溫濕度傳感器畢業設計-王濤

青島農業大學

畢 業 論 文（設計）

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基于51單片機的溫濕度傳感器的設計與制作 王濤 理學與信息科學學院 電子信息科學與技術 1001 20102905 霍文曉

2014 年 5 月10 日

畢業論文（設計）誠信聲明

本人聲明：所呈交的畢業論文（設計）是在導師指導下進行的研

究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻、數據、圖表、資料均已作明確標注，論文中的結論和成果為本人獨立完成，真實可靠，不包含他人成果及已獲得青島農業大學或其他教育機構的學位或證書使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。

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基于51單片機的溫濕度傳感器的設計與制作 王濤 理學與信息科學學院 電子信息科學與技術 1001 20102905 霍文曉 2014 年 5 月10 日

摘要：溫濕度使我們生產生活中很重要的參數，本設計為基于51單片機的溫濕度檢測與控制系統，采用模塊化、層次化設計。如今采納新技術，使用新式智能的溫濕度傳感器DHT11來實現對溫度、濕度的監測，運用DHT11來完成濕度信號的收集并將其轉換為數字式信號，接著使用單片機AT89C52分析、處置數據，提供信號給報警及顯示電路，從而完成對溫濕度的檢測與監控。依據設定的報警高低限值來體現報警體系的報警功效，采納LCD1602液晶顯示所測得的溫濕度值。優點是系統的電路簡單、集成度高、運行穩定、調試方便、檢測精度很高，有一定的實用價值。

關鍵詞：單片機；DHT11溫濕度傳感器；LCD1602顯示

Abstract：Temperature and humidity that we are important parameters in production and living, this design is based on 51 single chip microcomputer temperature and humidity detection and control system, adopts the modular, hierarchical design. Now adopt new technology, the use of new intelligent temperature and humidity sensor DHT11 to realize the monitoring of temperature, humidity, using DHT11 to humidity signal collection and convert them into digital signals, then using microcontroller AT89C52 analysis and treatment of data, provides the signal to alarm and display circuit, so as to complete the detection and monitoring of temperature and humidity. According to set the alarm of high and low limit to reflect the alarm function of the alarm system, adopt LCD1602 LCD display the measured temperature and humidity values. Advantage is simple circuit, high integration, stable running, convenient debugging and testing precision is high, has certain practical value.

Key words: Single chip microcomputer; DHT11 temperature and humidity; LCD1602 display

目 錄

第一章 引言 ..................................................................................................................................... 7

1.1課題的研究背景 ................................................................................................................. 7

1.2課題的研究內容及目標 ........................................................................................ 7

1.3本文的組織結構 ................................................................................................................. 7

第二章 設計要求及目的 ................................................................................................................. 7

1.1 設計目的 ............................................................................................................................ 7

1.2 設計要求 ............................................................................................................................ 7

第三章 系統方案設計及論證 ......................................................................................................... 7

3.1總體方案設計 ..................................................................................................................... 8

3.2方案比較與論證 ................................................................................................................. 8

3.2.1溫濕度檢測 .............................................................................................................. 8

3.2.2主從機通信 .............................................................................................................. 9

3.2.3顯示部分 .................................................................................................................. 9

第四章 系統的硬件設計與實現 ..................................................................................................... 9

4.1 單片機介紹 ........................................................................................................................ 9

4.1.1 單片機主要性能 ..................................................................................................... 9

4.1.2 單片機各引腳功能介紹 ....................................................................................... 10

4.1.3 單片機特殊功能寄存器介紹 ............................................................................... 10

4.2 DHT11數字溫濕度傳感器介紹 ...................................................................................... 14

4.2.1 DHT11產品概述 ................................................................................................... 10

4.2.2 串行接口 ............................................................................................................... 10

4.3 紅外發射電路 .................................................................................................................. 14

4.4紅外接收電路 ................................................................................................................... 16

第五章 軟件設計 ........................................................................................................................... 17

5.1主機程序 ........................................................................................................................... 17

5.2從機程序 ........................................................................................................................... 18

總 結 ............................................................................................................................................ 20

致 謝 ............................................................................................................................................ 21

參考文獻......................................................................................................................................... 22

附錄一 主機電路圖 ....................................................................................................................... 23

附錄二 從機電路圖 ....................................................................................................................... 24

附錄三 程序代碼 ........................................................................................................................... 25

