基于.单片机温湿度监测系统设计.doc

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1、基于单片机机房温湿度 监测系统设计学院（系）： 自动化学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 年 月 号学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行

2、检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于 1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日(注：此页内容装订在论文扉页)摘要随着科技的进步，新的通信仪器也不断被发明出来，为了使通信仪器始终工作在最佳状态并且达到最长使用寿命，对通信机房的环境要求也越来越苛刻。温湿度控制系统的功能是对机房内空气的温度、湿度、洁净度、空气流速等参数进行调节以满足人体舒适和通信机房机器工作的要求。本文设计了一种基于 AT89C51 的温湿度的控制系统，系统以单片机为主，将温湿度传感器、通信接口等器件联系起来

3、，对数据进行处理转换。通过温湿度控制技术将温湿度控制在一定范围内，并且尽量提高温度控制的精确度。系统利用空调和风机的协调控制进行温湿度改变，同时通过风机充分利用室外的温湿度来保持室内的温湿度，可以避免单独用空调的不断电控制时造成的电能浪费，从而达到节能的目的。本系统采用可靠性好，温湿度测量精确度高的 SHT11 温湿度传感器以达到更高的控制精度。本设计控制方法简单，通过简单的人机交互将需要的温度范围设定好，然后通过对机房温湿度的实时监测将温湿度反馈，在不满足温度设定时，系统发出警报通知工作人员打开空调工作。在湿度控制方面原理也类似，通过键盘设定湿度，然后当湿度不满足时，系统发出警报通知工作人员

4、采取相应措施使湿度达到设定湿度范围。本设计人机交互简单，只需按键盘的上下键即可进行温度的设定，具有很好的实用推广作用。关键词关键词：单片机；温湿度监测；温湿度控制AbstractWith the advancement of technology， new communication equipment has also been devised， in order to make the communication equipment is always working in the best condition and achieve the longest service life of

5、 the communications room environmental requirements have become more demanding. Temperature and humidity control system functions is the engine room air temperature， humidity， cleanliness， air velocity and other parameters adjusted to meet human comfort and telecommunications room machine work requi

6、rements.This article is designed based on AT89C51 temperature and humidity control system， a microcontroller-based system will be temperature and humidity sensors， communication interfaces and other devices linked to the data processing conversion. Temperature and humidity control by the temperature

7、 and humidity control in a certain range， and to maximize the accuracy of the temperature control. The use of air conditioning and fan systems coordinated control temperature and humidity changes， through full use of the outdoor fan to keep the temperature and humidity indoor temperature and humidit

8、y， air conditioning alone can avoid the constant power control energy waste caused， so as to achieve energy-saving purposes. The system uses a high reliability， high accuracy measurement of temperature and humidity SHT11 temperature and humidity sensors to achieve higher control precision.The design

9、 of the control method is simple， through simple interactive set the desired temperature， and then through the room temperature and humidity of the real-time monitoring the temperature and humidity feedback， when the temperature setting is not satisfied， sending a signal to the air-conditioning oper

10、ation until reaches the set temperature， time and then send a signal to the air conditioning control terminal， make it stop working in order to achieve the purpose of energy saving. In the humidity control principle is similar， set the humidity through the keyboard， and then when the humidity is not

11、 satisfied， air conditioning and fan work in order to achieve the purpose of humidification or dehumidification， when the humidity reaches the set humidity range， air-conditioning and fan off into energy mode.The design of human-computer interaction is simple， just press the keyboard arrow keys to s

12、et the temperature， has good practical role in the promotion.Keywords：SCM， ；temperature and humidity monitor， ；temperature and humidity control目录摘要 .I Abstract .II 目录 .1 第 1 章 绪论 .11.1 设计背景及意义.11.2 国内外动态及发展前景.1 第 2 章 系统总体设计 .32.1 系统概述.32.2 器件选型.3 2.2.1 单片机选型.3 2.2.2 传感器选型.4 第 3 章 SHT11 传感器.63.1 SHT1

