環(huán)境溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計

1、.：.；教學單位 學生學號 永城職業(yè)學院畢 業(yè) 設(shè) 計 (論文)題 目： 環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計 年 級： 級 學 號： 姓 名： 向明星 專 業(yè)： 礦山機電 指點教師： 劉 輝 年 月 日環(huán)境溫濕度檢測系統(tǒng)的設(shè)計摘要 濕度檢測在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等行業(yè)有著廣泛的運用。利用單片機技術(shù)的濕度檢測系統(tǒng)以其體積小，可靠性高而被廣泛采用。本文對濕度檢測系統(tǒng)進展了分析設(shè)計。首先，對濕度檢測技術(shù)的運用領(lǐng)域和開展情況做了簡單的引見，同時，列舉了目前濕度檢測所常用方法以及各自所具有的特點。本文重點在于對該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。在硬件設(shè)計過程中，詳細引見了各部分電路的功能和特點。接下來，對系統(tǒng)中所用的濕度傳感器

2、HM和A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC作了簡單的引見。在軟件設(shè)計過程中，繪制了各個程序模塊的流程圖，詳細引見了各個模塊的作用。經(jīng)過對程序反復(fù)的修正，完善了軟件系統(tǒng)。最后，完成了對整個系統(tǒng)的設(shè)計。本系統(tǒng)具有靈敏度高、反映時間短等特點，并且具有智能化、可編程、小型便攜等優(yōu)點，置信本系統(tǒng)具有廣泛的運用領(lǐng)域。溫度、濕度是工農(nóng)業(yè)消費的主要環(huán)境參數(shù)對其進展適時準確的丈量具有重要意義。利用單片機對溫、濕度控制。具有控溫、濕精度高、功能強、體積小、價錢低，簡單靈敏等優(yōu)點，很好的滿足了工藝要求。本文引見了利用ATS單片機進展溫度和濕度的檢測及其控制的智能化方法。為了更好地處理嚴寒地域供熱溫濕度檢測的問題， 設(shè)計了基于單總線

3、技術(shù)的溫濕度檢測系統(tǒng)。引見了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案， 并對單總線溫濕度檢測電路， 通訊電路等硬件設(shè)計， 以及系統(tǒng)軟件設(shè)計及流程進展了論述。經(jīng)過補償前后的溫濕度測試結(jié)果比較， 闡明該系統(tǒng)可以滿足對溫濕度要求比較高的場所。關(guān)鍵字：單片機，溫濕度檢測，硬件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)目錄第章 緒論. 引言本章首先引見了濕度這個物理量的根本知識，接下來引見了濕度檢測技術(shù)的運用領(lǐng)域，常見的濕度丈量方法以及特點。同時，對濕度傳感器的目前的開展情況以及濕度檢測技術(shù)的開展趨勢進展了簡單的分析。最后，簡單概括了本文所要做的任務(wù)內(nèi)容。. 濕度的根本概念濕度是表示空氣中水蒸氣的含量的物理量，常用絕對濕度、相對濕度、露點等表示。所謂絕

4、對濕度就是單位體積空氣內(nèi)所含水蒸氣的質(zhì)量，也就是指空氣中水蒸氣的密度。絕對濕度普通用一立方米空氣中所含水蒸氣的克數(shù)表示，即為HamV/V，式中，Ha表示絕對濕度值，mV 為待測空氣中水蒸氣質(zhì)量，V 為待測空氣的總體積。單位為g/ 。相對濕度是表示空氣中實踐所含水蒸氣的分壓( )和同溫度下飽和水蒸氣的分壓( )的百分比，即HT( / )TRH。通常，用RH表示相對濕度。當溫度和壓力變化時，因飽和水蒸氣變化，所以氣體中的水蒸氣壓即使一樣，其相對濕度也發(fā)生變化。日常生活中所說的空氣濕度，實踐上就是指相對濕度而言。溫度高的氣體，含水蒸氣越多。假設(shè)將其氣體冷卻，即使其中所含水蒸氣量不變，相對濕度將逐漸添

