基于单片机的温湿度检测系统硬件设计

摘 要

随着人们的生活及其生产水平的不断提高，对生活环境和生产环境的要求就显的尤为重要,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运而生的一种智能、快捷、方便可靠的检测系统，特别是在工业生产中如果检测得不准确就会发生许多的生产事故。如化工生产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隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，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。

要为现代人工作、科研、生活提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本设计是以单片机（ATS52）为核心，配合温度传感器（DS18B20）和湿度传感器(HIH-3610)，以及相关的外围电路组成的检测系统，可以接收所测环境的温度和湿度信号，检测人员可以通过数码管显示的数据，实时监控环境的温度和湿度情况。所有的测量操作都可以通过主机控制软件来实现，温度和湿度传感器得到的测量信号，经电路转换为电信号，然后湿度通过光电耦合送到单片机进行数据处理，经软件分析处理后送显示装置。

本系统是硬件设计,可靠性高，结构简单，实现了对温湿度的自动调节。系统还应用RS232与上位机相连接，可以设置自动记录温度、湿度的相关的参数，也可以设置每隔一定的时间自动记录，可用在气象的观察方面。

关键词：ATS52单片机，温度传感器，湿度传感器，LED显示

II Design of Temperature and Humidity Detection Hardware

System Based on Microproccessor

ABSTRACT

As people's living and production levels continue to improve, Living environment and production environment for the requirements of most importance to people. Temperature and humidity control is a typical example, the temperature and humidity detection system came into being of modern production and life of a smart, fast, convenient and reliable detection systems, particularly in the industrial production will occur if the test was not precise Many industrial accidents. Such as chemical production in the detection of improper temperature can cause reduced productivity and product quality decline. And now the temperature and humidity detection system used is usually an accuracy of 0.1 ℃or 1 ℃mercury, kerosene or alcohol thermometer for temperature measurement and the use of traditional methods of physical analog humidity testing. The total scale of temperature and humidity testing is usually very close intervals, not easy to accurately distinguish, reading difficulties, and their relatively large heat capacity, the time required to reach thermal equilibrium longer, making it difficult to read accurate, and very inconvenient to use.

Work for modern, scientific research and to provide better and more convenient facilities

need to start from a single chip technology, all toward the digital control, intelligent control direction. The design is based on microcontroller (ATS52) as the core, with the temperature sensor (DS18B20) and the humidity sensor (HIH-3610), and related peripheral circuits of the detection system, can receive the measured signal is temperature and humidity environment, inspectors can through the digital display of data, real-time monitoring the environment temperature and humidity conditions. All of the measurement operation can be achieved by the host control software, temperature and humidity sensors are measuring the signal, the circuit is converted to electrical signals, then amplified by a certain chip converter to the microcontroller for data processing, the software analysis display device processing evacuation.

The system includes hardware and software design, high reliability, simple structure to realize the automatic adjustment of temperature and humidity. Application RS232 system also is connected with the host computer, you can set up automatic recording of temperature, humidity related parameters can also be set automatically records the time intervals can be used in terms of meteorological observation.

III KEY WORDS: ATS52 microcontroller, temperature sensor, humidity sensor,LED display

IV 目 录

摘要 ..................................................................... I ABSTRACT ................................................................ II 1 绪论 ................................................................... 1 1.1 课题的研究背景 ...................................................... 1 1.2 温湿度传感器技术的现状及发展趋势 .................................... 1 1.3 本课程设计的主要内容 ................................................ 3 1.4 本论文结构 .......................................................... 3 2 系统总体方案设计 ....................................................... 5 2.1 系统功能的设计 ...................................................... 5 2.2 系统设计原则 ........................................................ 5 2.3 系统总方案的选定 .................................................... 6 2.3.1 主控制器方案的选型 .............................................. 6 2.4系统组成框图 ........................................................ 9 3 系统的工作原理 ........................................................ 11 3.1 传感器的基本特性 ................................................... 11 3.1.1 传感器的静态特性 ............................................... 11 3.1.2 传感器的动态特性 ............................................... 11 3.2 温度传感器 ......................................................... 11 3.2.1 DS18B20的测温原理 ............................................. 12 3.3 湿度传感器 ......................................................... 14 3.3.1 主要特性 ....................................................... 15 3.4 单片机ATS52 ..................................................... 16 3.5 RS-232-C接口 ...................................................... 19 3.6 数码管的显示 ....................................................... 20 4 系统的硬件设计和连接 .................................................. 21 4.1 主控模块 ........................................................... 21 4.2 显示模块 ........................................................... 21 4.3 光电耦合 ........................................................... 21 4.4 温度和湿度采集模块 ................................................. 22 4.4.1 DS18B20温度传感器与单片机的连接 ............................... 22 4.4.2 湿度信号采集的设计 ............................................. 22 4.5 输出驱动的设计 ..................................................... 23 4.6 与上位机相连电路的设计 ............................................. 24

V 4.7 电源电路的设计 ..................................................... 24 4.8 报警电路设计 ....................................................... 25 5 总结与展望 ............................................................ 26 致 谢 ................................................................... 28 参考文献 ................................................................ 29 附录 .................................................................... 30

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1 绪论

1.1 课题的研究背景

工业生产中有些场合需要使用精密的机台设备，这些设备的精密度高、价格高，因此为了保证产品的质量及机台的使用寿命，对其环境的要求也很高，尤其的是对温度、湿度的控制。随着信息产业的发展及工业化的进步,温度和湿度不仅仅表现在以上几个方面直接或间接影响着人类基本生活条件, 还表现在对生物制品、医药卫生、科学研究、国防建设等方面的影响。针对以上情况，研制可靠且实用的温湿度控制器显得非常重要。常用温湿度传感器的非线性输出及一致性较差，使温湿度的测量方法和手段相对较复杂，且给电路的调试带来很大的困难。传统的温湿度测量多采用模拟小信号传感器，不仅信号调理电路复杂，且温湿度值的标定过程也极其复杂，并需要使用昂贵的标定仪器设备。因此对于温湿度控制器的设计有着很大的现实生产意义。

