使用SHT11实现盆花自动浇水本科阶段论文

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1、太原工业学院毕业设计(论文)学 位 论 文盆花自动浇水系统设计作 者 姓 名： 梁 栋 学 科 专 业： 电子信息工程 学 号： 105022128 指 导 教 师： 杨辉讲师 完 成 日 期： 2012-6-15 太原工业学院Taiyuan Institute of TechnologyVI太原工业学院毕业设计(论文)诚信申明本人申明：本人所提交的毕业设计（论文）盆花自动浇水系统设计的所有材料是本人在指导教师指导下独立研究、写作、完成的成果，设计（论文）中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在设计（论文）中加以说明；有关教师、同学和其他人员对我的设计（论文）的写作、修订提出过并

2、为我在设计（论文）中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。本设计（论文）和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。特此申明。本人签名： 2012年06月15日毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 盆花自动浇水系统设计 系部： 电子工程系 专业： 电子信息工程 学号： 105022128 学生： 梁栋 指导教师（含职称）： 杨辉（讲师）专业负责人： 郭彩萍 1设计（论文）的主要任务及目标随着社会生活的进步，人们的生活质量越来越高。在家里养盆花可以陶冶情操、丰富生活。同时，盆花通过光合作用可吸收二氧化碳，净化室内空气，在有花木的地方空气中阴离子聚积较多，所以空气也特别清新

3、，而且有许多花木还可吸收空气中的有害气体，因此，养盆花如今被许多的人所喜爱。盆花浇水量是否能做到适时适量，是养花成败的关键。但是，在生活中人们总是会有无暇顾及的时候，比如工作太忙或者出差、旅游等。花草生长问题80%以上是由花儿浇灌问题引起；好不容易种植几个月的花草,因为浇水不及时，长势不好，用来美化家园的花草几乎成了“鸡肋”；不种植了吧，家中没有绿色衬托感觉没有生机；保留吧，花草长得不够旺盛，还影响家庭装饰效果。虽然目前市面上有卖盆花自动浇水器的，但价格十分的昂贵，并且大多只能设定一个定时浇水的时间，很难做到给盆花适时适量浇水。也有较经济的盆花缺水报警器，可以提醒人们及时的给盆花浇水。可是这种

4、报警器只能报警，浇水还是需要人们亲自动手。当家里无人时，即使报警也无人浇水，就起不到应有的作用了。因此，我想通过设计一种集盆花土壤湿度检测，自动浇水以及蓄水箱自动供水于一体的盆花自动浇水系统。让盆花在人们无暇照顾时也能得到及时的浇灌。 本次毕业设计是设计一种单片机控制的自动浇水系统,实现室内盆花浇水的自动化系统。课题目标：（1）了解单片机及其工作原理。（2）掌握一种单片机和一种语言。（3）熟练掌握电路的设计技巧。（4）将单片机应用于生活中。2设计（论文）的基本要求和内容 （1）实现土壤温湿度的检测与控制 （2）实现蓄水箱自动上水及水位报警 （3）硬件电路设计 （4）系统软件设计3主要参考文献1

5、 李泉溪.单片机原理与应用实例仿真M.北京:北京航空航天大学出版社，2009.8.2 曾光宇等.现代传感器技术与应用基础M.北京:北京理工大学出版社,2006.3.3 李敏,孟臣.数字式温/湿度传感器及其应用技术J.电子元器件应用,2004,(11).4 杨永杰,冯军.数字式温湿度传感器SHT11在尘埃检测仪中的应用J.电子工程师,2005,(08).5 孙荣高,孙德超.数字温湿度数据记录仪的设计J.现代电技术,2005,(7).6 黄鸿,吴石增.传感器及其应用技术M.北京:北京理工大学出版社,2008.7.7 刘灿军.实用传感器M.北京:国防工业出版社,2004.6.8 王煜东.传感器应用电

6、路400例M.北京:中国电力出版社,2008.9 孙惠芹.单片机项目设计教程M.北京:电子工业出版社,2009.6.10贾宗璞,许合利.C语言程序设计M.徐州:中国矿业大学出版社,20007.1. 11唐文彦.传感器M.北京:机械工业出版社,2006.7.12宗光华,李大寨.多单片机系统应用技术M.北京:国防工业出版社,2003.10.13王芳琴.单片机控制的节水灌溉系统的研究J.华中农业大学.14赵振德.单片机原理及实验/实训M.西安:西安电子科技大学出版社,2009.15顶轲轲.自动测量技术M.北京:中国电力出版社,2004.16艾永乐,付子仪.数字电子技术基础M.北京:中国电力出版社,2

