基于SHT71的溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)論文

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1、常州工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 KC021-1 CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 題目：基于SHT71的溫/濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 二級(jí)學(xué)院（直屬學(xué)部）： 延陵學(xué)院 專業(yè)： 自動(dòng)化 班級(jí)： 07自Y 學(xué)生姓名： 李媛媛 學(xué)號(hào)： 07121214 指導(dǎo)教師姓名： 王崴 職稱： 講師 評(píng)閱教師姓名： 職稱：

2、 2011 年 6 月 摘 要 為了滿足化學(xué)工業(yè)過程對(duì)環(huán)境條件的需求，人們?cè)趥鞲衅髦悄芸刂品桨负途唧w應(yīng)用中做了大量的研究和可行性分析，開發(fā)了一種具有智能化功能的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊和顯示模塊組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊采用了以單片機(jī)STC89C52RC為核心的外接傳感器的結(jié)構(gòu)框架，保證了系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場溫濕度信號(hào)采集的領(lǐng)域前沿的轉(zhuǎn)換接口模塊，為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性提供了堅(jiān)實(shí)的通信保障，而且筆者認(rèn)為這種通信方式已經(jīng)成為了工業(yè)化通信的發(fā)展方向。 本次設(shè)計(jì)的溫濕度系統(tǒng)檢測(cè)是以STC89C52RC為控制核心，通過SHT71數(shù)字式溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)采集所要測(cè)量的環(huán)境的

3、溫度和濕度，并利用1602LCD液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)，達(dá)到實(shí)時(shí)控制溫濕度的目的。本系統(tǒng)具有可讀性高，穩(wěn)定性高，反映速度快，測(cè)量值準(zhǔn)確的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：溫度；濕度；STC89C52RC；1602液晶屏；SHT71 Abstract Chemical industrial process in order to meet the needs of environmental conditions, people have done a lot of research and feasibility analysis in the intelli

4、gent control of the sensor and the specific applications. The system composed by the data acquisition module and display module. Data acquisition module which uses a microcontroller STC89C52RC as the core structural, It ensure the system on-site collection of temperature and humidity signals. The us

5、efulness of the entire system to provide a solid communications security.That such communication has become the development direction of industrial communications. This design mainly introduces temperature and humidity acquisition system uses STC89C52RC as the control core through SHT71 digital tem

6、perature and humidity sensors , real-time acquisition of the storehouse environment temperature and humidity . The use of liquid crystal display LCD display data 1602. To achieve the purpose of real-time monitoring of temperature and humidity. This system has a readable, high stability, reaction sp

7、eed, measured values exact characteristic. Key words: Temperature ; Humidity ; STC89C52RC; 1602LCD; SHT71 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 第1章 緒論 - 1 - 1.1 課題背景 - 1 - 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 - 2 - 1.3 論文內(nèi)容 - 2 - 1.4 本章小結(jié) - 3 - 第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) - 4 - 2.1總體方案設(shè)計(jì) - 4 - 2.2方案論證 - 4 - 2.2.1主控單片機(jī)的選擇 - 5 - 2

8、.2.2溫/濕度傳感器的選擇 - 8 - 2.2.3顯示屏的選擇 - 13 - 2.3本章小結(jié) - 19 - 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) - 20 - 3.1系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì) - 20 - 3.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 21 - 3.1.2溫/濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 22 - 3.1.3液晶屏顯示電路設(shè)計(jì) - 23 - 3.2 系統(tǒng)PCB圖設(shè)計(jì) - 24 - 3.2.1 PCB圖布局 - 25 - 3.2.2 PCB圖布線 - 26 - 3.3焊接電路板 - 26 - 3.4元器件清單 - 27 - 3.5本章小結(jié) - 28 - 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) - 29 -

9、4.1系統(tǒng)總體流程圖 - 29 - 4.2單片機(jī)初始化 - 30 - 4.3液晶屏初始化 - 31 - 4.4 液晶屏的顯示程序設(shè)計(jì) - 31 - 4.5溫/濕度傳感器初始化 - 32 - 4.6 溫/濕度傳感器測(cè)溫濕度程序設(shè)計(jì) - 33 - 4.7本章小結(jié) - 33 - 第五章 系統(tǒng)硬件電路的調(diào)試與分析 - 34 - 5.1 實(shí)物照片 - 34 - 5.2 測(cè)試結(jié)果及分析 - 35 - 5.3本章小結(jié) - 36 - 結(jié)束語 - 37 - 參考文獻(xiàn) - 39 - 致 謝 - 42 - 附錄A - 43 - 附錄B - 45 - - 59 - 第1章

10、 緒論 1.1 課題背景 溫濕度系統(tǒng)是在環(huán)境試驗(yàn)、科學(xué)研究（諸如種植、養(yǎng)殖、生物工程、化工工程）工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場環(huán)境控制系統(tǒng)。它能模擬各種環(huán)境條件，即按照實(shí)際要求精確控制環(huán)境的溫度和濕度。為研究不同的生產(chǎn)過程創(chuàng)造了良好的環(huán)境條件。因此，溫濕度采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在科研、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、化工、醫(yī)藥、林業(yè)、冶金、生物遺傳工程和環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域。 在日常生活中，在一定的溫度條件下，空氣相對(duì)濕度越小，人體汗液蒸發(fā)越快，人的感覺也就越?jīng)隹?。由于冬季和春季溫濕度太小，人們有時(shí)會(huì)有不舒服的感覺，甚至還會(huì)出現(xiàn)鼻孔出血、喉嚨干癢、嘴唇干裂等癥狀。然而到了炎熱的夏季，人體汗液蒸發(fā)比較緩慢，人體又會(huì)有酷暑難

11、耐的感覺，甚至還會(huì)引發(fā)中暑的現(xiàn)象。 在工業(yè)中，工廠的裝備環(huán)境、設(shè)備的保養(yǎng)和芯片的封裝等無一離不開對(duì)其溫濕度的測(cè)量。測(cè)量溫濕度是在工業(yè)生產(chǎn)制造、科學(xué)研究、倉庫管理、日常生活、智能建筑中被廣泛應(yīng)用。 傳統(tǒng)的溫濕度檢測(cè)由熱敏電阻和濕敏電阻組成，這樣的模擬系統(tǒng)還需設(shè)計(jì)相應(yīng)的放大電路，濾波電路還要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，其測(cè)量的精度很難保證。SHT71是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技術(shù)的新型溫濕度傳感器。該傳感器將SMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)揮強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)作用。自信號(hào)發(fā)生器迅速發(fā)展以來，函數(shù)發(fā)生器也出現(xiàn)了，那個(gè)時(shí)期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由模擬集成電路或分立元件構(gòu)

