基于单片机的工厂环境温湿度监测系统设计说明

摘要

温湿度是工业生产中主要的被控参数，与之相关的各种温湿度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。温湿度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温湿度的控制效果直接影响着产品的质量,因而设计一种较为理想的温湿度控制系统是非常有价值的。

温湿度是影响硝基软片生产和厚度检测的重要因素。采用AT89S52单片机为控制中心，由STHl0温湿度传感器及1602字符型液晶模块构成硝基软片生产在线实时温湿度监控系统，实现对硝基软片生产环境的温湿度精确测量与控制。实践证明，该系统电路简单、工作稳定、集成度高，调试方便，测试精度高，保证硝基软片生产线的产品质量与合格率，具有一定的实用价值。

目录

0.引言 (5)

1.设计方案 (5)

2.硬件设计 (6)

3.软件设计 (8)

4.参考文献 (12)

5.附录 (13)

6.自我评价 (18)

0 引言

在日常生活中温湿度监控系统应用很广泛，例如：粮库、机房、档案馆、特殊材料加工工场等场所，都必须严格控制环境的温度及相对湿度，使其保持在一定的围。硝基软片生产线对于温湿度有着特殊的要求，需要装有温湿度在线监控系统，由用户根据环境要求设定系统的温湿度阈值；系统实时地测量显示环境的温湿度值，实现温湿度自动控制，使其在较宽的温度围具有较高的测试精度，同时还可以根据用户设定报警阈值报警，一旦发现环境温湿度超限，立即报警。为此，我们设计了一款测量精度高、结构简单使用、工作稳定可靠的基于单片机的温湿度监控与自动控制升降系统，并受到了硝基软片生产用户的好评。

1 设计方案

温湿度监控系统满足以下要求：

1)按照国家计算机房B级标准，温度18～28℃，相对湿度40％～70％；

2)用户可以设置系统温湿度报警值；

3)USB口供电，提供温湿度调节控制信号，实现自动控制；

4)检测得到的数据可以通过显示模块显示。

硬件设计不仅要满足系统需求，还要满足功能和外形尺寸要求。

根据设计要求确定了系统的总体方案，整个系统由单片机、温湿度传感器、显示模块、报警器、温湿度调节系统以及键盘等6部分组成。系统功能原理图如图1所示。用户预先输入温湿度报警值到程序中，该值作为系统阈值。温湿度传感器监测值传输给单片机，当单片机比较监测到的数值超出所设定阈值时，驱动蜂鸣器报警，并为温湿度调节系统提供控制信号，实现自动控制。温湿度调节系统包括加湿模块、除湿模块、加温模块和制冷模块。

图1温湿度监控系统功能原理图

2 硬件设计

单片机是整个系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而完成特定的功能。硬件实现上采用模块化设计，每一模块只实现一个特定功能，最后再将各个模块搭接在一起。这种设计方法可以降低系统设计的复杂性。系统电路原理图如图2所示。本系统主要硬件设计包括电源电路、蜂鸣器电路、晶振电路、复位电路、LCD显示电路以及温湿度传感器电路。

控制电路的核心器件是由美国Atmel公司生产的AT89S52单片机，属于MCS-51系列。AT89S52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，采用的工艺是Atmel公司的高密度非易失存储器技术；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和在系统可编程Flash，使得AT89S52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；价格低廉、性能可靠、抗干扰能力强。因此广泛应用于工业控制和嵌入式系统中。

图2 系统电路原理图

系统的蜂鸣器电路、振落电路、复位电路如图3、图4、图5所示。蜂鸣器额定电流IB≤30mA，而对于AT89S52单片机，P1口的灌电流为1．6mA，拉电流为60μA，由此可见，仅靠单片机的P1口电流是不能驱动蜂鸣器的，必须使用集晶体管放大电路，为了使单片机消耗的功率更小，所以使用PNP型晶体管9012。AT89S52采用的晶振电路采用11．0592MHz的无源晶振，微调电容大小取30pF。显示模块选用1602字符型液晶模块，是目前工控系统中使用最为广泛的液晶屏之一，电路图如图6所示。1602字符型液晶模块是点阵型液晶，驱动方便，经编码后显示容多样化。系统的输入模块采用中断扫描的4×4矩阵键盘，相比定时扫描方式，提高了MCU的使用效率。

图3 蜂鸣器电路图

图4.5.6晶振复位 LCD1602电路图

图7 温湿度传感器电路图

本系统共设计了6个小模块，其中除了电源电路之外都和单片机有直接联系，具体的管脚定义如表1所示。

表1 温湿度监控系统中AT89S52的引脚功能配置

3 软件设计

系统单片机代码采用C语言编写，以Keil uVision2为开发环境。系统软件实现的功能：

1)通过LCD显示温湿度值；

2)比较监测到的温湿度值和报警设置值，发现超限则蜂鸣器报警提示；

3)根据相应的温湿度值控制温湿度调节系统运行。

根据温湿度监控系统功能，系统软件流程图如图8所示。

图8 系统软件流程图

温湿度传感器SHTll完成一次测量的工作顺序一般为：设置传感器分辨率→发送“启动传输”命令→发送测量命令→读输出的测量值→将输出测量值转换为物理量。SHTlO数据采集程序流程图如图9所示：

图9 SHT10数据采集流程图

为了提高系统相对温度的测量精度，采用补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，使用公式(1)修正输出数值：

式中：SORH表示传感器的相对湿度输出数值(大约围在90～3400)，c1、c2、c3为湿度转换系数，具体数值见表2。湿度传感器对电压基本上没有依赖性。

表2 湿度转换系数表

对于温度的测量，由采用正比于绝对温度的能隙材料PTAT研发的温度传感器，具有极好的线性，用公式(2)将数字输出转换为温度值：

表3 温度转换系数表