家用数字式温度湿度表设计论文.doc

2013级电子信息工程专业毕业论文（设计）
密 级 公 开 学 号

衡水学院
毕业论文（设计）

家用数字式温度湿度表设计

论文作者
：

指导教师
：

系别
：：
物理与电子信息系
专业
电子信息工程
年级
：
2013级
提交日期
：

答辩日期
：

毕业论文（设计）学术承诺
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作者签名： 指导教师签名：

日 期： 日 期：

论文题目：家用数字式温度湿度表设计
摘 要：在环境情况测量的过程中，主要的两个测量点为温度测量和湿度的测量。在当今的生产生活过程中，温度和湿度的测量也逐渐变得重要。随着经济不断发展，人们的物质生活水平提高，对生活环境的要求也变得愈加重要。因此，创造一个舒适温馨的家庭也越来越得到人们的重视。所以，研究温湿度测量装置就变得更加重要。
此次设计题目是家用数字式温度湿度表的设计，主要分为温度湿度传感器检测单元块，单片机控制单元，另外还有数字式显示单元以及报警电路四个模块组成。主要是以STC89C52型号单片机作为主控制芯片，由温湿度传感器检测和温湿度显示以及报警电路三部分组成。温湿度传感器模块使用准确度较高、性能较好的DHT11作为检测单元，数字显示模块以LCD1602型号的液晶显示屏作为显示单元，它们分别通过串行口与微处理器进行数据传输。软件部分由C语言进行程序的编写和调试，从而达到温湿度检测的目的。

关键词： LCD1602；DHT11；温湿度检测

III

TITLE：DESIGN OF HOUSEHOLD DIGITAL TEMPERATURE AND HUMIDITY GAUGE
Abstract: In the process of environmental condition measurement，the main two points for temperature and humidity measurement. In the process of today's production and life，temperature and humidity measurement has become important. Along with economic development，people's material life level enhancement，to the living environment has become increasingly important. Therefore，to create a comfortable family is becoming more and more get people's attention. Therefore research on temperature and humidity measuring devices becomes more important.
This design topic is the design of the household digital temperature humidity table，mainly divides into the temperature humidity sensor detection unit， single-chip microcomputer control unit，in addition，a digital display unit and alarm circuit of four modules. Mainly STC89C52 SCM model as the main control chip，the detection of temperature and humidity and temperature and humidity display and alarm circuit of three parts. Temperature and humidity sensor module USES the high accuracy and good performance DHT11 as detection unit，digital display module to LCD1602 models of liquid crystal display monitor as a display unit, respectively through serial port and the microprocessor for data transmission. Software part written by C language to program and debug，so as to achieve the purpose of the temperature and humidity test.

Key words：LCD1602；DHT11；Temperature And Humidity Measurement

目 录
摘 要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
1 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2设计的目标要求 2
2 系统硬件电路的设计分析 3
2.1主控CPU的设计与电路分析 3
2.1.1 系统MCU的简单分析 3
2.1.2 主控制器简介和电路分析 3
2.2温湿度检测模块的设计和电路分析 4
2.2.1传感器的选择及简单介绍 4
2.2.2传感器电路分析 5
2.3液晶显示模块的设计和电路分析 6
2.3.1 显示器的选择和简介 6
2.3.2 显示器电路设计 6
2.4报警电路模块的设计和电路分析 7
3系统软件分析思路设计 8
3.1 主要编程思想 8
3.2 温湿度检测传感器驱动分析 8
3.2.1检测驱动程序流程 8
3.2.2 系统误差的调试 9
3.3 液晶显示屏驱动程序分析 10
3.3.1显示驱动程序思路 10
3.3.2显示程序流程 10
4 系统测试部分 111
结语 12
参考文献 13
致谢 14
附录 15

