基于单片机的温湿度采集器的设计

基于单片机的温湿度采集器的设计内容摘要：

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。 温度传感器 采用 DS18B20， 温度测量范围从 55℃ ~+125℃， 10~+85℃时测量精度为177。 ℃，测量分辨率为 ℃，电源电压范围从 ~5V。 它支持“一线总线”的数字方式传输，可组建传感器网络。 而且，无需进行线性校正，使用非常方便，接口简单，成本低廉。 与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9~12 位的数字值读数方式，可以分别在 和 750ms 内将温度值转化9 位和 12 位的数字量。 它具有体积小、接口方便、传输距离远等特点，内含寄生电源。 系统有如下特点： (1)不需 要备份电源，可通过信号线供电； (2)送串行数据，不需要外部元件； (3)零功耗等待； (4)系统的抗干扰性好，适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备过程控制、基于单片机的温湿度采集器的设计 10 测温类消费电子产品等。 湿度传感器 采用 CHR01 湿敏电阻。 CHR01 湿敏电阻适用于阻抗型高分子湿度传感器，它的工作电压为交流 1V，频率为 50Hz~2kHz，测量湿度范围为 20%~90%RH，测量精度177。 5%，工作温度范围为 0~+85℃，最高使用温度 120℃，阻抗在 60%RH（ 25℃）时为 30（ 21~） KΩ。 采用 555 时基 或 RC 振荡电路，将湿度传感器等效为阻抗值，测量振荡频率输出，振荡频率在 1k Hz 左右。 控制芯片的介绍与分析 单片机 在多数电子设计当中，基于性价比的考虑， 8 位单片机仍是首选。 目前， 8 位单片机在国内外仍占有重要地位。 在 8 位单片机中又以 MCS－ 51 系列单片机及其兼容机所占的份额最大。 MCS－ 51 的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化，设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型，他们只需将重点放在芯片内部资源的比较上。 使用 MCS－ 51 单片机系列完全可以实现产品要求的指标，电路简单 ，调试容易，所以本设计采用MCS－ 51 单片机。 下面是我所采用的方案。 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的8 位 CPU 和在线系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 基于单片机的温湿度采集器的设计 11 输出显示设备的介绍与分析 电子设计中常用的输出显示设 备有两种：数码管和 LCD。 本设计需要显示温度值和湿度值，还可显示设置温湿度数值报警数值的上下限，显示数字较多，因此我选用 LCD 做输出设备。 液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，用户可以根据自己的需求，显示自己所需要的、甚至是自己动手设计的图案。 当需要显示的数据比较复杂的时候，它的优点就突现出来了，并且当硬件设计完成时，可以通过软件的修改来不断扩展系统显示能力。 外围驱动电路设计比较简单，显示能力的扩展将不会涉及到硬件电路的修改，可扩展性很强。 字符型液晶显示屏已经成为了单片机应用设计中最常用的信息 显示器件之一。 不足之处在于其价格比较昂贵，驱动程序编写比较复杂。 基于单片机的温湿度采集器的设计 12 第 3章 系统整体设计 本方案以 STC89C52 单片机系统为核心来对温度、湿度进行实时控制和巡检。 各检测单元能独立完成各自功能，并根据主控机的指令对温湿度进行实时采集。 主控机负责控制指令的发送，并控制各个检测单元进行温度采集，收集测量数据，同时对测量结果进行整理和显示。 其中包括单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。 图 系统总方框图 本 设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。 (1)信号采集 由温度传感器模块和湿度传感器模块组成； (2)信号分析 由单片机 STC89C52 组成； 设定模块 串口模块 温度传感器模块 湿度传感器模块 单片机 STC89C52 液晶模块 继电器模块 提醒模块 基于单片机的温湿度采集器的设计 13 (3)信号处理 由液晶显示模块、继电器模块和蜂鸣器模块组成。 信号采集 温度传感器 新一代的数字化温度传感器“ DS18B20”体积更小、更经济、更灵活。 DS18B20 内部结构主要由四部分组成： 64 位光刻 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 的管脚排列如下 : DQ 为数字信号输入 /输出端 ； GND 为电源地； VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 64 位 ROM 和单线端口 图 DS18B20 方框图 DS18B20 依靠一个单线端口通讯。 在单线端口条件下，必须先建立 ROM 操作协议，才能进行存储器和控制操作。 