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1、基于单片机的湿度传感器设计与实现1基于单片机的湿度传感器设计与实现一 系 统 方 案1.1 系统功能本文设计的湿度传感器应具备以下功能：（1） 能够感受环境中的湿度变化。（2） 能够将环境中的湿度变化转化为电信号。（3） 系统能够对采集到的湿度信号进行分析处理。（4） 能够将环境中的湿度以相对湿度的形式显示出来便于观察记录。（5） 系统反应快、灵敏度高、稳定性好，具有一定的抗干扰能力。（6） 电路简单，操作方便、性价比高、实用性强。根据系统功能要求，湿度传感器系统图包含以下模块： 信号采集模块 信号处理存储模块 信号显示模块图 1.1 湿度传感器系统框图1.2 系统组成模块1.2.1 信号采集
2、模块设计本设计为智能式湿度传感器的设计，信号采集模块主要是用于测量环境中湿度变化，并将湿度变化转变成电信号的变化。因此，我们需要一个湿度传感器。和测量范围一样，测量精度同是传感器最重要的指标。每提高个百分点对传感器来说就是上一个台阶，甚至是上一个档次。因为要达到不同的精度，其制造成本相差很大，售价也相差甚远。例如进口的 1 只廉价的湿度传感器只有几美元，而 1 只供标定用的全湿程湿度传感器要几百美元，相差近百倍。所以使用者一定要量体裁衣，不宜盲目追求“高、精、尖” 。生产厂商往往是分段给出其湿度传感器的精度的。如中、低温段(0 一80RH)为2RH，而高湿段(80100RH)为4RH。而且此精
3、度是在某一指定温度下(如 25)的值。如在不同温度下使用湿度传感器其示值还要考虑温度漂移的影响。众所周知，相对湿度是温度的函数，温度严重地影响着指定空间内的相对湿度。温度每变化 0.1。将产生 0.5RH 的湿度变化(误差)。使用场合如果难以做到恒温，则提出过高的测湿精度是不合适的。因为湿度随着温度的变化也漂忽不定的话，奢谈测湿精度将失去实际意义。所以控湿首先要控好温，这就是大量应用的往往是温湿度体化传感器而不单纯是湿度传感器的缘故。多数情况下，如果没有精确的控温手段，或者被测空间是非密封的，5RH 的精度就足够了。因 此 在 本 次 设 计 中 选 用 DHT11 温 湿 传 感 器 作 为
4、 本 次设 计 湿 度 采 集 模 块 。DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。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。DHT11 的性能也很良好，其供电电压： 基于单片机的湿度传感器设计与实现23.35.5V 单总线数字信号测量范围： 湿度 20-90%RH，温度 050；测量精度：湿度+-5%RH，温度+-2；分辨率：湿度 1%RH，温度 1 ；互 换 性：可完全互换，长期稳定性： 1%RH/年。综合看来，DHT11 传感器性能良好，体积小巧、接口简单、响应速度快、性价比高，可以作为理想的湿度传感器选择
5、。1.2.2 数据处理模块本设计对数据处理模块的要求是能够接受传感器采集的信号，并对信号进行处理传送到显示模块进行显示。单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、 只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单 片 机 具 有 体 积 小 、 功 耗 低 、 控 制 功 能 强 、 扩 展 灵 活 、 微 型 化 和 使 用 方便 等 优 点 ， 广 泛 应 用 于 仪 器 仪
6、 表 中 。 结 合 不 同 类 型 的 传 感 器 ， 可 实 现 诸 如电 压 、 功 率 、 频 率 、 湿 度 、 温 度 、 流 量 、 速 度 、 厚 度 、 角 度 、 长 度 、 硬 度 、元 素 、 压 力 等 物 理 量 的 测 量 。 采 用 单 片 机 控 制 使 得 仪 器 仪 表 数 字 化 、 智 能 化 、微 型 化 ， 且 功 能 比 起 采 用 电 子 或 数 字 电 路 更 加 强 大 。PIC 单片机系列是美国微芯公司（Microship）的产品，是当前市场份额增长最快的单片机之一。CPU 采用 RISC 结构，分别有 33、35、58 条指令（视单片机
7、的级别而定） ，属精简指令集。采用 Harvard 双总线结构，运行速度快(指令周期约 160200ns)，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期（个别除外） ，这也是高效率运行的原因之一。此外，它还具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。PIC 系列单片机的 I/O 口是双向的，其输出电路为 CMOS 互补推挽输出电路。I/O 脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器（TRISn , 其中 n 对应各口，如 A、B、C、D、E 等） 。当置位 1 时为
8、输入状态，且不管该脚呈高电平或低电平，对外均呈高阻状态；置位 0 时为输出状态，不管该脚为何种电平，均呈低阻状态，有相当的驱动能力，低电平吸入电流达 25mA，高电平输出电流可达 20mA，它可以直接驱动数码管显示且外电路简单。它的 A/D 为 10 位，能满足精度要求。因此本设计选用 PIC 系列的单片机 16F877A 作为本次温湿度传感器的控制器件。因为单片的编程简单，指令精简，运行速度较快，具有地工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。他可以直接驱动数码管显示，外围电路设计简单，A/D 位为 10 位，能够满足精度要求。因此综合从单片机的性能、速度、性价比、工作量等方面考虑选择 PIC 系