本文设计的是基于单片机ATS52的温湿度检测和控制系统，主要以广泛应用的DS18B20和HIH-3610作为温度和湿度的检测，该仪器具有测量精度高、硬件电路简单、并能很好的进行显示，可测试不同环境温湿度的特点。另外和控制电路相连，可以进行加湿电路和除湿电路的控制，使温度和湿度参数在预先设定的范围内，不需要人的直接参与。本系统还通过RS232和上位机相连，可以设置每隔一定的时间进行温度和湿度的采集，上传到上位机，以供查询。

1.2 温湿度传感器技术的现状及发展趋势

在后工业化时代，信息技术对社会的发展及科技的进步起了决定性作用，传感器技术、通信技术、计算机技术构成了信息技术的三大支柱。传感器技术是2l世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。我国从20世纪80年代以来也已将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。21世纪是人类全面进入信息电子化的时代，作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术必将得到较大的发展。

传统的温度测量是从金属(物质)的热胀冷缩开始。水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准。可是它的缺点是只能近距离观测，而且有毒。代替它的有酒精温度计和金属簧片温度计，它们虽然没有毒性，但测量精度很低。在电气时代主要发展了金属热敏电阻。如铜电阻、镍电阻、铂电阻等，它们的特点是稳定性好、耐高温，如铂电阻有的可达六、七百度。但它们的缺点是灵敏度低，当传输线路长短不等时，需要进行温度补偿。热敏电阻的另一分支是金属氧化物半导体型热敏电阻，作为测温用的是负温度系数热敏电阻(NTC),它由多种金属氧化物粉混合烧结而成，其主要优点是灵敏度高。过去

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的缺点是一致性差，现由于改进配方问题基本解决，测量精度可达0.1%以内，能满足工业要求。更高温度测量需使用热电耦。该类热电偶最高测量温度可达+3000℃，是目前冶炼不可缺少的仪器设备。不过它的缺点是线性不好，冷端需要温度补偿[3]。

近年发展起来的有PN结测温器件。这类器件的优点是在-50℃~+150℃范围内有良好的特性，体积小、响应时间快、价格低。但它的缺点是一致性差、不易做到互换，而且PN结易受外界、幅射的影响，稳定性难以保证。石英晶体温度检测器的测量精度较高，一般可检测到0.001℃，可作标准检测之用。光纤传感器技术是本世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。检测精度在±1℃以内，测温范围可以从绝对0~+2000℃。激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量。用氦氖激光源的激光作反射计，可测很高的温度，精度达 1%；用激光干涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度，上限可达+3000℃，专门用于核聚变研究，但在工业上应用还需进一步开发和实验。微波波温度检测器是利用在不同温度下，温度与控制电压成线性关系的原理制成的。这种检测器的灵敏度为250kHz/℃，精度为1%左右，检测范围为+20~+1400℃。近几年来，随着微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的发展，人们开发出将温度传感器和数字电路集成在一起的新型数字式集成温度传感器。数字式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、控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。与模拟传感器相比，数字式传感器在精度、分辨率、可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点，由于采用数字反馈方式，比较器的失调电压和零点漂移不会影响温度的转换精度，而且，输出的温度数据和相关的温度控制量可以适配各种微控制器。目前，数字式温度传感器的总线技术已实现了标准化、规范化，主要有单线（1-Wire）总线、总线、SMBus总线和SPI总线。温度传感器做为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。受半导体器件本身，数字式传感器还存在一些不够理想的地方。比如实际应用时需加修正值，测温范围不宽，一般为-50～+l50℃。

虽然存在一些不足，但是充分利用微处理器技术发展数字化、集成化和自动化的温度传感器仍是温度传感器的发展方向之一。国外在湿度传感器研制方面起步较早，目前日本、德国、美国处于国际领先地位，测量范围可实现全湿范围测量，且精度可达到±2%RH。国内湿度传感器研制与生产方面，开始于二十世纪八十年代，且研究单位多于生产厂家，多数从事电解质、陶瓷类以及高分子类传感器的研制与开发。近几年，国外湿度传感器有了较大的发展，特别是电阻式湿度传感器发展更快，人们不仅在电阻式陶瓷湿度传感器特性方面做了大量工作，而且在高分子电阻式湿度传感器上做出可喜的研究成果，这种传感器稳定性好、精度高、响应特性优，这是应当引以重视的技术动向。根据工业自动化控制的需要，国内外正在开展新一代湿度传感器的研制与开发。目前，湿度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，为开

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发新一代湿度、温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。随着大规模集成电路技术和光通信技术的发展，信息的传输、处理技术有了突破性的进展，发展相对滞后的传感器技术业已得到全世界的普遍重视。因此，今后一个时期传感技术将成为人们研究的新热点，并有可能形成较大产业。传感器技术未来将向以下几个方面发展：

（1）高精确度。为了提高测控精度，必须使传感器的精度尽可能地高。 （2）小型化。很多测试场合要求传感器具有尽可能小的尺寸。

（3）多功能集成化。研究多功能集成传感器是传感器发展的一个重要方向。有两种类型。一种是将传感器、放大器及温度补偿电路等集成在同一芯片上，减小体积，增强了抗干扰能力。另一种是在一个芯片上集成多种功能敏感元件或同一功能的多个敏感元件。例如温湿度一体化传感器，一个芯片可同时检测温度和湿度。

（4）数字化。为了使传感器与计算机直接接口，致力于数字式传感器研究是很重要的。 （5）智能化。这种传感器一般是计算机与传感器相结合的复杂系统。它兼有检测、信息处理、推理、联想和控制等各种功能，重点是具有逻辑功能，是传统传感器无法比拟的。智能传感器的出现将是传感技术中的一次飞跃。

1.3 本课程设计的主要内容

本设计主要做了如下几方面的工作:一是确定系统的总体功能设计方案，二是进行智能传感器的硬件电路的设计，三是单片机及通信接口的硬件电路设计。

本文将信息采集技术、信息传输技术、信息存储技术及信息处理技术等相互融合，将温室环境多种参数监测和单片机控制理论相结合，提出一种切实可行的温室环境监测系统，可以全面、实时、自动地对监测数据进行自动记录、存储和处理，并将有关信息根据现场实际情况，采用最有效方式送入计算机进行处理，并可对监测系统进行远程控制。满足了对作物生长状态实行全面、实时、长期监测的要求。 与传统监测系统相比，本系统具有以下优点：

