家庭用室内温度湿度自动监控系统设计讲解

中北大学
毕业设计说明书
学院：信息与通信工程学院
专业：电子信息科学与技术
学生姓名：高旭东学号：********** 设计题目：家庭用室内温度湿度自动监控系统设计
指导老师颜兵
完成时间2014 年5月29日
目录
摘要 (III)
Abstract (III)
1 绪论 (IV)
1.1课题的目的和意义 (IV)
1.2 传感器的介绍 (V)
1.3国内外温湿技术及其发展趋势 (VIII)
2 方案比较和选择 (IX)
2.1 温度传感器的选择 (IX)
2.2 湿度传感器的选择 (X)
2.3 单片机的选择 (XI)
2.4 本章小结 ...................................................................................................................................... X II
3 系统总体框图设计 ................................................................................................................................. X II
3.1 硬件系统的的原理方框图.......................................................................................................... X II
3.2 系统工作原理 (15)
3.3 温度传感器 (16)
3.4湿度传感器 (18)
3．5信号分析与处理 (21)
3.6 其他硬件模块 (26)
3.7 本章小结 (30)
4 软件设计 (30)
4.1 主程序流程图 (30)
4.2 DS18B20测温流程图 (32)
4.3 DHT11流程图 (32)
4.4 键盘扫描子程序流程图 (33)
4.5 本章小结 (35)
5总结 (35)
6参考文献 (36)
附录A 系统总体电路图 (36)
附录B 系统源代码 (38)
致谢 (53)
摘要
要目前室内的温度、湿度还是采用人工控制和经验判断，不能及时对室内里的温度湿度进行调整。

而且人工控制效率低、劳动强度大，造成了人力资源的浪费。

本设计以STC89C51单片机为核心完成了对室内空气温度、湿度进行数据的采集、处理、显示等系统的基本框图、工作原理和继电器控制的设计的工作。

主要内容有：（1）通过数字温度传感器DS18B20采集实时温度。

（2）通过湿度传感器DHT11采集实时湿度。

（3）判断采集到的参数值与设置值是否一致，并进行继电器控制。

通过以上设计可以对植物生长过程中的土壤湿度、环境温度、光照度进行了实时地、连续地检测、直观地显示并进行自动地控制。

克服了传统的人工测量方法不能进行连续测量的弊端，节省了工作量，并避免了人为的疏漏或错误造成的不必要的损失。

关键字：湿度传感器、数字温度传感器、单片机
Design of SCM-based Temperature and Humidity Illumination Automatic Control System for House
Abstract
At present, temperature and humidityt intensity of some greenhouse still rely on the controlling of artificial and judging of experience, which can not conduct real-time monitor to the temperature and humidity intensity of house. Moreover it’s inefficient, labor-intensive, and wastes human resources.The thesis mainly focus on: the base block diagram, working principle and the design of relay control which use the SCM STC89C51 as the core of the system to collect, handle, display the data of the air temperature, soil humidity and light illuminance .The main contents: (1) collected real-time temperature by digital temperature sensor DS18B20. (2) collected real-time humidity by humidity sensor DHT11t illumination.
(3) judge the collected parameter values and the setting values whether same or not, and control the relay.
The system use Real-time and continuous detection, display intuitively and control automatically on house humidity, ambient temperature, in the process of The healthy growth of the people . The system can overcome the defects from the traditional manual methods of measurement which can not measure continuously, and save the amount of work, avoid omissions or unnecessary losses that caused by errors.
【Key words】SCM；humidity sensors；digital temperature sensors；；relay control
1 绪论
1.1课题的目的和意义
室内温湿监控系统的设计是一个对现实生活非常实用，对学生知识运用非常好的锻炼课题。

本课题研究的主要内容是设计制作对室内温湿度的监督与控制，相当于简易空调的制作，了解空调系统，运用原理设计制作方案；运用物理知识制作控制温湿变化设备；传感器获取外界温湿度参数， 51单片机编程控制，实现智能化设计；并用仿真软件对控制效果进行仿真研究[1]。

