毕业设计(论文)基于ATC单片机的温湿度测量系统的研究与设计.pdf

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1、摘要 温湿度的测量应用范围是很广的 对温湿度测量系统的研究也具有深远意义 本课题针对国内外对温湿度测量系统的研究与发展状况 分析了目前温湿度测量 系统存在的主要问题 设计了一种基于单片机的温湿度测量系统 对某些有着特 殊要求温度和湿度的场合实现长期 稳定 实时 自动的监测 本设计主要由硬 件电路和软件电路两部分组成 系统通过温湿度检测电路 把采集到的信号传给 单片机 通过单片机来处理采集到的信号并通过 LCD 显示出来 如果温湿度过高 或过低 报警电路会自动报警 它以 AT89C52 单片机为核心 采用 SHT11 集成温 湿度传感器实现一种智能 快捷 方便的温湿度测量系统 整个系统由温湿度检

2、 测电路 时钟电路 LCD 显示电路 键盘电路 报警电路和单片机等组成 设计的 系统结构简单紧凑 功耗较低 抗干扰能力强 总体性能比较好 符合了智能仪 器仪表小型化的潮流 为今后开发高性能和商品化的温湿度测量仪器奠定了良好 的基础 关键词关键词 单片机 温湿度 SHT11 传感器 ABSTRACT The temperature and humidity measurement range is very wide application the temperature and humidity measurement system research also has far reaching

3、 significance the subject of temperature and humidity measurement system at home and abroad for the research and development condition temperature and humidity measurement system are analyzed the main problems of the design based on single chip processor of the temperature and humidity measurement s

4、ystem and for some has special requirements of temperature and humidity achieve long term stable occasion real time automatic monitoring This design mainly by the hardware circuit and software circuit two parts the system through the temperature and humidity detection circuit gathering the signal to

5、 the microcontroller through the single chip microcomputer to handle the collected signals and through the LCD display if the temperature and humidity too high or low the alarming circuit will automatically alarm AT89C52 single chip microcomputer to it as the core and adopting the integrated SHT11 t

6、emperature and humidity sensor implement an intelligent fast and convenient temperature and humidity measurement system the whole system consists of temperature and humidity detection circuit clocking circuit LCD display circuit keyboard circuit alarm circuit and single chip microcomputer etc The de

7、sign of the system simple and compact structure low power consumption the anti interference ability strong overall performance is better in line with the intelligent instruments miniaturization trend in future for the development and commercialization of high performance of temperature and humidity

8、measurement instrument has laid a good foundation Keywords SCM The temperature and humidity SHT11 sensor 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 目 录 III 第一章绪论 1 1 1 概述 1 1 2 国内外研究现状 1 1 2 1 国外研究现状 1 1 2 2 国内研究现状 1 1 3 温湿度检测的发展状况以及存在的问题 2 1 4 课题研究的主要内容 3 第二章 系统硬件部分设计 4 2 1 AT89C52 单片机介绍 4 2 2 温湿度测量电路的设计 9 2 2 1 SHT11

9、简介 9 2 2 2SHT11 主要性能特点 9 2 2 3 SHT11 工作原理 11 2 2 4 SHT11 输出特性 12 2 2 5 运行条件 13 2 2 6 安装注意事项 13 2 2 7SHT11 与单片机连接 13 2 3LCD 显示电路设计 14 2 3 1 LCD1602 简介 14 2 3 2 LCD1602 的特性 14 2 3 3 LCD1602 引脚功能 14 2 3 4 指令集 15 2 3 5 LCD1602 与单片机连接 16 2 4 时钟电路设计 16 2 4 1DS1302 简介 16 2 4 2DS1302 工作原理 17 2 4 3DS1302 结构及

10、引脚功能 17 2 4 4DS1302 与单片机连接 18 2 5 键盘电路设计 18 2 5 1 键盘工作原理 18 2 5 2 独立式键盘与单片机的连接 19 2 6 报警电路设计 20 2 7 抗干扰措施 21 第三章系统软件设计 22 3 1 系统总体流程图 22 3 2 温湿度采集模块软件设计 23 3 3LCD 显示模块软件设计 25 3 4时钟模块软件设计 29 3 5 报警电路软件设计 30 第四章 仿真与调试 31 4 1 电气原理图 31 4 2 部分参考程序 31 4 3 仿真结果 47 结束语 51 致谢 52 参考文献 错误 未定义书签 错误 未定义书签 第一章绪论

