库房温湿度控制毕业论文.docx

摘要在工业生产中，许多产品的储存都是在具体的环境中进行的，存储环境的优劣直接影响着存放产品的质量以及寿命，同时良好的库房环境还能对外界影响产品存放的因素进行抑制，因此库房的环境对产品的存放具有重要的意义。在库房环境的因素中，最重要的两个因素就是库房的温度和湿度，适宜的湿度和温度不但不会对产品的存放造成伤害，还能够有效地延缓产品材料的老化等。基于以上的原因，在产品的存放过程中必须要对库房的温度和湿度进行有效的监控，并且需要根据监控得到的温度和湿度进行调整，以此来达到最佳的产品存储环境。本文以某档案资料室的库房环境为研究对象，设计出了一种基于单片机的库房恒温恒湿测控系统。整个设计将计算机技术、数字化测控技术、传感器技术以及通信技术相结合，以AT89C51作为主控制器，通过选择合适的温湿度传感器组成了一套智能的温湿度监测系统，与此同时，设计还针对库房环境中出现的温湿度偏差，设计了温湿度纠正系统，通过选取一定的设备来对因外界影响和环境的变化而造成了库房温湿度偏差。整个系统大致可以分为四个部分，分别是环境温湿度检测模块、单片机控制模块、显示模块以及偏差调整模块。环境温湿度检测模块主要通过选取合适的传感器来对库房环境的温度和湿度进行检测，检测得到的数据经过一定的处理之后发送给单片机，单片机通过对这些环境参数进行分析得到当前环境与设置值的偏差，最终根据偏差通过控制相应的电机设备来对当前环境的温湿度进行调整。在整个系统的工作中，测控系统测得的温湿度参数通过液晶显示屏显示出来供用户参考。仿真结果表明，该系统完全能够对库房的温湿度进行监控并对过程中出现的偏差进行调节。关键词：库房；温湿度；传感器；单片机AbstractIn industrial production, products are storaged in a specific environment, the storage environment will directly affect the product quality and the service life, at the same time, an appropriate environment can restain factors that can influence the products from the outside, therefore the warehouse environment has an important significance for the storage of products. Two of the most important factors in warehouse environment are temperature and humidity, an appropriate environment will cause no harm to the storage of products, but also can effectively delay the aging of materials. Based on the above reasons, efficient monitoring must be taken in temperature and humidity control in warehouse, and should be adjusted according to the monitoring of temperature and humidity, so as to achieve the best product storage environment.A temperature and humidity monitoring system based on MCU is designed in archives room. Computer technology, digital control technology, sensor technology and communication technology are combined in the whole design, AT89C51 as the main controller, by selecting the suitable