12、成，電路不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，還只能產(chǎn)生鋸齒波、正弦波、三角波、方波等幾種簡單波形，由于模擬電路的漂移較大，其輸出波形的穩(wěn)定性比較差，而且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號(hào)波形則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，并且模擬元件構(gòu)成的電路存在著價(jià)格貴、功耗大、尺寸大等缺點(diǎn)。 1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀 近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度/溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測(cè)量技術(shù)提高到新的水平。 此外，國外生產(chǎn)的溫濕度校準(zhǔn)設(shè)備價(jià)格比較昂貴，使得對(duì)濕度的校準(zhǔn)成為一個(gè)難題。近年來國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)取得了不小的成就，濕度傳

13、感器正在從簡單的濕敏元件向多參數(shù)檢測(cè)、智能化、集成化的方向快速發(fā)展，為新一代溫濕度傳感器的開發(fā)起到了很好的推動(dòng)作用，也使得測(cè)量濕度的技術(shù)達(dá)到了新的水平。 在環(huán)保、科研、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航天、國防、氣象等部門，常常要對(duì)環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行測(cè)量及控制。但是在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，最難以準(zhǔn)確測(cè)量的就是濕度了。用毛發(fā)濕度計(jì)或者干濕球濕度計(jì)來測(cè)量濕度的方法早已經(jīng)不能滿足現(xiàn)階段科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要。這主要是由于濕度的測(cè)量要比對(duì)溫度的測(cè)量來的復(fù)雜，溫度是個(gè)獨(dú)立的被測(cè)量量，而濕度卻受其他因素如溫度和大氣壓強(qiáng)的影響。但傳統(tǒng)的方法是用濕度表、毛發(fā)濕度表、雙金屬式測(cè)量計(jì)和濕度試紙等測(cè)量器材，通過人工進(jìn)行測(cè)試，對(duì)不符合溫度和濕

14、度要求的庫房進(jìn)行通風(fēng)、去濕和降溫等工作。這種人工測(cè)試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下、且測(cè)試的溫度及濕度誤差大，隨機(jī)性大。因此我們需要一種造價(jià)低廉、使用方便且測(cè)量準(zhǔn)確的溫濕度測(cè)量儀。 為了滿足化學(xué)工業(yè)過程對(duì)環(huán)境條件的需求，人們?cè)趥鞲衅髦悄芸刂品桨负途唧w應(yīng)用中做了大量的研究和可行性分析，開發(fā)了一種具有智能化功能的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 1.3 論文內(nèi)容 無論是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，還是在日常生活中，對(duì)溫度和濕度的檢測(cè)都是必不可少的。對(duì)于溫度濕度的檢測(cè)直接選用數(shù)字式溫濕度傳感器，通過傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)由單片機(jī)進(jìn)行處理后，按照一定的時(shí)序關(guān)系在液晶屏上顯示，也可以與PC機(jī)通信，進(jìn)行進(jìn)一步的處理。 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目

15、是基于SHT71的溫濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先要知道SHT71是一款數(shù)字式的溫濕度傳感器，它所測(cè)量的數(shù)據(jù)在其內(nèi)部可以自動(dòng)的轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息。SHT71與單片機(jī)通信時(shí)，不需要其它任何外圍轉(zhuǎn)換電路，直接與單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)傳感器的讀取。單片機(jī)對(duì)讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、處理后再傳送給1602LCD液晶屏，并在液晶屏上顯示出來，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的溫濕度采集。 該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊和接口模塊組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊采用了以單片機(jī)STC89C52RC為核心的外接傳感器的結(jié)構(gòu)框架，保證了系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場溫濕度信號(hào)采集的領(lǐng)域前沿的轉(zhuǎn)換接口模塊，為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性提供了堅(jiān)實(shí)的通信保障，而且筆者認(rèn)為這種通信方式已經(jīng)成為了

16、工業(yè)化通信的發(fā)展方向。 傳統(tǒng)的溫濕度檢測(cè)由熱敏電阻和濕敏電阻組成，這樣的模擬系統(tǒng)還需設(shè)計(jì)相應(yīng)的放大電路，濾波電路還要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，其測(cè)量的精度很難保證。SHT71傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合數(shù)字傳感器，并以STC89C52RC作為處理數(shù)據(jù)的處理部分，再把相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過串口傳給液晶屏，并在液晶屏上顯示出所采集的數(shù)據(jù)。 1.4 本章小結(jié) 到此為止，本章主要介紹了本課題的選題背景，國內(nèi)外現(xiàn)狀和論文的內(nèi)容。溫濕度傳感器在現(xiàn)代測(cè)量中的工作現(xiàn)狀，人們提出了智能化溫濕度傳感器。智能溫濕度傳感器的出現(xiàn)開創(chuàng)了測(cè)量儀器的新時(shí)代，使得測(cè)量儀器與計(jì)算機(jī)之間的界限消失。溫濕度傳感器將高

17、速發(fā)展的電子技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)結(jié)合起來，開創(chuàng)了個(gè)人計(jì)算機(jī)儀器時(shí)代，是測(cè)試儀器工業(yè)發(fā)展的里程碑。 第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2.1總體方案設(shè)計(jì) 總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示，系統(tǒng)主要包括電源部分、溫、濕度信息采集，數(shù)據(jù)處理，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路和顯示部分。 SHT71測(cè)量 溫、濕度 單 片 機(jī) 液晶 顯示 復(fù)位電路 時(shí)鐘電路 電源 圖2-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 基于單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)的高度敏感性和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生將采集到的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，設(shè)計(jì)了以STC89C52RC基本系統(tǒng)為核心的一套檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)通過傳感器將溫、濕度信息采

18、集到單片機(jī)內(nèi)，然后在單片機(jī)內(nèi)按照一定的協(xié)議和檢測(cè)機(jī)制構(gòu)成幀，然后對(duì)接收的幀信息進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，判斷是否有錯(cuò)誤信息，如果沒有誤碼，提取出數(shù)據(jù)位，計(jì)算出溫、濕度值并顯示在液晶顯示屏上。 2.2方案論證 本系統(tǒng)中為什么要采用SHT71系列的溫濕度傳感器、STC89C52RC系列單片機(jī)和1062LCD呢？以下我將詳細(xì)介紹。 2.2.1主控單片機(jī)的選擇 整個(gè)溫濕度采集系統(tǒng)都以主控單片機(jī)為控制核心，因此主控芯片的選擇和應(yīng)用非常重要。 本系統(tǒng)選用STC89C52RC單片機(jī)。 單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一小塊芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需的大部分部

