459.《LCD数字式温度湿度测量计》.doc
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1、目录1绪论11.1课题开发背景及意义11.2主要内容及设计要求12硬件系统设计22.1系统设计框图22.2电源电路22.3系统硬件详细设计图32.4各芯片介绍42.4.1单片机AT89C5142.4.2 DS18B20简介52.4.3 SHT15简介92.5各功能模块电路的设计112.5.1温度测量电路112.5.2湿度测量电路123系统软件设计133.1系统功能模块图及各模块介绍133.1.1温度获取模块133.1.2湿度获取模块163.1.3 LCD显示控制模块183.2主程序流程图204硬件电路和软件系统的调试224.1印制电路板的设计与制作224.2系统软件调试255结论27参考文献2
2、8致谢29附录1系统印制电路板30附录2程序源代码31摘 要温度湿度的测量与控制在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。利用单片机技术的温度湿度测量计有体积小,可靠性高等优点,在本设计中对数字式温度湿度测量计进行了分析设计。本系统针对所使用的AT89C51单片机的性能和发展情况做了比较详细的介绍,对本系统使用的温度芯片DS18B20和湿度芯片SHT15做了性能方面的简单说明。重点对硬件、软件的组成进行了分项、模块化设计。对各部分的电路一一进行了介绍,最终实现了该系统的硬件设计,绘制了电路原理图、印制电路板图。在软件设计方面完成了各功能模块的流程图,并根据设计要求对需要实现的功能经过反复的模拟运
3、行、调试、修改简化,最后得出一套完整的软件系统。关键词:单片机AT89C51;温度传感器DS18B20;湿度传感器SHT15;液晶显示模块LCD1602AbstractThe test of temperature and moisture has been widely used in industry, agriculture, National defense and so on. By the advantage of small volume and high reliance of Single Chip Micyoco temperature and moisture meter
4、, the article has analyzed and designed the digital temperature and moisture meter in this designing.This system made detailed introduction about performance and development situation of Single Chip microcomputer AT89C51, and made simple explanation about the temperature chip DS18B20 and humidity ch
5、ip SHT15. It has mainly analyzed and designed the composition of hardware and software carried on the item, modulation gradually. This system has introduced part of the electric circuit step by step, and has finally realized the hardware electric circuit of this system. It has protracted the electri
6、c circuit principle diagram, the printed circuit board chart. According to the function that must be realized in designing, by repeated simulation run and debugging, it has revised and simplified the software system, and finally has formed a set of complete program.Key words: Microcomputer AT89C51;
7、Temperature Sensor DS18B20; Humidity Sensor SHT15; Liquid-Crystal Display LCD16021绪论1.1课题开发背景及意义在日常生活和生产中,我们经常要测量环境的温、湿度,传统的测量方式采用水银温度计和干湿球湿度计查算法,存在着误差大,操作使用不便等问题,采用工业级测量仪表价格昂贵。采用AT89C51和DS18B20、SHT15等构成的LCD数字式温度湿度测量计精度高且价格便宜。1.2主要内容及设计要求(1)掌握单片机中断,定时器应用及各并行口的应用;(2)掌握单片机的湿度测量方法;(3)利用单片机芯片89C51及温度传感芯
8、片DS18B20完成温度的检测,利用SHT15完成湿度测量;(4)测温范围:-10100精度0.1,测温速度:1S。2硬件系统设计2.1系统设计框图系统硬件设计的原理框图如图1所示:AT89C51单片机 系统温度读取时钟湿度读取电源输入显示电路图1 温度湿度测量系统框图该系统的原理由图1可以看出,由温度和湿度采集电路采集信号经单片机处理后再送至显示电路显示1。2.2电源电路电源电路如图2所示:图2 电源电路该电路的工作原理是:输入的220V左右的交流电压,经变压器、整流桥全波整流之后,经电解电容滤波,再经7805稳压,得到稳定的+5V直流电流,向系统各模块提供能量,是一个比较简单的电源电路。2
9、.3系统硬件详细设计图在图3所示电路中,AT89C51为主控制器,P0口与液晶显示器LCD1602相连,在AT89C51的控制下,由DS18B20、SHT15完成温湿度信号的采集,由P0口输出送液晶显示模块LCD1602显示6。琴键开关S1按下,使得RST端为高电平,AT89C51被复位。该电路采用的主要器件有:DS18B20是温度传感器,检测和完成温度的转换;SHT15是温度湿度传感器,其主要完成温度和湿度的测量及转换;AT89C51控制信号的采集过程及实现系统的时钟显示;LCD1602是液晶显示器,显示当前的温度、湿度数据及系统时钟2。系统整机电路图如图3所示:图3 数字温度湿度测量计整机
10、电路在图3所示电路中,DS18B20作为温度采集电路,输出为数字信号,可以大大的缩减外围电路,从而使得电路更加的简单,SHT15是温湿度采集电路3,也是数字输出,这样就使得整个电路比较简单、明了,同时也节约的成本。2.4各芯片介绍2.4.1单片机AT89C51 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器。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
