基于PROTEUS的SHT11單片機溫濕度測量系統(tǒng)設(shè)計論文

摘要

溫度和濕度是兩個最基本的環(huán)境參數(shù)，與人們的生活息息相關(guān)。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研等部門，經(jīng)常需要對環(huán)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(yè)更是至關(guān)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(shè)計實現(xiàn)的是單片機溫濕度測量和控制系統(tǒng)，通過LCD顯示所測量的溫濕度。系統(tǒng)采用集溫濕度傳感器與A/D轉(zhuǎn)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(chǎn)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(tǒng)和顯示系統(tǒng)的設(shè)計，包括介紹了硬件結(jié)構(gòu)原理，并分析了相應(yīng)的軟件的設(shè)計及其要點，包括軟件設(shè)計流程及其程序的實現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(guān)。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研等部門，經(jīng)常需要對環(huán)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(yè)都是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的溫度計是用水銀柱來顯示的，它的精確度不高，不易讀數(shù)。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(yōu)點，而且可以大幅度提高溫濕度控制的技術(shù)指標。用LCD來顯示溫濕度的數(shù)字看起來更加直觀。

采用SHT11數(shù)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(shù)據(jù)通過串口傳到計算機上，來完成工業(yè)中的自動控制，給工業(yè)生產(chǎn)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(yè)、農(nóng)業(yè)方面都離不開對周圍環(huán)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(nèi)外研究情況

測量溫濕度的關(guān)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(shù)的進步和人們生活的需要出現(xiàn)了溫濕度共測的傳感器。溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：傳統(tǒng)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(shù)字式、從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。溫度傳感器也是經(jīng)歷了這樣一個階段逐漸走向數(shù)字智能化。

現(xiàn)今國內(nèi)外用的最多的溫濕度傳感器是SHTXX系列。SHT11溫濕度傳感器應(yīng)用于專利的工業(yè)COMS過程微加工技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)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(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫鏈接，從而具有超快響應(yīng)，抗干擾能力強，性價比極高等優(yōu)點。

采用SHT11數(shù)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(shè)計也比較簡單。所以，本設(shè)計以SHT11數(shù)字溫濕度傳感器為例，介紹基于SHT11數(shù)字溫濕度傳感器的設(shè)計，該設(shè)計適用于人們的日常生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用于溫濕度的測量。

1.3 系統(tǒng)內(nèi)容的設(shè)計

1.3.1 系統(tǒng)的主要性能指標

根據(jù)生活和一般工業(yè)環(huán)境，設(shè)計本產(chǎn)品的主要技術(shù)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(shè)置上、下限報警值，當濕度溫度超限時，發(fā)出報警信號

·電源工作范圍：DC4.5～5.5V

1.3.2 主要工作任務(wù)

根據(jù)本畢業(yè)設(shè)計實際的任務(wù)要求，選擇合適的溫濕度傳感器，完成溫濕度的測量，并設(shè)計顯示電路模塊、時鐘電路模塊、超限處理模塊、復(fù)位電路模塊的程序。系統(tǒng)開始工作后，根據(jù)初始條件讀取濕度值和溫度值，測量數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，將其與設(shè)定的溫濕度值比較，如果發(fā)現(xiàn)當前的溫濕度超限，則發(fā)出報警信號，未超限時，系統(tǒng)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(tǒng)。

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

由于傳統(tǒng)的模擬式溫濕度傳感器一般不僅要設(shè)計信號調(diào)理電路，還要進行復(fù)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(shù)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(zhuǎn)換器于一體，可用來測量相對濕度、溫度和露點等參數(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)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(shù)與傳感器技術(shù)融合，為開發(fā)高集成度、高精度、高可靠性的溫濕度測控系統(tǒng)提供了解決方案。因此本設(shè)計采用方案二。

本設(shè)計核心部件為AT89C51，信號采集及處理部分由SHT11構(gòu)成，進入單片機經(jīng)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(fā)生電路，產(chǎn)生與現(xiàn)在相同的時間和具體日期，通過LCD1604液晶模塊顯示。

在軟件設(shè)計部分有對測量的溫濕度進行上下值的設(shè)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(chǎn)生長鳴。

硬件中包括一個開關(guān)，為復(fù)位開關(guān)。開機后，所有器件初始化，DS1302產(chǎn)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(jié)果。在測量結(jié)果中有超過設(shè)定的溫濕度上下限的，通過超限模塊做出反應(yīng)。

