环境温湿度参数实时监测系统

摘要

采用单片机对温度、湿度等环境参数进行监测是一个工业生产中经常遇到的监测问题，采用单片机不仅具有监测方便、操作简单等优点，而且可以在节约成本的同时大幅度的提高监测质量。本文设计了单片机构成的环境温度、湿度参数实时监测装置，本装置以单片机AT89C51为控制核心，采用独特的单总线数字式温度传感器DS18B20进行温度采集，采用湿敏电容HS1101对湿度参数进行采集。LCD液晶显示屏对于当前的温度值和湿度值进行实时的显示，可以方便用户直观的了解所测得的温度、湿度环境参数值。用户可使用按键根据自身要求设定温湿度上下限，同时，报警装置可依据用户的设定针对温湿度超限情况进行报警。

关键词：温湿度监测；超限报警；LCD显示

Abstract

MCU is always used in industry measurement as temperature and humidity measurement. With MCU, it can be more convenient and simple to complete the measurement efficiently. The paper designs a real-time temperature and humidity measurement device based on MCU. The device adopts AT89C52 as the control. The device also make use of DS18B20 to obtain the digital temperature signal and HS1101 to gain the analogue humidity signal. In the design, LCD is used to display the consumers the real-time temperature and humidity clearly. The consumer can use the buttons to change the upper and lower limits of the temperature and humidity. And the alert in the design should work based on the limits set up by the consumers.

Keywords：temperature and humidity measurement; alert over-limit; LCD

前言

本课题研究的主要目的是设计一个能够提供环境的温度、湿度并具有对温度、湿度超限报警功能的装置。人类的生存和社会中各项活动的展开与温度、湿度参数值密切相关，随着科学技术的发展，人类在不同应用领域对温度、湿度的测量提出了越来越高的要求。日常生活中，工厂、商场、银行、医院以及各类科研场所都需要符合操作规定的温、湿度环境条件。居民家庭中更离不开对温度、湿度的监测，室内湿度一般控制在45%至65%RH之间，人体感觉比较舒适。而冬季供暖期的室内湿度通常仅为10%—15%RH，在干燥的环境下呆久了，会使人皮肤紧绷，干燥上火，感觉不适，甚至使人的呼吸系统抵抗力降低，从而引发或者加重呼吸系统的疾病。当空气湿度低于40%RH的时候，灰尘、细菌等容易附着在鼻部和肺部呼吸道黏膜上，刺激喉部引发咳嗽，也容易发生呼吸道的其它疾病，由此可见湿度参数测量意义重大。工厂中，产品装配过程历来都存在对装配环境中的温、湿度进行监测的问题。温、湿度参数监测报警装置能对特定环境中的温、湿度参数进行监测并能对温、湿度超限情况及时给出报警信号。该监测报警装置采用温、湿度传感器直接测量环境的温度、湿度，将采集到的信号分别送入单片机，由液晶显示屏显示环境的温、湿度，并可以采用键盘输入温、湿度上下限值，由报警装置完成温、湿度超限报警功能。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍，完成了课题所有要求。

第1章方案论证

1.1 课题的任务与要求

该题目旨在设计一个能够提供环境的温度、湿度并具有对温度、湿度超限报警功能的装置，利用单片机及外围电路构成一个监测系统，达到如下要求：1．能对环境的温度、湿度、静电进行实时检测；

2．检测得到的静电及温、湿度数据可以实时显示，静电测量的误差±

<10%，温度测量的误差±

<5%RH；

<1℃，湿度测量的误差±

3．用户可以自行设定监测中的温、湿度上、下限，超限报警。

1.2 方案论证

根据本课题的任务与要求，提出两种方案进行论证。

1.2.1 方案一

由于课题中涉及温度、湿度两个量的监测，由此设计出应对本课题的方案一，即采用一个温度传感器和一个湿度传感器对温、湿度进行分别测量。基于此设想装置的基本工作原理是：温度、湿度传感器分别采集到两路信号送入单片机，由液晶显示器实时显示环境的温度、湿度，并可通过键盘输入用户需设定的温、湿度上下限，当温、湿度超限时启动报警装置报警，整个装置的控制核心采用单片机。在功能设计上可将整个装置分为测量模块、CPU模块、显示模块、键盘输入模块和报警模块几个部分。

方案一在元器件的选择上，选取DS18B20数字式温度传感器和HS1101湿敏电容作为温、湿度信号的采集传感器。选取1602液晶显示屏显示温、湿度值。DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字式温度传感器，可直接将其测得的温度值传入单片机，再通过LCD进行显示。而HS1101湿敏电容是将空气的湿度值转化为该湿敏电容的电容值，电容值随湿度值的增大而增大，将该湿敏电容置于555振荡电路中，电容值的变化可转为与之成反比的电压频率信号的变化，并可以直接送入单片机。采用温度传感器DS18B20与电容式湿敏传感器HS1101的系统结构框图如图2.1所示。

图2.1 采用温度传感器DS18B20、湿度传感器HS1101的系统结构框图

1.2.2 方案二

本方案与方案一的主要不同是采用了SHT71数字温湿度传感器，SHT71是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度传感器。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来, 发挥出强大的优势互补作用。包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。SHT71数字温湿度传感器的引脚图如图2.2所示。

图2.2 SHT71数字温湿度传感器引脚图

由于SHT71数字温湿度传感器上除了温度、湿度敏感元件以外，还包括一个放大器，A/D转换器，OTP内存和数字接口，所以系统框图得以简化，采用SHT71数字温湿度传感器的系统框图如图2.3所示。