DHT11温湿度模块的开发及应用--本课设计.docx

22 本课设采用8051系列单片机以及DHT11温湿度传感器相结合的方式来测量周围环境温度，其特点具有采集温度、湿度的时间快，所采集到的温湿度数值精度相对传统温湿度计要高，且易于读数，抗干扰能力强等特点。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。8051单片机是常用于控制的芯片，使用8051单片机能够实现温湿度全程的自动控制，而且8051单片机易于学习掌握。 使用8051型单片机设计温湿度控制系统，可以即时快速精确的反应温室内的温度的变化。完成诸如升温到特定的温度时进行报警，引起注意。关键词： 8051 DHT11目 录前言第一章 系统总体设计.1.1系统实现的主要功能.1.2系统工作原理.1.3总体构成.1.3.1总体设计框图.第二章 系统的硬件设计.2.1主控模块设计.2.1.1 主控模块原理图. 2.2 DHT11传感器模块设计.2.2.1DHT11传感器简介.2.3LCD1602显示模块设计.2.3.1LCD1602简介.2.3.2数码管模块.第三章 系统的软件设计.3.1总体程序框架流程图.3.2Altium 第四章 系统总电路原理图. 第五章调试过程和注意问题. 4.1程序下载软件说明.4.2设计中遇到的问题及解决.结 论.谢 辞.参考文献.附录 前 言本次课程设计主要针对软件的开发以及软件与硬件相结合的形式来提高自我的动手操作能力以及对程序理解与操作能力。主要为了让自己在大学的课程学习中学会学以致用，不能光有一嘴理论而不赋予实践验证当中去，这样学到的知识也只不过是空洞无力的。只有通过将所学的知识应用于实际的操作中，让知识与实践相结合的形式，才能让我们将学到的东西举一反三，真正体现知识的重要性。也为今后毕业后在工作中能够具有较强的动手操作能力奠定基础。另外，在现代生活中，温度与湿度与人们的生活息息相关。温度与湿度在各个领域部门经常需要对其进行测量及控制。准确测量温湿度在一些领域中至关重要的，而传统的温度计是用水银的热胀冷缩性来度量温度的值，所以精确度不高，湿度计则采用干湿球显示法，不仅复杂而且测量精度不高。故在此我们使用单片机对温湿度进行测量，这样不仅控制方便，简单灵活，而且可以大幅度提高温度控制的技术指标，在测量中我们直接使用数码管进行对温湿度的数值进行显示，从而更容易读数。在本次设计中，我们采用DHT11数字温湿度传感器与单片机开发板相结合，从而设计出一个能够直接在LCD1602上直接显示出小范围环境中温度与湿度的数值，从而完成本次设计的要求。第一章 系统总体设计1.1 系统实现的主要功能 本系统所要实现的功能是：温湿度的实时检测和显示。通过LCD1602实时地显示传感器DHT11检测到的温湿度的值。1.2 系统的工作原理本次设计主要涉及了温湿度的测量、显示。所以再硬件方面涉及了单片机主控模块、传感器模块、LCD1602显示模块，共三大模块。 传感器模块使用DHT11数字温湿度传感器。通过DHT11检测当前环境下的温湿度，讲所测得的数据提交给单片机进行处理和分析。 LCD1602实现湿度与湿度的检测数值显示。1.3.总体构成1.3.1 总体设计框图 系统总体设计框图如图1.1所示。DHT11传感器模块P12AT89C51单片机P17LCD1602显示模块图1.1： 系统总体设计框图第二章 系统的硬件设计2.1 主控模块设计 本次课程设计使用的主模块为AT89C51为核心的芯片。使用时将P20口作为与DHT11数据端的传输口。 2.1.1主控模块引脚图 主控模块引脚图如图所示。2.2 DHT11传感器模块接口设计2.2.1 DHT11传感器简介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 3 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。DHT11实物图如图2.2所示。图2.2：DHT11 实物图（1）引脚介绍: Pin1：（VDD），电源引脚，供电电压为35.5V。 Pin2：（DATA），串行数据，单总线。 Pin3：（NC），空脚，悬浮。 Pin4：（VDD），接地端，电源负极。（2）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。DHT11接口如图2.3所示。图2.3：单片机与传感器接口（3）数据帧的描述：DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,具体格式在下面说明.操作流程如下:一次完整的数据传输为40bit,高位先出。数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据 +8bi温度整数数据” （4）电气特性：VDD=5V，T = 25，除非特殊标注。DHT11的电气特性参数条件Mintypmax单位供电DC355.5V供电电流测量0.52.5mA平均0.21mA待机100150uA采样周期秒1次注:采样周期间隔不得低于1秒钟。 （5）时序描述：用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。