7、008.17孙荣高,吕昂.微控制器温室环境温湿度程序控制系统的研究与设计J.微计算机信息,2005,(10).18 Microchip Technology Inc.32Kbit SPI? Bus Serial EEPROM P. ProductDatasheet.2004.19 Nordic VLSI ASA. nRF401 and nRF24E2 RF layoutsP. Application Note, order code: 200503-nAN24-0.2003.20 Nordic VLSI ASA. Wireless hands-free using nRF401P.White

8、Paper,Revision:1.0 .2003.21 Dallas Semiconductor Corporation. DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital ThermometerP.Product Datasheet.2002.22 Dallas Semiconductor Corporation. 1-Wire 搜索算法P. Application Note, order code:187.2002.4进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1确定总体设计方法，进行方案的可行性论证，并完成开题报告告告。2月24日3月03日（第

9、一周）2选用一种单片机，了解其内部工作原理3月4日3月10日（第二周）3选用一种温湿度传感器，了解其特性和内部工作原理 3月11日3月24日（第三、四周）4学会一种液晶显示器的使用3月25日4月7日（第五、六周）5完成硬件电路图，验证电路的可行性4月8日4月21日（第七、八周）6系统软件设计4月22日5月19日（第九、十、十一周）7完善设计，并撰写论文。5月20日6月9日（第十二、十三周）8完善论文，并完成打印装订工作，准备答辩材料（包括演示文稿）。（第十四周）9答辩并总结设计工作。（第十五周）盆花自动浇水系统的设计摘 要本次设计的盆花自动浇水系统以电子类的自动浇花器的工作原理为参考，运用现代

10、传感器技术及单片机控制技术构成一个土壤湿度采集与控制系统，再用数字电路控制自动浇水系统给土壤供水。整个盆花自动浇水系统包括土壤湿度的检测及显示和自动浇水两个部分。土壤温湿度的检测及显示以温湿度传感器SHT-11为感应部件，将检测到的土壤湿度值送入AT89C51单片机，再由单片机的I/O口输出到LCD1602液晶显示屏进行显示。同时此湿度值也是是否给盆花浇水的参考值。自动浇水部分与土壤湿度的检测和显示部分共同构成土壤温湿度的检测与控制系统。自动浇水部分是通过单片机程序设定浇水的界值并与SHT-11送入单片机的土壤湿度值相比较，若低于设置值，则单片机发出一个控制信号控制电磁阀打开，开始浇水,并点亮

11、红色信号灯,表示当前系统正在进行浇水；若高于设置值时，单片机发出一个控制信号控制电磁阀关闭，停止浇水，并点亮绿色信号灯，表示当前湿度值正常，不需要浇水。关键词：AT89C51单片机，SHT-11温湿度传感器，LCD1602，C51程序，数字电路Design of potted flowers automatic watering systemAbstractThe design of the automatic watering system includes soil pot humidity detection and display, automatic watering and sto

12、rage box automatic water and water level alarm three parts. S- oil testing and display of temperature and humidity system takes Temperature and humidity sen- sor SHT - 11 as inductive components, it will detect the soil temperature and humidity value and input the value to the AT89C51 microcontrolle

13、r,then the temperature and humidity value will be output to LCD screen displayed. Automatic watering system design for intelligence and manual two parts.Intelligent watering part through the microcontroller program setting the upper and lower water attained,then comparing this upper and lower water

14、attained with the vale that throug -hing SHT-11 inputting to the microcontroller. When below the limit SCM outputs a signal to o- pening the Electromagnetic valve ,and Start watering .if Above the upper limit value,the SCM will output another signal to Turnning off the Electromagnetic valve ,and Sto

15、p watering. Manual part read the time from the clock chip DS1302 by microcomputer. Through software program to setting the regular wateringtime and Watering amount.Storage box Water level control system u- ses Pure hardware control. Realizing real-time monitoring water tank, Automatic water supply a

16、nd Level alarming function.Keywords: AT89C51 microcontroller SHT - 11 temperature and humidity sensor LCD1602 C51 program Digital circuit 目 录1 绪论11.1研究的目的和意义11.2自动浇花器的诞生背景及国内外发展现状11.3毕业设计所采用的研究方法和手段32 单片机AT89C5142.1 AT89C51单片机的基本组成42.2 AT89C51主要特性42.3管脚说明52.4 AT89C51单片机的存储器82.4.1 程序存储器82.4.2 数据存储器92