11、1 1 概述 温湿度测量是现代检测技术的重要组成部分 在保证产品质量 提高产品产 量 节约资源和安全生产方面起着非常重要的作用 因此 能够确保快速 准确 的测量温湿度的技术及其装置受到各国的重视 随着信息产业的发展及其工业化 的进步 温度和湿度不仅仅表现在以上几个方面直接或间接影响人类基本生活条 件 还表现在对生物用品 医药卫生 科学研究 国防建设等方面的影响 针对 以上情况 实现对温湿度的准确可靠测量显的尤其重要 近年来 利用智能化数 字式温湿度传感器以及实现温湿度信息的在线检测已成为温湿度检测技术的一种 发展趋势 本文介绍的温湿度检测系统 以智能化数字式温湿度传感器与 52 单片 机有机结

12、合 构成一种温湿度检测系统 该系统具有性能可靠 测温准确 结构 简单 价格低廉 抗干扰能力强等优点 可在工程实际中得到广泛应用 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外对温湿度控制技术研究较早 始于 20 世纪 70 年代 先是采用模拟式的 组合仪表 采集现场信息并进行指示 记录和控制 80 年代末出现了分布式控制 系统 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 现在 世界各国的温湿度测控技术发展很快 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 1 2 2 国内研究现状 我国对于温湿度测控技术的研究较晚 始于 20 世纪 80 年代 我国工

13、程技术 人员在吸收发达国家温湿度测控技术的基础上 才掌握了温湿度室内微机控制技 术 该技术仅限于对温湿度的单项环境因子的控制 我国温湿度测控设施计算机 应用 在总体上正从消化吸收 简单应用阶段向实用化 综合性应用阶段过渡和 发展 在技术上 以单片机控制的单参数单回路系统居多 尚无真正意义上的多 参数综合控制系统 与发达国家相比 存在较大差距 我国温湿度测量控制现状 还远远没有达到工厂化的程度 生产实际中仍然有许多问题困扰着我们 存在着 装备配套能力差 产业化程度低 环境控制水平落后 软硬件资源不能共享和可 靠性差等缺点 1 3 温湿度检测的发展状况以及存在的问题 传统的温度和湿度检测系统主要有

14、以下几种 1 水汽压 e 是水汽在大气总压力中的分压力 它表示了空气中水汽的 绝对含量的大小 以毫巴为单位 2 相对湿度 rh 湿空气中实际水汽压 e 与同温度下饱和水汽压 E 的百 分比 相对湿度的大小能直接表示空气距离饱和的相对程度 空气完全干燥时 相对湿度为零 相对湿度越小 表示当时空气越干燥 当相对湿度接近于 100 时 表示空气很潮湿 越接近于饱和 3 露点 或霜点 温度 指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下 冷 却到饱和时的温度 4 干湿球温度表 用一对并列装置的 形状完全相同的温度表 一支测气 温 称干球温度表 另一支包有保持浸透蒸馏水的脱脂纱布 称湿球温度表 5 发湿度表 计

15、 利用脱脂人发 或牛的肠衣 具有空气潮湿时伸长 干燥时缩短的特性 制成毛发湿度表或湿度自记仪器 它的测湿精度较差 毛发 湿度表通常在气温低于 10 时使用 6 电阻式湿度片 利用吸湿膜片随湿度变化改变其电阻值的原理 常用的 有碳膜湿敏电阻和氯化锂湿度片两种 前者用高分子聚合物和导电材料碳黑 加 上粘合剂配成一定比例的胶状液体 涂覆到基片上组成的电阻片 后者是在基片 上涂上一层氯化锂酒精溶液 当空气湿度变化时 氯化锂溶液浓度随之改变从而 也改变了测湿膜片的电阻 7 薄膜湿敏电容 是以高分子聚合物为介质的电容器 因吸收 或释放 水汽而改变电容值 它制作精巧 性能优良 常用在探空仪和遥测中 8 露点

