爱拼才会赢的天空

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1、第1章 绪论1.1课题研究背景和意义温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。在整个宇宙当中，温度无处不存在。无论在地球上还是在月球上，也无论是在炽热的太阳上还是在阴冷的冥王星上，这一切无不由于空间位置的不同而存在着温度的差别。湿度，表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度”。在此意义下，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示。湿度表示气体中的水蒸汽含量,有绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，一般其

2、单位是克/立方米，绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度；相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比，它的值显示水蒸气的饱和度有多高1。温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数，例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度、湿度的检测与控制。并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注，而空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温度、湿度的检测及控制就非常有必要了。温度、湿度是工业农业生产不可缺少的因素，但传统的方法是用温度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要

3、求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。含有微型计算机或微处理器的测量仪器，由于它拥有对数据存储，运算逻辑判断及自动化的功能，有着智能作用。随着生产的发展，一个低成本和具有较高精度的温度湿度测量仪在许多领域会代替人工操作，自动控制各种仪器调整环境温度湿度。目前市场上普遍存在的温湿度检测仪器大都是单点测量，而且温湿度信息传递不及时，精度达不到要求，不利于控制者根据温度、湿度变化及时做出决定，为此，本设计开发了一种能够同时测量多点，并实时性高、精度高，能够综合处理多点温湿度信息，并能进行温湿度控制的测控产品。总之，环境温湿度的检测与

4、调节仪器的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。1.2国内外的研究现状1.2.1 温度传感器集成温度传感器是目前应用范围最广、使用最普及的一种全集成化传感器。其种类很多，大致可分为以下5类：1、模拟集成温度传感器；2、模拟集成温度控制器；3、智能温度传感器；4、通用智能温度控制器；5、微机散热保护专用的智能温度控制器。集成温度传感器的主要应用领域有以下3个方面：1.温度测量：可以构成数字温度计、温度变送器、温度巡回检测仪、智能化温度检测系统及网络化测温系统。2.温度控制：适用于智能化温度测控系统、工业过程控制、现场可编程温度控制系统、环境温度监测及报警系统、中央空调、风扇温控电路、微处理器

5、及微机系统的过热保护装置、现代办公设备、电信设备、服务器中的温度测控系统、电池充电器的过热保护电路、音频功率放大器的过热保护电路及家用电器。3.特殊应用：例如，热电偶冷端温度补偿、测量温差、测量平均温度、测量温度场、电子密码锁（仅对内含64位ROM的单线总线智能温度传感器而言）及液晶显示器表面温度监测等2。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路

6、简单。它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。 智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功

7、能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是912位A/D转换器，分辨力一般可达0.50.0625。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125，测温精度为0.2。为了提高多通道智能温度传感器的转换

8、速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27s、9s。 新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线总线、I2C总线、SMBus总线和SPI总线3。1.2

9、.2 湿度传感器湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。湿度传感器主要分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附在感湿材料上后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了较大的发展。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一，质量价格都相差较大，用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度，需要在这方面作深入的了解。现在国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物，

10、氯化锂和金属氧化物。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要分为电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的

11、，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%99%）RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF202pF。温度系数为0.

12、04pF/，湿度滞后量为1.5%，响应时间为5s。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。这些产品可分成

13、以下三种类型：(1)线性电压输出式集成湿度传感器；典型产品有 HIH3605/3610、HM1500/1520。其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。(2)线性频率输出集成湿度传感器；典型产品为HF3223型。它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。(3)频率/温度输出式集成湿度传感器；典型产品为HTF32

14、23型。它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、 SHT15型智能化温度/温度传感器，其外形尺寸仅为7.6（mm）5(mm)2.5（mm），体积与火柴头相近。出厂前，每只传感器都在温度室中做过精密标准，标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。测量相对温度的范围是0100%，分辨力达0.03%RH，最

15、高精度为2%RH。测量温度的范围是-40 123.8，分辨力为0.01。测量露点的精度4。1.3本文的主要工作和结构安排本设计以STC89C52单片机为核心来对多点温湿度进行实时巡检。各检测单元(从机)能独立完成各自功能，同时能根据主控机的指令对温湿度进行时时采集。并将采集来的信息通过液晶屏显示清晰的呈现给用户，如果采集的信息超出了预设范围，闪烁灯和蜂鸣器都将给出报警示意用户，以便做出及时决定。本系统能够同时检测多路温湿度，检测温度范围-55+95。根据实际需要，检测点数可以扩展。系统采用CHR-01湿敏电阻，使用模拟电路，将湿度信号变为电压信号输出，传输给单片机进行分析、处理和控制显示。湿度