temperature and humidity sensor, temperature and humidity monitoring system is designed, at the same time, system for temperature and humidity deviation in warehouse environment is designed, through the selection of certain equipment due to the changes in the external and environmental effects caused by the temperature and humidity deviationThe whole system can be divided into four parts, respectively is the environmental temperature and humidity detection module, control module, display module and the deviation adjusting module. Environmental temperature and humidity detection module mainly by selecting appropriate sensors to detect the warehouse environment temperature and humidity. The data is transfered to MCU after processing, error is processed in MCU compared with the setting value, finally according to the deviation by controlling the motor equipment corresponding to the temperature and humidity of the environment adjustment. In the whole system, temperature and humidity parameters measured in the system is displayed in 1602.The simulation results show that, the system can monitor temperature and humidity in the storehouse and adjust the deviation appeared in the process.Keywords：Warehouse；temperature and humidity；Sensor；MCU第 1 章 绪论1 绪论1.1 选题背景及研究意义档案是由承受档案内容的载体材料和反映档案内容的记录材料组成的，随着科学的发展和数字化技术的普及，数字档案馆正在兴起，但是就目前而言，档案的记录仍然以纸质材料为主，这种情况在当前以及后续一段很长的时间内不会改变。目前，绝大多数档案馆都以纸质档案为主。纸质档案已经成为人类文化遗产的重要历史见证，属于可重复利用但是非再生的历史性文化遗产。基于纸质档案的重要性，如何保存人类历史上浩如烟海的纸质档案一直是人类历史上最严峻的问题之一。相关研究表明，纸质档案的存放主要受到存放环境温度与湿度的综合作用与影响。根据档案保护拘束教程记载，国外学者得出了温度与湿度综合作用对于纸张的影响，并得出了如下的结论：设定环境温度30摄氏度，相对湿度在50%以下纸张的寿命为1，那么，纸张的寿命与所处环境的温度与湿度呈线性变化。温度每升高10摄氏度，纸张的寿命降低5倍；温度每降低10摄氏度，纸张的寿命提高5倍，同样的，当温度一定时，相对湿度每提高20%，纸张寿命降低2倍；相对湿度每降低20%，纸张寿命提高2倍。温度、相对湿度与纸张寿命的关系如表1.1所示。表1.1 温湿度值与纸张寿命对应表由表1.1可知，档案馆在库房的管理工作中可以根据环境的温度与湿度两个方面来进行，其主要任务为防潮、防腐、防爆、保持温度度等。而这些指标也是衡量一个库房是否合理的重要标准。