16、仪 能直接测出露点温度的仪器 使一个镜面处在样品湿空气中降 温 直到镜面上隐现露滴 或冰晶 的瞬间 测出镜面平均温度 即为露 霜 点温度 它测湿精度高 但需光洁度很高的镜面 精度很高的温控系统 以及灵 敏度很高的露滴 冰晶 的光学探测系统 使用时必须使吸入样本空气的管道保 持清洁 否则管道内的杂质将吸收或放出水分造成测量误差 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 是智能检测控制系统中需要解决的首要问题 在温湿度要

17、求严格的场合 利用多传感技术可以提高系统的可靠性和精度 亦可以提高系统的时间空间的覆 盖范围 1 4 课题研究的主要内容 本设计主要作了如下几个方面的工作 一是确定系统的总体功能设计方案 二 是进行自能传感器的硬件电路和软件系统的设计 三是单片机及通信接口的硬件 电路及软件系统设计 本课题针对这些弱点 利用 52 单片机为核心 连接电源模块 USB 接口 温 湿度采集与转换模块 LCD 显示模块 键盘控制模块 时钟模块 报警模块及其附 属电路 以实现对温湿度的精确 稳定的测量 本系统具有温 湿度测量精度高 功能强 体积小 价格低 简单灵活等优点 能很好的满足工农业工艺要求 第二章 系统硬件部分

18、设计 本系统硬件部分包括 AT89C52 单片机 温湿度测量电路 键盘电路 时钟电 路 LCD 显示电路 报警电路以及其它附属电路的设计 系统设计的整体框图如图 2 1 所示 17 图 2 1系统设计的整体框图 2 1 AT89C52 单片机介绍 1 6 19 21 AT89C52 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k bytes 的可反复 擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件 采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元

19、 AT89C52 单片机在电子行业中有着 广泛的应用 AT89C52 提供以下标准功能 8K 字节 Flash 闪速存储器 256 字节内部 RAM 32 个 I O 口线 3 个 16 为定时计数器 一个 6 向量两级中断结构 一个全双工串 行通信接口 片内振荡器及时钟电路 同时 AT89C52 可降至 0Hz 的静态逻辑操作 并支持两种软件可选的节点工作模式 空闲方式停止 CPU 的工作 但允许 RAM 定 AT89C52 单片机 温湿度测量电路 键盘电路 LCD 显示电路 时钟电路 复位电路 报警电路 时 计数器 串行通信口和中断系统继续工作 掉电方式保存 RAM 中的内容 但振 荡器停

20、止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位 主要特性 主要特性 与 MCS 52 兼容 8K 字节可重复擦写 FLASH 闪速存储器 1000 次写 擦循环周期 全静态工作 0Hz 24MHz 三级加密程序存储器锁定 256 8 位内部 RAM 32 个可编程 I O 线 3 个 16 位定时器 计数器 8 个中断源 可编程串行 UART 通道 低功耗的闲置和掉电模式 图 2 2AT89C52 引脚排列图 管脚说明 管脚说明 VCCVCC 供电电压 GNDGND 接地 P0 口 P0 口 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 也即地址 数据总线复用口 作 为输出口用时 每位能吸

21、收电流的 方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P0 写 1 时 可作为高阻抗输入端 用 在访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分时转换地址 低 8 位 和数据总线复用 在访问期间激活内部上拉电阻 在 Flash 编程时 P0 口接收指令字节 而在程序校验时 输出指令字节 校验时 要求外接上拉电阻 P1 口 P1 口 P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓冲级可驱动 吸 收或输出电流 4 个 TTL 逻辑 门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作 输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉 电阻 某个引脚被外部信号拉低时会输出

22、一个电流 IIL 与 AT89C51 不同之处是 P1 0 和 P1 1 还可分别作为定时 计数器 2 的外部 计数输入 P1 0 T2 和输入 P1 1 T2EX 参见表 1 Flash 编程和程序校验期间 P1 接收低 8 位地址 表 P1 0 和 P1 1 的第二功能 引 脚 号 功能特性 P1 0T2 时钟输出 P1 1T2EX 定时 计数器 2 P2 口 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑 门电路 对端口 P2 写 1 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平 此时 可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在