16、检测范围为2090RH，其检测精度为5。此外，本系统还具有报警模块，可设定温度湿度报警上下限，当检测到任何温度湿度超过温度湿度报警上下限就进行报警。本文结构安排如下：第1章 绪论，介绍了温湿度对人们生活、生产、工作的影响，温湿度测量仪的应用和发展，以及温湿度测量仪的核心器件温度传感器、湿度传感器的结构、型号、发展前景。第2章 方案比较和论证，介绍了温度传感器、湿度传感器、控制芯片、输出显示设备的方案比较和选择。第3章 系统整体设计，介绍了测量仪信号采集、分析、处理的工作过程和在这些过程中设计的模块电路原理、特性、应用。第4章 软件设计，介绍了软件编程的主流程图和测量温度子程序流程图、测量湿度子

17、程序流程图。第2章方案比较和论证当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。2.1温度传感器的选择方案一：采用热电阻温度传感器。热电阻是

18、利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。按IEC标准测温范围-200650，百度电阻比W（100）=1.3850时，R0为100和10，其允许的测量误差A级为（0.15+0.002 |t|），B级为（0.3+0.005 |t|）。铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使

19、用稳定性差。在工业中用于-50180测温。方案二：采用DS18B20，温度测量范围从-55+125，-10+85时测量精度为0.5，测量分辨率为0.0625，电源电压范围从3.35V 。它支持“一线总线”的数字方式传输，可组建传感器网络。而且，无需进行线性校正，使用非常方便，接口简单，成本低廉。与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式，可以分别在93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。它具有体积小、接口方便、传输距离远等特点，内含寄生电源。 系统有如下特点： (1)不需要备份电源，可通过信号线供电

20、；(2)送串行数据，不需要外部元件；(3)零功耗等待；(4)系统的抗干扰性好，适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备过程控制、测温类消费电子产品等。综合比较方案一与方案二，成本相差不多，方案二具有更高的抗干扰能力和精度，电路结构简单，选择方案二作为本设计的温度传感器。2.2 湿度传感器的选择测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。方案一：采用CHR-01湿敏电阻。CHR-01湿敏

21、电阻适用于阻抗型高分子湿度传感器，它的工作电压为交流1V，频率为50Hz2kHz，测量湿度范围为20%90%RH，测量精度5%，工作温度范围为0+85，最高使用温度120，阻抗在60%RH（25）时为30（2140.5）K。采用555时基或RC振荡电路，将湿度传感器等效为阻抗值，测量振荡频率输出，振荡频率在1k Hz左右。方案二：采用HF3223/HTF3223湿度传感器。HF3223/HTF3223采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，相对湿度在0%99%RH范围内，精度为5%，测量指标和精度高，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，适用

22、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，HTF3223在HF3223的基础上多了一个温度传感器。HF3223湿度传感模块将湿度信息转化为频率信号，传输给单片机进行分析、处理和控制显示。综合比较方案一与方案二，方案二虽然精度及测量湿度范围都比方案一高，但成本高了许多，方案一成本低廉且能满足测量需求，且调试电路简单，因此，在能达到指标要求下，为减少成本支出，我们选择方案一来作为本设计的湿度传感器。2.3 控制芯片的的选择2.3.1 单片机在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。目前，8位单片机在国内外仍占有重要地位。在8位单片机中又以MCS5

23、1系列单片机及其兼容机所占的份额最大。MCS51的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化，设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型，他们只需将重点放在芯片内部资源的比较上。方案一：采用AT89C51芯片作为硬件核心，采用Flash ROM，内部具有4KB ROM存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,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：采用AT89S52,片内ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超底压工作；同时

24、也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KB ROM 存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，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，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。方案三：STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用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允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系