随着科技的飞速发展和普及，高性能设备越来越多，各行各业对温湿度的要求也越来越高。

传统的温湿度监测模式是以人为基础，依靠人工轮流值班，人工巡回查看等方式来测量和记录环境状况信息。

在这种模式下，不仅效率低下不利于人才资源的充分利用，而且缺乏科学性，许多重大事故都是由人为因素造成的，人工维护缺乏完整的管理系统。

而问世监控系统就可以解决这样人才资源浪费，管理不及时的问题，这是由于它的智能化设计所决定的[2]。

它的工作步骤如下：感应环境温度湿度；单片机判断感应到的温湿度是否异常；若感应到的温湿度异常，实行措施进行调节；判断异常是否超过预设时间，若超过预设时间，则输出异常信号报警；判断异常是否处理完毕，若处理完毕，解除报警。

这样就可以利用控制器对机房温湿度进行监控，从而实现环境温湿度管理的实时性和有效性。

故本次设计对于类似项目还具有普遍意义[3]。

1.2 传感器的介绍
1.2.1 温度传感器
集成温度传感器是目前应用范围最广、使用最普及的一种全集成化传感器。

其种类很多，大致可分为以下5类：1、模拟集成温度传感器；2、模拟集成温度控制器；3、智能温度传感器；4、通用智能温度控制器；5、微机散热保护专用的智能温度控制器。

集成温度传感器的主要应用领域有以下3个方面：
1.温度测量：可以构成数字温度计、温度变送器、温度巡回检测仪、智能化温度检测系统及网络化测温系统。

2.温度控制：适用于智能化温度测控系统、工业过程控制、现场可编程温度控制系统、环境温度监测及报警系统、中央空调、风扇温控电路、微处理器及微机系统的过热保护装置、现代办公设备、电信设备、服务器中的温度测控系统、电池充电器的过热保护电路、音频功率放大器的过热保护电路及家用电器。

3.特殊应用：例如，热电偶冷端温度补偿、测量温差、测量平均温度、测量温度场、电子密码锁（仅对内含64位ROM的单线总线智能温度传感器而言）及液晶显示器表面温度监测等。

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。

智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。

进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和
网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1℃。

目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9~12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5~0.0625℃。

由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃。

为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。

以AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27μs、9μs。

新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。

例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。

DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E2PROM存储器，可存储用户的短信息。

另外，智能温度传感器正从单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。

智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线总线、I2C 总线、SMBus总线和SPI总线。

1.2.2 湿度传感器
湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业。

湿度传感器主要分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜。

空气中的水蒸汽吸附在感湿材料上后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。

近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了较大的发展。

湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。

国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一，质量价格都相差较大，用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度，需要在这方面作深入的了解。

现在国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化锂和金属氧化物。

湿敏元件是最简单的湿度传感器。

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。

湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。

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，其精度一般比湿敏电阻要低一些。

国外生产湿敏电容的主厂家有Humirel公司、Philips 公司、Siemens公司等。

以Humirel公司生产的SH1100型湿敏电容为例，其测量范围是（1%~99%）RH，在55%RH时的电容量为180pF（典型值）。

当相对湿度从0变化到100%时，电容量的变化范围是163pF~202pF。

温度系数为0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为5s。

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。

湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。

目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家及典型产品分别为Honeywell公司（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610型），Humirel公司（HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型），Sensiron公司（SHT11、SHT15型）。

这些产品可分成以下三种类型：
(1)线性电压输出式集成湿度传感器；典型产品有 HIH3605/3610、HM1500/1520。

其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。

(2)线性频率输出集成湿度传感器；典型产品为HF3223型。

它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55%RH时的输出频率为8750Hz（型值），当上对湿度从10%变化到95%时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。