其环境参数是否合理直接影响到库房内工作设备的状态以及储备物资的使用寿命与可靠性。在这些因素中最主要的就是要控制环境的温湿度，使其处在标准的范围内，因此对于库房内温湿度的监控就显得十分有必要。在传统的库房温湿度监控中，主要利用干湿度计、毛发湿度表、双金属式测量计或温湿度试纸等测量器材。这些器材在进行温湿度检测之后还需要人工对数据进行处理，这种温湿度的监控方案不但耗费了大量的人力、物力等资源，而且由于这些测量仪表的精度以及灵敏度有限，并不能实现对库房温湿度的精确测控，除此之外这些传统的温湿度测控仪器的可靠性有限，很容易发生仪器损坏的现象，一旦仪器损坏，那么测得的温湿度参数就无法作为参考或者错误地引导管理员，那么整个库房内的仪器设备、存储资料的寿命都会加速老化，从而造成不可估量的损失。基于以上的原因，温湿度监控在日常生活以及工业生产中具有极其重要的地位，而在仓库、食品、医药、图书馆、档案馆等场所对温湿度的要求都非常严格，因此有效并且精确的温湿度测控对于这些领域具有极其重要的意义。1.2 国内外的研究现状由于温湿度测控对于工业、军事、农业等行业都有着重要的影响，因此温湿度控制被运用于科研、军事、农业等各行各业。而各种关于温湿度的测控系统也早早地被各界学者所研究。在绝大多数温湿度测控场所中，温湿度的控制都采用PID控制策略。其中的原因一方面是由于PID控制方式产生较早，各界学者对其研究成果相对成熟，除此之外，采用PID控制策略能够满足大部分的温湿度测控场所，因此，在传统的温湿度测控系统以及设备中，基于PID的温湿度控制方式已经成为首要选择。然而，随着科学技术的发展，温湿度的测控要求也与日俱增，不管是测量反应时间、测量精度、测量数据的传输与以往的测量系统相比都有着较大的提高，因此新的控制策略也逐渐地加入到测控系统当中，其中具有典型代表的有模糊控制、神经网络控制等，最近兴起的还有去伪控制等新兴控制策略。随着计算机技术的发展，温湿度测控也由原本的个体测量系统发展到现在基于主机-终端模式的现代化测控方式。基于主机-终端模式的测控方式与工业中分布式监控方式相类似，即系统中始终有一个主机担任整个测控系统的管理，各个单体测控模块在采集到环境变量之后，通过一定的数据传输总线传输到计算机，最终由计算机对总线中所有的测控模块测得的数据进行显示、处理、存储等操作。这种测控模式相对于传统的单体环境参数测量系统具有布线灵活、易于拓展等特点，除此之外，由于用户可以直接在计算机中对各个测控模块的运行情况进行观察，因此该系统大大提高了系统的灵活性，同时使得系统易于拓展，用户只需要将需要的测控系统连接在总线中，计算机就可以根据地址信号来对新加入的测控，模块进行数据采集。目前分布式温湿度监控系统也是主要的发展方向，这是计算机技术、数据采集技术、信号处理技术、通讯等技术相互渗透发展而成的。随着今年以太网技术的迅速发展，基于以太网通信技术的环境测控系统也正在兴起，该种测控方式以工业以太网为载体，包括高速以太网和以太网交换机；高速以太网极大地减少了数据传输的延迟；工业以太网交换机把控制网络分成若干个相互独立的冲突区域，这样做可以使得各个冲突区域不会因为线路的竞争而发生碰撞，从而保证了信号传输的速度与可靠性。因此，高速的工业以太网代替传统的现场总线控制网络将会成为工业技术发展中的一个重大技术趋势。1.3 论文的主要工作及章节安排本系统以某档案室的温湿度测控为目标，通过选择合适的温湿度传感器来搭建温湿度检测模块，该模块测得环境的温湿度之后，将数据传输至主控制器，主控制器根据接收到的温湿度数据与预设值进行判断，若现场检测得到的温湿度参数处于系统的要求之内，则返回温湿度检测模块继续下一个周期的检测，若检测到当前环境中的温湿度超出预设值，则根据事先设定好的控制方式来启动相应的设备对环境中的温湿度进行调节，直到现场环境中的温湿度达到环境设定的指标。与此同时，在主控制器接收到当前环境中的温湿度信号之后还需要将数据经过总线传输至上位机，通过上位机对数据进行显示、存储等操作。设计全文总共分为七个章节，主要安排如下。第一章：主要介绍选题的背景及研究意义，并且对国内外的研究现状做了简要的介绍；第二章：对系统的总体设计结构进行说明并设计出系统的硬件部分；第三章：对系统的软件部分进行设计；第四章：系统的仿真与调试； 第五章：对设计进行总结，并对下一步的研究提出目标和任务。最后则是致谢与参考文献。