基于AT89C51单片机的无尘间温湿度控制.doc

摘 要 温湿度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们通常使用温度计、湿度计来采集温度和湿度，通过人工加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。有些用户采用半导体二极管作为温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。在某些行业中对温湿度的要求较高，由于温度过高或过低引起的元器件失效或由于环境湿度过高而引起的事故时有发生，对系统的可靠运行造成影响，甚至危及到系统局部操作人员的安全。所以实施对温湿度的监控很重要。本设计针对无尘间实验室设计了一种基于单片机的多点温湿度控制系统，该控制系主要采用AT89C51、LCD显示、DHT11等芯片，并对其组成以及硬件电路进行了详细的介绍，阐述了温湿度控制系统的工作原理以及设计方法。最后通过软件硬件联机调试，实现了温湿度信号检测与控制，达到了预期要求。关键词：温湿度控制 单片机 无尘间 DHT11 传感器AbstractThe temperature and humidity control are widely used in our everyday production and life.People ofen use thermomter and humidometer to collect temperature and humidity and also through the artificial heating，adding wet;ventilation and cooling equipment to control temperature and humidity.Such ways not only effect low control precision but also bring the heavy operation labor of people.Some users using semiconductor diode as temperature sensor,but because of its poor compatibility,the effect is also not ideal.In some indusrries which have high demend of temperature and humidity often have accidents because the temperature and the humidity are too high or too low.These will have big effect on the reliable operation of the system,and even threaten the safety of the local people.So it is very important to control the temperature and humidity. This design for clean laboratories introduces a kind of more single temperature and humidity control system based on singlechip.This control system uses some chips,such as at89c51、lcd、and sht11.It also introduce their composition and working principle in detail.Through online software and hardware debugging,it finally realizes the signal detection and control of the temperature and humidity and achieve the expected requirements. Keywords: Temperature and Humidity Control AT89C51 DHT11目 录1 绪论11.1 选题的目的和意义11.2 温湿度控制在国内外现状及发展趋势21.3 设计的任务要求42 系统方案选择和工作原理52.1 系统综述52.2 功能要求52.3 设计思路52.4 方案选择62.4.1 温湿度传感器方案选择62.4.2 粉尘浓度传感器方案选择72.4.3 显示器方案选择72.4.4 单片机芯片选择82.5 系统工作原理92.6 本章小结103 系统的硬件设计113.1 AT89C51构成的最小系统113.1.1 晶振电路113.1.2 复位电路123.2 DHT11传感器模块设计133.2.1 温湿测量相关概念143.2.2 DHT11传感器简介153.2.3 DHT11传感器电路的设计193.3 粉尘浓度传感器电路的设计203.4 1602显示模块的设计213.4.1 1602液晶显示屏简介213.4.2 显示电路设计243.5 报警电路设计243.6 键盘电路的设计263.7 继电器控制电路的设计273.8 本章小结274 系统软件设计294.1 编程语言和工具的选择304.1.1 编程语言的选择304.1.2 编程工具的选择304.2 1602显示器模块的设计304.3 传感器模块设计315 系统调试335.1 系统硬件调试335.2 系统软件调试33结束语36致谢37参考文献38附录1 硬件连接图39附录2 硬件实物图40附录3 源程序411 绪论温湿度控制系统应用前景广，工农业生产，科学研究以及日常生活等领域都离不开温湿度控制系统，由此，开发一套新型实用的温湿度控制系统，将具有推广价值。