摘要

溫度和濕度是兩個最基本的環境參數，與人們的生活息息相關。在工農業生產、氣象、環保、國防、科研等部門，經常需要對環境溫度和濕度進行測量和控制。準確測量溫濕度在生物制藥、食品加工、造紙等行業更是至關重要。因此研究溫濕度的測量和控制方法具有重要的意義。

本設計實現的是單片機溫濕度測量和控制系統，通過LCD顯示所測量的溫濕度。系統采用集溫濕度傳感器與A/D轉換器于一體的SHT11芯片，通過單片機進行處理顯示，其它模塊包括了實時時鐘/日期產生電路和超限報警處理電路，對測量的值進行實時顯示和報警處理。文章介紹了基于ATMEL公司的AT89C51系列單片機的溫濕度實時測量與控制系統和顯示系統的設計，包括介紹了硬件結構原理，并分析了相應的軟件的設計及其要點，包括軟件設計流程及其程序的實現。系統結構簡單、實用，提高了測量精度和效率。

目  錄

第1章 緒 論

1.1 研究的目的及意義

溫度和濕度與人們的生活息息相關。在工農業生產、氣象、環保、國防、科研等部門，經常需要對環境溫度與濕度進行測量及控制。準確測量溫濕度在生物制藥、食品加工、造紙等行業都是至關重要的。傳統的溫度計是用水銀柱來顯示的，它的精確度不高，不易讀數。而采用單片機對溫濕度進行控制，不僅具有控制方便、簡單和靈活等優點，而且可以大幅度提高溫濕度控制的技術指標。用LCD來顯示溫濕度的數字看起來更加直觀。

采用SHT11數字溫濕度傳感器作為檢測元件，能夠同時測試溫度和濕度。SHT11傳感器可以直接讀出被測的溫濕度值。同時單片機可以把測量出的數據通過串口傳到計算機上，來完成工業中的自動控制，給工業生產帶來了極大的便利。用單片機控制的溫濕度計不僅硬件電路簡單，而且測量精度比較高。用液晶顯示測量值看起來比較美觀。

無論在日常生活中還是在工業、農業方面都離不開對周圍環境進行溫濕度的測量。因此，研究溫濕度的測量具有非常重要的意義。

1.2 國內外研究情況

測量溫濕度的關鍵是溫濕度傳感器。過去測量溫度與濕度是分開的。隨著技術的進步和人們生活的需要出現了溫濕度共測的傳感器。溫度傳感器的發展經歷了3個階段：傳統的分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器、智能集成溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數字式、從集成化向智能化、網絡化的方向發展。溫度傳感器也是經歷了這樣一個階段逐漸走向數字智能化。

現今國內外用的最多的溫濕度傳感器是SHTXX系列。SHT11溫濕度傳感器應用于專利的工業COMS過程微加工技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A/D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現無縫鏈接，從而具有超快響應，抗干擾能力強，性價比極高等優點。

采用SHT11數字溫濕度傳感器與單片機AT89C51相連比較容易，而且電路比較簡單，軟件設計也比較簡單。所以，本設計以SHT11數字溫濕度傳感器為例，介紹基于SHT11數字溫濕度傳感器的設計，該設計適用于人們的日常生活及工農業生產中用于溫濕度的測量。

1.3 系統內容的設計

1.3.1 系統的主要性能指標

根據生活和一般工業環境，設計本產品的主要技術指標為：

·測溫范圍：20—＋80℃；濕度測量范圍為30—90%Rh

·溫度測量精度：±0.5oC

·濕度測量誤差：≤4%Rh                           

·可設置上、下限報警值，當濕度溫度超限時，發出報警信號

·電源工作范圍：DC4.5～5.5V

1.3.2 主要工作任務

根據本畢業設計實際的任務要求，選擇合適的溫濕度傳感器，完成溫濕度的測量，并設計顯示電路模塊、時鐘電路模塊、超限處理模塊、復位電路模塊的程序。系統開始工作后，根據初始條件讀取濕度值和溫度值，測量數據經處理后，將其與設定的溫濕度值比較，如果發現當前的溫濕度超限，則發出報警信號，未超限時，系統顯示正常的濕溫度度值。

