基于单总线的温湿度测量系统的设计

福 建 师 范 大 学 应 用 科 技 学 院学 生 论 文论文题目：基于单总线的温湿度测量系统的设计指导教师： 王毅 学 号： 120201005 姓 名： 唐夏君 年 级： 2010级 专 业： 电子信息工程 2014 年 4 月 25 日基于单总线的温湿度测量系统的设计福建师范大学应用科技学院 电子信息工程专业120352010056 唐夏君 指导老师 王毅 【摘要】本次设计是基于单总线的温湿度测量系统。采用湿温度传感器DHT11来实现了对湿度、温度的检测，先采集信号，再用STC89C52单片机对它进行数据分析、处理，为显示电路所提供信号。本次设计显示部分采用LCD1602液晶来显示所测的温湿度值。总体而言，本次设计系统简单、工作稳定、测量精度高、调试方便，具有了一定的实用价值。【关键词】STC89C52；DHT11湿温度传感器；LCD1602显示Based on the design of a single-bus temperature and humidity measurement systemScience and Technology Practising College Fujian Normal UniversityElectronic Information Engineering 120352010056 Tang Xiajun Tutor: WangyiAbstract:thisdesignisbasedonaunibustemperature-humiditymeasurementsystem.DHT11sensorisusedtotesttemperatureandhumiditybyacquiresignal.ThenusingSTC89C52single-chipcomputerfordataanalysisandprocessing,whichcandisplaythecircuitprovidedbythesignal.ThisdesignadoptsLCD1602todisplaythemeasuredvaluesoftemperatureandhumidity.Ingeneral,thedesignsystemhasacertainpracticalvaluesinceitissimple,stable,highmeasuringprecisionandconvenientdebugging. Key Words STC89C52；DHT11；LCD1602目录1 概述41.1设计背景41.2设计目的41.3 设计要求41.4系统总体设计51.4.1系统实现的主要功能51.4.2系统的工作原理简介51. 4.3 总体构成52系统的硬件设计62.1硬件原理图62.2主控模块设计72.2.1基本特性72.2.2 STC89C52组成部分72.2.3 STC89C52参数72.2.4 引脚说明82.2.5 复位电路设计82.2.6 外部晶振室之中电路设计82.3 DHT11传感器模块设计92.3.1 DHT11传感器简介92.3.2 DHT11引脚说明92.3.3 DHT11传感器指标特性102.3.4 DHT11数据结构102.3.5DHT11传输时序102.3.6DHT11典型电路连接112.3.7 DHT11传感器模块电路设计122.4 LCD1602液晶显示模块设计122.4.1 LCD1602液晶显示屏简介122.4.2 LCD1602液晶引脚说明132.4.3 LCD1602液晶显示模块133仿真软件简介143.1 Proteus软件143.2 Keil软件144系统的软件设计144.1总体程序框架流程图144.2软件程序代码155程序下载软件说明206 电路PCB及实物图217 总结238 致谢24参考文献241 概述1.1设计背景在我们的生活中，温度和湿度是我们环境的重要参数。大夏天给我们的感觉就是高温、湿热并且喘不过气。那到底要多少温度和湿度才是人体最适合的？科学家们发现环境温度达到25时，最适宜人类生活。在这个环境温度下，人体没热冷感觉，并且人身体内毛细血管自然舒张，人觉得相当舒服。除了温度以外，湿度对人体感觉也是很重要的，当环境湿度大于95%的时候，人会觉得整体相当闷热，体表排汗时受阻，散热不给力，皮肤也感觉很潮湿又黏黏的并且呼吸困难，连整个人的心情都变得烦躁不安。但是，若湿度太低的话会因为环境太干燥而引起人皮肤脱皮。一般最适合人体生活的湿度是50%左右。不仅是人类需要适合的温度湿度，在我们的生产中许多产品在生产过程中都是需要合适的温度与湿度才能成为合格的产品。我们的生产作业中很多产品对其温湿度的要求都不一样，温湿度的高低对产品的质量影响是十分巨大的。很多产品因为温度湿度的控制检测不对，于是乎就造成了很多我们无法估量的经济损失。为了让我们的产品没问题，我们必须先解决温度和湿度的控制检测系统，以前传统的方法又费时间又费力气况且效率不高，导致经常会有偏差。对于温度和湿度这两个相当重要的参数，本系统采用的是STC89C52单片机作为主控芯片，LCD1602液晶作为显示，温湿度传感器是DHT11。DHT11首先进行温度湿度信号的采集，然后传给了STC89C52单片机，STC89C52单片机对它进行数据分析、处理，并且为LCD1602液晶提供显示信号，最后由LCD1602显示出当前的温度和湿度值。