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(fù)位、晶振電路。

圖1.1 整體電路框圖

第2章 工具簡介

系統(tǒng)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(yōu)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?qū)崿F(xiàn)在高級語言中不能實現(xiàn)的運算，它有32個關(guān)鍵字，9種控制語句。和匯編語言一樣，它能夠?qū)ξ�，字�?jié)和地址進行操作；數(shù)據(jù)類型很豐富，能實現(xiàn)各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)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(yīng)用的結(jié)構(gòu)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(shè)計自由度高；C語言提供給用戶的方式是一函數(shù)的形式，它們可以方便調(diào)用，使得程序完全結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(qū)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(yīng)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(yīng)用，還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，并實現(xiàn)軟件源碼級的實時調(diào)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(tǒng)配置的虛擬儀器如示波器、邏輯分析儀等。

RS232終端等動態(tài)外設(shè)模型來對設(shè)計進行交互仿真。

關(guān)，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(fā)工具

KEIL C51標準C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)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(chǎn)品。C51已被完全集成到uVision2的集成開發(fā)環(huán)境中，這個集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編器，實時操作系統(tǒng)，項目管理器，調(diào)試器。uVision2 IDE可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。

① 項目管理

② 編輯器和調(diào)試器

③ C51編譯器

第3章 硬件設(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理

④ SHT11傳輸特性

3.2 模塊功能介紹

3.2.1 復(fù)位電路部分

端放電，電容又回到0V了，于是又進行了一次復(fù)位工作（這是手動復(fù)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(shè)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(jié)果。具體模塊由一個C主函數(shù)文件和9個H文件構(gòu)成。

H文件如下所示：

set_key.h；（限額報警函數(shù)）

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(shù)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(shù)

{

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(jié)構(gòu)體

SHT_dat aa;         //定義溫濕度測量處理結(jié)構(gòu)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(shù)

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(zhuǎn)換

  convert_SHT(&aa,HUMI);     //濕度轉(zhuǎn)換

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

  float_convert(&aa);        //將浮點數(shù)轉(zhuǎn)換成整型，各個位的數(shù)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(diào)試

編譯、調(diào)試，調(diào)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(shè)計選擇常用的 Ateml 公司的 AT89C51。

③ 在項目中創(chuàng)建新的程序文件。執(zhí)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(jié)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(jīng)生成了所需要的.hex文件。接下來在PROTEUS中進行仿真。打開已經(jīng)繪制好的仿真電路原理圖，選中單片機AT89C51，右鍵單擊AT89C51，出現(xiàn)相應(yīng)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(nèi)（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(shè)計成功。仿真結(jié)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(jīng)驗的缺乏，本設(shè)計整體上的性能還不是十分完善，設(shè)計中存在一些需要改進和優(yōu)化的地方。測量精度有待進一步提高，軟件設(shè)計也存在不合理之處。但從設(shè)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(shè)計，本人受益頗豐。

致  謝

經(jīng)過近兩個多月的努力，在陳英老師的悉心指導(dǎo)下我順利的完成了畢業(yè)設(shè)計。此次的畢業(yè)設(shè)計使我受益匪淺。做畢業(yè)設(shè)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(zhàn)。從接觸到畢業(yè)設(shè)計題目的那一刻起，我就開始仔細認真的查找相關(guān)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(yè)設(shè)計后，我發(fā)現(xiàn)自己不僅拓寬了專業(yè)理論知識，而且專業(yè)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(yè)設(shè)計的過程中，陳英老師不僅給我提了許多指導(dǎo)性的意見，還傾注了大量的心血。她兢兢業(yè)業(yè)的工作作風、科學嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和寬以待人、認真負責的優(yōu)秀品質(zhì)給我留下了非常深刻的印象。沒有陳英老師方向性的指導(dǎo)和幫助，我是不可能按時完成畢業(yè)設(shè)計的。感謝陳英老師在百忙之中給予我的精心指導(dǎo)和幫助。在做畢業(yè)設(shè)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(yè)設(shè)計。除此之外從陳老師那里，我還學到了嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)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(chǎn)生深遠的影響。在此，我要向我的導(dǎo)師陳英老師表示最衷心的感謝！另外，本設(shè)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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