毕业设计(论文)-基于单片机的温湿度检测系统的设计.doc
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1、 目录 摘要: 1 ABSTRACT2 第 1 章 绪 论 .3 1.1 引言 3 1.2国内外测温湿技术及其发展趋势 3 1.2.1 集成温湿度传感器的产品分类及性能特点.4 1.2.2 温湿度测量领域的发展趋势 .5 1.3 单片机 7 1.3.1 单片机的历史.7 1.3.2 单片机的分类 7 1.3.3 单片机的特点和应用 8 1.3.4 单片机应用系统的设计 .10 1.4 单片机应用系统的研制过程 .11 第 2 章 基于单片机的温湿度检测系统的总体设计 13 2.1 课题主要内容 .13 2.2 系统功能 13 2.3 系统总体设计方案 13 第 3 章 系统的硬件设计 .15
2、3.1 系统总体原理框图 .15 3.2 信号输入部分总体设计 .15 3.2.1 集成温度传感器 .15 3.2.2 集成湿度传感器 .17 3.2.3 放大器设计 .18 3.2.4 采样保持电路 .19 3.2.5 ADC0804 20 3.3 单片机的选择23 3.3.1 单片机及其扩展 I/O 的设计 .23 3.3.2 地址锁存器 .24 3.3.3 程序存储器 .24 3.3.4 数据存储器扩展 .25 3.4 模拟信号输出部分设计 .25 3.4.1 信号输出部分总体设计 .25 3.4.2 芯片的选择 .25 3.5 按键电路设计与器件选择27 3.5.1 键盘结构的选择27
3、 3.5.2 键盘与单片机的接口电路设计 .27 3.5.3 按键去抖动的处理 .28 3.6 时钟与复位电路的设计 .29 3.7LED 显示电路设计与器件选择30 2.7.1 显示器及键盘的设计30 3.7.2 LED 显示器的选择31 3.7.3 LED 的段驱动芯片的选择32 3.7.4 LED 的位驱动芯片的选择.34 3.7.5 LED 驱动电路与单片机的连接35 3.8 蜂鸣器电路的设计 .35 3.9 抗干扰措施 .36 第 4 章 系统软件设计 .37 4.1 系统软件总体设计 .37 4.2 主程序设计 .37 4.3 数据采集及处理子程序设计 .38 4.4 键盘/显示程
4、序设计 38 4.4.1 键盘/显示方式设置命令字 39 4.4.2 编程时钟命令 .39 4.4.3 读显示 RAM 命令 .39 4.4.4 写显示 RAM 命令 .40 4.4.5 清除命令 .40 4.5 电子时钟应用程序设计 .40 4.5.1 电子时钟系统软件设计方案确定40 4.5.2 内存空间的分配 41 4.5.3 电子时钟应用程序设计 .42 结束语 .49 参考文献 .50 致谢 .52 附录 153 附录 266 基于单片机的温湿检测系统的设计 1 基于单片机的温湿度检测系统的设计基于单片机的温湿度检测系统的设计 摘要:本文主要介绍了温湿度的检测,包括温度传感器、湿度传
5、感器、单片机接口及 其应用软件的设计,大体分为以下几大部分:介绍了国内外温湿度检测技术,并且分 析了温度检测技术的未来发展方向;根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统, 该系统能够实现数据采集、 数据处理、数值的在线显示以及时钟电路的时间显示;简 略介绍了该仪表的软件部分;对该温湿度检测系统的未来发展进行了展望。 温湿度检测是以 8051 单片机系统和温湿度相结合的温度测量系统。本系统的数学 模型合理,测量方法容易实现。实际仪器采用抗干扰、低零漂、低温漂的电子元件, 性能稳定。该测量仪总体特点是使用简便、实用、使用对象广、并且实现了自动化。 关键词:温度测量 湿度测量 数据采集 单片机 基
6、于单片机的温湿检测系统的设计 2 The design of temperature and humidity detection system based on SCM Abstract: In this paper, including temperature and humidity testing, temperature sensors, humidity sensors, microcontroller interfaces and application software design. It can be divided into the following parts: in
7、troduction of temperature and humidity detection technology at home and abroad, and analysis of the future of temperature measurement technologies development.This system be designed according to the actual use of the corresponding microcontroller hardware system that enables data acquisition, data
8、processing, numerical circuit-line display and clock time display; briefly describes the software part of the instrument; the temperature and humidity testing system of the future development prospect. Temperature and humidity detection system is base on 8051 the combination of temperature and humid
