基于单片机的环境温湿度光照度检测装置

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1、摘 要本课题的研究目的是为人们提供一种能够实时了解所处环境质量信息的仪器，包括温度、湿度、光照度，使人们能够及时获知信息并做出相应的调整。本文采用STC89C52单片机来作为控制核心，实现了对温、湿度的检测、光照度检测和LCD实时显示电路等硬件电路的设计，由于其功能的实现主要通过软件编程来完成，这就降低了硬件电路的复杂性，其成本也有所降低，而且还能够完成复杂硬件电路难以实现的任务。配置新式的微型低功耗传感器，温度传感器为18B20，湿度传感器为DHT11，光照度传感器为TSL2561，实现了环境温度，湿度，光照强度三个参数的采集，存储，显示等功能，另外，本系统还具有报警功能，当传感器所采集的数

2、据不在使用者所设定的范围内，蜂鸣器就会报警以提醒使用者，系统运行可靠，结构简单，性价比高。关键字：STC89C52单片机、温湿度、光照度、液晶显示、报警54AbstractThe research projects is to provide people an instruments with a real-time information about the quality of the environment , including temperature, humidity, light intensity, so that people can be informed in a ti

3、mely manner and make appropriate adjustments. In this paper, as a control STC89C52 microcontroller core to achieve the design of the right temperature and humidity testing, light intensity detection circuit and LCD display real-time hardware and so on. The realization of its functions mainly through

4、 software programming to complete, which not only reduces the hardware circuit complexity and its cost, but also to complex hardware circuits difficult to achieve the task.Using of new low-power micro-sensors, temperature sensors 18B20, humidity sensors DHT11, illumination sensor TSL2561, to achieve

5、 the environmental temperature, humidity and light intensity three parameters of the acquisition, storage, display and other functions. in addition, the system also has alarm functions, when data collected of the sensor is not within the scope setted by the user, the buzzer will alarm to alert the u

6、ser.The system is reliable, simple and cost-effective.Keywords: STC89C52 microcontroller, temperature, humidity, light, the liquid crystal display, alarm function目 录第一章 绪论11.1 选题背景及意义11.2 传感器介绍11.2.1 温度传感器11.2.2 湿度传感器31.2.3 光照度传感器51.3 课题主要内容及结构安排7第二章 方案比较和选择82.1 温度传感器的选择82.2 湿度传感器的选择92.3光照度传感器的选择102

7、.4 单片机的选择102.5 本章小结11第三章 系统整体设计123.1 信号采集123.1.1 光照度传感器123.1.2 温度传感器153.1.3 湿度传感器193.2 信号分析与处理213.2.1 单片机最小系统223.2.2 STC89C52引脚介绍及管脚说明253.3 人机交互263.3.1 显示模块263.3.2 报警电路283.4 本章小结28第四章 软件设计294.1 主程序流程图294.2 DS18B20测温流程图304.3 DHT11流程图314.4 键盘扫描程序流程图324.5 TSL2561流程图324.6 本章小结32总 结33致 谢34参考文献35附录一36附录二3

8、7第一章 绪论1.1 选题背景及意义温度、湿度、光照度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工农业生产中最常见最基本的工艺参数，例如农业上农作物的生长离不开对温度、湿度，特别是光照度的检测与控制，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、光照强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、湿度及光照度的检测及控制就非常有必要了。温度、湿度、光照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、人对光照的感觉、观测植物的生长情况等手段，通过人工进行

9、检测，对不符合温度、湿度、光照度要求的环境进行通风、去湿、降温、采光等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的误差大，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环境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光照度。目前市场上普遍存在的环境检测仪器大都是单点测量，而且温湿度、光照度信息传递不及时，精度达不到要求，不利于控制者根据温度、湿度、光照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、光照度信息的

10、检测产品。总之，环境温湿度与光照强度的检测的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。1.2 传感器介绍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

11、央空调、风扇温控电路、微处理器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。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

12、需要进行非线性校准，外围电路简单。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）1。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