通讯过程如图2.4所示：图2.4：通讯过程图总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后, 读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可, 总线由上拉电阻拉高。通讯初始化如图2.5所示。图2.5通讯初始化要求图 总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示。如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。数字0信号表示方法如图2.6所示：图2.6：数字0信号电平变化图数字1信号表示方法如图2.7所示 图2.7：数字1数据线电平变化图LCD16021）LCD1602简介：工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）注：为了表示的方便 ，后文皆以1表示高电平，0表示低电平。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。2）管脚功能1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：GND为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，以51为例的简单原理图低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。特性3.3V或5V工作电压，对比度可调内含复位电路提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能有80字节显示数据存储器DDRAM内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM特征应用微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。操作控制注：关于E=H脉冲开始时初始化E为0，然后置E为1。字符集1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，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，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如A。因为CGROM储存的字符代码与我们PC中的字符代码是基本一致的，因此我们在向DDRAM写C51字符代码程序时甚至可以直接用P1=A这样的方法。PC在编译时就把A先转换为41H代码了。CGROM中字符码与字符字模关系对照表字符代码0x000x0F为用户自定义的字符图形RAM(对于5X8点阵的字符，可以存放8组，5X10点阵的字符，存放4组)，就是CGRAM了。0x200x7F为标准的ASCII码，0xA00xFF为日文字符和希腊文字符，其余字符码(0x100x1F及0x800x9F)没有定义。以下是1602的16进制ASCII码表地址：读的时候，先读左边那列，再读上面那行，如：感叹号！的ASCII为0x21，字母B的ASCII为0x42（前面加0x表示十六进制）。第三章 系统的软件设计3.1 总体程序框图流程图软件设计流程框图如图3.1所示 开始初始化 延时温湿度检测并传送数据回单片机数码管显示定时检测YN图3.1：软件设计流程框图3.2 Altium Designer电路设计软件简介Protel是目前EDA行业中使用最方便，操作最快捷，人性化界而最好的辅助工具。在中国用得最多的EDA工具，电子专业的大学生在大学基木上都学过Protel 99Se，所以学习资源也最广，公司在招聘新人的时候用Protel新人会很快上手。Altium声称中国有73%的工程师和80%的电子工程相关专业在校学生正在使用其所提供的解决方案，而目前正版率只有3%左右。产品历史:1985年诞生doc版Protel。1991年Protel for Widows。1997年Protel 98这个32位产品是第一个包含5个核心模块的EDA工具。1999年Protel 99构成从电路设计到真实版分析的完整体系。2000年Protel 99se性能进一步提高，可以对设计过程有更大控制力。2002年Protel DXP集成了更多工具，使用方便，功能更强大。2003年Protel 2004对Protel DXP进一步完善。2006年Altium Designer 6.0成功推出，集成了更多工具，使用方便，功能更强大，特别在PCB设计这一块性能大大提高。2008年Altium Designer Summer 8.0将ECAD和MCAD两种文件格式结合在一起，Altium在其最新版的一体化设计解决方案中为电子工程师带来了全面验证机械设计(如外壳与电子组件)与电气特性关系的能力。还加入了对OrCAD和PowerPCD的支持能力。