1.4 本章小结本章主要介绍了课题的来源以及本课题的研究意义，同时就国内外的研究现状作了简要的介绍。在本章节的最后还对本课题的安排进行了简要的说明，指明了课题研究的目标与内容。- 37 -2 系统总体结构本章节的设计内容是整个系统最重要的部分之一，首先需要对系统的总体结构进行说明，在确定了系统的总体设计方案之后提出系统的主要性能指标及功能，最后说明系统的主要特点。2.1 系统结构整个系统大致分为两个部分，分别为下位机和上位机。下位机主要由传感器检测模块、单片机最小系统、数据显示模块、偏差执行机构和通信模块。上位机主要是利用VB软件的MSCOMM控件实现计算机与单片机之间的通信。整个系统的组成框图如图2.1所示。图2.1 系统总体结构框图系统的工作大致工作流程为：下位机中的温湿度检测模块对当前环境中的温湿度进行采集，数据采集模块测得环境的温湿度之后，将数据传输至主控制器，主控制器根据接收到的温湿度数据与预设值进行判断，若现场检测得到的温湿度参数处于系统的要求之内，则返回温湿度检测模块继续下一个周期的检测，若检测到当前环境中的温湿度超出预设值，则根据事先设定好的控制方式来启动相应的设备对环境中的温湿度进行调节，直到现场环境中的温湿度达到环境设定的指标。在系统的整个工作过程中，上位机始终与下位机保持通信状态，并且当前系统中的温湿度信号会显示在上位机软件中，用户可以对检测得到的信号进行存储、编辑等操作。2.2 系统主要指标整个系统的功能指标主要由温湿度传感器、除湿器以及散热风机决定。温湿度传感器：采用集成温湿度传感器，其中温度测量范围为-55+65，温控精度为0.5；湿度测量范围为：099%RH，湿度测量精度为3%RH；除湿机：采用工业冷凝除湿机；散热风机：采用220V交流市电供电的工业用散热风机；2.3 系统的特点（1）库房现场所用的温湿度检测传感器实行数字化输出，不但使得外围电路得到了最大程度上的简化，而且由于外围器件的减少，系统的可靠性得到了提高；（2）采用分布式测控系统，每个传感器的通信总线上都可以连接多个传感器进行数据传输，符合现代工业现场的布线要求；（3）采用两线制的串行总线进行数据传输，施工简单，节省器材，施工成本降低；（4）上位机的设计使得用户无需在库房之内就可以实现温湿度的监控；（5）上位机中实时显示各个传感器的工作情况，便于用户对损坏的器件进行检修。2.4 本章小结本章主要介绍了温湿度测控系统的系统总体结构，并且就系统的要求说明了系统工作过程中各个模块的参数和指标，在章节的最后还介绍了系统的主要特征。在下一个章节中，将根据系统的工作指标就系统的硬件设计进行详细的说明。3 系统的硬件设计整个硬件部分的设计主要包括传感器检测模块、单片机最小系统、偏差执行机构。系统上电工作时，温湿度检测模块对当前环境中的温湿度进行采集，数据采集模块测得环境的温湿度之后，将数据传输至主控制器，主控制器根据接收到的温湿度数据与预设值进行判断，若现场检测得到的温湿度参数处于系统的要求之内，则返回温湿度检测模块继续下一个周期的检测，若检测到当前环境中的温湿度超出预设值，则根据事先设定好的控制方式来启动相应的设备对环境中的温湿度进行调节，直到现场环境中的温湿度达到环境设定的指标。系统总体硬件结构如图3.1所示。下面就这几个部分进行必要的介绍。图3.1 系统硬件结构框图3.1 温湿度测量方法3.1.1 温度测量方法在温度的测量中，主要有压力式温度计、热电阻式温度计、双金属式温度计、热电偶式温度计、光学高温计、辐射高温计以及红外测温仪等。压力温度计是最早用于工业生产过程测温的方法之一，其结构简单，具有很好的机械强度，并且其在工作时不依赖外部电源、价格低廉，曾被广泛运用于工业生产过程的测温中，但由于其响应时间长、仪器密封不变维修、受外界环境影响较大，逐渐退出温度检测行列。热电阻式温度计是利用导体或半导体的阻值随温度变化而变化的特性进行温度测量的一种温度计，它可以将温度信号转变成电阻的变化，最终由电阻的变化转变成电信号的变化，计算机通过对电信号变化的检测就可以实现温度的测量，由于其精度高，再现性好，被广泛运用于各种温度检测系统中。但是由于电阻温度计在工作过程中需要用到电源并且机械强度较低，因此不能用在存有机械振动的场合中。双金属式温度计具有结构简单、价格较低、维护方便等优点，被广泛运用于各种测温场合，但由于其精度较低，因此只能用在精度要求较低的场合中。