9、ity, the temperature measurement system. The system mathematical model is reasonable, easy measurement. The actual instruments used anti-interference, low zero-drift, low temperature drift of electronic components, performance and stability. The general characteristics of measuring instrument is eas
10、y to use, practical, widely used object and automated. Keywords: Temperature Measuremen; Humidity measurement; Data Acquisition; Single-chip Microcomputer 基于单片机的温湿检测系统的设计 3 第 1 章 绪 论 1.1 引言 温湿度测量是现代检测技术的重要组成部分,在保证产品质量、节约能源和安全生 产等方面起着关键的作用。因此,能够确保快速、准确地测量温湿度的技术及其装置普 遍受到各国的重视。近年来,利用智能化数字式温湿度传感器以实现温度信息
11、的在线检 测已成为温湿度测技术的一种发展趋势。本文介绍的温湿度检测系统,以智能化数字式 温湿度传感器与 PIC 微处理器有机结合,构成了一种新型温湿度检测系统。该系统具有 性能可靠、测温准确、结构简单、造价低廉等特点,并兼具线路简捷、使用灵活、抗干 扰性好、可移植性强等优点,可在工程实际中得到广泛应用。 随着电子技术的发展,将组成CPU的部件集成在一块半导体芯片上,这个具有 CPU功能的大规模集成电路芯片就称之为微处理器(MPU) 。微处理器的出现,推动了 微型计算机的发展,同时也引起了电子设计技术领域的探到变革电子技术专业人 员,使之可以把微处理器部件像其他集成电路一样嵌入到电子系统中,使电
12、子系统 具有可编程序的智能化特点,开辟了计算机技术在电子技术领域应用的广阔大地。 将微处理器、存储器、I/O电路集成到一块半导体芯片的技术再次推动了这种嵌 入式技术的发展,单片微型计算机是这种设计技术中的一个典型代表。单片机适用 于测量和控制领域,它以芯片形式嵌人到电子产品或系统中起到“电脑”作用,受 到电子专业技术人员的青睐。单片机以其体积小、可靠性高、功能的专门化为特点。 沿着与适用微处理器不同的方向发展。它的出现和发展,标志着单片嵌入技术已经 成为电子系统设计的一个重要发展方向。 本课题主要为采用单片机实现数据采集与温湿度检测的制作。突出民用产品的 低成本多动能的特点。按照选题要求应实现
13、温湿度的测量,并且能够实现数字钟和 测量部分的通过键盘进行控制。 1.2国内外测温湿技术及其发展趋势 在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门,经常需要对环境温度与 湿度进行测量及控制。准确测量温湿度对于生物制药、食品加工、造纸等行业更是至 关重要的。相比之下,测量湿度要比测量温度更复杂,这是因为温度是个独立的被测 量,而湿度却受大气压强和温度的影响。目前,温湿度测量领域的新技术不断涌现, 新产品也层出不穷。主要表现在以下两方面:(1)温湿度传感器正从分立元件向集成 基于单片机的温湿检测系统的设计 4 化、智能化、系统化的方向迅速发展,为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件; (2)
14、在温湿度测量系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等项新 技术。 1.2.1 集成温湿度传感器的产品分类及性能特点 (1) 集成温度传感器 集成温度传感器主要包括模拟集成温度传感器、智能温度传感器(亦称数字温度 传感器)两大类。模拟集成温度传感器是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温 度测量及模拟信号输出功能的专用 IC。模拟集成温度传感器的特点是功能单一(仅测 量温度) 、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等优点, 适合远距离测温、控温,不需要进行非线性校准。外围电路简单。其典型产品有 AD590、AD592、TMP17、LM135 等。 智能温度传感
15、器是在 20 世纪 90 年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术 和自动测试技术(ATE)的结晶。目前,国际上已开发出多种智能温度传感器系列产 品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、AD 转换器、信号处理器、存储器(或 寄存器)和接口电路。有的产品还带多路转换器器(MUX) 、中央控制器(CPU) 、随 机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM) 。智能温度传感器的特点是能输出温度 数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU) ;并且它是在硬件的基础上通过 软件来实现测试功能的,其智能化程度也取决于软件的开发水平。典型产品有 DS18B20、MAX6654、LM76 等。 (2)
16、集成湿度传感器 集成湿度传感器主要有以下 3 种: 电压输出式集成湿度传感器 其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。典型产品有美国霍尼韦尔 (Honeywell)公司生产的 HIH3605/3610、HM1500/1520。 频率输出式集成湿度传感器 频率输出式集成湿度传感器在 55RH 时的输出频率为 8750Hz(典型值) ,当相 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。典型产品有美 国 Hum