（1）传感器设计成智能型，可以增加系统数据采集速度，减轻监控计算机的负担。 （2）增加了辅助存储功能，在监控计算机不工作的时候，采用多媒体存储卡存储采集据。

（3）单片机的设计提高了系统的监测速度，系统的可靠性、实时性都有很大的提高。 （4）对模拟设备采集到的数据，为防止失真，采用了数据插值算法。 （5）利用蜂鸣器，超限报警。

1.4 本论文结构

本论文共有五章，分别对无线测温系统硬件设计部分和监控软件部分进行详细的介绍。

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第一章绪论，介绍温湿度传感器的发展状况。

第二章是系统总体设计方案的确定，温湿度传感器，单片机，显示模块的选择。 第三章是对检测系统的硬件电路功能描述，包括温度信号采集模块、湿度采集模块、单片机、温度报警模块等。

第四章是系统的硬件设计和连接，包括显示模块的连接、温度和湿度采集模块和单片机的连接、报警电路的设计等。

第五章是总结与展望。

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2 系统总体方案设计

该系统以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统。该系统，可分为温度测量电路、湿度测量电路、显示电路、蜂鸣器报警电路，与上机位连接电路。选用的主要器件有:温度传感器DS18B20，湿度传感器HIH-3610，单片机ATS52，6数码管显示模块，MAX232，集成定时器555芯片等。

2.1 系统功能的设计

系统要完成的设计功能如下：

（1）实现对温室温湿度参数的实时采集，测量空间多点的温度。湿度根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温、湿度敏感点进行测量，由单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，实现温湿度的智能、多空间点的测量。 （2）实现超限数据的及时报警。

（3）现场监测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力。并具有存储、远程通信功能。

（4）通信系统具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。与计算机通讯功能，采用RS232串行通讯方式最远传输距离为20米。

（5）长时间测量数据记录功能：可以根据需要设置数据记录时。间间隔，数据存入数据存储器。

要求达到的技术指标： 测温范围：-20℃~100℃ 测温精度：0.5℃ 测湿范围：0-100%RH 测湿精度：2.5%RH

2.2 系统设计原则

要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。 （1）可靠性

高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准则。提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑：使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出通道抗干扰措施；进行软硬件滤波；系统自诊断功能等。 （2）操作维护方便

在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作

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人员专用知识的要求，以利于系统的推广。因此在设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法。同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。

2.3 系统总方案的选定

2.3.1 主控制器方案的选型 单片机的选择

单片机是系统的控制核心，所以单片机的性能关系到整个系统的好坏。因此单片机的选择，对所设计系统的实现以及功能的扩展有着很大的影响。单片机种类很多，在众多51系列单片机中，较为常用的是ATMEL公司的ATC51和ATS52单片机，ATC51片内4K，ROM是Flash工艺的，使用专用的编程器自己就可以随时对单片机进行电擦除和改写，片内有128字节的RAM。而ATS52含有在系统可编程的Flash存储器，片内有8K闪存，RAM的容量也较ATC51大，为256字节。显然这种单片机优点更多，开发时间也大为缩短。因此，在本次设计中选用了ATMEL公司的ATS52单片机。 温度传感器选用

随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，数字式温度传感器也得到了快速发展，世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列。这些产品的出现极大的丰富了设计工程师的选择对象。在如此众多的产品中选择出合适的器件，应该把握以下几点：外围电路应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；温度传感器采用的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用MCU的I/O 引脚数情况如何，因为MCU的系统资源非常宝贵，输入通道有限，多点温度测量时，如果测量的点数超过了输入通道时，就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约；与MCU的通信协议应尽量简单，温度测量的软件开发难度、成本要尽量小。

目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有Philips公司的I2C总线、Motorola公司的SPI总线、National Semiconductor公司的Microwireplus总线、Dallas Semiconductor 公司的1-Wire总线和Siemens公司的Profibus总线等。 常用的数字温度传感器主要有：

（1）AD7418是美国模拟器件公司（ADI）推出的单片温度测量与控制用集成电其内部包含有带隙温度传感器和10位A/D转换器。测温范围为-55℃~+125℃，具有10位数字输出温度值，分辨率为0.25℃，精度为±2℃，转换时间为15~30ms。具有体积小、编程简单、使用容易、测量精度高，并且不易受环境干扰等优点。AD7418可以级联至多8

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片在同一个I2C总线上。

（2）LM74是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、A/D数转换器，并具有 SPI/Microwire 兼容总线接口的数字温度传感器。具有抗干扰能力强、分辨力高、线性度好、成本低等优点。在传感器通电工作后自动按一定速率对温度进行检测，并在片内寄存器中存储转换的温度值，主机可以在任意时刻读出传感器温度值。LM74具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过10μA,适用于对功率消耗有严格的系统。LM74的模数转换器为12位外加符号位，因此在其有效工作范围内可达0.0625℃的分辨率，转换时间为425ms。

（3）MAX6575L/H是美国MAXIM公司的一种单总线式数字温度传感器，具有较好的线性、较低的功耗，而且编程简单，调试容易，使用方便。测温范围为-40~+125℃，其误差范围：在25℃时优于±3℃在 85℃时优于±4.5℃，在125℃时优于±5℃。但是 MAX6575L/H在其测温范围内非线性误差较大，因此，当它用于高精度温度测量时，必须对其进行非线性补偿。它最多允许在一根MCU的I/O总线上同时挂接8个MAX6575L/H进行多点温度测量。为了避免多个传感器同时测温时有重叠的现象MAX6575提供了“L”和“H”两种型号的传感器,它们的使用方法相同,而且每一种型号的传感器又可以通过时间选择引脚。但是，MAX6575L的远距离传输特性并不理想，传输范围只能在5m以内，超过此范围将采集不到被测温度数据，这也是这种器件的一个弊端。