1.4 方案論證

方案一：采用單總線的DS18B20的溫度傳感器和HS110X相對濕度傳感器組成測量和控制系統。

方案二：采用集溫濕度傳感器和A/D轉換器于一體的SHT11芯片構成溫濕度的測量和控制系統。

由于傳統的模擬式溫濕度傳感器一般不僅要設計信號調理電路，還要進行復雜的校準和標定過程，其測量精度難以保證，并且使用分立的溫度傳感器和濕度傳感器測量電路比較麻煩。而SHT11是具有二線串行接口的單片全校準數字式新型相對濕度和溫度傳感器，集溫濕度傳感器和A/D轉換器于一體，可用來測量相對濕度、溫度和露點等參數，具有數字式輸出、免調試、免標定、免外圍電路及全互換的特點，使用起來比較方便，且電路簡單。該傳感器將CMOS芯片技術與傳感器技術融合，為開發高集成度、高精度、高可靠性的溫濕度測控系統提供了解決方案。因此本設計采用方案二。

本設計核心部件為AT89C51，信號采集及處理部分由SHT11構成，進入單片機經處理后通過LCD1604顯示溫濕度，信號顯示采用的液晶屏為5×7點陣，一行可顯示16字，四行。其他組成部分為實時時鐘發生電路，產生與現在相同的時間和具體日期，通過LCD1604液晶模塊顯示。

在軟件設計部分有對測量的溫濕度進行上下值的設定，當測量超過限定值時，通過超限報警處理電路對其進行處理，分別顯示不同的二極管燈亮，蜂鳴器產生長鳴。

硬件中包括一個開關，為復位開關。開機后，所有器件初始化，DS1302產生實時時間和日期，溫濕度傳感器SHT11開始進行溫濕度測量和計算，最后通過兩個LCD液晶顯示器顯示結果。在測量結果中有超過設定的溫濕度上下限的，通過超限模塊做出反應。

電路主要包括了AT89C51控制模塊、SHT11溫濕度測量模塊、DS1302時間模塊、LCD顯示模塊、超限處理模塊。其他是一些附件，比如復位、晶振電路。

圖1.1 整體電路框圖

第2章 工具簡介

系統單片機代碼采用C語言編寫，并用Keil軟件檢查程序有無錯誤，在Proteus仿真軟件上進行仿真。

2.1 C語言

2.1.1 C語言的優點

C語言的運算符豐富，它包括的范圍相當廣泛，使得C語言的運算類型極其豐富，并且表達方式的類型多樣化，能夠實現在高級語言中不能實現的運算，它有32個關鍵字，9種控制語句。和匯編語言一樣，它能夠對位，字節和地址進行操作；數據類型很豐富，能實現各種復雜的數據類型，同時還加入了指針的概念，使得效率更高，同時支持圖形編輯，以及多種顯示器等；它所應用的結構式語言，這種方式會讓程序有層次，一目了然，同時語法顯示不嚴格，設計自由度高；C語言提供給用戶的方式是一函數的形式，它們可以方便調用，使得程序完全結構化；地址的訪問上，能夠訪問物理地址，對硬件進行直接操作；適用范圍廣，能夠適用于多種操作，例如：DOS、UNIX等，同時適用于多種機型。

2.1.2 C語言的缺點

它的缺點主要是數據封裝的安全性不高，因此這一點也成為了C語言和C++的最大的區別，另一方面由于語法以及變量的類型沒有嚴格限制，也造成了較低的安全性，再者從應用角度來說，它比較其他的高級語言來說較為難以掌握。

2.2 Proteus簡介

Proteus軟件是來自英國Labcenter electronics公司的EDA工具軟件，Proteus軟件有十多年的歷史，在全球廣泛使用，除了其具有和其它EDA工具一樣的原理布圖、PCB自動或人工布線及電路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的電路仿真是互動的，針對微處理器的應用，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實現軟件源碼級的實時調試，如有顯示及輸出，還能看到運行后輸入輸出的效果，配合系統配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等。