17、.5 振荡电路和时钟103 温湿度传感器123.1 数字温湿度传感器SHT-11123.2 SHT-11的传感器输出133.2.1 湿度值输出143.2.2 温度值输出153.2.3 露点计算153.2.4 非线性校正及温度补偿163.3 SHT-11的特性和性能参数163.3.1 SHT-11的特点163.3.2 SHT的详细规格173.4 SHT-11的引脚183.5 SHT-11的的内部命令与接口时序183.5.1 SHT-11的内部命令193.5.2 SHT-11的命令顺序及命令时序193.4.3 SHT-11的状态寄存器204 液晶显示器LCD224.1 液晶显示器的分类224.2

18、AMPIRE 12864224.2.1 LCD 12864引脚功能234.2.2 KS0108控制器指令功能244.2.3 应用说明264.3 LCD1602274.3.1LCD1602引脚功能274.3.2LCD1602指令集275 盆花自动浇水系统的设计295.1 系统硬件电路设计295.1.1 硬件电路设计框图295.1.2 仿真电路图335.2 系统软件设计345.3 系统仿真结果356 总结37参考文献38致谢40附录4162太原工业学院毕业设计(论文)1 绪论1.1研究的目的和意义随着社会生活的进步，人们的生活质量越来越高。在家里养盆花可以陶冶情操、丰富生活。同时，盆花通过光合作用

19、可吸收二氧化碳，净化室内空气，在有花木的地方空气中阴离子聚积较多，所以空气也特别清新，而且有许多花木还可吸收空气中的有害气体，因此，养盆花如今被许多的人所喜爱。盆花浇水量是否能做到适时适量，是养花成败的关键。但是，在生活中人们总是会有无暇顾及的时候，比如工作太忙或者出差、旅游等。花草生长问题80%以上是由花儿浇灌问题引起；好不容易种植几个月的花草,因为浇水不及时，长势不好，用来美化家园的花草几乎成了“鸡肋”；不种植了吧，家中没有绿色衬托感觉没有生机；保留吧，花草长得不够旺盛，还影响家庭装饰效果。虽然目前市面上有卖盆花自动浇水器的，但价格十分的昂贵，并且大多只能设定一个定时浇水的时间，很难做到给

20、盆花适时适量浇水。也有较经济的盆花缺水报警器，可以提醒人们及时的给盆花浇水。可是这种报警器只能报警，浇水还是需要人们亲自动手。当家里无人时，即使报警也无人浇水，就起不到应有的作用了。因此，我想通过设计一种集盆花土壤湿度检测，自动浇水以及蓄水箱自动供水于一体的盆花自动浇水系统。让盆花在人们无暇照顾时也能得到及时的浇灌。1.2自动浇花器的诞生背景及国内外发展现状 微喷系统是近几年利用国内外先进技术组装的新型灌溉设施，主要是利用水流通过低压管道系统以一定速度从特制的喷头喷出，在空气中分散成细小的水滴，着落在花草植物、作物及周围的地面上，从而达到及时补充水分的目的。该系统具有用水量少、冲击力小的灌溉特

21、性，适用于栽培密度大、植株柔软细嫩的植物。自动浇花器的诞生是随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快而诞生的一种懒人园艺用品。它把微喷的概念应用于家庭盆花浇灌中，通过相应的改进，达到合理给盆花自动浇水的目的。早在很多年前，国外就已经开始普及，国内使用的电子类自动浇花器多数从国外进口的，价格昂贵，但质量比较可靠。不过这并不太适用于国内，目前国内外比较流行的是玻璃制作的自动浇花器。这种类型的浇花器多数在我国山西和浙江一带加工生产的，价格比较低廉，实用性没有电子类自动浇花器好。随着国内居民消费水平和生活质量的提高，居家园艺市场异常火爆，但是由于生活节奏加快，种花容易养花难的问题暴露出来，而养花最重要的

22、问题就是浇水问题，研究表明花草80%以上的死亡由于浇水不及时引起，因此国内商家已经看到了这种需求潜力。目前这类小居家用品的厂家主要集中在广东，上海，浙江一带。现在市面上所出售的自动浇花器主要有以下几类：（1）电子类自动浇花器电子类自动浇花器又叫时控喷淋装置，系统构成为：主机（或者控制器）、主管（可以是花园管也可以是4/7mm的微喷淋管）、分水接头(3通、4通、5通、6通、分水器）、副管(3/5mm)喷淋管（雾化喷头、旋转喷头、折射雾化喷头等）。电子类自动浇花器根据电源的不同分为交流电自动浇花器和电池自动浇花器两种。控制器的一般性能有：电磁阀控制；智能时控电路微电脑芯片控制；适用电源为AC220

