毕业设计--基于单片机的温湿度测试系统设计

学院：信息科学与工程学院 系级教学单位：电子与通信工程系 学号学生姓名杨洋专 业班 级电子一班题目题目名称基于单片机的温湿度测试系统的设计题目性质1.理工类：工程设计（ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容本课题主要研究的是在短距离无线数据采集方面，无线温度及湿度采集系统的具体应用。主要研究内容有以下几个方面：(1)确定系统的总体功能设计方案。(2)进行智能传感器的硬件电路和软件系统的设计(3)对单片机的上位管理计算机软件系统的设计思路、工作原理和实现方法进行阐述。基本要求1 学会搜集资料2 学会根据要求进行硬件设计3 学会根据相关硬件设计进行软件编程4 论文书写规范参考资料张 越,张 炎,赵延军.基于DS18B20温度传感器的数字温度计.微电子学,2007（5）:709711网上查阅周 次第 1 4 周第58周第912周第1317周第1820周应完成的内容查阅文献资料，做好开题工作。查阅文献资料，做好开题工作。做好中期考察。编制设计论文，撰写论文。进行论文修改完成论文，答辩指导教师：肖丽萍职称：副教授 2010年03月01日系级教学单位审批： 年 月 日摘要在现实生活中，工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境温度与湿度进行测量及控制。准确测量温湿度对于生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要的。尤其我国正处于从传统的农业生产模式向以优质、高产、高效益的现代农业转化的新阶段。本文提出的通用库房温、湿度测控系统利用凌阳16位单片机SPCE061A作为系统的控制中心，采用电容式湿度传感器HSll01和一线制数字温度传感器DSl8B20，将测量到的湿度值和温度值送入单片机中，经过数据处理后，进行实时显示，并通过按键控制测量结果的语音播放。该设计具有界面友好、控制灵活、硬件系统集成度高、电路简单、功能强、性能可靠、成本低等特点。解决了传统温、湿度测试器材及人工去湿、降温的诸多弊端。并可实现多点温、湿度参数的测量与控制。关键字：温、湿度测试；SPACE061A;DS18B20;HS1101I 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractIn real life, industrial and agricultural production, weather, environmental protection, national defense, scientific research, aerospace and other sectors, often on the ambient temperature and humidity measurement and control. Accurate measurement of temperature and humidity for the bio-pharmaceutical, food processing, paper and other industries is essential. In particular, China is in the mode of agricultural production from traditional to high-quality, high yield, high-efficiency conversion of a new stage of modern agriculture. In this paper, general warehouse temperature and humidity control system using Sunplus 16-bit MCU SPCE061A as the system control center, using capacitive humidity sensor and front-line system HSll01 digital temperature sensor DSl8B20, the measured humidity and temperature into the MCU After data processing, real-time display and key control through the measurement of voice playback. With user-friendly, flexible control, the hardware system is highly integrated, simple circuit, functional strength, reliable performance, and low cost. Solving the traditional temperature and humidity testing equipment and labor dehumidification, cooling has many shortcomings. And can realize multi-point temperature and humidity measurement and control parameters.KeywordsTemperrature and humidity test; SPACE061A;DS18B20;HS1101I 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景及提出的意义11.2 温湿度测量的发展史11.2.1 温度测量技术的发展趋势11.2.2 