23、上拉电阻 某个引脚被外部信号拉 低时会输出一个电流 IIL 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 指令 时 P2 口送出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器 如 执行 MOVX RI 指令 时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 Flash 编程或校验时 P2 亦接收高位地址和一些控制信号 P3 口 P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P3 口写入 1 时 它们被内部上 拉电阻拉高并可作为输入端口 此时 被外部拉低的 P3 口将

24、用上拉电阻输出电流 IIL P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更重要的用途是它的第二功能 P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号 RSTRST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将 使单片机复位 ALE PROG ALE PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存允许 输出脉冲用于 锁存地址的低 8 位字 节 一般情况下 ALE 仍以时钟振荡频率的 1 6 输出固定的脉冲信号 因此 它可对外输出时钟或用于定时目的 要注意的是 每当访问外部数据存储器时将 跳过一个 ALE 脉冲 对 Flash 存储器编程期间

25、 该引脚还用于输入编程脉冲 PROG 如有必要 可通过对特殊功能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元的 D0 位置位 可禁止 ALE 操作 该位置位后 只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活 此外 该引脚会被微弱拉高 单片机执 行外部程序时 应设置 ALE 禁止位无效 PSEN PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89C52 由 外部程序存储器取指令 或数 据 时 每个机器周期两次 PSEN 有效 即输出两个脉冲 在此期间 当访 问外部数据存储器 将跳过两次 PSEN 信号 EA VPP EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访

26、问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接 地 需注意的是 如果加密位 LB1 被编程 复位时内部会锁存 EA 端状态 如 EA 端为高电平 接 Vcc 端 CPU 则执行内部程序存储器中的指令 Flash 存储器编程时 该引脚加上 12V 的编程允许电源 Vpp 当然这必须是 该器件是使用 12V 编程电压 Vpp XTAL1 XTAL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 XTAL2XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 外接晶体引脚外接晶体引脚 XTAL1 XTAL2 当使用单片机内部振荡电路时 这两个引脚用来外接石英晶 体和微调电容 如图 2 3

27、 a 所示 在单片机内部 它是一个反相放大器的输入 端 这个放大器构成了片内振荡器 当采用外部时钟时 对于 HMOS 单片机 XTAL1 引脚接地 XTAL2 接片外振荡脉冲输入 带上拉电阻 对于 CHMOS 单片机 XTAL2 引脚接地 XTAL1 接片外振荡脉冲输入 带上拉电阻 如图 2 3 b 和 c 所示 a 内部时钟方式 b HMOS 工艺外接时钟 c CHMOS 工艺外接时钟 图 2 3 外接晶体电路 复位方式复位方式 MCS 52 单片机有一个复位引脚 RST 高电平有效 在时钟电路工作以后 当外部电路使得 RST 端出现 2 个机器周期 24 个时钟周期 以上的高电平 系统 内

28、部复位 复位有两种方式 上电复位和按钮复位 如图 2 4 所示 a 上电复位 b 按钮复位 图 2 4 MCS 52 复位电路 2 2 温湿度测量电路的设计 2 2 1 SHT11 简介 SHT11 时瑞士 Sensirion 公司推出的基于 COMSEnsTM 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 从而发挥出它们强大的 优势互补作用 2 2 2SHT11 主要性能特点 17 将温湿度传感器 信号放大调理 A D 转换 I 2C 总线接口全部集成于一芯片 COMSEnsTM 技术 可给出全校准相对湿度和温度值输出 带有工业标准的 I 2C 总线数字输出接