第一章 引言

1.1 課題的研究背景

溫度與濕度與人們的生活息息相關。尤其是在工農業生產、氣象、國防、科研等部門，必須經常、精確的對環境溫度進行監測和控制。此外，在制藥，造紙準及溫濕度測量，食品加工和其他行業是必要的。比較傳統的溫度計使用水銀制作顯示，構造簡單、價格低廉，缺憾是精確度不高，不宜讀數。傳統的干濕球溫度計的顯示方法，不僅復雜，測量精度不高。而選用單片機對溫濕度實施監控和測量，不單單具有節制便利，單一靈活的特點，而且可以大大提高溫度控制的靈活性的優點。用LED數碼管顯示溫度和濕度值，看起來更直觀。

測量溫度和濕度最重要的就是傳感器。溫度和濕度的測量過去是分離的。傳感器的成長歷經了三個階段：傳統的分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器、智能集成溫度傳感器。目前，從模擬到數字溫度傳感器的模型的方向，從集成化向智能化，網絡化的發展。溫度傳感器也經歷過這樣的階段走向數字化、智能化。

1.2 課題的研究內容及目標

溫度和濕度探測器是以AT89C52單片機為核心控制芯片，該芯片具有良好的抗干擾能力，快速響應。使用此單片機構成的溫濕度檢測儀能夠定時、無誤的監測周圍的溫度和相對濕度。

使用高靈敏度收集濕敏電阻阻值變化，然后經由單片機從而得到相應濕度，這就是本檢測儀的硬件部份的設計；DHT11數字溫度傳感器對溫度的實時采集和直接控制監測。另外，新增的語音報警裝置，讓用戶自己來設定自己需要的上下限值，只要超出便會自動報警。并用LCD顯示屏作為顯示設備的硬件設計方案。軟件部分選用模塊化的方式分成幾個個體，一個個進行程序設計，最后連接各部分一起協調工作，從而實現實時監測周圍溫濕度的目的。

1.3 本文的結構組織

本文的組織結構安排如下：

第一章引言，扼要闡明本課題的研究背景、研究目的、研究意義，以及要實現的目標。

第二章設計的要求及目的，闡述要實現的功能，以及主要的參數。

第三章系統設計方案及論證，通過分析論證，選出最合適的設計方案，詳細的介紹總體方案。

第四章主要講述整個體系硬件的設計及實現，包括單片機的選擇、溫濕度傳感器的選擇以及紅外發射電路、紅外接收電路、語音播報電路的設計。

第五章是軟件設計，基于前面的硬件系統，設計合適的主機程序和從機程序。

第二章 設計要求及目的

2.1 設計目的

溫度、濕度是工業和農業生產的主要環境參數。是否能夠及時、準確地測量很重要。如果單片機來對溫度進行控制，利用高精度的溫度，濕度控制，強濕功能，體積小，價格低，簡單靈活，很好的滿足工藝要求。

2.2 設計要求

1、實現溫度和濕度的測量；

2、按電源鍵進行測量；

3、濕度的測量范圍： 0％～100%RH；溫度的測量范圍：-40～+85℃；

4、濕度測量精度：±2.0%RH；溫度測量精度：±0.2℃；

5、在LCD顯示屏上顯示數據和結果；

6、超出或低于預設定的值，蜂鳴器自動報警。

第三章 系統方案設計及論證

3.1總體方案設計

根據課題要求實現，該系統由主機系統和兩個部分從系統，以AT89C52單片機為核心，設計。圖1-1和1-2為主機、從機框圖：

圖 1-1 主機系統圖 圖 1-2 從機系統圖

3.2方案比較與論證

3.2.1溫濕度檢測

方案一：使用AM2301數字溫濕度傳感器。該型溫濕度傳感器，采用3.3-6V直流電源供電，它的各部分參數：濕度測量的范圍為20％～90%RH；溫度測量的范圍為0～+50℃；濕度測量精度為±5.0%RH；溫度測量精度為±2.0℃。雖然它的價格比較便宜，但測溫的范圍和測濕的范圍太小，溫度的精度和濕度的精度太低，不符合設計的要求。

方案二：使用AM2302電容式數字溫濕度傳感器。它的各部分參數如下：由于傳感器參數：濕度0% ~ 100%相對濕度的測量范圍；溫度測量范圍為40 ~ + 80℃；濕度的測量精度為±3.0%RH溫度的測量精度：±0.5℃。價格也比較適合，基本可以滿足設計要求。

方案三：使用數字溫濕度傳感器DHT11。濕度測量范圍： 0％～100%RH；溫度測量范圍：40 ~ + 85℃；濕度測量精度：±2%相對濕度±0.2℃溫度測量精度。該傳感器價格很便宜。溫度和濕度都達到或超過了標題的精度要求，屬于低功率傳感器。