2008年Altium Designer Winter 09推出，此冬季9月发布的Altium Designer引入新的设计技术和理念，以帮助电子产品设计创新，利用技术进步，并提出一个产品的任务设计更快地获得走向市场的方便。增强功能的电路板设计空间，让您可以更快地设计，全三维PCB设计环境，避免出现错误和不准确的模型设计。在本系统的电路原理图设计中使用Altium Designer 6.9进行设计，Altium Designer宣布发布Altium Designer 6.9，它是完全一体化电子产品开发系统的下一个版本。Altium Designer是业界首例将设计流程、集成化PCB设计、可编程器件(如FPGA)设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品。Altium Designer 6.9极大地增强了对高密板设计的支持，可用于高速数字信号设计，提供大量新功能和改进，改善了对复杂多层板卡的管理和异航，可将器件放置在PCB板的正反两面，处理高密度封装技术，如高密度引脚数量的球型网格阵列(BGAS)。以前这些高级的PCB设计技术被限定在“高级”的PCB设计产品，这些产品对大多数工程师来说价格昂贵。然而，Altium的理念是让电子设计变得更容易，Altium Designer 6.9让每一位工程师都能使用最新的设计功能。Altium Designer 6.9对差分信号提供系统范围内的支持，可对高速内连的差分信号对进行充分定义、管理和交互式布线。支持包括对在FPGA项目内部定义的LVDS信号的物理设计进行自动映射。LVDS是差分信号最通用的标准，广泛应用于可编程器件。Altium Designer可允分利用当今FPGA器件上的扩展I/O管脚。Altium Designer 6.9中的Board Insight系统把设计师的鼠标变成了交互式的数据挖掘工具。Board Insight集成了“警示”显示功能，可毫不费力地浏览和编辑设计中叠放的对象。工程师可以专注于其目前的编辑任务，也可以完全进入目标区域内的任何其他对象，这增加了在密集、多层设计环境中的编辑速度。Altium Designer 6.9引入了强大的“逃逸布线”引擎，尝试将每个定义的焊盘通过布线刚好引到BGA边界，这令对密集BGA类型封装的布线变的非常简单。显著的节省了设计时间，设计师无需手动就可以完成在一大堆焊盘间将线连接这些器件的内部管脚。Altium Designer 6.9极大减少了带有大量管脚的器件封装在高密度板卡上设计的时问，简化了复杂板卡的设计导航功能，设计师可以有效处理高速差分信号，尤其对大规模可编程器件上的大量LVDS资源。Altium Designer 6.9充分利用可得到的板卡空间和现代封装技术，以更有效的设计流程和更低的制造成本缩短上市时间。3.3 单片机控制电路在整个系统中，单片机控制电路是整个系统的核心，负责对采集到的信号进行处理和加工，并按照之前设定好的指令进行执行、运算，并将结果传送给相应的执行电路。3.4 执行电路执行电路在系统中充当执行任务，对单片机发出的指令进行响应，完成相应的操作。单片机通过传送的信号进行运算、处理之后将输出信号送给执行电路，继电器执行电路将对外部设备进行控制。3.5 串口通信电路串口通信电路采用经典的MAX232串口通信，由于电脑串口RS232电平是-10V+10V，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0V+5V，MAX232就是用来进行电平转换的，进行对单片机与电脑的通信，系统中采用MAX232串口通信电路。3.5.1 串口通信电路原理图系统采用的经典串口通信电路如下图所示：图4.1 串行口通信电路3.5.2 串口通信电路在系统中的优势系统中采用串口通信电路可与电脑进行通信，可以对单片机内的程序进行修改，并对相关的指令和相关的数据进行调整。并且可以针对性地将单片机与电脑进行通信，编写上位机软件程序，在上位机(电脑)上对系统状态进行实时监测，并可以让功能更强大的PC机进行庞大的指令处理。在本系统中，加入串口通信电路模块，可以使电路的完整性大大增强，并对系统的升级有极大的优势，可以是系统在双机通信、与上位机通信等方面拥有相对优势，使得设计更加完善。整体程序/*标题：LCD1602效果：本程序在液晶LCD1602上显示两行字符*/#include reg51.h/*IO引脚定义*/sbit LCD_RS=P10;/定义引脚sbit LCD_RW=P11;sbit LCD_E=P12;sbit io =P20;/dht11data端接单片机的P20口/ /*宏定义*/#define LCD_Data P0#define Busy 0x80 /用于检测LCD状态字中的Busy标识typedef unsigned char BYTE;typedef unsigned int WORD;#define uint unsigned int #define uchar unsigned char typedef bit BOOL;/此声明一个布尔型变量即真或假/ /*DHT11*/uchar data_byte; uchar RH,RL,TH,TL;/*数据定义*/unsigned