基于51單片機的溫濕度傳感器的設(shè)計與制作

畢業(yè)論文（設(shè)計）題目：基于51單片機的溫濕度傳感器的設(shè)計與制作姓名：學(xué)院：理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)班級：學(xué)號：指導(dǎo)教師：摘要：溫濕度使我們生產(chǎn)生活中很重要的參數(shù)，本設(shè)計為基于51單片機的溫濕度檢測與控制系統(tǒng)，采用模塊化、層次化設(shè)計。如今采納新技術(shù)，使用新式智能的溫濕度傳感器DHT11來實現(xiàn)對溫度、濕度的監(jiān)測，運用DHT11來完成濕度信號的收集并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字式信號，接著使用單片機AT89C52分析、處置數(shù)據(jù)，提供信號給報警及顯示電路，從而完成對溫濕度的檢測與監(jiān)控。依據(jù)設(shè)定的報警高低限值來體現(xiàn)報警體系的報警功效，采納LCD1602液晶顯示所測得的溫濕度值。優(yōu)點是系統(tǒng)的電路簡單、集成度高、運行穩(wěn)定、調(diào)試方便、檢測精度很高，有一定的實用價值。關(guān)鍵詞：單片機；DHT11溫濕度傳感器；LCD1602顯示Abstract：Temperatureandhumiditythatweareimportantparametersinproductionandliving,thisdesignisbasedon51singlechipmicrocomputertemperatureandhumiditydetectionandcontrolsystem,adoptsthemodular,hierarchicaldesign.Nowadoptnewtechnology,theuseofnewintelligenttemperatureandhumiditysensorDHT11torealizethemonitoringoftemperature,humidity,usingDHT11tohumiditysignalcollectionandconvertthemintodigitalsignals,thenusingmicrocontrollerAT89C52analysisandtreatmentofdata,providesthesignaltoalarmanddisplaycircuit,soastocompletethedetectionandmonitoringoftemperatureandhumidity.Accordingtosetthealarmofhighandlowlimittoreflectthealarmfunctionofthealarmsystem,adoptLCD1602LCDdisplaythemeasuredtemperatureandhumidityvalues.Advantageissimplecircuit,highintegration,stablerunning,convenientdebuggingandtestingprecisionishigh,hascertainpracticalvalue.Keywords:Singlechipmicrocomputer;DHT11temperatureandhumidity;LCD1602display目錄第一章引言 11.1課題的研究背景 11.2課題的研究內(nèi)容及目標 11.3本文的組織結(jié)構(gòu) 1第二章設(shè)計要求及目的 11.1設(shè)計目的 11.2設(shè)計要求 1第三章系統(tǒng)方案設(shè)計及論證 PAGEREF_Toc322788030\h23.1總體方案設(shè)計 23.2方案比較與論證 23.2.1溫濕度檢測 2HYPERLINK\l"_Toc322788034"3.2.2主從機通信 33.2.3顯示部分 3第四章系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn) 54.1單片機介紹 54.1.1單片機主要性能 54.1.2單片機各引腳功能介紹 54.1.3單片機特殊功能寄存器介紹 PAGEREF_Toc322788040\h54.2DHT11數(shù)字溫濕度傳感器介紹 74.2.1DHT11產(chǎn)品概述 54.2.2串行接口 54.3紅外發(fā)射電路 74.4紅外接收電路 9第五章軟件設(shè)計 125.1主機程序 125.2從機程序 13總結(jié) 14致謝 15參考文獻 16附錄一主機電路圖 17附錄二從機電路圖 18附錄三程序代碼 19第一章引言1.1課題的研究背景溫度與濕度與人們的生活息息相關(guān)。尤其是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、國防、科研等部門，必須經(jīng)常、精確的對環(huán)境溫度進行監(jiān)測和控制。