测量精度和分辨力 目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是 912 位 AD 转换器，分辨力一般可达 0.50.0

20、625。由美国 DALLAS 半导体公司 新研制的 DS1624 型高分辨力智能温度传感器，能输出 13 位二进制数据，其分辨力高 达 0.03125，测温精度为0.2。我国台湾省豪尔泰克（HOLTEK）公司推出的 HT7500 型医用数字体温计集成电路，测温精度高达0.1（或0.2） ，这是其他温度 计（包括精密水银温度计和数字温度计）所难以达到的技术指标。 SHT11/15 型智能化湿度温度传感器系统测量相对湿度的范围是 0100，分辨 力达 0.03RH，最高精度为2RH。测量温度的范围是40123.8，分辨力 基于单片机的温湿检测系统的设计 6 为 0.1。测量露点的精度1。在测量湿度

21、、温度时 A/D 转换器的位数分别可达 12 位、14 位。利用降低分辨力的方法可以提高测量速率，减小芯片的功耗。SHT11/15 的产品互换性好，响应速度快，抗干扰能力强，不需要外部元件，适配各种单片机， 可广泛用于医疗设备及温度湿度调节系统中。 （3） 增加测试功能 新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DS1629 型单线智能温度 传感器增加了实时日历时钟（RTC） ，使其功能更加完善。DS1624 还增加了存储功能， 利用芯片内部 256 字节的 E2PROM 存储器，可存储用户的短信息。另外，智能温度传 感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造

22、了良 好条件。 在 HIH3602C 型集成湿度传感器内部还增加了 1000 的铂热电阻，可构成湿 度温度测量仪。 （4） 非线性和温度补偿及自动校准技术 测量湿度时必须对湿度传感器进行非线性补偿和温度补偿。新型智能温湿度传感 器可实现自动补偿。以 SHT11/15 为例，其输出的相对湿度读数值（N）与被测相对湿 度（RH）呈非线性关系。当环境温度 TA25时，利用下式可补偿非线性： RH(C1C2NC3N 2)(40.0405N2.8106N 2 ) （1） 举例说明：将 N1000 代入（1）式中计算出补偿后的相对湿度 RH33.7。 当 TA25时，还需要对相对湿度传感器进行温度补偿，补

23、偿公式为 RHTRH（T25） （0.010.00008N） （2） 举例说明，假如实际温度 T30，利用式（2）不难算出 RHT33.70.4534.15，这就是对相对湿度进行温度补偿后的最终结果。 在 SHT11/15 出厂前，每只传感器都在湿度室中做过精密校准，校准系数被编成相 应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。 在使用湿敏电阻测量线对湿度时，可利用对数放大器对湿敏电阻的指数特性曲线进 行线性化，使之近似于线性关系。 温湿检测系统在工业生产中应用越来越来广泛。具有广阔的发展前景，其市场 需求日益增加，具体在以下几个方面： （1） 粮食储备仓库及蔬果、蛋肉存储

24、仓库的温度、湿度控制 （2） 温室种植、各种禽兽养殖场的温度、湿度控制 （3） 厂房环境温度、湿度的控制 （4） 实验室环境的温度、湿度控制 基于单片机的温湿检测系统的设计 7 （5） 电力系统的温度、湿度控制 1.3 单片机1 单片机是微机发展的一个分支,是为了适应控制系统微型化、集成化的需要而生产 和发展起来的。严格的说，对单片机目前还没有严格确切的定义。 1.3.1 单片机的历史 如果将 8 位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个 阶段 （1）第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以 Intel 公司的 MCS-48 为代 表。MCS-48 的推出是在

25、工控领域的控索，参与这一控索的公司还有 Motorola 、Zilog 等，都取得了满意的效果。这就是 SCM 的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。 （2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel 公司在 MCS-48 基础上推 出了完善的、典型的单片机系列 MCS-51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型 单片机体系结构。 完善的外部总线。MCS-51 设置了经典的 8 位单片机的总线结构，包括 8 位数 据总线、16 位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。 CPU 外围功能单元的集中管理模式。 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 指令系统趋于丰

26、富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。 （3）第三阶段（1982-1990）：8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出阶段， 也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel 公司推出的 MCS 96 系列单片机，将一些 用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片 机的微控制器特征。随着 MCS 51 系列的广应用，许多电气厂商竞相使用 80C51 为 内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道 A/D 转换部件、可靠性 技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。 （4）第四阶段（1990）：微控制器的全面发展阶段。随着