13、件的基础上通过软件来实现测试功能的，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

14、提高多通道智能温度传感器的转换速率，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、SMB

15、us总线和SPI总线2。1.2.2 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3。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，

16、感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化锂和金属氧化物。湿敏元件是最简单的湿度传感器。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，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

17、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4。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0.04pF/，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

18、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

19、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HTF3223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。200

20、2年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT（DHT）11、 SHT（DHT）15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，最高精度为2%RH。测量温度的范围是-40 123.8，分辨力为0.01。1.2.3 光照度传感器光电式传感器是指将被测量的变化转化成光信号的变化，再通过光电传感器件把光信号的变化转化成

21、电信号的一种传感器。它一般有光源，光电通路，光电器件三部分组成。被测量作用于光源或者光学通路，从而引起光量的变化，然后光电器件将光量的变化转化成电量，通过检测电路检测，然后输出，直观反映被测量的变化。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成

22、光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式

23、，漫反射式，遮光式(光束阻档)三大类。所谓透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上。所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上。所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射刭光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向

24、电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号5。光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流

25、Iceo=（1+）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。光敏二极管和光敏三极管是最常见的光敏元件，现在的集成式的光数字传感器大部分的感光元件就是就是光敏二极管和光敏三极管，光数字传感器在模拟输出的基础上内置了A/D转换器，实现了可编程的I2C输出形式，可直接与MCU连接，大大简化了硬件电路的设计。1.3 课题主要内容及结构安排本设计以STC89C52单片机为核心来对环境的温湿度及光照度进行实时巡检。各检测单元(传感器)

26、能独立完成各自功能，同时能根据主控机的指令对温湿度、光照度信息进行实时采集。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，蜂鸣器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+125。根据实际需要，检测点数可以扩展。系统采用DHT11湿度传感器，产生数字信号传输给单片机进行分析、处理和控制显示。湿度检测范围为2090RH，其检测精度为5。光照度传感器采用TSL2561数字式传感器，它将光强转换成数字信号输出，具有直接I2C接口或者SMBus接口，此外，本系统还具有报警模块，可设定报警上下限，当检测到任何数据超过设定上下限就

27、进行报警。第二章 方案比较和选择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)=13850时，R0为100和10，其允许的测量误差A级为(015+0.002|t|)，B级为(0.3+0.005|t|)

28、。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，在腐蚀性介质中使用稳定性差。方案二：采用模拟集成温度传感器AD590，它的测温范围在-55+150之间，而且精度高。M档在测温范围内非线性误差为0.3。AD590可以承受44V下向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏，使用可靠。它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接El也很简单。作为电流输出型传感器和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。AD590的测量信号可远传百余米。方案三：采用数字化温度传感器。DSl8B20是Dallas半导体公司研制的一款数字化温度传感器，支持“一线总线”

29、接口，即只通过一根信号线完成数据、地址和控制信息的传输。该器件只有3个引脚(即电源VDD、地线GND、数据线DQ)，且不需要外部元件，内部有64位光NROM，64位器件序列号出厂前就被光刻于ROM中，可作为器件地址序列码，便于实现多点测量。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；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。该电路的检测温度范围为-55+125：精度为0.5(在-10+85范围)；可以分别在93.75ms和750 ms内完成9位和12位的数字温度值读入。系统有

30、如下特点： (1)不需要备份电源，可通过信号线供电；(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。考虑到硬件设计的性价比，综合本系统需要满足的技术指标我们选择方案三。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湿敏电

31、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DHT11数字温湿度传感器，这款传感器和Sensiron公司研制的SHT1X同属一个系列只是测量精度上不同，这是一款含有已校准熟悉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和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻

32、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。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中药调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。综合比较，方案一需要很好地解决引线误差补偿、多点测量切换误差和放大电路零点漂移等问题，需要在接口上需要AD转换器，因而造成结构复杂且成本高，调试也繁琐，测量温度的精度也很低，方案二把以上的功能都集成在芯片里面，数字输出，可直接和mcu相连，电路结构简单，精度高，虽然也有温度检测的功能