23、V/50HZ；最适宜水压0.3-0.6Mpa；待机功率（4VA，浇水时12VA）；可控制连续作业时间是1分钟至168个小时；可每天自动完成十次以上浇水作业，可每天、隔天、隔多天自动循环进行浇水，手动自动两用；每天计时误差小于正负3秒；电器适应环境温度为-1050；相对湿度90%RH。（2）玻璃、陶瓷类自动浇花器玻璃、陶瓷类自动浇花器又叫自动渗水装置，它由本身材质的物理结构构成，根据器具的物理渗水原理完成自动浇灌，当自动浇水器内部存水，自身形成一定的压力，当遇到干燥的土壤，水就会自上而下的流出，当土壤湿润以后，会形成一个堵塞压力，从而导致水流速度变慢或者停止。器具工艺不同，效果也不一样，当然也因

24、土壤的疏松情况决定器具内水流的速度。当前传感器技术与单片机技术发展迅速，其应用逐步由工业、军事等领域向其他领域渗透，已经和我们的日常生活息息相关。而且智能家居概念也越来越受人们的推崇，因此，微电脑控制的电子类自动浇花系统有很好的发展前景。1.3毕业设计所采用的研究方法和手段 本次毕业设计是设计一种单片机控制的自动浇水系统,实现室内盆花浇水的自动化系统。该系统可对土壤的温湿度进行监控,并对作物进行适时、适量的浇水。其核心是单片机和温湿度传感器以及浇水驱动电路构成的检测控制部分。主要研究土壤湿度与浇水量之间的关系、浇灌控制技术及设备系统的硬件、软件编程各个部分。检测部分，单片机选用AT89C51单

25、片机，温湿度传感器选用SHT11温湿度传感器。SHT-11采用COMSens专利传感器技术将温度湿度传感器、A/D转换器、数字接口、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内。软件选用C51语言编程。土壤温湿度传感器可将检测到的土壤温湿度模拟量放大转换成数字量通过单片机内程序控制精确的将温度与湿度分别显示在LCD显示屏上，同时通过单片机内的中断服务程序判断是否要给盆花浇水,若需浇水,则单片机系统发出浇水信号,并经放大驱动设备,开启电磁阀进行浇水,若不需浇水,则进行下一次循环检测。在浇水系统中也同时设计一个手动浇水部分，系统工作时通过设置键的按下与否来选择浇水系统的工作方式。土壤浇

26、水驱动电路采用继电器开关电路，蓄水箱水位报警以及自动上水部分采用纯硬件控制。2 单片机AT89C51AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。2.1 AT89C51单片机的基本组成AT89C51由一个8位的微处理器，12

27、8KB片内数据存储器RAM，21个特殊功能寄存器SFR，4KB片内程序存储器Flash ROM，64KB可寻址片内外统一编址的ROM，64KB可寻址片外的RAM， 4个8位并行I/O接口（P0P3），一个全双工通用异步串行接口UART，两个16位的定时器/计数器，具有位操作功能的布尔处理机及位寻址功能的五个中断源、两个优先级的中断控制系统以及片内振荡器和时钟产生电路。其基本组成框图如图2.1所示。2.2 AT89C51主要特性AT89C51主要特性有：（1）与MCS-51 兼容 （2）4K字节可编程闪烁存储器 （3）寿命：1000写/擦循环（4）数据保留时间：10年（5）全静态工作：0Hz-2

28、4Hz（6）三级程序存储器锁定（7）128*8位内部RAM（8）32可编程I/O线（9）两个16位定时器/计数器（10）5个中断源 （11）可编程串行通道（12）低功耗的闲置和掉电模式（13）片内振荡器和时钟电路 图2.1 AT89C51的基本组成2.3管脚说明 AT89C51的引脚图如图2.2所示。各引脚的具体说明如下：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P0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

29、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，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

30、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。图2.2 AT89C51引脚图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，并用作输入口。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，如表2.1所示。同时，P3口为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。表2.1 P3口的特殊功能引脚名称功能

31、说明引脚名称功能说明P3.0RXD串行输入口P3.4T0记时器0外部输入P3.1TXD串行输出口P3.5T1记时器1外部输入P3.2/INT0外部中断0P3.6/WR外部数据存储器写选通P3.3/INT1外部中断1P3.7/RD外部数据存储器读选通RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用