13、1 温湿度传感器的基本原理.63.2 SHT11 温湿度传感器特性.63.3 SHT11 传感器的命令与接口时序.8 第 4 章 系统硬件设计 .104.1 室内温湿度监测电路原理及设计过程.104.2 LCD1602 的优点及硬件连线图.114.3 按键输入的硬件连线图及分析.114.4 系统总体硬件接线图.12 第 5 章 系统软件设计 .135.1 系统主程序设计.135.2 室内温湿度监测模块程序设计.14 第 6 章 仿真结果及分析 .156.1 程序调试.156.2 仿真结果截图.16 第 7 章 结论 .19 附录 .20 参考文献 .33 致谢 .34第 1 章 绪论1.1 设

14、计背景及意义现代通信机房通信设备密集，提高了对通信机房安全性的要求，因此对温度和湿度的控制也更加重视。任何温度和湿度的急剧变化都可能会导致这些通信设备不能正常工作或失效，严重时甚至可能会导致通信系统崩溃。因此，研究可靠的通信机房温度和湿度控制系统，已经迫切成为当前的需要。温度和湿度控制使用人工手段有许多缺点和不足之处，如占用人力资源，控制精确度太低，不能预测温度和湿度的变化趋势等1。综合各种核心通信设备的最佳工作环境，可以设定通信机房的温度范围为 22 至 24摄氏度，相对湿度在 3550之间2。人工加热，加湿，通风和制冷设备的操作控制费时费力，而且精确度不高。基于单片机的通信机房温湿度控制系

15、统，却能够满足通信机房温度和湿度的监测和控制要求。温湿度控制系统的功能是对机房内空气的温度、湿度、洁净度、空气流速等参数进行调节以满足人体舒适和电信机房机器工作的要求。它使得电信机房的仪器能处在最佳工作状态，达到最长的使用寿命3。本设计采用单片机作为核心设备，单片机具有体积小、灵活性强、功能强大等众多优点，越来越广泛地应用于智能仪表、工业控制、日常生活等许多领域。本文的基于单片机的通信机房温湿度控制系统设计主要在于让使用者可以从现场或者远处精确监测并且控制通信机房的温度和湿度4。1.2 国内外动态及发展前景目前先进国家通信机房的自动化水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。其计算机控制

16、系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能够获得较好的操作性能指标。单片微型计算机是随着超大规模集成电路的技术的发展而诞生的。由于它具有体积小，功能强，性价比高等优点，所以广泛应用于通信装置，电子仪表，家用电器，节能装置，军事装置，机器人，工业控制等诸多领域，使产品小型化，智能化，既提高了产品的功能和质量又降低了成本，简化了设计。国内外大部分控制算法都采用 PID 算法及改进的 PID 算法，PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、兼容性好、可靠性高等优点，被广泛应用于通信机房的温湿度控制。当用计算机实现后，数字 PID 控制器更显示出参数调整灵活、算

17、法变化多样、简单方便的优点。随着生产的发展，对控制的要求也越来越高，随之发展出许多以计算机为基础的新型控制算法，如自适应 PID 控制、模糊 PID 控制、智能 PID 控制等等5。我国目前的温湿度控制总体技术水平处于发达国家 20 世纪 80 年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主，他只能适应一般温度控制，难于高控制精度的温湿度控制。在较高精度控制场合和高智能化控制场合领域内，国内技术还不成熟6。控制算法方面，国内基本上都是采用 PID 算法，或者改进的 PID 算法。很少有采用在书面资料上描述的现代先进算法。因此我国的温湿度控制技术与发达国家还有一定的差距。

18、温控器控制性能方面，国内：0.1控制精度的温控器，现在国内有好几个品牌都能够达到这个标准。但 0.01控制精度就难说了，更高的控制精度就基本上没有了。国外：有好几个品牌能达到 0.01控制精度，有个别品牌能达 0.005控制精度7。检测性能方面，国内温控器的温度漂移基本上都是 0.1以上。国外的有几个品牌温度漂移能保持在 0.03以下。 对于通信机房的温湿度监测系统的发展前景，有人提出了以下几点：（1）监视/控功能系统具有通过遥信、遥测、遥控和遥调，所谓“四遥”功能，对整个系统进行集中监控管理，实现少人值守和无人值守的目标。（2）系统可实时收集各设备的运行参数、工作状态及告警信息。系统能对智能

