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1、1库房室温巡视监测报警仪设计说明书2目录一、设计任务、要求和目标分析3二、控制系统的功能、技术参数的分析和制定3三、系统框图组成和方案设计3四、系统各元器件介绍54.1、温湿度传感器的工作原理和应用技术介绍54.2、单片机的工作原理和应用技术介绍94.3、键盘电路的工作原理和应用技术介绍134.4、报警器的工作原理和应用技术介绍144.5、显示器的工作原理和应用技术介绍164.6、光敏电阻的工作原理和应用技术介绍184.7、三极管的工作原理和应用技术介绍204.8、系统电源电路的电参数的计算和分析224.9、硬件电路的绘制235、系统软件介绍-235.1、SHT11 温湿度传感器软件设计245
2、.2、独立按键软件设计245.3、LCD1602 显示器软件设计255.4、系统主程序软件设计25六、实验调试方法-263七、设计结论-27八、附录298.1参考文献298.2软件程序294一、设计任务、要求和目标分析本课程设计的任务为利用温度传感器、湿度传感器和单片机技术，完成一个能在农业大棚上使用的温湿度及光照强度监测系统。要求报警温度可设定输入，大棚温度测量误差为0.5C，报警湿度可设定输入，大棚湿度测量误差为4%RH，光照强度可设定输入，大棚光照强度测量误差为4%，温湿度、光照强度与设定值不同时，发出警报，同时监测报警仪具有日期、时钟显示功能。二、控制系统的功能、技术参数的分析和制定2
3、.1 技术参数a.温度测量范围：0C-50Cb.温度测量精度：0.5Cc.湿度测量范围：50RH-90RHd.湿度测量精度：4%RHe.光照强度测量范围：0-20000Luxf.光照强度测量精度：4%2.2 技术参数分析农业常用的温湿度传感器为 HTU21D 传感器，HTU210 传感器温度测量范围为-40C-105C，温度测量精度为0.3C，湿度测量范围为 0-100%RH，湿度测量精度为2%RH。考虑到农产品生产环境，我们将温度测量范围定为 0C-50C，湿度测量范围定为 50-90RH。考虑到精度越高，成本越高，综合现有传感器的精度，将温度测量精度定为0.5C，湿度测量精度定为4%RH。
4、光照强度用光敏电阻检测，农产品生产环境中，需要的光照强度最高为20000Lux，所以将光照强度测量范围定位 0-20000Lux。考虑到精度越高，成本越高，综合现有光敏电阻精度，将光照强度精度定为4%。三、系统的总体控制框图的设计和方案设计3.1 系统框图组成5图 3.1.1根据所选择的元器件，系统框图可细化为下图所示。图 3.1.23.2 方案设计本课程设计的任务为利用温度传感器、湿度传感器和单片机技术，完成一个能在农业大棚上使用的温湿度及光照强度监测系统。本方案使用 SHT11 进行温湿度的监测，光敏电阻进行光照强度的监测，并6由 A/D 转换器 PCF8591 转换为电信号输出，由独立按
5、键设置用户给定温湿度和光照强度，通过 LCD1602 显示输出，由电磁式蜂鸣器报警。四、系统各元器件介绍4.1 温湿度传感器的工作原理和应用技术介绍4.1.1 温湿度传感器的选择方案一:温度传感器:温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的 DS18B20 温度传感器当仁不让。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得 DS18B20 更受欢迎。其测温范围为55+125，在-1085范围内，精度为05。每一个DS18B20 芯片的 ROM 中存放了一个 64 位 ID 号：前 8 位是产品类型编号，随后48 位是该器件的自身序
6、号，最后 8 位是前面 56 位的循环冗余校验码。因此，一条总线上可以同时挂接多个 DS18B20，实现多点测温系统。另外用户还可根据实际情况设定非易失性温度报警上下限值 TH 和 TL。DS18B20 检测到温度值经转换为数字量后，自动存入存储器中，并与设定值 TH 或 TL 进行比较，当测量温度超出给定范围时，就输出报警信号，并自动识别是高温超限还是低温超限。湿度传感器:HS1100/HS1101 在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（H
7、S1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。相对湿度在 1%-100%RH范围内；电容量由 16pF 变到 200pF，其误差不大于2%RH；响应时间小于 5S；温度系数为 0.04 pF/。可见精度是较高的。方案二：采用湿度和温度测量，即用一个温湿度传感器 SHT11 实现。温湿度传感器SHT11 将湿度测量、温度测量、信号变换、A/D 转换等功能集合到一个芯片上，该芯片包含一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这个两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该信号首先进入微7弱信号放大器进行信号放大，