热电偶在工业测温中占有很大的比重，其可用于非接触式测温，具有体积小、安装方便等优点，但缺点是温度输出与热点势之间呈现飞线性关系，因此需要对热点势经过线性处理之后才能使用。光学高温计、辐射高温计以及红外测温仪都输出非接触式测温计。3.1.2湿度测量方法日常生活以及工业现场中所指的湿度通常为相对湿度，用RH%表示。即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。对湿度的表示方法有绝对湿度、相对湿度、露点、湿气与干气的比值(重量或体积)等等。常见的湿度测量方法有：动态法(双压法、双温法、分流法），静态法(饱和盐法、硫酸法)，露点法，干湿球法和电子式传感器法。双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理，平衡时间较长，分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。由于采用了现代测控手段，这些设备可以做得相当精密，却因设备复杂，昂贵，运作费时费工，要作为标准计量之用，其测量精度可达2%RH以上。静态法中的饱和盐法，是湿度测量中最常见的方法，简单易行。但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严，对环境温度的稳定要求较高。用起来要求等很长时间去平衡，低湿点要求更长。特别在室内湿度和瓶内湿度差值较大时，每次开启都需要平衡68小时。露点法是测量湿空气达到饱和时的温度，是热力学的直接结果，准确度高，测量范围宽。计量用的精密露点仪准确度可达0.2甚至更高。但用现代光-电原理的冷镜式露点仪价格昂贵，常和标准湿度发生器配套使用。干湿球法，这是18世纪就发明的测湿方法。历史悠久，使用最普遍。干湿球法是一种间接方法，它用干湿球方程换算出湿度值，而此方程是有条件的：即在湿球附近的风速必需达到2. 5m/s以上，普通用的干湿球温度计将此条件简化了，所以其准确度只有57%RH。电子式湿度传感器法电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业,近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。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，为幵发新一代温湿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。传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的要参数有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。3.2 传感器选型在本系统的设计中，传感器主要分为温度传感器和湿度传感器，因此需要对这两种传感器进行选型。3.2.1 温度传感器的选择在系统的设计中，总有三种温度传感器可供选择，分别是热电阻式温度传感器、模拟集成温度传感器和数字化温度传感器。方案1：热电阻式温度传感器是利用导体或半导体本身的电阻值随温度的升高而增大的特性制成的，在该种传感器的测量中，温度信号转变成热电势的电信号，电信号最终经过一定的处理传送到计算机，计算机根据得到的数据可以对现场温度进行换算，最终得到现场所测量的温度。其主要由铂、铜、镍等热电阻，具有测量范围广、测量精度高、便于数据的远距离传输等特点，铂电阻是其中性能最好的一种，由于其金属性较差，因此能够在恶劣的环境中不被腐蚀，耐氧化能力极强，因此铂电阻也被广泛运用于工业现场的温度测量中。而铜、镍电阻由于金属活跃性强，因此容易受到酸等环境的腐蚀，并且容易氧化，主要在非腐蚀性的介质中使用，在工业中用于-50+180的测量，方案2：采用模拟集成温度传感器。在方案的备选中，使用美国ANALOG DEVICES公司推出的一款单片集成两端温度传感器AD590。该种模拟集成温度传感器以电流输出的方式传递温度数据，其输出电流与当前环境的温度成正比。其使用范围为-55+150，低成本的单芯片集成电路以及不需要外围电路的特点，使得该芯片在温度测量领域有很防范的应用。