这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。

(3)频率/温度输出式集成湿度传感器；典型产品为HTF3223型。

它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传感器。

当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。

2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT（DHT）11、 SHT（DHT）15型智能化温度/温度传感器，其外形尺寸仅为7.6（mm）×5(mm)×2.5（mm），体积与火柴头相近。

出厂前，每只传感器都在温度室中做过精密标准，标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。

它们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。

测量相对温度的范围是0~100%，分辨力达0.03%RH，最高
精度为±2%RH。

测量温度的范围是-40℃~ 123.8℃，分辨力为0.01℃
1.2.3单片机的发展
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。

（1）SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。

“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。

（2）MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力[4]。

（3）单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势[5]。

随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展[6]。

1.3国内外温湿技术及其发展趋势
随着人们的生活水平的不断提高对生活环境和生产环境的要求就显得尤为重要，温湿度的控制就是一个典型的例子，因此温湿度检测系统就是现代生产生活中应用而生的一种智能、快捷、方便可靠地检测系统，特别是在实验室做实验中如果如果检测的不准确就会发生很多的生产事故。

如实验过程中对温度的检测不当就会导致生产效率的降低。

和产品质量的下降。

而现在所使用的温湿度检测系统通常都是精度为1℃或0.1℃的水银、煤油或酒精温度计进行的温度检测和用传统的物理模拟量的方法进行的湿度检测。

这些温湿度检测计的刻度间通常都很密，不容易准确分辨，读书困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，因此很难读准，并且使用非常不方便[7]。

国内对温湿控制技术研究起步较晚。

自20世纪80年代以来，在引进、吸收国外高科技温湿生产技术的基础上，我国进行了温室中温度、湿度和二氧化碳等单项环境因素控制技术的研究[8]。

1982年中国农科院建立了全国农业系统的第一个计算机应用研究机构。

1995年，北京农业大学研制成功的WJG-1型实验温室环境计算机管理系统,仅仅是进行单因子控制，操作性和可靠性均不够理想[9]。

温度湿度传感器正朝着集成化、智能化、系统化的发展方向；与此同时，温湿度测量技术也在不断进步。

在农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境温度湿度进行测量及控制。

准确测量温湿度对生物制药、食
品加工、造纸等更至关重要的。

相比之下，测量湿度要比测量温度更复杂，这是因为温度是个独立的被测量，而湿度却受大气压强和温度的影响[10]。

目前，温湿度测量领域的新技术不断涌现，新产品也层出不穷。

自70年代以来，由于工业控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法的推动下，国外温度调节系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，日本、美国、德国、瑞典等国走到了世界的前列，掌握了领先的技术，并且都已经生产出一批商品化的、性能优异的温度控制器和仪器仪表，在各个行业都得到的广泛应用[11]。

目前，外国温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型便携化等方面发展。

美国开发的冬天保温用的双层充气膜、高压雾化降温加湿系统以及夏季降温用的湿帘降温系统处于世界领先水平；韩国的换气、灌水、二氧化碳浓度控制等设施比较先进；荷兰的顶面涂层隔热、加热系统、人工补光等方面有较高的水平；目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统[12]。

现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。

像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作[13]。

日本研制的蔬菜塑料大棚在播种、间苗、运苗、灌水、喷药等作业的自动化和无人化方面都有应用。

日本利用计算机控制温室环境因素的方法，主要是将各种作物不同生长发育阶段所需要的环境条件输入计算机程序，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动作出相应修正或调整[14]
2 方案比较和选择
2.1 温度传感器的选择
方案一：采用热电阻温度传感器。

热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。

现在应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。

其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。

铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。

缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。

按IEC标准测温范围-200℃～650℃，百度电阻比W(100)=1．3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±(0．15℃+0.002|t|)，B级为±(0.3℃+0.005|t|)。

铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳
定性差。

方案二：采用模拟集成温度传感器AD590，它的测温范围在-55℃～+150℃之间，而且精度高。

M档在测温范围内非线性误差为±0.3℃。

AD590可以承受44V下向电压和20V 反向电压，因而器件反接也不会损坏，使用可靠。

它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接El也很简单。

作为电流输出型传感器和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。

AD590的测量信号可远传百余米。

方案三：采用数字化温度传感器。

DSl8B20是Dallas半导体公司研制的一款数字化温度传感器，支持“一线总线”接口，即只通过一根信号线完成数据、地址和控制信息的传输。

该器件只有3个引脚(即电源VDD、地线GND、数据线DQ)，且不需要外部元件，内部有64位光NROM，64位器件序列号出厂前就被光刻于ROM中，可作为器件地址序列码，便于实现多点测量。

全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，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。

该电路的检测温度范围为-55～+125℃：精度为±0.5℃(在-10℃～+85℃范围)；可以分别在93.75ms和750 ms内完成9位和12位的数字温度值读入。

系统有如下特点：
(1)不需要备份电源，可通过信号线供电；
(2)送串行数据，不需要外部元件；
(3)零功耗等待；
(4)系统的抗干扰性好，适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备过程控制、测温类消费电子产品等。

考虑到硬件设计的性价比，综合本系统需要满足的技术指标我们选择方案三
2.2 湿度传感器的选择
测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。

电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。

方案一：采用CHR-01湿敏电阻。

CHR-01湿敏电阻适用于阻抗型高分子湿度传感器，它的工作电压为交流1V，频率为50Hz~2kHz，测量湿度范围为20%~90%RH，测量精度±
5%，工作温度范围为0~+85℃，最高使用温度120℃，阻抗在60%RH（25℃）时为30（21~40.5）KΩ。

采用555时基或RC振荡电路，将湿度传感器等效为阻抗值，测量振荡频率输出，振荡频率在1k Hz左右。

方案二：采用DHT11数字温湿度传感器，这款传感器和Sensiron公司研制的SHT1X 同属一个系列只是测量精度上不同，这是一款含有已校准熟悉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和卓越的长期稳定性。

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传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中药调用这些校准系数。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

综合比较，方案一需要很好地解决引线误差补偿、多点测量切换误差和放大电路零点漂移等问题，需要在接口上需要A／D转换器，因而造成结构复杂且成本高，调试也繁琐，测量温度的精度也很低，方案二把以上的功能都集成在芯片里面，数字输出，可直接和mcu相连，电路结构简单，精度高，虽然也有温度检测的功能，但其精度没有DS18B20高，所以只用它的湿度检测功能。

相比较，选择方案二。

2.3 单片机的选择
在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。

目前，8位单片机在国内外仍占有重要地位。

在8位单片机中又以MCS－51系列单片机及其兼容机所占的份额最大。

MCS－51的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化，设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型，他们只需将重点放在芯片内部资源的比较上。

方案一：采用AT89C51芯片作为硬件核心，采用Flash ROM，内部具有4KBROM存储空间，能于3V的超低压工作，而且与MCS-51系列单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。

方案二：采用AT89S52片内ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KB ROM存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。

方案三：STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。

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 和在线系统可编程Flash，使得STC89C52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。

方案一是多年前的的产品，因自身设计缺陷，已经很少被人使用。

方案二和方案三使用差别不大，但方案二需要专有下载线，方案三使用串口下载即可。

因此选择方案三。

2.4 本章小结
本章主要介绍环境检测仪用到的主要芯片的选择，如温度传感器、湿度传感器控制处理芯片等。

对比考虑各器件性能、特点、使用难易度、成本等因素，选择适合本产品指标的元器件。

3 系统总体框图设计
3.1 硬件系统的的原理方框图
3.1本方案以STC89C52单片机系统为核心来对温度、湿度进行实时控制和巡检。

各检测单元能独立完成各自功能，并根据主控机的指令对温湿度进行实时采集。

主控机负责控制指令的发送，并控制各个检测单元进行温度采集，收集测量数据，同时对测量结果进行整理和显示。

其中包括单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、系统软件等部分的设计。

硬件系统的的原理方框图如图3-1：。