1 绪论
1.1研究背景和意义
对于温度的测量，目前，大多数家庭的温度测量仪器仍然是一个水银温度计。虽然普遍使用，但是水银是一种毒性液态物质，打碎之后不仅会释放水银而且玻璃碎片也容易伤害身体。另外，水银温度计的测温方法对于读数来说，不是较容易。对此一些国家和城市已经采取措施甚至杜绝再生产。除此之外，代替水银温度计的还有酒精和金属簧片温度计，尽管它们没有毒性，但是测量准确的度还是很低，只能做一个大概的读数。对于更高温度的测量则需使用热电耦，它的工作原理是利用两种不同金属导线的相互连接，由于两连接点的温度差别而产生电动势。
对于湿度的测量也拥有悠久的历史，汉朝初年就已经出现，主要是利用天平的偏差来测量干湿度。天平测量法是利用两个相等的重量但是不同的吸湿效果的物体，分别挂在两端的平衡。一旦两端吸湿性不同的物体发生质量偏差，天平也会随之倾斜。由此，就能粗略的了解空气中的湿度情况，得出结果。
到了近代，出现了温湿度一体的测量仪器，实现了测量的一体化，再加上数字式显示器，从而使测量结果更加便捷的显示出来，一体化的温湿度测量传感器也普及到各行各业包括家庭。
人民的生活水平较高，物质生活也要求越高对居住环境的需求将变得更高。因此，作为环境的参考因素，温度和湿度的测试再人们的思想中变得越来越重。因此，为了更加舒适的生活，也为了及时采取相应措施改善需要对当前生活环境的温湿度进行检测。传统的测温方法采用水银温度计，虽然价格低廉，方法简单，但是读数不易且精确度不高，人工读数的方法使得误差较大。对于湿度的检测，干湿球检测法为最传统的方法，但是这个检测方法的过程较复杂而且测量结果准确度不高。为了更加方便的读数和测量，选择一款功能良好的温湿度传感器显得尤为重要。
在当今社会发展过程中，对于温湿度的检测逐渐发挥重要作用。适宜的温湿度不仅可以营造温馨的生活环境，使我们的生活舒适，同时更有利于物品的保存和储藏。因此，设计一款家用数字式温湿度表具有重要意义和极高的必要性。
1.2设计的目标要求
根据家用温湿度表的设计要求，本次设计的拟实现的主要功能为：
1）测量结果需达到家用温湿度的检测要求，并且得到更高准确度的测量结果。与此同时显示的数字化，以及方便快速的实现对温湿度的测量；
2）主要由四大功能单元模块组成的测量装置。硬件部分，设计要求方便可行，并且易于操作；
3）与其他测量温湿度的仪器比较的情况下，价格实惠，应用性强，性价比相对较高。
根据家用温度湿度表装置的设计要求，本次设计拟解决的主要问题有：
1）将传感器检测单元与主控制器52单片机控制单元相结合，从而实现对生活环境中温度湿度的数据传输和处理。同时利用液晶显示器显示单元实现对测量环境中温度、湿度的数据显示。此外还有各种单元模块之间电路的设计；
2）完成温湿度传感器、单片机及液晶显示器的选取工作，以及各种程序的编写和仿真；
3）完成对主控制器52单片机，温度湿度检测单元，报警电路以及液晶显示模块的程序调试。

2 系统硬件电路的设计分析
2.1主控CPU的设计与电路分析
2.1.1 系统MCU的简单分析
根据家用温湿度测量装置的设计要求，系统主要由主控制器52单片机模块，温度湿度传感器模块，液晶显示模块以及报警电路四大模块组成。总体框图如图2-1所示。温湿度检测单元主要实现对温湿度数据的数字信号传送。在进行测量之后，将温湿度的数据信号传送给系统主控制器。主控制器用来处理由温湿度传感器输送来的测量数据，与此同时把经过处理的温湿度数据输送到液晶显示模块。液晶显示模块主要是对52单片机处理过的温湿度信号进行数字式显示，便于人们进行读数。

MCU

温湿度传感器

液晶显示

报警电路

图2-1 总体框图
2.1.2主控制器简介和电路分析
系统主控制器选用型号为STC89C52的单片机最小系统，该型号的单片机是具有性能稳定，而且节约能源特点的微控制器。8 k在系统可编程闪存，8位CPU、32个I/O端口，3个16位定时器/计数器，四个外部中断。同时还包括一个7级矢量4中断结构。512字节的内存和全双工串行端口。
STC89C52芯片有40引脚。设计的电源电压5V直流稳压电源。复位电路和谐振电路组成的电路。复位电路是单片机复位销RST电容和电阻连接，实现单片机上电复位。晶体振荡电路使用11.0592 MHz无源晶振，使用两个30 pF电容器起并联共振效应。
根据设计的要求，采用的单片机最小系统的外围电路简单方便易行，如图2-2。

图2-2 单片机最小系统电路图
2.2温湿度检测模块的设计和电路分析
2.2.1传感器的选择及简单介绍
温湿度检测单元选用DHT11型号的测量器件，它是一种优质的传感器，快速反应和抗干扰能力强，因此价格是非常高的。传感器4针封装、连接到单片机很简单，从而使系统集成变得容易和方便。体积小、功耗低，使得该产品在同类型产品中更受欢迎，也因此广泛应用于测量装置系统中。
传感器的性能技术参数表2-1所示。