湿度测量技术的发展现状31.3 主要研究内容5第2章 系统总体设计62.1 系统功能设计62.2 系统设计原则62.3 系统组成和工作原理72.4 本章小结7第3章 传感器设计83.1 传感器的特性83.1.1 传感器的静特性83.1.2 传感器的动特性93.2 DS18B20温度传感器93.2.1 DS18B20 温度传感器特点103.2.2 单线(1wire)技术103.2.3 DS18B20 温度传感器内部构造113.2.4 DS18B20 温度传感器测温原理123.2.5 DS18B20温度传感器读写时序133.3 HS1101湿度传感器143.3.1 HS1101湿度传感器特点153.3.2 湿度传感器测量电路163.3.3 湿度的计算173.3.4 使用HSll00HSll01湿度传感器注意的问题183.4本章小结18第四章 单片机设计194.1 SPACE061A单片机简介194.1.1 SPCE061A总体概述194.1.2 SPCE061A的优点204.2 SPACE061A单片机硬件介绍224.2.1 SPCE061A片内存储器结构224.2.2 SPACE061A单片机并行I/O口244.2.3 Timer定时器/计数器284.2.4 模拟数字转换器ADC284.2.5 串行设备输入输出口(SIO)304.2.6 看门狗计数器（WatchDog）304.3 SPACE061A单片机特性应用领域304.4 SPACE061A单片机电路设计314.4.1 温度测量314.4.2 湿度度测量324.4.3 显示及键盘324.5 本章小结33第五章 软件设计345.1 主程序345.2 语音播放程序355.3 本章小结36结论37参考文献38致谢40附录141附录246附录351附录456III燕山大学本科毕业生设计（论文）第1章 绪论1.1 课题背景及提出的意义在先实生活中，工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境温度与湿度进行测量及控制。准确测量温湿度对于生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要的。尤其我国正处于从传统的农业生产模式向以优质、高产、高效益的现代农业转化的新阶段。温湿度测量显得尤为重要。目前我国农业正处于从传统农业向以优质、高产、高效益为目标的现代农业转化的新阶段。环境控制工程作为农业生物速生、优质、高产的手段，是农业现代化的重要标志。环境由多个因子组成，如温度、光照、湿度及二氧化碳等。时下，我国温室环境控制仍靠人工经验来管理，严重影响了农业生产的效益，阻碍了农业生产的发展，因此，通过计算机控制设备进行环境控制，以便给作物生长创造一个最佳的环境条件，做到既提高产品的质量。产量、经济价值和社会效益。同事尽量降低生产成本，这对温室环境施行自动检测和控制是非常必要的，温湿度环境的控制是其中的关键技术，其是随着自动化检测技术、过程控制技术、通讯技术、计算机技术的发展而发展起来的。1.2 温湿度测量的发展史1.2.1 温度测量技术的发展趋势温度1是表征物体冷热程度的物理量，它在工业自动化、家用电器、环境保护、安全生产和汽车工业等行业中都是基本的检测参数之一。温度是温度监控系统中最基本、最为核心的衡量指标，也是测温系统中最为重要的测控参数，因此对温度进行准确的检测一直是一个重要的研究课题。因此，测量温度的仪器在测温系统中占有至关重要的地位。随着国内外科技的发展，温度测量技术不断提高。目前各种温度测量方法种类繁多，应用范围广泛，主要包括以下几种：传统的利用物体热胀冷缩原理的方法。水银温度计至今仍然广泛应用于各种温度测量场合。可是它的缺点是只能近距离观测，易碎，而且有毒。代替它的有填充酒精、煤油等玻璃温度计和利用金属不同的膨胀系数制成的金属片温度计，它们的缺点都是测量精度很低。用热电效应的方法。此方法制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。它的缺点是线性不好，冷端需要温度补偿。利用热阻效应的方法。利用该方法的测温元件大致有电阻测温元件、导体测温元件和陶瓷热敏元件。其中电阻测温元件是利用感温元件的电阻随温度变化的性质，将电阻的变化值用显示仪表反映出来，达到测温的目的。这类元件如铜电阻、镍电阻、铂电阻等，它们的特点是稳定性好、耐高温，如铂电阻有的可达六、七百度。但它们的缺点是当传输线路长短不等时，需要进行温度补偿。而陶瓷热敏元件的实质是利用半导体电阻的正温特性，用半导体陶瓷材料制成的热敏元件。其主要优点是灵敏度高，过去的缺点是一致性差，现在由于改进配方问题基本解决，分辨率可达0.1以内。利用热辐射原理。热辐射高温计通常分为单色辐射高温计和全辐射高温计。它的原理是物体受热辐射后，视物体本身的性质，能将其吸收、透过或反射。而受热物体放出的辐射能的多少，与它的温度有一定的关系。利用声学原理的测量方法。近年发展起来的声学温度检测技术，可以对炉内的烟气温度测量值和火焰分布在线检测，判断炉的燃烧状况，进行实时调节和控制。其基本原理是通过测量声波传感器间的声波传播时间以最小二乘原理重建温度的测量方法。晶体管测温器件。半导体的电阻温度系数比金属大12个数量级，二极管和三极管的PN节电压、电容对温度灵敏度很高。由此制成的这类器件的优点是在50+150范围内有良好的特性，体积小、响应时间快、价格低。但它的缺点是一致性差、不易做到互换，而且PN结容易受外界辐射的影响，稳定性难以保证。光纤温度检测技术。在常规办法无法测量的场合，光纤测温得到快速发展，已开发了开关式温度检测器、辐射式温度检测器等多种实用型的品种。检测精度在1以内，测温范围可以从绝对0+2000。激光温度检测技术。激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量。