此外，在制藥，造紙準及溫濕度測量，食品加工和其他行業(yè)是必要的。比較傳統(tǒng)的溫度計使用水銀制作顯示，構(gòu)造簡單、價格低廉，缺憾是精確度不高，不宜讀數(shù)。傳統(tǒng)的干濕球溫度計的顯示方法，不僅復(fù)雜，測量精度不高。而選用單片機對溫濕度實施監(jiān)控和測量，不單單具有節(jié)制便利，單一靈活的特點，而且可以大大提高溫度控制的靈活性的優(yōu)點。用LED數(shù)碼管顯示溫度和濕度值，看起來更直觀。測量溫度和濕度最重要的就是傳感器。溫度和濕度的測量過去是分離的。傳感器的成長歷經(jīng)了三個階段：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器、智能集成溫度傳感器。目前，從模擬到數(shù)字溫度傳感器的模型的方向，從集成化向智能化，網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展。溫度傳感器也經(jīng)歷過這樣的階段走向數(shù)字化、智能化。1.2課題的研究內(nèi)容及目標溫度和濕度探測器是以AT89C52單片機為核心控制芯片，該芯片具有良好的抗干擾能力，快速響應(yīng)。使用此單片機構(gòu)成的溫濕度檢測儀能夠定時、無誤的監(jiān)測周圍的溫度和相對濕度。

使用高靈敏度收集濕敏電阻阻值變化，然后經(jīng)由單片機從而得到相應(yīng)濕度，這就是本檢測儀的硬件部份的設(shè)計；DHT11數(shù)字溫度傳感器對溫度的實時采集和直接控制監(jiān)測。另外，新增的語音報警裝置，讓用戶自己來設(shè)定自己需要的上下限值，只要超出便會自動報警。并用LCD顯示屏作為顯示設(shè)備的硬件設(shè)計方案。軟件部分選用模塊化的方式分成幾個個體，一個個進行程序設(shè)計，最后連接各部分一起協(xié)調(diào)工作，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測周圍溫濕度的目的。1.3本文的結(jié)構(gòu)組織本文的組織結(jié)構(gòu)安排如下：第一章引言，扼要闡明本課題的研究背景、研究目的、研究意義，以及要實現(xiàn)的目標。第二章設(shè)計的要求及目的，闡述要實現(xiàn)的功能，以及主要的參數(shù)。第三章系統(tǒng)設(shè)計方案及論證，通過分析論證，選出最合適的設(shè)計方案，詳細的介紹總體方案。第四章主要講述整個體系硬件的設(shè)計及實現(xiàn)，包括單片機的選擇、溫濕度傳感器的選擇以及紅外發(fā)射電路、紅外接收電路、語音播報電路的設(shè)計。第五章是軟件設(shè)計，基于前面的硬件系統(tǒng)，設(shè)計合適的主機程序和從機程序。第二章設(shè)計要求及目的2.1設(shè)計目的溫度、濕度是工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要環(huán)境參數(shù)。是否能夠及時、準確地測量很重要。如果單片機來對溫度進行控制，利用高精度的溫度，濕度控制，強濕功能，體積小，價格低，簡單靈活，很好的滿足工藝要求。2.2設(shè)計要求1、實現(xiàn)溫度和濕度的測量；2、按電源鍵進行測量；3、濕度的測量范圍：0％～100%RH；溫度的測量范圍：-40～+85℃；4、濕度測量精度：±2.0%RH；溫度測量精度：±0.2℃；5、在LCD顯示屏上顯示數(shù)據(jù)和結(jié)果；6、超出或低于預(yù)設(shè)定的值，蜂鳴器自動報警。第三章系統(tǒng)方案設(shè)計及論證3.1總體方案設(shè)計根據(jù)課題要求實現(xiàn)，該系統(tǒng)由主機系統(tǒng)和兩個部分從系統(tǒng)，以AT89C52單片機為核心，設(shè)計。圖1-1和1-2為主機、從機框圖：AT8AT89C52紅外通信液晶顯示報警鍵盤AT89C51紅外通信溫濕度傳感器圖1-1主機系統(tǒng)圖圖1-2從機系統(tǒng)圖3.2方案比較與論證3.2.1溫濕度檢測方案一：使用AM2301數(shù)字溫濕度傳感器。該型溫濕度傳感器，采用3.3-6V直流電源供電，它的各部分參數(shù)：濕度測量的范圍為20％～90%RH；溫度測量的范圍為0～+50℃；濕度測量精度為±5.0%RH；溫度測量精度為±2.0℃。雖然它的價格比較便宜，但測溫的范圍和測濕的范圍太小，溫度的精度和濕度的精度太低，不符合設(shè)計的要求。方案二：使用AM2302電容式數(shù)字溫濕度傳感器。它的各部分參數(shù)如下：由于傳感器參數(shù)：濕度0%~100%相對濕度的測量范圍；溫度測量范圍為40~+80℃；濕度的測量精度為±3.0%RH溫度的測量精度：±0.5℃。價格也比較適合，基本可以滿足設(shè)計要求。方案三：使用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11。