32、作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚

33、也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.4 AT89C51单片机的存储器在单片机中，存储器分为程序存储器ROM和数据存储器RAM，并且两个存储器是独立编址的。AT89C51单片机芯片内配置有8KB（0000H1FFFH）的Flash程序存储器和256字节（00HFFH）的数据存储器RAM，根据需要可外扩到最大64KB的程序存储器和64KB的数据存储器，因此AT89C51的存储器结构可分为4部分：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。如果以最小系统使用单片机，即不扩展，则AT89

34、C51的存储器结构就较简单：只有单片机自身提供的8KB Flash程序存储器和256字节数据存储器RAM。图2.3给出了AT89C51单片机的存储器分布空间。左侧线框中为单片机自身提供的8KB Flash程序存储器和256字节数据存储器RAM。右侧为可扩展的64KB的程序存储器ROM和64KB的数据存储器RAM。图2.3 存储器空间分布图2.4.1 程序存储器AT89C51单片机出厂时片内已带有8KB的Flash程序存储器，使用时，引脚要按高电平（5V），这时，复位后CPU从片内ROM区的0000H单元开始读取指令代码，一直运行到1FFFH单元，如果外部扩展有程序存储器ROM，则CPU会自动转

35、移到片外ROM空间2000HFFFFH读取指令代码。2.4.2 数据存储器AT89C51单片机出厂时片内已带有256字节的数据存储器RAM，如果不够用，可以在片外扩展，最多可扩展64KB RAM。图2.4 片内数据存储器的结构单片机自带的数据存储器RAM结构如图2.4所示，此256字节单元（00HFFH）的低128字节（00H7FH）单元为用户使用区，高128字节（80HFFH）单元为特殊功能寄存器SFR区。片内数据存储器的00H7FH单元又划分为3块：00H1FH块是工作寄存器所用；20H2FH块是位寻址功能的单元区；30H3FH是普通RAM区。工作寄存器又分为4组，在当前的运行程序中只有一

36、组是被激活的，谁被激活有程序状态寄存器PSW的RS1，RS0两位决定。2.5 振荡电路和时钟 在AT89C51芯片内部，有一个振荡电路和时钟发生器，引脚XTAL1和XTAL2之间接入晶体振荡器和电容后构成内部时钟方式。也可以使用外部振荡器，由外部振荡器产生的信号直接加载到振荡器的输入端，作为CPU的时钟源，称为外部时钟方式。采用外部时钟方式时，外部振荡器的输出信号接至XTAL1，XTAL2悬空。两种方式的电路连接如图2.5(a)(b)所示。大多数的单片机采用内部时钟方式，本次设计亦然。 （a）使用片内振荡器接法 （b）使用片外振荡器接法图2.5 AT89C51振荡器的连接方式在AT89C51单

37、片机内部，引脚XTAL2和引脚XTAL1连接着一个高增益反相放大器，XTAL1引脚是反相放大器的输入端，XTAL2引脚是反相放大器的输出端。芯片内部的时钟发生器是一个二分频触发器，振荡器的输出为其输入，输出为两相的时钟信号（状态时钟信号），频率为振荡器输出信号频率的1/2。状态时钟经三分频后为低字节地址锁存信号ALE，频率为振荡器输出信号频率的1/6，经六分频后为机器周期信号，频率为/12。、一般取2030pF的陶瓷电容器。3 温湿度传感器传统的模拟式湿度传感器需设计信号调理电路并要经过复杂的校准、标定过程,测量精度难以得到保证,且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。为解决这些

38、问题，瑞士Sensirion 公司推出了新一代基于CMOSensTM技术的数字式温湿度传感器。它很好地解决了温湿度传感器存在的上述问题,实现了数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换功能3。3.1 数字温湿度传感器SHT-11数字温湿度传感器SHT11采用COMSens专利传感器技术将温度湿度传感器、A/D转换器、数字接口、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内（其内部结构如图3.1所示）4。图3.1 数字温湿度传感器SHT-11的内部结构图由它的内部结构可看出SHT-11具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层组成了传感器芯片的电容,这样除保持了电容式湿敏

39、器件的原有特性外还可抵御来自其它方面的影响。将温度传感器与湿度传感器结合在一起构成了一个单一的个体,这就使得测量精度提高并且可以精确得出露点,而不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化而引起的误差。而且将传感器元件、信号放大器、模/ 数转换器、OTP 校准数据存储器、I2C 工业标准串行总线等，电路功能部件全部采用CMOS技术与温湿度传感器一起放置在一个芯片内。这不仅使信号强度增加,更重要的是长期稳定性也得到增强,这对传感器系统是极为重要的。同时,模/ 数转换也在一个芯片内同时完成,这可使信号对噪声不敏感,尤其重要的是,在传感器芯片数据存储器内装载的针对每一只传感器的校准数据保证了每一只