室内温湿度控制系统是一个对现实非常实用，对学生知识运用非常好的一个锻炼课题，本课题的研究内容是设计面向无尘间的温湿度控制系统，主要是针对无尘实验室。现代社会越来越多的实验都要求在严格的环境条件下完成，而温度和湿度是实验室最基本的环境条件，也是对实验影响较大的因素。甚至有些对于空气粉尘数也有一定的要求。一般温湿度控制系统中的温湿度测量均采用热敏电阻与湿敏电容，这种传统的模拟式温湿度传感器一般都需要设计信号调理电路并经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性等方面也存在一定问题。这种传感器只适合那些测量点数较少，对精度要求不高的场合。因此设计出一款精度高、稳定性好、成本低的温湿度检测控制系统将具有一定的市场。本系统采用具有高精度、防干扰等优点的数字式传感器DHT11，不需要外部元件，可适配各种单片机。这为开发新一代的温湿度测控系统提供了有利条件，同时也有助于将温湿度测控技术提高到新的水平。 1.1 选题的目的和意义随着工业的发展，需要对温湿度进行控制的场合越来越多。例如：仓库系统、电力系统、档案资料库、烟草、食品加工等等，温湿度的高低对其影响很大，如粮仓中的温湿度过高将会使粮食变质；档案资料库房中的温度忽高忽低，纸张纤维热胀冷缩，是强度降低，湿度过大会使霉菌和害虫滋长，以致造成资料质变；电力系统中，由于温度过高、过低引起的元件失效或由于湿度过高而引起的爬电、闪络事故时有发生等等。由于温湿度的控制不当导致的经济损失将让我们无法估计，为避免受到温湿度的影响，需要安装温湿控制系统减少因温度和湿度的变化给我们带来的经济损失1。温湿度控制系统应用前景广，工农业生产，科学研究以及日常生活等领域都离不开温湿度控制系统，而我国经济基础薄弱，在控温控湿方面投入较少，因而采用进口高档控制系统有困难，由此，开发一套新型实用的温湿度控制系统，将具有推广价值。室内温湿度控制系统是一个对现实非常实用，对学生知识运用非常好的一个锻炼课题，本课题的研究内容是设计面向无尘间的温湿度控制系统，主要是针对无尘实验室。伴随着社会科技发展水平的不断提高以及对质量要求的提高，现代社会越来越多的实验都要求在严格的环境条件下完成，而温度和湿度是实验室最基本的环境条件，也是对实验影响较大的因素。甚至有些实验室对空气的粉尘浓度也有一定的要求，为了满足这些要求以及提高检测水平，本设计针对实验室的温湿度以及空气粉尘浓度的自动检测系统展开了研究。本次设计主要围绕无尘间的温湿度以及空气粉尘浓度这一指标，运用传感器获得外界温湿度以及粉尘浓度参数的值，并用AT89C51单片机为控制核心对温湿度及粉尘浓度进行实时采集。1.2 温湿度控制在国内外现状及发展趋势 从17世纪初伽利略发明温度计，把玻璃管倒过来，把液体放在管内，把玻璃管封闭进行测量温度。在1659年法国人布利奥把玻璃泡的体积缩小，并把测温物质改为水银，这样的温度计已具备了现在温度计的雏形。以后荷兰人华伦海特在1709年利用酒精，在1714年又利用水银做为测量物质，制造了更精确的温度计。瑞典人摄尔修斯于1742年改进了华伦海特温度计的刻度，他把水的沸点定为100度，把水的冰点定为0度。而真正把温度变为电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。20世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。进入21世纪后，特别在我国加入WTO后，国内产品面临巨大挑战。各行业特别是传统产业都急切需要应用电子技术、自动控制技术进行改造和提升。例如纺织行业，温湿度是影响纺织品质量的重要因素，但纺织企业对温湿度的测控手段仍很粗糙，十分落后，绝大多数仍在使用干湿球湿度计，采用人工观测，人工调节阀门、风机的方法，其控制效果可想而知。制药行业里也基本如此。而在食品行业里，则基本上凭经验，很少有人使用湿度传感器。值得一提的是，随着农业向产业化发展，许多农民意识到必需摆脱落后的传统耕作、养殖方式，采用现代科学技术来应付进口农产品的挑战，并打进国外市场。各地建立了越来越多的新型温室大棚，种植反季节蔬菜，花卉；养殖业对环境的测控也日感迫切；调温冷库的大量兴建都给温湿度测控技术提供了广阔的市场。我国已引进荷兰、以色列等国家较先进的大型温室四十多座，自动化程度较高，成本也高。国内正在逐步消化吸收有关技术，一般先搞调温、调光照，控通风；第二步搞温湿度自动控制及二氧化碳的测控。此外，国家粮食储备工程的大量兴建，对温湿度测控技术提也提出了要求。 国外厂家比较优质的产品主要使用聚酰胺树脂，产品结构概要为在硼硅玻璃或蓝宝石衬底上真空蒸发制作金电极，再喷镀感湿介质材料（如前所述）形式平整的感湿膜，再在薄膜上蒸发上金电极.湿敏元件的电容值与相对湿度成正比关系，线性度约±2%。