数字式温湿度控制器的设计与实现
数字式温湿度控制器的设计与实现[20191213112914]
摘 要
现在，温湿度控制已成为当今社会研究的热门项目，是工农业生产过程中必须考虑的因素。作为最常见的被控参数，温度和湿度已经不再是相互独立的物理量，而应在系统中综合考虑。因此，温湿度数据被广泛应用于实验室、化工、医药、食品、大棚、花圃、粮仓乃至土壤等等各个领域，时刻和我们的生产生活息息相关。
本设计研究了包括硬件电路的设计和系统软件在内的温湿度控制系统。硬件电路以单片机为核心包括温湿度传感器、显示模块、报警模块以及控制设备等5部分。其中采用温湿传感器及1602字符型液晶模块构成系统显示模块；测温湿度控制电路由温湿度传感器和预设温度值进行比较来报警组成；用户根据需要预先输入预设值，当实际测量的温湿度不符合预设的温湿度标准时，发出报警信号，启动相应控制。软件部分包括了主程序、显示子程序、测温湿度子程序。本设计是采用51系列单片机中的AT89C52和DHT11构成的低成本、高性能的温湿度的检测控制系统，该系统具有控温、湿精度高、功能强、体积小、价格低，简单灵活等优点，很好的满足了工艺要求。
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关键字:AT89C52；DHT11；温湿度传感器
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究意义 2
第2章 系统总体方案设计 3
2.1 设计要求 3
2.2 设计思路 3
2.3 方案选择 3
2.3.1 传感器选择方案 3
2.3.2 显示器选择方案 4
2.3.3 单片机主芯片选择方案 5
2.4 总体方案确定 6
2.5 功能说明 7
第3章 硬件系统的组成和原理 8
3.1 单片机模块的设计 8
3.1.1 单片机简介 8
3.1.2 单片机模块电路原理图 15
3.2 温湿度传感器的设计 15
3.2.1 DHT11传感器简介 15
3.2.2 DHT11传感器模块电路原理图 19
3.3 显示电路的设计 20
3.3.1 LCD1602简介 20
3.3.2 1602液晶显示模块电路原理图 23
3.4 温湿度上限存储 24
3.4.1 24C02存储器简介 24
3.4.2 AT24C02存储器电路原理图 25
3.5 继电器驱动电路 25
3.6 报警和按键电路 28
第4章 系统开发的工具选择 29
4.1 硬件系统的设计 29
4.2 软件系统的设计 35
4.2.1 软件主流程图 35
4.2.2 按键流程图 35
4.2.3 定时器流程图 36
4.2.4 显示模块流程图 36
4.2.5 DHT11温湿度采集模块流程图 43
4.3 软件系统的开发工具 46
4.3.1 keil uvision4 简介 46
4.3.2 程序介绍 47
4.3.3 下载与调试 49
第5章 温湿度系统实现和调试 51
参考文献 54
致谢 55
附录 1 57
附录 2 59
附录 3 60
第1章 绪论
1．1 课题研究背景
温湿度控制广泛应用于工业控制、医疗卫生和日常生活等领域中，过去人们通常使用温度计、湿度计来采集温度和湿度，通过人工加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。某些行业对温湿度的要求很高，由于温度或湿度过高过低引起的器件失效或各种事故有发生，影响行业的可靠运行性及安全,所以对温湿度的监控尤为重要【1】。本课题要求设计并实现一种高精度数字式温湿度控制器，尤其是改革开放以来，人们对生活质量要求显著提高，例如在食品行业，该行业目前在中国总体上还是属于一个管理粗放、劳动密集型的传统行业，但随着经济的发展和人们生活水品的提高，以及社会对食品安全问题的高度关注，就需要利用更加科学的管理方式和技术设备来细化并严格控制食品工业的各个工艺流程。特别是一些生鲜和敏温食品，如速冻调理食品、冷鲜肉、鲜牛奶、酸奶、冰激凌、蔬菜、水果、海鲜、快餐等。这些产品从原料——加工——仓储——运输——货架这一过程中，都需要对温度进行严格的监测记录。其中食品的加工工艺中，与温湿度紧密相关的杀菌灭菌工艺，更是直接关系到食品安全与否。如罐头食品 、香肠、饮料、啤酒等食品的热力灭菌[1]。
还有就是在化工电子电子行业：该行业主要面向环氧树脂、高端复合材料、精密微电子、集成芯片、光电元器件等精细化工产品诸如环氧树脂、高端复合材料等，在储存运输过程中，对环境温湿度条件及较剧烈地震动都有特殊要求。如果一些参数控制不当就会造成品质不稳定甚至产生废品。潮湿是电子产品质量的致命敌人，绝大部分电子产品都要求在干燥条件下作业和存放。据统计，全球每年有1/4以上的工业制造不良品与潮湿的危害有关。对于电子工业，潮湿的危害已经成为影响产品质量的主要因素之一【1】。如集成电路、液晶器件、硅晶片、作业过程中的电子器件及成品电子等，在高湿度环境下存储时间过长，将对一些焊盘和芯片引脚表面产生氧化导致接触不良发生故障。电子工业产品的生产和产品