25、统提供高灵活、超有效的解决方案。方案一是多年前的的产品，因自身设计缺陷，已经很少被人使用。方案二和方案三使用差别不大，但方案二需要专有下载线，方案三使用串口下载即可。因此选择方案三。2.3.2 FPGAFPGA是英文FieldProgrammable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑

26、模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：(1)采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。(2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。(3)FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。(4)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。(5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。FPGA甚至包含单片机和DSP软核,并且IO数仅受FPGA自身I

27、O限制,所以,FPGA又是单片机和DSP的超集,也就是说,单片机和DSP能实现的功能,FPGA一般都能实现。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA与MCS51单片机比较(1)FPGA运行速度快 FPGA内部集成锁项环,可以把外部时钟倍频,核心频率可以到几百M,而单片机运行速度低的多.在高速场合,单片机无法代替FPGA (2)FPGA管脚多,容易实现大规模系统 单片机IO口有限,而FPGA动辄数百IO,可以方便连接外设.比如一个系统有多路AD,DA,单片机要进行仔细的资源分配,总线隔离,而FPGA由于丰富的IO资源,可以很容易用不同IO连接各外设 (3)F

28、PGA内部程序并行运行,有处理更复杂功能的能力 单片机程序是串行执行的,执行完一条才能执行下一条,在处理突发事件时只能调用有限的中断资源;而FPGA不同逻辑可以并行执行,可以同时处理不同任务,这就导致了FPGA工作更有效率 (4)FPGA有大量软核,可以方便进行二次开发 FPGA功能远远高于MCS51单片机的功能，但成本也高出不少，本设计不需要过多的IO口，普通运行速度即可，使用MCS51单片机系列完全可以实现产品要求的指标，电路简单，调试容易，所以本设计采用MCS51单片机。2.4 输出显示设备选择电子设计中常用的输出显示设备有两种：数码管和LCD。方案一：数码管是现在电子设计中使用相当普遍

29、的一种显示设备，每个数码管由7个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计上也有一定的差别。数码管显示的数据内容比较直观，通常显示从0到F中的任意一个数字，一个数码管可以显示一位，多个数码管就可以显示多位，在显示位数比较少的电路中，程序编写，外围电路设计都十分简单，但是当要显示的位数相对多的时候，数码管操作起来十分烦琐，显示的速度受到限制。并且当硬件电路设计好之后，系统显示能力基本也被确定，系统显示能力的扩展受到了限制。方案二：而液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，用户可以根据自己的需求，

30、显示自己所需要的、甚至是自己动手设计的图案。当需要显示的数据比较复杂的时候，它的优点就突现出来了，并且当硬件设计完成时，可以通过软件的修改来不断扩展系统显示能力。外围驱动电路设计比较简单，显示能力的扩展将不会涉及到硬件电路的修改，可扩展性很强。字符型液晶显示屏已经成为了单片机应用设计中最常用的信息显示器件之一。不足之处在于其价格比较昂贵，驱动程序编写比较复杂。本设计需要显示温度值和湿度值，还可显示设置温湿度数值报警数值的上下限，显示数字较多，因此选用方案二液晶频做输出设备。2.5 本章小结本章主要介绍温湿度测量仪用到的主要芯片的选择，如温度传感器、湿度传感器、控制处理芯片、显示输出设备等。对比

31、考虑各器件性能、特点、使用难易度、成本等因素，选择适合本产品指标的元器件。第3章系统整体设计本方案以STC89C52单片机系统为核心来对温度、湿度进行实时控制和巡检。各检测单元能独立完成各自功能，并根据主控机的指令对温湿度进行实时采集。主控机负责控制指令的发送，并控制各个检测单元进行温度采集，收集测量数据，同时对测量结果进行整理和显示。其中包括单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。图3.1 系统总方框图本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。(1)信号采集 由温度传感器模块和湿度传感器模块组成；(2)信号分析 由单片机STC89C52组成

32、；(3)信号处理 由液晶显示模块、继电器模块和蜂鸣器模块组成。3.1信号采集3.1.1 温度传感器Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松组建传感器网络。新一代的“DS18B20”体积更小、更经济、更灵活。图3.2 DS18B20DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如下: DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。图3.3 DS18B2