与传统的模拟传感器不同，其在使用过程中不需要进行线性化处理、精密运放、电阻测量以及冷端补偿等电路，用户在使用的过程中只需要对芯片输出的电流进行电压变换，经过A/D转换器之后就可以将模拟量转变成数字量，从而被主控制器所接收、处理；除此之外，AD590在进行长线传输时，对于电路上的压降并不敏感，任何一种绝缘性能良好的双绞线都可以用来进行电流的传输，传输距离可以达到数百英尺。因此选择该种模拟集成温度传感器作为备选方案具有很高的可能性。方案3：采用数字化温度传感器。在采用数字化温度传感器作为备选方案时，共有两种器件可供选择，分别是美国DALLAS公司推出的DS18B20以及瑞士SENSIRION公司推出的温湿度传感器SHT11。下面就这两种器件分别进行简要的介绍并对芯片进行选型。DS18B20是一种支持“一线制总线”接口的温度传感器，具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强以及易于配置微处理器等特点，可以直接将温度信号装换成数字信号以供主控制器使用。SHT11与DS18B20相类似，同属于数字型温度传感器，与DS18B20相类似地使用一线制数据传输方式。除了性能上的细微差别之外，其与DS18B20最主要的区别就是除了能够输出温度信号之外，还可以输出检测环境的湿度信号。通过对以上三种备选方案的分析可以知道，热电阻式温度传感器虽然测量范围广，输出精度高，但由于铂电阻价格相对来说较高，并且在使用了该种温度传感器之后，后续还需要加上信号放大电路、滤波电路以及A/D转换电路等，这无疑为系统的成本加大了许多，因此综合考虑，该种温度传感器并不适用于本系统的库房温湿度监控当中；第二种模拟集成温度传感器具有良好的线性输出，测量范围也比较广，并且适合长距离传输，但由于其后续需要添加模数转换系统，这样做不但使得系统的成本得到了增加还由于元件的增加，降低了系统的可靠性。因此系统最终将传感器的选型定位在数字型温度传感器中。3.2.2 湿度传感器的选择在湿度传感器的选型中同样有很多传感器可供用户选择，正常使用的有HOS-21湿敏传感器、HS1101湿度传感器以及SHT11数字湿度传感器，由温度传感器的选型方案可知，数字式传感器由于其接口少、能直接输出数字信号、不需要外接信号处理电路等优点，应该成为本系统设计的首要选择，因此在综合考虑以上的因素之后选用SHT11温湿度传感器来作为系统的传感器选型。这是因为SHT11不但能够对环境的温度进行测量，还能够对环境的湿度进行检测，这恰恰能够满足系统的要求，并且由于温度与湿度的信号都以数字化的形式进行输出，不需要外接其他的信号处理以及A/D转换模块，因此设计最终选择SHT11温湿度传感器来作为系统的温湿度参数检测。3.3 传感器检测电路由上一章节的内容可知，在系统传感器的选型部分中选用SHT11温湿度传感器来对系统环境的温湿度进行检测。下面就传感器检测电路做简要的介绍。SHT11属于Sensirion温湿度传感器家族中的贴片封装器件，该种温湿度传感器将传感元件与信号处理电路集成在同一块微型电路板中，可以实现全标定的数字化输出，整片传感器采用CMOS工艺进行制造，因此产品具有极高的可靠性与稳定性。该传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件用以进行湿度检测、一个能隙材料制成的测温元件用以进行温度检测，除此之外，芯片内部还集成可一个14分辨率为14位的A/D转换器以及串口通信电路，所有这些器件共同组成了一个高精度的温湿度检测传感器。在温度以及湿度的标定方面，芯片出厂之前就已经在及其精确的温室腔室中进行标定，标定的数据被固化存储在OTP内存中，用以对内部的信号进行校准。因此与热电阻等传感器组成的温湿度检测系统不同，由SHT11组成的温湿度测量系统完全不需要进行后期的校验，因为对于标准温度以及湿度的校验已经由程序固化在存储器重，这也为系统的不间断运行以及长期运行的可靠性提供了保证。此外，由于芯片的体积微小，极低的功耗，使得该芯片成为温湿度检测系统构成的首选。芯片的外部结构如图3.2所示。图3.2 SHT11外部结构由图3.2可知，芯片总共由8个引脚构成，其中Pin1Pin4为芯片的主要引脚，Pin5Pin8为NC引脚，在芯片与微控制器进行连接时，这4个NC引脚必须留空，禁止外接任何器件。关于芯片引脚的说民如表3.1所示。