电子信息工程专业论文02494.doc
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1、学位论文基于LM75A和HS1101的智能温度湿度检测系统设计与实现基于LM75A和HS1101的智能温度湿度检测系统设计与实现摘 要随着计算机技术的发展,智能温度和湿度的检测系统在农业、工业、国防、仓储等领域有着极为广泛的应用。本文设计了一种基于51单片机的智能温度和湿度检测系统,通过STC89C52RC单片机的控制与处理,采用测量范围在0%99%之间的湿度传感器元件HS1101和测量范围在-55+125之间的温度检测器元件LM75A,从而测量出当前空气相对湿度和温度,显示在4位数码管。并且设置了湿度和温度的上限制,一旦检测的湿度或温度超过了设定值,就会启动报警装置。该产品具有体积小巧、成本
2、低、可靠性高,测量精度高等优点。 关键词: 单片机;湿度;温度;检测Design and Implementation of an Intelligent Temperature and Humidity Detection System Based on LM75A and HS1101 AbstractWith computer technology development, automatic measurement and control of temperature and humidity are widely applied to agriculture, industry, n
3、ational defense, storage and other fields. A temperature and humidity measurement system based on 51 MCU is designed in this paper, by control and treatment of STC89C52RC,use the humidity sensor element HS1101 that the range between 1%99% and temperature sensor element LM75A that the range between -
4、55+125.Accordingly measures the current relative humidity and temperature, and reveals on the LED. And set the humidity and temperature, when the detection of the humidity or temperature exceeding the set value, will start the alarm. This product has a compact size, low cost, high reliability and me
5、asurement precision.keywords: MCU; Humidity; Temperature; Detection目 录1引言11.1课题背景11.2本课题研究的意义11.3本课题的研究方法12湿度和温度测量22.1空气湿度的表示方法22.2湿度传感器的发展史22.3空气温度的表示方法32.4温度传感器的发展史53硬件电路设计53.1电源电路和单片机电路模块63.2湿度检测模块73.3温度检测模块93.4数码管显示和键盘控制模块123.5报警电路模块124软件设计124.1主程序的设计134.2中断函数设计155调试与测试165.1软件调试165.2电源及硬件电路调试175
6、.3湿度电路调试185.4温度电路调试185.5报警电路调试195.6按键测试196结论与展望196.1全文总结196.2前景展望20参考文献21致 谢22附 录231 引言1.1 课题背景在日常生活中,空气湿度和温度直接影响人们的生活与生产。如在电子设备机房,为了保持设备运行良好,延长设备使用寿命。对湿度及温度都有较高要求。在生活中,当环境湿度过低时,人体会感觉皮肤干燥不舒服。而湿度过大时,体表汗液不能及时排除蒸发,人体不舒适度会增大。此外如仓库、博物馆、资料室、实验室等对湿度和温度要求较高的场合,湿度和温度检测的应用前景也很广泛。所以,温湿度检测系统的广泛应用是必然的,且随着人们生活水平的
7、提高,多功能、自动化产品越来越受欢迎。智能温湿度检测系统采用数码管显示,可得到直观且准确的数据,让用户对室内湿度的把握更准确。1.2 本课题研究的意义基于该产品的需求,研究并提供一个小巧、高性价比、多功能的智能温度和湿度检测系统很有必要的,物廉价美是每个产品能受到用户欢迎的主要原因。因此,配置简单、功能完善、体积适宜是本次研究主要的着重点。本文选用LM75A数字温度检测芯片和HS1101电容式湿度传感器分别作为温度和湿度的感应器件。应用最简单的设计达到最实用的功能。1.3 本课题的研究方法本论文所完成的任务是通过产品对环境大气相对湿度和空气温度进行检测,并通过数码管立即显示,同时当温度超过设定
