单片机的温湿度控制系统设计
引言 2
Abstract
With AT89C51 as the core component, design based on single chip control of temperature and humidity system for displaying module in the system, introduces the hardware structure and the temperature and humidity monitoring circuit structure. The system has the calendar clock, temperature and humidity display, reset, proofreading, adjustment, alarm function, convenient operation, wide application range.
Key words: single chip microcomputer; temperature; humidity; display; measurement; calendar clock
引言
现代生活中，环境是比较重要的影响因素之一，影响最大的就是农业生产，其中最大的影响因素是温度和湿度。如果昼夜的温湿度变化大，对植物生长非常不利。因此对温湿度进行监测和控制，使其促进植物的生长，并且提高植物的产量和质量。目前我国农业正在向优质、高产、高效益为目标的现代农业进发 [1]。因此，温湿度测量控制是现代化农业的重要标志，作为农业生产种植周期短、品种优良、高产量的手段[2]。
在农产品的生产和贮存环节温湿度测量控制是极其重要的。温室大棚已得到广泛应用在现代生产中，但在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
我国人工管理是温室环境测量控制的主要手段，阻碍农业生产发展，严重影响农业生产效率。因此，使用先进的人工智能技术，有效地控制影响植物生长的因素，给植物最佳的生长环境，做到既提高产品的产量、质量，又尽可能的降低费用，这对温室环境自动测量和控制是极其有需要的。温湿度测量控制是温室测量控制设施的关键[3]。在贮存中，温湿度是粮库中粮食安全储藏的主要参数，但人工测量的方法是大多数粮库采用的，这不仅增加了粮库工作人员的工作量，使其工作效率低下，特别是大型粮库的温湿度检测控制若不能及时完成，就有可能造成大量粮食的变质。因此，完善的温湿度测量控制系统对生产存储是很有必要的[4] 。
此次设计的是基于单片机的温湿度测量系统，系统是以MCS-51系列单片机为核心的温湿度测量控制，并能实现报警和根据情况做出正确的处理方法。系统还有串口数据模块，可以将收集到的数据传送到计算机，提供给技术人员记录处理。
一、 系统总体设计与分析
（一）总体方案
根据设计功能要求，系统分如下部分：
ü 温湿度监控：对环境温湿度测量，通过单片机处理显示环境温湿度。
ü 报警处理：当温湿度超过限定的范围时，发出警报。
ü 显示： LCD显示温湿度和时间。
ü 键盘控制： 调整温湿度和时钟上下限。
ü 串口通信： 将收集的数据发送给PC机。
（二）系统方案论证
当单片机被用作测控系统时，系统必须要有被测量信号通过输入通道，并由单片机选取有用的信息。对于测量系统来说，核心任务是如何准确收集被测量信号；而对于测量控制系统来说，除对被控对象的信号测试外，还要把测试数据与控制条件对比，并实时控制对应设备。
实现测量控制的首要环节是传感器，传感器是测量控制系统的关键部件，传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量控制才能实现。工业生产过程中的自动化测量控制，几乎全部靠传感器来测量控制生产过程中的参量，使设备和系统正常运行，保证生产的效率和质量[5]。
这次设计的温湿度传感器是SHT11。
SHT11传感器是含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器有一个电容式聚合体测湿元件以及一个能隙式测温元件，并和一个14位的A/D转换器以及串行接曰电路在同一芯片上实现无缝连接。因此，SHT11品质优越、响应超快、抗干扰能力出众等特点。SHT11传感器的校准要求高，都在极为精确的温湿度校验室中进行校准。OTP内存中储存有校准系数，传感器内部在检验信号的处理过程中要调用校准系数。两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷。体积和功耗的微小，使其成为各类应用的最佳选择。
二、系统硬件设计
本系统硬件有：报警电路、单片机及附属电路、LCD显示、键盘控制、时钟模块、温湿度采集模块、RS232串口通信模块等。系统整体电路框图如图2.1所示。
图2.1 系统整体电路框图
（一）温湿度采集转换模块硬件设计
1.SHT11介绍
