基于SHT71的温湿度采集系统设计 本科毕业论文

常州工学院毕业设计论文KC021-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目：基于SHT71的温/湿度采集系统的设计 二级学院（直属学部）： 延陵学院专业： 自动化 班级： 07自Y 学生姓名： 李媛媛 学号： 07121214 指导教师姓名： 王崴 职称： 讲师 评阅教师姓名： 职称： 2011 年 6 月摘 要为了满足化学工业过程对环境条件的需求，人们在传感器智能控制方案和具体应用中做了大量的研究和可行性分析，开发了一种具有智能化功能的温湿度监测系统。该系统由数据采集模块和显示模块组成。其中数据采集模块采用了以单片机STC89C52RC为核心的外接传感器的结构框架，保证了系统对现场温湿度信号采集的领域前沿的转换接口模块，为整个系统的实用性提供了坚实的通信保障，而且笔者认为这种通信方式已经成为了工业化通信的发展方向。本次设计的温湿度系统检测是以STC89C52RC为控制核心，通过SHT71数字式温湿度传感器，实时采集所要测量的环境的温度和湿度，并利用1602LCD液晶显示屏显示数据，达到实时控制温湿度的目的。本系统具有可读性高，稳定性高，反映速度快，测量值准确的特点。关键词：温度；湿度；STC89C52RC；1602液晶屏；SHT71Abstract Chemical industrial process in order to meet the needs of environmental conditions, people have done a lot of research and feasibility analysis in the intelligent control of the sensor and the specific applications. The system composed by the data acquisition module and display module. Data acquisition module which uses a microcontroller STC89C52RC as the core structural, It ensure the system on-site collection of temperature and humidity signals. The usefulness of the entire system to provide a solid communications security.That such communication has become the development direction of industrial communications.This design mainly introduces temperature and humidity acquisition system uses STC89C52RC as the control core through SHT71 digital temperature and humidity sensors , real-time acquisition of the storehouse environment temperature and humidity . The use of liquid crystal display LCD display data 1602. To achieve the purpose of real-time monitoring of temperature and humidity. This system has a readable, high stability, reaction speed, measured values exact characteristic.Key words: Temperature ; Humidity ; STC89C52RC; 1602LCD; SHT71目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪论- 1 -1.1 课题背景- 1 -1.2 国内外现状- 2 -1.3 论文内容- 2 -1.4 本章小结- 3 -第2章 系统总体设计- 4 -2.1总体方案设计- 4 -2.2方案论证- 4 -2.2.1主控单片机的选择- 5 -2.2.2温/湿度传感器的选择- 8 -2.2.3显示屏的选择- 13 -2.3本章小结- 19 -第三章 系统硬件设计- 20 -3.1系统原理图设计- 20 -3.1.1单片机最小系统设计- 21 -3.1.2温/湿度采集系统的设计- 22 -3.1.3液晶屏显示电路设计- 23 -3.2 系统PCB图设计- 24 -3.2.1 PCB图布局- 25 -3.2.2 PCB图布线- 26 -3.3焊接电路板- 26 -3.4元器件清单- 27 -3.5本章小结- 28 -第四章 系统软件设计- 29 -4.1系统总体流程图- 29 -4.2单片机初始化- 30 -4.3液晶屏初始化- 31 -4.4 液晶屏的显示程序设计- 31 -4.5温/湿度传感器初始化- 32 -4.6 温/湿度传感器测温湿度程序设计- 33 -4.7本章小结- 33 -第五章 系统硬件电路的调试与分析- 34 -5.1 实物照片- 34 -5.2 测试结果及分析- 35 -5.3本章小结- 36 -结束语- 37 -参考文献- 39 -致 谢- 42 -附录A- 43 -附录B- 45 - 59 -第1章 绪论1.1 课题背景温湿度系统是在环境试验、科学研究（诸如种植、养殖、生物工程、化工工程）工业生产等领域应用广泛的现场环境控制系统。