29、口 具有露点值计算输出功能 具有卓越的长期稳定性 湿度值输出分辨率为 14 位 温度值输出分辨率为 12 位 并可编程为 12 位和 8 位 小体积 7 65 5 08 23 5mm 可表面贴装 具有可靠的 CRC 数据传输校验功能 片内装载的校准系数可保证 100 互换性 电源电压范围 2 4 5 5V 电流消耗 测量时 550uA 平均为 28uA 休眠时为 3uA SHT11 温湿度传感器采用 SMD LCC 表面贴片封装形式 管脚排列如图 2 5 所 示 其引脚说明如下 由于将传感器与电路部分结合在一起 该传感器具有比其 它的温湿度传感器优越得多的性能 首先是传感器信号强度的增加增强了

30、传感器 的抗干扰性能 保证了传慼器的长期稳定性 而 A D 转换的同时完成 则降低了传感器对干扰噪声 的敏感程度 其次在传感器芯片内装载的校准数据 保证了每一只温湿度传感器都具有相同的功能 即 具有 100 的互换性 最后 传感器可直接通过 I 2C 总线与任何类型的微处理器 微控制器系统连接 图 2 5 节省了单片机的 I O 接口线 降低了成本 16 1 GND 接地端 2 DATA 双向串行数据线 3 SCK 串行时钟输入 4 VDD 0 4 5 5V 电源端 5 NC 空管脚 2 2 3 SHT11 工作原理 18 SHT11 的湿度检测运用电容式结构 并采用具有不同保护的 微型结构

31、检测 电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容 除保持电容式湿敏器件的原 有特性外 还可抵御来自外界的影响 由于它将温度传感器与湿 度传感器结合在 一起而构成了一个单一的个体 因而测量精度较高且可精确得出露点 同时不会 产生由于温度与湿 度传感器之间随温度梯度变化引起的误差CMOSensTM技术不仅 将温湿度传感器结合在一起 而且还将信 号放大器 模 数转换器 校准数据存 储器 标准 I 2C 总线等电路全部集成在一个芯片内 SHT11 传感器的内部结构框图 如图 2 6 所示 SHT11 的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的 SHT11 传感器 的校准系数预先存在 OTP 内存中

32、 经校准的相对湿度和温度传感器与一个 14 位的 A D 转换器相连 可将转换后的数字温湿度值送给二线 I 2C 总线器件 从而将数 字信号转换为符合 I 2C 总线协议的串行数字信号 图 2 6 SHT11 传感器的内部结构框图 2 2 4 SHT11 输出特性 1 湿度值输出 SHT11 可通过 I 2C 总线直接输出数字量湿度值 其相对湿度数字输出特性曲 线如图 3 所示 由图 3 可看出 SHT11 的输出特性呈一定的非线性 为了补偿湿度 传感器的非线性 可按如下公式修正湿度值 RHlinear c1 c2SORH C3SORH 式中 SORH 为传感器相对湿度测量值 系数取值如下 1

33、2 位 SORH c1 4 c2 0 0405 c3 2 8 10 6 8 位 SORH c1 4 c2 0 648 c3 7 2 10 4 2 温度值输出 由于 SHT11 温度传感器的线性非常好 故可用下列公式将温度数字输出转换成 实际温度值 T d1 d2SOT 当电源电压为 5V 且温度传感器的分辨率为 14 位时 d1 40 d2 0 01 当温度 传感器的分辨率为 12 位时 d1 40 d2 0 04 3 露点计算 空气的露点值可根据相对湿度和温度值来得出 具体的计算公式如下 LogEW 0 66077 7 5T 237 3 T log10 RH 2 Dp 0 66077 log

34、EW 237 3 logEW 8 16077 2 2 5 运行条件 测量量程以外的温度会使湿度信号暂时地偏移 3 然后传感器会慢慢返回 到校准条件 若将芯片在湿度小于 5 环境下加热 24 小时到 90 芯片就会迅速 恢复高相对湿度 高温度坏境的影响 但是 延长强度条件会加速芯片的老化 2 2 6 安装注意事项 由于大气的相对湿度与温度的关系比较密切 因此 测量大气温度时的要点 是将传感器与大气保持同一温度 如果传感器线路板上有发热元件 SHT11 应与 热源保持良好的通风 为減少 SHT11 和 PCB 之间的热传导 应使铜导线最细并在 其中加上窄缝 同时应避免使传感器在强光或 UV 下曝晒