33、0方框图DS18B20依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下，必须先建立ROM操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，控制操作必须首先提供下面5个ROM操作指令之一：(1)读ROM,(2)匹配ROM, (3)搜索ROM, (4)跳过ROM, (5)报警搜索。这些指令操作作用在没有一个器件的64位光刻ROM序列号，可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件，同时，总线也可以知道总线上挂有有多少，什么样的设备。若指令成功地使DS18B20完成温度测量，数据存储在DS18B20的存储器。一个控制功能指挥指示DS18B20的演出测温。测量结果将被放置在DS18B20内存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥

34、，阅读内容的片上存储器。温度报警触发器TH和TL都有一字节EEPROM 的数据。如果DS18B20不使用报警检查指令，这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。写TH,TL指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。通过缓存器读寄存器。所有数据的读写都是从最低位开始5。1、DS18B20主要特性DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等，支

35、持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的！性能价格比也非常出色！2、DS18B20工作原理DS18B20的测温原理如图3.4所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。计

36、数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1计数器1 的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值10。图3.4 DS18B20原理图3、DS18B20基本应用电路DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。下面就是DS18B20几个不同应用方式下的测温电路图：(1) DS18B20寄生电源供电方式电路图如下面

37、图3.5所示，在寄生电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上汲取能量：在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。图3.5 DS18B20寄生电源供电方式电路图独特的寄生电源方式有三个好处：1，进行远距离测温时，无需本地电源；2，可以在没有常规电源的条件下读取ROM；3，电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温；要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，

38、只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的 能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。因此，此电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。改进的寄生电源供电方式如下面图3.5所示，为了使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到 E2存储器操作时，用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换的指令后，必须在最 多10S内把I/O线转换到强上拉状态。在强上拉方式下可以解决电流供应不走的问题，因

39、此也适合于多点测温应用，缺点就是要多占用一根I/O口线进行强上拉切换。图3.6 DS18B20寄生电源强上拉供电方式电路图(2) DS18B20的外部电源供电方式电路图在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空 ，否则不能转换温度，读取的温度总是85。图3.7 温度传感器模块电路图外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且电路也比较简单，

40、可以开发出稳定可靠的多点温度监控系统。因此本设计采用外部供电方式，。因为本设计只用于测量环境温度，所以只显示0+85。3.1.2 湿度传感器测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。1.湿度的概念湿度是表示空气中水蒸气含量多少的尺度。在物理学和气象学中，大气湿度的表示方法是多种多样的，而且都有各自的物理量和相应单位。在诸多方法中，习惯使用的是绝对湿度和相对湿度。(1)绝对湿度：绝对湿度定义

41、为在每立方米湿空气中，在标准状态下所含水蒸汽的质量，以字符表示，单位。再由气体状态方程式 （3.1）可得 （3.2）式中为空气中水蒸气的分压力(帕)；T为空气中的干球绝对温度(K)；t为空气中干球的摄氏温度()；为水蒸气的气体常数， =461。(2)相对湿度:相对湿度是指空气中水蒸气分压力与同温度下饱和水蒸汽压力之比值。用r表示相对湿度为： （3.3）式中和的单位采用毫巴(mb)时，由马格奴斯经验公式计算饱和水蒸气压力: （3.4）式中=6.1mb。空气中水蒸气分压力按下列公式计算： （3.5）式中：为湿球温度时饱和水蒸汽压力；为干球温度()；为湿球温度()；P为大气压力(mb)；A是与风速v

42、有关，通常按下列公式计算： （3.6）可知，相对湿度为干球温度、湿球温度、风速、大气压力的函数，当大气压力变化不大时，对给定的检测条件V不变，那么只要测得t ，t 即可得相对湿度2。2. CHR-01湿敏元件简介电阻型湿度传感器可分为两类：电子导电型和离子导电型。电子导电型湿度传感器，也称为“涨缩型湿度传感器”，它通过将导电体粉末（金属、石墨等）分散于膨胀性吸湿高分子中制成湿敏膜。随湿度变化，膜发生膨胀或收缩，从而使导电粉末间距变化，电阻随之改变。但是这类传感器长期稳定性差，且难以实现规模化生产，所以应用较少。离子导电型湿度传感器，它是高分子湿敏膜吸湿后，在水分子作用下，离子相互作用减弱，迁移