表2-1 性能技术参数指标
型号
测量范围
测湿精度
测温精度
分辨力
封装
DHT11
20－90％RH
0－50℃
±5％RH
±2℃
1
4针单排直插
DHT11的供电电压为3－5.5V。传感器在连接完成后，应该等待 1s 以跨过不稳定状态在这段时间内无需发送指令。电源引脚之间也要添加一个100nF 的电容，用意在于去耦滤波。强调连接线长度少于20米时需加5K上拉电阻，超过20米时依据当时情况选用适合的上拉电阻。传感器引脚说明如表2-2所示。
单片机与传感器用单总线输出方式连接。一次只能传输40bit，分别为湿度位的整数和小数位，温度位的整数和小数位，还有校验位，分别是八位，并且一次通信4ms左右。

表2-2 引脚说明表
Pin
名称
注释
1
VDD
供电 3－5.5VDC
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，请悬空
4
GND
接地，电源负极

2.2.2 传感器电路分析
DHT11通过数据输出接口与MCU进行数据的传送。而且DHT11模块需要单独5V供电，数据传输接口需要外接上拉电阻，用以提供稳定的电压，保证数据的有效实时的传输。传感器接口设计如图2-3所示。

图2-3 DHT11接口设计

2.3液晶显示模块的设计和电路分析
2.3.1显示器的选择和简介
显示器模块选用的是型号为LCD1602的液晶显示器，1602采用标准的16脚接口，其主要参数如表2-3所示。
表2-3LCD1602主要参数表
项目
参考值
逻辑工作电压
+4.8 ~ +5.2V
LCD 驱动电压
+3.0 ~ +5.0V
工作温度
-20 ~ +70℃（宽温）
储存温度
-30 ~ + 80℃（宽温）
工作电流（背光除外）
1.7mA(max)
工作电流（背光）
24.0mA(max)

LCD1602是属于工业字符型液晶，智能显示液晶屏大小为5*8的数字点阵模，根据系统设计要求能够很清楚的显现出所需要的数字和字母。单色的液晶屏可以根据不同的需求设置背光，不需要背光时电流更小，对屏的损坏也会减少到最低；但是一般情况下白天可以设置成低背光，用以增长使用液晶显示屏的使用寿命。根据不同的情况和需求可以对亮度经行适当的调整，从而达到最佳的使用效果。
2.3.2显示器电路设计
LCD1602模块是一款智能显示终端，为环保型液晶显示模块，内部自带数字元、英文字库、符号库，方便显示和用户使用。液晶显示单元是对要定时的时间进行显示。当给LCD1602上电后，该模块将恢复到默认的状态，并根据相应的按键设置显示时间。LCD1602的数字显示是系统使用的主要方面的，而且此功能被最大化的用于该系统。

图2-4 显示模块接口电路图

LCD1602拥有7个引脚，为了确保显示数字稳定，需要5V直流电源供电。串口连接到微控制器的PA9、PA10，即串口1。接口电路如图2-4所示。
2.4报警电路模块的设计和电路分析

图2-5 报警电路模块接口电路图

将蜂鸣器正极连到VCC电源上，将蜂鸣器负极接三极管发射极E，三极管基级B通过限流电阻被单片机引脚控制。
报警电路模块的接口电路，如图2-5所示。
3系统软件分析思路设计
3.1主要编程思想
软件部分也是该系统最重要的一部分，硬件只是实现模块的有机连接，软件编程部分才是系统的大脑支配。经过编写，运行，调试，软件部分基本可以实现所需要的大部分功能。流程图如图3-1。
开始

