摘  要

目  錄

第1章 緒 論

隨著科技的快速發(fā)展，生活檔次在不斷的提高，就不滿足與物質(zhì)上的需求了，而轉(zhuǎn)型開(kāi)始對(duì)于生活品質(zhì)的追求，生活中人體舒適度優(yōu)良便成了幸福指數(shù)之一。而家是人們除工作以外呆的最久的地方，良好的室內(nèi)氣象條件，比如說(shuō)室內(nèi)溫濕度，是能否讓人感到舒適的重要指標(biāo)之一。溫度過(guò)高或者太低、環(huán)境過(guò)于潮濕或者干燥，都會(huì)讓人體感到不適，它間接干擾著人們生活的舒適度與否以及情緒高低。所以就非常需要對(duì)室內(nèi)溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方便更好的調(diào)控。

傳統(tǒng)的室內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)是靠人工手動(dòng)完成，利用水銀溫度計(jì)和濕度計(jì)等老舊測(cè)量?jī)x器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。然而這種方法特別耗費(fèi)人力而且測(cè)量誤差大。同時(shí)這種方式也并不能實(shí)現(xiàn)溫濕度的實(shí)時(shí)測(cè)量。因此大家需要集成性更高，而且精度高，誤差小的檢測(cè)工具來(lái)替代傳統(tǒng)的手工方式。

由于現(xiàn)代電子技術(shù)的快速發(fā)展、新材料也與日懼新，由于人們開(kāi)始追求數(shù)據(jù)信號(hào)采集的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，因此傳感器和單片機(jī)這幾種材料在新時(shí)代的需求下凸顯出來(lái)。人們把單片機(jī)，溫濕度傳感器，顯示器整合在一起，外加必要的輔助電路組成一個(gè)全新的溫濕度檢測(cè)裝置。因?yàn)閱纹瑱C(jī)在系統(tǒng)控制方面有很高的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性，在如今的生活生產(chǎn)里面應(yīng)用范圍十分寬廣，所以它的作用特別大，在本次課題設(shè)計(jì)中結(jié)合單片機(jī)和傳感器的應(yīng)用，也是對(duì)家庭溫濕度檢測(cè)裝置開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)改革性的顛覆。它有效的達(dá)到了人們追求的可靠性，精準(zhǔn)性，時(shí)效性和便捷性。

本次的課題設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)基于51單片機(jī)的家庭溫濕度檢測(cè)裝置。要求該裝置集成性高，操作簡(jiǎn)單方便，檢測(cè)準(zhǔn)確高效，并且方便普通人知曉當(dāng)下的室內(nèi)溫濕度。同時(shí)要求該裝置有人工設(shè)定功能，能夠自由設(shè)定溫濕度的上下限范圍，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境溫濕度超過(guò)檢測(cè)范圍即能實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，給人們及時(shí)的預(yù)防和調(diào)節(jié)。因此要先基于單片機(jī)制定課程方案，再配合溫濕度檢測(cè)傳感器、LED顯示屏、蜂鳴報(bào)警器外加必要的輔助電路，最后編寫(xiě)程序?qū)�入單片機(jī)作出實(shí)物。要求是給實(shí)體檢測(cè)裝置通電，就可以對(duì)室內(nèi)的溫濕度進(jìn)行檢測(cè)。

本次設(shè)計(jì)的硬件模塊主要有四個(gè)主要部分。它們分別是單片機(jī)，主要是用來(lái)負(fù)責(zé)信號(hào)分析處理的主控模塊。然后是傳感器，主要是用來(lái)對(duì)室內(nèi)溫濕度進(jìn)行環(huán)境信號(hào)的采集。還有顯示器模塊，主要是環(huán)境數(shù)據(jù)的顯示以便給人們一個(gè)更加直觀的察覺(jué)。最后是蜂鳴報(bào)警裝置，該裝置主要是用來(lái)鳴醒提示當(dāng)下的溫濕度是否超常。因此該可以設(shè)計(jì)的主要原理是：首先肯定是傳感器感應(yīng)然后采集到室內(nèi)的溫度和濕度，然后把采集信號(hào)發(fā)發(fā)送至單片機(jī)控制中心來(lái)分析處理，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)信號(hào)由發(fā)送到顯示屏顯示。同時(shí)會(huì)在該裝置接入一個(gè)外聯(lián)報(bào)警裝置，人工設(shè)定室內(nèi)溫濕度上下限，實(shí)現(xiàn)溫濕度超常報(bào)警的功能，值得注意的是噶裝置需要設(shè)計(jì)兩種報(bào)警方式，溫濕度無(wú)論哪一種超過(guò)上限會(huì)報(bào)警，低于下限也會(huì)報(bào)警。本次課題的研究區(qū)域清楚明朗，各個(gè)部分之間的鏈接也是相對(duì)比較簡(jiǎn)單。總而言之，本次設(shè)計(jì)的主要核心在于能有有效的，準(zhǔn)確的，便捷的實(shí)現(xiàn)室內(nèi)當(dāng)下的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，倘若室內(nèi)的溫濕度超標(biāo)，則報(bào)警器會(huì)發(fā)出報(bào)警提示，來(lái)警示人們需要調(diào)節(jié)控制溫度。