（4）DS18B20是美国Dallas半导体公司的新一代数字式温度传感器，它具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A/D转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且成本低、体积小、可靠性高。DS18B20的测温范围-55~+125℃，最高分辨率可达0.0625℃，由于每一个DS18B20出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省了大量的引线和逻辑电路。 Dallas公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特点： （1）适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性； （2）性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好； （3）具有CRC校验功能，可靠性高；

（4）软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。

由于DS18B20独特的单总线接口方式在多点测温时有明显的优势，占MCU的I/O引脚资源少，MCU的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以，选用DS18B20作为温度测量的传感器。 湿度传感器的选用

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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。选择集成湿度传感器应考虑以下几点：感湿性能好、灵敏度高、响应速度快、测量范围宽，要有较好的一致性、可重复性，线性度要好、湿滞小，较高的稳定性和可靠性，有较强的抗污染能力、使用寿命长。

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。

常用的集成湿度传感器主要有：

（1）HIH-3610是美国Honeywell 公司生产的具有信号处理功能的热固聚酯电容式相对湿度传感器，线性放大输出、工厂标定，独特的多层结构能非常好地抵抗环境的侵蚀，诸如湿气、尘埃、脏物、油、及一些化学品。工作范围：温度-40~+85℃，相对湿度 0~100%RH，精度达到±2%RH，激光修正互换性至5%RH，低功耗驱动电流设计为 200μA，反应时间为15s，稳定性好、较低的漂移、抗化学腐蚀性能强。

（2）HF3223湿度传感器是法国 Humirel公司生产的专利的固态聚合物结构相对湿度传感器，具有线性的频率输出，湿度测量范围 10~95%RH，精度±5%RH，湿度迟±1.5%RH，温度工作范围-30~+80℃，温度特性好，高可靠性与长时间稳定性，在长时间处于饱和状态后快速脱湿，反应时间10s，对化学品有较高的抵抗性，浸水没有影响。 （3）HM1500湿度传感器是法国Humirel公司采用Humirel专利湿敏电容 HS1101 设计制造的相对湿度传感器。带防护棒式封装，5VDC恒压供电，1~4VDC 放大线性电压输出，便于用户使用。湿度测试量程为0~100%RH，精度达±3%RH（10~95%RH 范围），防灰尘，可有效抵抗各种腐蚀性气体物质，非常低的温度依赖性，长期稳定性好，反映时间5s，广泛应用于机房监控，智能楼宇，仓库监控等控制场合，价格实惠，是一款性价比极高的湿度传感器。

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线性电压输出式集成湿度传感器典型产品HIH3610。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。故选用HIH3610。 显示模块的选用

显示有串行和并行两种方式。并行显示方式占用硬件资源多，八个笔划段和几个显示驱动控制端都要接到单片机的I/O引脚，但显示刷新速度快；串行显示方式占用硬件资源少，仅数据锁存控制端、时钟端、数据端三个端口要接到单片机的I/O引脚上，显示刷新速度较并行显示方式慢。

显示单元是人机交互的窗口，是传递仪表工作状态和检测数据的关键性设备，通常的显示器件有液晶显示器（LCD）和数码管显示器（LED）。

液晶显示器在使用中有许多注意事项：不能对它长期施加直流电，否则易造成显示器的老化；必须注意防潮；防止施加过大的压力；对于使用的环境温度要特别注意，温度不能太高也不能太低；防止紫外线的直接照射；要特别注意防静电，焊接显示器时烙铁要接地。

可见液晶显示器在使用中有众多的条件，但它同时也有一定的优势，其中最明显的就是低功耗，消耗电流一般是PA级的。数码管显示器不同与液晶显示器，它对电源没有特殊要求，受环境温度的影响不大，不怕阳光的照射，也没有严格的防静电要求，而且它的显示亮度要比液晶显示器亮许多，适于安装在室内、室外、黑暗和光线强的各种环境中，但它的耗电量明显高于液晶显示器。本系统由于要适合在不同环境条件下使用，所以选用数码管显示器。

综上所述，本设计最终选用的集成温度传感器DS18B20是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。湿度传感器是采用了HIH-3610相对湿度传感器它是一种热固聚脂电容式传感器。采集到的湿度信号经过555振荡电路后，送至单片机P3.2口，实现湿度的显示与控制。

2.4 系统组成框图

以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统。该系统，可分为温度测量电路，湿度测量电路，数据存储及显示电路，语音报警电路，见图2-1。选用的主要器件有:温度传感器DS18B20，湿度传感器HIH-3610，单片机ATS52，6数码管显示模块，MAX232，集成定时器555芯片等。

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串行口LED显示DS182O温度传感器单片机S52光电耦合 报警电路HIH3610湿度传感器 图2-1 系统框图

本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的：

（1）信号采集 由DS18B20、HIH-3610组成； （2）信号分析 单片机ATS52基本系统组成； （3）信号显示 由串行口LED显示器和报警电路组成。

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3 系统的工作原理

3.1 传感器的基本特性

在监控系统中有各种不同的物理量需要监测和控制，这就要求传感器能感受被测非电量并将其转换成与被测量有一定函数关系的电量。传感器所测量的非电量是处在不断的变化之中，传感器能否将这些非电量的变化不失真地转换成相应的电量，取决于传感器的输入——输出特性。传感器这一基本特性可用静态特性和动态特性来描述[7]。 3.1.1 传感器的静态特性

传感器的静态特性是指当被测量处于稳定状态下，传感器的输入与输出值之间的关系。传感器静态特性的主要技术指标有:线性度、灵敏度、迟滞和重复性等。 3.1.2 传感器的动态特性

传感器测量静态信号时，由于被测量不随时间变化，测量和记录过程不受时间。而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如:最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。

3.2 温度传感器

美国DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器，可以直接将被测温度转化为串行数字信号供微机处理，通过简单的编程实现9位的温度读数。并且多个DS18B20可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。由于每一个DS18B20出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省大量的引线和逻辑电路。

与其它温度传感器相比，DS18B20具有以下特性:

（1）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

（2）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。

（3）DS18B20在使用中不需要任何外围元件。 （4）温范围-55℃~+125℃，固有测温分辨率0.5℃。 （5）测量结果以9位数字量方式串行传送。

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DS1820采用3脚TO-92封装或8脚50封装，管脚排列如图3-1所示：