35、 传感器在布线时 SCK 和 DATA 信号平行且相互接近 或信号线长于 10cm 时 均会产生干扰信息 此时应在两组信号之间放罝 VDD 或 GND 2 2 7SHT11 与单片机连接 图 2 7 SHT11 与单片机连接电路图 2 3LCD 显示电路设计 2 3 1 LCD1602 简介 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一种专门用来显示字母 数字 符号等的 点阵型液晶模块它有若干个 5 7 或者 5 11 等点阵字符位组成 每个点阵字符位 都可以显示一个字符 每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符 间距和行间距的作用 正因为如此所以他不能显示图形 2 3 2 LCD

36、1602 的特性 7 1602 液晶显示器为若干 5 8 或 5 11 的点阵显示字符 每个点阵块为一个字符 位 字符间距和行距都为一个点的宽度 1602 液晶主控制驱动电路为 HD44780 或其他全兼容电路 提供各种控制命令 如 清屏 字符闪烁 光标闪烁 显示移位等多种 功能 具有字符发生器的 ROM 可显示 192 种字符 160 个 5 7 点阵字符和 32 个 5 10 点阵字符 有 80 字节显示数据存储器 DDRAM 内建有 192 个 5 7 点阵的字型的字符发生器 CGROM 8 个可由用户自定义的 5 7 的字符发生器 CGRAM 2 3 3 LCD1602 引脚功能 7

37、2 3 4 指令集 1602 通过 D0 D7 的 8 位数据端传输数据和指令 显示模式设置 初始化 0011 0000 0 x38 设置 16 2 显示 5 7 点阵 8 位数据接口 显示开关及光标设置 初始化 0000 1DCB D 显示 1 有效 C 光标显示 1 有效 B 光标闪烁 1 有效 0000 01NS N 1 读或写一个字符后地址指针加 1 第二 CE 提供结束单字节或多字节数据传输 的方法 7 9 2 4 4DS1302 与单片机连接 DS1302 与 CPU 的连接需要三条线 即 SCLK 7 I O 6 RST 5 Vcc2 为备用电源 外接一个 32 768kHz 的

38、晶振 图 2 10 为 DS1302 与 52 单片机 的连接图 图 2 10DS1302 与 52 单片机的连接 2 5 键盘电路设计 2 5 1 键盘工作原理 6 键盘实际上是一组按键开关的集合 平时按键开关总是处于断开状态 当按 下键时它才闭合 它的结构和产生的波形如图 2 11 所示 a b 图 2 11键盘开关及波形 图 2 11 a 中 当按键开关未按下时 开关处于断开状态 P1 1 输出为高 电平 当按键开关按下时 开关处于闭合状态 P1 1 输出为低电平 2 5 2 独立式键盘与单片机的连接 独立式键盘就是个按键相互独立 每个按键各接一根 I O 接口线 每根 I O 接口线都

39、不会影响其它 I O 接口线 因此 通过检测 I O 接口线的电平状态就可 以容易的判断出哪个按键被按下了 4 15 本次设计只需用到五个键 所以采用独立式键盘 在程序设计中采用查询方 式来判别是否有键按下 SH 为湿度限设置键 ST 为温度限设置键 V 为加一键 V 为减一键 RE 为返回键 如图 2 12 图 2 12 独立式键盘 2 6 报警电路设计 在微型计算机控制系统中 为了生产的安全 在紧急情况或参数指标超限时 要进行及时的报警 以便操作人员及时修改一些重要的参数或系统部位 采取紧 急措施 确保生产的安全性 其方法是将检测值与设定值进行比较 如果高于上 限值或低于下限值则进行报警

40、否则就正常显示 14 本报警系统的设计由发光二极管和蜂鸣器组成 如图 2 13 所示 当 P3 1 输 出高电平 则蜂鸣器鸣叫 当 P3 1 输出低电平 则蜂鸣器停止 TH 为温度上限提 示灯 当温度超过设定的上限值 P3 3 输出高电平 TH 发光 同时 P3 1 输出高 电平 蜂鸣器鸣叫 TL 为温度下限提示灯 当温度超过设定的下限值 P3 4 输出 高电平 TL 发光 同时 P3 1 输出高电平 蜂鸣器鸣叫 HH 为湿度上限提示灯 当湿度超过设定的上限值 P3 5 输出高电平 HH 发光 同时 P3 1 输出高电平 蜂鸣器鸣叫 HL 为湿度下限提示灯 当湿度超过设定的下限值 P3 6 输

