基于PROTEUS的SHT11单片机温湿度测量系统设计论文

摘要

温度和湿度是两个最基本的环境参数，与人们的生活息息相关。在工农业生产、气象、环保、国防、科研等部门，经常需要对环境温度和湿度进行测量和控制。准确测量温湿度在生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要。因此研究温湿度的测量和控制方法具有重要的意义。

本设计实现的是单片机温湿度测量和控制系统，通过LCD显示所测量的温湿度。系统采用集温湿度传感器与A/D转换器于一体的SHT11芯片，通过单片机进行处理显示，其它模块包括了实时时钟/日期产生电路和超限报警处理电路，对测量的值进行实时显示和报警处理。文章介绍了基于ATMEL公司的AT89C51系列单片机的温湿度实时测量与控制系统和显示系统的设计，包括介绍了硬件结构原理，并分析了相应的软件的设计及其要点，包括软件设计流程及其程序的实现。系统结构简单、实用，提高了测量精度和效率。

目  录

第1章 绪 论

1.1 研究的目的及意义

温度和湿度与人们的生活息息相关。在工农业生产、气象、环保、国防、科研等部门，经常需要对环境温度与湿度进行测量及控制。准确测量温湿度在生物制药、食品加工、造纸等行业都是至关重要的。传统的温度计是用水银柱来显示的，它的精确度不高，不易读数。而采用单片机对温湿度进行控制，不仅具有控制方便、简单和灵活等优点，而且可以大幅度提高温湿度控制的技术指标。用LCD来显示温湿度的数字看起来更加直观。

采用SHT11数字温湿度传感器作为检测元件，能够同时测试温度和湿度。SHT11传感器可以直接读出被测的温湿度值。同时单片机可以把测量出的数据通过串口传到计算机上，来完成工业中的自动控制，给工业生产带来了极大的便利。用单片机控制的温湿度计不仅硬件电路简单，而且测量精度比较高。用液晶显示测量值看起来比较美观。

无论在日常生活中还是在工业、农业方面都离不开对周围环境进行温湿度的测量。因此，研究温湿度的测量具有非常重要的意义。

1.2 国内外研究情况

测量温湿度的关键是温湿度传感器。过去测量温度与湿度是分开的。随着技术的进步和人们生活的需要出现了温湿度共测的传感器。温度传感器的发展经历了3个阶段：传统的分立式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能集成温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化、网络化的方向发展。温度传感器也是经历了这样一个阶段逐渐走向数字智能化。

现今国内外用的最多的温湿度传感器是SHTXX系列。SHT11温湿度传感器应用于专利的工业COMS过程微加工技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝链接，从而具有超快响应，抗干扰能力强，性价比极高等优点。

采用SHT11数字温湿度传感器与单片机AT89C51相连比较容易，而且电路比较简单，软件设计也比较简单。所以，本设计以SHT11数字温湿度传感器为例，介绍基于SHT11数字温湿度传感器的设计，该设计适用于人们的日常生活及工农业生产中用于温湿度的测量。

1.3 系统内容的设计

1.3.1 系统的主要性能指标

根据生活和一般工业环境，设计本产品的主要技术指标为：

·测温范围：20—＋80℃；湿度测量范围为30—90%Rh

·温度测量精度：±0.5oC

·湿度测量误差：≤4%Rh                           

·可设置上、下限报警值，当湿度温度超限时，发出报警信号

·电源工作范围：DC4.5～5.5V

1.3.2 主要工作任务

根据本毕业设计实际的任务要求，选择合适的温湿度传感器，完成温湿度的测量，并设计显示电路模块、时钟电路模块、超限处理模块、复位电路模块的程序。系统开始工作后，根据初始条件读取湿度值和温度值，测量数据经处理后，将其与设定的温湿度值比较，如果发现当前的温湿度超限，则发出报警信号，未超限时，系统显示正常的湿温度度值。