图3-1 DS18B20的引脚

对图3-1中DS18B20的引脚功能说明如下： NC：空引脚，不连接外部信号。 VDD：接电源引脚，电源供电3.0~5.0V。 GND：接地。

DQ：数据的输入和输出引脚。

DQ：引脚的I/O为数据输入/输出端(即单线总线)，该引脚为漏极开路输出，常态下呈高电平。

3.2.1 DS18B20的测温原理

DS18B20的内部框图如图3.2所示，它主要包括寄生电源、温度传感器、位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值、触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等7部分。

存储器和控制逻辑温度传感器位ROM和单线端口电源探测存储器上限触发TH下限触发TL8位CRC产生器 图3-2 DS18B20的内部框图

测温原理见图3-3。低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供一频率稳定的计数脉冲。高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏

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感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。

初始时，温度寄存器被预置成-55℃，每当计数器1从预置数开始减计数到0时，温度寄存器中寄存的温度值就增加1℃，这个过重复进行直到计数器2计数到0时便停止。

斜坡累加器预置比较低温度系数振荡器计数器预置LSB置位/清0=0增加温度寄存器高温度系数振荡器计数器=0停止

图3-3 DS18B20测温原理图

初始时，计数器1预置的是与-55℃像对应的一个预置值。以后计数器l每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。计数器1的预置数也就是在给定温度外使温度寄存器存值增加1℃计数器所需的计数个数。

图中比较器的作用是以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。在计数器2停止计数后，比较器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与025℃进行比较，若低于0.25℃，温度寄存器的最低位就置0，若高于0.25℃，就置1，若高于0.75℃，温度寄存器的最低位就进位后置0。这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最末位代表0.5℃，四舍五入最大量化误差为士l/ZLSB，即0.25℃。

温度寄存器中的温度值以9位数据格式表示，最高位为符号位其余8位以二进制补码形式表示温度值。测温结束时，这9位数据转存到暂存寄存器的前两个字节中，符号位占用第1字节，8位温度数据占用第2字节。

DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号:同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。当计数门打开时，DS18B20进行计数计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应为9位(包含一位符号)，但因符号位扩展成高8位，故以16位补码形式读出，

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温度和数字量的关系如表3-1所示。

表 3-1 温度和数字量的关系

变量 +125 +25 +1/2 0 -1/2 -25 -55 输出的二进制码 000000011111010 000000000110010 000000000000001 000000000000000 111111111111111 111111111001110 111111110010010 对应的十六进制码 00FAH 0032H 0001H 0000H FFFFH FFCEH FF92H 单线总线，即1-wire技术是DS18B20的一个特点。该技术采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作;当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作。

DS18B20 有两种供电方式：一种为数据线供电方式，此时VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，完成温度转换的时间较长。为了保证在有效的时钟周期内，提供足够的电流，这种情况下，用一个MOSFET管和单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式(VDD接+5V)，完成温度测量的时间较短。当使用数据总线寄生供电时，供电端必须接地，同时总线口在空闲的时候必须保持高电平，以便对传感器充电。但当所测温度超过100℃时，DS18B20的漏电流增大，传感器从I/O线上获取的电流不足以维持DS18B20通讯所需的电流，此时只能选用外部供电方式。比较而言，寄生电源方式少用一根导线，但它完成温度测量所需的时间较长，而外部电源方式测量速度则要快些。

3.3 湿度传感器

本设计中采用相对湿度传感器HIH-3610。HIH-3610是美国Honeywell公司生产的相对湿度传感器，该传感器采用热固聚酯电容式传感头，同时在内部集成了信号处理功能电路，因此该传感器可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容值转换成线性电压输出的任务，同时该传感器还具有精度高、响应快、高稳定性、低温漂、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点。

基于单片机的温湿度检测系统硬件设计 15

图3-4 湿度传感器HIH-3610外观图

3.3.1 主要特性

（1）热固性聚合物电容传感器，带集成信号处理电路； （2）3针可焊塑封；

（3）宽量程：0~100%RH非凝结，宽工作温度范围 –40~85℃； （4）高精度：±2%RH，极好的线形输出；

（5）5VDC恒压供电，0.8~3.9VDC放大线形电压输出； （6）低功耗设计 200µA驱动电流； （7）激光修正互换性；

（8）快速响应 5秒 慢流动的空气中； （9）稳定性好,低温飘,抗化学腐蚀性能。

图3-5电压与湿度关系 表3-2 HIH-3610主要技术指标

测量范围 /(%RH) 0~100 测量精度 /(%RH) +2/-2 电源电压 /V 4~5.8 电源电流 输出范围或输出形式 0.8V~3.9V 工作温度范围 主要特点 线性电压输出线，性能最好，抗污染能力最强 200 -40~+85 由输出电压与相对湿度关系曲线可得出如下结论：

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（1）HIH-3610在供电电压为5V时，其消耗电流仅为200（2）HIH-3610输出电压为：

，故HIH-3610湿度传感器

对电源没有功率方面的要求，为低功耗产品的设计提供更好的解决方案。

V0Vi[0.0062RH00.16] （3-1）

即输出电压Vo不仅正比于温度测量值，且与电源电压值有关，若V（HIH-3610i3）测量的湿度值还与环境温度有关，故应进行温度补偿，补偿公式为：

RHRH0(1.060.00216T)

（3-2）

式中：T为环境摄氏温度值。

利用HIH-3610的线性电压输出可直接输入到控制器或其他装置。一般仅需取出200μA电流，HIH-3610系列测湿传感器就能理想地用于低引出、电池供电系统。

HIH-3610系列测湿传感器作为一个低成本、可软焊的单个直插式组建（SIP）提供仪表测量质量的相对湿度（RH）传感性能。RH传感器可用在二引线间有间距的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，其芯片内具有信号处理功能。传感元件的多层结构对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗力。