濕度測量范圍：0％～100%RH；溫度測量范圍：40~+85℃；濕度測量精度：±2%相對濕度±0.2℃溫度測量精度。該傳感器價格很便宜。溫度和濕度都達到或超過了標題的精度要求，屬于低功率傳感器。經(jīng)過比較，從系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)要求和低功耗方面考慮，選用方案三。3.2.2主從機通信方案一：采用RF905SE無線發(fā)射模塊?？梢赃M行最遠達1000米的遠距離無線通信，工作很穩(wěn)定，比較簡單，但是成本較高。方案二：采用無線藍牙串口模塊。該模塊的傳輸距離為5~10米，可串行通訊，通訊便捷，但成本高。方案三：用自制的紅外通信電路，可以實現(xiàn)超過5米距離的通信，低功耗，低成本，并能滿足題目要求發(fā)揮的一部分。通過對比，方案三的紅外通信電路的機能完全能夠符合題目的各個部分和發(fā)揮部分的設(shè)計，故選用方案三。3.2.3顯示部分方案一：采用LED數(shù)碼管，其操作簡單，顯示直觀。不僅程序的設(shè)計簡易，而且對周圍的環(huán)境要求很低，方便維護。但是數(shù)碼管只可以顯示阿拉伯數(shù)字，不能顯示漢字。而且硬件設(shè)計也相當繁復(fù)。不適用于本設(shè)計。方案二：使用LCD液晶，它具有體積小、低功耗、顯示豐富等優(yōu)點。電路連接簡單，價格也便宜?？偟膩碚f，LCD液晶顯示更多的內(nèi)容，所以本設(shè)計選用LCD液晶顯示程序。第四章系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)4.1單片機介紹4.1.1單片機主要性能AT89C52是由ATMEL公司生產(chǎn)的51單片機的一個型號。它具有高性能CMOS8位、低電壓的優(yōu)點，使用了該公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，完美兼容MCS-51指令系統(tǒng)，包括8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52功能強大、試用范圍非常廣。主要功能特性：引腳完全兼容MCS-51產(chǎn)品具有8K字節(jié)的可重擦寫Flash閃存1000次擦寫周期2個讀寫中斷口線全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz三級加密程序存儲器256*8字節(jié)內(nèi)部RAM32可編程雙向I/O線3個16位定時器/計數(shù)器2個外部中斷源，共6個中斷源可編程串行UART通道低功耗的空間和掉電模式軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能4.1.2單片機各引腳功能介紹AT89C52由40腳雙列直插包裝的8位通用微處理器組成，使用常用的C51內(nèi)核，它主要用于會聚調(diào)整功能的控制。功能主要有對會聚主IC內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等部件的初始化，會聚調(diào)整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。·P0口：P0口是8位的漏極開路型雙向的I/O口，即為地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。如果被當作輸出口，每位可以吸收電流的形式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，起作用變?yōu)楦咦杩馆斎?。當需要訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，期間可以激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口負責接受指令字節(jié)，但是在程序校驗的時候，需要輸出指令字節(jié)，校驗時需要外接上拉電阻。·P1口：P1是一個帶在內(nèi)部上拉電阻的8位的雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸取或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，經(jīng)過里面的上拉電阻把端口拉至高電平，就可作輸入口使用。作輸入口用時，因為里面存在上拉電阻，某引腳被外部的信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還有作為定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）的功能，F(xiàn)lash編程和程序校驗的時候，P1接收低8位地址?！