大型粮仓温湿度检测系统的设计

毕业设计（论文）大型粮仓温湿度检测系统的设计

教学系：信息工程系

指导教师：

专业班级：自动化1081

学生姓名：

二〇一二年六月

毕业设计(论文)任务书

毕业设计(论文)开题报告

郑重声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的成果作品。

本人签字：日期：

目录

摘要 (1)

Abstract (7)

1.绪论 (8)

1.1选题背景 (8)

1.2设计目标 (8)

1.2.1基本功能 (8)

1.2.2主要技术参数 (8)

2 设计方案 (9)

2.1 系统的总体框图 (9)

2.2温湿度传感器的选择 (9)

2.3信号采集通道的选择 (10)

2.4 本章小结 (10)

3 主要芯片简介 (11)

3.1 DHT11数字传感器 (11)

3.1.1 主要特性 (11)

3.1.2 应用领域 (11)

3.1.3 接口说明 (11)

3.1.4 电源引脚 (11)

3.1.5 封装信息 (11)

3.1.6 DHT11引脚图 (12)

3.1.7 注意事项 (12)

3.2 ADC0832与单片机89C51 (13)

3.2.1 A/D转换 (13)

3.2.2 单片机89c51 (15)

3.3 本章小结 (22)

4 硬件设计 (23)

4.1 显示与报警的设计 (23)

4.1.1 显示电路 (23)

4.1.2 报警电路 (24)

4.2 本章小结 (25)

5 软件设计 (26)

5.1标度变换的实现 (26)

5.2 主程序流程图 (26)

5.3 T0中断流程图 (27)

5.4 报警子程序流程图 (28)

5.5 温湿度采样子程序流程图 (29)

6 结论 (30)

6.1 总结 (30)

6.2 改进思路 (30)

6.2.1软件方面 (30)

6.2.2硬件方面 (30)

参考文献 (33)

附录A (33)

附录 B 汇编程序 (34)

附录C proteus仿真总电路图...................................................... 致谢 (44)

摘要

本毕业设计是应用单片机作为控制器设计的温湿度检测系统，由要由温度、湿度采集、AD转换、单片机控制、数码管显示、USB连接器六部分组成。

本设计是以89C51单片机为控制中心，这种控制芯片具有4KB的快擦写可编程/擦除只读存储器EEPROM、256KB片内RAM、3个16位定时计数器、5个中断源，无需进行系统扩展既可满足任务要求，能较大幅度提高系统的性价比。而温湿度传感器我采用的是DHT11数字温湿传感器，它性价比比较高。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

另外该系统除了能显示温湿度以外，还能设置温湿度报警阀值。

关键词：温湿度；89C51单片机；DHT11传感器；温湿度报警阀

Abstract

The graduation project is based on the single chip design temperature and humidity monitoring system, mainly by temperature, humidity acquisition, AD conversion, microprocessor control, digital display, usb connector composed of six parts.

The design of the control center using 89c51 microcontroller, the chip has 4KB of flash programmable / erasable read only memory EEPROM, 256 KB on-chip RAM, 3 16-bit timer counters, six interrupt sources, both without the need for system expansion to meet mission requirements, can greatly improve the system's cost. The temperature and humidity sensor I use is dht11, he cost effective. DHT11 digital temperature and humidity sensor is a calibrated digital signal output with the temperature and humidity combined sensor. Its application-specific digital modules acquisition and temperature and humidity sensor technology, to ensure that products with high reliability and excellent long-term stability. Sensor includes a resistive element and a sense of wet NTC temperature components and with a high-performance 8-bit microcontroller connected. So the product has excellent quality, fast response, anti-interference ability, high cost performance advantages.

In addition the system in addition to showing the outside temperature and humidity, but also set the temperature and humidity alarm threshold.