因此，控制操作必须首先提供下面 5 个 ROM 操作存储器和控制逻辑 暂存器 8 位CRC 产生器 温度传感器 上 线触发 TH 下线触发 TL 64 位ROM 和单线端口 电源探测 基于单片机的温湿度采集器的设计 14 指令之一： (1)读 ROM,(2)匹配 ROM, (3)搜索 ROM, (4)跳过 ROM, (5)报警搜索。 这些指令操作作用在没有一个器件的 64 位光刻 ROM 序列号，可以在挂在一线上 多个器件选定某一个器件，同时，总线也可以知道总线上挂有有多少，什么样的设备。 若指令成功地使DS18B20 完成温度测量，数据存储在 DS18B20 的存储器。 一个控制功能指挥指示 DS18B20的演出测温。 测量结果将被放置在 DS18B20 内存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。 温度报警触发器 TH 和 TL 都有一字节 EEPROM 的数据。 DS18B20 工作原理 DS18B20的测温原理如图 ，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。 高温度系数 晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器 2 的脉冲输入。 计数器 1 和温度寄存器被预置在 55℃所对应的一个基数值。 计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数当计数器 1的预置值减到 0,如此循环直到计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，其输出用于修 正计数器 1 的预置值。 斜坡累加器 预置 比较 低温度系数振荡器 计数器 预置 =0 温度寄存器 高温度系数振荡器 计数器 =0 基于单片机的温湿度采集器的设计 15 图 原理图 湿度传感器 湿敏元件简介 电阻型湿度传感器可分为两类：电子导电型和离子导电型。 电子导电型湿度传感器，也称为“涨缩型湿度传感器”，它通过将导电体粉末（金属、石 墨等）分散于膨胀性吸湿高分子中制成湿敏膜。 随湿度变化，膜发生膨胀或收缩，从而使导电粉末间距变化，电阻随之改变。 但是这类传感器长期稳定性差，且难以实现规模化生产，所以应用较少。 离子导电型湿度传感器，它是高分子湿敏膜吸湿后，在水分子作用下，离子相互作用减弱，迁移率增加；同时吸附的水分子电离使离子载体增多，膜电导随湿度增加而增加，由电导的变化可测知环境湿度。 本设计选用阻抗型高分子湿度电阻，型号 CHR01。 CHR01 型高分子湿度电阻的工作原理：由于水附在有极性基的高分子膜上，在低湿度下，因吸附量少，不能产生荷 电离子，电阻值较高。 当相对湿度增加时，吸附量也增加，吸附水就成为导电通道，高分子电解质的正负离子主要起到载流子作用，另外，由吸附水自身离解出的质子、水和氢离子也起电荷载流子作用，使高分子湿敏电阻的电阻值下降。 它的工作电压为交流 1V，频率为 50Hz~2kHz，测量湿度范围为 20%~90%RH，测量精度177。 5%，工作温度范围为 0~+85℃，最高使用温度 120℃，阻抗在 60%RH（ 25℃）时为 30（ 21~）kΩ。 3. CHR01 湿敏元件应用电路 在实际工作环境中，温度不是一个恒值，随着环境的变化而变化， 变化的范围很宽。 而湿敏元件受温度的影响不能忽略。 湿敏元件的湿度温度系数就是表示器件的感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。 环境的温度变化越大，由感湿特征量表示的环境相对湿度与实际的相对湿度之间的误差就越大。 另外， 一切电阻式湿度传感器都必须使用交流电源，否则性能会劣化甚至失效。 电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的，在直流电源作用下，正、负离子必然向电源两极运动，产生电解作用，使感湿层变薄甚至被破坏；在交流电源作用下，正负离子往返运动，不会产生电解作用，感湿膜不会被破坏。 交流电基于单片机的温湿度采集器的设计 16 源的频率选择是，在不产生正 、负离子定向积累情况下尽可能低一些。 但加交流电压后会产生一定的热量，所以，交流电压值不能过高，要有一定的限度， 在高频情况下，测试引线的容抗明显下降，会把湿敏电阻短路。 另外，湿敏膜在高频下也会产生集肤效应，阻值发生变化，影响到测湿灵敏度和准确性。 除此之外，响应时间、湿滞回线、湿滞回差等也不容忽略。 响应时间越短，表明湿敏元件的吸湿过程和脱湿过程越快，湿滞回差越小，湿敏元件的性能越好。 故采用振荡电路作为湿敏元件的测试电路。 图 振荡电路原理图 信号分析 单片机专业名称 — Micro Controller Unit(微控制器件 )它是由 INTEL 公司发明的，基于单片机的温湿度采集器的设计 17 最早的系列是 MCS48 后来有了 MCS51 我们经常说的 51 系列单片机就是 MCS51micro controller system，它是一种 8 位的单片机。 在单片机应用系统开发过程中，单片机是整个设计的核心，因此选择合适的单片机型号很重要。 根据实现系统功能需要的单片机硬件资源，在性能指标满足的情况下，该系统的单片机型号选择 8051 系列的 STC89C52 芯片。 本系统中，选择 STC89C52 单片机为该系统的总控芯片， STC89C52 单片机可把由温 度、湿度检测电路检测出的信号数据传输到 LED 显示模块，实现。