27、单片机在各个领域全 面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的 8 位/16 位/32 位通用 型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。 1.3.2 单片机的分类 单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前 基于单片机的温湿检测系统的设计 8 发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控 型/家电型。 （1 1） 通用型通用型/ /专用型专用型 这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专 用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满 足电子体温计的要求，在片内

28、集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。 （2 2） 总线型总线型/ /非总线型非总线型 这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总 线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机 连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多 情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总 线型单片机。 （3 3） 控制型控制型/ /家电型家电型 这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运 算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设 接口

29、集成度高。 显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是 总线型，还可以作工控用。 1.3.3 单片机的特点和应用 1 1） 单片机的特点单片机的特点 （1）有优异的性能价格比。有优异的性能价格比。 单片机的这种高性能，低价格是它最显著的一个特点。单片机尽可能把应用所需 要的存储器，各种功能的 I/O 口都继承在一块芯片内，使之成为名副其实的单片机。 有的单片机为了提高速度和执行效率，可是采用了 RISC 流水线和 DSP 的设计技术，使 单片机的性能明显优于同类型微处理器，有的单片机片内的 ROM 可达 64KB（式中的 B表示为字节） ，片内 RAM 可达 2

30、KB，单片机的寻址已突破 64KB 的限制，八位和十 六位单片机寻址可达 1MB 和 16MB。 单片机另一个显著特点是量大面广，因此世界上个大公司提高单片机性能的同时， 进一步降低价格，性能/价格之比是各公司竞争的主要策略 （2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上， 内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰 能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。 基于单片机的温湿检测系统的设计 9 （3）控制功能强。控制功能强。 为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令

31、系统中均有极丰富的转移指令、I/O 口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的 微机。 单片机是电子计算机这个庞大家族中的一个特殊品种，体积虽小，但“五脏俱全” ，它非常适用于专门的控制用途。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中 有极丰富的转移指令、I/O 口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运 行速度均高于同一档次微型计算机。 （4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。低功耗、低电压，便于生产便携式产品。 单片机大量应用于携带式产品和家用消费类产品，低电压和低功耗的特性尤为重 要。许多单片机已可在 2.2 V 的电压下运行，有的已能在 1

32、.2 V 或 0.9 V 下工作；功 耗降至为 A 级，一粒纽扣电池就可以长期使用。 (5)5) 集成度及可靠性高集成度及可靠性高 单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。 单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间 的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环 境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。 外部总线增加了 I C（Inter-Integrated Circuit）及 SPI（Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。 2 2） 单片

33、机的应用单片机的应用 单片机的应用范围很广，可以说覆盖了所有领域。其主要在智能仪器和控制中的应 用。 (1)单片机在智能仪表中的应用 单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量 的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。 (2)单片机在机电一体化中的应用 机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电 子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、 钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能 强等优点，可大大提高机器的自动化、智能化程度。 (3)单片机在实时控制中的应用 基于单片机

34、的温湿检测系统的设计 10 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖 端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时 数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产 品质量。 (3) 单片机在分布式多机系统中的应用 在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异 的单片机组成，各自完成特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片 机在这种系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实 时的测量和控制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端 工

35、作。 (4) 单片机在人类生活中的应用 自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收 录机等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单 片机将使人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。 综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机 应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从 前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来 实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革 命。 1.3.4 单片机应用系统的设计10 单片机应用系统的设计（开

36、发）的最终目的是能把它应用到实时控制系统以及仪 器仪表、家用电器、汽车制造、医疗器械等各个领域。由于它的应用领域很广，技术 要求各不相同，因此应用系统的硬件设计可以是各种各样的，但总体设计方法和研制 步骤基本相同。有关单片机应用系统的一般开发、研制方法论述如下： 1 1） 组成单片机应用系统的基本方法组成单片机应用系统的基本方法 用单片机组成应用系统时，实际问题的领域很宽，要求各不相同，组成的方案也 千差万别，很难有一个固定的模式适应一切问题，但考虑问题的基本方法大体相似。 对一般的应用系统，大都要经历如下步骤： 提出问题，了解现场，明确指标。无论是制作智能仪表还是研制工业控制系统 都要对应用

37、对象的工作过程进行深入调查和分析，了解课题的目的要求、信号的种类 和数量、应用的环境等等，要把课题最终的指标明确下来。 进行可行性论证，提出初步方案。分析所接受任务的技术关键，论证能否用计 基于单片机的温湿检测系统的设计 11 算机来解决，有没有别的途径，用计算机合算与否，用什么计算机等等。如果可行， 应对接受的课题提出初步方案，划分软、硬件各分课题的任务。 提出各分课题的设计方案。软、硬件所承担的任务明确之后，则可以分别设计 出软、硬件各自的功能及实现的方案。 完成总体设计，完成各分课题的任务，组成计算机应用系统。 对系统进行调试、修改、完善。 2 2） 应用系统研制进程应用系统研制进程 所