第2章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

由之前的課題研究主要內(nèi)容已經(jīng)知曉這一次的課題研究主體為單片機(jī)。它首先通過(guò)調(diào)控溫濕度傳感器部分來(lái)對(duì)溫濕度進(jìn)行環(huán)境信號(hào)采集處理，接著再把分析此處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)化成為數(shù)據(jù)移交給顯示屏，從而可以直觀看到當(dāng)前環(huán)境下的溫濕度數(shù)據(jù)。同時(shí)如果測(cè)量數(shù)據(jù)超過(guò)了給定的上下限蜂鳴器則會(huì)提示報(bào)警。本次研究的課題中，為了讓整個(gè)裝置核簡(jiǎn)潔明了，節(jié)約成本并且實(shí)用。所以核心控制部分采用STC89C52單片機(jī)，它工作條件范圍廣，同時(shí)運(yùn)行分析數(shù)據(jù)速度也很快。同時(shí)遵循著簡(jiǎn)潔明了的原理，溫濕度傳感器使用DHT11，它集合了溫濕度同時(shí)采集的功能，避免了繁瑣的溫濕度單獨(dú)采集，同時(shí)它自身也有很好的數(shù)模轉(zhuǎn)化功能，它的連接方式也較為簡(jiǎn)單，只需要把它直接與單片機(jī)相對(duì)應(yīng)的引腳相連即可。顯示屏部分也是如此，選用顯示器1602，它可以直接與單片機(jī)引腳連接，因?yàn)樗�的引腳是插針式的。無(wú)形中便簡(jiǎn)化了很多繁瑣的步驟，例如不需要人工手動(dòng)焊接。實(shí)物制作部分連接板采用的是市場(chǎng)上常見(jiàn)的萬(wàn)用樹(shù)脂板，因此只需將LCD1602顯示器和傳感器連在單片機(jī)上即可。如此方便的插拔式部件思維硬件方便實(shí)用，假如部分的零部件損壞，比如說(shuō)，傳感器失靈，顯示屏損壞，不需要更換裝置，只需要把部分損壞部件更換即可。這樣的設(shè)計(jì)靈活巧便。無(wú)形中延長(zhǎng)了裝置的使用壽命。非常合理的利用資源節(jié)約成本，也遵循了當(dāng)代社會(huì)下的生產(chǎn)工藝要求。本文的主要部分是對(duì)該裝置的硬件部分選用原則進(jìn)行說(shuō)明論證，同時(shí)為了更方便大家的理解，論文后面對(duì)分對(duì)程序和燒錄進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。

方案一：選擇AT89C51。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器。它具有很多良好的特征，可以反復(fù)擦寫(xiě)數(shù)據(jù)循環(huán)1000次，而且儲(chǔ)存數(shù)據(jù)可以保留10年，三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定很好的保護(hù)了數(shù)據(jù)的保密性 ，還具有28×8位內(nèi)部RAM，32可編程I/O線，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式等功能，是大學(xué)期間實(shí)驗(yàn)常用的單片機(jī)類型   

方案二：選擇STC89C52。這個(gè)單片機(jī)包含了上述AT系列單片機(jī)的所有基礎(chǔ)性能，并且在現(xiàn)有性能上有所提升，因此也有了一些不同。首先第一個(gè)不同之處是AT89C51不能夠使用ISP燒錄程序，但STC89C52可以用USB轉(zhuǎn)串口下載程序，方便使用。第二個(gè)不同之處在于STC89C52與AT89C51工作對(duì)現(xiàn)有環(huán)境要求不同，當(dāng)電壓低于5V時(shí)STC89C52可以正常使用，而AT89C51不能正常運(yùn)行。