开总中断

允许外部中断和定时器T0、T1中断

1602初始化显示及T0、T1初始化设置

读取温度值

判断温度是否超出范围

温度显示

判断湿度是否超出范围

湿度显示

图3-1 程序流程图
3.2 温湿度检测传感器驱动分析
3.2.1检测驱动程序流程

启动

读出数据湿度并显示

计算湿度值
数据端口定义

写入测湿命令
写入测温命令

读出数据温度并显示
计算温度值

图3-2 检测驱动程序流程图

程序启动之后，会进行依次的执行代码，中途会进入不同的中断。温湿度检测的中断程序，是对温湿度的实时监测。开启并进入中断之后，数据经行初始数据口的定义，写入并计算温度值，然后写入并计算湿度值，最后显示家庭的温湿度数据。程序流程如图3-2所示。
3.2.2 系统误差的调试
传感器或多或少会有误差，这都是在所难免的，最大的问题是如何实现把误差最小化。
选用的温度湿度传感器的参数和理想状态会有所区别，因此结果会稍微偏离，导致误差。基于所需要的传感器的温度范围，湿度范围，精确度大小，传感器反应速度等一系列的问题，最终选定了DTH11。还有如今传感器种类繁多，根据设计等多方面因素，分析出此传感器可以的湿度误差在5%RH左右，温度误差在2摄氏度左右，是一款相对稳定的传感器。
系统选用的语言编写方式也会造成误差。空气中的温湿度时时刻刻都在发生这变化，但温湿度的测量不可能短时间的更新。这就会造成很可能在观测者观察温湿度的时候出现温湿度滞后的情况，降低了温湿度检测的精确度。因此，在设计中应该充分考虑，经行反复的运行和调试，让检测误差缩到最小。
3.3 液晶显示屏驱动程序分析
3.3.1显示驱动程序思路
LCD1602液晶显示屏的引脚较多，需要依次与MCU连接，因此模块的编程相对来说有一定的难度。主要是数字显示部分及常用的字符编程。程序开始运行时，单片机内部发送起始信号，让液晶屏显示进入初始化，根据命令码设置初始状态，也就是数字显示所处液晶屏的相对的位置。然后处理显示屏中内容的编辑、字体大小、屏幕的亮度等一系列的情况，全部设置完毕并校验无误后发送字符串进行显示。
3.3.2显示程序流程
LCD初始化

Y
判断LCD忙

N

允许写数据

显示

结束

图3-3 显示程序流程图

首先要对显示单元的状态进行判断，因此就要先对LCD1602格式初始化。经初始化设置后，液晶显示屏上显示的即为初始状态的温湿度值。之后进行数据的处理，如果显示模块处于忙碌的状态就进行写数据，只有当显示模块出于非忙的状态时，才进行数据的读写。然后在显示屏才能显示出来，并进行不断的更新数据流。程序流程如上图3-3所示。
4 系统测试部分
当装置的软硬件部分有机连接之后，就要在模拟环境中对系统进行检查和整改。检测的次数越多，系统就能尽快的达到最佳状态。测试的主要部分分为软件和硬件，记录是否可以使软件所运行的功能在硬件上有效的实施。关于硬件部分功能的检测，主要以显示部分和传感器部分为主，看两部分是不是能够按计划正常运行和显示。测量出的结果最好能与其他使温湿度测试仪的测量结果进行比对，从而提高系统的精确度。
对软件程序进行初步测试是对软件部分开始检测的第一个步骤。看看液晶屏有无初始化，显示最先上电时的温湿度值。在一段时间之后，再次观察显示器模块的温度湿度的显示值。对程序设置断点。当测量结果温湿度显示值超过上限或下限值时，要观察程序是否脱离温湿度测量的程序进行报警。观察系统在温度和湿度都在正常范围时，能不能准确无误的执行程序步骤。然后测试中断程序是否在出发后能进入中断。通过对软件的测试完成之后，我们还要对系统的硬件组成各单元进行测试。电路的有效节点是不能连接正常，有没有出现焊接不到位现象，或者有没有发生电路短断路的情况出现。经过软件和各个模块化的测试和调试，系统基本可以实现所需要的功能，并且达到预期的要求。测试的过程中并没有出现黑屏或者温湿度显示有较大偏差的情况。与其他的温湿度检测仪器的测量结果相比较而言，误差相差不大，在不等精度测量的范围内是可以接受的。系统在严格的测试检测情况下并没有出现其他异常的情况。