33、，但其精度没有DS18B20高，所以只用它的湿度检测功能。相比较，选择方案二。2.3光照度传感器的选择方案一：利用光敏二极管和光敏三极管作为感光元件，把光信号转化为电信号，之后通过A/D转换成数字信号传输给控制单元，在黑暗的环境下光敏电阻的电阻值很大，导电性降低，受光线照射后，电阻值降低，导电性增强。常用的光敏器件有光敏二极管和三极管，作光照传感器使用时，一般和一个电阻相串联，接入到电桥电路中去。方案二：选用硅光电池作为光照度传感器的转换元件，将光照强度转化为电流信号，再通过运算放大器转化为电压信号输出。测量范围：0.1199.9klx；准确度：测量值的4；线形误差：测量值的0.2，输出信号：

34、05V。硅光电池的短路电流与光照度成线性关系。方案三：采用集成数字式光照传感器TSL2561，TSL2561是光-数字转换器，它将光强转换成数字信号输出，具有直接I2C接口或者SMBus接口。每个设备都连接一个带宽的光敏二极管和在单独CMOS集成电路上的一个红外响应的光敏二极管，这个集成电路具有提供20bit动态范围的近-适光响应的能力。两个集成的ADCs将光敏电流转换成一个数字输出，这个数字输出表示测量每一个通道的发光。与控制单元的连接可省去A/D转换相连。方案一电路复杂，虽价格方面有优势但测量精度不能保证，误差较大。方案二硅光电池成本较大，硬件电路的组成也比较复杂，方案三是集成式的数字传感

35、器，电路简单，厂家出厂的时候就确保了精度，满足设计的需求，因此选用方案三。2.4 单片机的选择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MCS51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4KBROM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

36、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

37、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。2.5 本章小结本章主要介绍环境检测仪用到的主要芯片的选择，如温度传感器、湿度传感器、光照度传感器、控制处理芯片等。对比考虑各器件性能、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。第三章 系统整体设计

38、本方案以STC89C52单片机系统为核心来对温度、湿度、光照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、光照度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。系统方框图如图31：图313.1 信号采集3.1.1 光照度传感器1 TSL2561简介TSL2561是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片。该传感器具有数字式输出端口和标准 I2C总线接口，测量的照度

39、范围为170000lx，功耗仅为0.75mW。TSL2561具有高速、低功耗、宽量程、可编程配置的特点。可以编程设置光强度上、下报警阈值，当光照度超出该阈值范围时，INT管脚给出中断信号。该芯片的主要特点如下：(1)可编程配置许可的光强度上下阈值，当实际光照度超过该阈值时给出中断信号；(2)数字输出符合标准的SMBus(TSL2560)和I2C(TSL2561)总线协议；(3)模拟增益和数字输出时间可编程控制；(4)1.25 mm1.75 mm超小封装，在低功耗模式下，功耗仅为0.75 mW；(5)自动抑制50 Hz/60 Hz的光照波动。2 TSL2561的引脚功能TSL2561有2种封装形

40、式：6LEAD CHIPSCALE和6LEAD TMB。封装形式不同，相应的光照度计算公式也不同。图32为这两种封装形式的引脚分布图。 图32 TSL2561封装各引脚的功能如下：脚1和脚3：分别是电源引脚和信号地。其工作电压范围是2.73.5V。脚2：器件访问地址选择引脚。由于该引脚电平不同，该器件有3个不同的访问地址。访问地址和电平的对应关系如表31所列。 表31 器件访问地址和引脚2电平的对应关系脚4和脚6：I2C或SMBus总线的时钟信号线和数据线。脚5：中断信号输出引脚。当光强度超过用户编程配置的上或下阈值时，器件会输出一个中断信号。3 TSL2561的内部结构和工作原理TSL256