    因此 比較以上那個(gè)兩種單片機(jī)，不難發(fā)現(xiàn)。就性能要求而言，任何一個(gè)單片機(jī)的性能都滿足本設(shè)計(jì)的需求，但是就實(shí)驗(yàn)的方便性，節(jié)約性以及簡(jiǎn)潔性而言，學(xué)校學(xué)習(xí)單片機(jī)課程期間多數(shù)用的是STC系列單片機(jī)，因此本次課程設(shè)計(jì)我選用STC89C52。

方案一：使用溫濕度獨(dú)立測(cè)量方式。

溫度檢測(cè)部分采用DS18B20傳感器。濕度檢測(cè)部分采用HS1100傳感器。DS18B20為數(shù)字式傳感器，使用環(huán)境介于-55度和125之間，誤差在-0.5攝氏度或+0.5度。而濕度傳感器HS1100的使用環(huán)境介于-60度和140度之間，濕度范圍0到100 %RH

方案二： 使用DHT11溫濕度一體式傳感器

DHT11內(nèi)部自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換，收集到外界信號(hào)后首先會(huì)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，然后把信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，而且這個(gè)傳感器結(jié)合了溫濕度檢測(cè)于一體，很符合實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)潔性。DHT11中的NTC測(cè)溫零件是用來(lái)檢測(cè)溫度的。電阻式感濕零件用來(lái)檢測(cè)濕度。而且這個(gè)傳感器反應(yīng)快，精確度非常好。

因此，比較上述兩個(gè)方案，方案一中單獨(dú)測(cè)量精度更好，但是會(huì)增加設(shè)計(jì)成品的體型體積，不符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便性原則。上述兩種方案中的傳感器精度均滿足本次試驗(yàn)需求，因此，性價(jià)比高，設(shè)計(jì)精巧，簡(jiǎn)潔會(huì)更好，所以本設(shè)計(jì)使用方案二。

方案一：應(yīng)用液晶顯示屏LCD1602。它能夠顯示2行16列32個(gè)字符。它組成于一些5x7或5x11的點(diǎn)陣字符位，每個(gè)位點(diǎn)陣字符能夠顯示一個(gè)字符，有間隔之間的距離，有每行之間的間隔，起到了字符間距和行間距的影響，所以不能夠很好的顯示圖形。

方案二：應(yīng)用液晶顯示屏12864。它即可以顯示漢字也可以顯示圖形，里面包含了128個(gè)字符和64x256點(diǎn)陣顯示RAM。可直接與CPU相連。

比較上面的兩個(gè)方案可得，兩方案都能很好的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的顯示模塊功能。本著性價(jià)比原則，由于市面上的12864液晶屏價(jià)格都很昂貴，相比而言液晶屏1602的價(jià)格比較低廉，故本次設(shè)計(jì)選用的是1602液晶屏來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示。

第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2-1  系統(tǒng)總框圖

這一次的設(shè)計(jì)總體分為四部分，它們分別為單片機(jī)，傳感器，顯示器和報(bào)警器。

單片機(jī)STC89C52生產(chǎn)于STC公司，它是基于MCS-51單片機(jī)開(kāi)發(fā)的，再經(jīng)過(guò)一系列的改進(jìn)。所以此單片機(jī)即具備了51系列單片機(jī)的兼容性，又比51系列單片機(jī)更加的靈活，可靠。也因此STC89C52單片機(jī)更多的用于嵌入式控制系統(tǒng)中。

基本功能特性：它的I/O口線位數(shù)為32，內(nèi)存為512字節(jié)，具有8k字節(jié)Flash，里面還有4KB EEPROM，定時(shí)器和計(jì)數(shù)器為3個(gè)16位，包含MAX810復(fù)位電路，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，看門狗定時(shí)器，全雙工串行口。除此之外，此單片機(jī)還有節(jié)電模式功能和掉電保護(hù)功能。節(jié)電模式下只有RAM、串口、中斷和定時(shí)計(jì)數(shù)器繼續(xù)工作，其他地方停止工作。掉電保護(hù)則是當(dāng)系統(tǒng)失去供電時(shí)，RAM內(nèi)的內(nèi)容不會(huì)丟失，而是被保存，其他部分則全部停止工作。持續(xù)到復(fù)位或者下一個(gè)中斷為止。