經過比較，從系統技術參數要求和低功耗方面考慮，選用方案三。

3.2.2主從機通信

方案一：采用RF905SE無線發射模塊。可以進行最遠達1000米的遠距離無線通信，工作很穩定，比較簡單，但是成本較高。

方案二：采用無線藍牙串口模塊。該模塊的傳輸距離為5 ~ 10米，可串行通訊，通訊便捷，但成本高。

方案三：用自制的紅外通信電路，可以實現超過5米距離的通信，低功耗，低成本，并能滿足題目要求發揮的一部分。

通過對比，方案三的紅外通信電路的機能完全能夠符合題目的各個部分和發揮部分的設計，故選用方案三。

3.2.3 顯示部分

方案一：采用LED數碼管，其操作簡單，顯示直觀。不僅程序的設計簡易，而且對周圍的環境要求很低，方便維護。但是數碼管只可以顯示阿拉伯數字，不能顯示漢字。而且硬件設計也相當繁復。不適用于本設計。

方案二：使用LCD液晶，它具有體積小、低功耗、顯示豐富等優點。電路連接簡單，價格也便宜。

總的來說，LCD液晶顯示更多的內容，所以本設計選用LCD液晶顯示程序。

第四章 系統的硬件設計與實現

4.1 單片機介紹

4.1.1 單片機主要性能

AT89C52是由ATMEL公司生產的51單片機的一個型號。它具有高性能CMOS8位、低電壓的優點，使用了該公司的高密度、非易失性存儲技術生產，完美兼容MCS-51指令系統，包括8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52功能強大、試用范圍非常廣。

主要功能特性：

● 引腳完全兼容MCS-51產品

● 具有8K字節的可重擦寫Flash閃存

● 1000次擦寫周期

● 2個讀寫中斷口線

● 全靜態操作：0Hz-24MHz

● 三級加密程序存儲器

● 256*8字節內部RAM

● 32可編程雙向I/O線

● 3個16位定時器/計數器

● 2個外部中斷源，共6個中斷源

● 可編程串行UART通道

● 低功耗的空間和掉電模式

● 軟件設置睡眠和喚醒功能

4.1.2 單片機各引腳功能介紹

AT89C52由40 腳雙列直插包裝的8 位通用微處理器組成，使用常用的C51內核，它主要用于會聚調整功能的控制。功能主要有對會聚主IC 內部寄存器、數據RAM及外部接口等部件的初始化，會聚調整控制，會聚測試圖控制，紅外遙控信號IR的接收解碼及與主板CPU通信等。

·P0 口：P0 口是8 位的漏極開路型雙向的I/O 口，即為地址/數據總線復用口。如果被當作輸出口，每位可以吸收電流的形式驅動8 個TTL邏輯門電路，對端口P0 寫“1”時，起作用變為高阻抗輸入。當需要訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8 位）和數據總線復用，期間可以激活內部上拉電阻。在Flash 編程時，P0 口負責接受指令字節，但是在程序校驗的時候，需要輸出指令字節，校驗時需要外接上拉電阻。

·P1 口：P1 是一個帶在內部上拉電阻的8 位的雙向I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅動（吸取或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，經過里面 的上拉電阻把端口拉至高電平，就可作輸入口使用。作輸入口用時，因為里面存在上拉電阻，某引腳被外部的信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。與AT89C51 不

同之處是，P1.0 和P1.1 還有作為定時/計數器2 的外部計數輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）的功能，Flash 編程和程序校驗的時候，P1 接收低8 位地址。

·P2 口：P2 是一個帶有上拉電阻的8 位雙向的I/O 口，P2

http://http://salifelink.com/news/55B1446A43B61AE1.html

的輸出緩沖級能夠驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。將端口P2寫“1”，通過內部的上拉電阻來港的高水平，此時，可作為輸入，作為輸入使用時，因為內部上拉電阻，如果某個引腳被外部信號拉低的時候就會輸出一個電流(IIL)。當訪問外部程序存儲器或16 位地址的外部數據存儲器時，P2 口送出高8 位的地址數據。當訪問8 位地址的外部數據存儲器時，P2 口輸出P2 鎖存器的內容。編程或檢查，P2也獲得了很高的地址和控制信號。

·P3 口：P3 口是一組帶有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對P3 口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3 口除了作為一般的I/O 口線外，此外，它的第二功能P3 口還接收一些可以用于Flash 閃速存儲器編程與程序校驗的控制信號才是最重要的。