结语
本次设计主要研究的是基于单片机的家用温度湿度检测装置，装置主要分为四大功能单元模块：52单片机为主控制器，温度湿度传感检测单元，数字式液晶显示单元以及报警电路单元共四大单元模块。设计是以STC89C52型号的单片机为控制核心，温湿度检测器DHT11为温湿度数据采集单元，液晶显示器LCD1602为数字显示单元。DHT11具有较高品质、迅速的反应、功耗低的特点。这些优点使得其成为普遍应用于各行各业的温湿度检测器件，且4针引脚封装，电路简单。此外，输出为单总线数字信号的LCD1602型号显示器具节约能源，较小的体积和显示内容的丰富使其受广大消费者的欢迎。超薄轻巧，便于使用。温湿度数据通过传感器输入单片机进行处理，由单片机输出到液晶显示器进行显示，方便读数。
家用数字式温湿度传感器的设计，克服了传统温湿度测量的读数不方便，测量复杂的缺点，方便了家庭的日常生活和对食物的储藏保存。此设计基于单片机的温度湿度检测系统，不仅设计简单且价格低廉，适合大多数的家庭使用，满足大多数人群的家庭基本需要。
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2013级电子信息工程专业毕业论文（设计）
参考文献
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致谢
这次毕业论文能够顺利完成，首先我要感谢我的指导老师侯晓云老师，如果不是老师的耐心指导，悉心关怀，我不可能如此顺利的完成。从毕业设计的选题一直到毕业论文的完成，老师都给予了我极大的帮助。老师的关爱和指导对我的学业和生活都起了莫大的作用。老师严谨的教学态度，悉心的研究精神，和蔼的待人方式都是我的指路明灯，我的学习榜样，我前进的方向。
另外，我也要感谢我的同学，我的室友，在论文的撰写过程中，她们也给予了很大帮助，给我提出了很多实用的意见和很大鼓励。在宿舍人员的大力支持和鼓励的情况下，我们共同进步，互勉互励。
最后，我要感谢我的父母家人，是他们对我的鼓励和支持让我不断前行，给我了我坚持的动力，在我无助迷茫的时候，给我的关心和爱护，让我能够一往无前，在人生的道路上努力进取，奋力拼搏。
毕业在即，不管是在今后的工作还是生活中，我会带着老师同学的期望，父母家人的鼓励，怀着感恩的心，在人生的路上不断奋斗前行！

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附录

1. 基于单片机和DSP的卷绕控制器数据采集和通讯设计
2. 基于MSP430单片机的柴油发电机监控器的设计
3. 基于CPLD/FPGA和单片机的爆速仪设计
4. 基于单片机控制的晶闸管中频感应电源的研制
5. 基于十六位单片机的电力设备故障在线监测装置的设计与算法研究
6. 基于SPCE061A单片机的语音识别系统的研究
7. 基于PIC单片机的生物机能实验装置的研究
8. 基于Motorola MC68HC08系列单片机演示系统的设计与实现
9. 基于TCP/IP协议的单片机与INTERNET互连的设计与实现
10. 基于嵌入式实时操作系统和TCP/IP协议的单片机测控系统
11. AVR 8位嵌入式单片机在车载全球定位系统显示终端中的应用
12. 基于AVR单片机的250W HID灯电子镇流器的研究
13. 基于单片机的TCP/IP技术研究及应用
14. 基于P87C591单片机的CAN总线应用层协议的研究
15. 基于单片机实现对二级倒立摆的控制
16. C8051FXXX系列单片机仿真器的研制
17. 基于80C196MC单片机控制的变频调速及配料控制系统的应用研究
18. 基于单片机的胶印机控制系统开发研究
19. 基于凌阳单片机的二次压降全自动测量仪的研制
20. 基于单片机的超声测距系统
21. 基于MOTOROLA单片机的专用电池组智能充电仪
22. 全站仪动态测量的研究以及其与单片机在轨道式龙门吊实时检测中的应用
23. 一种基于80C196KC单片机的新型电子负载的设计
24. 基于单片机的对讲系统的研究开发
25. 基于单片机的微波加热沥青路面再生修复机温度控制器的开发与研究
26. 基于单片机ATmega128的嵌入式工业控制器设计
27. 基于单片机的压电闭环微位移控制系统的研究
28. 基于单片机的高压静电除尘整流设备的自动监控系统设计
29. 采用W78E58单片机的酸碱浓度检测技术
30. 基于单片机的粮库温度监控系统设计
31. 基于单片机控制的微型轴流式血泵外磁驱动系统研究
32. 基于AVR单片机的电动自行车控制系统研究
33. 基于PIC单片机的配电网综合参数测控仪研究
34. 全自动包装机的单片机控制研究
35. 基于单片机系统的Java虚拟机研究与设计
36. 基于智能传感器和单片机的温度监测系统
37. 基于DSP和单片机的数据采集与处理系统的设计
38. 基于单片机的在线测试技术的研究
39. 分散式智能测控终端的研制——基于单片机的大容量固态存储技术的设计实现
40. 基于单片机的定尺飞锯切割机控制系统设计
41. 基于196单片机的开关磁阻电机调速系统设计
42. 基于EDA技术的兼容MCS-51单片机IP核设计
43. 基于单片机的嵌入式USB主机研究与实现
44. 单片机控制连续固体激光器高频开关电源的研制
45. 基于MSP430单片机的微机自动准同期装置
46. 基于MSP430单片机中小型水轮机微机调速器的设计与研制
47. 基于单片机的便携式心电监测系统的研究
48. 基于单片机和CAN总线的混凝土搅拌站控制系统设计
49. 基于单片机的全位置自动焊接控制系统的研究
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