Keywords：Temperature and humidity; 89C51 microcontroller;dht11 Sensor

1.绪论

1.1 研究背景

由古至今，粮仓粮食的存储是否得当对国家的经济能否正常合理的运行有很大的影响。但是在以前的经济和科技水平有限，所以我国粮食的存储的环境很差，管理落后。

粮库管理的重点之一就是要合理布置测温点，经常检查温度变化，以便及时发现粮食的发热点，减少粮食的损失。然而，粮堆的热传递又是那样的缓慢，使人感知极差，需要管理人员经常进入闷热、呛人的仓房内观察温、湿度，不断进行翻仓、通风，这种繁重的体力劳动，不仅对人体有极大地伤害，而且不科学、不及时。所以，粮食虫蛀、霉变的情况时有发生。

1.2设计目标

1.2.1基本功能

1.检测温度、湿度

2.显示温度、湿度

3.过限报警

1.2.2主要技术参数

1.温度检测的范围： -30℃±55℃

2.测量精度：±2℃

3.湿度检测的范围： 20%-90%RH

4.检测精度：±5%RH

5.显示方式：温度：四位显示湿度：四位显示;

报警方式：三极管驱动的蜂鸣音报警

2 设计方案

温湿度监测系统要满足以下条件：温湿度监测系统能完成数据采集和处理、显示、串行通信、输出控制信号等多种功能。由数据采集、数据调理、单片机、数据显示等4个大的部分组成。该测控系统具有实时采集（检测粮库内的温湿度）、实时显示（对监测到的进行显示）、实时警报（根据监测的结果，超出预设定的值的进行蜂鸣警告）的功能。

传感器是实现测量首要环节，是监测系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。

2.1 系统的总体框图

系统的总体设计框图如图3-1所示。

图3-1系统总体框图

本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。

（一）信号采集由dht11温湿度传感器和多路模式选择开关组成；

（二）信号分析由A/D转换器和单片机80c51组成；

（三）信号处理由串行口LCD显示器和报警系统等组成。

2.2温湿度传感器的选择

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高

的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单

线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

2.3信号采集通道的选择

在本设计系统中，温度输入信号为4路的模拟信号，这就需要多通道结构采用多路分时的模拟量输入通道。这种结构的模拟量通道特点为：对ADC、S/H要求高。处理速度慢。硬件简单，成本低。软件比较复杂。如图2-1所示。

图2-1多路分时的模拟量输入通道

2.4 本章小结

在本章中，主要讲了温湿度传感器的硬件选择和信号采集通道的选择。这些选择是在实用性和价格低廉方面考虑的，如果条件允许可以选择性能更加强大的传感器和一个专门的多路选择的的模块。在下一章中，介绍系统的总体设计所用到主要芯片。

3 主要芯片简介

3.1 DHT11数字传感器

数字温湿度传感DHT11是由广州奥松有限公司生产的一款温湿度一体化的数字传感器。

3.1.1 主要特性

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

3.1.2 应用领域

该DHT11可以用于暖通空调、测试及检测设备、汽车、数据记录器、消费品、自动控制、湿度调节器及医疗等应用领域。

3.1.3 接口说明

建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。

图3-2 DHT11应用电路

3.1.4 电源引脚

DHT11的供电电压为3－5.5V。传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。

3.1.5 封装信息

图3-3 dht11封装图

3.1.6 DHT11引脚图

图3-4引脚图

3.1.7 注意事项

温度影响气体的相对湿度，在很大程度上依赖于温度。因此在测量湿温时，应尽可能保证湿度传感器在同一温度下工作。如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板，在安装

时应尽可能将D HT11远离电子元件，并安装在热源下方，同时保持外壳的良好通风。为降低热传导，D HT11与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可能最小，并在两者之间留出一道缝隙。光线长时间暴露在太阳光下或强烈的紫外线辐射中，会使性能降低。配线注意事项DATA信号线材质量会影响通讯距离和通讯质量,推荐使用高质量屏蔽线。

3.2 ADC0832与单片机89C51

3.2.1 A/D转换

3.2.1.1 A/D转换器的特点

ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换

芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，

其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832 可是使我们了解A/D转换器

的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。

ADC0832 具有以下特点：

8位分辨率；

双通道A/D转换；

输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；

5V电源供电时输入电压在0~5V之间；

工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；

一般功耗仅为15mW；

8P、14P—DIP（双列直插）、PICC 多种封装；

商用级芯片温宽为0°C to +70°C，工业级芯片温宽为?40°C to +85°C；

3.2.1.2ADC0832元件说明

ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达 256 级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在 0~5V 之间。芯片转换时间仅为 32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。