瑞士Sensirion公司推出的SHT11是基于COMSensTM技术的新型温湿度传感器。
温湿度传感器SHT11的主要特性如下：
? COMSensTM技术（将温湿度传感器、A/D转换、信号放大、I2C总线接口全部集成于同一块芯片中）；
? 具有全校准相对温湿度及温湿度值输出；
? 具有露点值计算输出；
? 具有长期稳定性；
? 可表面贴装，小体积（7.65×5.08×23.5mm）；
? 具有准确的CRC数据传输校验；
? 片内装载的校准系数能100%互换性；
? 电压范围为2.4～5.5V；
电流消耗,测量时为550uA，休眠时为3uA。
温湿度传感器 SHT11采用LCC (SMD)表面贴片形式，管脚排列如图2.2所示，其引脚如下：
(1) DATA：双向串行数据线；
(2)GND：接地端；
DATA三态门用于数据的读取。DATA在SCK时钟下降沿后改变状态，并只在SCK时钟上升沿有用。在数据传输期间，当SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号发生冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。需要把外部的上拉电阻将信号提升至高电平。上拉的电阻通常已包含在微处理器的I/O电路中。
(3)SCK：串行时钟输入；
SCK用于微处理器与SHT11之间的通讯同步。因为接口具有完全静态逻辑，所以不存在最小SCK频率。
(4)VDD电源端：0.4～5.5V电源端；
温湿度传感器SHT11的工作电压为2.4～5.5V。SHT11上电后，要等待11 ms后度过“体眠”状态。这段时间不需发送指令。电源引脚(VDD,GND)之间可增加一个100nF的电容，用以去藕滤波。
(5)NC：空管脚。
2. 工作原理
温湿度传感器SHT11的温湿度检测功能，使用静电容量型的结构，以及使用的不同保护的“微结构”测试电极系统具有聚合物涂层形成，除了保持原有的特性以外的电容式湿度传感器芯片电容器该设备，但也是为了抵御外界的影响。由于温度传感器和湿度传感器相结合，形成自，因此测量精度高，可以精确地得到的露点值，之间不产生的温度和湿度传感器的温度梯度引起的误差。 CMOSensTM技术不仅相结合的温度和湿度传感器，而且信号放大器，A / D转换，校准数据存储器，一个标准的I2C总线等电路集成在一个芯片上。 SHT11传感器的内部框图如图2.3所示。
Abstract
With AT89C51 as the core component, design based on single chip control of temperature and humidity system for displaying module in the system, introduces the hardware structure and the temperature and humidity monitoring circuit structure. The system has the calendar clock, temperature and humidity display, reset, proofreading, adjustment, alarm function, convenient operation, wide application range.
Key words: single chip microcomputer; temperature; humidity; display; measurement; calendar clock
引言
现代生活中，环境是比较重要的影响因素之一，影响最大的就是农业生产，其中最大的影响因素是温度和湿度。如果昼夜的温湿度变化大，对植物生长非常不利。因此对温湿度进行监测和控制，使其促进植物的生长，并且提高植物的产量和质量。目前我国农业正在向优质、高产、高效益为目标的现代农业进发 [1]。因此，温湿度测量控制是现代化农业的重要标志，作为农业生产种植周期短、品种优良、高产量的手段[2]。
在农产品的生产和贮存环节温湿度测量控制是极其重要的。温室大棚已得到广泛应用在现代生产中，但在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
我国人工管理是温室环境测量控制的主要手段，阻碍农业生产发展，严重影响农业生产效率。因此，使用先进的人工智能技术，有效地控制影响植物生长的因素，给植物最佳的生长环境，做到既提高产品的产量、质量，又尽可能的降低费用，这对温室环境自动测量和控制是极其有需要的。温湿度测量控制是温室测量控制设施的关键[3]。在贮存中，温湿度是粮库中粮食安全储藏的主要参数，但人工测量的方法是大多数粮库采用的，这不仅增加了粮库工作人员的工作量，使其工作效率低下，特别是大型粮库的温湿度检测控制若不能及时完成，就有可能造成大量粮食的变质。因此，完善的温湿度测量控制系统对生产存储是很有必要的[4] 。