19、件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 結(jié)合本課題所做的開發(fā)系統(tǒng)，在開發(fā)中用到的對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用主要是單片機(jī)在智能儀器儀表上的應(yīng)用，單片機(jī)在工業(yè)控制中的應(yīng)用和單片機(jī)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用： （1）單片機(jī)在智能儀器儀表上的應(yīng)用 單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、硬度、元素、壓力等物理量的

20、測(cè)量。采用單片機(jī)控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。諸如精密的測(cè)量設(shè)備（功率表，示波器，各種分析儀）。 （2）單片機(jī)在工業(yè)控制中的應(yīng)用 單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。 （3）單片機(jī)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具有通信接口，可以很方便的與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)、電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、

21、再到日常工作中隨處可見的移動(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無線電對(duì)講機(jī)等。 本設(shè)計(jì)采用STC89C系列的STC89C52RC作為主控芯片是根據(jù)方案論證的結(jié)果。本系統(tǒng)的監(jiān)控參數(shù)較少，計(jì)算不是特別復(fù)雜，選擇宏晶科技公司的STC89C52RC單片機(jī)完全可以滿足系統(tǒng)的要求，并且STC89C系列的單片機(jī)價(jià)格便宜，開發(fā)簡單，從開發(fā)周期和研發(fā)費(fèi)用上來說是合理的選擇。 以下是對(duì)STC89C52RC的簡單介紹： 該型號(hào)單片機(jī)是控制器上的微處理器，也是程序設(shè)計(jì)的編程對(duì)象。STC89CRC系列單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾/ 高速/ 低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 單片機(jī)。 一、主要特點(diǎn) (

22、1).增強(qiáng)型 6 時(shí)鐘 / 機(jī)器周期 (2).工作電壓： 3.3V　 (3).工作頻率范圍：0　-　40　MHz (4).用戶應(yīng)用程序空間32K字節(jié) (5).片上集成　1280　字節(jié)　RAM (6).通用 I/O 口（32/36 個(gè)），復(fù)位后為：P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口 / 弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口）P0 口是開漏輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時(shí)，需加上拉電阻。 (7).I S P （在系統(tǒng)可編程）/ I A P （在應(yīng)用可編程），無需專用編程器 / 仿真器，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，8K 程序 3 秒即

23、可完成一片 (8).EEPROM功能 (9).看門狗 (10).內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路（D 版本才有），外部晶體 20M 以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路 (11).共 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器，其中定時(shí)器 0 還可以當(dāng)成 2 個(gè) 8 位定時(shí)器使用 (12).外部中斷 4 路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,Power　Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 (13).通用異步串行口(UART)，還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè) UART (14).工作溫度范圍：0　-　75℃　 (15).封裝：PDIP-40，PLCC-44,PQFP-44 二、中斷寄存器

24、中斷與普通8052完全兼容，優(yōu)先級(jí)設(shè)為4級(jí)，另增加2個(gè)外部中斷INT2/P4.3, INT3/P4.2。 表2-1 中斷寄存器 中斷源 中斷向量地址 中斷查詢次序 優(yōu)先級(jí)設(shè)置 中斷請(qǐng)求 /INT0 0003H 0 PX0H,PX0 IE0 TIMER0 000BH 1 PT0H,PT0 TFO /INT1 0013H 2 PX1H,PX1 IE1 TIMER1 001BH 3 PT1H,PT1 TF1 UART 0023H 4 PSH,PS RI/TI TIMER2 002BH 5

25、 PT2H,PT2 TF2/EXF2 /INT2 0033H 6 PX2H,PX2 IE2 /INT3 003BH 7 PX3H,PX3 IE3 在進(jìn)行相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮中斷的優(yōu)先級(jí)，在程序中需要用到串口通信中斷，串口通信的優(yōu)先級(jí)要高于定時(shí)器中斷。 三、E2PROM特殊功能寄存器 STC89LE58RD+集成了16K E2PROM,利用它的ISP/IAP技術(shù)能對(duì)程序存儲(chǔ)器區(qū)程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行在線修改，IAP功能給用戶提供了從8000H開始的29K存儲(chǔ)空間來儲(chǔ)存相關(guān)的顯示信息，并且該信息在掉電后也不會(huì)丟失，并且還提供了操作E2PROM的相關(guān)函數(shù)方便用戶對(duì)該區(qū)的操

26、作，下面將在編程中需要用的寄存器作簡單介紹，方便編程的使用。 表2-2 E2PROM操作特殊功能寄存器 Mnemonic Add Name ISP_DATA E2H ISP/IAP data Rigister ISP_ADDRH E3H ISP/IAP Flash Addre High ISP_ADDRL E4H ISP/IAP Flash Addre LOW ISP_CMD E5H ISP/IAP Flash Register ISP_TRIG E6H ISP/IAP Flash Trigger ISP_CONTR

27、 E7H ISP/IAP Control Register 2.2.2溫/濕度傳感器的選擇 本系統(tǒng)是要測(cè)量和采集溫度和濕度，顯然溫度和濕度是兩個(gè)被測(cè)量，可以分別用一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)濕度傳感器來測(cè)量，也可以用一款智能溫、濕度數(shù)字式傳感器，就是只用一個(gè)傳感器可以同時(shí)既測(cè)量濕度又測(cè)量溫度。以下是兩種方案的比較。 方案一 由于本次設(shè)計(jì)是測(cè)量溫濕度，在測(cè)量溫度時(shí)，可以使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應(yīng)，它隨著被測(cè)溫度變化的電壓或電流采集過來，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后就可以和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送和處理，在顯示電路上，就可以將被測(cè)溫度顯示出來?，F(xiàn)應(yīng)用較多的有鉑、銅、鎳等熱敏電阻，其主要特點(diǎn)是精度高、測(cè)

28、量范圍大、便于遠(yuǎn)距離測(cè)量。但是這種設(shè)計(jì)需要A/D轉(zhuǎn)換電路，設(shè)計(jì)電路比較麻煩。 而在測(cè)量濕度的方式也很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)及其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏元件分別是根據(jù)高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測(cè)量的。同樣的和溫度測(cè)量一樣，它也需要A/D轉(zhuǎn)換電路。 方案二 進(jìn)而考慮到用溫、濕度集于一體的傳感器，這在設(shè)計(jì)溫、濕度采集系統(tǒng)時(shí)是很容易想到的，所以可以采用一只智能溫、濕度數(shù)字式傳感器。由于溫濕度測(cè)量精度是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，因此，這里選取瑞士Scnsirion公司生產(chǎn)的數(shù)