用氦氖激光源的激光作反射计，可测很高的温度，精度达0.01；用激光干涉和散射原理制作的温度检测器可测量更高的温度，上限可达+3000，专门用于核聚变研究，但在工业上应用还需进一步开发和实验。微波温度检测器是利用在不同温度下，温度与控制电压成线性关系的原理制成的。这种检测器的灵敏度为250kHz，精度为l左右，检测范围为+20+1400。近年来，随着微电子技术、计算机技术和自动测试技术的发展人们开发出将温度传感器和数字电路集成在一起的新型数字式集成温度传感器。数字式温度传感器内部一般都包含温度传感器、AD转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路，有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。与模拟传感器相比，数字式传感器在精度、分辨率、可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面都有明显的优点，而且，输出的温度数据和相关的温度控制量可以适配各种微控制器。但是受半导体器件本身限制，数字式传感器还存在一些不足。比如测温范围不宽，一般为-50+150。由于简化了硬件外围电路使得软件设计变得更为复杂。1.2.2 湿度测量技术的发展现状近年来，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，为开发新一代湿度温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测最技术提高新的水平。主要包括以下几种：湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气巾的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很多，例如金属氧化物湿敏电阻、硅湿敏电阻、陶瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，主要缺点是线性度和产品的互换性差。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰垭胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。集成湿度传感器:线性电压输出式集成湿度传感器典型产品有HIH36053610、HMl5001520。其主要特点是采用恒压供电，内置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。线性频率输出式集成湿度传感器典型产品为HF3223型。它采用模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器，在55RH时的输出频率8750Hz(典型值)，当相对湿度从10变化到95时，输出频率就从9560Hz减小到8030Hz。，这种传感器具有线性度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。 频率温度输出式集成湿度传感器典型产品为HF3223型。它除具有HF3223的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数(NTC)热敏电阻作为温度传感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从NTC端引出，配上二次仪表即可测量出温度值。单片智能化湿度温度传感器:2002年senbiron公司在世界上率先研制成功SHTll、SHTl5型智能化湿度温度传感器，其外形尺寸仅为7.6(mm)5(mm)2.5(mm)，体积与火柴头相近。出厂前，每只传感器都在湿度室中做过精密校准，校准系数被编成相应的程序存人校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对湿度，还测量温度和露点。测量相对湿度的范围是0100，分辨力达0.03RH，最高精度为2RH。测量温度的范围是一40+123.8，分辨力为0.1。测量露点的精度1。在测量湿度、温度时AD转换器的位数分别可达2位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高测量速率，减小芯片的功耗。SHTll15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，可广泛用于医疗设备及温度湿度调节系统中。芯片内部包含相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位AD转换器、校准存储器(E2PROM)、易失存储器(RAM)、状态寄存器、循环冗余校验码(CRC)寄存器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路。其测量原理是首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号，然后经过放大，分别送至AD转换器进行模数转换、校准和纠错，最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至单片机。鉴于SHTll15输出的相对湿度读数值与被测相对湿度呈非线性关系，为获得相对湿度的准确数据，必须利用C对读数值进行非线性补偿。此外当环境温度n+25时，还需要对相对湿度传感器进行温度补偿。芯片内部有一个加热器。将状态寄存器的第2位置“l”时该加热器接通电源，可使传感器的温度大约升高5，电源电流亦增加8mA(采用+5V电源)。