2口：P2是一個帶有上拉電阻的8位雙向的I/O口，P2的輸出緩沖級能夠驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。將端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻來港的高水平，此時，可作為輸入，作為輸入使用時，因為內(nèi)部上拉電阻，如果某個引腳被外部信號拉低的時候就會輸出一個電流(IIL)。當訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位的地址數(shù)據(jù)。當訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。編程或檢查，P2也獲得了很高的地址和控制信號。·P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線外，此外，它的第二功能P3口還接收一些可以用于Flash閃速存儲器編程與程序校驗的控制信號才是最重要的。4.1.3單片機特殊功能寄存器介紹·數(shù)據(jù)存儲器：AT89C52有256個字節(jié)內(nèi)部RAM，80H-FFH高128個字節(jié)與特殊功能寄存器（SFR）地址是重復(fù)的，雖然物理上分開，但是高128字節(jié)的RAM與特殊功能寄存器的地址相同。當一條指令訪問7FH以上地址單元的時候，指令中使用不同的尋址方式，即為究竟是訪問高128字節(jié)RAM還是訪問特殊功能寄存器是由尋址方式?jīng)Q定的。直接尋址方式對應(yīng)的是訪問特殊功能寄存器?！ざ〞r器0和定時器1：AT89C52的定時器0和定時器1的工作方式與AT89C51相同?！?定時器：定時器2是一個16位定時器/計數(shù)器。不僅僅可以當定時器用，而且可用作外部事件計數(shù)器，特殊功能的寄存器T2CON的C/T2位負責選擇它的工作方式。定時器2一共有三種工作方式：捕獲方式，向上或向下計數(shù)方式以及波特率發(fā)生器方式，T2CON的控制位來決定其工作方式。4.2DHT11數(shù)字溫濕度傳感器介紹4.2.1DHT11產(chǎn)品概述DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一種復(fù)合傳感器，它包含已校準數(shù)字信號輸出。通過特殊的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，以確保產(chǎn)品擁有相當高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器由一個電阻式感濕元件與一個NTC測溫元件組成，跟一個高性能的8位單片機相連接。因此，產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)良，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強，性價比很高。而且它的每次校準都在及其標準的溫濕度實驗室中進行。將所測的校準系數(shù)用程序存儲在OTP內(nèi)存中，當需要處理檢測到的信號時，傳感器會自動調(diào)用這些標準系數(shù)。單線串行接口，很容易和快速的系統(tǒng)集成。它的優(yōu)點是體積小、低功耗、最高20米以上的遠距離信號傳遞，使它能夠在最為嚴格的場合使用。4.2.2串行接口微處理器與DHT11之間的聯(lián)系與同步通過DATA來實現(xiàn),它選用單總線的數(shù)據(jù)格式,一次通話時間大約在4ms左右,數(shù)據(jù)包括小數(shù)部分和整數(shù)部分,具體格式會在下文中詳細介紹,如果有擴張的小數(shù)部分，我們讀作零。操作流程如下:一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit,高位先出。數(shù)據(jù)格式:bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗和數(shù)據(jù)傳遞精確時校驗和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”其結(jié)果末8位。當用戶MCU傳送一次開始的信號后,DHT11就會自動從低功耗模式變換成高速模式,然后等待主機開始信號結(jié)束后,DHT11就會傳送響應(yīng)信號,送出40bit的數(shù)據(jù),觸發(fā)信號的采集，用戶可以選擇讀數(shù)據(jù)。在從模式下,當DHT11接收到開始信號就會自動觸發(fā)一次溫濕度收集,當接收到主機發(fā)送開始信號的時候,他就不會主動進行溫濕度的收集.完成收集數(shù)據(jù)后會自動轉(zhuǎn)換到低速模式。1.通訊過程如圖2-1所示：圖2-1通訊過程圖總線空閑時候的狀態(tài)為高電平,主機會把總線降低然后等著DHT11響應(yīng),主機把總線拉低要大于18毫秒,以確保DHT11可以檢測到起始的信號。