表3.1 SHT11引脚说明引脚号名称引脚描述1GND电源接地端2DATA串行数据输入/输出端，双向3SCK串行时钟输入端，单向输入4VDD电源正极58NC必须留空在使用SHT11进行温湿度系统检测时，对于电源VDD，其输入电压范围为2.15.5V，官方数据手册推荐供电电压为3.3V，因此在系统的设计中需要使用芯片来对+5V的供电电源进行电压的转换，最终得到3.3V的电压以供SHT11使用。在电源连接时需要注意的是，在GND端与VDD端需要加上一个100nF的电容来对电源进行去耦滤波。SHT11与微控制器进行连接通信时的接线图如图3.3所示。图3.3 SHT11与微控制器接口示意图在SHT11与单片机通信的过程中，主要依靠SCK来控制微处理器与SHT11之间通讯的同步，而DATA则用于读取当前传感器的数据。当MCU向传感器发送命令时，需要注意的是只有在SCK由低电平变为高电平，并且在数据传送过程中，SCK引脚的电平禁止改变，应当始终保持为高电平。为了保证数据传输的安全与可靠性，在进行数据传输的过程中，DATA的有效时间应该在SCK上升沿之前与下降沿之后分别延长至TSU与THO。其时序关系如图3.4所示。图3.4 数据传输时序图3.4 单片机最小系统在主控制器选择上，设计选用美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机来作为系统的主控芯片。AT89C51是一款8位的高性能单片机，其片内含有4KB的可反复擦写只读存储器（PEROM）以及128 Byte的随机存取数据寄存器（RAM），该系列器件采用高密度、非易失性的存储技术生产，可以完美兼容标准的MCS-51指令系统。由于该芯片采用高性能的CMOS技术生产，因此该芯片在使用过程中具有良好的低功耗以、稳定性与可靠性。其主要性能参数如下所示。（1）单片机与MCS-51产品指令系统完全兼容；（2）内部集成4K字节的可擦写Flash高速存储器；（3）1288字节的内部RAM；（4）32个可编程I/O口；（5）2个16位的定时器/计数器；（6）片内含有6个中断源；（7）可编程的串行UART通道。为了满足不同用户的需求，AT89C51设计了多种封装形式以供用户进行选择，其封装形式主要有PDIP、PQFP、TQFP以及PLCC等，用户可以根据制版的需要选用合适的封装形式。在设计中为了方便制作电路板，选择PDIP的封装形式。其引脚图如图3.5所示。图3.5 PDIP封装引脚图由图3.5可知，整个AT89C51共有40个引脚，这40个引脚总共可以分为3类，分别是电源和时钟引脚、编程控制引脚以及I/O引脚。下面就对这3类引脚进行简要的说明。（1）电源及时钟类引脚电源引脚共有2个，分别是VCC（Pin 40）以及GND（Pin 20），其中VCC为单片机供电电源的正极，官方手册中推荐使用+5V的单极性电源来为单片机进行供电，GND引脚为供电电源的负极，只需接地即可。AT89C51的时钟引脚有两个，分别为XTAL1（Pin 19）以及XTAL2（Pin 18），XTAL1为振荡电路的输入端，XTAL2为片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一是片内的时钟振荡方式，在这种方式下需要在这两个引脚外接石英晶体和振荡电容，振荡电容值一般取为10pF30pF；另一种则为外部时钟方式，及将XTAL1接地，外部时钟从XTAL2脚输入。在设计中使用片外石英晶体振荡的方式来对单片机提供时钟信号，其接线方式如图3.6所示。使用片外的晶体振荡，不但可靠性高而且接线简单，具有较高的使用价值。图3.6 单片机晶振电路（2）编程控制引脚共有4个，其各自引脚号以及引脚描述如表3.1所示。表3.1 8051编程引脚描述引脚号引脚说明引脚描述9RST复位引脚29/PSEN程序存储器允许输出控制端30ALE/PROG编程引脚31EA/VPP外部ROM扩展引脚由于在设计中只使用到了RST引脚，因此只对RST引脚进行说明，而对于另外的3个引脚则不进行详细的说明。当连续输入两个机器周期以上高电平时RST引脚复位有效，单片机复位后程序计数器归零，并且单片机的程序指针指向第一条程序，等待执行。在设计中使用上拉电平的方式来对单片机进行复位。其复位电路如图3.7所示。图3.7 单片机复位引脚电路由图3.7可知，当开关按钮按下时，RST引脚经过电阻R7连接到系统+5V的电源，只要该时间维持在2个机器周期以上，那么单片机就实现了复位的操作。