此次设计的是基于单片机的温湿度测量系统，系统是以MCS-51系列单片机为核心的温湿度测量控制，并能实现报警和根据情况做出正确的处理方法。系统还有串口数据模块，可以将收集到的数据传送到计算机，提供给技术人员记录处理。
一、 系统总体设计与分析
（一）总体方案
根据设计功能要求，系统分如下部分：
ü 温湿度监控：对环境温湿度测量，通过单片机处理显示环境温湿度。
ü 报警处理：当温湿度超过限定的范围时，发出警报。
ü 显示： LCD显示温湿度和时间。
ü 键盘控制： 调整温湿度和时钟上下限。
ü 串口通信： 将收集的数据发送给PC机。
（二）系统方案论证
当单片机被用作测控系统时，系统必须要有被测量信号通过输入通道，并由单片机选取有用的信息。对于测量系统来说，核心任务是如何准确收集被测量信号；而对于测量控制系统来说，除对被控对象的信号测试外，还要把测试数据与控制条件对比，并实时控制对应设备。
实现测量控制的首要环节是传感器，传感器是测量控制系统的关键部件，传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量控制才能实现。工业生产过程中的自动化测量控制，几乎全部靠传感器来测量控制生产过程中的参量，使设备和系统正常运行，保证生产的效率和质量[5]。
这次设计的温湿度传感器是SHT11。
SHT11传感器是含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器有一个电容式聚合体测湿元件以及一个能隙式测温元件，并和一个14位的A/D转换器以及串行接曰电路在同一芯片上实现无缝连接。因此，SHT11品质优越、响应超快、抗干扰能力出众等特点。SHT11传感器的校准要求高，都在极为精确的温湿度校验室中进行校准。OTP内存中储存有校准系数，传感器内部在检验信号的处理过程中要调用校准系数。两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷。体积和功耗的微小，使其成为各类应用的最佳选择。
二、系统硬件设计
本系统硬件有：报警电路、单片机及附属电路、LCD显示、键盘控制、时钟模块、温湿度采集模块、RS232串口通信模块等。系统整体电路框图如图2.1所示。
图2.1 系统整体电路框图
（一）温湿度采集转换模块硬件设计
1.SHT11介绍
瑞士Sensirion公司推出的SHT11是基于COMSensTM技术的新型温湿度传感器。
温湿度传感器SHT11的主要特性如下：
? COMSensTM技术（将温湿度传感器、A/D转换、信号放大、I2C总线接口全部集成于同一块芯片中）；
? 具有全校准相对温湿度及温湿度值输出；
? 具有露点值计算输出；
? 具有长期稳定性；
? 可表面贴装，小体积（7.65×5.08×23.5mm）；
? 具有准确的CRC数据传输校验；
? 片内装载的校准系数能100%互换性；
? 电压范围为2.4～5.5V；
电流消耗,测量时为550uA，休眠时为3uA。
温湿度传感器 SHT11采用LCC (SMD)表面贴片形式，管脚排列如图2.2所示，其引脚如下：
(1) DATA：双向串行数据线；
(2)GND：接地端；
DATA三态门用于数据的读取。DATA在SCK时钟下降沿后改变状态，并只在SCK时钟上升沿有用。在数据传输期间，当SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号发生冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。需要把外部的上拉电阻将信号提升至高电平。上拉的电阻通常已包含在微处理器的I/O电路中。
(3)SCK：串行时钟输入；
SCK用于微处理器与SHT11之间的通讯同步。因为接口具有完全静态逻辑，所以不存在最小SCK频率。
(4)VDD电源端：0.4～5.5V电源端；
温湿度传感器SHT11的工作电压为2.4～5.5V。SHT11上电后，要等待11 ms后度过“体眠”状态。这段时间不需发送指令。电源引脚(VDD,GND)之间可增加一个100nF的电容，用以去藕滤波。
(5)NC：空管脚。
2. 工作原理
温湿度传感器SHT11的温湿度检测功能，使用静电容量型的结构，以及使用的不同保护的“微结构”测试电极系统具有聚合物涂层形成，除了保持原有的特性以外的电容式湿度传感器芯片电容器该设备，但也是为了抵御外界的影响。由于温度传感器和湿度传感器相结合，形成自，因此测量精度高，可以精确地得到的露点值，之间不产生的温度和湿度传感器的温度梯度引起的误差。 CMOSensTM技术不仅相结合的温度和湿度传感器，而且信号放大器，A / D转换，校准数据存储器，一个标准的I2C总线等电路集成在一个芯片上。 SHT11传感器的内部框图如图2.3所示。
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