基于单片机AT89S51的温湿度控制仪_薛玲.pdf.doc
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1、检测与仪表 化工自动化及仪表, 2010, 37(7):66 69 ControlandInstrumentsinChemicalIndustry基于单片机 AT89S51的温湿度控制仪薛 玲a,孙 曼a,张志会b,夏莉丽a, 魏希文a(四川大学 a.电气信息学院;b.制造科学与工程学院, 成都 610065)摘要: 在对国内外同类产品分析研究的基础上, 作者设计了一种基于单片机控制的温湿度控制仪, 从硬件 和软件两方面设计并实现了对温湿度的精确控制, 该控制系统主要采用 AT89S51、LED显示器、SHT11 等芯片, 并 对其组成以及硬件电路进行了详细的介绍, 阐述了温湿度控制系统的工作
2、原理以及设计方法。 最后通过系统软 硬件联机调试, 实现了温湿度信号检测与控制 , 到达了预期要求。关键词: 温湿度控制;单片机;SHT11中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1000-3932(2010)07-0066-04学习文档 仅供参考1 引 言 温 、湿度控制广泛应用于人们的生产和生活中 ,人们通常使用温度计、湿度计来采集温度和湿度 ,通 过人工加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度 , 这样不但控制精度低、实时性差 ,而且操作人员的劳 动强度大。即使有些用户采用半导体二极管作为温 度传感器 ,但由于其互换性差 ,效果也不理想 1 。在 某些行业中对温湿度的要求较高 ,
3、 由于温度过高或 过低引起的元器件失效或由于环境湿度过高而引起 的事故时有发生 ,对系统的可靠运行造成影响 ,甚至 危及到系统局部及操作人员的安全。所以实施对温 度的监控也日显重要。针对这一情况 , 作者结合微 电子技术和 AT89 系列单片机技术研制了一种稳定 性高、成本低的温湿度控制仪 2 。2 系统组成及工作原理这种基于单片机控制的温湿度控制仪的控制系 统工作原理如图 1所示。该温度控制仪的控制系统 不以 PC上位机作为数据处理器 , 而是直接以单片 机作为其控制系统的核心部件 , 其硬件电路以 AT89S51为核心 ,并配以键盘 、LED显示器 、继电器 等元件。其中硬件电路部分主要由
4、时钟电路、上电 复位电路、595 引脚电路、键盘接口电路、LED显示 电路以及继电器接口电路组成 3 。图 1 系统原理图其中时钟电路部分主要是为了保证电脑的正 常工作 ,并使内部各功能电路必须在该时钟信号的同步下按时序工作。上电复位电路的作用主要是将 电脑内部的硬件初始化 ,使 CPU和系统中的其他 部件都处于这个确定的初始状态 , 并从这个状态开 始工作。 595引脚电路的作用主要是将温湿度控制 仪内部的硬件电路联系在一起。键盘接口电路主要 是用来控制以及查询电路的 ,通过键盘设置温湿度 的上下限值 ,使得温湿度在期望值之内 ,当温湿度超 过上下限值 ,报警电路接通 ,随后通过单片机控制继
5、 电器使温度回到设定值之内。 LED显示电路是采用 软件动态扫描四位数码管的方式 , 及时地将室内的 温湿度显示出来 , 完成对温湿度的实时监测。 继电 器接口电路起着自动调节、安全保护、转换电路等作 用 4 。整套系统是利用 AT89S51 单片机作为控制 系统的核心来采集周围环境的温湿度值 , 以数字量 的形式存储和显示 ,并独立作为一种设备对温湿度 进行控制 ,经过简单的运算 ,发出各种控制命令 ,并 能动态地显示当前温湿度值 ,设定目标控制温湿度 值 ,同时 ,作为数据采集装置 ,为上位机进行复杂运 算决策提供数据来源。3 主要硬件电路设计3.1 时钟电路单片机的工作过程就是不断执行指
6、令的过 程 5 。 CPU每执行一条指令,都要经过取操作码、取 操作数和执行等几个过程 , 这些有效的操作都是在 CPU时钟脉冲控制下有序的进行 , 而这些脉冲就是 由 CPU的定时控制器提供的 ,因此该温湿度控制仪 的时钟电路主要是利用了 MCS-51 单片机芯片内部 的一个用于构成时钟振荡电路的高增益反相放大 器 , XTAL1为该放大器的输入端 , XTAL2为输出端 ,收稿日期:2010-03-02(修改稿) 第 7期 薛 玲等.基于单片机 AT89S51的温湿度控制仪 67在 XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件 , 内部振 荡电路便产生自激振荡 ,故该系统使用的是内部方