使用加热器可实现以下三种功能：通过比较加热前后测出的相对湿度值及温度值，可确定传感器是否正常工作；在潮湿环境下使用加热器，可避免传感器凝露；测量露点时也需要使用加热器。 1.3 主要研究内容本课题主要研究的是在短距离无线数据采集方面，无线温度及湿度采集系统的具体应用。主要研究内容有以下几个方面：(1)确定系统的总体功能设计方案。(2)进行智能传感器的硬件电路和软件系统的设计。(3)对单片机的上位管理计算机软件系统的设计思路、工作原理和实现方法进行阐述。67 第2章 系统总体设计2.1 系统功能设计系统要完成的设计功能如下：实现对温度、湿度的实时采集，根据测量空间或设备的实际需要，由温度、湿度传感器对关键温、湿度敏感点进行测量。由单片机对数据进行检测、处理、存储，实现温湿度的智能测量。实现语音播放功能。现成检测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力。并具备存储功能。监控计算机软件设计管理软件要具有完成数据采集、处理的功能，其软件编程应具有功能强大、界面友好、便于操作和执行速度快等特点。要达到的技术指标：测温范围： -20100测温精度： 0.5测试范围： 0100RH测试精度： 2.5RH2.2 系统设计原则要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。可靠性：高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节都应该将可靠性作为首要的设计标准。提高系统的可靠性通常从以下的两个方面考虑：使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；操作维护方便：在系统的软硬件设计时，从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利于系统的推广。因此，在设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法；性价比：单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比，一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是起重工一个关键因素。因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况尽可能用软件功能取代硬件功能等。2.3 系统组成和工作原理温湿度测量仪主要包括两个部分：温度测量和湿度测量。其基本构成如图2-1所示。该系统利用凌阳16位单片机SPCE061A作为系统的控制中心，采用电容式湿度传感器HSll01和一线制数字温度传感器DSl8B20，将测量到的温度值和湿度值送入单片机中，经过数据处理后，进行实时显示，并通过按键控制测量结果的语音播放。 温度测量单片机按键湿度测量显示模块语音模块图2-1 系统结构图2.4本章小结本章对本系统要实现的温湿度采集功能，语音播报功能，系统设计秉持的可靠性高、操作维护方便、性价比高的要求原则进行详细说明，最终确定本设计的系统机构图，并依照其进行软硬件设计，为论文的书写提供明确思路。 第3章 传感器设计3.1 传感器的特性传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量各个值处于稳定状态下输入输出的关系。动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。一般来说，传感器的输入和输出关系可用微分方程来描述。理论上，将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时，即可得到静态特性。因此传感器的静特性是其动特性的一个特例。传感器除了描述输入与输出量之间的关系特性外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。3.1.1 传感器的静特性 传感器的输入-输出关系:输入（外部影响：冲振、电磁场、线性、滞后、重复性、灵敏度、误差因素）传感器输出（外部影响：温度、供电、各种干扰稳定性、温漂、稳定性（零漂）、分辨力、误差因素）。 人们总希望传感器的输入与输出成唯一的对应关系，而且最好呈线性关系。但一般情况下，输入输出不会完全符合所要求的线性关系，因传感器本身存在着迟滞、蠕变、摩擦等各种因素，以及受外界条件的各种影响。 传感器静态特性的主要指标有：线性度、灵敏度、重复性、迟滞、分辨率、漂移、稳定性等。灵敏度是指稳态时传感器输出量Y和输入量X之比，或输出量Y的增量和输入量X的增量之比，用k表示为kdYdX。分辨力是指器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量。测量范围和量程是在允许误差限内，被测量值的下限到上限之间的范围称为测量范围。线性度（非线性误差）是规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度或非线性误差。迟滞是指在相同的工作条件下，传感器的正行程特性与反行程特性的不一致程度。重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特性曲线的不一致性。零漂和温漂传感器在无输入或输入为另一值时，每隔一定时间，其输入值偏离原示值的最大偏差与满量程的百分比为零漂。而温度每升高1，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。3.1.2 传感器的动特性动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性。很多传感器要在动态条件下检测，被测量可能以各种形式随时间变化。