3.5 显示电路的设计在显示部分电路的设计中，系统选用1602液晶显示屏来作为库房环境中温度与湿度的显示。如图3.8所示，它是一种用57点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等，最常用的为2行16个字，液晶模块内带标准字库，内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了192个57点阵字符，32个510点阵字符。另外还有字符生成RAM（CGRAM）512字节，供用户自定义字符。如表1所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等。采用此液晶足以实现对此设计的显示功能。其信号接口说明如表3.2所示。表3.2 1602接口说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地5R/W读写选择2VDD电源正极6E使能端口3VO对比度调节714D0D7数据口4RS数据/命令选择口1516BKA、BLK背光电源正负极用户只需要根据表3.2中所示的接口与单片机对应的接口相连就可以实现数据的显示，需要注意的是当D0D7口与单片机的I/O相连时需要加上一个10K的电位器接地来调节液晶显示对比度。图3.8 1602液晶显示器3.7 本章小结本章主要介绍了温湿度监控系统的硬件结构，并就各个模块进行了必须的介绍。在选定了参数检测的传感器之后，对传感器的检测值进行显示，显示设备采用1602液晶显示器。在下个章节的内容中将对系统的软件设计进行介绍。4 系统的软件设计在一个系统中，其软件部分是整个系统运行的保障，因此一个合理的软件设计对系统的稳定运行至关重要。在该系统的设计中，软件部分主要针对单片机来设计，分别是数据采集模块的软件设计、显示模块的设计。下面就针对这两部分的设计进行必要的介绍。4.1 软件系统开发工具及主流程图4.1.1 软件开发工具Keil uVision4是美国Keilsoftware公司推出的一款C语言发开系统，利用Keil uVision4可以对包括8051系列单片机在内的诸多型号的单片机进行软件开发。Keil uVision4提供了丰富的库函数以及功能强大的集成开发调试工具，现已成为全球使用最多的单片机开发软件。合理的设计使得Keil uVision4生成目标代码的效率极高，在开发大型的基于模块化方式的软件时更能够体现出该软件的优势。C51工具包中的C51forWindows和forDos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。Keil uVision4的开发界面如图4.1所示。图4.1 Keil uVision4开发界面4.1.2 系统软件总体流程图当整个系统上电工作后，下位机中的温湿度检测模块对当前环境中的温湿度进行采集，数据采集模块测得环境的温湿度之后，将数据传输至主控制器，主控制器根据接收到的温湿度数据与预设值进行判断，若现场检测得到的温湿度参数处于系统的要求之内，则返回温湿度检测模块继续下一个周期的检测，若检测到当前环境中的温湿度超出预设值，则根据事先设定好的控制方式来启动相应的设备对环境中的温湿度进行调节，直到现场环境中的温湿度达到环境设定的指标。在系统的整个工作过程中，上位机始终与下位机保持通信状态，并且当前系统中的温湿度信号会显示在上位机软件中，用户可以对检测得到的信号进行存储、编辑等操作。根究系统的工作过程可以得到系统软件总体流程图如图4.2所示。图4.2 系统软件主流程图在确定了系统的主流程图之后，下面将分别对各个子程序进行介绍。4.2 温湿度采集模块的软件设计SHT11在对温湿度进行测量时，首先启动传感器，在这部分中只要按照官方手册的要求对传感器进行供电即可实现，接着是对传感器进行初始化的操作，在对传感器进行初始化时，在SCK时钟为高电平器件，DATA翻转为低电平，紧接着SCK变化为低电平，随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。其初始化时序如图4.3所示。图4.3 SHT11初始化电平操作当初始化结束之后，传感器就可以对当前环境中温湿度进行测量，温湿度测量的启