单片机温湿度显示报警系统设计

单片机温湿度显示报警系统设计

1 引言

选题背景

20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快[1]。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主要发展趋势[2]。单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法[3]。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命[4]。

单片机模块中最常见之一的是传感器，温湿度显示报警系统是一种基于单片机的用数字电路技术实现温湿度控制的装置，在实践社会生产当中拥有广泛的应用。

目的和意义

随着社会的发展，人们对时间和环境中的温度及湿度的要求越来越高，尤其在日常的生活中和人们的生活和健康有着紧密的联系，特别是当人们乘坐公共交通工具时，温湿度以及实时时间和人们的出行都有着密切的联系。温湿度控制在日常生活中使用比较普遍, 如各种仪器控制箱、温室或生产车间的温度湿度控制、空调列车车厢空气环境的控制等[5]。常见的低端产品多采用机械指针式或水银柱式温湿度计, 体积小、质量轻、价格低、安装简便。但是, 此类产品测量精度低, 没有LED 显示屏, 不能向智能化方向发展, 不利于进行功能扩展，如不能自动报警[6]。

目前，虽然在工业生产中和科研实验中通过对温湿度测量来进行自动控制的设备越来越普及，应用场合也越来越多。但是，随之而来的问题是如何能够测得精确的温湿度以保证自动控制设备能够正确地发出控制指令来控制生产过程。另一方面，如果温度或者湿度过高过低可能会对一些设备中的一些半导体元器件造成损坏[7]。因此，

对于自动温湿度报警的需求也在逐渐增加。本文基于以上方面的考虑，研究并设计了一种基于单片机的自动温湿度显示与报警系统。

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[8]。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。因此设计出一款基于单片机的精度高、稳定性好、成本低的温湿度显示报警系统具有重要实际意义。

技术要求和设计范围

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。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[9]，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[10]、防干扰等优点的数字式传感器SHT11，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。

发展现状

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段[11]。（1）SCM即单片微型计算机阶段，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 即微控制器阶段[12]，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。（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[13]，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。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展[14]，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。

智能温度传感器在20世纪90年代中期问世。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。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包含温度传感器、A/D 传感器[15]、信号处理器、存储器和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器、随机存取存储和只读存储器。智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器，并且可通过软件来实现测试功能，温度计也越来越智能化。

跟电子温度计一样湿度计随着湿度传感器的发展趋于成熟。随着智能检测系统的飞速发展，基于单片机的温湿度检测系统将多传感器系统结合在一起。如何把多传感器集中于一个检测控制系统，综合利用来自多传感器的信息，获得对被测对象的可靠了解和解释，以利于系统做出正确的响应、决策和控制以及报警，是智能检测控制统中需要解决的重要问题。

2 方案论证

方案设计思路

温湿度报警系统的设计以单片机AT89C51为核心，通过控制单片机的P1口的一些端口来调节当前温湿度的显示，完成了温湿度的显示报警功能，在程序中设置温湿度范围后，达到指定范围后让LED 灯的闪亮来实现温湿度控制的效果，让LED1602液晶屏接到单片机的串口上，赋值来控制1602的显示。因此，整个方案设计包含四个部分，即：单片机最小系统部分、显示部分、温湿度数据采集部分、报警部分。 方案选择

方案：单片机编程，用单片机设计电路，充分利用好AT89C51单片机的I/O 口，使用软硬件结合的方式，具体的基本框图如图[16]1所示：

单片机 AT89S51 温湿度传

感器

被

测对象 显示部分 报警部分

图1 单片机设计电路的基本框图

方案选择：从上述原理图看来，这种设计方案电路结构简单，条理清晰，调试也相对方便，易于实现。

设计流程

对于温湿度显示报警系统的设计，先用PROTEUS做电路仿真，再在KEIL软件中编写程序生成源代码，最后将PROTEUS和KEIL连接起来进行在线仿真。设计流程如图[17]2所示。

Proteus电路设计

源程序设计生成目标代码

基于proteus仿真

图2 系统设计流程图

软件环境

2.4.1 PROTEUS软件

本设计主要用电子设计软件进行电子线路的设计和仿真。Proteus软件的功能很强大，它不仅可以在线仿真模拟电子，数字电子和单片机，还可以将设计直接转换成PCB版图[18]，因此，受到众多电子工程师的喜爱。电路原理图的设计是仿真中的第一步，也是非常重要的一步。电路原理图设计得好坏将直接影响到后面的工作。首先，原理图的正确性是最基本的要求，因为在一个错误的基础上所进行的工作是没有意义的；其次，原理图应该布局合理，这样不仅可以尽量避免出错，也便于读图、便于查找和纠正错误；最后，在满足正确性和布局合理的前提下应力求原理图的美观。电路原理图的设计过程可分为以下几个步骤：

（1）置电路图纸参数及相关信息

根据电路图的复杂程度设置图纸的格式、尺寸、方向等参数以及与设计有关的信息，为以后的设计工作建立一个合适的工作平面。