虽然，测湿性能还算可以但其耐温性、耐腐蚀性都不太理想，在工业领域使用，寿命、耐温性和稳定性、抗腐蚀能力都有待于进一步提高。我国几十年来在工业上的温湿度空调工程以及凡是对湿度有控制要求的空调工程站中，为了控制室内相对湿度总不得不用再热的处理方法，这几乎已成了机械工业，电子工业等有关工程设计数十年的不变规律。因为，为了控制相对湿度，历来一贯的做法先把大量空气(新风和回风)的温度一直降低到必要的露点温度以下，以除去其中的水分，然后再加热升温，才能保持室内一定的相对湿度。可是这种再热形成的冷热抵消现象所引起的能耗是十分惊人的。并且费人力，温度变化大，不易控制。 在过程工业发展的初期，在温度和湿度等测量和手动操作阀门开度的基础上，用手动操作方式完成温度和湿度等过程变量的调节，这是一直保留下来的控制策略，直到现在，在长期手动操作生产实践的基础上，逐渐总结出反馈控制的理论。在以后的发展中，PID调节是主要的控制策略，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好，可靠性高等优点，被广泛用于工业工程控制。随着计算机及各种接口电路、执行元件的不断开发，现在计算机已广泛用于温度和湿度控制系统中，如Apple-,IBM-PC,Supper等个人计算机以及各种单片机等均在热处理领域有广泛的应用，控制效果好，控制精度可达±1。随着生产的发展，对控制的要求也越来越高，随之发展出许多以计算机为基础的新兴控制算法。1.3 设计的任务要求无尘间也叫洁净室(Clean Room）、无尘室，是指将一定空间范围内将空气中的微粒子、有害空气、细菌等之污染物排除，并将室内的温度、洁净度、室内压力、气流速度与气流分布、噪音振动及照明、静电控制在某一需求范围内，而所给予特别设计之房间。亦即是不论外在之空气条件如何变化，其室内均能俱有维持原先所设定要求之洁净度、温湿度等性能特性。1、基本要求（1）主要检测室内的温湿度以及粉尘浓度，并使其保持在适合的范围；（2）温湿度以及粉尘浓度参数显示在LCD液晶显示器上；（3）设置报警点，并能按照设置实时报警；2、控制要求当温度、湿度以及粉尘浓度越限时报警，并通过报警信号提示通过调节空调温度以及过滤装置或者启动除湿机或加湿器来进行控制。3、制作要求（1）制作低廉，工作可靠；（2）做出实物，调试通过，可以正常工作；因此，本温湿度控制系统的设计应以这三方面的要求为依据，从而进行各个部分的详细设计。2 系统方案选择和工作原理2.1 系统综述 根据本设计第一章要求的性能指标，方案设计时不仅要考虑怎么样实现测量一定精度的温湿度以及粉尘浓度信号值的基本功能，还要考虑温湿度以及粉尘浓度超过阀值时系统的报警功能以及控制功能。根据设计要实现的功能，还要考虑系统控制芯片扩展口的分配，选择AT89C51单片机就能够满足设计要求。最后还要考虑设计系统选择元器件的成本。系统工作的可靠性，实用性，长久性指标也是系统在设计时值得考虑的几个因素。2.2 功能要求1、通过数字温湿度传感器DHT11采集温湿度数据，通过GCG-1000粉尘浓度传感器采集粉尘浓度数据，即时传输给单片机；2、单片机将收到的信号进行分析和处理，将采集到的实时数据送给1602液晶显示屏；3、通过1602LCD液晶屏完成数据显示；4、给定温度湿度以及粉尘浓度上下限数值，设置不同的数值，接入蜂鸣器，实现越限报警，并驱使继电器动作控制输出。2.3 设计思路电路总体上分为数据采集部分、中央处理器、显示模块以及报警模块部分。以AT89C51单片机最小系统作为核心控制电路，控制DHT11传感器采集的温湿度以及GCG-1000传感器采集的粉尘浓度值的转换，控制1602液晶屏的显示，以及蜂鸣器的报警。具体显示内容及方式由软件来完成。采集温湿度方面由DHT11传感器来完成，它是一个数字温湿度传感器、内置模数转换，可以直接与单片机相连接。而1602液晶屏是插针式，也可以直接与单片机相连接。因此不需要手动焊接等复杂的过程。具体步骤是：按照原理图将传感器、1602液晶显示屏分别接入单片机。通过DHT11传感器采集当前的温湿度值、再经单片机，将处理后的数据传送到液晶屏上显示出来。并且接入蜂鸣器和继电器。（1）温度监控：通过温度传感器对无尘间实验室温度进行测量，并通过升温或降温达到无尘实验室的最佳要求。（2）湿度监控：通过湿度传感器对无尘间实验室湿度进行测量，并通过除湿机或加湿器达到适合的湿度范围。（3）粉尘浓度监控：通过粉尘浓度传感器对无尘间实验室的粉尘浓度进行测量，并通过空气滤清器来控制粉尘浓度使其达到适合的范围。（4）控制处理：当温度、湿度以及粉尘浓度越限时报警，并通过报警信号提示通过调节空调温度以及过滤装置或者启动除湿机或加湿器来进行控制。（5）显示：LCD就地显示输入值和相应的温湿度。2.4 方案选择2.4.1 温湿度传感器方案选择方案一：选用DS18B20温度传感器作为温度检测模块。DS18B20是一线式数字温度传感器。具有独特的单线式接口方式。测量范围在55125，1085，误差范围在±0.5。最高精度可达0.0625。HS1101是电容式湿度传感器。可测量相对湿度范围在0%100%RH。误差为±2%RH。方案二： 选用DHT11作为设计的温湿度检测模块。DHT11是一款集成型的数字温湿度一体传感器。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。