5、加，增到某一個溫度時，相對濕度達，呈飽和形狀，再冷卻時，蒸氣的一部分凝聚生成露，把這個溫度稱為露點溫度。. 濕度檢測的運用領(lǐng)域人工氣候室是在環(huán)境實驗、科學研討諸如種養(yǎng)殖、植保、組培、生物工程等領(lǐng)域運用廣泛的實驗設(shè)備。它能模擬自然界的各種氣候條件，按照實驗要求準確控制室內(nèi)的溫度、濕度、光照以及CO等目的，復(fù)現(xiàn)各種氣候環(huán)境。為研討不同物種的生長、發(fā)育、生理、生化過程發(fā)明了環(huán)境條件。因此，人工氣候室廣泛運用在科研、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、冶金、化工、林業(yè)、環(huán)境科學及生物遺傳工程等領(lǐng)域。在人們的日常生活中，人們的居住空間也是一個人工環(huán)境?？諝馕廴?，直接要挾人們的身體安康；噪音污染，影響人的心情、任務(wù)、休憩、飲

6、食，可以導致神經(jīng)衰弱；溫度過熱、過冷，導致人的不適，耗費電能；空氣過濕，將使人們感到沉悶和窒息；空氣過燥，又會使人的口腔感到不適，甚至能夠發(fā)生咽喉炎等疾病。假設(shè)自動控制這個最常見的空間，人的生活將更溫馨。所以說，這是一個很有開展出路的課題，國內(nèi)外學者曾經(jīng)進展了相關(guān)的研討。本文也就其中最難丈量的物理量濕度進展研討。. 常見的濕度檢測方法及特點濕度丈量從原理上劃分有二、三十種之多。但濕度丈量一直是世界計量領(lǐng)域中著名的難題之一。一個看似簡單的量值，深究起來，涉及相當復(fù)雜的物理化學實際分析和計算。常見的濕度丈量方法有：動態(tài)法雙壓法、雙溫法、分流法，靜態(tài)法飽和鹽法、硫酸法，露點法，干濕球法和電子式傳感器

7、法。 雙壓法、雙溫法是基于熱力學P、V、T平衡原理，平衡時間較長，分流法是基于絕對濕氣和絕對干空氣的準確混合。由于采用了現(xiàn)代測控手段，這些設(shè)備可以做得相當精細，主要作為規(guī)范計量之用，其丈量精度可到達%RH以上，但是設(shè)備復(fù)雜，昂貴，運作費時費工。 靜態(tài)法中的飽和鹽法，是濕度丈量中最常見的方法，簡單易行。但飽和鹽法對液、氣兩相的平衡要求很嚴，對環(huán)境溫度的穩(wěn)定要求較高。用起來要求等很長時間去平衡，低濕點要求更長。特別在室內(nèi)濕度和瓶內(nèi)濕度差值較大時，每次開啟都需求平衡小時。露點法是丈量濕空氣到達飽和時的溫度，是熱力學的直接結(jié)果，準確度高，丈量范圍寬。計量用的精細露點儀準確度可達.甚至更高。但用現(xiàn)代光電

8、原理的冷鏡式露點儀價錢昂貴，常和規(guī)范濕度發(fā)生器配套運用。干濕球法，這是世紀就發(fā)明的測濕方法。歷史悠久，運用最普遍。干濕球法是一種間接方法，它用干濕球方程換算出濕度值，而此方程是有條件的：即在濕球附近的風速必需到達.m/s以上。普通用的干濕球溫度計將此條件簡化了，所以其準確度只需%RH,干濕球也不屬于靜態(tài)法，不要簡單地以為只需提高兩支溫度計的丈量精度就等于提高了濕度計的丈量精度。電子式濕度傳感器法。電子式濕度傳感器產(chǎn)品及濕度丈量屬于年代興起的行業(yè), 近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域獲得了長足提高。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速開展，為開發(fā)新一代濕度測控系統(tǒng)發(fā)

9、明了有利條件，也將濕度丈量技術(shù)提高到新的程度。. 濕度丈量技術(shù)的開展趨勢 廣泛采用新技術(shù)、新工藝隨著科技的提高，許多新技術(shù)和新工藝被運用到濕度丈量領(lǐng)域中。例如，瑞士Sensiron公司采用CMOSensCe-mo-Sens專利技術(shù)為高精度濕度傳感器系統(tǒng)設(shè)置精度。其特征是將半導體芯片CMOS與傳感器技術(shù)交融，為開發(fā)高集成度、智能化、高精度、高可靠性的濕度檢測系統(tǒng)提供理處理方案。該項技術(shù)亦稱“Sensmitter，它代表傳感器sensor與變送器transmitter的有機結(jié)合。雖然SHT/屬于傳感器范疇，但具有創(chuàng)新性的CMOSens技術(shù)使之兼有變送器的功能，便于實現(xiàn)系統(tǒng)集成。Honeywell公