RS232終端等動態外設模型來對設計進行交互仿真。

關，按鈕，LEDs甚至LCD顯示CPU模型。

2.3 Keil C51編譯器簡介

2.3.1 8051開發工具

KEIL C51標準C編譯器為8051微控制器的軟件開發提供了C語言環境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點。C51編譯器的功能不斷增強，使你可以更加貼近CPU本身，及其它的衍生產品。C51已被完全集成到uVision2的集成開發環境中，這個集成開發環境包含：編譯器，匯編器，實時操作系統，項目管理器，調試器。uVision2 IDE可為它們提供單一而靈活的開發環境。

① 項目管理

② 編輯器和調試器

③ C51編譯器

第3章 硬件設計

3.1 芯片介紹

3.1.1 單片機——AT89C51

① 主要特性：

② 管腳說明：

③ 振蕩器特性：

④ 芯片擦除：

⑤ 結構特點：

3.1.2 LCD顯示——LCD1604

① LCD1604原理

1604采用標準的16腳接口，其中：

1腳：VSS為地電源

② LCD1604初始化

3.1.3 DS1302原理及應用

① DS1302的基本組成和工作原理

圖3.1.1 DS1302引腳圖

② DS1302與微控制器的接口軟件及功能應用舉例

3.1.4溫濕度傳感器SHT11

① SHT11簡介

② SHT11引腳功能

③ SHT11的內部結構和工作原理

④ SHT11傳輸特性

3.2 模塊功能介紹

3.2.1 復位電路部分

端放電，電容又回到0V了，于是又進行了一次復位工作（這是手動復位原理）。

3.2.2 DS1302時鐘電路模塊

3.2.3 SHT11傳感器模塊

圖3.2.3 SHT11傳感器模塊

3.2.4 顯示電路模塊

重點介紹。

3.2.5 超限處理電路模塊

圖3.2.5 超限處理電路模塊

3.3 整體電路圖

第4章 軟件設計

編程軟件采用的是Keil uvision3軟件，程序采用C語言編程。軟件部分在Keil上運行后，能正確顯示結果。具體模塊由一個C主函數文件和9個H文件構成。

H文件如下所示：

set_key.h；（限額報警函數）

4.1 程序框圖

4.1.1 主程序框圖：

4.1.2 溫濕度采集及處理框圖：

4.1.3 LCD顯示框圖：

4.2 主函數解析

#include<reg51.h>

#include<absacc.h>

#include<intrins.h>

#include<math.h>

#include<12864.h>

#include<LCD1604.h>

#include<DS1302.h>

#include<SHT11.h>

#include<set_key.h>

void Delay1ms(unsigned int count)    //延時函數

{

unsigned int i,j;

for(i=0;i<count;i++)

for(j=0;j<120;j++);

}

main()

{

SYSTEMTIME CurrentTime;  //定義時間日期結構體

SHT_dat aa;         //定義溫濕度測量處理結構體

Init_12864();     //12864的顯示*/

Initial_DS1302();   //DS1302初始化*/

LCD_Initial();     //LCD初始化

GotoXY(0,0);          //LCD顯示函數

Print("Date:");

GotoXY(16,0);

Print("Temper:");

GotoXY(0,1);

Print("Time:");

GotoXY(16,1);

Print("Humidi:");

while(1)

{

convert_SHT(&aa,TEMP);     //溫度轉換

  convert_SHT(&aa,HUMI);     //濕度轉換

  caculation_SHT(&aa);       //溫度和濕度的補償

  float_convert(&aa);        //將浮點數轉換成整型，各個位的數分別保存

  doing_temp(&aa);     //檢測溫度是否超限

  doing_humi(&aa);     //檢測濕度是否超限

  DS1302_GetTime(&CurrentTime);

  DateToStr(&CurrentTime);

  TimeToStr(&CurrentTime);

  GotoXY(5,0);      //第一行顯示日期

  Print(CurrentTime.DateString);