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个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。测量范围20%90%RH，050。测温精度为±2，测湿精度为±5%RH。完全符合本次毕业设计的要求。经上述分析，方案一虽然精度更精确。却稍显复杂。方案二即便不能实现方案一的高精度测量。却也能满足设计要求。且简便易行。可靠稳定。具有超高的性价比。故选择方案二。2.4.2 粉尘浓度传感器方案选择根据系统的要求，粉尘浓度传感器选用GCG-1000，它主要用于检测空气中浮游粉尘的质量浓度，通过数码管显示并转换成频率信号输出。GCG-1000粉尘浓度传感器吸收消化了国内外先进的测尘技术，可连续检测存在易燃易爆可燃性气体混合物的环境中浮游粉尘的浓度，具有测量快速准确、灵敏度高、就地显示、远程信号传输、性能稳定、可预置K值等功能及特点，可与各种监控系统配套使用。2.4.3 显示器方案选择方案一：采用12864液晶显示屏。液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。方案二：采用HJ1602液晶显示屏。HJ1602A 是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02 即32个字符。（16列2行）。1602只能显示字母、数字和符号能显示16*2个字符，但寄存器不止32个，有一些显示效果，如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示等等，显示效果简单。总结：在编程使用方面，两者难度差不多，原理差不多，都是写指令、写地址、写数据等等。当然12864液晶屏显示更全面、字符更多。相比于1602液晶屏、12864能更形象具体的实现显示功能。不过1602液晶屏也能实现设计的要求。网上买比较廉价，最低的六块钱左右。而12864液晶显示屏最便宜的也要四十块钱。从造价方面考虑，当然是价格低廉的优先。而HJ1602A就是最好的选择。2.4.4 单片机芯片选择根据总体功能和性价比及其运行速度等因素的考虑，选用MCS-51系列的89C51单片机。89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）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，各端口的功能简介如下所示：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储器，它可以被定义为数据/ 地址的低八位。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，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，如下所示： P3.0 RXD（串行输入口） 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。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止2。 2.5 系统工作原理系统的总体结构框图如下图所示：图2-1 系统的总体结构框图该测量系统的核心是AT89C51单片机。温湿度信号检测可以使用传统的电阻式温湿度传感器也可以采用集成的智能温湿度传感器芯片测量，粉尘浓度传感器应该使用测量以及采样相对误差较小的传感器。集成传感器芯片内部自带有信号放大电路。放大电路是提高单片机对信号进行识别的有效方法，而且在复杂电路的各种设计领域中是最常用也是必须采用的方法。由温湿度传感器检测到的温湿度信号经过芯片内部的A/D转换电路，将模拟信号转换成数字式信号后经过I2C总线输入通道传送给单片机。为了提高测量的精度，提高信号的转换质量，作为模拟信号转换成数字信号的A/D转换器，对其本身的性能要求也很高，因此传感器芯片内要有性能良好的A/D转换器。作为智能化的检测仪器，由LCD1602实现的显示器使人们直观的观看到测量的温度和湿度的值。在本设计系统中，正常情况下，显示电路可以实时的显示无尘间内的温度、湿度和粉尘浓度。当超过阀值时，报警电路可以立即发出警报，以便实现无尘间实验室温度、湿度和粉尘浓度的调整。2.6 本章小结本章介绍了总体方案的设计以及单片机的选型，设计出了本系统的原理结构框图，其中输入电路包括单片机的晶振电路，复位电路，温湿度以及粉尘浓度检测电路，键盘输入电路；输出电路包括显示电路，报警电路，继电器控制电路。 3 系统的硬件设计 3.1 AT89C51构成的最小系统 单片机是一种集成的电路芯片，是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/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。国内尤以MCS-51系列单片机应用最为广泛。此系列单片机易于开发、使用灵活、而且体积小、抗干扰能力强。因此本设计选用MCS-51系列的AT89C51单片机作为本系统的CPU。由AT89C51单片机为核心的单片机最小系统包括晶振电路和复位电路。