的存储环境湿度一般应该在40%以下，有些特殊品种还要求更低的温湿度。此外还有对生命科学等行业，生活中常见的疫苗，我们都知道是需要冷藏的，一般储藏温度在2～8℃，有些需要在-18℃冷冻，其实还有更多的生物制品都对储运环境有着严格的要求，如血浆、血液制品、生物制剂等等。有些特殊的生物制品甚至要在-50℃低温下用干冰储运。一旦温湿度超过限定值，都将对这些生物制品的品质产生非常大的影响。因此这些与生命科学相关的领域，对仪器设备的要求就比其他行业都要高，特别是在运输过程中对监测仪器的体积有特殊的要求，原因是很多的生物制品样品都是通过昂贵的空运【2】。因此对温度和湿度的数据测的采集的要求更加迫切，而基于单片机的温湿度控制系统对解决这些问题有着非常重大的意义。
1．2 课题研究意义
数字式温湿度控制对于单片机的应用具有一定的实际意义，它实际上代表了一类自动控制的方法，这类自动控制方法应用十分广泛。51系列单片机是常用于控制的芯片，他在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果，用其作为温湿度控制系统的实例也很多[1]。在本设计中使用51系列单片机能够实现温湿度全程的自动控制，而且51系列单片机易于学习、掌握，性价比高。本次设计我使用AT89C52单片机能够实现温湿度全程的自动控制，而且AT89C52单片机易于学习、掌握，性价比高。此外，单片机芯片的微小体积和极低的成本，可广泛的嵌入到电子系统、办公自动化、舰船、个人信息终端及通信产品等方方面面，成为现代电子系统中最重要的智能化工具[2]。
使用AT89C52系列单片机设计温湿度控制系统，可以及时、精确的反映室内的温度以及湿度的变化。完成诸如升温到特定温度、降温到特定温度、在温度上下限范围内保持恒温等多种控制方式，在湿度控制方面也是如此。将此系统应用到温室当中无疑为植被的生长提供了更加适宜的环境，为人们的生活提供更为舒适的环境，为工农业生产提供更为更安全的保障。此外，本设计该特点是系统电路简单、工作稳定、集成度高、调试方便、测试精度高。
第2章 系统总体方案设计
2.1 设计要求
本课题要求设计并实现一种高精度数字式温湿度控制器，按照人性化的设计。界限温度值及湿度值能够自动采集温湿度数据信号输入并通过显示器显示。能够实时、准确的显示采样温度值与湿度值。要求完成：
1、以单片机为核心，实现温度和湿度的实时检测、显示、数据储存和数据通讯；
2、实现数据的高精度、高准确性；
3、通过键盘可设置温湿度的上下限，根据现场情况，自动启动风扇或加热器，实现对被测环境的自动调节。
2.2 设计思路
电路总体上分为温湿度采集部分、中央处理器、显示模块以及报警模块部分。以单片机最小系统作为核心控制电路，控制温湿度传感器采集的温湿度的转换，控制液晶屏的显示，以及指示灯的报警。具体显示内容及方式由软件来完成。采集温湿度数据方面由温湿度传感器来完成，具体步骤是：按照原理图将温室度传感器、液晶显示屏分别接入单片机。通过温湿度传感器采集当前的温湿度值、再经单片机，将处理后的数据传送到液晶屏上显示出来。并且接入LED指示灯报警。设置温度的上下限值，实现越限报警。并且连入继电器，控制风扇或者加热装置进行降温和除湿工作。
2.3 方案选择
2.3.1 传感器选择方案
方案一：选用DS18B20温度传感器作为温度检测模块。DS18B20是一线式数字温度传感器。具有独特的单线式接口方式。测量范围在—55℃~125℃，—10℃~85℃，误差范围在正负0.5℃。最高精度可达0.0625℃。
HS1101是电容式湿度传感器。可测量相对湿度范围在0%~100%RH。误差为正负2%RH[2]。
方案二： 选用DHT11作为设计的温湿度检测模块。DHT11是一款集成型的数字温湿度一体传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有成本低、相对湿度和温度测量、超快响应、抗干扰能力强、超长的信号传输距离、数字信号输出、精确校准等优点。测量范围20%~90%RH，0℃~50℃。测温精度为正负2℃，测湿精度为正负5%RH。完全符合本次毕业设计的要求。