只要输入量是时间的函数，则其输出量也将是时间的函数，其间关系要用动特性来说明。设计传感器时要根据其动态性能要求与使用条件选择合理的方案和确定合适的参数；使用传感器时要根据其动态特性与使用条件确定合适的使用方法，同时对给定条件下的传感器动态误差作出估计。总之，动特性是传感器性能的一个重要方面，对其进行研究与分析十分必要。总的来说，传感器的动特性取决于传感器本身，另一方面也与被测量的形式有关。其特点中具有规律性的是：具有周期性的：正弦周期输入、复杂周期输入；具有随机性的：平稳的、多态历经过程、非多态历经过程。在研究动态特性时，通常只能根据规律性的输入来考虑传感器的响应。复杂周期输入信号可以分解为各种谐波，所以可用正弦周期输入信号来代替。其它瞬变输入不及阶跃输入来得严峻，可用阶跃输入代表。因此，“标准”输入只有三种；正弦周期输入、阶跃输入和线性输入。而经常使用的是前两种。3.2 DS18B20温度传感器 DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。DALLAS最新单线数字温度传感器DSl8B20的“一线器件”体积更小、适用电压更宽、更经济2。它是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测控，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。3.2.1 DS18B20温度传感器特点DS18B20的性能特点有独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.05.5V；零待机功耗；温度以9或12位数字；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作；DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其封装图如3-1所示。图3-1 DS18B20封装图3.2.2 单线(1wire)技术目前，微机和外设之间数据传输的串行总线常用的有12C总线、SPI总线等。其中，12C总线采用同步串行两线(一根时钟线、一根数据线)方式，而SPI总线采用同步串行三线(一根时钟线、一根输人线、一根数据输出线)方式。美国达拉斯半导体公司推出了一项特有的单线(1wire)技术。该技术与上述总线不同。它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的。这种单线技术具有线路简单、便于扩展的优点。单线技术适用于单主机系统，单主机能够控制一个或多个从机设备，它们之间的数据交换、控制都由这根线来完成。主机和从机之间的通信主要分为3个步骤：初始化单线器件、识别单线器件和单线数据传输。由于只有一根线通信，所以它们必须是严格的主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，主机访问每个单线器件必须严格遵循单线命令序列，如果命令序列混乱，单线器件将不会响应主机。3.2.3 DS18B20温度传感器内部构造DS18B20内部结构主要由六部分组成：电源电路、64位光刻ROM及lwire接口、温度传感器、非易失的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器和CRC校验码产生器。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DSl8B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位(28H)是产品类型标号，接着的48位是该DSl8B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻ROM的作用是使每一个DSl8B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DSl8B20的目的。温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM3和一个非易失性的可电擦除的EERAM。图3-2 DS18B20的内部结构图高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。第5个字节，为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节各位的定义如图3-3所示。低5位一直为，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分率。温度 LSB温度 MSBTH用户字节 1TL用户字节 2配置寄存器保留保留保留CRC图3-3 高速暂存RAM的结构由图3-4可见，DS18B20温度转换的时间比较长，而且分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。因此，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑1。第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。TMR1R011111图3-4 DS18B20温度转换字节结构3.2.4 DS18B20温度传感器测温原理DS18B20的测温原理4是这样的,器件中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1；高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将55所对应的一个基数分别置入减法计数器1、温度寄存器中，计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器计数到0时，停止温度寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值就是所测温度值。