摘要

本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)的外部中斷部分以及LCD1602部分完成測量和顯示部分，利用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它憑借專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，單線制串行接口，無需額外部件；超長的信號傳輸距離；超低能耗；全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出；確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，使其成為該類應(yīng)用中，在苛刻應(yīng)用場合的最佳選擇。

引言

現(xiàn)如今隨著科學(xué)發(fā)展，單片機(jī)在檢測系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，而溫度濕度與我們生產(chǎn)生活密切相關(guān)。溫度濕度傳感器的應(yīng)用范圍不僅應(yīng)用于日常生活中而且也大量應(yīng)用于自動化和過程檢測系統(tǒng)控制。

單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)（Microcontrollers），是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)

在日常生活中，溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用很廣泛，例如：機(jī)房，檔案室，圖書館，材料加工場，大棚等場所；都必須嚴(yán)格控制環(huán)境的溫度和相對濕度，使其保持在一定的范圍內(nèi)。使用DHT11可以靈活簡單的檢測環(huán)境的溫濕度，由用戶設(shè)置一定的閾值，實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示，并且可以更具用戶的需求設(shè)計(jì)特定的報(bào)警裝置，當(dāng)溫度或濕度超過用戶設(shè)置的上限值時(shí)，立即報(bào)警。因此我設(shè)計(jì)了一款基于51單片使用DHT11傳感器的溫度濕度監(jiān)控系統(tǒng)，操作簡介，使用方便，很適合日常的監(jiān)測使用。

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是對溫度濕度的簡易測量。通過DHT11檢測環(huán)境的溫度與濕度，傳輸40位二進(jìn)制數(shù)據(jù)給89C51，單片機(jī)對40位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后由LCD1602液晶顯示器顯示環(huán)境的溫度濕度與用戶所設(shè)定的溫度濕度報(bào)警值。

1.1技術(shù)指標(biāo)與要求

(1)利用51單片機(jī)通過編程來控制溫度濕度的顯示。

(2)液晶要實(shí)時(shí)地準(zhǔn)確顯示外界的溫度與濕度。

(3)溫度范圍為0-50℃，濕度范圍20%-90%。

(4)可以根據(jù)實(shí)際用途設(shè)定溫度和濕度的報(bào)警值。

1.2設(shè)計(jì)原理及思路

DHT11傳感器原理圖所示：

在我的作品中單片機(jī)的P1^1用來發(fā)收串行數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)口。連接傳感器的Pin2（單總線，串行數(shù)據(jù)）。由于測量范圍電路小于20米，建議加一個(gè)5K的上拉電阻，因此在傳感器的Pin2口與電源之間連接一個(gè)5K電阻。而傳感器的電源端口Pin1和Pin4分別接單片機(jī)的VDD和GND端。傳感器的第三腳懸浮放置。

DHT11數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

DHT11數(shù)字濕溫度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式。即單個(gè)數(shù)據(jù)引腳端口完成輸入

輸出雙向傳輸。其數(shù)據(jù)包由5Byte（40Bit）組成。數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,具體格式在下面說明。

• 一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。
  

② 數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)

+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit校驗(yàn)和

③ 校驗(yàn)和數(shù)據(jù)為前四個(gè)字節(jié)相加。

④ 傳感器數(shù)據(jù)輸出的是未編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)(濕度、溫度、整數(shù)、小數(shù))之

間應(yīng)該分開處理。如果，某次從傳感器中讀取如下5Byte數(shù)據(jù)：

byte4     byte3    byte2    byte1    byte0

00101101 00000000 00011100 00000000 01001001

整數(shù)      小數(shù)      整數(shù)     小數(shù)    校驗(yàn)和

⑤ 濕度 溫度 校驗(yàn)和 由以上數(shù)據(jù)就可得到濕度和溫度的值，計(jì)算方法：   

Humi (濕度)= byte4 . byte3=45.0 (％RH)      

Temp (溫度)= byte2 . byte1=28.0 ( ℃)

check校驗(yàn))= byte4 + byte3+ byte2 + byte1 =73(=Humi+Temp)(校驗(yàn)正確)

⑥ 注意：DHT11一次通訊時(shí)間最大3ms，主機(jī)連續(xù)采樣間隔建議不小于100ms。

集成模塊555電路原理圖見圖1-2-2。

由 555 定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖1-2-3所示，其工作波形見圖 1-2-4。

接通電源后，電源 VDD 通過 R1 和 R2 對電容 C 充電，當(dāng) Uc<1/3VDD 時(shí)，振蕩器輸出Vo=1，放電管截止。當(dāng) Uc充電到≥2/3VDD 后，振蕩器輸出 Vo 翻轉(zhuǎn)成 0，此時(shí)放電管導(dǎo)通，使放電端 (DIS)接地，電容 C 通過 R2 對地放電，使 Uc 下降。當(dāng) Uc 下降到≤1/3VDD 后，振蕩器輸出Vo 又翻轉(zhuǎn)成 1，此時(shí)放電管又截止，使放電端 (DIS) 不接地，電源 VDD 通過 R1和 R2 又對電容 C 充電，又使 Uc 從 1/3VDD 上升到 2/3VDD,觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，從而在輸出端 Vo 得到連續(xù)變化的振蕩脈沖波形。脈沖寬度 TL≈0.7R2C，由電容 C放電時(shí)間決定；TH=0.7(R1+R2)C ，由電容 C 充電時(shí)間決定，脈沖周期 T≈TH+TL 。