43、率增加；同时吸附的水分子电离使离子载体增多，膜电导随湿度增加而增加，由电导的变化可测知环境湿度。本设计选用阻抗型高分子湿度电阻，型号CHR-01，其外型尺寸、内部结构示意图分别如图3.8所示。图3.8 CHR-01CHR-01型高分子湿度电阻的工作原理：由于水附在有极性基的高分子膜上，在低湿度下，因吸附量少，不能产生荷电离子，电阻值较高。当相对湿度增加时，吸附量也增加，吸附水就成为导电通道，高分子电解质的正负离子主要起到载流子作用，另外，由吸附水自身离解出的质子、水和氢离子也起电荷载流子作用，使高分子湿敏电阻的电阻值下降。它的工作电压为交流1V，频率为50Hz2kHz，测量湿度范围为20%90

44、%RH，测量精度5%，工作温度范围为0+85，最高使用温度120，阻抗在60%RH（25）时为30（2140.5）k12。图3.9为0-60下CHR-01的阻抗特性曲线，由下图可知，在对精度要求不高的情况下，可以将其近似为线性关系。图3.9 0+60阻抗特性图3. CHR-01湿敏元件应用电路在实际工作环境中，温度不是一个恒值，随着环境的变化而变化，变化的范围很宽。而湿敏元件受温度的影响不能忽略。湿敏元件的湿度温度系数就是表示器件的感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。环境的温度变化越大，由感湿特征量表示的环境相对湿度与实际的相对湿度之间的误差就越大。另外，一切电阻式湿度传感器都必须使用交流

45、电源，否则性能会劣化甚至失效。电解质湿度传感器的电导是靠离子的移动实现的，在直流电源作用下，正、负离子必然向电源两极运动，产生电解作用，使感湿层变薄甚至被破坏；在交流电源作用下，正负离子往返运动，不会产生电解作用，感湿膜不会被破坏。交流电源的频率选择是，在不产生正、负离子定向积累情况下尽可能低一些。但加交流电压后会产生一定的热量，所以，交流电压值不能过高，要有一定的限度，在高频情况下，测试引线的容抗明显下降，会把湿敏电阻短路。另外，湿敏膜在高频下也会产生集肤效应，阻值发生变化，影响到测湿灵敏度和准确性。除此之外，响应时间、湿滞回线、湿滞回差等也不容忽略。响应时间越短，表明湿敏元件的吸湿过程和脱

46、湿过程越快，湿滞回差越小，湿敏元件的性能越好。故采用振荡电路作为湿敏元件的测试电路11。电路输出又变为=1，截止，电容C再次充电，又重复上述过程，电路输出便得到周期性的矩形脉冲14。谐振荡器的振荡周期为两个暂稳态的持续时间，。求得电容C的充电时间和放图3.10 湿度传感器模块电路在湿度检测电路中，以5V交流电作为湿敏电阻的工作电压。多谐振荡器只有两个暂稳态。假设当电源接通后，电路处于某一暂稳态，电容C上电压略低于，输出高电平，截止，电源通过给电容C充电。随着充电的进行逐渐增高，但只要，输出电压就一直保持高电平不变，这就是第一个暂稳态。当电容C上的电压略微超过时，RS触发器置 0，使输出电压从原

47、来的高电平翻转到低电平，即，导通饱和，此时电容C通过和放电。随着电容C放电，下降，但只要，就一直保持低电平不变，这就是第二个暂稳态。当UC下降到略微低于时，RS触发器置 1，电时间各为 （3.7） （3.8）因此，振荡周期 （3.9）通过频率值转换为所对应的湿度值，就得到了所测的湿度值。3.2信号分析单片机专业名称Micro Controller Unit(微控制器件)它是由INTEL公司发明的，最早的系列是MCS-48后来有了MCS-51我们经常说的51系列单片机就是MCS-51micro controller system，它是一种8位的单片机。在单片机应用系统开发过程中，单片机是整个设计

48、的核心，因此选择合适的单片机型号很重要。根据实现系统功能需要的单片机硬件资源，在性能指标满足的情况下，该系统的单片机型号选择8051系列的STC89C52芯片。本系统中，选择STC89C52单片机为该系统的总控芯片，STC89C52单片机可把由温度、湿度检测电路检测出的信号数据传输到LED显示模块，实现温度、湿度的显示；通过键盘设定温湿度报警值，超过温度、湿度上下限由蜂鸣器实现温度、湿度的报警。3.2.1 单片机的内部结构STC89C52系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择13。STC