就这设计来说，此次设计的系统简单、工作稳定、测量精密度高、调试也很简单，具有了一定的使用价值。1.2设计目的温度与湿度的控制是我们生活生产中必不可少的，为了让生产过程中的产品能够合格生产出来，必须要严格监控生产环境里的温湿度，只有严格控制好了温度和湿度才能让产品的合格率打到100%。所以这更突出了温湿度以及检测与控制它的重要意义。1.3 设计要求 采用单片机和数字式温湿度传感器DHT11，设计一种温湿度测量系统： 根据单片机控制温湿度传感器DHT11的工作时序。给出了温度测量系统的硬件电路和软件程序设计的方法，以及单片机对DHT11的初始化程序，读、写等相关程序。实现了对测量温湿度的采集和显示。1.4系统总体设计1.4.1系统实现的主要功能系统所要实现的功能是：温湿度实时监测以及显示。并通过1602液晶显示温湿度传感器DHT11采集到湿温度的值。1.4.2系统的工作原理简介本次设计在大体上做到了了对温湿度的测量显示功能。硬件方面有三个模块：STC89C52单片机控制模块；传感器模块；LCD1602液晶显示模块。传感器模块是用DHT11温湿度传感器，通过DHT11测出当前温湿度值，并且将采集到的数据传输给单片机。通过单片机STC89C52的处理让LCD1602液晶显示温湿度的值。我把LCD1602显示设置成分两行显示，第一行显示湿度，第二行显示温度。1. 4.3 总体构成1. 4.3.1总体设计框图 按照本设计功能的要求，在保证实现的功能下，尽量减少本设计成本。总体设计方案围绕上述思想，初步确定设计的方案如图1.1所示。图1.1系统总体设计如图1.1所示，系统由微处理器模块、DHT11传感器模块、LCD1602液晶显示模块组成。1. 4.3.2总体设计工作进程 本次设计用到LCD1602和DHT11。LCD1602液晶经常用到，而DHT11传感器没怎么使用过，因此先解决LCD1602液晶显示问题然后再解决DHT11传感器部分。整个流程图如图1.2所示完 成进行传器 调试进行液晶显示调试用Proteus仿真分析题目查找资料图1.2整体设计流程图2系统的硬件设计2.1硬件原理图2.2主控模块设计使用的时候将P0.0P0.7口与LCD1602液晶显示的数据传输口相连，P3.3口作为与传感器DHT11的数据采集口相连。2.2.1基本特性Atmel公司的STC89C52系列单片机是我国近10年来使用较多的单片机，特别是高校实验室开发实验装置多数都采用它。因为在21世纪初，在我国电子市场上，STC89C52技术资料丰富，货源充足，价格相对便宜，专营教学仪器单片机总和开发实验装置的科技公司也都青睐它。STC89C52是一种内带4KB闪存的ROM、低电压、高性能CMOS制造工艺的8位单片机。它具有MCS-51的所有特性。STC89C52单片机的软件编程既可以用汇编语言，也可以用C51高级语言。2.2.2 STC89C52组成部分AT89C51内部的基本组成主要包括：中央处理器CPU；内部4KB Flash ROM，这是用来存放程序、数据等一些东西；内部256个RAM单元，通常用户使用低128位单元，主要用来存放和读写数据，而高128位单元系统则是用来分配21个特殊功能寄存器的；两个16位的定时器/计数器，即T0、T1；4个8位的I/0口，即P0、P1、P2、P3；一个全双工串行口，即RXD、TXD；5个中断系统，包括2个外部中断、2个定时器/计数器中断以及1个串行通信中断；2.2.3 STC89C52参数. 属于增强型8051单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意选择. 工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V 单片机）.工作频率范围：040MHz，相当于普通8051 的080MHz，实际工作 频率可达48MHz. 用户应用程序空间为8K字节. 片上集成512 字节RAM. 具有EEPROM 功能. 有3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2. 工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）. PDIP封装 2.2.4 引脚说明 、电源及时钟引脚电源引脚：Vcc是运行和程序校验时接电源+5V，Vss是电源接地端GND时钟引脚：XTAL1是片内振荡器反相放大器的输入端和内部时钟工作的输入端，采用内部振荡器时，接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。XTAL2是片内振荡器反相放大器的输出端，接外部石英晶体和微调电容的另一端，当采用外部振荡器时，该引脚是空。、控制引脚1 ALE/PROG：地址锁存允许/编程线。2 PSEN：外部程序存储器ROM的读选通线。3 EA/VPP：片外ROM允许访问端/编程电源端。4 RST：复位输入端，大于2个机器周期的高电平脉冲信号有效。2.2.5 复位电路设计 下图是按键手动复位，只要将键按下，RST为高电平，复位有效。 2.2.6 外部晶振室之中电路设计STC89C52振荡电路端可由内部软件编程来控制启停，使系统进入低功耗状态。外部谐振电路并行连接石英晶体或陶瓷谐振器XTAL和负载电容C11、C12。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性。