4.1.3 單片機特殊功能寄存器介紹

·數據存儲器：AT89C52 有256 個字節內部RAM，80H-FFH 高128 個字節與特殊功能寄存器（SFR）地址是重復的，雖然物理上分開，但是高128字節的RAM 與特殊功能寄存器的地址相同。當一條指令訪問7FH 以上地址單元的時候，指令中使用不同的尋址方式，即為究竟是訪問高128 字節RAM 還是訪問特殊功能寄存器是由尋址方式決定的。直接尋址方式對應的是訪問特殊功能寄存器。

·定時器0和定時器1：AT89C52的定時器0和定時器1 的工作方式與AT89C51 相同。

·2定時器：定時器2是一個16位定時器/計數器。不僅僅可以當定時器用，而且可用作外部事件計數器，特殊功能的寄存器T2CON的C/T2 位負責選擇它的工作方式。定時器2一共有三種工作方式：捕獲方式，向上或向下計數方式以及波特率發生器方式，T2CON 的控制位來決定其工作方式。

4.2 DHT11數字溫濕度傳感器介紹

4.2.1 DHT11產品概述

DHT11數字溫濕度傳感器是一種復合傳感器，它包含已校準數字信號輸出。通過特殊的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，以確保產品擁有相當高的可靠性和卓越的長期穩定性。傳感器由一個電阻式感濕元件與一個NTC測溫元件組成，跟一個高性能的8位單片機相連接。因此，產品品質優良，響應速度快，抗干擾能力強，性價比很高。而且它的每次校準都在及其標準的溫濕度實驗室中進行。將所測的校準系數用程序存儲在OTP內存中，當需要處理檢測到的信號時，傳感器會自動調用這些標準系數。單線串行接口，很容易和快速的系統集成。它的優點是體積小、低功耗、最高20米以上的遠距離信號傳遞，使它能夠在最為嚴格的場合使用。

4.2.2 串行接口

微處理器與 DHT11之間的聯系與同步通過DATA來實現,它選用單總線的數據格式,一次通話時間大約在4ms左右,數據包括小數部分和整數部分,具體格式會在下文中詳細介紹, 如果有擴張的小數部分，我們讀作零。操作流程如下:

一次完整的數據傳輸為40bit,高位先出。

數據格式: bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bi溫度整數數據+8bit溫度小數數據+8bit校驗和

數據傳遞精確時校驗和數據等于“8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據

+8bi溫度整數數據+8bit溫度小數數據”其結果末8位。

當用戶MCU傳送一次開始的信號后,DHT11就會自動從低功耗模式變換成高速模式,然后等待主機開始信號結束后,DHT11就會傳送響應信號,送出40bit的數據, 觸發信號的采集，用戶可以選擇讀數據。在從模式下,當DHT11接收到開始信號就會自動觸發一次溫濕度收集,當接收到主機發送開始信號的時候,他就不會主動進行溫濕度的收集.完成收集數據后會自動轉換到低速模式。

1.通訊過程如圖2-1所示：

圖 2-1 通訊過程圖

總線空閑時候的狀態為高電平,主機會把總線降低然后等著DHT11響應,主機把總線拉低要大于18毫秒,以確保DHT11可以檢測到起始的信號。當DHT11收到主機的開始的信號后,就會等待主機的開始信號結束,然后發送80us低電平響應信號.主機發送開始信號結束后,延時等待20-40us后, 讀取DHT11的響應信號,主機發送開始信號后,可以切換至輸入模式,或者是輸出高電平, 總線由上拉電阻拉高。

總線如果為低電平,說明DHT11發送響應信號,DHT11發送響應信號后,再把總線拉高80us,準備發送數據,每一bit數據都會以50us低電平時隙開始,高電平的長短定了數據位是0還是1.格式如圖2-2所示.收到高電平響應信號,則DHT11不會響應,檢查一下電路連接是否正常.當最后一bit數據傳送結束后，DHT11拉低總線50us,

然后總線由上拉電阻拉高轉為空閑狀態。

圖 2-2

0數字信號表示，如圖2-3所示：

圖 2-3

方法1數字信號表示。如圖2-4

所示：

圖 2-4

4.3紅外發射電路 經常使用的紅外遙控器的輸出，幾乎全部是由編碼后串行數據對38～40kHz的方波進行脈沖幅度調制而成的。每次按下發射器，就會發出遙控碼，不同的按鍵則對應不同的遙控碼。遠程控制代碼具有以下特點：

采用脈寬調制的串行碼：

以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms的組合表示二進制的“0”； 以脈寬0.565ms、間隔1.685ms、周期為2.25ms的組合表示二進制的“1”。