29、字溫濕度傳感器SHl71實(shí)現(xiàn)溫濕度測(cè)量。該器件的特點(diǎn)為：出廠前，每只傳感器都在極為精確的濕度室中做過精密校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)被編成相應(yīng)的程序存入校準(zhǔn)存儲(chǔ)器中；高度集成，內(nèi)部集成有溫度測(cè)量、濕度測(cè)量、信號(hào)變換、A／D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能；提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡單，支持CRC傳輸校驗(yàn)，傳輸可靠性高；測(cè)量精度可編程調(diào)節(jié)，內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器(分辨率為8～12位，可以通過編程設(shè)置其內(nèi)部寄存器進(jìn)行選擇)，測(cè)量精確度高，由于同時(shí)集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能等，濕度精度在4％以內(nèi)，溫度精度在0．4℃以內(nèi)。利用這種溫、濕度傳感器可以很容易的直接讀取被測(cè)量的溫、

30、濕度的值，它無需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，無需溫、濕度值修正，且和微處理器的接口非常的方便。 從以上兩種方案來看，很容易看出如果采用方案二，則設(shè)計(jì)電路可以大大簡化，軟件設(shè)計(jì)也會(huì)比較簡單。因此，我采用方案二，選用智能溫濕度傳感器SHT71. 以下是對(duì)SHT71功能、特性和如何使用的簡單介紹。 一、主要特性 SHT71產(chǎn)品是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，是全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出。它采用CMOSensTM技術(shù)，確保該產(chǎn)品具有高度可靠性和穩(wěn)定性。SHT71傳感器包括一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件和一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件，這兩種敏感元件和一個(gè)串行接口電路以及一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器安裝在一塊芯片上

31、，如圖3所示。SHT71傳感器以其卓越的品質(zhì)、高度的抗干擾能力、極高的性價(jià)比和超快的響應(yīng)速度，使其在數(shù)據(jù)記錄儀、自動(dòng)控制、暖通空調(diào)、測(cè)試及檢測(cè)設(shè)備等領(lǐng)域的產(chǎn)品上得到了廣泛的應(yīng)用。 每個(gè)SHT71傳感器芯片都是以鏡面冷凝式露點(diǎn)儀為參照物，在及其精確的恒定溫濕中進(jìn)行標(biāo)定的。通過標(biāo)定得到的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)以程序形式保存在芯片本身的內(nèi)存中，它通過內(nèi)部的電壓調(diào)整和兩線制的串口，使外圍集成系統(tǒng)快速而簡單。它的微小的體積和超低功耗等優(yōu)越的特點(diǎn)使得它在各類應(yīng)用中都成為首選的元件。SHT71傳感器是4針單排引腳封裝，管腳圖如圖2-3所示。 圖2-2 SHT71內(nèi)部功能框圖 圖2-3 SHT71的外觀實(shí)

32、物 二、 SHT71的功能說明 ① 兩線制數(shù)字接口，與單片機(jī)相連時(shí)，只需要兩根額外的電源線和地線和一個(gè)上拉電阻和一個(gè)小電容即可，不需要其它的外圍電路。 ②分辨率為12位或14位的溫度測(cè)量和分辨率為8位或12位的相對(duì)濕度測(cè)量。 ③極快的響應(yīng)時(shí)間。 ④小間距4針引腳封裝。 ⑤基于請(qǐng)求式測(cè)量，能耗低。 三、 SHT71的引腳說明 SHT71的尺寸如圖2-4所示，其中單位是mm。 圖2-4 SHT71的尺寸圖 下面以表2-1的形式列出SHT71的四個(gè)引腳的名稱和說明。 表2-3 SHT71的引腳說明 ① 串行時(shí)鐘輸入（SCK）：SCK用于微處理器與SHT71之間的同

33、步通訊。由于其接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小SCK頻率。 ② 電源引腳（VDD,GND）：SHT71的供電電壓是2.4到5.5伏，傳感器上電后，要等待11ms來完成“休眠” 狀態(tài)，在此期間不需要發(fā)送任何指令。此外，電源引腳（VDD,GND）之間還可以增加一個(gè)100nF的濾波電容。 ③ 串行數(shù)據(jù)（DATA）:DATA三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線用于讀取數(shù)據(jù)。DATA在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘的上升沿有效。傳輸數(shù)據(jù)期間，在時(shí)鐘SCK高電平時(shí)，必須保持DATA穩(wěn)定。為避免發(fā)生信號(hào)沖突，需要一個(gè)外部的上拉電阻將信號(hào)拉至高電平。 四、測(cè)量數(shù)據(jù)處理 為了將SHT71輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換

34、成實(shí)際物理量需進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。 ① 濕度變換 SHT71的輸出特性呈一定的非線性，為了補(bǔ)償濕度傳感器的非線性以獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，可按如下公式修正濕度值： RHlinear=c1＋c2SORH＋c3SORH2 式中SORH為傳感器相對(duì)濕度測(cè)量值，系數(shù)取值如下： 12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 溫度補(bǔ)償 上述濕度計(jì)算公式是按環(huán)境溫度為25℃進(jìn)行計(jì)算的，而實(shí)際的測(cè)量溫度則在一定范圍內(nèi)變化，所以應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度系數(shù)，按如下公式對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償。 RH tr

35、ue=（T℃-25）（t1＋t2SORH）＋RHlinear 當(dāng)SORH為12位時(shí)t1=0.01；t2=0.00008，當(dāng)SORH為8位時(shí)，t2=0.00128 ③ 溫度變換 由設(shè)計(jì)決定的SHT71溫度傳感器的線性非常好，故可用下列公式將溫度數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值： 溫度=d1＋d2*SOT 當(dāng)電源電壓為5V、溫度傳感器的分辨率為14位時(shí)，d1=-40,d2=0.01，當(dāng)溫度傳感器的分辨率為12位時(shí)，d1=-40,d2=0.04。 ④ 露點(diǎn)值計(jì)算 空氣的露點(diǎn)值可根據(jù)相對(duì)濕度和溫度值由下面的公式計(jì)算: LogEW=（0.66077＋7.5*T/（237.3＋T）＋（log1

36、0（RH）－2） Dp=（（0.66077-logEW）*237.3）/（logEW－8.16077） 五、具體的命令順序及命令時(shí)序。 ① 傳輸開始 初始化傳輸時(shí)，應(yīng)發(fā)出”傳輸開始”命令，命令包括SCK為高時(shí)，DATA由高電平變?yōu)榈碗娖?，并在下一個(gè)SCK為高時(shí)將DATA升高。后一個(gè)命令順序包含三個(gè)地址位（目前只支持”000”）和5個(gè)命令位，通過DATA腳的ack位處于低電位表示SHT71正確收到命令。 ② 連接復(fù)位順序 如果與SHT71傳感器的通訊中斷，下列信號(hào)順序會(huì)使串口復(fù)位：當(dāng)使DATA線處于高電平時(shí)，觸發(fā)SCK 9次以上（含9次），并隨后發(fā)一個(gè)前述的”傳輸開始”命令。