其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数器门仍关闭就重复上述过程，直到温度寄存器值大致被测温度值。当DS18B20接收到温度转换命令5后，开始启动转换。根据DSl8820的通讯协议，主机控制DSl8B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DSl8B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RA指令，这样才能对DSl8B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DSl8B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。当符号位S0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S1时，表示测得的温度值为负值，要先将补码变成原码，再计算十进制数值。表3-1是一部分温度值对应的二进制温度数据。表3-1 部分温度值对应的二进制温度数据R1R0分辨率/位温度最大转向时间/ms00993.750110187.510113751112750DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与RAM中的TH、TL字节内容作比较6。若TTH或TTL，则将该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行报警搜索。在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。3.2.5 DS18B20温度传感器读写时序复位：对DS18B20操作之前，首先要将它复位。复位时序为主机将信号线置为低电平，时间为480960S。主机将信号线置为高电平，时间为1560S。DS18B20发出60240S的低电平作为应答信号。主机收到此信号后，才能对DS18820作其它操作。写操作：主机将信号线从高电平拉至低电平，产生写起始信号。从信号线的下降沿开始，在1560S的时间内DS18820对信号线检测，如信号线为高电平，则写1，如信号线为0，则写0，从而完成了一个写周期。在开始另一个写周期前，必须有1S以上的高电平恢复期。读操作：主机将信号线从高电平拉低至低电平1S以上，再使数据线升为高电平，产生读起始信号。从主机将信号线从高电平拉低至低电平起1560S的时间内,DS18820将数据放到信号线上，供主机读取。从而完成了一个读周期。在开始另一个读周期前，必须有1S以上的高电平恢复期。DSl8820依靠一个单线接口通信。在单线接口情况下，必须先建立ROM操作协议，才能使用存贮器和控制操作。因此，控制器必须首先提供五种ROM操作命令之一：ReadROM(读ROM)；MatchROM(匹配ROM)；SearchROM(搜索ROM)；SkipROM(跳过ROM)；AlarmSearch(告警搜索)。这些命令对每一器件的64位光NROM部分进行操作。如果在单线上有许多器件，那么可以挑选出一个特定的器件并给总线上的主机指示存在多少器件及其类型。在成功地执行了ROM操作序列之后可，使用存贮器和控制操作，然后控制器可以提供六种存贮器和控制操作命令之一。一条控制操作命令指示DSl8B20完成一次温度测量，测量的结果将放入DSl8B20的高速缓存器中，用一条读缓存储器内容的存储器操作命令可以读出此结果。温度告警触发器TH和TL各由一个字节的EEPROM构成。如果不对DSl8B20使用告警搜索指令，这些寄存器可用作通用用户存储器使用。单线总线的空闲状态是高电平。无论任何理由需要暂停某一执行过程时，如果还想恢复执行的话，总线必须停留在空闲状态。在恢复期间，如果单线总线处于非活动状态(高电平状态)，位与位之间的恢复时间可以无限长。如果总路线停留在低电平超过480u总线上的所有器件都将被恢复。3.3 HS1101湿度传感器测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。3.3.1 HS1101湿度传感器特点HSI100HSl101湿度传感器特点：不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触(HSll00)和侧面接触(HSll01)两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。相对湿度在1-100RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于2RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04pF可见精度是较高的。图3-5为湿敏电容工作的温、湿度范围。图3-6为湿度-电容响应曲线。图3-5 湿敏电容工作的温、湿度范围图3-6湿度-电容响应曲线3.3.2 湿度传感器测量电路HS1100HSl101电容传感器7，在电路构成中等效于一个电容器件，其容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转为计算机易于接受的信号，常有两种方法：一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再AI)转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。