1.4 方案论证

方案一：采用单总线的DS18B20的温度传感器和HS110X相对湿度传感器组成测量和控制系统。

方案二：采用集温湿度传感器和A/D转换器于一体的SHT11芯片构成温湿度的测量和控制系统。

由于传统的模拟式温湿度传感器一般不仅要设计信号调理电路，还要进行复杂的校准和标定过程，其测量精度难以保证，并且使用分立的温度传感器和湿度传感器测量电路比较麻烦。而SHT11是具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，集温湿度传感器和A/D转换器于一体，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点，使用起来比较方便，且电路简单。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术融合，为开发高集成度、高精度、高可靠性的温湿度测控系统提供了解决方案。因此本设计采用方案二。

本设计核心部件为AT89C51，信号采集及处理部分由SHT11构成，进入单片机经处理后通过LCD1604显示温湿度，信号显示采用的液晶屏为5×7点阵，一行可显示16字，四行。其他组成部分为实时时钟发生电路，产生与现在相同的时间和具体日期，通过LCD1604液晶模块显示。

在软件设计部分有对测量的温湿度进行上下值的设定，当测量超过限定值时，通过超限报警处理电路对其进行处理，分别显示不同的二极管灯亮，蜂鸣器产生长鸣。

硬件中包括一个开关，为复位开关。开机后，所有器件初始化，DS1302产生实时时间和日期，温湿度传感器SHT11开始进行温湿度测量和计算，最后通过两个LCD液晶显示器显示结果。在测量结果中有超过设定的温湿度上下限的，通过超限模块做出反应。

电路主要包括了AT89C51控制模块、SHT11温湿度测量模块、DS1302时间模块、LCD显示模块、超限处理模块。其他是一些附件，比如复位、晶振电路。

图1.1 整体电路框图

第2章 工具简介

系统单片机代码采用C语言编写，并用Keil软件检查程序有无错误，在Proteus仿真软件上进行仿真。

2.1 C语言

2.1.1 C语言的优点

C语言的运算符丰富，它包括的范围相当广泛，使得C语言的运算类型极其丰富，并且表达方式的类型多样化，能够实现在高级语言中不能实现的运算，它有32个关键字，9种控制语句。和汇编语言一样，它能够对位，字节和地址进行操作；数据类型很丰富，能实现各种复杂的数据类型，同时还加入了指针的概念，使得效率更高，同时支持图形编辑，以及多种显示器等；它所应用的结构式语言，这种方式会让程序有层次，一目了然，同时语法显示不严格，设计自由度高；C语言提供给用户的方式是一函数的形式，它们可以方便调用，使得程序完全结构化；地址的访问上，能够访问物理地址，对硬件进行直接操作；适用范围广，能够适用于多种操作，例如：DOS、UNIX等，同时适用于多种机型。

2.1.2 C语言的缺点

它的缺点主要是数据封装的安全性不高，因此这一点也成为了C语言和C++的最大的区别，另一方面由于语法以及变量的类型没有严格限制，也造成了较低的安全性，再者从应用角度来说，它比较其他的高级语言来说较为难以掌握。