37、③ 溫濕度測(cè)量時(shí)序 當(dāng)發(fā)出了溫（濕）度測(cè)量命令后，控制器就要等到測(cè)量完成。使用8/12/14位的分辨率測(cè)量分別需要大約11/55/210毫秒。為表明測(cè)量完成，SHT71會(huì)使數(shù)據(jù)線為低，此時(shí)控制器必須重新啟動(dòng)SCK。然后傳送兩字節(jié)測(cè)量數(shù)據(jù)與1字節(jié)CRC校驗(yàn)和。控制器必須通過使DATA為低來確認(rèn)每一字節(jié)，所有的量中從右算MSB列于第一位。通訊在確認(rèn)CRC數(shù)據(jù)位后停止。如果沒有用CRC-8校驗(yàn)和，則控制器就會(huì)在測(cè)量數(shù)據(jù)LSB后，保持ACK為高來停止通訊，SHT71在測(cè)量和通訊完成之后會(huì)自動(dòng)返回睡眠模式。需要注意的是，為使SHT71溫升低于0.1℃,則此時(shí)工作頻率不能大于15%（如：12位精確度時(shí)，

38、每秒最多進(jìn)行3次測(cè)量）。 六、應(yīng)用說明 ① 硬件接口電路 這里以AT89C2051單片機(jī)為例給出SHT71與單片機(jī)的接口電路如圖3所示。由于AT89C2051不具備I2C總線接口，故使用單片機(jī)通用I/O口線來虛擬I2C總線，利用P1.0來虛擬時(shí)鐘線，利用P1.1口線來虛擬數(shù)據(jù)線DATA，并在DATA端接入一只4.7K的上拉電阻，同時(shí)在VDD及GND端接入一只0.1 f的去耦電容。 ② 運(yùn)行條件 測(cè)量量程以外的溫度會(huì)使?jié)穸刃盘?hào)暫時(shí)偏移＋3%。傳感器會(huì)慢慢返回到校準(zhǔn)條件。但是若將芯片在濕度<5%環(huán)境下，加熱24小時(shí)到90℃時(shí)，就會(huì)迅速地將高相對(duì)濕度、高溫度環(huán)境的影響進(jìn)行恢復(fù)，延長強(qiáng)度條件

39、會(huì)加速芯片的老化。 ③ 安裝注意事項(xiàng) 由于大氣的相對(duì)濕度與溫度的關(guān)系密切，因此測(cè)量大氣溫度時(shí)的要點(diǎn)是將傳感器與大氣保持同一溫度，如果傳感器線路板上有發(fā)熱元件SHT71應(yīng)遠(yuǎn)離熱源并保持好良好的通風(fēng)，為減少SHT71和PCB之間的熱傳導(dǎo)，應(yīng)使銅導(dǎo)線最細(xì)并在其中加上窄縫。同時(shí)應(yīng)避免使傳感器在強(qiáng)光或UV下曝曬。 2.2.3顯示屏的選擇 方案一：采用8端數(shù)碼管，這種顯示器有共陽極和共陰極兩種。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此共陰極接地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。同樣，共陽極LED顯示器的工作原理也一樣。顯示方式可分靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩

40、種。 靜態(tài)顯示方式：在這種方式下，各位LED顯示器的共陽極連接在一起并接地，每位的短選線分別與一個(gè)8位的鎖存器輸出相連，各個(gè)LED的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器的輸出將維持不變，直到顯示另外字符為止，正因?yàn)槿绱?，靜態(tài)顯示器的亮度較高。若用I/O口，這需要占用N8位I/O口。這樣的話，如果顯示器的個(gè)數(shù)較多，那么用的I/O接口就更多，因此顯示位數(shù)較多的情況下，一般都不用靜態(tài)顯示。 動(dòng)態(tài)顯示方式：當(dāng)多位LED顯示時(shí)，通常將所有位的段選線相應(yīng)的并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位I/O口控制，形成段選線的多路復(fù)用。而各位的共陽極或共陰極分別有相應(yīng)的I/O口線控制，實(shí)現(xiàn)各位分時(shí)選通。其中段選線占用一個(gè)8位I/O口

41、，而位選線占用N個(gè)I/O口。由于各位的段選線并聯(lián)，段碼的輸出對(duì)各位來說都是相同的，因此，同一時(shí)刻，如果各位選線都處于選通狀態(tài)的話，那LED顯示器將顯示相同的字符。若要各位LED能顯示出與本位相應(yīng)的字符，就必須采用掃描顯示方式，即在某一時(shí)刻，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，同時(shí)，段選線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的段碼。這種顯示方式占用的I/O口個(gè)數(shù)為8＋N，相對(duì)靜態(tài)顯示少了很多，但需占用大量的CPU資源，當(dāng)CPU處理別的事情時(shí)，顯示可能出現(xiàn)閃爍或者不顯示的情況。在本設(shè)計(jì)中，CPU需要測(cè)溫，同時(shí)也需要PWM調(diào)制，根本上不可能實(shí)現(xiàn)。 方案二:采用1602模塊液晶，模塊內(nèi)

42、部集成顯示屏（LCDpanel）、控制器（controller）、列驅(qū)動(dòng)器（segmentdriver）和偏壓產(chǎn)生電路。使用時(shí)只要將數(shù)據(jù)總線和控制總線與單片機(jī)IO口相連，即可實(shí)現(xiàn)顯示。內(nèi)部集成192個(gè)字符，使用時(shí)只需指明地址調(diào)用，無需自建字庫。內(nèi)部集成顯示緩沖區(qū)，顯示時(shí)無需掃描，暫用CPU資源較小。 綜合考慮數(shù)碼管和液晶顯示器，從它們的分辨率、視角、可視面積、亮度與對(duì)比度、反應(yīng)速度和色彩等多方面看，液晶屏都比數(shù)碼管要好很多，只是在價(jià)格上液晶屏要比數(shù)碼管貴點(diǎn)。所以我選擇LCD。 以下是對(duì)1602LCD的功能、特點(diǎn)、管腳和如何使用的介紹。 一、 主要特性 在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸

43、出器件有顯示質(zhì)量高、數(shù)字式接口、體積小、質(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。 二、液晶顯示原理 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA移動(dòng)通信工具等眾多領(lǐng)域。 三、 1602LCD的基本參數(shù)及引腳功能 1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別。 1、1602LCD主要技術(shù)參數(shù)： 顯示容量:162個(gè)字符 芯片工作電壓:4.5—