41、出高电平 HL 发光 同时 P3 1 输出高电平 蜂鸣器鸣叫 图 2 13 报警电路与单片机接口 2 7 抗干扰措施 1 3 单片机应用系统的工作环境往往都是具有多种干扰源的场所 为提高系统的 可靠性和精确性 抗干扰措施在硬件系统设计中显得的尤为重要 根据干扰源引入的途径 抗干扰措施可以从以下几方面考虑 1 电源供电系统 为了克服电网及系统自身的干扰 可采用隔离变压器 交流稳压 线滤波器 稳压电路各级滤波等抗干扰措施 2 电路上的考虑 为进一步提高系统的可靠性 在硬件电路设计时 应采取一系列的抗干扰措 施 a 大规模 IC 芯片电源供电端都应加高频滤波电容 根据负载电流的情况 在各 级供电节点

42、还应加足够容量的退耦电容 b 开关量 I O 通道与外界的隔离可采用光电耦合器件 特别是与继电器 可控硅 等连接的通道 一定要采取隔离措施 c 可采用 CMOS 器件提高工作电压 如 15V 这样干扰门限也相应提高 d 传感器后缀的变送器尽量采用电流式传输方式 因电流型比电压型抗干扰能力 强 e 电路应有合理的布线及接地方法 f 与环境干扰的隔离可采用屏蔽措施 本章中确定了系统的设计总体方案 温湿度测量所用到的方法 单片机应用系统 的研制方案 还具体介绍了各模块设计方案 初步明确了系统的研制方法 此外 还考虑到了系统设计中所遇到的干扰和消除干扰的方式 为系统进一步的设计做 好了准备 第三章系统

43、软件设计 在单片机系统中 软件系统与硬件系统紧密结合 为提高设计的通用性 必 须根据具体的硬件电路来设计与之相对应的软件 硬件设计的优劣直接关系到软 件设计的难易 软件设计的优劣又直接影响到硬件的发挥 本课题软件部分设计 方法与硬件部分设计相对应 同样采用模块化的思路 将该部分设计分成不同的 程序模块 分别进行编译 调试 最后通过主程序将各模块连接起来 这样有利 于程序的修改和调试 增强了程序的可移植性 本系统软件设计主要包括 温湿 度采集转换模块 时钟模块 LCD 显示模块 键盘模块等 3 1 系统总体流程图 图 3 1系统总体流程图 当单片机上电复位后 LCD 会显示当前的时间和温度 湿度

44、 按下相应的功能 按键 可以调整时间和温湿度的设定值 系统的总体流程图 7 8 17 3 1 所示 系统初始化 温湿度采集 LCD 显示 按键处理 时钟 温湿度显示 3 2 温湿度采集模块软件设计 18 SHT11 传感器共有 5 条用户命令 具体命令格式见表 1 所列 下面介绍一下 具体的命令顺序及命令时序 1 传输开始 初始化传输时 应首先发出 传输开始 命令 该命令可在 SCK 为高时使 DATA 由高电平变为低电平 并在 下一个 SCK 为高时将 DATA 升高 接下来的命令顺序包含三个地址位 目前只支持 0 0 0 和 5 个命令位 当 DATA 脚的 SCK 位处于低电位时 表示

45、SHT11 正确收到命令 2 连接复位顺序 如果与 SHT11 传感器的通讯中断 下列信号顺序会使串口复位 即当 DATA 线处于高电平时 触发 SCK 9 次以上 含 9 次 此后应接看发一个 传输开始 命令 3 温湿度测量时序 当发出了温 湿 度测量命令后 控制器就要等到测量完成 使用 8 12 14 位的分辨率测量分别需要大 约 1 1 5 5 210ms 的时间 为表明测量完成 SHT11 会使数据线为低 此时控制器必须重新启动 SCK 然后传送两字节的测量数据与 1 字节的 CRC 校验和 控制器必须通过使 DATA 为低来确认每一个字节 所有的量均 从右算 MSB 列于第一位 通讯