19、型和非智能型的设备进行监控，准确的实现遥信、遥调、遥控及遥调等四遥功能。即既能真实的监测被监控现场对象设备的各种工作状态、运行参数，又能根据需要远程地对监控现场对象进行方便的控制操作，还能远程的对具有可配置运行参数的现场对象的参数进行修改。 （3）系统设置各级控制操作权限。如果需要并得到相应授权，系统管理人员可以对系统监控对象、人员权限等进行配置；系统值班操作人员可以对有关设备进行遥控或遥调，以便处理相关事件或调整设备工作状态，确保机房设备等在最佳状态下运行8。 （4）告警功能a）无论监控系统控制台处于任何界面，均应及时自动提示告警，显示并打印告警信息。所有告警一律采用可视、可闻声光告警信号。

20、b）不同等级的告警信号应采用不同的显示颜色和告警声响。紧急告警标识为红色标识闪烁，重要告警为粉红色标识闪烁，一般告警为黄色标识闪烁。c）发生告警时，应由维护人员进行告警确认。如果在规定时间内（根据通信线路情况确定）未确认，可根据设定条件自动通过电话或手机等通知相关人员。告警在确认后，声光告警应停止，在发生新告警时，应能再次触发声光告警功能。d）具有多地点、多事件的并发告警功能，无丢失告警信息，告警准确率为 100%。e）系统能对不需要做出反应的告警进行屏蔽、过滤。f）系统能根据需要对各种历史告警的信息进行查询、统计和打印。各种告警信息不能在任何地方进行更改。g）系统除对被监控对象具有告警功能外

21、，还能进行自诊断（例如，系统掉电、通讯线路中断等） ，能直观地显示故障内容，从而系统稳定具有稳定自保护能力9。第 2 章 系统总体设计2.1 系统概述此机房温湿度控制系统以单片机为主，将温湿度传感器、通信接口等器件联系起来，对数据进行处理转换。通过温湿度控制技术将温湿度控制在一定范围内，并且尽量提高温度控制的精确度。该系统的工作流程：传感器感应机房内温湿度，将温湿度信息转化成数字信息，通过 I2C 总线与单片机通信，传输给单片机存储起来，并将此信息与键盘输入的温湿度阈值作比较。若温湿度在设定阈值内，则表示此时机房温湿度正常；若温湿度不在设定阈值内，则表示此时机房温湿度不正常，单片机控制报警器发

22、出警报，工作人员听到警报采取相应措施调节机房内温湿度。使机房内温湿度达到设定范围内，警报消除。同时，单片机将温湿度信息送至液晶显示器实时显示，便于工作人员记录观察。AT89C51 单片机机房内温湿度SHT11 传感器键盘输入报警器液晶显示图 2.1 系统总体设计框图2.2 器件选型2.2.1 单片机选型单片机的的选型是一件重要而费心的事情，如果单片机型号选择得合适，单片机应用系统就会经济可靠；如果选择得不合适，就会造成经济浪费，影响单片机应用系统的正常运行，甚至根本就达不到预先设计的功能。对于一个已经设计好的单片机应用系统来说，它的技术要求和系统功能都应当十分明确。如果选择功能过于少的单片机，

23、这个单片机应用系统就无法完成控制任务；但是如果选择的单片机功能过于强大，这不但没有必要，还会造成资源浪费，增加实用成本10。本设计对单片机的要求很高，于是选择了性能卓越的 AT89C51 单片机。AT89C51 是51 系列单片机的一个型号，它是 ATMEL 公司生产的。AT89C51 是一个低电压，高性能CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单

24、元，功能强大的 AT89C51 单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合11。AT89C51 有 40个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C51 可以按照常规方法进行编程，但不可以在线编程（S 系列的才支持在线编程） 。其将通用的微处理器和 Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本12。 AT89C51 为 40 脚双列直插封装的 8 位通用微处理器，采用工业标准的 C51 内核。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和 XTAL

25、2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接 12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V 电源的正负端。P0P3 为可编程通用 I/O 脚，其功能用途由软件定义13。图 2.2 AT89C51 单片机2.2.2 传感器选型现在国内外主要使用的温湿度传感器有 DHT90，SHT7x 系列，SHT1x 系列，THTK-01等。DHT90 和 THTK-01 在温湿度测量精确度上有所不足，而本设计对通信机房的温湿度监测精确度要求很高，因此排除。SHT7x 系列是立式插针型温湿度传感器，SHT1x 系