3.4 单片机ATS52

单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位双向口，共占32根引脚。每个端口都包括一个锁存器(即专用寄存器P0-P3)、一个输入驱动器和输入缓冲器。通常把4个端口称为P0~P3。在无片外扩展的存储器的系统中，这4个端口的每一位都可以作为双向通用I/O端口使用。在具有片外扩展存储器的系统中，P2口作为高8位地址线，P0口作为低8位地址线和双向数据总线。在作为一般的通用I/O输入时，都必须先向锁存器写入“1”，使输出驱动场效应管FET截止，以免误读数据[11]。

ATS52是一种低功耗、高性能CMOS八位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，使用ATMEL公司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ROM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，使其为众多嵌入式控制应用系统提供灵活的解决方案。 （1）与MCS-51单片机产品兼容； （2）8K字节在系统可编程Flash存储器； （3）1000次擦写周期； （4）全静态操作：0Hz～33Hz； （5）三级加密程序存储器； （6）32个可编程I/O口线； （7）三个16位定时器/计数器；

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（8）八个中断源；

（9）全双工UART串行通道； （10）低功耗空闲和掉电模式； （11）掉电后中断可唤醒； （12）看门狗定时器； （13）双数据指针； （14）掉电标识符

U119XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39383736353433322122232425262728101112131415161718XTAL29RST293031PSENALEEA12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7ATS52 图3-4 ATS52芯片的引脚图

P0口：8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（In）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表3-1所示。在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

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表3-3 P1口引脚的第二功能

引脚号 P1.0 P1.1 P1.5 P1.6 P1.7 第二功能 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） MOSI（在系统编程用） MISO（在系统编程用） SCK（在系统编程用） P2口：具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动四个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（In）。在方位外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高八位地址。在Flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动四个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（In）。

P3口亦作为ATS52特殊功能（第二功能）使用，如表3-4所示。

表3-4 P3口引脚的第二功能

引脚号 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

第二功能 RXD（串行输入） TXD（串行输出） INT0（外部中断0） INT1（外部中断1） T0（定时器0外部输入） T1（定时器1外部输入） WR（外部数据存储器写选通） RD（外部数据存储器读选通） RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

ALE/PROG：控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，

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ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

PSEN：外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当ATS52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序

存储器读取指令，EA必须接地。

为执行内部程序指令，EA应该接VCC。 在Flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。

XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。

时钟电路用于产生时钟信号，时钟信号是单片机内部各种微操作的时间基准，在此基础上，控制器按照指令的功能产生一系列在时间上有一定次序的信号，控制相关的逻辑电路工作，实现指令的功能。复位对单片机来说，是程序还没有开始执行，是在做准备工作。

3.5 RS-232-C接口

计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。串行通信本身又分为异步通信与同步通信两种。RS-232-C接口(又称 EIARS-232-C)是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。RS-232-C接口标准采用25个引脚的连接器(D型插座)。RS-232-C规定有25根连线。 RS-232-C接口的特点： （1）接口的信号内容

实际上RS-232-C的25条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3-9条引线。 （2）接口的电气特性

在RS-232-C中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即 逻辑“l”，-5~15V； 逻辑“0”，+5~+15V。

噪声容限为2V。即要求接收器能识别低至+3V的信号作为逻辑“0”，高到-3V的信号作为逻辑“1”。 （3）接口的物理结构

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RS-232-C接口连接器一般使用型号为DB-25的25芯插头座，通常插头在DCE端，插座在DTE端.一些设备与PC机连接的RS-232-C接口，因为不使用对方的传送控制信号，只需三条接口线，即“发送数据”、“接收数据和“信号地”。所以采用DB-9的9芯插头座。

（4）传输电缆长度由RS-232-C标准规定在码元畸变小于4%的情况下，传输电缆长度应为50英尺。

由于RS-232-C接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点:

（1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

（2）传输速率较低，在异步传输时，波特率为20KbPs。

（3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。

（4）传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在50米左右。

在检测系统中，下位机处理过的数据通常都需要不断地传给上位机，而上位机也要不断往下位机发送命令，控制下位机的工作进程。单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和计算机之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，可以采用专用芯片MAX232进行转换。

3.6 数码管的显示

数码管在仪器仪表中主要是显示单片机的输出数据、状态等，因而，作为外围典型器件，数码管显示是反映系统输出和操纵输入的有效器件。数码管具备数字接口，可以很方便的和单片机系统连接;数码管的体积小、输出内容的器件重量轻，并且功耗低，是一种理想的显示单片机数据在单片机系统中有着重要的作用。

8段数码管属于LED发光器件的一种。LED发光器件一般常用的有两类:数码管和点阵。8段数码管又称为8字型数码管，分为8段：A、B、C、D、E、F、G、P10根管脚，每一段有一根管脚。其中P为小数点。数码管常用的有另外两根管脚为一个数码管的公共端，两根之间相互连通。

基于单片机的温湿度检测系统硬件设计 21

4 系统的硬件设计和连接

4.1 主控模块

采用ATS52单片机作为系统的控制器。P0口控制数码管显示温度和湿度值。实现湿度模拟电压量转换为数字量便于单片机处理。键盘控制采用P1.4~P1.6口，温度采集采用的是P1.7，湿度采集采用的是P3.2，原理如下图4-1所示:

C130pFU1X119XTAL1CRYSTAL18XTAL2P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD393837363534333221222324252627281011121314151617C330pF9RSTC44.7uF293031PSENALEEAD11N4001R110k12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7ATS52 图4-1 ATS52单片机各引脚功能 4.2 显示模块 系统采用动态显示方式驱动6个数码管工作，其中4个数码管用来显示温度值，2个用来显示检测到的湿度值。用P2的输入端来选择位码．单片机的P0口控制数码管的断码。如检测到的温度与湿度发生变化时，数码管即会发生相应的变化，起到实时显示功能，电路如图4-2。 R20R24R2110kR2210kR2310kR2510k10k10kQ2PN5138Q3PN5138Q4PN5138Q5PN5138Q6PN5138Q7PN5138 图4-2 现实模块连接电路 4.3 光电耦合 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 22

