基于单片机的温湿度检测系统硬件毕业设计

基于单片机的温湿度检测系统硬件毕业设计内容摘要：

本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用 MCU 的 I/O 引脚数情况如何，因为 MCU 的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约；与 MCU 的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。 目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有 Philips 公司的 I2C 总线 、 Motorola公司的 SPI总线 、 National Semiconductor 公司的 Microwireplus 总线 、 Dallas Semiconductor 公司的 1Wire 总线和 Siemens 公司的 Profibus 总线等。 常用的数字温度传感器主要有： （ 1） AD7418 是 美国模拟器件公司（ ADI）推出的单片温度测量与控制用集成电其内部包含有带隙温度传感器和 10 位 A/D 转换器。 测温范围为 55℃ ~+125℃ ，具有 10 位数字输出温度值，分辨率为 ℃ ，精度为 177。 2 ℃ ，转换时间为 15~30ms。 具有体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境 干 扰等优点。 AD7418 可以级联至多 8基于单片机的温湿度检测系统硬件设计 7 片在同一个 I2C 总线上。 （ 2） LM74 是美国国家 半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、 A/D 数转换器， 并具有 SPI/Microwire 兼容总线接口的数字温度传感器。 具有抗干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。 在传感器通电工作后自动按一定速率对温度进行检测，并在片内寄存器中存储转换的温度值，主机可以在任意时刻读出传感器温度值。 LM74 具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过 10μA,适用于对功率消耗有严格限制的系统。 LM74 的模数转换器为 12 位外加符号位，因此在其有效工作范围内可达 ℃ 的分辨率，转换时间为 425ms。 （ 3） MAX6575L/H 是美国 MAXIM 公司的一种单总线式数字温度传感 器，具有较好的线性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。 测温范围为 40~+125℃ ，其误差范围：在 25℃ 时优于 177。 3 ℃ 在 85℃ 时优于 177。 ℃ ，在 125℃ 时优于 177。 5 ℃。 但是 MAX6575L/H 在其测温范围内非线性误差较大，因此，当它用于高精度温度测量时，必须对其进行非线性补偿。 它最多允许在一根 MCU 的 I/O 总线上同时挂接 8 个MAX6575L/H 进行多点温度测量。 为了避免多个传感器同时测温时有重叠的现象MAX6575 提供了 “ L” 和 “ H” 两种型号的传感器 ,它们的使用方法相同 ,而且每一种型号的传感器 又可以通过时间选择引脚。 但是， MAX6575L 的远距离传输特性并不理想，传输范围只能在 5m以内，超过此范围将采集不到被测温度数据，这也是这种器件的一个弊端。 （ 4） DS18B20 是美国 Dallas 半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的 A/D 转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且 可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。 DS18B20 的测温范围 55~+125℃ ，最高分辨率可达 ℃ ，由于每一个 DS18B20 出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其 ROM中，因此 CPU 可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。 Dallas 公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特点： （ 1） 适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性； （ 2） 性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好； （ 3） 具有 CRC 校验功能，可靠性高； （ 4） 软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。 由于 DS18B20 独特的单总线接口方 式在多点测温时有明显的优势，占 MCU 的 I/O引脚资源少， MCU 的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以，选用 DS18B20作 为温度测量的传感器。 湿度传感器的选用 陕西科技大学毕业论文（设计说明书 ） 8 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了较大的发展。 湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。 选择集成湿度传感器应考虑以下几点：感湿性能好、灵敏度高、响应速度快、测量范围宽，要有较好的一致性、可重复性，线性度要好、湿滞小，较高的稳定性和可靠性，有较强的抗污染能力、使用寿命长。 目前，国外生产集成湿度传感器的主要 厂家及典型产品分别为 Honeywell 公司（ HIH360 HIH360 HIH3610 型）， Humirel 公司 HM1500、 HM15 HF322HTF3223 型）， Sensiron 公司（ SHT1 SHT15 型）。 这些产品可分成以下三种类型： （ 1） 线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有 HIH3605/36 HM1500/1520。 其主要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。 （ 2） 线性频率输出集成湿度传感器 典型产品为 HF3223 型。 它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在 55%RH 时的输出频率为 8750Hz（型值），当上对湿度从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。 （ 3） 频率 /温度输出式集成湿度传感器典型产品为 HTF3223 型。 它除具有 HF3223 的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（ 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。 