通过 DI 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

3.2.1.3芯片顶视图

图3-5ADC0832芯片顶视图

芯片接口说明：

GND 芯片参考 0 电位（地）。

DI 数据信号输入，选择通道控制。

DO 数据信号输出，转换数据输出。

CLK 芯片时钟输入。

VCC/REF 输入及参考电压输入（复用）。

CS 片选使能，低电平芯片使能。

CH0 模拟输入通道 0，或作为 IN+/-使用。

CH1 模拟输入通道 1，或作为 IN+/-使用。

3.2.1.4ADC0832与单片机的接口电路

ADC0832与单片机的接口电路如图3-7所示

图3-6接口电路图

3.2.1.5单片机对ADC0832的控制原理

正常情况下 ADC0832 与单片机的接口应为 4 条数据线，分别是 CS、CLK、 DO、DI。但由于 DO 端与 DI 端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将 DO 和 DI 并联在一根数据线上使用。（见图 3-7）

当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平此时芯片禁用，CLK 和DO/DI 的电平可任意。当要进行A/D转换时须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端 CLK 输入时钟脉冲，DO/DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前 DI 端必须是高电平，表示启始信号。在第 2、3个脉冲下沉之前 DI 端应输入 2 位数据用于选择通道功能，其功能项见表3-1。

表3-1A DC0832单端 MUX 模式

表3-2A DC0832多端 MUX 模式

如表3-1，表3-2所示，当此 2 位数据为“1”、“0”时，只对 CH0 进行单通道转换。当 2 位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端 IN+，CH1 作为负输入端 IN-进行输入。当 2 位数据为“0”、“1”时，将 CH0 作为负输入端 IN-，CH1 作为正输入端 IN+进行输入。到第3个脉冲的下沉之后 DI 端的输入电平就失去输入作用。

此后 DO/DI 端则开始利用数据输出 DO 进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由 DO 端输出转换数据最高位 DATA7，随后每一个脉冲下沉 DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据 DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出 DATD0。随后输出 8 位数据，到第19个脉冲时数据输出完成也标志着一次 A/D 转换的结束。最后将 CS 置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。更详细的时序说明请见图3-7。

作为单通道模拟信号输入时 ADC0832 的输入电压是 0~5V 且 8 位分辨率时的电压精度为 19.53mV。如果作为由 IN+与 IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。但值得注意的是，在进行 IN+与 IN-的输入时如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。

3.2.2 单片机89c51

为了设计此系统，我们采用了80c51单片机作为控制芯片。89C51是MCS-51系列单片机中CHMOS工艺的一个典型品种；其它厂商以8951为基核开发出的CMOS工艺单片机产品统称为89C51系列。该系列单片机是采用高性能的静态89C51 设计由先进CMOS 工艺制造并带有非易失性Flash 程序存储器全部支持12时钟和6 时钟操作 P89C51X2 和

P89C52X2/54X2/58X2 分别包含128 字节和256 字节RAM 32条I/O 口线3 个16位定时/计数器 6 输入4优先级嵌套中断结构1 个串行I/O 口可用于多机通信I/O 扩展或全双工

UART以及片内振荡器和时钟电路。此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围，频率可降至0 。可实现两个由软件选择的节电模式，空闲模式和掉电模式，空闲模式冻结CPU但RAM定时器，串口和中断系统仍然工作掉电模式保存RAM的内容但是冻结振荡器导致所有其它的片内功能停止工作。由于设计是静态的时钟可停止而不会丢失用户数据运行可从时钟停止处恢复。

图3-7 ADC0832时序图

3.2.2.189C51的基本结构

89C51的微处理器（CPU）

运算器

累加器ACC ；

寄存器B ；

程序状态字寄存器PSW。

控制器

程序计数器PC ；

指令寄存器IR ；

定时与控制逻辑。

89C51的片内存储器

内部ROM容量4K字节

内部RAM容量128字节

89C51的I/O口及功能单元

四个8位的并行口，即P0~P3。它们均为双向口，既可作为输入，又可作为输出。每个口各有8条I/O线。

有一个全双工的串行口（利用P3口的两个引脚P3.0和P3.1）；

有2个16位的定时/计数器；

有1套完善的中断系统。

89C51的特殊功能寄存器（SFR）

低功耗的闲置和掉电模式

片内振荡器和时钟电路

RST EA ALE PSEN P0P1P2P3

图3-889C51结构图

3.2.2.289C51的引脚图

图3-989C51引脚图

89C51的制作工艺为CMOS，采用40管脚双列直插DIP封装，引脚说明如下：

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

3.2.2.389C51的存储器配置