光电偶合器件（简称光耦）是把发光器件（如发光二极体）和光敏器件（如光敏三极管）组装在一起，通过光线实现耦合构成电—光和光—电的转换器件。 4.4 温度和湿度采集模块 X1C3 4.4.1 DS18B20温度传感器与单片机的连接19XTAL1CRYSTAL18XTAL2P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD739383736353433322122232425262728101112131415161730pFDS18B20数字温度传感器，可以直接将被测温度转化为串行数字信号供微机处理，RST通过简单的编程实现9位的温度读数。并且多个DS18B20可以并接到多个地址线上与9单片机实现通信。由于每一个C4DS18B20出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM29PSEN中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省大量的引线和逻辑电路。下304.7uF图为与单片机的连接。 D11N400131ALEEAP2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15R110k12345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7ATS52P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDU2GNDDQVCC1239.0DS18B20R.7kR10图4-4 DS1820温度传感器与单片机的连接 100k BUZ1BUZZER4.4.2 湿度信号采集的设计 湿度的检测方法，一般采用湿敏元件检测，分为湿敏电阻和湿敏电容两种情况。基于本次设计，采用了HIH-3610相对湿度传感器它是一种热固聚脂电容式传感器。在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常用两种方法：一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。电路连接图如图4-4所示。 基于单片机的温湿度检测系统硬件设计 23

R410kU316524OPTOCOUPLER-NPNR91kR84R9.9k8U5QDC371kRVCC5CVR2576k2GNDTRTH61R7909k555VC1HIH3610 图4-4 湿度传感器与单片机的连接 4.5 输出驱动的设计 将继电器接到单片机ATS52的P1.1、P1.2口，开关输出控制加湿或者除湿装置电路，单片机将采集到的温湿度数字量与预设的基准上下限进行运算比较处理后，从P1.1、P1.2口输出驱动电磁继电器，对温湿度装置进行调节，以及电源通断等控制。驱动电路与单片机的连接电路如图4-5所示。当检测的湿度值高于设定的湿度值范围时，单片机ATC52将使P1.2输出低电平，停止加湿器加湿；同时使P1.1输出高电平，使除湿器进行除湿；当检测的湿度值低于设定的湿度值范围时，单片机ATS52将使P1.1输出低电平，停止除湿器除湿；同时使P1.2输出高电平，使加湿器进行加湿。

R1110kQ1PN5138R2610kU627D31N4001R2810k36D21N4001OPTOCOUPLER-NANDRL1G2RL-1AB-DC12J1R2710k1234U727D41N4001R2910k52745-049636D51N4001RL2G2RL-1AB-DC12OPTOCOUPLER-NAND图4-5 驱动电路与单片机的连接电路 1k1kR20R24R2110kR2210kR2310kR2510k10k10kQ2PN5138Q3PN5138Q4PN5138Q5PN5138Q6PN5138Q7PN5138陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 24

4.6 与上位机相连电路的设计 4U316524OPTOCOUPLER-NPNkC2R91k11121091C1+T1INR1OUTT2INR2OUT1uF3C1-T1OUTR1INT2OUTR2INVS+VS-C2+4C2-1413782616273849U4P1DCDDSRRXDRTSTXDCTSDTRRIC6MAX2321uFC71uFC51uF5ERRORCOMPIM图4-6 单片机与上机位连接 利用微机RS-232口进行串行通信的一般步骤如下: （1）打开串口

在32位Windows中，串口和其它通信设备都被作为文件进行处理，在使用前必须先将其打开。为了保证串口通信数据传输的可靠性，串口打开时一般都设置为非共享模式，串口一旦被打开后，其它的应用程序将无法打开或使用它。 （2）配置串口

在使用串口进行数据通信前必须对其进行配置，串口配置主要包括波特率、数据位数、停止位数、奇偶校验、发送缓冲区大小、接受缓冲区大小等。 （3）超时设置

在串口通信时如果数据传输突然中断，对串口的读写操作可能会进入无限期的等待状态，为避免这种情况发生，必须设置串口读写操作的等待时间，等待时间超过后，串口的读写操作将被主动放弃，这样即使数据传输突然中断程序也不会被挂起或阻塞。 （4）数据读写

串口打开并配置好后即可对其进行读写操作了，对串口的读写操作可采用查询、同步、异步和事件驱动等方式。 （5）关闭串口

在串口使用完成后应将其关闭，否则如果没有关闭串口，该串口将始终处于打开状态，其它的应用程序就将无法打开或使用它。

4.7 电源电路的设计

基于单片机的温湿度检测系统硬件设计 25

采用全桥整流电路将交流电压转化为直流电压,系统硬件电路要求电源额定电压为5V，单片机系统要求电源电压的纹波系数尽可能小,基于以上要求，选用固定输出线形稳压集成器LM78H05。该稳压器的输入电压VIN在7V～35V的范围变化,输出电压可保证为5V输出和A/D转换芯片TLC9的电源电压。该稳压器还具有过热保护和过压保护功能；线性稳压结构可使电源纹波系数降低。

4.8 报警电路设计

本设计采用峰鸣音报警电路。峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过MCS-51的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。在图中，P1.3接晶体管基极输入端。当P1.3输出高电平“1”时，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫；当P1.3输出低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。 R10100kBUZ1BUZZERR1110kQ1PN5138图4-8 报警电路设计 陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 26

5 总结与展望

本次专业课程设计：基于单片机的温湿度检测系统的硬件设计，已经基本完成。通过这次毕业设计，我掌握了一些实践性质的设计的基本步骤：首先，明确设计任务，并且要对市场上温湿度控制器要有初步了解，还要知道前人做了哪些工作，本设计方案的可利用程度等等。其次，要对整个设计系统做深入的方案论证、计算并且结合现有实际条件，确立自己的设计方案，进而，就是对自己确立的方案进行硬件实现，包括所用原器件选型，以及控制部分整个单片机系统的硬件选型与设计，并用Proteus绘制出整个系统总体电路图并进行仿真。到此为止，这个系统的设计基本上已经完成了，最后就是要经过生产实践的检验，确定我们的设计是否符合实际要求，具有可利用价值。