8、温度时及时报警。设计中采用Keil与Proteus连调仿真,再结合硬件调试的办法。第一章引言,主要介绍智能温湿度检测系统的背景及以后的发展,并且简单描述该课题的意义。第二章温度和湿度的测量,分别描述温度和湿度的表示方法和温度传感器及湿度传感器的发展史。第三章硬件电路设计,主要介绍智能温度和湿度检测系统的硬件设计。详细的从功能的模块上阐述工作原理。第四章软件设计,主要通过流程图简单介绍编写程序的思维和程序的各个功能。第五章调试与测试。描述本课题的调试过程和相关的数据,分析调试过程中遇到的问题和解决方案。在设计完成时的测试方式。第六章结论和展望,对本课题进行总结和对该设计的发展进行展望。2 湿度和
9、温度测量2.1 空气湿度的表示方法人们通常采用绝对湿度、相对湿度和饱和差三种不同量度方式来表示空气湿度。1、绝对湿度。指每立方米空气中含有的水汽的克数。通常用水汽压的大小来表示,其单位为百帕或毫米。绝对湿度大,空气比较潮湿;绝对湿度小,空气比较干燥。而在一定温度下,空气中的水汽含量有一个最大的限度,达到这个限度时的水汽压,叫饱和水汽压。饱和水汽压随着空气温度的增高而迅速变大。2、相对湿度。指空气中的实际的水汽压(即绝对湿度)与当时温度下饱和水汽压的百分比。相对湿度是一个百分数,没有单位。相对湿度小,说明当时的空气远没有达到饱和状态,空气干燥;相对湿度大,表明接近水汽压饱和,空气潮湿。这种表示方
10、法,方便于对不同温度下的湿度进行比较,其用途最为广泛,3、饱和差。指测量时的温度下的饱和水汽压和空气中实际的水汽压之间的差值。饱和差越小,说明空气越潮湿,饱和差越大,说明空气越干燥。人们经常采用相对湿度来表示空气的湿度,本文设计的产品也采用相对湿度的表示方式1。2.2 湿度传感器的发展史最早的湿度检测法是达芬奇用羊毛或人头发制成的毛发湿度计。这种机械式湿度检测仪曾在测湿历史上发挥重大作用。但是随着电子技术的发展, 人们开始对电子湿度传感器进行研究。1939年, 顿蒙利用材料的电气特性研制出世界上第一个湿度传感器。顿蒙湿度传感器是利用电解质制成的。根据电阻值的变化可以检测相对湿度。但是, 这种传
11、感器的检测范围太小, 要想测量较宽的湿度变化必须使用多个特性不同的传感器。同时进入测湿市场的还有利用聚合物薄膜或碳膜吸湿膨胀原理制作的湿度传感器。然而, 这些传感器都不能批量生产, 因为它们的制作过程需要大量的人工技巧,因此需要庞大的生产资金。后来, 人们又开始研究如何用半导体制造湿度传感器, 于是研制出若干种以陶瓷金属氧化物为主要材料的湿度传感器。测试了用含金属氧化物的厚膜硅或胶体涂印的传感器。此外, 还通过减小胶体电阻的办法提高响应速度。陶瓷湿度传感器会由于吸水、界面捕获现象和环境中, 分子等因素而使性能变坏。为防止这种情况, 又研制出能耐受定时加热清洗的传感器元件。本文设计所采用的湿度传
12、感器为湿敏电容式传感器。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,但其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主要厂家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。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。2.3
13、空气温度的表示方法温度的表示方式有几种,我们常用的是摄氏度的表示方式,但不同的国家和不同的环境为了方便人们会用不同的表示方式,1、摄氏温度。目前被通常使用的一种温度表示方式,是设定在一个标准大气压下水的冰点为零度,沸点为100度,其中间分成100等分,每个等分被定为1摄氏度。2、绝对温度。是从物理学考虑到的最低温度(-273.15)作为0度;1度的刻度和摄氏相同,单位用K表示,0 K 被假定为分子的热运动处于静止状态时的温度;称之为“绝对温度”。绝对温度T(K)=摄氏温度t()+273.15 (1-1)3、华氏温度。早前规定冰和食盐的混合物温度为0度,冰点为32度,人们的体温为96度的表示方法
14、,单位为:;后来更改为水的温度为32度,沸点为212度中间分为180等分。摄氏温度t()=5/9 华氏温度()-32 (1-2)华氏温度()=9/5摄氏温度t()+32 (1-3)国际实用温标是一个国际协议性温标,它与热力学温标相接近,而且复现精度高,使用方便。目前国际通用的温标是1975年第15届国际权度大会通过的1968年国际实用温标-1975年修订版,记为:IPTS-68(Rev-75)。但由于IPTS-68温示存在一定的不足,国际计量委员会在18届国际计量大会第七号决议授权予1989年会议通过了1990年国际温标ITS-90,ITS-90温标替代IPTS-68。我国自1994年1月1日
15、起全面实施ITS-90国际温标。1990年国际温标(ITS-90)简介如下。 1温度单位 热力学温度(符号为T)是基本功手物理量,它的单位为开尔文(符号为K),定义为水三相点的热力学温度的1/273.16。由于以前的温标定义中,使用了与273.15K(冰点)的差值来表示温度,因此现在仍保留这各方法。 根据定义,摄氏度的大小等于开尔文,温差亦可以用摄氏度或开尔文来表示。 国际温标ITS-90同时定义国际开尔文温度(符号为T90)和国际摄氏温度(符号为t90) 2国际温标ITS-90的通则, ITS-90由0.65K向上到普朗克辐射定律使用单色辐射实际可测量的最高温度。ITS-90是这样制订的,即