26、列是贴片型温湿度传感器，在实用方面，贴片型传感器安装简便而且价格相对较低，故选择 SHT1x 系列传感器14。本设计系统温湿度传感器采用的瑞士生产的 SHT11 单片集成传感器。SHT11 的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差15。CMOSensTM 技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模数转

27、换器、校准数据存储器、标准 I2C 总线等电路全部集成在一个芯片内。SHT11 的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。SHT11 传感器的校准系数预先存在 OTP 内存中。经校准的相对湿度和温度传感器与一个 14 位的 A/D 转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线 I2C 总线器件，从而将数字信号转换为符合 I2C 总线协议的串行数字信号16。第 3 章 SHT11 传感器3.1 SHT11 温湿度传感器的基本原理SHT11 的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自

28、外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模数转换器、校准数据存储器、标准总线等电路全部集成在一个芯片内。SHT11 传感器的内部结构框图如图 3.1 所示17。图 3.1 SHT11 内部结构图SHT11 的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。SHT11 传感器的校准系数预先存在内存中。经校准的相对湿度和温度传感器与一个位的转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线总线器件，从而将数字信号转换为符合总

29、线协议的串行数字信号18。由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其它类型的湿度传感器优越得多的性能。首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程度。其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只湿度传感器都具有相同的功能，即具有的互换性。最后，传感器可直接通过总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。3.2 SHT11 温湿度传感器特性（）湿度值输出 可通过总线直接输出数字量湿度值，其相对湿度数字输出特性曲线如图 3.2 所示。 图 3.2 湿度特性

30、曲线由图可看出，的输出特性呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性，可按如下公式修正湿度值：式中，为传感器相对湿度测量值，系数取值如下：位：，位：，（）温度值输出由于温度传感器的线性非常好，故可用下列公式将温度数字输出转换成实际温度值：当电源电压为，且温度传感器的分辨率为位时，当温度传感器的分辨率为位时，。（）露点计算空气的露点值可根据相对湿度和温度值来得出，具体的计算公式如下：（）（）（）（） 3.3 SHT11 传感器的命令与接口时序 传感器共有条用户命令，具体命令格式见表所列。下面介绍一下具 体的命令顺序及命令时序。表 3.1 SHT11 传感器命令列表命 令编 码说 明测量温度000

31、11温度测量测量湿度00101湿度测量读寄存器状态00111“读”状态寄存器写寄存器状态00110“写”状态寄存器软启动11110重启芯片，清除状态记录器的错 误记录 11 毫秒后进入下一个命令（1）传输开始 初始化传输时，应首先发出“传输开始”命令，该命令可在为高时使由高电平变为低电平，并在下一个为高时将升高。接下来的命令顺序包含三个地址位（目前只支持“”）和个命令位，当脚的位处于低电位时，表示正确收到命令。 （2）连接复位顺序 如果与传感器的通讯中断，下列信号顺序会使串口复位：即当线处 于高电平时，触发 次以上（含次），此后应接着发一个“传输开始”命令。表 3.2位类型说 明缺 省7保留0

32、6读工检限（低电压检 查）X5保留04保留03只用于试验，不可 以使用02读/写加热0关1读/写不从 OTP 重下载0重下载0读/写1=8 位相对湿度， 12 位温度分辨率。 0=12 位相对湿度， 14 位湿度分辨率012 位相 对湿度，14 位湿度（）温湿度测量时序当发出了温（湿）度测量命令后，控制器就要等到测量完成。使用位的分辨率测量分别需要大约的时间。为表明测量完成，会使数据线为低，此时控制器必须重新启动，然后传送两字节的测量数据与字节校验和。控制器必须通过使为低来确认每一个字节，所有的量均从右算，列于第一位。通讯在确认数据位后停止。如果没有用校验和，则控制器就会在测量数据后保持为高来

33、停止通讯，在测量和通讯完成后会自动返回睡眠模式。需要注意的是：为使的温升低于此时的工作频率不能大于标定值的（如：位精确度时，每秒最多进行次测量）。第 4 章 系统硬件设计4.1 室内温湿度监测电路原理及设计过程可选的温度和湿度传感器 SHT11 瑞士生产的单片集成的传感器，全量程标定，两线数字输出，湿度测量范围为 0100RH，温度范围为-40+123.8 ，湿度测量精度为 3.0RH，温度测量精度为 0.4，响应时间小于 4ms，低功耗（30LW），可以完全被海水淹没。它是一种同时测量温度和湿度传感器，可以直接输出，无需外部元件，包括一个相对湿度传感器，温度传感器，放大器，14 位 A/ D