经上述分析，方案一虽然精度更精确，但是实际设计却稍显复杂，尤其是DS18B20采用一线通信接口。因为一线通信接口，必须在先完成ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。此外采用温度和湿度两个数据收集，后期数据处理起来也比较麻烦。方案二在能实现方案一的高精度测量的同时也能满足设计要求，且简便易行，可靠稳定。具有超高的性价比。故选择方案二。
2.3.2 显示器选择方案
方案一：采用12232液晶显示屏。液晶显示模块是128×32点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等功能，此外还具有低功耗、供应电压范围宽等特点。可以16common和61segment输出，并可外接驱动IC扩展驱动，具有2560位显示RAM（DD RAM），即80×8×4位，具有与68系列或80系列相适配的MPU接口功能，并有专用的指令集，可完成文本显示或图形显示的功能设置[3]。
方案二：采用LCD1602液晶显示屏。LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02 即32个字符。（16列2行）。1602只能显示字母、数字和符号能显示16*2个字符，但寄存器不止32个，有一些显示效果，如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示等等，显示效果简单。
综上所述：在编程使用方面，两者难度差不多，原理差不多，都是写指令、写地址、写数据等等。当然12232液晶屏显示更全面、字符更多。相比于1602液晶屏、12232能更形象具体的实现显示功能。不过1602液晶屏也能实现设计的要求。从造价方面考虑，1602性价比更高。因此LCD1602A就是最好的选择。
2.3.3 单片机主芯片选择方案
方案一：AT89C51系列是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS型8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大。其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保
护我们的劳动成果。再者，AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且擦写时间仅需lO ms。AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。PO口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作[3]。
摘 要
现在，温湿度控制已成为当今社会研究的热门项目，是工农业生产过程中必须考虑的因素。作为最常见的被控参数，温度和湿度已经不再是相互独立的物理量，而应在系统中综合考虑。因此，温湿度数据被广泛应用于实验室、化工、医药、食品、大棚、花圃、粮仓乃至土壤等等各个领域，时刻和我们的生产生活息息相关。
本设计研究了包括硬件电路的设计和系统软件在内的温湿度控制系统。硬件电路以单片机为核心包括温湿度传感器、显示模块、报警模块以及控制设备等5部分。其中采用温湿传感器及1602字符型液晶模块构成系统显示模块；测温湿度控制电路由温湿度传感器和预设温度值进行比较来报警组成；用户根据需要预先输入预设值，当实际测量的温湿度不符合预设的温湿度标准时，发出报警信号，启动相应控制。软件部分包括了主程序、显示子程序、测温湿度子程序。本设计是采用51系列单片机中的AT89C52和DHT11构成的低成本、高性能的温湿度的检测控制系统，该系统具有控温、湿精度高、功能强、体积小、价格低，简单灵活等优点，很好的满足了工艺要求。
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关键字:AT89C52；DHT11；温湿度传感器
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 课题研究意义 2
第2章 系统总体方案设计 3
2.1 设计要求 3
2.2 设计思路 3
2.3 方案选择 3
2.3.1 传感器选择方案 3
2.3.2 显示器选择方案 4
2.3.3 单片机主芯片选择方案 5
2.4 总体方案确定 6
2.5 功能说明 7
第3章 硬件系统的组成和原理 8
3.1 单片机模块的设计 8
3.1.1 单片机简介 8
3.1.2 单片机模块电路原理图 15
3.2 温湿度传感器的设计 15
3.2.1 DHT11传感器简介 15
3.2.2 DHT11传感器模块电路原理图 19
3.3 显示电路的设计 20
3.3.1 LCD1602简介 20
3.3.2 1602液晶显示模块电路原理图 23