频率输出的555测量振荡电路如图3-7所示。从图中可以看出测湿电路主要是由555定时芯片和些阻容元件组成。555定时器有着非常广泛的应用，根据用户需要，555定时器可以用作单稳态触发器、多稳态触发器或者施密特触发器。555定时器具有如下功能：当6和2端同时输入为“1”时，3端输出为“0”；当6和2端同时输入为“0”时，3端输出为“1”。在此电路中，555定时器正是根艄蝴能用作多稳态触发器输出频率信号的。电源接通时，由于6和2端的输人为“0”，则定时器3脚出为“l”；又由于C7两端电压为0，故VCC通过R4和R2对充电，当C7两端电压达到2VCC3时，定时电路翻转，输出变“0”。此时555定时器内部的放电BJT的基极电压为“l”，放电B导通，从而使电容HS1101通过R2和内部放电BJT进行放电，当HS1101端电压降低到VCC3时，定时器又翻转，使输出变为“l”，内部电BJT截止，VCC又开始通过R4和R2对HS1101充电，如此周而始，形成振荡。其工作循环中的充电时间为Th=0.7(R4+R1C)；放电时间为Tl=0.7R2C；输出脉冲占空比为q(R2+R4)(R4+2R2)，为了使输出脉冲占空比接近50，R应远远小于R2。当外界湿度变化时，HSll01两端电容值发生变，从而改变定时电路的输出频率。因此只要测出555的输出率，并根据湿度与输出频率的关系，即可求得环境的湿度。该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源V通过R1、R3向HSll00充电，经t充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67V，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R3放电，经t放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，约0.33Vs。此时输出，此时输出引脚3端又由低电平突降为高电平，如此翻来覆去，形成方波输出。其中，充放电时间为 （3-1） （3-2）因而，输出的方波频率为：f=l(t放电+t充电)=1C(Rl+2R3)Ln2图3-7 555定时器构成多些振荡器电路图可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号。图中的电阻R4与555的频率输出引脚相连，起输出短路保护作用，防止输出电流过大。电阻R19是用作555定时器内部温度补偿的，其应该具有1的精度。由于不同型号、不同厂家生产的555芯片内部温度补偿有一定的差别，因此对于不同型号的555芯片，电阻R1的取值也有所不同。同时为了保证555定时器在55的相对湿度时输出频率为6660k，R2也需要作一些微调。3.3.3 湿度的计算将555定时器的输出引脚与单片机SPACE061A的定时引脚相连，计算出1秒钟内输入的脉冲个数，此脉冲个数即定时器的振荡频率。对于CMOS工艺的555定时器，产生的振荡频率。由下式计算可得： (3-3)由湿度传感器HSll01的工作原理知道，测得的频率与相对湿度值有关，关系如下式： (3-4) 其中的F55(Hz)表示相对湿度为55时的频率值，在25下 (Hz)=6600Hz。因此，根据测得的脉冲频率即可求出湿度值.3.3.4使用HSll00HSll01湿度传感器注意的问题湿度传感器存在非线性特征，为了提高它的精度，如何改善它的非线性就成为追切需要解决的问题。实际应用中最常用的方法之一是分段线性插值法，即每一定的间隔为一段，分别求出相应的插值公式。在实际测湿度时，根据频率的大小用相应的插值公式求取相应的湿度值。由于现有的湿度值标定只能精确到1RH，没有小数位，并且通常标定五个点，所以在数据处理上较本系统中的温度处理容易一些，处理过程中可以完全调用温度值处理的一些子程序。HSll01湿度传感器的输出值有随温度而漂移的特性，这也是湿度传感器普遍存在的另一个问题。它典型温度漂移系数为+0.1RH。为了保证湿度测量的精度，采用相应的温度补偿措施是必要的。由于本系统中温湿度传感器同时存在，因此没有必要在附加相应的温度补偿元件。也就是说可以使用标准铂电阻温度传感器进行温度值实时显示的同时把这个实测的温度值用于湿度传感器的温度补偿。方法是在湿度传感器标定时，把标定时的环境温度值记录下来，在向存储器存入标定数据时，同时将这个标定温度值存入。当程序实际运行时，每次把测得的温度值和这个标定的环境温度值比较，求出差值，再将这个差值转换为湿度值的偏差值，就可以求出真实的湿度值。3.4 本章小结本章介绍了传感器的特性，重点介绍本设计所用智能数字温度传感器DS18B20和HS1101电容式湿度传感器的内部构造及其使用特性，介绍了两者的工作原理，如何实现对温度、湿度的测量队本设计研究具有重大意义。第4章 单片机设计4.1 SPACE061A单片机简介随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）等领域。凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用凌阳最新推出的nSP(TM)（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯片（以下简称nSP(TM)）。围绕nSP(TM)所形成16位nSP(TM)系列单片机（以下简称nSP(TM)家族）采用的是模块式集成结构，它以nSP(TM)内核为中心集成不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件nSP(TM)内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。