34、 转换器，校准存储器，随机存取存储器，状态寄存器，循环冗余校验码寄存器，两线串行接口，一个控制单元，一个加热器和一个低电压检测电路。 SHT11 数字温湿度一体传感器芯片采用 CMOS 工艺专利的微机械加工技术（CMOSens 科技），以确保产品的高可靠性和优异的长期稳定性。SHT11与单片机的连接电路如图 3-1 所示。图 4.1 单片机与温湿度传感器的接口电路SHT11 的供电电压为 2.45.5V。串行时钟输入（SCK）是用于同步与微处理器之间的通信，串行数据终端（DATA）是用来读取数据。数据下降沿 SCK 时钟状态发生变化，并且仅仅是在 SCK 时钟的上升沿有效。4.2 LCD160

35、2 的优点及硬件连线图液晶显示器因为它的体积小，显示内容丰富，超薄轻巧等优点，它在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的应用，现在很多产品它都是用液晶显示器。我们见到的很多液晶显示器它显示的内容却不同，有字符型液晶，图形液晶的，又根据显示容量可以分为单行 16 字，二行 16 字的等等。每一类的液晶模块它的使用方法都是通用的。下面介绍 16字 x2 行的字符型液晶模块的优点。这类模块相比之下，它有的优点是：位数多，可以显示 32 位，32 个数码管体积相当庞大。显示内容丰富，可显示所有数字和大、小写字母。程序简单，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而 1602 自动完成此功能。1602

36、 液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了不同的点阵字符图形，这些字符有，阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号等，每一个字符都有一个固定的代码，其中数字与字母同 ASCII 码兼容。1602 连线图如下：图 4.2 LCD1602 接线图4.3 按键输入的硬件连线图及分析本设计人机交互简单，由于单片机引脚资源足够，设计了 4 个键位来选定温湿度的最小值和最大值，再用两个键来控制增减。使用者可以通过这 6 个键位轻松设定通信机房内的温湿度范围。键盘输入连线图如图，P3.0-P3.5 引脚为高，若有键按下，对应的引脚电平将拉低。图 4.3 键盘输入接线图4.4系统总体硬件接线图图

37、4.4 系统总体硬件接线图第 5 章 系统软件设计5.1 系统主程序设计该系统的核心是 AT89C51，其监测程序和应用软件全部在 EPROM 内进行。他的工作过程是：当系统上电后，进入监控状态的 AT89C51 单片机，同时完成为每个端口的初始化，按下一个按钮时，应用程序会产生相应动作，改变温湿度的设定范围。当没有外部的控制输入端的信息时，系统将自动收集的温度和湿度传感器的电压值，在 LCD 显示屏上的最终数据。主程序流程图如图 5.1 所示：按 键 处 理初始化各端口初始化温湿度传感器温湿度值是否符 合正常值？发出警报通 知工作人员查询键盘，是否 有键按下？显示开始调用湿度检测电路 测量温

38、湿度值YYN图 5.1 主程序流程图5.2 室内温湿度监测模块程序设计温湿度利用 SHT11 温湿度传感器测量温度。温湿度监测程序流程图如图 5.2 所示：开始SHT11 初始化读取温湿度值结束计算温湿度值图 5.2 温湿度监测流程图第 6 章 仿真结果及分析6.1 程序调试整个软件通过 C 语言编程，先在 Keil C51 集成开发环境下将编好的程序进行编译、调试，调试通过后会生成.HEX 文件。具体过程如下：新建一个项目文件，然后新建一个 C 语言程序，并把新建的 C 语言程序加到项目中，然后编译项目。(编译的目的就是把我们能看懂的程序设计语言转化为上面的机器语言，即.hex 文件)。第一步：建立您的第一个 C 项目：（1）点击 Project 菜单，选择弹出的下拉式菜单中的 New Project，如图 6.1图 6.1 keil 编程图项目名称，这里我们用“test“， “保存“后的文件扩展名为.uv2，这是 LuVision2 项目文件扩展名，以后我们可以直接点击此文件以打开此项目(你安装的软件是 KEIL UV3，可能与