44、5.5V 工作電流:2.0mA(5.0V) 模塊最佳工作電壓:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm 2、引腳功能說明 1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表2-4所示: 表2-4 引腳接口說明表 編號(hào) 符號(hào) 引腳說明 編號(hào) 符號(hào) 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù)/命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀/寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E

45、 使能信號(hào) 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負(fù)極 四、1602LCD的指令說明及時(shí)序 1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表2-5所示： 表2-5 控制命令表 序號(hào) 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光標(biāo)返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 置輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/

46、D S 4 顯示開/關(guān)控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光標(biāo)或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 置字符發(fā)生存貯器地址 0 0 0 1 字符發(fā)生存貯器地址 8 置數(shù)據(jù)存貯器地址 0 0 1 顯示數(shù)據(jù)存貯器地址 9 讀忙標(biāo)志或地址 0 1 BF 計(jì)數(shù)器地址 10 寫數(shù)到CGRAM或DDRAM） 1 0 要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容 11 從CGRAM或DDRAM讀數(shù) 1 1 讀出的數(shù)據(jù)

47、內(nèi)容 1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平） 與HD44780相兼容的芯片時(shí)序表如下： 表2-6 基本操作時(shí)序表 讀狀態(tài) 輸入 RS=L，R/W=H，E=H 輸出 D0—D7=狀態(tài)字 寫指令 輸入 RS=L，R/W=L，D0—D7=指令碼，E=高脈沖 輸出 無 讀數(shù)據(jù) 輸入 RS=H，R/W=H，E=H 輸出 D0—D7=數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù) 輸入 RS=H，R/W=L，D0—D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖 輸出 無 讀寫操作時(shí)序如圖2-5和2-6所示： 圖2-5 讀操作時(shí)序 圖2-6

48、寫操作時(shí)序 五、1602LCD的ARM地址映射及標(biāo)準(zhǔn)字庫表 液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖2-7是1602的內(nèi)部顯示地址。 圖2-7 1602LCD內(nèi)部顯示地址 在對(duì)液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時(shí)光標(biāo)是自動(dòng)右移的，無需人工干預(yù)。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。 1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM）已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，如圖2-8所示，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字

49、母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A” 圖2-8字符代碼與圖形對(duì)應(yīng)圖 六、1602LCD的一般初始化（復(fù)位）過程 延時(shí)15mS 寫指令38H（不檢測(cè)忙信號(hào)） 延時(shí)5mS 寫指令38H（不檢測(cè)忙信號(hào)） 延時(shí)5mS 寫指令38H（不檢測(cè)忙信號(hào)） 以后每次寫指令、讀/寫數(shù)據(jù)操作均需要檢測(cè)忙信號(hào) 寫指令38H：顯示模式設(shè)置 寫指令08H：顯示關(guān)閉 寫指令01H：顯示清屏 寫指令06H：顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置 寫指令0

50、CH：顯示開及光標(biāo)設(shè)置 2.3本章小結(jié) 本章講述的是系統(tǒng)總體的方案設(shè)計(jì)，首先用一個(gè)系統(tǒng)的總體框圖來說明本系統(tǒng)的總體方案。然后各個(gè)介紹分析各主控芯片的選型，其中包括溫濕度傳感器的選擇，控制器的選擇和顯示屏的選擇。通過本章內(nèi)容，我們可以很清晰的了解本次設(shè)計(jì)的目的，設(shè)計(jì)要完成的工作和最終要達(dá)到的效果。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.1系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的控制核心是STC89C52RC單片機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊由部分組成，分別是最小系統(tǒng)模塊、時(shí)鐘模塊、測(cè)量溫濕度模塊、控制模塊以及顯示模塊。采用單片機(jī)的P2口控制LCD顯示濕度和溫度的值，其中數(shù)據(jù)命令選擇、讀/寫選擇、使能信號(hào)分別采用P1.

51、2、P1.3和P1.4控制，對(duì)溫濕度傳感器的控制采用P1.O和P1.1口。 電路原理圖的設(shè)計(jì)主要是PROTEL099的原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)（AdvancedSchematic）來繪制本系統(tǒng)的電路原理圖。在設(shè)計(jì)圖紙大小Protel99/Schematic后，我首先要構(gòu)思好零件圖，設(shè)計(jì)好圖紙大小。圖紙大小是根據(jù)電路圖的規(guī)模和復(fù)雜程度而定的，設(shè)置合適的圖紙大小是設(shè)計(jì)好原理圖的第一步。 其次是設(shè)置Protel99/Schematic設(shè)計(jì)環(huán)境，包括設(shè)置格點(diǎn)大小和類型，光標(biāo)類型等等，大多數(shù)參數(shù)也可以使用系統(tǒng)默認(rèn)值。最后我們可以根據(jù)電路圖的需要，將零件從零件庫里取出放置到圖紙上，并對(duì)放置零件的序號(hào)、零件封裝進(jìn)行

52、定義和設(shè)定等工作。 在這一過程中，我充分利用了PROTEL99所提供的各種原理圖繪圖工具、各種編輯功能，來實(shí)現(xiàn)目的，即得到一張正確、精美的電路原理圖。用protel軟件畫系統(tǒng)的硬件電路原理圖如下圖3-1所示。 圖3-1 系統(tǒng)硬件電路原理圖 3.1.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1、時(shí)鐘電路 （1）機(jī)器周期 MCS-52規(guī)定一個(gè)時(shí)鐘周期為6個(gè)狀態(tài)，且依次表示為S1、S2、…、S6。由于一個(gè)狀態(tài)又包括兩個(gè)節(jié)拍，因此一個(gè)機(jī)器周期共12個(gè)節(jié)拍，分別記為：S1P1、S2P2、…、S6P6。也就是一個(gè)機(jī)器周期等于12個(gè)震蕩周期。當(dāng)震蕩頻率等于12MHE時(shí)，則一個(gè)機(jī)器周期就是1us。 （2）指令周

53、期 執(zhí)行一個(gè)指令所需的時(shí)間稱為指令周期。它是機(jī)器周期的整數(shù)倍，最短的是一個(gè)機(jī)器周期稱為單周期指令，還有2個(gè)和3個(gè)機(jī)器周期的，最長的是4個(gè)機(jī)器周期。 2、復(fù)位電路 RST引腳是復(fù)位端，高電平有效。在該引腳輸入至少連續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，單片機(jī)復(fù)位。 RST引腳內(nèi)部有一個(gè)斯密特ST觸發(fā)器以對(duì)輸入信號(hào)整形，保證內(nèi)部復(fù)位電路的可靠性所以外部輸入信號(hào)不一定要求是數(shù)字波形。 使用時(shí)，一般在此引腳與VSS引腳之間接一個(gè)10KΩ的下拉電阻，與VCC引腳之間接一個(gè)約30pf的電容，RST引腳保持足夠時(shí)間（即兩個(gè)周期以上）的高電平，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)上電復(fù)位。復(fù)位電路如圖3-2所示。