3.1.1 晶振电路晶振电路的主要任务是为AT89C51单片机正常工作需要的时钟电路提供一个稳定的工作频率。本设计中采用内部时钟产生方式。如图所示。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶振，与内部的反相器构成稳定的自激振荡器，其发出的时钟脉冲直接送入单片机内定时控制部件。电容C1和C2对频率有微调作用。电容C1和C2，应尽可能的安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠的工作。图3-1 晶振电路3.1.2 复位电路复位电路的功能就是对CPU进行实时监测，当CPU落入死循环之后，能及时发现并使整个系统复位。为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75低于5.25以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才能被撤出，微机电路开始正常工作。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路，如图3-2所示。复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连的，斯密特触发器是用来抑制噪声的。单片机的RST引脚是复位信号的输入端，RST引脚上保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，单片机内部可以安全复位。复位后，单片机内部各寄存器的内容将被初始化，复位不影响片内RAM和片外RAM中的内容。寄存器包括程序计数器PC和特殊功能寄存器，其中（PC）=0000H图3-2 复位电路特殊功能寄存器的复位状态见表3-1。表3-1 复位特殊功能寄存器的初始状态SFR名称初始状态SFR名字初始状态ACC00HTMOD00HB00HTCON00HPSW00HTH000HSP07HTL000HDPL00HTH100HDPH00HTL100HP0-P3FFHSBUF不确定IPXXX00000BSCON00HIE0XX00000BPCON0XXXXXXB3.2 DHT11传感器模块设计温湿度的测量在仓库管理、工业生产制造、无尘间、科学研究及日常生活中被广发应用，传统的模拟式湿度传感器需设计信号调理电路并需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。所以选用智能化的集成温湿度传感器芯片DHT11，可以满足我们的设计要求。湿度，表示大气干燥程度的物理量。在一定的湿度下载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、饱和差及露点等物理量来表示；若表示在湿蒸汽中液态水分的重量占蒸汽总重量的包分比，则称之为蒸汽的湿度。湿度传感器是指检测外界环境湿度的传感器，它将所测环境中的湿度信号转换为便于处理、显示、记录的电（频率）信号。湿度传感器在仓库，工业生产，过程控制，无尘间实验室等方面有着广泛的应用。湿度温度传感器是本设计中核心的器件，其感湿温特性直接决定了本设计的性能指标。湿度传感器的种类有很多，大致可以分为物性型，结构型，其他形式三大类。物性型包括电解质系，半导体及陶瓷系，聚合物系；结构型包括毛发型，肠膜型；其他形式包括干湿球式，石英振子式，种子法式等等。温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类。前者是让温度传感器直接与待测物体接触，来检测被物体放射出的红外线，从而达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比之下运用较多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用。目前在工业生产和科学研究工作中得到广泛使用的接触式传感器主要是热电传感器。它是利用转换元件电磁参数随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置，其中将温度变化转换为电阻变化的称热电阻传感器，金属热电阻式传感器简称热电阻，半导体热电阻式传感器简称热敏电阻，将温度变化换为电动势变化的称为热电偶传感器3。3.2.1 温湿测量相关概念 湿度和温度很久以前就与人类生活存在着密切的关系，但用数量来进行表示较为困难。现代科学对温湿度测量做出了明确的定义和表示方法。绝对湿度：单位体积的气体中含有的水蒸气的质量。但是，即使水蒸气量相同，由于湿度和压力的变化气体体积也要发生变化，即绝对湿度D发生变化。D为容积基准。相对湿度：气体中所含的水蒸气与气体饱和时所含的水蒸气的比，用百分比表示。但是，温度和压力的变化导致饱和水蒸汽气压也将随之而变化。通常在工作和生活中我们使用的湿度即为相对湿度。饱和水蒸气压气体中所含水蒸气的量是有限度的，达到限度的状态即可称为饱和，此时的水蒸汽压即称为饱和水蒸汽压。此物理量亦随着温度和压力的变化而变化，并且在0度以下即使同意湿度，与水共存的饱和水蒸汽和与冰共存的饱和水蒸汽的值是不同的，通常采用的是于水共存的饱和水蒸汽。露点：温度较高的气体其所含水蒸气也较多，将此气体冷却后其所含水蒸气的量即不发生变化，但其相对湿度也会增加。当达到一定温度、相对湿度达到100%饱和。