在总结前人的基础上，利用当前最新的传感器技术和数字传感器件。基于单片机的温湿度检测系统实现了自动采集：数字传感器将外界环境温度和湿度的数据直接送给单片机无需经过A/D转换和专门的数据采集部分。实时监测：在24小时内是实时地检测出外界环境的温度和湿度的数据。自动显示：有数码管自动地显示。综合以上的分析可知，基于单片机的温湿度检测系统比起传统的温度计和湿度计有着非常明显的优势。首先在测量精度方面比起传统的温度计和湿度计大大地提高了其测量精度。在测量准度方面比起传统的温度计和湿度计有着抗干扰的能力。在显示方面基于单片机的温湿度检测系统是实时的自动显示而传统的温度计和湿度计还必须从仪器上面用肉眼读出。

本系统采用的单片机控制，实现对室内温湿度的智能控制，单片机可完成室内的数据采集、传送预处理和控制任务。用单片机汇编语言编程，采用模块化的结构设计，提高了可靠性和可扩展性。把单片机控制理论与技术应用在监控中，能够实现智能化的控制要求。整个设计过程同时也是一个很好的学习机会，例如运用Proteus绘图，经过这次设计后自己在这方面有很大地进步，画图的熟练度有了明显的提高；在查找资料方面，认识到：图书资料、网络资料和期刊等都很有价值，以后做设计的时候要注意查找完整的资料，不要只偏重一个方面。当然整个设计过程学到的知识和经验远远比运用Proteus、学会查找多方资料多得多，这些对于自己以后的学习和工作将受益匪浅。但必须认识到的是，在设计中也存在着不足之处，例如单片机控制系统在可靠性方面相对于可编程控制器（PLC）控制系统略为欠缺，并且自己深入实践不够，所做的系统也不是很完善。但是我想通过以后的学习和努力一定会有所提高，能够做出更好的设计。所设计系统不仅适用于室内湿度环境的控制，对软件进行一定的扩展后也可用于实验室、医疗室、储藏保鲜、组织培养等生物环境和粮库等环境的控制，具有较强的通用性和适应性。

虽然到现在为止，有些东西我还是不懂和不理解，但我学会了面对问题，自己尽量解决，先分析，然后解决，一条道通不过然后尝试着其它的方法，最终把问题克服掉。最重要的是锻炼了和同学的协作完成任务，提高了合作能力。我感觉这是这次设计过程中收获最大的，这将是我未来的工作中 用之不尽宝贵的经验。感谢那些帮助过我的同

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学，感谢他们在自己做毕业设计的情况下还帮我找资料并对我的设计提出宝贵的意见。

总体来说，经过这次课程设计，我受益颇多，也得到了很多经验。学习了很多东西，比如单片机，温湿度传感器，这些以前虽然学过但都不是很扎实，但通过本次的毕业设计，使我进一步系统的学习了这些知识。我懂得了只有自己真正接触尝试了，才知道自己的真实水平。也使我看清了自己的知识水平与各种综合能力，找出了自己的不足和差距。我将明确自己在今后要奋斗的目标与方向，勇往直前。

陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 28

致 谢

历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师李秦君老师，他对我进行了大量的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了很多的宝贵时间和精力，在此向导师表示衷心地感谢！

另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！

感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。

感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。

由于我的专业知识有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！

最后，在此谨向评审本文的多位老师致谢。

基于单片机的温湿度检测系统硬件设计 29

参 考 文 献

[1] 张玉杰．单片机原理与应用技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2007：330-332． [2] 周润景，张丽娜．基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真[M]．北京航空航天大学出版社，2006：12-15．

[3] 李朝青．单片机原理及接口技术[M]．北京航空航天大学出版社，2009：21-24． [4] 沙占友．智能化集成温度传感器原理与应用[M]．北京：机械工业出版社，2002：58-60． [5] 李建民．单片机在温度控制系统中的应用[J]．.江汉大学学报，1996：2-3． [6] 沈德金，陈粤初．MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例[M]．北京航空航天大学出版社，1990：101-103．

[7] 童诗白．模拟电子技术基础[M]．高等教育出版社，2001：45-47．

[8] 刘笃仁，韩保君．传感器原理及应用技术[M]．机械工业出版社，2003：23． [9] 胡汉才．单片机原理及接口技术[M]．清华大学出版社，1996：34．

[10] 孙建军，吴太虎．基于电力线通信技术的远程温湿度数据采集[M]．2004：12． [11] 赵修良．于LabVIEW的多路温湿度测量系统[J]．湖南科技学院学报，2009：3． [12] 何利民．MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2001：12．

[13] 王幸之．单片机及应用系统抗干扰技术[M]．北京：北京航空航天大学出版，2002：78．

[14] 李杏春．徐平，李华，赵嘉蔚编．8098单片机原理及实用接口技术[M]．北京航空航天大学出版社，1996：57．

[15] 李华，孙晓民，李红青．MCS-51系列单片机实用接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1993：24．

[16] 林凌，李刚，丁茹，李晓霞．新型单片机接口器件与技术[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2005：43．

30

C130pFU1X119XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD10111213141516172122232425262728CRYSTAL18XTAL23938373635343332R12R13R141kR151kR161kR171kR191kR181k1k1kR20R24R2110kR2210kR2310kR2510k10k10kC330pF9RSTQ2PN5138Q3PN5138Q4Q5Q6Q7PN5138PN5138PN5138PN5138C44.7uF293031PSENALEEA陕西科技大学毕业论文（设计说明书）

D110k1N4001R112345678P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7ATS52附 录

R310kR30R410k10kU2GNDDQVCC1234.7kC2U316524OPTOCOUPLER-NPNR5R91k11121091C1+T1INR1OUTT2INR2OUT1uF3U4DS18B20C1-P1R10100kBUZ1BUZZERT1OUTR1INT2OUTR2IN141378R1110kC2+VS+VS-26C2-C6Q1PN51384C716273849DCDDSRRXDRTSTXDCTSDTRRIC51uF5MAX2321uF1uFERRORCOMPIMR2610kR8271N4001310k8R6D3D21N4001U6R28RU5VCC1k3QDC749.9kOPTOCOUPLER-NANDRL1G2RL-1AB-DC125CVR2576k2GNDJ1R2710k1234TRTH16R7909k555VC1HIH3610U727D41N400136R2910k52745-0496D5OPTOCOUPLER-NAND1N4001RL2G2RL-1AB-DC12 9.0