3.4 温湿度上限存储 24
3.4.1 24C02存储器简介 24
3.4.2 AT24C02存储器电路原理图 25
3.5 继电器驱动电路 25
3.6 报警和按键电路 28
第4章 系统开发的工具选择 29
4.1 硬件系统的设计 29
4.2 软件系统的设计 35
4.2.1 软件主流程图 35
4.2.2 按键流程图 35
4.2.3 定时器流程图 36
4.2.4 显示模块流程图 36
4.2.5 DHT11温湿度采集模块流程图 43
4.3 软件系统的开发工具 46
4.3.1 keil uvision4 简介 46
4.3.2 程序介绍 47
4.3.3 下载与调试 49
第5章 温湿度系统实现和调试 51
参考文献 54
致谢 55
附录 1 57
附录 2 59
附录 3 60
第1章 绪论
1．1 课题研究背景
温湿度控制广泛应用于工业控制、医疗卫生和日常生活等领域中，过去人们通常使用温度计、湿度计来采集温度和湿度，通过人工加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。某些行业对温湿度的要求很高，由于温度或湿度过高过低引起的器件失效或各种事故有发生，影响行业的可靠运行性及安全,所以对温湿度的监控尤为重要【1】。本课题要求设计并实现一种高精度数字式温湿度控制器，尤其是改革开放以来，人们对生活质量要求显著提高，例如在食品行业，该行业目前在中国总体上还是属于一个管理粗放、劳动密集型的传统行业，但随着经济的发展和人们生活水品的提高，以及社会对食品安全
还有就是在化工电子电子行业：该行业主要面向环氧树脂、高端复合材料、精密微电子、集成芯片、光电元器件等精细化工产品诸如环氧树脂、高端复合材料等，在储存运输过程中，对环境温湿度条件及较剧烈地震动都有特殊要求。如果一些参数控制不当就会造成品质不稳定甚至产生废品。潮湿是电子产品质量的致命敌人，绝大部分电子产品都要求在干燥条件下作业和存放。据统计，全球每年有1/4以上的工业制造不良品与潮湿的危害有关。对于电子工业，潮湿的危害已经成为影响产品质量的主要因素之一【1】。如集成电路、液晶器件、硅晶片、作业过程中的电子器件及成品电子等，在高湿度环境下存储时间过长，将对一些焊盘和芯片引脚表面产生氧化导致接触不良发生故障。电子工业产品的生产和产品
的存储环境湿度一般应该在40%以下，有些特殊品种还要求更低的温湿度。此外还有对生命科学等行业，生活中常见的疫苗，我们都知道是需要冷藏的，一般储藏温度在2～8℃，有些需要在-18℃冷冻，其实还有更多的生物制品都对储运环境有着严格的要求，如血浆、血液制品、生物制剂等等。有些特殊的生物制品甚至要在-50℃低温下用干冰储运。一旦温湿度超过限定值，都将对这些生物制品的品质产生非常大的影响。因此这些与生命科学相关的领域，对仪器设备的要求就比其他行业都要高，特别是在运输过程中对监测仪器的体积有特殊的要求，原因是很多的生物制品样品都是通过昂贵的空运【2】。因此对温度和湿度的数据测的采集的要求更加迫切，而基于单片机的温湿度控制系统对解决这些问题有着非常重大的意义。
1．2 课题研究意义
数字式温湿度控制对于单片机的应用具有一定的实际意义，它实际上代表了一类自动控制的方法，这类自动控制方法应用十分广泛。51系列单片机是常用于控制的芯片，他在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果，用其作为温湿度控制系统的实例也很多[1]。在本设计中使用51系列单片机能够实现温湿度全程的自动控制，而且51系列单片机易于学习、掌握，性价比高。本次设计我使用AT89C52单片机能够实现温湿度全程的自动控制，而且AT89C52单片机易于学习、掌握，性价比高。此外，单片机芯片的微小体积和极低的成本，可广泛的嵌入到电子系统、办公自动化、舰船、个人信息终端及通信产品等方方面面，成为现代电子系统中最重要的智能化工具[2]。
使用AT89C52系列单片机设计温湿度控制系统，可以及时、精确的反映室内的温度以及湿度的变化。完成诸如升温到特定温度、降温到特定温度、在温度上下限范围内保持恒温等多种控制方式，在湿度控制方面也是如此。将此系统应用到温室当中无疑为植被的生长提供了更加适宜的环境，为人们的生活提供更为舒适的环境，为工农业生产提供更为更安全的保障。此外，本设计该特点是系统电路简单、工作稳定、集成度高、调试方便、测试精度高。
第2章 系统总体方案设计
2.1 设计要求
本课题要求设计并实现一种高精度数字式温湿度控制器，按照人性化的设计。界限温度值及湿度值能够自动采集温湿度数据信号输入并通过显示器显示。能够实时、准确的显示采样温度值与湿度值。要求完成：