此时，继续进行冷却的话，其中一部分的水蒸气将凝聚成露。此时的温度即为露点温度。露点在0度以下结冰时即为霜点。3.2.2 DHT11传感器简介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。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个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传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。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。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供4。 DHT11传感器实物图如下3-3所示：（1）引脚介绍：Pin1：(VDD)，电源引脚，供电电压为35.5V。Pin2：（DATA），串行数据，单总线。Pin3:（NC），空脚，请悬浮。Pin4（VDD），接地端，电源负极。（2）接口说明 ：建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。典型应用电路如下图3-4所示：图3-3DHT11传感器实物图图3-4DHT11典型应用电路（3）数据帧的描述： 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,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.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 +8bi温度整数数据+8bit温度小数数据 数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。（4）电气特性：VDD=5V，T = 25，除非特殊标注表3-2 DHT11的电气特性参数条件Mintypmax单位供电DC355.5V供电电流测量0.52.5mA平均0.21mA待机100150uA采样周期秒1次注:采样周期间隔不得低于1秒钟。（5）时序描述：用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。通讯过程如下图3-5所示：图3-5 通讯过程一总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后, 读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可, 总线由上拉电阻拉高。图3-6 通讯过程二总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。数字0信号表示方法如下图3-7所示：图3-7 数字0信号表示法数字1信号表示方法如下图3-8所示图3-8 数字1信号表示法3.2.3 DHT11传感器电路的设计 为了实现多点测量，系统采用多个DHT11芯片，本设计针对实验室的三点进行测量。分别用单片机的P15、P16、P17来分别接三个点的DHT11的DATA引脚。按照说明书的要求，DHT11与单片机的连线长度小于20米时，需要在VCC和DATA之间接5K的上拉电阻，因此DHT11与单片机的连接电路如下图3-9所示：图3-9 温湿度检测电路3.3 粉尘浓度传感器电路的设计根据系统的要求，粉尘浓度传感器选用GCG-1000。GCG-1000粉尘浓度传感器吸收消化了国内外先进的测尘技术，可连续检测存在易燃易爆可燃性气体混合物的环境中浮游粉尘的浓度，具有测量快速准确、灵敏度高、就地显示、远程信号传输、性能稳定、可预置K值等功能及特点，可与各种监控系统配套使用。GCG-1000粉尘浓度传感器主要技术指标：测量范围：0.11000）mg/m3； 测量相对误差：15%； 采样流量误差：±2.5%； 采样流量稳定性：±5%； 采样流量：15L/min； 工作电压：DC（924）V（本安电源）；工作电流：250mA； 重量：5kg； 输出信号制式：频率（2001000）Hz。 GCG-1000粉尘浓度传感器实物如下：图3-10 GCG-1000粉尘浓度传感器实物图由于GCG-1000粉尘浓度传感器只有成品，没有芯片形式。所以对于粉尘浓度传感器的硬件电路设计在这里就不予给出。3.4 1602显示模块的设计3.4.1 1602液晶显示屏简介 HJ1602A 是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02 即32个字符。（16列2行）。一般1602字符型液晶显示器实物如图3-11和3-12所示：（1）引脚说明：第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。 第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时 图3-11 液晶屏正面 图3-12 液晶屏背面对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通