當DHT11收到主機的開始的信號后,就會等待主機的開始信號結(jié)束,然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號.主機發(fā)送開始信號結(jié)束后,延時等待20-40us后,讀取DHT11的響應(yīng)信號,主機發(fā)送開始信號后,可以切換至輸入模式,或者是輸出高電平,總線由上拉電阻拉高?？偩€如果為低電平,說明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號后,再把總線拉高80us,準備發(fā)送數(shù)據(jù),每一bit數(shù)據(jù)都會以50us低電平時隙開始,高電平的長短定了數(shù)據(jù)位是0還是1.格式如圖2-2所示.收到高電平響應(yīng)信號,則DHT11不會響應(yīng),檢查一下電路連接是否正常.當最后一bit數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，DHT11拉低總線50us,然后總線由上拉電阻拉高轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài)。圖2-20數(shù)字信號表示，如圖2-3所示：圖2-3方法1數(shù)字信號表示。如圖2-4所示：圖2-44.3紅外發(fā)射電路經(jīng)常使用的紅外遙控器的輸出，幾乎全部是由編碼后串行數(shù)據(jù)對38～40kHz的方波進行脈沖幅度調(diào)制而成的。每次按下發(fā)射器，就會發(fā)出遙控碼，不同的按鍵則對應(yīng)不同的遙控碼。遠程控制代碼具有以下特點：

采用脈寬調(diào)制的串行碼：以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms的組合表示二進制的“0”；以脈寬0.565ms、間隔1.685ms、周期為2.25ms的組合表示二進制的“1”。38kHz的載頻對上述“0”和“1”組成的32位二進制碼進行二次調(diào)制，最后由紅外發(fā)射二極管產(chǎn)生紅外線向空間發(fā)射。紅外遙控器編碼的格式為連續(xù)的32位二進制碼組，前16位為用戶識別碼，能區(qū)分不一樣的紅外遙控設(shè)備，防止不同機種之間遙控碼會互相干擾。16到8位的操作碼和8位操作完成后，用于檢查數(shù)據(jù)接收的準確性。根據(jù)紅外編碼格式，需要發(fā)送9ms的起始碼和4.5ms的結(jié)果代碼才能發(fā)送數(shù)據(jù)。遙控串行數(shù)據(jù)編碼波形如圖3-1所示：圖3-1串行數(shù)據(jù)波形編碼紅外發(fā)射電路，通過單片機控制三極管的導(dǎo)通和最終實現(xiàn)紅外發(fā)射管的數(shù)據(jù)傳輸，紅外發(fā)射電路圖如圖3-2所示：圖3-2紅外發(fā)射電路4.4紅外接收電路接收方運用TL0038一體化的紅外線接收器來接收解碼，每次TL0038收到38kHz紅外信號，輸出端就會輸出低電平，否則輸出高電平。因此，紅外信號發(fā)射電路發(fā)射，參照以上遠程串行數(shù)據(jù)編碼波形，在低水平送38KHZ的紅外信號，高電平不發(fā)送紅外信號。紅外接收電路，從外部接收到的信號發(fā)送給接受管，然后用P口送給單片機，紅外接收電路圖如圖3-3所示：圖3-3第五章軟件設(shè)計5.1主機程序主機程序包括主程序和中斷服務(wù)程序。圖4-1顯示主程序流程，實現(xiàn)了溫濕度數(shù)據(jù)的顯示與接收，并通過LCD液晶顯示屏顯示所測的的溫濕度。圖4-1主機主程序流程圖5.2從機程序從機程序主要是一個主程序。主程序的流程圖如圖4-2所示。目的是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接發(fā)以及溫濕度數(shù)據(jù)的采集。圖4-2從機主程序流程圖YYYYYY總結(jié)通過不懈的努力，終于完成了我的畢業(yè)設(shè)計。在我開始做畢業(yè)設(shè)計之前，我一直片面的覺得畢業(yè)設(shè)計只是對大學(xué)這幾年來所學(xué)的專業(yè)知識的簡單的總結(jié)，但是在實踐的過程中我發(fā)現(xiàn)我錯了，因為畢業(yè)設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的以一種提高。通過畢業(yè)設(shè)計使我明白了我學(xué)到的知識只是知識寶庫中的冰山一角，還有許多要學(xué)習(xí)的地方。原來我總是感覺到已經(jīng)把所有的東西都學(xué)到手了，什么都明白了，有些眼高手低。通過我在畢業(yè)設(shè)計的實踐過程，我懂得了活到老學(xué)到老這句名言的真正意義，學(xué)習(xí)是一個循序漸進的過程，不可能一蹴而就，不管是在以后的工作中