46、在确认 CRC 数据位后停止 如果没有用 CRC 8 校验 和 则控制器就会在测量数据 LSB 后保持 ack 为高来停止通讯 SHT11 在测量和 通讯完成后会自动返回睡眠模式 需要注 意的是 为使 SHT11 的温升低于 0 1 此时的工作频率不能大于标定值的 1 5 如 1 2 位精确度时 每秒最多进行 3 次测量 温湿度采集模块程序流程图如图 3 2 所示 图 3 2温湿度采集模块程序流程图 3 3LCD 显示模块软件设计 LCD 控制器总共有 11 条指令 它们的格式和功能如下 6 1 清屏命令 格式 功能 清除屏幕 将显示缓冲区 DDRAM 的内容全部写入空格 ASCII20H 光

47、标复位 回到显示器的左上角 地址计数器 AC 清零 2 光标复位命令 格式 上电复位 数据端口定义 启动 写入测温命令 计算温度值 读出数据温度并显示 写入测湿命令 计算湿度值 读出数据湿度并显示 功能 光标复位 回到显示器的左上角 地址计数器 AC 清零 显示缓冲区 DDRAM 的内容不变 3 输入方式设置命令 格式 功能 设定当写入一个字节后 光标的移动方向以及后面的内容是否移动 当 I D 1 时 光标从左向右移动 当 I D 0 时 光标从右向左移动 当 S 1 内容移动 当 S 0 内容不移动 4 显示开关控制命令 格式 功能 控制显示的开关 当 D 1 时显示 D 0 时不显示 控

48、制光标开关 当 C 1 时光标显示 C 0 时光标不显示 控制字符是否闪烁 当 B 1 时字符闪烁 B 0 时字符不闪烁 5 光标移位置命令 格式 功能 移动光标或整个显示字幕移位 当 S C 1 时整个显示字幕移位 S C 0 时只光标移位 当 R L 1 时光标右移 R L 0 时光标左移 6 功能设置命令 格式 功能 设置数据位数 当 DL 1 时数据位为 8 位 DL 0 时数据位为 4 位 设置显示行数 当 N 1 时双行显示 N 0 时单行显示 设置字形大小 当 F 1 时 5x10 点阵 F 0 时 5x7 点阵 7 设置字库 CGRAM 地址命令 格式 功能 设置用户自定义 C

49、GRAM 的地址 对用户自定义 CGRAN 访问时 要先设定 CGRAM 的地址 地址范畴为 0 63 8 显示缓冲区 DDRAM 地址设置命令 格式 功能 设置当前显示缓冲区 DDRAM 的地址 对 DDRAM 访问时 要先设定 DDRAM 的 地址 地址范畴为 0 127 9 读忙标志及地址计数器 AC 命令 格式 功能 读忙标志及地址计数器 AC 命令 当 BF 1 时表示忙 这时不能接收命令和数据 BF 0 时表示不忙 低 7 位为读出的 AC 的地址 值为 0 127 10 写 DDRAM 或 CGRAM 命令 格式 功能 向 DDRAM 或 CGRAM 当前位置中写入数据 对 DD

50、RAM 或 CGRAM 写入数据之前 必须设定 DDRAM 或 CGRAM 的地址 11 读 DDRAM 或 CGRAM 命令 格式 功能 从 DDRAM 或 CGRAM 当前位置中读出数据 当 DDRAM 或 CGRAM 读出数据时 必须设定 DDRAM 或 CGRAM 的地址 图 3 3 为 LCD 显示流程图 图 3 3LCD 显示流程图 LCD 初始化 允许写数据 判断 LCD 忙 显示 结束 3 4时钟模块软件设计 本次设计时钟模块采用 DS1302 时钟芯片 将当前时间显示于 LCD 上 方便人 们观察和记录当前的温度和湿度 程序流程图如图 3 4 所示 图 3 4时钟模块程序流程