外接晶体时。C11、C12的值常选33pF左右；在外陶瓷谐振器时，C11、C12的典型值约为47pF。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷振荡器和电容应尽可能靠近单片机安装，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性好的电容。晶体振荡器可在1.212MHz之间选择，电容可在560pF之间选择，电容C11、C12的大小对振荡器的频率有微小影响。2.3 DHT11传感器模块设计2.3.1 DHT11传感器简介本次设计采用DHT11数字温湿度传感器，这个产品有4个引脚封装，1脚用来接电源，2脚接单总线，3脚悬空或不使用，4脚接地。它的内部还包含着一个电阻式感应湿度的元件和一个测量温度的元件，并且可以与一个性能高的8位单片机相连接。DHT11具有功耗低、体积小的优点，使其可以适应各种应用场合。2.3.2 DHT11引脚说明 Pin名称类型注释1VCC电源供电3V-5.5VDC2Dout输出单总线、串行数据3NC空空脚4GND地电源地2.3.3 DHT11传感器指标特性DHT11性能指标和特性如下：工作电压范围：3.5V5.5V。工作电流：平均0.5mA。湿度测量范围：2090%RH。温度测量范围：050。湿度分辨率：1%RH 8位。温度分辨率：1 8位。采样周期：1S。单总线结构。与TTL兼容（5V）。2.3.4 DHT11数据结构DHT11数字温湿度传感器采用单总线数据格式。即单个数据引脚端口完成输入输出双向传输。其数据包由5Byte（40Bit）组成。数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明。一次完整的数据传输为40bit，高位先出。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和传感器数据输出的是位编码的二进制数据。数据（湿度、温度、整数、小数）之间应该分开处理。2.3.5DHT11传输时序 、DHT11开始发送数据流程主机发送开始信号后，延时等待20us-40us后读取DHT11的回应信号，读取总线为低电平，说明DHT11发送相应信号，DHT11发送相应信号后，再把总线拉高，准备发送数据，每一bit数据都以低电平开始，格式见上图所示。如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。、主机复位信号和DHT11响应信号、数字0信号表示方法、数字1信号表示方法2.3.6DHT11典型电路连接DHT11典型应用电路如下图所示，它的连接电路比较容易，只需要用一个MCU的I/O口就能完成连接。推荐其连接线的长度在20米以内时使用5K左右的上拉电阻，而大于20米时就要根据实际情况选择合适的电阻。使用3.5V电压供电时连接线长度不得大于20cm。否则线路压降会导致传感器供电不足，造成测量偏差。每次读出的温湿度数值是上一次测量的结果，欲获取实时数据,需连续读取两次，但不建议连续多次读取传感器，每次读取传感器间隔大于5秒即可获得准确的数据。2.3.7 DHT11传感器模块电路设计DHT11传感器连接单片机比较简单，将DHT11的Pin2（2脚）接单片机P3.3口。由于测量范围电路小于20米，则在传感器的Pin2接一个5K的上拉电阻到电源正极。DHT11传感器的电源端口Pin1和Pin4分别接电源的正负极，第三脚悬空放置。DHT11传感器元件的电路原理图如下所示。2.4 LCD1602液晶显示模块设计2.4.1 LCD1602液晶显示屏简介LCD1602是一种支持字母、数字、符号等显示的点阵型液晶模块，由32个5*7点阵字符位组成，每一个点阵字符位都可以显示一个字符。LCD1602主要技术参数2.4.2 LCD1602液晶引脚说明管脚号管脚名称状态管脚功能描述1VSS电源地2VDD电源正极3VO液晶显示偏压信号4RS输入寄存器选择5R/W输入读、写操作6E输入使能信号7DB0三态数据总线0（LSB）8DB1三态数据总线19DB2三态数据总线210DB3三态数据总线311DB4三态数据总线412DB5三态数据总线513DB6三态数据总线614DB7三态数据总线7（MSB）15LEDA输入背光+5V16LEDK输入背光地2.4.3 LCD1602液晶显示模块液晶模块如下图所示，第3脚加了一个10K的电位器，该电位器是用来调节LCD1602液晶显示的对比度，通过电位器调节Vo的电压值，使人们可以清楚看见LCD1602液晶上所显示的数值。3仿真软件简介3.1 Proteus软件Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。他主要就是用来仿真电路，以及仿真单片机及其外围器件，它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。其特点是：实现了单片机仿真和通用模拟电路仿真器相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成系统的仿真功能。有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。支持主流单片机系统的仿真。