10、司消費的HIH型濕度傳感器，能在高溫，有化學液體或氣體的環(huán)境下正常任務(wù)，例如可以丈量含有氨、苯、甲醛等有害氣體的雞棚或豬舍中的相對濕度。即使在飽和形狀下，傳感器也很容易從短期凝結(jié)中恢復(fù)過來。HIH芯片上有一層起維護作用的亞硝酸鹽鈍化層，在安裝過程中不易損壞。 提高丈量精度和分辨力目前，國內(nèi)外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能濕度傳感器，SHT/型智能化濕度傳感器系統(tǒng)丈量相對濕度的范圍是，分辨力達.RH，最高精度為RH。丈量露點的精度。在丈量濕度時A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)分別可達位、位。利用降低分辨力的方法可以提高丈量速率，減小芯片的功耗。SHT/的產(chǎn)品互換性好，呼應(yīng)速度快，抗干擾才干強，不需求外部

11、元件，適配各種單片機，可廣泛用于醫(yī)療設(shè)備及溫度濕度調(diào)理系統(tǒng)中。 添加測試功能新型智能濕度傳感器的測試功能也在不斷加強。例如，DS型單線智能濕度傳感器添加了實時日歷時鐘RTC，使其功能更加完善。DS還添加了存儲功能，利用芯片內(nèi)部字節(jié)的 存儲器，可存儲用戶的短信息。另外，智能濕度傳感器正從單通道向多通道的方向開展，這就為研制和開發(fā)多路濕度測控系統(tǒng)發(fā)明了良好條件。. 本課題研討的主要內(nèi)容和目的研討本系統(tǒng)包括兩方面義務(wù)：其一是對硬件系統(tǒng)的設(shè)計，保證系統(tǒng)的檢測精度不小于RH，呼應(yīng)時間小于S，檢測濕度范圍為RH等。使其具有很強的適用性。其二是軟件系統(tǒng)的設(shè)計，使其實現(xiàn)報警顯示等功能，保證系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。第章

12、 濕度檢測系統(tǒng)的功能與硬件設(shè)計本章主要引見了本濕度檢測系統(tǒng)的檢測方法的選擇以及硬件設(shè)計兩方面內(nèi)容。首先從整體上初步分析了系統(tǒng)的設(shè)計方法。接下來，繪制了濕度檢測系統(tǒng)的硬件框架圖，根據(jù)該圖進展各個模塊的設(shè)計。詳細分析了各個模塊的功能和作用，根據(jù)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)框架對各個部分進展設(shè)計，畫出了系統(tǒng)硬件原理圖。最后引見所用的芯片資料，簡述了芯片的內(nèi)部構(gòu)造和任務(wù)原理。.濕度檢測方案的選擇現(xiàn)代濕度丈量方法最主要的有兩種：一是干濕球測濕法，二是電子式濕度傳感器測濕法。下面簡單引見一下干濕球濕度計的特點。早在世紀人類就發(fā)明了干濕球濕度計，干濕球濕度計的準確度取決于干球、濕球兩支溫度計本身的精度；濕度計必需處于通風

13、形狀：只需紗布水套、水質(zhì)、風速都滿足一定要求時，才干到達規(guī)定的準確度。干濕球濕度計的準確度只需RH。而且，干濕球測濕法采用間接丈量方法，經(jīng)過丈量干球、濕球的溫度經(jīng)過計算得到濕度值，因此對運用溫度沒有嚴厲限制，在高溫環(huán)境下測濕不會對傳感器呵斥損壞。干濕球測濕法的維護相當簡單，在實踐運用中，只需定期給濕球加水及改換濕球紗布即可。接下來，簡單引見一下電子式濕度傳感器的特點。電子式濕度傳感器的準確度可以到達RH。電子式濕度傳感器的精度程度要結(jié)合其長期穩(wěn)定性去判別。濕度傳感器是采用半導體技術(shù)，因此對運用的環(huán)境溫度有要求，超越其規(guī)定的運用溫度將對傳感器呵斥損壞。所以電子式濕度傳感器測濕方法更適宜于在干凈及

14、常溫的場所運用。而電子式濕度傳感器是近幾十年，特別是近年才迅速開展起來的。濕度傳感器消費廠在產(chǎn)品出廠前都要采用規(guī)范濕度發(fā)生器來逐支標定，電子式濕度傳感器的準確度可以到達RH。經(jīng)過上述兩種濕度檢測方法的分析，不難發(fā)現(xiàn)：電子式傳感器測濕法和干濕球測濕法相比具有精度高、操作簡單、易于控制等特點。另外，前者可外加單片機等控制器來構(gòu)成一個智能檢測系統(tǒng)，而后者不能直觀準確的顯示出濕度值，呵斥運用上的不方便。因此本文采用電子式傳感器測濕法進展系統(tǒng)設(shè)計。. 設(shè)計方案確實定可以從以下幾個方面來確定濕度檢測儀的設(shè)計方案。. 處置器采用ATMEL的ATC微處置器，是基于以下幾個要素：C為內(nèi)核，仿真調(diào)試軟硬件資源豐富