因此使用NTC熱敏電阻代替圖1-2-3中的R2即可利用該電路所測得的溫度轉(zhuǎn)變成矩形波，通過一定的計(jì)算制出表格。

長壽命 NTC熱敏電阻=高安全+高品質(zhì)。

將測溫所得的輸出的信號輸入單片機(jī)，通過STC89C52單片機(jī)的編程實(shí)現(xiàn)采集，并利用LCD1602加以顯示。

STC89C52單片機(jī)是宏基公司生產(chǎn)的高性能 8 位單片機(jī)，晶振采用12MHz，如圖1-2-3所示，分別接入XTAL1和XTAL2，復(fù)位電路如圖1-2-4所示。

外部中斷觸發(fā)方式：電平觸發(fā)（如IT0=0）、下降沿觸發(fā)（如IT0=1）

初始化步驟（外部中斷INT0為例）：

EA=0；                            //開總中斷

EX0=1;                                          //開INT0中斷

1.3理論計(jì)算

由公式可知：555多諧振蕩器電路輸出的矩形波的高低電平、脈沖周期、頻率、占空比均與外置電路的電容容值和電阻阻值有關(guān)。本設(shè)計(jì)單片機(jī)軟件部分所涉及的主要是頻率與溫度的轉(zhuǎn)換。通過查詢NTC熱敏電阻的詳細(xì)使用手冊可知下列結(jié)論。

NTC熱敏電阻的溫度特性可用下式近似表示：

式中： RT：熱敏電阻器在溫度 T時(shí)的零功率電阻值。

T：為絕對溫度值，K；

• B、C、D：為特定的常數(shù)。
  

10KΩ的NTC熱敏電阻在溫度為10℃～35℃時(shí)對應(yīng)的電阻值如下：

  得到如下計(jì)算公式 溫度=-0.00003*頻率^2+0.0817*頻率-17.707。

1.4 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

程序流程圖見圖1-4-1。

利用了STC89C52單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器和一個(gè)外部中斷實(shí)現(xiàn)功能，使用P3^2端口的外部中斷INT0的下降沿觸發(fā)方式（IT0=1），配置1602顯示所獲得溫度數(shù)據(jù)。由于定時(shí)器無法直接定時(shí)1s，故本程序采用定時(shí)50ms，進(jìn)入20次中斷執(zhí)行一次的方式間接定時(shí)1s，故多了一個(gè)是否為1s的判斷。當(dāng)一秒鐘結(jié)束時(shí)，外部中斷中的計(jì)數(shù)即所測得頻率，根據(jù)上表溫度和頻率的對應(yīng)數(shù)據(jù)，編寫程序驅(qū)動1602顯示對應(yīng)的溫度值。

2 方案比較與選擇

方案一：

利用溫度傳感器DS18B20測量溫度，其余部分電路與本設(shè)計(jì)相同。總體框圖見圖2-1-1。

   優(yōu)點(diǎn)：主要優(yōu)點(diǎn)有精度較高，制作方便、結(jié)構(gòu)簡單、元件體積小。

缺點(diǎn)：溫度傳感器DS18B20單價(jià)4.87元/個(gè)，不適合大批量生產(chǎn)。

方案二：

利用555多諧振蕩器加上NTC熱敏電阻測量溫度，采用STC89C52單片機(jī)的外部中斷部分以及LCD1602完成測量和顯示部分。

優(yōu)點(diǎn)：元器件價(jià)格低廉，性價(jià)比較高。

缺點(diǎn)：電路以及計(jì)算以及軟件方面復(fù)雜，精度較低，最多只能精確到1℃。

由于方案二的制作較為簡便，價(jià)格便宜，性價(jià)比高，適合用于工業(yè)生產(chǎn)，較有創(chuàng)新性并且存在較高的未來市場價(jià)值，有廣泛的應(yīng)用前景，所以本設(shè)計(jì)采用的方案為方案二。

3 仿真電路圖及元件清單

3.1 555振蕩電路仿真電路

3.2 555振蕩電路仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明：隨著R2減小，溫度升高，對應(yīng)的矩形波的頻率增大。

3.3 單片機(jī)程序仿真

3.4 單片機(jī)程序仿真結(jié)果

4 電路圖及軟件程序

4.1原理圖

4.2 pcb電路圖

4.3 實(shí)物圖

4.4 軟件部分

附10K_NTC電阻隨溫度變化曲線圖

將10K的NTC電阻的各溫度對應(yīng)的電阻值輸入excel表格中，選中數(shù)據(jù)，建立圖表并修改橫縱坐標(biāo)為R和T可得到總關(guān)系圖與不同分段的曲線如下。

圖5-1 NTC電阻在-40℃~0℃時(shí)特性曲線

-40℃~0℃曲線見圖5-1，由圖可知在該分段中，10K_NTC電阻的R-T曲線非成線性關(guān)系，隨著溫度的增加，電阻的變化趨勢越來越小（斜率越來越小）。

圖5-2 NTC電阻在1℃~33℃時(shí)特性曲線

1℃~33℃曲線見圖5-2，由圖可知在該分段中，10K_NTC電阻的R-T曲線基本成線性關(guān)系，隨著溫度的增加，電阻的變化趨勢越來越小（斜率越來越小）。

圖5-3 NTC電阻在34℃~100℃時(shí)特性曲線

34℃~100℃曲線見圖5-3，由圖可知在該分段中，10K_NTC電阻的R-T曲線成非線性關(guān)系，隨著溫度的增加，電阻的變化趨勢越來越小（斜率越來越小）。

圖5-4 NTC電阻在101℃~127℃時(shí)特性曲線

101℃~127℃曲線見圖5-4，由圖可知在該分段中，10K_NTC電阻的R-T曲線基本呈線性關(guān)系。