8、然后进入一个 14 位的 A/D 转换器，最后经过二线串行数字接口输出数字信号，采用数码管显示所测湿度。由于传统的模拟式温湿度传感器（方案一）一般不仅要设计信号电路，还要经过复杂的校准和标定过程，其测量精度难以保证。而方案二直接输出数字信号，免外围电路，所以本设计选用方案二。4.1.2 SHT11 温湿度传感器的引脚说明图 4.1.1引脚说明如下： （1）GND：接地端；（2）DATA：双向串行数据线；（3）SCK：串行时钟输入；（4）VDD 电源端：0.45.5V 电源端；（58）NC：空管脚。4.1.3 SHT11 温湿度传感器的性能参数a. SHT11 温湿度传感器的主要特性如下： （1
9、）将温湿度传感器、信号放大调理、A/D 转换、I2C 总线接口全部集成于一芯片（CMOSensTM 技术）； （2）可给出全校准相对湿度及温度值输出；（3）带有工业标准的 I2C 总线数字输出接口；（4）具有露点值计算输出功能；（5）具有卓越的长期稳定性； （6）湿度值输出分辨率为 14 位，温度值输出分辨率为 12 位，并可编程为12 位和 8 位； 8（7）小体积（7.65x5.08x23.5mm），可表面贴装；（8）具有可靠的 CRC 数据传输校验功能；（9）片内装载的校准系数可保证 100%互换性;（10）电源电压范围为 2.45.5V; （11）电流消耗,测量时为 550A，平均为
10、28A，休眠时为 3A。b. SHT11 温湿度传感器的主要参数如下：测量范围 测湿精度 测温精度 分辨率 封装形式20-90RH 0-503%RH 0.4 8-12bit 略表 4.1.1c. SHT11 温湿度传感器的电气特性 参数 条件 min typ max 单位供电电压 2.4 3.3 5.5 V休眠状态 2 5 W测量状态 3 mW功耗 s平均 150 W通讯 2 线制数字接口，参见通讯存储条件 10-50（0-125peak），20-60%RH表 4.1.24.1.4 SHT11 温湿度传感器的内部结构及其工作原理 SHT11 传感器的内部结构框图如图所示。9图 4.1.2SHT
11、11 的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。SHT11 传感器的校准系数预先存在 OTP 内存中。经校准的相对湿度和温度传感器与一个 14 位的A/D 转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线 I2C 总线器件，从而将数字信号转换为符合 I2C 总线协议的串行数字信号。 SHT11 工作的系统框图如下。图 4.1.34.1.5 SHT11 的接口电路图10图 4.1.4P22、p23 分别为单片机 P2.2、P2.3 接口。4.1.6 器件分析SHT11 温湿度传感器测量范围为 20-90RH 和 0-50，精度范围为3%RH 和0.4。而我们一开始设定的温度测量范围为 0C-50
12、C，温度测量精度为 0.5C，湿度测量范围为 50RH-90RH，湿度测量精度为 4%RH。SHT11 的分辨率为 8-12bit，对应的可分辨温度分别为 1、0.5、0.25、0.125、0.0625，满足一开始设定的要求。SHT11 需要的供电电压一般为 2.4-5.5V，满足低电压和低功率要求。所以满足开始设定的技术参数要求与电压要求。4.2 单片机的工作原理和应用技术介绍 4.2.1 单片机的选择方案一：采用 MCS-51 系列单片机中的 AT89C51 芯片作为核心器件，有 4K 字节的内部 FLASH PERAM，能于 3V 的超低压工作，而且与 MCS-51 系列单片机完全兼容，
13、但是运用于电路设计中时由于不具备 ISP 在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。方案二：11采用 AT89C52 芯片作为核心器件,片内 ROM 全都采用 Flash ROM；能以 3V的超低压工作；同时也与 MCS-51 系列单片机完全兼容。该芯片内部存储器为8KB ROM 存储空间，同样具有 89C51 的功能，并且具有在线编程技术，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，由此不会对芯片造成损坏。AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 八位微控制器，具有 8K
14、 在系统可编程 Flash 存储器，使用 ATMEL 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许 ROM 在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使其为众多嵌入式控制应用系统提供灵活的解决方案。所以本设计采用 AT89C52 作为主控制系统。4.2.2 AT89C52 单片机的引脚功能 图 4.2.1a. P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口 P0 写“
15、1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。b. P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存12在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与 AT89C51 不同之处是，P1.0 和 P1.1 还可分别作为定时/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），Flash 编程