2.2 Proteus简介

Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等。

RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。

关，按钮，LEDs甚至LCD显示CPU模型。

2.3 Keil C51编译器简介

2.3.1 8051开发工具

KEIL C51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。

① 项目管理

② 编辑器和调试器

③ C51编译器

第3章 硬件设计

3.1 芯片介绍

3.1.1 单片机——AT89C51

① 主要特性：

② 管脚说明：

③ 振荡器特性：

④ 芯片擦除：

⑤ 结构特点：

3.1.2 LCD显示——LCD1604

① LCD1604原理

1604采用标准的16脚接口，其中：

1脚：VSS为地电源

② LCD1604初始化

3.1.3 DS1302原理及应用

① DS1302的基本组成和工作原理

图3.1.1 DS1302引脚图

② DS1302与微控制器的接口软件及功能应用举例

3.1.4温湿度传感器SHT11

① SHT11简介

② SHT11引脚功能

③ SHT11的内部结构和工作原理

④ SHT11传输特性

3.2 模块功能介绍

3.2.1 复位电路部分

端放电，电容又回到0V了，于是又进行了一次复位工作（这是手动复位原理）。

3.2.2 DS1302时钟电路模块

3.2.3 SHT11传感器模块

图3.2.3 SHT11传感器模块

3.2.4 显示电路模块

重点介绍。

3.2.5 超限处理电路模块

图3.2.5 超限处理电路模块

3.3 整体电路图

第4章 软件设计

编程软件采用的是Keil uvision3软件，程序采用C语言编程。软件部分在Keil上运行后，能正确显示结果。具体模块由一个C主函数文件和9个H文件构成。

H文件如下所示：

set_key.h；（限额报警函数）

4.1 程序框图

4.1.1 主程序框图：

4.1.2 温湿度采集及处理框图：

4.1.3 LCD显示框图：

4.2 主函数解析

#include<reg51.h>

#include<absacc.h>

#include<intrins.h>

#include<math.h>

#include<12864.h>

#include<LCD1604.h>

#include<DS1302.h>

#include<SHT11.h>

#include<set_key.h>

void Delay1ms(unsigned int count)    //延时函数

{

unsigned int i,j;

for(i=0;i<count;i++)

for(j=0;j<120;j++);

}

main()

{

SYSTEMTIME CurrentTime;  //定义时间日期结构体

SHT_dat aa;         //定义温湿度测量处理结构体

Init_12864();     //12864的显示*/

Initial_DS1302();   //DS1302初始化*/

LCD_Initial();     //LCD初始化

GotoXY(0,0);          //LCD显示函数

Print("Date:");

GotoXY(16,0);

Print("Temper:");

GotoXY(0,1);

Print("Time:");

GotoXY(16,1);

Print("Humidi:");

while(1)

{

convert_SHT(&aa,TEMP);     //温度转换

  convert_SHT(&aa,HUMI);     //湿度转换

  caculation_SHT(&aa);       //温度和湿度的补偿

  float_convert(&aa);        //将浮点数转换成整型，各个位的数分别保存

  doing_temp(&aa);     //检测温度是否超限

  doing_humi(&aa);     //检测湿度是否超限

  DS1302_GetTime(&CurrentTime);

  DateToStr(&CurrentTime);

  TimeToStr(&CurrentTime);

  GotoXY(5,0);      //第一行显示日期

  Print(CurrentTime.DateString);

  GotoXY(23,0);      //第三行显示温度

  Print(aa.num_temp);

  GotoXY(28,0);

  Print("    ");

  GotoXY(5,1);      //第二行显示时间

  Print(CurrentTime.TimeString);

  GotoXY(23,1);       //第四行显示湿度

  Print(aa.num_humi);

GotoXY(28,1);

  Print("    ");

  Delay1ms(300);     //延时

  }

}

第5章 仿真与调试

编译、调试，调试通过后会生成.HEX文件。具体过程如下：

到项目中，然后编译项目。

建立第一个C项目：

① 点击 Project 菜单，选择弹出的下拉式菜单中的 New Project，如图。

图5.1 新建项目文件

② 选择所要的单片机，本设计选择常用的 Ateml 公司的 AT89C51。

③ 在项目中创建新的程序文件。执行File－>New新建一个文件，然后在文件中进行程序的编写。

文件组中有了文件，点击它可以展开查看。

图5.2 添加文件

⑤ 文件加载到项目之后，开始进行编译运行，生成.hex文件。编译结果如下图：

图5.3 生成.hex文件

编译显示没有错误，说明编译顺利通过，已经生成了所需要的.hex文件。接下来在PROTEUS中进行仿真。打开已经绘制好的仿真电路原理图，选中单片机AT89C51，右键单击AT89C51，出现相应的对话框，找到编译好的“*.HEX”文件，然后单击“OK”就可以进行仿真。在下边的图形中，给出了不同的温湿度的显示值，实际温湿度与理论温湿度的差值在误差允许范围之内（图5.4，温度和湿度分别为60℃和80﹪，显示为60.03℃和82.37﹪；图5.5，温度和湿度分别为68℃和70﹪，显示为68.06℃和74.35﹪；图5.6，温度和湿度分别为48℃和31﹪，显示为48.65℃和32.66﹪），说明设计成功。仿真结果如图所示。