4.1.1 SPCE061A总体概述SPCE061A是继nSP(TM)系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器8。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使nSP(TM)能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以nSP(TM)为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。SPCE061A是凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机，该芯片拥有8路10位精度的ADC，两路10精度的DAC，只需要外接功放（SPY0030A）即可完成语音的播放。另外凌阳十六位单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中，支持标准C语言，可以实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用为软件开发提供了方便的条件。片内还集成了一个ICE（在线仿真电路）接口，使得对该芯片的编程、仿真都变得非常方便，而ICE接口不占用芯片上的硬件资源，结合凌阳科技提供的集成开发环境（unSPIDE）用户可以利用它对芯片进行真实的仿真；而程序的下载（烧写）也是通过该接口进行下载。4.1.2 SPCE061A的优点体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展nSP(TM)家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求；具有较强的中断处理能力nSP(TM)家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。高性能价格比nSP(TM)家族片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的 I/O口。另外,nSP(TM)的指令系统提供具有较高运算速度的16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能，使得nSP(TM)家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的DSP芯片廉价；功能强、效率高的指令系统nSP(TM)指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。低功耗、低电压nSP(TM)家族采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。另外,nSP(TM)家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。16位nSP微处理器9；工作电压：内核工作电压VDD为3.03.6V(CPU)，IO口工作电压VDDH为VDD5.5V(I/O)；CPU时钟：0.32MHz49.152MHz；内置2K字SRAM；内置32K闪存ROM；可编程音频处理；系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电小于3.6V；2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2个10位DAC(数-模转换)输出通道；32位通用可编程输入/输出端口；14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768Hz实时时钟；7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；具备串行设备接口；低电压复位(LVR)功和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真(ICE，In- Circuit Emulator)接口。图4-1 16位nSP微处理器4.2 SPACE061A单片机硬件介绍4.2.1 SPCE061A片内存储器结构SPCE061A的内存地址映像如图4-2所示。芯片内的内存有2K字的 SRAM（包括堆栈区）和32K字闪存（FLASH）。4.2.1.1 RAMSPCE061A有2K字的SRAM(包括堆栈区)，其地址范围从0X0000到007FF。前64个字，即0X00000X003F地址范围内，可采用6位地址直接地址寻址方法，存取速度为2个CPU时钟周期；其余范围内(0X00400X07FF)内存的存取速度则为3个CPU时钟周期。2K SRAM保留空间I/O端口系统端口32K FLASH ROM中断向量00X0000X07FF0X08000X6FFF0X70000X7FFF0X80000XFFF50XFFF60XFFFF图4-2 SPCE061A内存映像表4.2.1.2 堆栈SP是用来记录堆栈地址的寄存器，SP会指向堆栈的顶端。堆栈是一个先进后出的内存结构，nSP的堆栈结构是由高地址往低地址的方向来储存的。CPU执行push、子程序呼叫call、以及进入中断服务子程序(ISR，Interrupt Service Routine)时，会储存寄存器内容在堆栈里，这时SP会递减以反映堆栈用量的增加。当CPU执行pop、子程序返回ret、以及从ISR返回reti时，SP会递增以反映堆栈用量的减少。nSP堆栈的大小限制在2K字的SRAM内，即地址为0X0000000X0007F的内存范围中。SPCE061A系统复位后，SP初始化为 0x07FF，每执行push指