40、传感器都有相同的功能,可以实现100%的互换。此外,。该传感器还具有I2C 二线串行总线接口,这可使传感器方便的与任何类型的微处理器、微控制器接口相连,为温湿度的微机化测试带来极大的方便,这不仅能减少温湿度测试系统的开发时间,还可节约数字化接口的软硬件成本。该传感器还有反应迅速、高精度、低功耗等优点。3.2 SHT-11的传感器输出SHT-11的相对湿度绝对精度、温度精度和25露点精度如图3.2(a)(c)所示。（a）湿度绝对精度（b）温度精度（C）25露点精度图3.2 相对湿度、温度和露点的精度曲线3.2.1 湿度值输出SHT-11可通过I2C 总线直接输出数字量湿度值,其相对湿度输出特性曲

41、线如图3.2所示。从中可以看出,SHT-11 的输出特性呈一定的非线性,为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据,可按式3.1修正湿度值:= (式3.1)式中,SORH 表示传感器相对湿度测量值,系数取值分别如下:12位时：8位时： 3.2.2 温度值输出SHT-11温度传感器的线性非常好,可用下列公式3.2将温度数字输出转换成实际温度值T : (式3.2) 式中，表示传感器温度测量值。当电源电压为5V，温度传感器的分辨率为14位时，；当温度传感器的分辨率为12位时，。图3.3 相对湿度输出特性曲线3.2.3 露点计算空气的露点值可根据相对湿度和温度值由式3.3和式3.4计算： (式3.3)

42、(式3.4)式中，饱和水蒸气压强（mmHg）3.2.4 非线性校正及温度补偿 式3.3为相对湿度的非线性补偿计算公式,对于单片机系统而言,计算量大而过复杂,下面给出简化的计算方法。（1）线性当系统对湿度测量精度要求不高时,可采用式3.5计算。 式中，。 （式3.5）（2）2线性 当系统对湿度测量精度要求较高时,可采用式3.6计算,即用最小的计算复杂性来提高精确度。 式中，为8位湿度传感器输出湿度值。 （式3.6）当时，；当时，。（3）温度补偿 上述湿度计算公式是按环境温度为25进行计算的,而实际的测量温度值则在一定的范围内变化,所以应考虑湿度传感器的温度系数,可按式3.7对环境温度进行补偿。

43、（式3.7）当为12位时，；当为8位时，。3.3 SHT-11的特性和性能参数3.3.1 SHT-11的特点SHT-11传感器的特点如下:（1）相对湿度和温度一体测量；（2）精确露点测量；（3）全量程标定，无需重新标定即可互换使用；（4）超快响应时间；（5）两线制数字接口（最简单的系统集成，较低的价格）；（6）超小尺寸（7.552.5mm）；（7）高可靠性（工业CMOS工业）；（8）优化的长期稳定性；（9）可完全浸没水中；（10）基于请求式测量，因此低能耗；（11）具有湿度传感器元件的自检测能力；（12）传感器元件加热应用，亦可获得极高的精度和稳定性。3.3.2 SHT的详细规格（1）相对湿度

44、传感器（RH）的性能参数如下：范围：0100%RH；精度：3%RH（2080%RH）； 响应时间：4s；复现性：0.1%RH；分辨率：0.03%RH；工作温度：40120。（2）温度传感器的性能参数如下：范围：40120；精度：0.5（在25时），0.9（在040时）；响应时间：20s；复现性：0.1；分辨率：0.01。（3）电器数据能耗：典型 30uW（5V，12-bit，测量周期2秒） 典型 1uW（2.4V,8-bit，测量周期2分）；供电范围：2.4V5.5V；检测电流：0.5mA；待机电流：0.3uV。3.4 SHT-11的引脚SHT-11的引脚图如图3.4所示。图3.4 SHT-1

45、1的引脚图引脚简介GND接地端：SHT-11的供电电压为0.4V5.5V，传感器上电后要等待11ms以越过“休眠”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100uF的电容，用以去耦滤波。DATA双向串行数据线：SHT-11的串行接口，在传感器的读取及电源损耗方面都做了优化处理。DATA三态门用于数据的读取。SCK串行时钟输入：用于微处理器与SHT-11之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。VDD电源端：0.4V5.5V电源。3.5 SHT-11的的内部命令与接口时序3.5.1 SHT-11的内部命令SHT-11 传感器共有5 条用