49、89C52具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择，可以满足系统在各个子模块程序之间的切换；STC89C52的运算速度可满足一般的设计要求；而且STC系列单片机支持ISP在线编程功能，可以不用昂贵的编程器6。8051系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。主要包含中央处理器（CPU）、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，8051系列单片机的内部结构框架示意图，如图3.11所示。图3.11 8051系类

50、单片机的内部结构框图1.主要性能参数：(1) 与MCS-51产品指令系统完全兼容(2) 8k字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器(3) 1000次擦写周期(4) 4.0-5.5V的工作电压范围(5) 全静态工作模式：0Hz-33MHz(6) 三级程序加密锁(7) 128*8字节内部RAM(8) 32个可编程I/O口线(9) 2个16位定时/计数器(10)6个中断源(11)全双工串行UART通道(12)低功耗空闲和掉电模式(13)中断可从空闲摸唤醒系统(14)看门狗（WDT）及双数据指针7中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，51系列单片机是8位数据宽度的处理器，它能处

51、理8位二进制数据或代码。CPU主要由算术逻辑部件，控制器和专用寄存器三部分电路组成。它负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM)：数据存取器（RAM）可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个。程序存储器(ROM)：程序存取器（ROM）用于存放用户程序，原始数据或表格等。8051共有4096个8位掩膜ROM。 定时/计数器：定时/计数

52、器用于硬件的定时或计数。8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数功能，也可产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：单片机的并行输入输出（I/O）口主要用于和外部设备进行通信，以便于处理外部的输入和将运算结果反馈到外部设备。8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口：全双工串行口主要用于与其他设备间的串行数据传送。8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行

53、中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容8。2.管脚说明：8051系列单片机采用40Pin封装的双列直接DIP结构，它们的引脚配置如图3-2所示，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。图3.12 8051系类单片机管脚图VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存

54、储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，

55、将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（串行输入口

56、）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。3.2.2 单片机最小系统单片机系统的扩展是以基本最小系统为基础的，故应首先熟悉应用应用系统的结构。单片机最小系统包括晶体振荡电路、复位电路，其电路图如图3.13所示。图3.13 单片机最小系统1.复位电路单片机复位的原理是在时钟电路开始工作后，在单片机的RST引脚施加24个时钟振荡脉冲（即两个机器周期

57、）以上的高电平，单片机便可以实现复位。在复位期间，单片机的ALE引脚和PSEN引脚均输出高电平。当RST引脚从高电平跳变为低电平后，单片机便从0000H单元开始执行程序。在实际应用中，一般采用既可以手动复位，又可以上电复位的电路，这样可以人工复位单片机系统，这种电路如图3.13复位部分所示。上电复位电路部分的原理也是RC电路的充放电效应。除了系统上电的时候可以给RST引脚一个短暂的高电平信号外，当按下按键开关的时候，VCC通过一个高电阻连接到RST引脚，给RST一个高电平，按键松开的时候，RST引脚恢复为低电平，复位完成。2.晶振电路时钟电路是用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号。STC8

58、9C52单片机内部包含有一个振荡器，可以用于CPU的时钟源。另外也可以采用外部振荡器，由外部振荡器产生的时钟信号来供内部CPU运行使用。(1)内部时钟模式内部时钟模式是采用单片机内部振荡器来工作的模式。51系列单片机内部包含有一个高增益的单级反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为片内放大器的输入端口和输出端口,其工作频率为033MHz。当单片机工作于内部时钟模式的时候，只需在XTAL1引脚和XTAL2引脚连接一个晶体振荡器或陶瓷振荡器，并联两个电容后接地即可，如图3-6所示。使用时对于电容的选择有一定得要求，具体如下：A 当外接晶体振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=3010pF；B