54、 圖3-2 時(shí)鐘電路及復(fù)位電路 3.1.2溫/濕度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 該部分系統(tǒng)功能通過STC89C52RC單片機(jī)與SHT71連接測(cè)量溫、濕度值，連接時(shí)僅需要兩根線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與SHT71的雙向通訊。在使用中不需要任何外圍元件，被測(cè)溫濕度通過編程可實(shí)現(xiàn)幾位的數(shù)字方式串行輸出，其中，測(cè)量相對(duì)溫度的范圍是0～100%，分辨力達(dá)0.03%RH，最高精度為2%RH。測(cè)量溫度的范圍是-40℃～+123.8℃，分辨力為0.01℃。測(cè)量露點(diǎn)的精度<1℃。溫/濕度采集電路的核心采用Sensiron公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫、濕度傳感器SHT71。該傳感器體積小、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定，且非線性誤差較小、

55、校準(zhǔn)方便、互換性好、功耗極低，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，不需要外部元件，適配各種單片機(jī)，可廣泛用于醫(yī)療設(shè)備及溫度/濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。 溫濕度傳感器有四個(gè)引腳，分別為VDD、GND、SCK和DATA四個(gè)腳，VDD和GND分別接電源線和地線，DATA在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘的上升沿有效。傳輸數(shù)據(jù)期間，在時(shí)鐘SCK高電平時(shí)，必須保持DATA穩(wěn)定。為避免發(fā)生信號(hào)沖突，需要一個(gè)外部的上拉電阻將信號(hào)拉至高電平，SCK和DATA分別接單片機(jī)的數(shù)據(jù)口P1.1和P1.0。具體連接線路如圖3-3所示。 圖3-3 52單片機(jī)和SHT71的接口 3.1.3液晶屏顯示電路設(shè)計(jì) 在日常生

56、活中，我們對(duì)液晶顯示器并不陌生。液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計(jì)算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號(hào)和圖形。在單片機(jī)的人機(jī)交流界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、LED數(shù)碼管、液晶顯示器。發(fā)光管和LED數(shù)碼管比較常用，軟硬件都比較簡單，液晶屏顯示電路的核心采用1602LCD顯示屏，本節(jié)主要介紹字符型液晶顯示器1602的與單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)。 此次設(shè)計(jì)液晶屏我選用1602LCD， 1602LCD共有16個(gè)引腳，2腳和15腳都是接電源；1腳和16腳都是接地；3腳是液晶顯示偏壓腳，與一個(gè)1KΩ的偏置電阻連接后接地；4腳是數(shù)據(jù)/命令選擇R

57、S，與單片機(jī)的數(shù)據(jù)口P1.2相連，；5腳是讀/寫選擇信號(hào)R/W，與單片機(jī)的數(shù)據(jù)口P1.3相連；6腳是使能信號(hào)端E，與單片機(jī)的數(shù)據(jù)口P1.4連接。該模塊與單片機(jī)連接是比較簡單的，它只需要一個(gè)8位的I/O口與液晶模塊的8位數(shù)據(jù)端口相連，再用三位控制口分別與液晶模塊的RS、R/W、EN相連。在本系統(tǒng)中，為了使其驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)、布線更加簡單，我們用單片機(jī)的P2口接8位數(shù)據(jù)，用P1.2、P1.3、P1.4分別接RS、R/W、E。具體的連接如圖3-4所示。 圖3-4 1602的接口電路 3.2 系統(tǒng)PCB圖設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)PCB板的步驟首先是生成一張?jiān)韴D網(wǎng)絡(luò)表，設(shè)置PCB布線區(qū)，再導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表，

58、布局元器件，再設(shè)置布線規(guī)則，然后自動(dòng)布線，再手工修改，最后是布線規(guī)則檢查。按照以上步驟繪制系統(tǒng)的PCB圖如圖3-5所示。 圖3-5 系統(tǒng)硬件電路PCB圖 3.2.1 PCB圖布局 在繪制好系統(tǒng)的原理圖之后，接下來就是PCB圖的設(shè)計(jì)了。設(shè)計(jì)PCB圖時(shí)，我主要是按照以下思路來布局設(shè)計(jì)的： 首先是在在元器件的布局方面，應(yīng)該把相關(guān)聯(lián)的元器件盡量放得近一些，例如，時(shí)鐘發(fā)生器、晶振、CPU的時(shí)鐘輸入端等都易產(chǎn)生噪聲，所以在布圖的時(shí)候應(yīng)把它們放置的近些。對(duì)于那些易產(chǎn)生噪聲的器件、小電流電路、大電流電路及開關(guān)電路等，應(yīng)盡量使其遠(yuǎn)離單片機(jī)的邏輯控制電路和存儲(chǔ)電路（ROM、RAM），如果可能的話，可以

59、將這些電路另外制成電路板，這樣有利于抗干擾，提高電路工作的穩(wěn)定性。 其次是盡量在關(guān)鍵元器件，如ROM、RAM等芯片旁邊安裝去耦電容。實(shí)際上，印制電路板走線、引腳連線和接線等都可能含有較大的電感效應(yīng)。大的電感可能會(huì)在Vcc走線上引起嚴(yán)重的開關(guān)噪聲尖峰。防止Vcc走線上開關(guān)噪聲尖峰的唯一方法，是在VCC與電源地之間安放一個(gè)0.1uF的電子去耦電容。如果電路板上使用的是表面貼裝元件，可以用片狀電容直接緊貼著元件，在Vcc引腳上固定。選作去耦電容的最好是使用瓷片電容，這是因?yàn)檫@種電容具有較低的靜電損耗（ESL）和高頻阻抗，另外這種電容溫度和時(shí)間上的介質(zhì)穩(wěn)定性也非常好。盡量不要使用鉭電容，因?yàn)樵诟哳l

60、下其阻抗較高。在安放去耦電容時(shí)需要注意以下問題： 在印制電路板的電源輸入端跨接100uF左右的電解電容，如果體積允許的話，電容量大一些則更好。原則上每個(gè)集成電路芯片的旁邊都需要放置一個(gè)0.01uF的瓷片電容，如果電路板的空隙太小而放置不下時(shí)，可以每10個(gè)芯片左右放置一個(gè)1～10的鉭電容。對(duì)于抗干擾能力弱、關(guān)斷時(shí)電流變化大的元件和RAM、ROM等存儲(chǔ)元件，應(yīng)該在電源線（Vcc）和地線之間接入去耦電容。電容的引線不宜太長，特別是高頻旁路電容不能帶引線。 然后是在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，地線的種類有很多，有系統(tǒng)地、屏蔽地、邏輯地、模擬地等，地線是否布局合理，將決定電路板的抗干擾能力。所以在設(shè)計(jì)地線和