38、谓应用系统，就是利用单片机为某应用目的而设计的单片机专用系统（在调试 过程中通常称为目标系统） 。 单片机的应用系统和一般的计算机应用系统一样，也是由硬件和软件所组成。硬 件指单片机、扩展的存储器、输入输出设备、控制设备、执行部件等组成的系统，软 件是各种控制程序的总称。硬件和软件只有紧密相结合，协调一致，才能组成高性能 的单片机应用系统。在系统的研制过程中，软硬件的功能总是在不断地调整，以便相 互适应，相互配合，以达到最佳性能价格比。 单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计、在线仿真调试、 程序固化等几个阶段。各个阶段所完成的主要工作概述如下： 总体设计主要包括确定技术指标

39、，机型及器件选择，软、硬功能划分等。硬件设 计主要包括程序存储器和数据存储器芯片的选择和设计；I/O 电路、A/D、D/A 及有关 外围电路的设计；系统地址译码电路、总线驱动器等的设计等。软件的主要任务是定 义系统功能，软件的结构设计，画出程序结构框图及各功能的程序框图，逐个编写程 序。一般采用汇编语言编程较为适合。也可采用高级语言编程。 软件设计完成后，进行在线仿真调试，也即查找程序中的错误。软件调试完成后 再进行软、硬联机调试直至最后生成可用的软、硬件系统。 软件和硬件联调完成以后，反复运行正常则可将用户系统程序固化到 EPROM 中， 插入用户样机，用户系统即可脱离开发系统独立工作。详细

40、的开发过程可以参阅有关 的资料。 本章主要分析了国内外温度测试的发展现状及其趋势，系统的介绍了本课题主要 用到单片机。在回顾了单片机发展历史，分析了其分类和特点之后，重点介绍了单片 机应用系统设计，为下一步课题设计做了充分的准备。 1.4 单片机应用系统的研制过程14 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机 基于单片机的温湿检测系统的设计 12 系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量 轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计 算机原理与结构的最佳选择。选择器件时应考虑其性能是否满足设计需求，

41、是否具有 良好的技 术支持和文档支持，是否具有良好的性价比等，其核心是单片机的选型。在大多情况 下，理应选择性价比高的单片机及其它器件，但在某些特殊场合，当性能成为决定因 素时，应以性能优先原则选择所需的单片机或其它器件。单片机一般分为51系列和52 系列，本次设计用到的是52系列即8051单片机。 单片机应用系统的研制过程如图所示2-1 ： 接受设计任务 明确任务、归并要求 选 机，划 分 软 硬 件 硬件设计软件设计 联 机 仿 真 调 试 排 除 故 障，修 改 程 序 固 化 程 序 应 用 系 统 独 立 运 行 研 制 完 成 图 2-1.单片机应用系统的研制过程 基于单片机的温湿

42、检测系统的设计 13 第 2 章 基于单片机的温湿度检测系统的总体设计基于单片机的温湿度检测系统的总体设计 2.1 课题主要内容 在掌握传感器与传感器技术和单片机原理与应用等教材内容和教学要求 的基础上，分析国内外湿温度的发展情况，研究分析测温测湿的一些基本方法，确定 单片机的硬件设计，制定检测温湿的基本检测设计方案，确定硬件并写出程序蓝本。 再在软件上模拟实现要求的功能，调试出结果。本文介绍了该测量仪的研制，包括温 度传感器、湿度传感器、单片机接口及其应用软件， 其主要内容如下: 1、简单介绍了国内温湿度的检测方法及其未来发展方向。 2、根据实际测量要求制定出一次仪表一传感器的选择、使用和安

43、装方案。 3、根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集、温湿 度值的实时显示和存储等。 4、对该仪器的功能进行了初步认定，从原理和实际意义上分析了该仪器的测量误差。 5、介绍本仪器的优点及不足，并对未来的发展提出了展望。 2.2 系统功能 根据设计要求，系统的主要内容（功能）如下： （1） 根据要求设计时钟并显示； （2） 自动检测温湿度并显示； （3） 用LED显示方式； （4） 温度以为单位； 2.3 系统总体设计方案 将集成传感器因外部温湿度的状况产生的模拟信号经过A/D转换之后，其值由8751 处理，最后将其显示在D4，D3，D2，D1共四个七段显示器。其中包