它能模拟各种环境条件，即按照实际要求精确控制环境的温度和湿度。为研究不同的生产过程创造了良好的环境条件。因此，温湿度采集系统广泛应用在科研、现代农业、化工、医药、林业、冶金、生物遗传工程和环境科学等领域。在日常生活中，在一定的温度条件下，空气相对湿度越小，人体汗液蒸发越快，人的感觉也就越凉快。由于冬季和春季温湿度太小，人们有时会有不舒服的感觉，甚至还会出现鼻孔出血、喉咙干痒、嘴唇干裂等症状。然而到了炎热的夏季，人体汗液蒸发比较缓慢，人体又会有酷暑难耐的感觉，甚至还会引发中暑的现象。在工业中，工厂的装备环境、设备的保养和芯片的封装等无一离不开对其温湿度的测量。测量温湿度是在工业生产制造、科学研究、仓库管理、日常生活、智能建筑中被广泛应用。传统的温湿度检测由热敏电阻和湿敏电阻组成，这样的模拟系统还需设计相应的放大电路，滤波电路还要经过A/D转换，其测量的精度很难保证。SHT71是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度传感器。该传感器将SMOS芯片技术与传感器技术结合起来，发挥强大的优势互补作用。自信号发生器迅速发展以来，函数发生器也出现了，那个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，由模拟集成电路或分立元件构成，电路不仅结构复杂，还只能产生锯齿波、正弦波、三角波、方波等几种简单波形，由于模拟电路的漂移较大，其输出波形的稳定性比较差，而且要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂，并且模拟元件构成的电路存在着价格贵、功耗大、尺寸大等缺点。1.2 国内外现状近年来，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，也将湿度测量技术提高到新的水平。此外，国外生产的温湿度校准设备价格比较昂贵，使得对湿度的校准成为一个难题。近年来国内外在湿度传感器研发领域已经取得了不小的成就，湿度传感器正在从简单的湿敏元件向多参数检测、智能化、集成化的方向快速发展，为新一代温湿度传感器的开发起到了很好的推动作用，也使得测量湿度的技术达到了新的水平。在环保、科研、农业生产、航天、国防、气象等部门，常常要对环境的温度和湿度进行测量及控制。但是在常规的环境参数中，最难以准确测量的就是湿度了。用毛发湿度计或者干湿球湿度计来测量湿度的方法早已经不能满足现阶段科学技术发展的需要。这主要是由于湿度的测量要比对温度的测量来的复杂，温度是个独立的被测量量，而湿度却受其他因素如温度和大气压强的影响。但传统的方法是用湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测量器材，通过人工进行测试，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低下、且测试的温度及湿度误差大，随机性大。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。 为了满足化学工业过程对环境条件的需求，人们在传感器智能控制方案和具体应用中做了大量的研究和可行性分析，开发了一种具有智能化功能的温湿度监测系统。1.3 论文内容无论是工农业生产中，还是在日常生活中，对温度和湿度的检测都是必不可少的。对于温度湿度的检测直接选用数字式温湿度传感器，通过传感器测得的数据由单片机进行处理后，按照一定的时序关系在液晶屏上显示，也可以与PC机通信，进行进一步的处理。此次毕业设计的题目是基于SHT71的温湿度采集系统的设计。首先要知道SHT71是一款数字式的温湿度传感器，它所测量的数据在其内部可以自动的转换成数字信息。SHT71与单片机通信时，不需要其它任何外围转换电路，直接与单片机相连，实现单片机对传感器的读取。单片机对读取到的数据进行校验、处理后再传送给1602LCD液晶屏，并在液晶屏上显示出来，实现对被测对象的温湿度采集。该系统由数据采集模块和接口模块组成。其中数据采集模块采用了以单片机STC89C52RC为核心的外接传感器的结构框架，保证了系统对现场温湿度信号采集的领域前沿的转换接口模块，为整个系统的实用性提供了坚实的通信保障，而且笔者认为这种通信方式已经成为了工业化通信的发展方向。传统的温湿度检测由热敏电阻和湿敏电阻组成，这样的模拟系统还需设计相应的放大电路，滤波电路还要经过A/D转换，其测量的精度很难保证。SHT71传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合数字传感器，并以STC89C52RC作为处理数据的处理部分，再把相应的数据通过串口传给液晶屏，并在液晶屏上显示出所采集的数据。1.4 本章小结 到此为止，本章主要介绍了本课题的选题背景，国内外现状和论文的内容。温湿度传感器在现代测量中的工作现状，人们提出了智能化温湿度传感器。智能温湿度传感器的出现开创了测量仪器的新时代，使得测量仪器与计算机之间的界限消失。温湿度传感器将高速发展的电子技术、测试技术、计算机技术和通信技术结合起来，开创了个人计算机仪器时代，是测试仪器工业发展的里程碑。第2章 系统总体设计2.1总体方案设计总体结构框图如图2-1所示，系统主要包括电源部分、温、湿度信息采集，数据处理，时钟电路，复位电路和显示部分。SHT71测量温、湿度单片机液晶显示复位电路时钟电路电源图2-1系统总体结构框图基于单片机对数字信号的高度敏感性和可控性、温湿度传感器可以产生将采集到的信息转换为数字信号，设计了以STC89C52RC基本系统为核心的一套检测系统。