61、接地點(diǎn)的時(shí)候，應(yīng)該考慮以下問題： 最后邏輯地和模擬地要分開布線，不能合用，將它們各自的地線分別與相應(yīng)的電源地線相連。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量加大引出端的接地面積。一般來講，對(duì)于輸入輸出的模擬信號(hào)，與單片機(jī)電路之間最好通過光耦進(jìn)行隔離。在設(shè)計(jì)邏輯電路的印制電路版時(shí)，其地線應(yīng)構(gòu)成閉環(huán)形式，提高電路的抗干擾能力。地線應(yīng)盡量的粗。如果地線很細(xì)的話，則地線電阻將會(huì)較大，造成接地電位隨電流的變化而變化，致使信號(hào)電平不穩(wěn)，導(dǎo)致電路的抗干擾能力下降。在布線空間允許的情況下，要保證主要地線的寬度至少在2～3mm以上，元件引腳上的接地線應(yīng)該在1.5mm左右。 3.2.2 PCB圖布線 設(shè)計(jì)PCB時(shí)，往往很想使用自動(dòng)

62、布線。通常，純數(shù)字的電路板(尤其信號(hào)電平比較低，電路密度比較小時(shí))采用自動(dòng)布線是沒有問題的。但是，在設(shè)計(jì)模擬、混合信號(hào)或高速電路板時(shí)，如果采用布線軟件的自動(dòng)布線工具，可能會(huì)出現(xiàn)一些問題，甚至很可能帶來嚴(yán)重的電路性能問題。 為避免出現(xiàn)電路性能問題我只有采用手工布線。手工布線時(shí)，常常會(huì)碰到布線無法從這一層的這個(gè)方向通過，但是布線可以在另一層通過，這時(shí)可以按小鍵盤上的*鍵，打一個(gè)導(dǎo)孔到另外一層就可以布線了，這時(shí)注意到線的顏色已經(jīng)發(fā)生了變化，我在進(jìn)行PCB圖的布線時(shí)也遇到了這樣的情況。 既然是采用手工布線，那么第一個(gè)步驟是在板上放置器件。將噪聲敏感器件和產(chǎn)生噪聲器件分開放置。確定了器件的大體位置后

63、，就可以定義地平面和電源平面了。實(shí)現(xiàn)這些平面是需要一些策略技巧的。在PCB中不使用地平面是很危險(xiǎn)的，尤其是在模擬和混合信號(hào)設(shè)計(jì)中。其一，因?yàn)槟M信號(hào)是以地為基準(zhǔn)的，地噪聲問題比電源噪聲問題更難應(yīng)對(duì)。其二，地平面還對(duì)噪聲有屏蔽作用。采用地平面可以很容易解決這些問題，在采集數(shù)據(jù)時(shí)，沒有在傳感器上施加激勵(lì)。采用這種電路布線，控制器專用于與轉(zhuǎn)換器接口，并將轉(zhuǎn)換器的結(jié)果發(fā)送到LCD顯示器。 3.3焊接電路板 本次焊接當(dāng)然是純手工焊接，手工焊接握電烙鐵的方法,有正握、反握及握筆式三種。焊接元器件及維修電路板時(shí)以握筆式較為方便。 手工焊接一般分四步驟進(jìn)行。①準(zhǔn)備焊接:清潔被焊元件處的積塵及油污,再將被焊

64、元器件周圍的元器件左右掰一掰,讓電烙鐵頭可以觸到被焊元器件的焊錫處,以免烙鐵頭伸向焊接處時(shí)燙壞其他元器件。焊接新的元器件時(shí),應(yīng)對(duì)元器件的引線鍍錫。②加熱焊接:將沾有少許焊錫和松香的電烙鐵頭接觸被焊元器件約幾秒鐘。若是要拆下印刷板上的元器件,則待烙鐵頭加熱后,用手或鑷子輕輕拉動(dòng)元器件,看是否可以取下。③清理焊接面:若所焊部位焊錫過多,可將烙鐵頭上的焊錫甩掉(注意不要燙傷皮膚,也不要甩到印刷電路板上!),用光烙錫頭"沾"些焊錫出來。若焊點(diǎn)焊錫過少、不圓滑時(shí),可以用電烙鐵頭"蘸"些焊錫對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)焊。④檢查焊點(diǎn):看焊點(diǎn)是否圓潤、光亮、牢固,是否有與周圍元器件連焊的現(xiàn)象。 SHT71溫/濕度傳感器，

65、是一款精小又及其敏感的器件，屬于易損元器件。易損元器件是指在安裝焊接過程中，受熱或接觸電烙鐵時(shí)容易造成損壞的元器件。由于SHT71的4個(gè)管腳的間距很小,要選擇合適的烙鐵頭及溫度,防止管腳間連錫。焊接集成電路最好先焊接地端、輸出端、電源端,再焊輸入端。對(duì)于像SHT71那樣的對(duì)溫度特別敏感的元器件,可以用鑷子夾上蘸有元水乙醇(酒精)的棉球保護(hù)元器件根部,使熱量盡量少傳到元器件上。 3.4元器件清單 本次設(shè)計(jì)所需的元器件不多，清單如表3-1所示 表3-1 元器件清單 名稱 規(guī)格 數(shù)量 備注 單片機(jī) STC89C52RC 1 開關(guān)電源 1 電容 30P 3

66、 電容 0.1UF 2 按鍵 SW-PB 1 電阻 10K 3 電阻 330Ω 1 電阻 1K 1 二極管 綠色 1 晶振 11.0592MHE 1 傳感器 SHT71 1 電容 10uf 1 液晶屏 1602LCD 1 插針 若干 3.5本章小結(jié) 本章著重講述了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。先是介紹了是系統(tǒng)的原理圖的設(shè)計(jì)，首先給出了原理圖，然后是分別說明原理圖的布局中各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題。然后講述的是PCB圖的繪制問題，和前一節(jié)的描述步驟一樣，先是給出系統(tǒng)的PCB圖，再分別講述PCB圖的布局和布線問題。再后來講的是焊接電路板的問題，讓我們了解到在焊接過程中要做的準(zhǔn)備和要注意的問題。最后給出了本次設(shè)計(jì)所用到的元器件清單。 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 采用軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行編程比起用硬件實(shí)現(xiàn)其功能要簡單、快捷很多。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語言，只需對(duì)采集到的溫度和濕度進(jìn)行處理后，即可讓LCD液晶屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫度和濕度的值。溫度和濕度的采集在SH