46、户命令,具体命令格式见表3.1。在程序编程时根据命令编号来设定SHT-11的工作状态。例如：0x03设置SHT-11为温度测量，0x05是设置SHT-11为湿度测量5。表3.1 SHT-11传感器命令列表命令编号说明测量温度00011温度测量测量湿度00101湿度测量读寄存器00111“读”状态寄存器写寄存器00110“写”状态寄存器软启动11110重启芯片,清除状态记录器的错误记录11 毫秒后进入下一个命令3.5.2 SHT-11的命令顺序及命令时序(1) 传输开始初始化传输时,应发出“传输开始”命令,具体为SCK是高电平时,DATA 高电平变为低电平,并在下一个SCK为高时将DATA 升高

47、。接着传输开始下一个命令，包含3个地址位(目前只支持“000”) 和5 个命令位,通过DATA 脚的ACK 位处于低电位表示SHT-11正确收到命令。(2) 连接复位顺序如果与SHT-11传感器的通讯中断,下列信号顺序会使串口复位:当使DATA线处于高电平时,触发SCK9次以上(含9 次) ,并发一个前述的“传输开始”命令。(3) 温湿度测量时序当发出了温(湿) 度测量命令后，控制器就要等到测量完成后才开始动作。使用8/ 12/ 14 位的分辨率测量分别需要大约11/ 55/ 210 ms。为表明测量完成，SHT-11会使DATA为低电平,此时控制器必须重新启动SCK，然后SHT-11传送两字

48、节测量数据与1字节CRC校验和到控制器，控制器必须通过使DATA为低来确认每一字节，通讯在确认CRC数据位后停止。如果没有用CRC28校验和,则控制器就会在测量数据LSB后，保持ACK为高时停止通讯,SHT-11在测量和通讯完成之后会自动返回睡眠模式。需要注意的是，为使SHT-11温升高低于0.1，则此时工作频率不能大15%(如:12 位精确度时,每秒最多进行3 次测量)。测量温度和测量湿度命令所对应的时序如图3.4所示。图3.4 测量温湿度时序图(4) 加热控制将传感器芯片中的加热开关接通，传感器温度大约增加5 ，加热用途如下:其一，通过对启动加热器前后的温、湿度进行比较，可以正确地区别传感

49、器的功能；其二，在相对湿度较高的环境下，传感器可通过加热来避免冷凝。(5) 低电压检测SHT-11的工作极限功能可以检测VDD电压是否低于2.45V，准确度为0.1V。 3.4.3 SHT-11的状态寄存器SHT-11的状态寄存器的类型及其说明见表3.2。表3.2 SHT-11状态寄存器及说明位类型说明缺省7保留06读工检限X5保留04保留03只用于试验，不可以使用02读/写加热0关1读/写不从OTP重下载0重下载0读/写18位相对湿度，12位温度分辨率；012位相对湿度，14位温分辨率012位相对湿度，14温度4 液晶显示器LCD液晶显示器是一种低功耗液晶显示器件。工作电流小，适合于仪表和低

50、功耗系统。常用的有笔画型液晶显示器、点阵字符型液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。LCD液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，。有电就显示黑色，这样就显示出图形。液晶显示器适应于大规模电路直接驱动，易于实现全彩色显示的特点。目前被广泛应用于计算机，数字摄像机等众多领域。4.1 液晶显示器的分类液晶显示器按显示图案的不同分笔段型LCD、字符型LCD和点阵图型LCD三种6。(1) 笔段型笔段型是以长条状作为基本单位显示。该类型主要用于数字显示，也可用于显示西文字符或某些字符。这种段型显示通常有6段、7段、8段、9段、14段和16段等，在形状上与数码管类似，总是围绕数字“

51、8”的结构变化。其中以7段显示器常用，常用于数字仪表、电子仪器中。(2) 字符型字符型液晶显示器是专门用来显示英文和其他拉丁文字母、数字、符号等点阵型液晶显示模块。它一般由若干个58或511点阵组成，每个点阵显示一个字符。这类模块一般应用于数字寻呼机、数字仪表等电子设备中。(3) 点阵图形型点阵图形型是在一平板上排列多行多列的矩阵式的晶格点，点的大小可根据显示清晰度来设计，可显示数字、字母、汉字、图像，甚至动画。这液晶显示器广泛应用于手机、笔记本电脑等需要显示大量信息的设备中。4.2 AMPIRE 12864带中文字库的12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国

52、标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。在本次设计中要求显示温度值，湿度值的同时显示起表明作用的“温度”与“湿度”两组汉字。因此选用点阵图形型的AMPIRE 12864。它的基本特性如