常用的集成湿度传感器主要有： （ 1） HIH3610 是美国 Honeywell 公司生产的具有信号处理功能的热固聚酯电容式相对湿度传感器，线性放大输出、工厂标定，独特的多层结构能非常好地抵抗环境的侵蚀，诸如湿气、尘埃、脏物、油、及一些化学品。 工作范围：温度 40~+85℃ ，相对湿度 0~100%RH，精度达到 177。 2%RH，激光修正互换性至 5%RH，低功耗驱动电流设计为 200μA，反应时间为 15s，稳定性好、较低的漂移、抗化学腐蚀性能强。 （ 2） HF3223 湿度传感器是法国 Humirel 公司生产的专利的固态聚合物结构相对湿度传感器，具有线性的频率输出，湿度测量范围 10~95%RH，精度 177。 5%RH，湿度迟 177。 %RH，温度工作范围 30~+80℃ ，温度特性好，高可靠性与长时间稳定性，在长时间处于饱和状态后快速脱湿，反应时间 10s，对化学品有较高的抵抗性，浸水没有影响。 （ 3） HM1500 湿度传感器是法国 Humirel 公司采用 Humirel 专利湿敏电容 HS1101 设计制造的相对湿度传感器。 带防护棒式封装， 5VDC 恒压供电， 1~4VDC 放大线性电压输出，便于用户使用。 湿度测试量程为 0~100%RH，精度达 177。 3%RH（ 10~95%RH 范围），防灰尘，可有效抵抗各种腐蚀性气体物质，非常低的温度依赖性，长期稳定性好，反映时间 5s，广泛应用于机房监控，智能楼宇，仓库监控等控制场合，价格实惠，是一款性价比极高的湿度传感器。 基于单片机的温湿度检测系统硬件设计 9 线性电压输出式集成湿度传感器典型产品 HIH3610。 其主要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。 故选用 HIH3610。 显示 模块 的选用 显示有串行和并行两种方式。 并行显示方式占用硬件资源多，八个笔 划段和几个显示驱动控制端都要接到单片机的 I/O 引脚，但显示刷新速度快；串行显示方式占用硬件资源少，仅数据锁存控制端、时钟端、数据端三个端口要接到单片机的 I/O 引脚上，显示刷新速度较并行显示方式慢。 显示单元是人机交互的窗口，是传递仪表工作状态和检测数据的关键性设备，通常的显示器件有液晶显示器（ LCD）和数码管显示器（ LED）。 液晶显示器在使用中有许多注意事项：不能对它长期施加直流电，否则易造成显示器的老化；必须注意防潮；防止施加过大的压力；对于使用的环境温度要特别注意，温度不能太高也不能太低；防止紫外线的 直接照射；要特别注意防静电，焊接显示器时烙铁要接地。 可见液晶显示器在使用中有众多的限制条件，但它同时也有一定的优势，其中最明显的就是低功耗，消耗电流一般是 PA 级的。 数码管显示器不同与液晶显示器，它对电源没有特殊要求，受环境温度的影响不大，不怕阳光的照射，也没有严格的防静电要求，而且它的显示亮度要比液晶显示器亮许多，适于安装在室内、室外、黑暗和光线强的各种环境中，但它的耗电量明显高于液晶显示器。 本系统由于要适合在不同环境条件下使用，所以选用数码管显示器。 综上所述，本设计最终选用的集成温度传感器 DS18B20 是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。 湿度传感器是采用了 HIH3610 相对湿度传感器它 是一种热固聚脂电容式传感器。 采集到的湿度信号 经过555 振荡电路后 ，送至单片机 口 ，实现湿度的显示与控制。 系统组成框图 以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统。 该系统，可分为温度测量电路，湿度测量电路，数据存储及显示电路，语音报警电路，见图 21。 选用的主要器件有 :温度传感器 DS18B20，湿度传感器 HIH3610，单片机 AT89S52， 6 数码管显示模块， MAX232，集成定时器 555 芯片等。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书 ） 10 D S 1 8 2 O 温 度 传 感 器H I H 3 6 1 0 湿 度 传 感 器单 片 机8 9 S 5 2串 行 口 L E D 显 示 报 警 电 路光 电 耦 合 图 21 系统框图 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 DS18B HIH3610 组成； （ 2） 信号分析 单片机 AT89S52基本系统组成； （ 3） 信号显示 由串行口 LED显示器和报警电路组成。 基于单片机的温湿度检测系统硬件设计 11 3 系统的工作原理 传感器的基本特性 在监控系统中有各 种不同的物理量需要监测和控制，这就要求传感器能感受被测非电量并将其转换成与被测量有一定函数关系的电量。 传感器所测量的非电量是处在不断的变化之中，传感器能否 将这些非电量的变化不失真地转换成相应的电量，取决于传感器的输入 —— 输出特性。 传感器这一基本特性可用静态特性和动态特性来描述 [7]。 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。 传感器静态特性的主要技术指标有 :线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 传感器的动态特性 传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间限制。 而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。 动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。 传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如 :最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。 温度传感器 美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 数字温度传感器，可以直接将被测温度转化为串行数字信号供微机处理，通过简单的编程实现 9 位的温度读数。 并且多个 DS18B20可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。 由于每一个 DS18B20 出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用简单的通信协议就可以识别，从而节省大量的引线和逻辑电路。 与其它温度传感器相比， DS18B20 具有以下特性 : （ 1） 独特的单线接口方式， DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。 （ 2） DS18B20 支持多点组网功能，多 个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。 （ 3） DS18B20 在使用中不需要任何外围元件。 （ 4） 温范围 55℃ ~+125℃ ，固有测温分辨率 ℃。 （ 5） 测量结果以 9 位数字量方式串行传送。 陕西科技大学毕业论文（设计说明书 ） 12 DS1820采用 3脚 TO92封装 或 8脚 50封装，管脚排列如图 31所示 ： 图 31 DS18B20的引脚 对图 31中 DS18B20的引脚功能说明如下 ： NC： 空引脚，不连接外部信号。 VDD： 接电源引脚，电源供电 ~。 GND：。