41、1是第二代周围环境光强度传感器，其内部结构如图33所示。通道0和通道1是两个光敏二极管，其中通道0对可见光和红外线都敏感，而通道1仅对红外线敏感。积分式A/D转换器对流过光敏二极管的电流进行积分，并转换为数字量，在转换结束后将转换结果存入芯片内部通道0和通道1各自的寄存器中。当一个积分周期完成之后，积分式A/D转换器将自动开始下一个积分转换过程。微控制器和TSL2561可通过标准的SMBus( System Management Bus) V1.1或V2.0实现，TSL2561则可通过I2C总线协议访问。对TSL2561的控制是通过对其内部的16个寄存器的读写来实现的，其地址如表32所列。 图

42、33 TSL2561内部结构图表32 TSL2561内部寄存器地址及作用4 硬件设计TSL2561能够通过I2C总线访问，所以硬件接口电路很简单。假如所选用的微控制器带有I2C总线控制器，则将该总线的时钟线和数据线直接和TSL2561的I2C总线的SCL和SDA分别相连；假如微控制器内部没有上拉电阻，则还需要再用2个上拉电阻接到总线上。假如微控制器不带I2C总线控制器，则将TSL2561的I2C总线的SCL和SDA和普通I/O口连接即可6；但编程时需要模拟I2C总线的时序来访问TSL2561，INT引脚接微控制器的外部中断。硬件连接如图34所示。 图34 微控制器和TSL2561的硬件连接图

43、图35 软件设计流程5 软件设计微控制器能够通过I2C总线协议对TSL2561进行读写。写数据时，先发送器件地址，然后发送要写的数据。TSL2561的写操作过程如下：先发送一组器件地址；然后写命令码，命令码是指定接下来写寄存器的地址00h0fh和写寄存器的方式，是以字节、字或块（几个字）为单位进行写操作的；最后发送要写的数据，根据前面命令码规定写寄存器的方式，能够连续发送要写的数据，内部写寄存器会自动加1。TSL2561的软件设计流程如图35所示。3.1.2 温度传感器1 DS18B20简介DSl8820是美国DALLAS公司最新推出的数字式温度传感器，与传统的热敏电阻有所不同的是它可直接将被

44、测温度转化成串行数宁信号供微机处理，并且根据具体要求，通过简单的编程实现9位的温度读数。并且多个DSl8820可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。由于每一个DSl8820出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。 2 DS18B20功能特点 3.05.5V单电源供电 微型化、低功耗、抗干扰能力强、易与微处理器接口 温度测量范围为55C+125C，测温分辨率可达0.5C 3引脚TO92小体积封装或8引脚SOP封装 可编程为9位12位A/D转换精度 只需一根端口线就能与微处理器通讯 每只DS18B20有唯一的序列号并可

45、存入其ROM中，便于实现多芯片多点测量 在使用中不需要任何外围元件 用户可定义的非易失性温度报警设置 图36 DS18B203 DS18B20结构和工作原理 图37是表示 DS18B20 的结构图，表33已经给出了引脚说明。64位只读存储器储存器件的唯一片序列号。高速暂存器含有两个字节的温度寄存器，这两个寄存器用来存储温度传感器输出的数据。除此之外，高速暂存器提供一个直接的温度报警值寄存器（TH和TL），和一个字节的的配置寄存器。配置寄存器允许用户将温度的精度设定为9，10，11或12位。TH，TL和配置寄存器是非易失性的可擦除程序寄存器（EEPROM），所以存储的数据在器件掉电时不会消失。D

46、S18B20通过达拉斯公司独有的单总线协议依靠一个单线端口通讯。当全部器件经由一个3态端口或者漏极开路端口（DQ引脚在DS18B20上的情况下)与总线连接的时候，控制线需要连接一个弱上拉电阻。在这个总线系统中，微控制器（主器件）依靠每个器件独有的64位片序列号辨认总线上的器件和记录总线上的器件地址。由于每个装置有一个独特的片序列码,总线可以连接的器件数目事实上是无限的。DS18B20的另一个功能是可以在没有外部电源供电的情况下工作。当总线处于高电平状态，DQ与上拉电阻连接通过单总线对器件供电。同时处于高电平状态的总线信号对内部电容（Cpp）充电，在总线处于低电平状态时，该电容提供能量给器件。这