53、下： 低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V）； 显示分辨率:12864点； 内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字(简繁体可选)； 内置 128个168点阵字符； 2MHZ时钟频率； 显示方式：STN、半透、正显； 驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS； 视角方向：6点； 背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10； 通讯方式：串行、并口可选； 内置DC-DC转换电路，无需外加负压； 无需片选信号，简化软件设计； 工作温度: 0 - +55 ,存储温度: -20 - +60。4.2.1 LCD 12864引脚功能AMPIRE 12864内置KS0108型图

54、形液晶模块驱动，它的引脚功能表如表5.1所示。表5.1 LCD 12864引脚功能表引脚号引脚名称电平引脚功能描述1CS1/CS2H/L片选信号，芯片1/芯片2控制液晶左半屏/右半屏2GND0V电源地3VCC+5V电源正4V0对比度（亮度）调整5RSH/LRS=“H”,表示DB7DB0为显示数据RS=“L”,表示DB7DB0为显示指令数据6R/WH/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7DB0R/W=“L”,E=“L”, DB7DB0的数据被写到IR或DR7EH/L使能信号8DB0DB7H/L三态数据线9H/L复位端，低电平有效10VOUTLCD驱动电压输出端4.2.2 KS0108控

55、制器指令功能KS0108控制器指令功能如表4.2所示。具体分析如下：（1） 读状态字（read status）格式：BUSY0ON/OFFRESETO000BUSY=1：表示KS0108正在处理计算机发来的指令或数据。此时接口电路被封锁，不能接受除状态字以外的任何操作。BUSY=0表示KS0108接口控制电路已处于“准备好”状态，等待计算机的访问。ON/OFF：表示当前的显示状态。ON/OFF=1表示关显示状态；ON/OFF=0表示开显示状态。RESSET：表示当前KS1008的工作状态，即反映RET端得电平状态。当RST为低电平状态时，KS0108处于复位工作状态，RESET=1；当RST为

56、高电平状态时，KS0108为正常工作状态，RESET=0。在占领设置和数据读写时要注意状态字中的BUSY标志。只有在BUSSY=0时，计算机对KS0108的操作才有效。因此计算机在每次对KS0108操作之前，都要读出状态字判断BUSY是否为“0”。若不为“0”，则计算机需要等待，直至BUSY=0为止。（2） 显示开关（display on/off）格式：0011111D该指令设置显示开关/触发器的状态，由此控制显示数据锁存器的工作方式，从而控制显示状态。D位为显示开/关的控制位。当D=1为显示设置，显示数据锁存器正常工作，显示屏上呈现所需的效果。此时在状态字中ON/OFF=0。当D=0为关显示

57、设置，显示数据锁存器被清0，显示屏呈不显示状态，但显示存储器并没有被破坏，在状态组中ON/OFF=1。（3） 显示起始行设置（display start line）格式：11L5L4L3L2L1L0该指令设置了显示起始行寄存器的内容。KS0108有64行显示的管理能力，该指令中L5L0为显示起始行的地址，取值在03FH（164）范围内，它规定了显示屏上最顶一行所对的显示存储器的行地址。如果定时间间隔地，等间距地修改（如加一或减一）显示起始行寄存器的内容，则显示屏将呈现显示内容向上或向下平滑滚动的显示效果。（4）页面地址设置（set page(X address)）格式：10111P2P1P0该

58、指令设置了页面地址X地址寄存器的内容。KS0108将显示存储器分成了8页，指令代码中P2P0就是要确定当前所要的选择的页面地址，取值范围为07H，代表第18页。该指令规定了以后的读/写操作将在哪一个页面上进行。（5）列地址设置（set Y address）格式：01C5C4C3C2C1C0该指令设置了Y地址计数器的内容，C5C0=03FH(164)代表某一页面上的某一单元地址，随后的一次读或写数据将在这个单元上进行。Y地址计数器具有自动加一功能，在每一次读/写数据后它将自动加一，所以在连续进行读/写数据时，Y地址计数器不必每次都设置一次。页面地址的设置和列地址的设置将显示存储器单元唯一确定下来，为后来的显示数据的读/写作了地址的选通。（6）写显示数据（write display data）该操作将8位数据写入先前已经确定的显示存储器的单元内，操作完成后列地址计数器自动加一。（7）读显示数据（read display data）该操作将KS0108接口部的输出寄存器内容读出，然后列地址自动加一。4.2.3 应用说明用带中文字库的12864显示模块时应注意以下几点：（1）欲在某一个位置显示中文字符时，应先设定显示字符位置，即先设定显示地址，再写入中文字符编码。（2）显示ASCII字符过程与显示中文字符过程相同。不过在显示连续字