1、以单片机为核心，实现温度和湿度的实时检测、显示、数据储存和数据通讯；
2、实现数据的高精度、高准确性；
3、通过键盘可设置温湿度的上下限，根据现场情况，自动启动风扇或加热器，实现对被测环境的自动调节。
2.2 设计思路
电路总体上分为温湿度采集部分、中央处理器、显示模块以及报警模块部分。以单片机最小系统作为核心控制电路，控制温湿度传感器采集的温湿度的转换，控制液晶屏的显示，以及指示灯的报警。具体显示内容及方式由软件来完成。采集温湿度数据方面由温湿度传感器来完成，具体步骤是：按照原理图将温室度传感器、液晶显示屏分别接入单片机。通过温湿度传感器采集当前的温湿度值、再经单片机，将处理后的数据传送到液晶屏上显示出来。并且接入LED指示灯报警。设置温度的上下限值，实现越限报警。并且连入继电器，控制风扇或者加热装置进行降温和除湿工作。
2.3 方案选择
2.3.1 传感器选择方案
方案一：选用DS18B20温度传感器作为温度检测模块。DS18B20是一线式数字温度传感器。具有独特的单线式接口方式。测量范围在—55℃~125℃，—10℃~85℃，误差范围在正负0.5℃。最高精度可达0.0625℃。
HS1101是电容式湿度传感器。可测量相对湿度范围在0%~100%RH。误差为正负2%RH[2]。
方案二： 选用DHT11作为设计的温湿度检测模块。DHT11是一款集成型的数字温湿度一体传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有成本低、相对湿度和温度测量、超快响应、抗干扰能力强、超长的信号传输距离、数字信号输出、精确校准等优点。测量范围20%~90%RH，0℃~50℃。测温精度为正负2℃，测湿精度为正负5%RH。完全符合本次毕业设计的要求。
经上述分析，方案一虽然精度更精确，但是实际设计却稍显复杂，尤其是DS18B20采用一线通信接口。因为一线通信接口，必须在先完成ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。此外采用温度和湿度两个数据收集，后期数据处理起来也比较麻烦。方案二在能实现方案一的高精度测量的同时也能满足设计要求，且简便易行，可靠稳定。具有超高的性价比。故选择方案二。
2.3.2 显示器选择方案
方案一：采用12232液晶显示屏。液晶显示模块是128×32点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等功能，此外还具有低功耗、供应电压范围宽等特点。可以16common和61segment输出，并可外接驱动IC扩展驱动，具有2560位显示RAM（DD RAM），即80×8×4位，具有与68系列或80系列相适配的MPU接口功能，并有专用的指令集，可完成文本显示或图形显示的功能设置[3]。
方案二：采用LCD1602液晶显示屏。LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02 即32个字符。（16列2行）。1602只能显示字母、数字和符号能显示16*2个字符，但寄存器不止32个，有一些显示效果，如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示等等，显示效果简单。
综上所述：在编程使用方面，两者难度差不多，原理差不多，都是写指令、写地址、写数据等等。当然12232液晶屏显示更全面、字符更多。相比于1602液晶屏、12232能更形象具体的实现显示功能。不过1602液晶屏也能实现设计的要求。从造价方面考虑，1602性价比更高。因此LCD1602A就是最好的选择。
2.3.3 单片机主芯片选择方案
方案一：AT89C51系列是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS型8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大。其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保
护我们的劳动成果。再者，AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且擦写时间仅需lO ms。AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。PO口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作[3]。
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