7、式产生时钟 ,其时钟电路原理如图 2所示。图 2 时钟电路原理图3.2 键盘接口电路按键连接方式有两种 :独立式按键和矩阵式键 盘 ,本次设计采用了独立式非编码 4 4 键盘 , 是每 个按键独立地占用一条数据输入线 ,当某一按键闭 合时 ,相应的 I/O线变为低电平 ,这样通过键盘上的 高低电平来检测有无按键被按下 ,读入相应的数值 , 键盘输入的是温 /湿度的阀值 , 键盘接口电路如图 3 所示。图 4 继电器接口电路3.5 复位电路复位电路采用了高电平复位 , 刚上电时电容两 端没有电压 ,三极管不导通 , 节点 RESET被 R45 拉 至高电平 ,随着电容充电的进行两端电压逐渐升高
8、, 直到三极管进入导通状态 , R45 有电流流过 , RESET 电压降低 , 最后三极管饱和 , RESET点的电压只是 三级管的饱和压降 , 0.3 V左右 , 至此完成复位 , 复 位时间是电容充电时间 7 。复位电路如图 5 所示。图 3 键盘接口电路3.3 LED显示接口电路显示子程序采用动态扫描法实现四位数码管的 数值显示 ,以减少硬件电路 6 。由 SHT11 测得的温 湿度的值经其自身所带的 A/D转换数据放在内存 单元中 , 由 51 单片机的 P3.5 串行输入到 595, 595 给出适宜的时钟脉冲后 ,由 Q0 Q7 输出 ,点亮相应 位段。有四个数码管 ,具体哪一个
9、选通 ,由 51 单片 机 P0.0 P0.3 发出选通信号 DIS0 DIS3来选择。 测量数据在显示时需转化为十进制 BCD码。 本设 计采用软件动态扫描实现数据显示功能。3.4 继电器接口电路当温度或湿度高于或低于设定值时 ,需要通过 继电器来控制 , 本设计选用的继电器型号为 :G2R-1A-12DC, 并使用了高耐压 、大电流 、内部由七个硅 NPN达林顿管组成的驱动芯片 ULN2003A进行驱 动 ,其接口电路如图 4所示。图 5 复位电路4 控制仪的器件选型4.1 微控制器的选择AT89S51 是美国 ATMEL生产的低功耗 、高性能 CMOS八位单片机 , 片内含 4 Kbyt
10、es的可系统编程 的 Flash只读程序存储器 ,器件采用 ATMEL公司的 高密度、非易失性存储技术生产 , 兼容标准 8051 指 令系统及引脚。它集 Flash程序存储器既可在线编 程 (ISP)也可用传统方法进行编程及通用八位微处 理器于单片机芯片中 , 该单片机的功能强大 , 出色 地表现在以下几方面 :为一般控制应用的八位单 芯片 ;晶片内部具时钟振荡器 ,最高工作频率可至12 MHz;内部程式存储器 (ROM)为 4 KB;内部 数据存储器 (RAM)为 128 B;32 条双向输入输出 线 ,且每条均可以单独做 I/O的控制 , 五个中断向 量源 ;两组独立的 16 位定时器
11、;单芯片提供位 逻辑运算指令 , 此外 AT系列单片机可以应用到各 种领域 ,基于上述几方面 ,采用低价位 AT89S51 单 68化 工 自 动 化 及 仪 表 第 37卷 片机为本系统的控制核心。是 :当此时温湿度高于设定值时 ,继电器开关是打开4.2 温湿度数据检测模块器件选择的 ,不对其进行操作 ;当温湿度低于设定值时 , 继电Sensiron公司在 2002年率先研制成功了 SHT11器开关是闭合的 ,驱动后设 ,来改变温湿度值。继电型智能化温度 /湿度传感器 , 其外形尺寸仅为器闭合时 ,加温加湿相应指示灯亮 10 。主程序流程7.6 mm5 mm2.5 mm,体积与火柴头相近 ,
12、 它不如图 6所示。仅能准确测量相对湿度 ,还能测量温度和露点。测量相对湿度的范围是 0 100%, 分辨率达0.03%RH,最高精度为 2%RH。测量温度的范围是 -40 +123.8 ,分辨率为 0.01 。测量露点的精度小于 1 。在测量湿度、温度时 A/D转换器的位数分别可达 12 位、14 位。 利用降低分辨率的方法可以提高测量速率 , 减小芯片的功耗。SHT11 的产品互换性好 ,响应速度快 , 抗干扰能力强 ,不需要外部元件, 适配各种单片机 , 可广泛用于图 6 主程序流程图医疗设备及温度 /湿度调节系统中。而且芯片内部6 结 论包含相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14 位
13、经过长时间的试验与测试 ,这种基于单片机控A/D转换器 、校准存储器 (E2PROM)、易失存储器制的温湿度控制仪 ,能够实现对温度的精确控制 ,能(RAM)、状态存放器 、循环冗余校验码 (CRC)存放将温度误差控制在 0.1 之间 ,而且该产品不需器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测要上位机的控制信号 ,结构简单实用 ,且生产成本较电路 ,集成度高 ,在本设计中由于不需要上位机传输低 ,在实际运行中可以节约能源 , 提高工作效率 ,达信号 ,因此使用该产品作为本系统的温湿度传感器。到较好的控制效果。5 系统软件设计参考文献:本设计是从主程序 、温湿度处理部分 、键盘设 1 文生平
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