11、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,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。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4。AT89C51元件的图形如图4所示:图4 AT89C51的引脚排列图管脚说明:(1)电源部分:VCC:供电电压。GND:接地。(2)晶振部分: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
12、向振荡器的输出。(3)接口电路部分: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。 P3口:P3口
13、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。(4)复位部分: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7。2.4.2 DS18B20简介测温元件采用新型的温度传感器DS18B20。DS18B20是由Dallas半导体公司生产的“一线总线”接口的温度传感器。一线总线结构具有简洁且经济的特点,可使用户轻松地组建传感器网络,从而为测量系统的构建引入全新概念,DS18B20的测温范围为-55+125,在-10+
14、85范围内,精度为0.0625,现场温度可直接通过“一线总线”以数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20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。它工作在3V5.5V的电压范围,采用多种封装形式,从而使系统设计更灵活、方便,设定分辨率及用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存5。DS18B20的内部结构如图5所示:图5 DS18B20内部结构图DS18B20主要由4部分组成:64位ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器5。DS18B20的封装形式及引脚排列如图6所示:图6 DS18B20的引脚排列图DS
15、18B20有4个主要的数据部件:(1)光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是:开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。(2)DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625/LSB形式表达,其中S为符号位。其中DQ为数字信号输入/输出端;
16、GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端(采用寄生电源供电方式时接地)。表1 DS18B20温度数据表TEMPERATUREDIGITAL OUTPUT(Binary)DIGITAL OUTPUT(Hex)+1250000 0111 1101 000007D0h+850000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00010191h+10.1250000 0000 1010 001000A2h+0.50000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 00000000h-0.51111 1111 1111 1000FF
17、F8h-10.1251111 1111 0101 1110FF5Eh-25.06251111 1110 0110 1111FF6Eh-551111 1100 1001 0000FC90h(3)DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。(4)配置寄存器该字节各位的意义如下:表2 配置寄存器结构TMR1R011111低五位一直都是1,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动。R1和R
18、0用来设置分辨率,如下表所示(DS18B20出厂时被设置为12位): 表3 分辨率设置R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750msDS18B20采用单总线工作方式,由于所有信号(控制和数据)都通过单总线传输,因此总线的时序逻辑必须非常严格,其工作时序如图7所示8:图7 DS18B20工作时序2.4.3 SHT15简介SHT15型传感器是单片、多用途的智能传感器,其中不仅包含基于湿敏电容器的微型相对湿度传感器和基于带隙电路的微型温度传感器,而且还有14位的A/D转换器和2线串行接口。能输出经过校准的相对湿度和温度的串行数据,
19、所以系统中不再使用传统设计需要的多路转换开关、A/D转换器及信号调理电路,系统结构比较紧凑和简单,SHTl5能在同一位置测量相对湿度和温度。它的内部结构如图8所示:图8 SHT15内部结构图SHT15的引脚比较少,使用方便,其引脚排列如图九所示。SHT15型智能传感器的相对湿度测量范围是0100%。分辨率达0.03%,最高精度为2%RH,温度测量范围是-40+123.8,分辨率为0.1。电源电压范围是+2.5V+5.5V,响应时间小于3s。引脚功能如表4所示:图9 SHT15引脚排列图表4 SHT15引脚功能表引脚号引脚名称功 能1GND接地端2DATA串行数据输入/输出端3SCK串行时钟输入
20、端4VDD接电源端5,6,7,8NC不连接采用温湿度传感器SHT15,SHT15传感器是一款由多个传感器模块组成的单片全校准数字输出相对湿度的传感器。它采用了特有的专业级CMOS技术,保证了极高的可靠性和卓越的长期稳定性。整个芯片包括校准的相对温度和湿度传感器。它们与1个14位的A/D转换器相连;此外还有一个I2C总线串行接口电路。 每一个传感器都是在极为精确的湿度室中进行校准。校准系数预先存放在OTP内存中。在测量校准的过程中都要用到这些系数9。其特点如下:电源引脚SHTxx 的供电电压为2.45.5V。串行接口 (两线双向)SHTxx 应用的的串行接口技术,在传感器信号读取及电源损耗方面都
21、做了优化处理;但与I2C接口不兼容。串行数据(DATA)DATA三态门用于数据的读取。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态,并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间,在SCK时钟高电平时,DATA必须保持稳定。为避免信号冲突,微处理器应驱动DATA在低电平。需要一个外部的上拉电阻(例如:10k)将信号提拉至高电平。上拉电阻通常已包含在微处理器的I/O电路中。测量时序(RH和T)发布一组测量命令后,控制器要等待测量结束。这个过程需要大约11/55/210ms,分别对应8/12/14bit测量。确切的时间随内部晶振速度,最多有15%变化。SHTxx通过下拉DATA至低电平,表示测量的结束。控制器
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