9、列的单片机。1.2.3 显示模块的选择本设计的显示模块要求能够一目了然的显示出环境中的湿度，我们可以采用 LCD 液晶屏显示或者 LED 数码管显示。LCD 液晶屏属于工业字符型液晶，能够显示 16x02 即 32 个字符。LCD 液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件，只要 23 伏特的电压就可以工作，基于单片机的湿度传感器设计与实现3工作电流仅为几微安，是任何显示器无法比拟的，同事可以显示大量信息，除数字外，还可以显示文字、区县，比传统的数码 LED 显示器的界面有了质的提高。在仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的应用。LCD 的优点：(1)显示质量高，由于液晶显示器的每一个点收到信号后就一
10、直保持那种色彩和亮度恒定发光，因此液晶显示器的画质高而且不会闪烁。(2)数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机的接口简单操作也很方便。(3)功耗小，相比而言液晶显示的主要功耗在内部电极和驱动 IC 上，因为耗电量比其他器件要小的多。LED 数码管的性能特点：(1) 能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与 CMOS、ITL 电路兼容。(2) 发光响应时间极短(01s) ，高频特性好，单色性好，亮度高。(3) 体积小，重量轻，抗冲击性能好。(4) 寿命长，使用寿命在 10 万小时以上，甚至可达 100 万小时。成本低。 因此它被广泛用作数字仪器仪表、数控装置、计算机的数显器件。本设计的要求显
11、示温度的整数值部分，工作电压不能太高，与单片机的连接方式要简单，显示准确。用两片 LED 数码管能够很好的满足这些要求。而LCD 液晶显示相对而言成本偏高。因此显示模块选择 LED 数码管显示。二 硬件电路设计与制作2.1 硬件电路组成通过对系统各个功能模块的设计方案的选择，得到如图 2.1 所示的硬件电路组成：DTH11湿度信号 PIC单片机湿度数据输出 74HC595锁存器LED 数码管图 2.1 硬件电路组成（1）使用 DHT11 智能式湿度传感器感受环境中的湿度变化转变为湿度信号，此信号为数字信号，简化了硬件电路的对模数转换设计部分同时也简化了软件编程；（2）DHT11 通过它的一条数
12、据线与 PIC 单片机的数据接口相连，将采集到的湿度信号送入 PIC 单片机；（3）PIC 单片机收到信号后，对其进行分析、处理，得到准确可靠的湿度数据；（4）单片机通过 SPI 模式将数据同步串行的输出到数码管上进行显示。基于单片机的湿度传感器设计与实现42.2 湿度信号采集模块电路DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。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。传感器包括一个电容式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准
13、。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。DHT11 的性能也很良好，其供电电压：3.35.5V ；单总线数字信号测量范围：湿度 20-90%RH，温度 050。如图 2.2 所示为 DHT11 数字温湿度传感器外形图。其各个引脚功能如表 2.1 所示。图 2.2 DHT11 数字温湿度传感器外形图表2.1 DHT11引脚说明Pin 名称 注释1 VDD 供电 35. 5VDC2 DATA 串行数据，单总线3 NC 空脚，请悬空4 GND 接地，电源负极连接线短于 20 米时用 5K 上拉电阻，大于
14、 20 米时，根据实际情况选用合适的上拉电阻DHT11 的供电电压为 35.5V。传感器上电后，要等待 1s 以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个 100nF 的电容，用以去耦滤波。PIC单片机DHT11VDD1pin2pin3pin4pinGND5.6KDATA图 2.3 DHT11 与单片机接线电路VDD基于单片机的湿度传感器设计与实现52.3 单片机外围电路2.4 显示模块的硬件电路设计从单片机输出三路信号，分别进入两个 74HC595，进行相应的数码管的信号，如，当那三个值为 001 时，第一个 74HC595 就会分配成 01100000
15、，第二个就会变成 11111110。本设计采用主控方式，在主机工作的方式下，数据一旦装入或者写入缓冲器 SSPBUF，就可以开始读取或者发送操作。此时 SSPSR 将连续地把 SDI 脚上的信号，按其预先选定的时钟节拍进行移入。当收完一个字节后，都按正常字节对待（其实有的字节可能是无效数据） ，立即装入 SSPBUf；同时中断标志位和缓冲器满标志位都被相应地置 1，通知 CPU 读取 SSPBUF。这种情况很适合作为“在线主动监控”方式的接收器。有时这种应用方式可能是很有用的。如果SPI 仅作接受工作，则 SDO 输出线可以不用（即把该脚设置输入） 。SPI 在这里的通信速率是 Fosc/4，
16、当 CKE=1 时 ，在 SCK 引脚上的第 1 个时钟边沿之前，SDO 脚上的数据就有效了；而输入数据的采样时间取决于 SMp 位。SPI 电路包括三个部分：移位寄存器，发送缓冲器和接受缓冲器。其中，发送缓冲器与数据总线相连，可以由用户程序写入欲发送的数据，然后自动向移位寄存器装载数据；接收缓冲器也与数据总线相连，也可以由用户程序读取接收到的数据。移位寄存器负责收发数据，它有移入和移出两个端口，分别与收和发两条通信线路连接，与通信对端单片机的移位寄存器，恰好构成一个“环形”结构。其中，串行数据输出（SDO）对应 RC5/SDO 引脚，串行数据输入（SDI）对应 RC4/SDI 引脚，时钟（SCK）对应 RC3/SCK 引脚。使用 TMR0 定时（1ms）中断，用热敏电阻测温,每 1ms 测量一次。经 A/D 转换，查表求得温度值，送 LED 显示，其中利用了 TMR0 定时中断（1ms 定时中断） 。每中断一次，采样一次。基于单片机的湿度传感器设计与实现6123