16、在全量程中,任何温度的T90值非常接近于温标采纳时T的最佳估计值,与直接测量热力学温度相比,T90的测量要方便得多,而且更为精密,并具有很高的复现性。 3ITS-90的定义 第一温区为0.65K到5.00K之间, T90由3He和4He的蒸气压与温度的关系式来定义。 第二温区为3.0K到氖三相点(24.5661K)之间T90是用氦气体温度计来定义. 第二温区为平衡氢三相点(13.8033K)到银的凝固点(961.78)之间,T90是由铂电阻温度计来定义.它使用一组规定的定义固定点及利用规定的内插法来分度. 银凝固点(961.78)以上的温区,T90是按普朗克辐射定律来定义的,复现仪器为光学高温
17、计2。2.4 温度传感器的发展史温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段:1、传统的分立式温度传感器(含敏感元件),主要是能够进行非电量和电量之间的转换。2、模拟集成温度传感器/控制器。3、智能温度传感器。目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类:一类是接触式温度传感器,一类是非接触式温度传感器。接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触,通过热传导及对流原理达到热平衡,这时的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高,并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的,热容量比较小的及对感温元件有腐蚀
18、作用的对象,这种方法将会产生很大的误差。非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象,也可以测量温度场的温度分布,但受环境的影响比较大。3 硬件电路设计图3-1 硬件原理框图本系统电源电路采用稳定的5V电压,使电路进行工作正常。单片机的定时/计数器来测量由湿度传感器电路所产生的频率值,并经过单片机的程序处理后,转换为相应的空气相对湿度,显示在数码管上。另一方面,单片机直接读取温度传感器中检测的温度值,再由单片机处理后传给数码管显示。如果测量温度超过设定的温度值,温度传感器立即向单片机发出信号,启动报警系
19、统。显示方式是通过按键控制的,由按键来控制湿度显示和温度显示的切换,在显示中,分别用“C”和“H”来表示温度和湿度的单位符号。根据以上分析,可将本电路划分为:电源电路和单片机电路模块、数码管显示和键盘控制模块、湿度检测模块、温度检测模块和报警电路模块。硬件结构框图如图3-1所示。3.1 电源电路和单片机电路模块图3-2 电源电路模块电源电路模块中,电源两端并联一个10uF的电解电容与105电容作为电源去耦电容。而电源和地的接线也是独立的,是为了在实际操作中避免电源与地的短路,而且也让产品的操作更加方便。EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T
20、115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1STC89C52Y112MHzC322pFC422pFX1X2VCCR34.7KVCCC510uFT0P16P17TXDP23图3-3 单片机电路模块本电路使用的STC89C52RC单片机是一种低功耗、高性能、高抗干扰的CMOS 8位微控制器,它的结构与MCS-51单片机产品完全兼容,8K字节在系统可编程Flash存储
21、器,三个16位定时器/计数器,六个中断源,32个可编程I/O口, 1000次擦写周期,全双工UART串行通道,低功耗空闲和掉电模式,掉电后中断可唤醒,看门狗定时器等3。单片机电路部分包括复位电路与晶振电路。复位电路部分采用上电复位方式。方便在使用过程中产品的复位。复位后单片机所有引脚高电平有效。单片机电路图如图3-2所示。晶振电路采用的是11.0592M的晶振和两个22pF电容组成使单片机正常工作。3.2 湿度检测模块本设计湿度检测模块使用的湿度传感器HS1101是法国Humirel生产的电容式湿度传感器。它具有以下特点:1. 全互换性,在标准环境下不需校正。2. 长时间饱和下快速脱湿。3.
22、可以自动化焊接,包括波峰焊或水没4. 高可靠性与长时间稳定性。5. 专利的固态聚合物结构。6. 可用于线性电压或频率输出回路。7. 快速反应时间。可见HS1101是不仅具有较高精度,还具有高可靠性的湿度传感器。它的湿度响应曲线接近线性,能够使设计更加的方便可靠。图3-4 HS1101的湿度电容响应曲线HS1101是基于独特工艺设计的固态聚合物结构,在电路中等效于一个电容器,其电容值随所测空气的相对湿度的增大而增大。具有极好的线性输出,在相对湿度为0%RH100%RH的范围内,电容的容量由163 pF变化到202 pF,其误差不超过2%RH;湿度量程为1%RH99%RH,工作的温度范围为-40+
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