59、 当外接陶瓷振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=4010pF。在实际电路设计时，尽量保证外接的振荡器和电容尽可能接近单片机的XTAL1和XTAL2引脚，这样可以减少寄生电容的影响，使振荡器能够稳定可靠地为单片机CPU提供时钟信号。(2)外部时钟模式外部时钟模式是采用外部振荡器产生时钟信号，直接提供给单片机使用。对于不同的结构的单片机，外部时钟信号接入的方式有所不同。对于普通的8051单片机，外部时钟信号由XTAL2引脚接入后直接送到单片机内部的时钟信号发生器，而引脚XTAL1则应直接接地。这里需要注意，由于XTAL2引脚的逻辑电平不是TTL信号，因此外接一个上拉电阻。对于CMOS型的80C

60、51,80C52,AT89S52等单片机，和普通的8051不同的是其内部的时钟信号取自于反相放大器的输入端。因此外部的时钟信号应该接到单片机的XTAL1引脚，而XTAL2引脚悬空即可。根据实际应用，我们选择内部时钟电路，外接频率12.000MHz的晶体振荡器，选择两个电容值为30pF的陶瓷电容。3.2.3 RS232串口模块串行接口是单片机与外部设备之间进行数据通信的主要途径。51系类单片机提供了功能强大的全双工串行通信接口，可以方便的实现多机通信或单片机与主机之间的通信。串行通信是指数据的各个二进制位按照顺序一位一位地进行传输。这种通信方式的优点是所需的数据线少，节省硬件成本及单片机的引脚资

61、源，并且抗干扰能力强，适合于远距离数据传输，缺点是每次发送一个比特，导致传输速度慢，效率低。1.串行通信简介单片机的串行通信是将数据的二进制位，按照一定的顺序进行逐位发送，接收方则按照对应的顺序逐位接收，并将数据恢复出来。单片机的串行通信有异步通信和同步通信两种基本方式。下面分别介绍。(1)异步通信方式异步通信是一种利用数字或字符的再同步技术的通信方式，其全称为Asynchronous Communication。在异步通信过程中，数据通常是以帧为单位进行传送的，每个帧为一个字符或一个字节。发送方将字符帧一位一位地发送出去，接收方则一位一位地接收该字符帧。发送方和接收方各自有一个控制发送和接收

62、的时钟，这两个时钟不同，相互独立。一个字符帧按顺序一般可以分为4部分，即起始位，数据位，奇偶校验位和停止位。在异步通信的过程中，数据帧在传输线上的传送一般是不连续的，即传输时，字符间隔不固定，各个字符帧可以是连续发送，也可以是间断发送，在间断发送时，停止位之后，传输线路上自动保持高电平。异步串行通信的优点是不需要进行时钟同步，字符帧的长度不受限制，使用起来比较方便，应用范围广；其缺点是传送每个字符都要有起始位，奇偶校验位和停止位，这样便降低了有效地数据传输速率。(2)同步通信方式同步通信方式是一种连续的串行传输数据的通信方式，其全称为Synchronous Communication。同步串行

63、通信的一次通信过程只传送一帧的信息。同步通信由同步字符、数据字符和校验字符三部分组成。同步通信吧要发送的数据按顺序连接成一个数据块，在数据块的开头附加同步字符，在数据块的末尾附加差错校验字符。在数据块的内部，数据与数据之间没有间隔。在进行同步串行通信时，发送方首先发送同步字符，数据则紧跟其后发送。接收方检测到同步字符后，开始逐个接收数据，直到所有数据接收完毕，然后按照双方规定的的长度恢复成一个一个的数据字节，最后进行校验，如果无传输错误，则可以结束一帧的传输。同步串行通信的优点是不用单独发送每个字符，其传输速率高，一般用于高速率的数据通信场合；缺点是需要进行发送方和接收方之间的时钟同步，整个系统设计比较复杂。2.串口通信电路串口通信电路如图3.14所示。图中，51单片机的串行数据输出端口TXD连接到MAX232第一组收发器的输入端口T1 IN，用于向PC发送数据。串行数据输入端口RXD连接到MAX232第一组收发器的输出端口R1 OUT，用于接收PC串行输入的数据。PC的串行数据输入端口RXIN连接到MAX232第一组收发器的输出端口T1 OUT,用于接收单片机发送的串行数据，PC的串行数据输出端口R1IN连接到MAX232第一组收发器的输入端口R1 IN,用于向单片机发送串行数据