15、；性價比高，貨源充足；DIP封裝，體積小，便于產(chǎn)品小型化；為 程序存儲介質(zhì)，次以上擦/寫周期，便于程序調(diào)試；具有兩種節(jié)能方式：閑置方式和掉電方式，便于進展低功耗設(shè)計；任務(wù)電壓范圍寬：.V，便于交直流供電。. 顯示電路就顯示而言，通?？刹捎靡壕э@示或數(shù)碼管顯示。對于普通的段式液晶屏，需求專門的驅(qū)動電路，而且液晶顯示作為一種被動顯示，可視性相對比較差；對于具有驅(qū)動電路和微處置器接口的液晶顯示模塊字符或點陣，普通多采用并行接口，對微處置器的接口要求較高，占用資源多。另外ARC本身無專門的液晶驅(qū)動接口，因此，本系統(tǒng)采用數(shù)碼管顯示方式。數(shù)碼管作為一種自動顯示器件，具有亮度高、價錢廉價等特點，而且市場上也

16、有專門的顯示組合數(shù)碼管。. 鍵盤電路鍵盤是一組開關(guān)的集合，是最常用的輸入設(shè)備之一，智能儀器在面板上均運用鍵盤輸入取代各種傳統(tǒng)的開關(guān)旋鈕，由于鍵盤控制有簡單可靠、經(jīng)濟、易于修正便于遠程監(jiān)控等特點。在設(shè)計中為了精簡系統(tǒng)，本系統(tǒng)只用了一個鍵，其作用主要就是用來清屏和刷新數(shù)據(jù)。. 濕度檢測儀的主電路設(shè)計濕度檢測儀的主電路包括：系統(tǒng)時鐘電路；系統(tǒng)復(fù)位電路；按鍵電路；顯示電路；電源控制電路；濕度檢測傳輸及A/D轉(zhuǎn)換電路六部分組成。其硬件系統(tǒng)框圖如圖.所示第章 系統(tǒng)電路設(shè)計.l 系統(tǒng)根本方案本系統(tǒng)采用ATS單片機作為控制中心對采集到的濕度模擬電壓信號經(jīng)過ADC進展分析處置實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換以便數(shù)碼管顯示其濕度值。

17、本設(shè)計可以手動設(shè)置溫度濕度的上、下限值，如只需有一樣與設(shè)定的值不符合時，即溫度濕度過高或過低，那么該系統(tǒng)會發(fā)出語音報警，同時繼電器立刻切斷電源實現(xiàn)系統(tǒng)的維護。. 硬件系統(tǒng)的組成 ()主控模塊：采用ATS單片機作為系統(tǒng)的控制器。Pl口控制數(shù)碼管顯示溫度和濕度值。P口與ADC銜接實現(xiàn)濕度模擬電壓量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量便于單片機處置。鍵盤控制采用PO口其中POO是溫度的設(shè)置，PO是濕度的設(shè)置，POPO是分別對溫度與濕度的上下限值進展設(shè)置。P是DS溫度傳感器的接線口PO是ISD語音芯片的接線口。原理如圖l：()顯示模塊：系統(tǒng)采用動態(tài)顯示方式驅(qū)動個數(shù)碼管任務(wù)，其中個數(shù)碼管用來顯示溫度值，個用來顯示檢測到的濕度值

18、。用LSl的輸入端來選擇位碼單片機的P口控制數(shù)碼管的斷碼。如檢測到的溫度與濕度發(fā)生變化時，數(shù)碼管即會發(fā)生相應(yīng)的變化，起到實時顯示功能，電路如圖。()語音播報模塊：采用語音芯片ISD，該芯片可以高質(zhì)量地完成聲音錄制與復(fù)原，最大錄音時間為秒，具備分段錄音功能其任務(wù)電壓在 V V范圍，運用直接電平邊緣存儲技術(shù)，省去了AD、DA轉(zhuǎn)換。其內(nèi)部集成了大容量的EEPROM，不再需求擴展存儲器，便于與單片機銜接。語音播報模塊電路如圖。該電路的S鍵為錄音鍵，Sl、S鍵為播放鍵，A-A為地址選擇端，將ISDl的A一A直接與單片機的P口相連，就可以實現(xiàn)錄音地址選擇功能，再將播放鍵接于PO口以實現(xiàn)單片機控制的實時播放