38kHz的載頻對上述“0”和“1”組成的32

位二進制碼進行二次調制，最后由紅外發射二極管產生紅外線向空間發射。紅外遙控器編碼的格式為連續的32位二進制碼組，前16位為用戶識別碼，能區分不一樣的紅外遙控設備，防止不同機種之間遙控碼會互相干擾。16到8位的操作碼和8位操作完成后，用于檢查數據接收的準確性。

根據紅外編碼格式，需要發送9ms的起始碼和4.5ms的結果代碼才能發送數據。

遙控串行數據編碼波形如圖3-1所示：

圖 3-1串行數據波形編碼

紅外發射電路，通過單片機控制三極管的導通和最終實現紅外發射管的數據傳輸，紅外發射電路圖如圖3-2所示：

圖3-2紅外發射電路

4.4紅外接收電路

接收方運用TL0038一體化的紅外線接收器來接收解碼，每次TL0038收到38kHz紅外信號，輸出端就會輸出低電平，否則輸出高電平。因此，紅外信號發射電路發射，參照以上遠程串行數據編碼波形，在低水平送38KHZ的紅外信號，高電平不發送紅外信號。

紅外接收電路，從外部接收到的信號發送給接受管，然后用P口送給單片機，紅外接收電路圖如圖3-3所示：

圖3-3

第五章 軟件設計

5.1主機程序

主機程序包括主程序和中斷服務程序。圖4-1顯示主程序流程，實現了溫濕度數據的顯示與接收，并通過LCD液晶顯示屏顯示所測的的溫濕度。

圖4-1 主機主程序流程圖

5.2從機程序

從機程序主要是一個主程序。主程序的流程圖如圖4-2所示。目的是實現數據的接發以及溫濕度數據的采集。

4-2從機主程序流程圖

圖

總 結

通過不懈的努力，終于完成了我的畢業設計。在我開始做畢業設計之前，我一直片面的覺得畢業設計只是對大學這幾年來所學的專業知識的簡單的總結，但是在實踐的過程中我發現我錯了，因為畢業設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的以一種提高。

通過畢業設計使我明白了我學到的知識只是知識寶庫中的冰山一角，還有許多要學習的地方。原來我總是感覺到已經把所有的東西都學到手了，什么都明白了，有些眼高手低。通過我在畢業設計的實踐過程，我懂得了活到老學到老這句名言的真正意義，學習是一個循序漸進的過程，不可能一蹴而就，不管是在以后的工作中、或者生活中都不能停止學習，不斷的用知識武裝自己，讓自己全面發展，更能適應這個科技文化高速發展的世界。

畢業設計的過程，讓我養成了獨立思考的習慣，培養了我實在實際操作中動手的能力，我領悟到了在實踐過程中摸索的困難與最終成功時的喜悅，這些對于我的信心或者是工作能力來說都是極大的鼓勵與肯定，相信這些會對未來的工作和生活中有非常重要的影響。雖然我的畢業設計是有些缺陷的，但我覺得在此過程中我收獲了很多，最大的收獲就是在畢業設計的設計過程中所學到的財富，他會是我終身受益。

在畢業設計實踐的過程中，我還深深體會到交流和相互討論的重要性。向老師請教，就能夠時刻確保在大的方向上我是朝對的方向走；與同學討論，可以集思廣益、可以迸發靈感，收獲新方法。思想和信息的傳遞，確保了我的畢業設計得以順利完成。另外，我還總結出一個結論：知識要想實現其價值，必須由實踐來完成！

致 謝

本論文是在我的導師霍文曉老師精心指導下完成的，在我的畢業設計和撰寫論文的工作中傾注了霍老師的汗水和心血。在我遇到困難的時候，我的導師給我了無私的幫助。霍老師治學的態度非常的嚴謹，擁有淵博的專業知識，她無私的奉獻精神一直感動著我、支撐著我從困難中爬起來，給了我很大的信心。從我最尊敬的霍老師身上，學到的不僅僅是全面的專業知識，最重要的是做人的道理，讓即將走向社會的我懂得如何處理各種人際關系。在此向霍老師表達我最誠摯的敬意和感謝！同時還要感謝在百忙之中抽出寶貴的時間給我提供幫助的各位老師、同學以及朋友們！

感謝在百忙之中參與評閱論文和參加我們畢業生答辯的各位領導和老師，這是我第一次做溫濕度傳感器，一定會有些地方有錯誤或者不當。麻煩各位老師給我指出來讓我明白自己的不足，我一定努力改正，讓我的畢業設計更完美。

最后感謝家人給予我學業上和生活上的支持與照顧，感謝母校給與本人

深造的機會。

參考文獻

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附錄三 程序代碼