44、含了时钟显示电路。 该测量仪可以实现温湿度的测量，数据的显示、储存以及日历时间的显示。 在微机控制系统中，工业生产过程的被测控参数，如温度、压力、流量、液位、 成份、速度等都是连续变化的量，习惯上称为模拟量，而计算机所需要的则是离散的 数字量。因此，在过程控制及微机进行数据处理的系统中，必须首先把模拟量变成数 基于单片机的温湿检测系统的设计 14 字量。这样才能送到微机进行处理和运算，然后显示打印结果，或通过控制电路对现 场进行控制。单片机控制的一般模式如图 需 测 量 现 场 传感器 放大 多 路 开 关 转 换 采 样 保 持 A/D 单片 机 系统 显示 打印 控制 图2-2单片机用于测

45、量控制系统原理示意图 基于单片机的温湿检测系统的设计 15 第 3 章 系统的硬件设计 3.1 系统总体原理框图 系统总体原理框图如图 3-1 所示： 温度传感 器 测量 放大 放大 器 A/D 转换 输出 单 片 机 系 统 D/A 转换 器 复位与时钟 键盘控制 LED 显示 湿度传感 器 测量 放大 A/D 转换 图 3-1 系统总体原理框图 3.2 信号输入部分总体设计 信号输入部分总体设计如图 3-2 传感器 缓 冲 器 放 大 器 A/D 装 换 8051 单片 机 系统 图 3-2 信号输入部分总体设计 3.2.1 集成温度传感器1 常用的热电传感器有热电阻、热电偶、集成温度传感

46、器等。集成温度传感器实质 上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的 b-e 结压降的不饱和值 VBE 与热力学温 度 T 和通过发射极电流 I 的下述关系实现对温度的检测： 基于单片机的温湿检测系统的设计 16 （3.1）ln e BE s JkT Ua qJ 式中，k波尔兹常数；q电子电荷绝对值。 集成温度传感器按输出信号可分为电压型和电流型两种，其输出电压或电流与绝对温 度成线性关系。电压型集成温度传感器一般是三线制，其温度系数约为 10mV/，电流 型集成温度传感器一般为两线制，其温度系数越为 0.001 mV/K，常用的有 LM134/234、TMP17、AK590、AD592 等，电

47、流型传感器信号适合于远距离传输而无衰变。 本次设计用到电流型两线制集成温度传感器 AD590（0时为 0.2732mA） 。 AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下： a、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： Ir/T=1mA/K 式中：Ir流过器件（AD590）的电流，单位为 mA； T热力学温度，单位为 K。 b、AD590 的测温范围为-55+150。 c、AD590 的电源电压范围为 4V30V。电源电压可在 4V6V 范围变化，电流 变化 1mA，相当于温度变化 1K。AD590 可以承受 44V 正向电压和 2

48、0V 反向电压，因而器件反 接也不会被损坏。 d、输出电阻为 710M。 e、精度高。AD590 共有 I、J、K、L、M 五档，其中 M 档精度最高，在-55+150范 围内，非线性误差为0.3。 集成温度传感器是利用晶体管 PN 结的电流和电压特性与温度的关系，把敏感元件、 放大电路和补偿电路等部分集化，并把它们装封在同一壳体里的一种一体化温度检测 元件。它除了与半导体热敏电阻一样有体积小反应快的优点外，还具有线形好、性能 高、价格低、抗干扰能力强等特点，虽然由于 PN 结受耐热性能和特性范围的限制，只 能用来测 150以下的温度，但在许多领域得到了广泛应用。 其工作原理如下： AD590

49、 属于电流型集成温度传感器，电流型集成温度传感器是一个输出电流与温度 成比例的电流源，由于电流很容易变成电压，因此这种传感器应用十分方便。要指出 的是，AD590 集成温度传感器的输出电流是整个电路的电源电流，而这个电流与施加在 这个在这个电路上的电源电压几乎无关。 基于单片机的温湿检测系统的设计 17 3.2.2 集成湿度传感器 集成湿度传感器的测量范围一般可达到0100%。但有的厂家为保证精度指 标而将测量范围限制为 10%95%。设计+3.3V 低压供电的湿度 /温度测试系统时， 可选用 SHT11、SHT15 传感器。这种传感器在测量阶段的工作电流为550A， 平均工作电流为 28A（12 位）或 2A（8 位）。上电时默认为休眠模式（ Sleep Mode），电源电流仅为 0.3A（典型值）。测量完毕只要没有新的命令，就自动 返回休眠模式，能使芯片功耗降至最低。此外，它们还具有低电压检测功能。当电 源电压低于 +2.45V