19、功能。電源VCCA、VCCD其內(nèi)部的模擬和數(shù)字電路運用不同的電源總線，但由于該芯片的干擾較小，因此兩者可短接在一同。()AD轉(zhuǎn)換模塊：采用ADC轉(zhuǎn)換芯片，用于實現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，由于模擬轉(zhuǎn)換電路的種類很多，選擇AD轉(zhuǎn)換器從速度，精度和價錢方面思索其內(nèi)部是路模擬選通開關(guān)。以及相應(yīng)的通道抵抗鎖存譯碼電路，轉(zhuǎn)換時間是 S左右，單電源供電。()溫度和濕度采集模塊：溫度傳感器采用DALLAS半導體公司消費的智能溫度傳感器DSlB，采集的數(shù)據(jù)可直接送入微處置器而無需AD轉(zhuǎn)換能直接讀出被測溫度。它僅需求l條接口線即可實現(xiàn)與微處置器的雙向通訊；只需求外接個 k的上拉電阻。無需其它外部器件。本系統(tǒng)對Dsl

20、B采用數(shù)據(jù)線供電，溫度丈量范圍為-。經(jīng)過編程可實現(xiàn)位的數(shù)字值讀數(shù)方式，丈量精度為士，用戶可自行設(shè)定非易失性報警上下限。由于采用單總線方式，可在該控制總線上掛接多個DSlB進展不同部位的溫度檢測。濕度傳感器采用HSM一G，其原理是每變化 V濕度所添加的值為l，其輸出的電壓值需經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便單片機處置從而讓數(shù)碼管顯示濕度值。其任務(wù)電壓范圍為直流電壓 V，測試精度為土RH任務(wù)電流(最大值)為 mA，儲存環(huán)境濕度范圍為至RH，任務(wù)環(huán)境濕度范圍為lO至(瞬間可達RH)，任務(wù)環(huán)境為。()繼電器控制電路：電磁式繼電器具有構(gòu)造簡單、任務(wù)可靠、鞏固耐用、價錢廉價等優(yōu)點運用極其廣泛，它是最為典型和常

21、用的繼電器。本電路采用常閉繼電器由單片機控制，當溫度或濕度異常時，繼電器開場任務(wù)且開關(guān)切斷電源，小燈熄滅，從而起到維護系統(tǒng)的作用。其電路如圖。. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用了匯編言語編程，只需對溫度濕度進展相應(yīng)的采集處置后，即可讓數(shù)碼管實時顯示當前的溫度與濕度值。濕度采集的輸出電壓需求經(jīng)過ADC進展轉(zhuǎn)換為數(shù)字量才可讓單片機處置。而語音播報只需接上單片機的IO口，并對其接口線進展編程方可完成?？偝绦蛄鞒倘鐖D。第章 結(jié)論在工農(nóng)業(yè)消費、氣候、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，經(jīng)常需求對環(huán)境濕度進展丈量及控制。對環(huán)境濕度的檢測以及對工業(yè)資料水份值的監(jiān)測與分析都已成為比較普遍的技術(shù)條件之一。本系統(tǒng)采

22、用了高精度的電容式相對濕度傳感器HM，在系統(tǒng)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，濕度丈量范圍為%RH，而且呼應(yīng)時間小于秒。所選用的A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC，它采用串行通訊方式，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，減少了電路板的面積。同時，充分利用了ATC單片機本身的軟硬件資源，具有智能化、可編程、小型便攜等優(yōu)點。因此只需選用不同的濕度傳感器，并修正相應(yīng)的軟件控制程序，本檢測系統(tǒng)就可運用在環(huán)境維護、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)消費等方面，可見其具有非常廣泛的運用前景。由于該系統(tǒng)主要是濕度的檢測沒有涉及到濕度的控制設(shè)計，所以在控制方面有待進一步研討。同時，可以在外圍擴展溫度檢測芯片，使其具有溫、濕度檢測功能。而且，外加去濕機、空調(diào)等設(shè)備，可實現(xiàn)對溫濕度檢測控制的功能。同時，可以擴展時鐘控制芯片，修正完善程序，使其具有時間顯示、定時報警等多項功能。因此，本系統(tǒng)具有很好的擴展性。由于時間倉促和本人程度有限，在設(shè)計過程中，難免在設(shè)計上存在一定的缺陷，請各位教師多多指正。參考文獻 何利民. 單片機運用技術(shù)選編M.北京：