char uctech = RH: :00 % ; unsigned char net = TE: :00 ;/*函数声明*/void WriteDataLCD(unsigned char WDLCD); /写数据void WriteCommandLCD(unsigned char WCLCD,BuysC);/写命令unsigned char ReadDataLCD(void); /读数据unsigned char ReadStatusLCD(void);/读状态void LCDInit(void);/初始化void DisplayOneChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char DData);/相应坐标显示字节内容void DisplayListChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char *DData);/相应坐标开始显示一串内容void Delay5Ms(void);/延时void Delay400Ms(void);/延时void delay(uchar ms); /延时模块void receive();/接收数据/ /*主函数开始*/void main(void)Delay400Ms(); /启动等待，等LCD讲入工作状态LCDInit(); /初始化Delay5Ms(); /延时片刻(可不要)DisplayListChar(0, 0, uctech);DisplayListChar(0, 5, net);while(1) receive();/接收数据/ uctech3=RH/10+0X30;uctech4=RH%10+0X30;net3 =(TH/10+0X30)-1;net4 =TH%10+0X30;net10 =0xdf;net11 =0x43; DisplayListChar(0, 0, uctech);DisplayListChar(0, 5, net);Delay5Ms(); /*短延时*/void Delay5Ms(void) unsigned int TempCyc = 5552; while(TempCyc-);/*长延时*/void Delay400Ms(void) unsigned char TempCycA = 5; unsigned int TempCycB; while(TempCycA-) TempCycB=7269; while(TempCycB-); /*延时函数* void delay(uchar ms) /延时模块/ uchar i; while(ms-) for(i=0;i100;i+); void delay1(void)/一个for循环大概需要8个多机器周期一个机器周期为1us晶振为12MHz也就是说本函数延时8us多此延时函数必须德稍微精确一点 uchar i; for(i=0;i1;i+); /* /*dht11*/*dht11测试某块*/void start()/开始信号 io=1; delay1(); io=0; delay(25);/ 主机把总线拉低必须大于18ms保证DHT11能检测到起始信号 io=1; /发送开始信号结束后拉高电平延时20-40us delay1();/以下三个延时函数差不多为24us符合要求 delay1(); delay1(); uchar receive_byte()/接收一个字节/ uchar i,temp; for(i=0;i8;i+)/接收8bit的数据 while(!io);/等待50us的低电平开始信号结束 delay1();/开始信号结束之后延时26us-28us以下三个延时函数 delay1(); delay1(); temp=0;/时间为26us-28us表示接收的为数据0 if(io=1) temp=1; /如果26us-28us之后还为高电平则表示接收的数据为1 while(io);/等待数据信号高电平0为26us-28us1为70us data_byte=1;/接收的数据为高位在前右移 data_byte|=temp; return data_byte; void receive()/接收数据/ uchar T_H,T_L,R_H,R_L,check,num_check,i; start();/开始信号/ io=1; /主机设为输入判断从机DHT11响应信号 if(!io)/判断从机是否有低电平响应信号/ while(!io);/判断从机发出 80us 的低电平响应信号是否结束/ while(io);/判断从机发出 80us 的高电平是否结束如结束则主机进入数据接收状态 R_H=receive_byte();/湿度高位 R_L=receive_byte();/湿度低位 T_H=receive_byte();/温度高位 T_L=receive_byte();/温度低位 check=receive_byte();/校验位 io=0; /当最后一bit数据接完毕后从机拉低电平50us/ for(i=0;i=0x20) /若到达字串尾则退出 if (X = 0xF) /X坐标应小于0xF