STC89C52單片機(jī)的引腳圖如下圖3-1所示：

圖3-1 STC89C52芯片

管腳說(shuō)明[1]：

VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口有8個(gè)引腳，其為開(kāi)放電路。每當(dāng)P1口在首次寫(xiě)入1時(shí)，P0口就被定義為了高阻抗輸入。它能夠被表示為第八位的數(shù)據(jù)或地址，這是當(dāng)P0口用作于外部的程序存儲(chǔ)器的時(shí)候。P0口通常作為輸入的原代碼在系統(tǒng)編程的時(shí)候，當(dāng)對(duì)程序進(jìn)行檢查的時(shí)候，P0則輸出原碼。

P1口：P1口也有8個(gè)引腳，它們是雙向的上拉電阻。當(dāng)P1口輸入為1的時(shí)候，它里面被拉高，這時(shí)候?yàn)檩斎胱饔谩Ｏ喾吹乃�里面被拉低的時(shí)候?yàn)檩敵觯�這些取決于內(nèi)部上拉電阻。

P2口：P2口有8個(gè)引腳，且它作為其內(nèi)部的上拉電阻的一個(gè)，它不僅僅能夠作為輸入端也能夠作為輸出端。

P3口：P3口是一個(gè)雙向口且內(nèi)部也有一個(gè)上拉電阻，它能夠收到4個(gè)TTL門電流。用作輸入的時(shí)候?qū)憺?。當(dāng)它的外部下拉為低的時(shí)候，將作為輸出。

P3口的一些特殊功能如下表3-1所示：

管腳備選功能[1]:

表3-1 P3口的第二功能

RST：復(fù)位輸入。只有恒定RST腳處于高電平才能夠用作復(fù)位器件。

ALE/PROG：當(dāng)系統(tǒng)在編程的時(shí)候，該引腳的作用是發(fā)送編程脈沖。振蕩器的頻率為1/6，ALE周期正脈沖信號(hào)恒定，能夠用于外部的輸出脈沖或計(jì)時(shí)目的。當(dāng)它作用于外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的時(shí)候，ALE脈沖被跳過(guò)，這個(gè)引腳會(huì)稍微拉高。此外，當(dāng)微處理器執(zhí)行外部狀態(tài)ALE，則該集合無(wú)效。

/PSEN：此引腳的作用主要是用作外面的程序保存器的選擇通道信號(hào)。

系統(tǒng)起始為傳感器感應(yīng)采集環(huán)境的溫濕度,然后以數(shù)字量發(fā)給單片機(jī)來(lái)分析處理,然后再通過(guò)單片機(jī)發(fā)送到顯示屏來(lái)實(shí)現(xiàn)溫濕度的顯示,同時(shí)要連接一個(gè)報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)給定的上下限，實(shí)現(xiàn)過(guò)限報(bào)警功能。

電路原理圖如下圖3-2所示：

圖3-2 STC89C52模塊電路原理圖

DHT11為一種具備模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的傳感器，采集到信號(hào)后會(huì)先進(jìn)行處理，將所得到的信號(hào)先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后再發(fā)給單片機(jī)。此傳感器集合了溫度采集和濕度采集，是一款復(fù)合型傳感器。它里面的NTC測(cè)溫元件負(fù)責(zé)采集溫度。還有一個(gè)負(fù)責(zé)采集濕度的元件電阻式感濕元件。每一個(gè)傳感器在出廠前都要經(jīng)過(guò)非常精確的校驗(yàn)，確認(rèn)其精度，并且校準(zhǔn)后的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)會(huì)以程序形式存儲(chǔ)與傳感器內(nèi)部。每次使用時(shí)，傳感器都會(huì)先調(diào)用此程序，校準(zhǔn)傳感器讓傳感器處于精準(zhǔn)狀態(tài)。正是因?yàn)槿绱耍珼HT11傳感器具有極高的精度，并且性價(jià)比也很高。因此現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中，涉及溫濕度檢測(cè)控制的設(shè)備大多都使用此類傳感器。它越來(lái)越多的使用與人們的生產(chǎn)生活中。

DHT11實(shí)物如下圖3-3所示：

圖3-3 DHT11溫濕度傳感器實(shí)物圖

（1）引腳介紹[3]：

Pin1：接電源

Pin2：?jiǎn)慰偩�，數(shù)據(jù)為串行

Pin3: 空腳，請(qǐng)懸浮。

Pin4：接地端

（2）接口說(shuō)明 ：

電路圖如下圖3-4所示。

圖3-4 DHT11應(yīng)用電路圖

（3）數(shù)據(jù)幀的描述[9]：

DATA的作用是連接傳感器與單片機(jī)，并保持它們之間的通訊與數(shù)據(jù)的同步。具體說(shuō)明如下：

（1）遵循高位先出原則，一次傳輸40bit。

（2）8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+數(shù)據(jù)格式為8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)