  GotoXY(23,0);      //第三行顯示溫度

  Print(aa.num_temp);

  GotoXY(28,0);

  Print("    ");

  GotoXY(5,1);      //第二行顯示時間

  Print(CurrentTime.TimeString);

  GotoXY(23,1);       //第四行顯示濕度

  Print(aa.num_humi);

GotoXY(28,1);

  Print("    ");

  Delay1ms(300);     //延時

  }

}

第5章 仿真與調試

編譯、調試，調試通過后會生成.HEX文件。具體過程如下：

到項目中，然后編譯項目。

建立第一個C項目：

① 點擊 Project 菜單，選擇彈出的下拉式菜單中的 New Project，如圖。

圖5.1 新建項目文件

② 選擇所要的單片機，本設計選擇常用的 Ateml 公司的 AT89C51。

③ 在項目中創建新的程序文件。執行File－>New新建一個文件，然后在文件中進行程序的編寫。

文件組中有了文件，點擊它可以展開查看。

圖5.2 添加文件

⑤ 文件加載到項目之后，開始進行編譯運行，生成.hex文件。編譯結果如下圖：

圖5.3 生成.hex文件

編譯顯示沒有錯誤，說明編譯順利通過，已經生成了所需要的.hex文件。接下來在PROTEUS中進行仿真。打開已經繪制好的仿真電路原理圖，選中單片機AT89C51，右鍵單擊AT89C51，出現相應的對話框，找到編譯好的“*.HEX”文件，然后單擊“OK”就可以進行仿真。在下邊的圖形中，給出了不同的溫濕度的顯示值，實際溫濕度與理論溫濕度的差值在誤差允許范圍之內（圖5.4，溫度和濕度分別為60℃和80﹪，顯示為60.03℃和82.37﹪；圖5.5，溫度和濕度分別為68℃和70﹪，顯示為68.06℃和74.35﹪；圖5.6，溫度和濕度分別為48℃和31﹪，顯示為48.65℃和32.66﹪），說明設計成功。仿真結果如圖所示。

圖5.4 溫濕度顯示一

圖5.5 溫濕度顯示二

由于學習的知識有限，加上時間的倉促和經驗的缺乏，本設計整體上的性能還不是十分完善，設計中存在一些需要改進和優化的地方。測量精度有待進一步提高，軟件設計也存在不合理之處。但從設計過程中，學到了幾種芯片的使用，如：DS1302時鐘芯片，LCD1604，SHT11等。對于單片機也有了更進一步的認識，對用于單片機仿真的軟件操作能力也明顯提高，通過此設計，本人受益頗豐。

致  謝

經過近兩個多月的努力，在陳英老師的悉心指導下我順利的完成了畢業設計。此次的畢業設計使我受益匪淺。做畢業設計不僅是對我所學知識的一次檢驗，更是對我能力的一個挑戰。從接觸到畢業設計題目的那一刻起，我就開始仔細認真的查找相關資料和文獻，我一直都在盡自己最大的努力去完成它。完成畢業設計后，我發現自己不僅拓寬了專業理論知識，而且專業外的知識也豐富了不少，實際動手能力更是提高了很多。

在做畢業設計的過程中，陳英老師不僅給我提了許多指導性的意見，還傾注了大量的心血。她兢兢業業的工作作風、科學嚴謹的治學態度和寬以待人、認真負責的優秀品質給我留下了非常深刻的印象。沒有陳英老師方向性的指導和幫助，我是不可能按時完成畢業設計的。感謝陳英老師在百忙之中給予我的精心指導和幫助。在做畢業設計的過程中，陳英老師幫助我解決了許多新的疑點和難點，使我順利的完成了畢業設計。除此之外從陳老師那里，我還學到了嚴謹的工作態度和科學的學習方法，也學會了如何做人的道理，所有這些對我今后的成長成才都將產生深遠的影響。在此，我要向我的導師陳英老師表示最衷心的感謝！另外，本設計也得到了其他老師、同學的支持和幫助，謹在此一并感謝！

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