47、种提供能量的形式被称为“寄生电源” 。作为替代选择，DS18B20同样可以通过VDD引脚连接外部电源供电。图37 DS18B20内部结构表33 DS18B20引脚说明4 硬件设计 DS18B20可以通过从VDD引脚接入一个外部电源供电，或者可以工作于寄生电源模式，该模式允许DS18B20工作于无外部电源需求状态。寄生电源在进行远距离测温时是非常有用的。当总线为高电平时，寄生电源由单总线通过VDD引脚。这个电路会在总线处于高电平时偷能量，部分汲取的能量存储在寄生电源储能电容内，在总线处于低电平时释放能量以提供给器件能量。当DS18B20处于寄生电源模式时，VDD引脚必须接地。寄生电源模式下，单总

48、线和电容在大部分操作中能提供充分的满足规定时序和电压的电流给DS18B20。然而，当DS18B20正在执行温度转换或从高速暂存器向EPPROM传送数据时，工作电流可能1.5mA。这个电流可能会引起连接单总线的弱上拉电阻的不可接受的压降，这需要更大的电流，而此时电容无法提供7。为了保证DS18B20由充足的供电，当进行温度转换或拷贝数据到EEPROM操作时，必须给单总线提供一个强上拉电阻。用漏极开路把I/O直接拉到电源上就可以实现，见图38。在发出温度转换指令或拷贝暂存器指令之后，必须在至多10us之内把单总线转换到强上拉，并且在温度转换时序或拷贝数据时序必须一直保持为强上拉状态。当强上拉状态保

49、持时，不允许有其它的动作。对DS18B20供电的另一种传统办法是从VDD引脚接入一个外部电源，见图39。这样做的好处是单总线上不需要强上拉。而且总线不用在温度转换期间总保持高电平。温度高于100时，不推荐使用寄生电源，因为DS18B20在这种温度下表现出的漏电流比较大，通讯可能无法进行。在类似这种温度的情况下，强烈推荐使用DS18B20的VDD引脚。对于总线控制器不直到总线上的DS18B20是用寄生电源还是用外部电源的情况，DS18B20 预备了一种信号指示电源的使用意图。总线控制器发出一个 Skip ROM指令，然后发出读电源指令，这条指令发出后，控制器发出读时序，寄生电源会将总线拉低，而外

50、部电源会将总线保持为高。如果总线被拉低，总线控制器就会知道需要在温度转换期间对单总线提供强上拉。图38 DS18B20 温度转换期间的强上拉供电图39 外部电源给 DS18B20 供电3.1.3 湿度传感器1 DHT11概述DHT11属于Sensirion温湿度传感器家族中的插针型封装系列。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号。传感器采用专利的CMOSens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性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此，该产品

51、具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强，性价比高等优点。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，校准系数以程序形式储存在OTP内存中，用于内部的信号校准。两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。2 DHT11特点l 湿温度传感器的一体化结构能相对的同时对相对湿度和温度进行测量。l 数字信号输出，从而减少用户信号的预处理负担。l 单总线结构输出有效的节省用户控制器的I/O口资源。并且，不需要额外电器元件。l 独特的单总数据传输线协议使得读取传感器的数据更加便捷。 l 全部校准。编码方式为8位二进制数。 l 40bit 二进制数据输出。其中湿度整数部分占1Byte，小

52、数部分1Byte，温度 整数部分1Byte，小数部分1Byte。其中，湿度为高16位。最后1Byte为和。 l 卓越的长期稳定性，超低功耗。 l 4引脚安装，超小尺寸。 l 各型号管脚完全可以互换。 l 测量湿度范围从20RH到90RH；测量温度范围从0到50。 l 适用范围包括恒湿控制，消费家电类产品，温湿度计等领域图310 DHT11外形及引脚说明3 DHT11引脚说明及工作原理传感器管脚方向识别：正面（有通气孔的一面）看过去，从左到右依次为1、2、3、4脚。表34 引脚说明引脚号引脚名称类型引脚说明1VCC电源正电源输入，3V-5.5V DC2Dout输出单总线。数据输入/输出引脚3NC