（3）正常的情況下VDD 為 5伏，T 為25度，特別的情況則不同，特殊電氣特性具體如下表3-2所示[8]：

表3-2 DHT11的電氣特性

（5）時(shí)序描述：

首先單片機(jī)發(fā)送起始信號(hào)后,然后傳感器接收起始信號(hào)后會(huì)從低功耗模式變成高效率模式,然后起始信號(hào)過(guò)后,傳感器就會(huì)響應(yīng),然后發(fā)送40位的數(shù)據(jù)且采集一次信號(hào)。反之如果并未接收到信號(hào),則傳感器不會(huì)采集溫濕度。

通訊過(guò)程如圖3-5所示：

圖3-5 DHT11通訊過(guò)程圖

電平在總線空閑時(shí),單片機(jī)會(huì)等待傳感器的響應(yīng),總線一定要大于18ms,確保傳感器能測(cè)量到信號(hào)。當(dāng)傳感器收到從單片機(jī)發(fā)送的信號(hào)后，等到開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后,便發(fā)送一個(gè)80us的低電平響應(yīng)信號(hào)。單片機(jī)啟動(dòng)信號(hào)后,等待20到40us后,讀取傳感器的響應(yīng)信號(hào)。此外，單片機(jī)信號(hào)啟動(dòng)后，能夠轉(zhuǎn)換到輸入模式，或高輸出功率、平均總線通過(guò)更高的負(fù)載電阻。

圖3-6  DHT11信號(hào)接收發(fā)送過(guò)程圖

當(dāng)總線是低電平的時(shí)候,表示此時(shí)傳感器發(fā)送了響應(yīng)信號(hào),其中數(shù)據(jù)位是1或者0決定于高電平的長(zhǎng)短。

傳感器0信號(hào)的時(shí)如下圖3-7所示：

圖3-7數(shù)字0信號(hào)的表示方法

數(shù)字1信號(hào)表示方法如下圖3-8所示

圖3-8數(shù)字1信號(hào)表示方法

由于DHT11傳感器可以直接與STC89C52單片機(jī)相連。首先將傳感器的Pin2口與單片機(jī)的P2.0口連接，這為數(shù)據(jù)口，用來(lái)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。然后再將傳感器的Pin1口與單片機(jī)的VDD連接，Pin4口需接地。Pin3懸浮放置即可。

原理電路圖如下圖3-9所示：

            

圖3-9 DHT11電路原理圖

LDC1602液晶顯示屏能夠?qū)崿F(xiàn)顯示2行16列。它常用于人們的生產(chǎn)生活中，比如常見(jiàn)的計(jì)算機(jī)，電子表等都有用到液晶顯示屏，它的使用也越來(lái)越普遍。而在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用它有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）此顯示屏為數(shù)字式，因而它能夠直接連接單片機(jī)的引腳，簡(jiǎn)單方便。而且它為插針式，更換簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。

（2）傳統(tǒng)的陰極射線管顯示屏需要要不斷的刷新新亮點(diǎn)來(lái)顯示，因此顯示屏?xí)�閃爍。而液晶屏則避免了這一缺點(diǎn)，它能夠保持色彩和亮度。

（3）相比于傳統(tǒng)的顯示屏，液晶屏的耗電量更少，實(shí)用性更高，有效的利用了資源。

（4）液晶屏的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此重量比傳統(tǒng)的顯示屏輕很多，所以在系統(tǒng)中使用時(shí)減少了系統(tǒng)的體積，更加合理的利用了系統(tǒng)空間。

LCD1602液晶顯示屏實(shí)物圖如下3-10所示：

（1）引腳說(shuō)明[3]：

第1腳：接地。

第2腳：接5V的電壓。

第3腳：用來(lái)改變顯示屏上的對(duì)比度的端口。對(duì)比度最強(qiáng)的時(shí)候應(yīng)是接正電源的時(shí)候，最弱的時(shí)候端口接地。

第4腳：液晶屏的寄存器口，接高電平或低電平時(shí)分別作為為數(shù)據(jù)寄存器或指令寄存器。