17、irel 公司生产的 HF3223。 频率温度输出式集成湿度传感器 基于单片机的温湿检测系统的设计 5 它除电压输出端以外,还增加了温度信号输出端,通常以负温度系数(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。典型产品为 HTF3223 型。 (3 )单片智能化湿度温湿度传感系统 最近,瑞士 Sensiron 公司在世界上率先研制成功 SHT11、SHT15 型智能化湿度 温度传感器。其外形尺寸仅为 7.6(mm)5(mm)2.5(mm),体积与火柴头相近。出厂前, 每只传感器都在湿度室中做过精密校准,校准系数被
18、编成相应的程序存入校准存储器 中,在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对湿度,还能 测量温度和露点。 1.2.2 温湿度测量领域的发展趋势 (1 )广泛采用新技术、新工艺 随着科技 的 进步,许多新技术和新工艺被应用到温湿度测量领域中。例如, 瑞士 Sensiron 公司采用 CMOSens(Ce-mo-Sens)专利技术为高精度温湿度传感器系 统设置精度。其特征是将半导体芯片(CMOS)与传感器技术融合,为开发高集成度、 智能化、高精度、高可靠性的湿度温度检测系统提供了解决方案。该项技术亦称 “Sensmitter”,它代表传感器(sensor)与变送器(transmi
19、tter)的有机结合。尽管 SHT11/15 属于传感器范畴,但具有创新性的 CMOSens技术使之兼有变送器的功能, 便于实现系统集成。 Honeywell 公司生产的 HIH3610 型湿度传感器,能在高温,有化学液体或气 体的环境下正常工作,例如可以测量含有氨、苯、甲醛等有害气体的鸡棚或猪舍中的 相对湿度。即使在饱和状态下,传感器也很容易从短期凝结中恢复过来。HIH3610 芯片上有一层起保护作用的亚硝酸盐钝化层,在安装过程中不易损坏。 (2 )提高测量精度和分辨力 目前,国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器,所用的是 912 位 AD 转换器,分辨力一般可达 0.50.0
20、625。由美国 DALLAS 半导体公司 新研制的 DS1624 型高分辨力智能温度传感器,能输出 13 位二进制数据,其分辨力高 达 0.03125,测温精度为0.2。我国台湾省豪尔泰克(HOLTEK)公司推出的 HT7500 型医用数字体温计集成电路,测温精度高达0.1(或0.2) ,这是其他温度 计(包括精密水银温度计和数字温度计)所难以达到的技术指标。 SHT11/15 型智能化湿度温度传感器系统测量相对湿度的范围是 0100,分辨 力达 0.03RH,最高精度为2RH。测量温度的范围是40123.8,分辨力 基于单片机的温湿检测系统的设计 6 为 0.1。测量露点的精度1。在测量湿度
21、、温度时 A/D 转换器的位数分别可达 12 位、14 位。利用降低分辨力的方法可以提高测量速率,减小芯片的功耗。SHT11/15 的产品互换性好,响应速度快,抗干扰能力强,不需要外部元件,适配各种单片机, 可广泛用于医疗设备及温度湿度调节系统中。 (3) 增加测试功能 新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如,DS1629 型单线智能温度 传感器增加了实时日历时钟(RTC) ,使其功能更加完善。DS1624 还增加了存储功能, 利用芯片内部 256 字节的 E2PROM 存储器,可存储用户的短信息。另外,智能温度传 感器正从单通道向多通道的方向发展,这就为研制和开发多路温度测控系统创造
22、了良 好条件。 在 HIH3602C 型集成湿度传感器内部还增加了 1000 的铂热电阻,可构成湿 度温度测量仪。 (4) 非线性和温度补偿及自动校准技术 测量湿度时必须对湿度传感器进行非线性补偿和温度补偿。新型智能温湿度传感 器可实现自动补偿。以 SHT11/15 为例,其输出的相对湿度读数值(N)与被测相对湿 度(RH)呈非线性关系。当环境温度 TA25时,利用下式可补偿非线性: RH(C1C2NC3N 2)(40.0405N2.8106N 2 ) (1) 举例说明:将 N1000 代入(1)式中计算出补偿后的相对湿度 RH33.7。 当 TA25时,还需要对相对湿度传感器进行温度补偿,补
23、偿公式为 RHTRH(T25) (0.010.00008N) (2) 举例说明,假如实际温度 T30,利用式(2)不难算出 RHT33.70.4534.15,这就是对相对湿度进行温度补偿后的最终结果。 在 SHT11/15 出厂前,每只传感器都在湿度室中做过精密校准,校准系数被编成相 应的程序存入校准存储器中,在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。 在使用湿敏电阻测量线对湿度时,可利用对数放大器对湿敏电阻的指数特性曲线进 行线性化,使之近似于线性关系。 温湿检测系统在工业生产中应用越来越来广泛。具有广阔的发展前景,其市场 需求日益增加,具体在以下几个方面: (1) 粮食储备仓库及蔬果、蛋肉存储
24、仓库的温度、湿度控制 (2) 温室种植、各种禽兽养殖场的温度、湿度控制 (3) 厂房环境温度、湿度的控制 (4) 实验室环境的温度、湿度控制 基于单片机的温湿检测系统的设计 7 (5) 电力系统的温度、湿度控制 1.3 单片机1 单片机是微机发展的一个分支,是为了适应控制系统微型化、集成化的需要而生产 和发展起来的。严格的说,对单片机目前还没有严格确切的定义。 1.3.1 单片机的历史 如果将 8 位单片机的推出作为起点,那么单片机的发展历史大致可分为以下几个 阶段 (1)第一阶段(1976-1978):单片机的控索阶段。以 Intel 公司的 MCS-48 为代 表。MCS-48 的推出是在
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