如68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能，在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时还可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil 4等软件。支持大量的外围芯片和存储器，具有强大的原理图绘制功能。总而言之，该软件是一款集单片机和通用模拟电路仿真器分析于一身的仿真软件，功能极其强大。在Proteus中绘制好原理图连接号线路后，调入已经编译好的.HEX文件，就可以在Proteus的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。3.2 Keil软件keil uvision4软件是KEIL公司的产品。在使用的时候打开Keil 4界面，首先要新建一个工程，保存一个名字，然后选择芯片，本设计所用的单片机是Atmel AT89S52，在编写完程序后点击编译，没有错误的话选择“Options for Target Target 1”，在该窗口下，将晶振的频率（Xtel (MHz)）设置为12MHz，然后选择“Output”在“Create HEX File”前面打钩，OK。在继续编译后出现“create hex file from”，编译完成，此时文件就可以被单片机识别应用，导入即可。4系统的软件设计4.1总体程序框架流程图对于本次设计我先建立程序框架流程图，然后对整个设计划分模块，逐个实现各个模块功能，然后把各个模块连接起来并构成总程序。开始初始化 延时 温湿度检测传送回单片机LCD1602液晶显示数据4.2软件程序代码#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define uint8 unsigned int#includelcd1602.h#includeDTH11.h#includeconfig.hvoid main()uchar buff16;lcd_init();while(1)DTH11();sprintf(buff,SHIDU:%c%c.%c RH,buf0,buf1,buf2);DisText(0x80,buff);sprintf(buff,WENDU:%c%c.%c C,buf3,buf4,buf5);DisText(0xc0,buff);delay1ms(20);#ifndef _DTH11_H_#define _DTH11_H_#includeconfig.hextern uchar buf6;/*延时1ms的延时函数*/extern void delay1ms(uchar i);/*DHT11操作总时序时序函数*/void DTH11(void);#endif#includeconfig.hsbit P3_3=P33;uchar u8flag;uchar comdata;uchar RHdata_H_temp,RHdata_L_temp,Tdata_H_temp,Tdata_L_temp,checkdata_temp;uchar RHdata_H,RHdata_L,Tdata_H,Tdata_L,checkdata;uchar buf6;/*延时1ms的延时函数*/void delay1ms(uchar i) uchar j;for(;i0;i-)for(j=0;j0;i-);/*DHT11读取一字节数据时序函数*/void comread(void)uchar i,tem; for(i=0;i8;i+)u8flag=2;while(!P3_3)&(u8flag+);/等待50us时间过去delay10us(); /延时差不多30usdelay10us();delay10us();tem=0;if(P3_3) /如果是高地平则tem=1；tem=1;u8flag=2;while(P3_3)&(u8flag+); /等待70us时间过去if(u8flag=1)break;comdata=1; /左移一位comdata|=tem; /与tem相与elsecomdata=1;comdata|=tem; /*DHT11操作总时序时序函数*/void DTH11(void)uchar temp;P3_3=0; /拉低总线为低电平delay1ms(180); /拉低时间为至少18msP3_3=1; /拉高总线为高地平delay10us(); /拉高时间为20us40usdelay10us();delay10us();delay10us();P3_3=1;if(!P3_3)u8flag=2;while(!P3_3)&(u8flag+);/等待80us的低电平时间过去u8flag=2;while(P3_3)&(u8flag+); /等待80us的高地平时间过去comread(); /读取数据的函数RHdata_H_temp=comdata; /读取数据的RH的高位comread();RHdata_L_temp=comdata; /读取数据的RH的低位comread();Tdata_H_temp=comdata; /读取数据温度的高位comread();Tdata_L_temp=comdata; /读取数据温度的地位comread();checkdata_temp=comdata; /读取数据最后一位是校验