图5.4 温湿度显示一

图5.5 温湿度显示二

由于学习的知识有限，加上时间的仓促和经验的缺乏，本设计整体上的性能还不是十分完善，设计中存在一些需要改进和优化的地方。测量精度有待进一步提高，软件设计也存在不合理之处。但从设计过程中，学到了几种芯片的使用，如：DS1302时钟芯片，LCD1604，SHT11等。对于单片机也有了更进一步的认识，对用于单片机仿真的软件操作能力也明显提高，通过此设计，本人受益颇丰。

致  谢

经过近两个多月的努力，在陈英老师的悉心指导下我顺利的完成了毕业设计。此次的毕业设计使我受益匪浅。做毕业设计不仅是对我所学知识的一次检验，更是对我能力的一个挑战。从接触到毕业设计题目的那一刻起，我就开始仔细认真的查找相关资料和文献，我一直都在尽自己最大的努力去完成它。完成毕业设计后，我发现自己不仅拓宽了专业理论知识，而且专业外的知识也丰富了不少，实际动手能力更是提高了很多。

在做毕业设计的过程中，陈英老师不仅给我提了许多指导性的意见，还倾注了大量的心血。她兢兢业业的工作作风、科学严谨的治学态度和宽以待人、认真负责的优秀品质给我留下了非常深刻的印象。没有陈英老师方向性的指导和帮助，我是不可能按时完成毕业设计的。感谢陈英老师在百忙之中给予我的精心指导和帮助。在做毕业设计的过程中，陈英老师帮助我解决了许多新的疑点和难点，使我顺利的完成了毕业设计。除此之外从陈老师那里，我还学到了严谨的工作态度和科学的学习方法，也学会了如何做人的道理，所有这些对我今后的成长成才都将产生深远的影响。在此，我要向我的导师陈英老师表示最衷心的感谢！另外，本设计也得到了其他老师、同学的支持和帮助，谨在此一并感谢！

[1]刘文涛.单片机语言C51典型应用设计[M].北京：人民邮电出版社，2001，12：25-29

[2]周灵彬.基于Proteus的电路与PCB设计[M].北京：电子工业出版社，2010.8

[3]张毅刚主编.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2009

[4]李光飞，楼然苗，胡佳文等.单片机课程设计实例指导[M].北京：北京航空航天大学出版社,2004，105-125

[5]凌玉华.单片机原理及应用系统设计[M].长沙：中南大学出版社,2006，222-228

[7]冯建华，赵亮.单片机应用系统设计与产品开发[M].北京：人民邮电出版社,  2004.11

[8]谭浩强.C程序设计[M]. 北京：清华大学出版社,2005.7

[9]常喜茂，孔英会，付小宁.C51基础与应用实例[M].北京：电子工业出版社 2009.

[10]孙余凯，吴鸣山，项绮明.传感器应用电路300例[M].北京：电子工业出版社，2008.3

[11]康华光，陈大钦.模拟电子电路［M］．北京：高教育出版社，2004：335-336.

[12]赵茂泰.智能仪器原理及应用［M］．北京：电子工业出版社，2006：130-132.

[13]李光飞，楼然苗，胡佳文等.单片机课程设计实例指导[M].北京：北京航空航天大学出版社,2004，105-125

[14]佟玲，杨玉芬，张本华．智能温湿度监控系统的组成与发展[J]．沈阳农业大学工程学院学报．2006，23（4）；25-30

[15]Pual Horowitz and Winfield.The Art of Electronics.2nd ed[M].Cambridge University Press,1999:1-1125.

[16]Allan R.Hambley.Electronics.2nd ed[M].Prentice Hall Inc.2000:1-461.

[17]hnson D E, Johnson J R. Moore H P.A handbook of active filters[M].New Jersry,1980:1-72.