53、空空脚。扩展未用4GND地电源地 数字湿温度传感器采用单总线数据格式。即单个数据引脚端口完成输入输出双向传输。其数据包由5Byte（40Bit）组成。一次通讯时间最大3ms，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明。 DATA 用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，当前小数部分用于以后扩展，现读出为0。操作流程如下： 一次完整的数据传输为40bit，高位先出。 数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据 +8bit温度整数数据+8bit温度小数数据 +8bit校验和，校验和数据为前四个字节相加。 DHT11传感器是通过奥松电子有限公司开发的单总线协议和上位

54、机（控制器）进行数据通信。DHT11 传感器需要严格的读写协议来确保数据的完整性。整个读写分为，上位机发送起始信号，上位机接收下位机发来的握手响应信号，读0和读1四个步骤。所有的信号除主机启动复位信号外，全部都由 DHT11 产生。通过单总线访问 DHT11顺序归纳如下：1) 主机发开始信号 2) 主机等待接收 DHT11 响应信号 3) 主机连续接收 40Bit 的数据和校验和 4) 数据处理4 DHT11与单片机连接的设计DHT11数字湿温度传感器连接电路简单，只需要占用控制器一个I/O口即可完成上下位的连接8。典型应用电路如下图所示。另外，建议连接线长度短于20时用5K上拉电阻，大于20

55、米时根据实际情况使用合适的上拉电阻，如图311所示。图311 DHT11与MCU的连接3.2 信号分析与处理本系统的单片机型号选择STC89C52芯片。STC89C52指令代码完全兼容8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，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、光照度的显示；通过键盘设定报警值，超过温度、湿度、光照度上下限，蜂鸣器实现报警。3.2.1 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9，故应首先熟悉应用应用系统的结构。单片机最小系统

56、包括晶体振荡电路、复位电路，其电路图如图312所示。图312 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）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313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

57、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。产生复位信号的电路逻辑如图313所示图313 复位信号的电路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，STC89C52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。如图314（a）所示，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03

58、3MHz。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 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。如图314（b）所

59、示，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10。对于CMOS型的80C51,80C52,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。 图314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

60、.2.2 STC89C52引脚介绍及管脚说明（1） 引脚介绍1 主电源引脚（2根） VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源 GND(Pin20)：接地线2 外接晶振引脚（2根） XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端 XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端3 控制引脚（4根） RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。 ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号 PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号 EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令

61、。4 可编程输入/输出引脚（32根） STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根11。 PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7 P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7（2） 管脚说明单片机采用40Pin封装的双列直接DIP结构，它们的引脚配置如图315所示，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振

62、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3153.3 人机交互3.3.1 显示模块在单片机应用系统设计中，一般都是把键盘和显示器放在一起考虑。显示器作为输出部件，可以将系统的运行结果、状态等信息直观地显示出来供操作者了解系统的运行情况和程序的执行结果，本次设计的温湿度、光照度实时信息采用LCD12864来显示，其引脚及说明如表35所示表35 12864引脚说明与MCU的连接如图316所示图316 LCD12864硬件连接图3.3.2 报警电路压电式蜂鸣器约10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，在此选用一个三极管来做驱动。P2.

63、5接三极管输入端，当P2.5输出低电平时，三极管导通，压电式蜂鸣器两端获得+5V电压而发出报警，当P2.5输出为高电平时，三极管截止，蜂鸣器12停止工作。其硬件电路连接如图16图317 三极管驱动的蜂鸣器报警电路3.4 本章小结本章主要介绍系统的整体设计，信号采集部分分别介绍了温度传感器、湿度传感器及光照度传感器的工作原理和它们各自与单片机的硬件连接，具体怎么连接还要结合程序来进行操作。单片机对采集到的信号按照要求进行处理，实现设计功能，液晶屏也会在同时把检测到的各种数据通过单片机处理之后显示出来，让用户能够实时了解到所需信息，报警部分可以在所检测数据超出设定范围时给予用户提示。第四章 软件设计4.1 主程序流程图系统