位P3_3=1;temp=(RHdata_H_temp+RHdata_L_temp+Tdata_H_temp+Tdata_L_temp);if(temp=checkdata_temp);RHdata_H=RHdata_H_temp;RHdata_L=RHdata_L_temp;Tdata_H=Tdata_H_temp;Tdata_L=Tdata_L_temp;checkdata=checkdata_temp;buf0=(uchar)(0x30+RHdata_H/10); /把十六进制数值转换成十进制buf1=(uchar)(0x30+RHdata_H%10);buf2=(uchar)(0x30+RHdata_L/10);buf3=(uchar)(0x30+Tdata_H/10);buf4=(uchar)(0x30+Tdata_H%10);buf5=(uchar)(0x30+Tdata_L/10);#ifndef _LCD1602_H_#define _LCD1602_H_#includeconfig.h/* 名称：lcd_init()* 功能：lcd初始化函数*/void lcd_init(void);/* 名称：DisText()* 功能：显示文本函数*/extern void DisText(uint8 addr,char *p);#endif#includelcd1602.hsbit RS= P26 ;sbit RW= P25 ;sbit EN= P27 ;#define Del() delay1ms(20)/* 名称：WrOp()* 功能：写命令函数*/void WrOp(uint8 dat)RS= 0;/全部清零RW= 0;P0= dat ;EN= 1;Del();EN= 0;/* 名称：WrDat()* 功能：写数据函数*/void WrDat(uint8 dat)RS= 1;/全部清零RW= 0;P0= dat ;EN= 1;Del();EN= 0;/* 名称：lcd_init()* 功能：lcd初始化函数*/void lcd_init(void)WrOp(0x38);WrOp(0x06);/光标加1WrOp(0x0c);/开显示delay1ms(100);/* 名称：DisText()* 功能：显示文本函数*/void DisText(uint8 addr,char *p)WrOp(addr);while(*p !=0)WrDat(*(p+);5程序下载软件说明本程序设计是基于Keil uVision4环境下开发，该软件支持C语言编程，使用方便。把程序写好后将其生成.hex文件，再用烧写软件将数据烧到STC89C52单片机内。烧写时应注意先将开发板与电脑USB连接好，并且检查开发板锁对应的COM口，以免烧写失败。6 电路PCB及实物图PCB图实物图（正面）实物图（背面）7 总结经过本次课程设计，在硬件方面我对制作单面板的打磨、转印、腐蚀、钻孔这些方面有了新的认识。做单面板并不是个容易的事，必须要细心认真。比如说在腐蚀电路板的时候，一定要拿个没用的脸盆或者塑料桶，在脸盆或者塑料桶里面用100的滚烫的热开水兑着蓝色腐蚀液，开水也不并是说放越多越好，只要没过我们的覆铜板一些即可。之后要双手抓住脸盆或塑料桶用力均匀的摇动脸盆或者塑料桶，大约摇半个小时左右就可以看到电路板已经腐蚀完毕，把电路板从脸盆或塑料桶里拿出并用纸巾擦干电路板，再用砂纸把我们要焊接的电路全部摩开，这就腐蚀完毕了。然后就是在钻孔的时候，必须根据焊盘大小选择合适的钻头钻孔，这个也非常重要的。如果钻头用太小，会导致元器件压根就插不进去，就要重新换个大点的钻头钻孔；如果钻头用太大的，那很有可能直接就把焊盘的铜直接钻断掉。所以一定要根据焊盘大小选择合适的钻头来钻孔。其次就是焊接元器件了，虽然本电路元器件比较少，但是我们在焊接前必须先检测下元器件是否正常、焊接时方向是否有误。如果检测时发现元件不正常了，那一定要赶快更换一个能用的再焊进去，要不然会导致我们焊接完毕调试的时候发现根本就不能用，又要再找原因，焊接时焊接元件的方向也是一定要注意，焊接反了很有可能让整个电路损毁造成意想不到的后果。拿烙铁焊接时手要拿稳烙铁，不要让烙铁接触焊点过长，以免把焊盘焊坏，最后将焊接好的元件剪去多余引脚。在软件方面我学会了如何使用Altium Designer Summer 09。以前我们都是使用Protel 2004来画电路板，所以用的比较上手。但是Protel 2004在绘制PCB的时候不能刻上自己的名字学号，需要借助Altium Designer Summer 09来实现其功能。于是我索性直接就用Altium Designer Summer 09这个软件来画电路。首先安装这软件就成了第一个问题，我首先去我同学那拷贝了下Altium Designer Summer 09的安装包及安装教程txt文件。然后再安装教程的说明下成功的安装好了Altium Designer Summer 09这软件。但即使安装完软件了还有一个步骤就是破解Altium Designer Summer 09软件。这个嘛，我请教了我们班上的周友杰同学，在他的帮助下，我成功的把Altium Designer Summer 09破解了。接下来我打开这软件创建了一个工程，在这个工程下又创建了原理图、元件库和封装库以及PCB图。先从原理图入手，我把一些系统自带的元件先添加到原理图上，并且用线将