系统通过传感器将温、湿度信息采集到单片机内，然后在单片机内按照一定的协议和检测机制构成帧，然后对接收的帧信息进行错误检测，判断是否有错误信息，如果没有误码，提取出数据位，计算出温、湿度值并显示在液晶显示屏上。2.2方案论证本系统中为什么要采用SHT71系列的温湿度传感器、STC89C52RC系列单片机和1062LCD呢？以下我将详细介绍。2.2.1主控单片机的选择整个温湿度采集系统都以主控单片机为控制核心，因此主控芯片的选择和应用非常重要。 本系统选用STC89C52RC单片机。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整的计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一小块芯片上，但是它具有一个完整计算机所需的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。结合本课题所做的开发系统，在开发中用到的对单片机的应用主要是单片机在智能仪器仪表上的应用，单片机在工业控制中的应用和单片机在计算机网络和通信领域中的应用：（1）单片机在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。诸如精密的测量设备（功率表，示波器，各种分析仪）。（2）单片机在工业控制中的应用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。（3）单片机在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具有通信接口，可以很方便的与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。本设计采用STC89C系列的STC89C52RC作为主控芯片是根据方案论证的结果。本系统的监控参数较少，计算不是特别复杂，选择宏晶科技公司的STC89C52RC单片机完全可以满足系统的要求，并且STC89C系列的单片机价格便宜，开发简单，从开发周期和研发费用上来说是合理的选择。以下是对STC89C52RC的简单介绍：该型号单片机是控制器上的微处理器，也是程序设计的编程对象。STC89CRC系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/ 高速/ 低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机。一、主要特点(1).增强型 6 时钟 / 机器周期(2).工作电压： 3.3V(3).工作频率范围：0-40MHz(4).用户应用程序空间32K字节(5).片上集成1280字节RAM(6).通用 I/O 口（32/36 个），复位后为：P1/P2/P3/P4 是准双向口 / 弱上拉（普通 8051 传统 I/O 口）P0 口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。(7).I S P （在系统可编程）/ I A P （在应用可编程），无需专用编程器 / 仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K 程序 3 秒即可完成一片(8).EEPROM功能(9).看门狗(10).内部集成 MAX810 专用复位电路（D 版本才有），外部晶体 20M 以下时，可省外部复位电路(11).共 3 个 16 位定时器 / 计数器，其中定时器 0 还可以当成 2 个 8 位定时器使用(12).外部中断 4 路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒(13).通用异步串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个 UART(14).工作温度范围：0-75(15).封装：PDIP-40，PLCC-44,PQFP-44二、中断寄存器中断与普通8052完全兼容，优先级设为4级，另增加2个外部中断INT2/P4.3, INT3/P4.2。 表2-1 中断寄存器中断源中断向量地址中断查询次序优先级设置中断请求/INT00003H0PX0H,PX0IE0TIMER0000BH1PT0H,PT0TFO/INT10013H2PX1H,PX1IE1TIMER1001BH3PT1H,PT1TF1UART0023H4PSH,PSRI/TITIMER2002BH5PT2H,PT2TF2/EXF2/INT20033H6PX2H,PX2IE2/INT3003BH7PX3H,PX3IE3在进行相关的软件设计时需要考虑中断的优先级，在程序中需要用到串口通信中断，串口通信的优先级要高于定时器中断。三、E2PROM特殊功能寄存器STC89LE58RD+集成了16K E2PROM,利用它的ISP/IAP技术能对程序存储器区程序和数据进行在线修改，IAP功能给用户提供了从8000H开始的29K存储空间来储存相关的显示信息，并且该信息在掉电后也不会丢失，并且还提供了操作E2PROM的相关函数方便用户对该区的操作，下面将在编程中需要用的寄存器作简单介绍，方便编程的使用。 表2-2 E2PROM操作特殊功能寄存器MnemonicAddNameISP_DATAE2HISP/IAP data RigisterISP_ADDRHE3HISP/IAP Flash Addre HighISP_ADDRLE4HISP/IAP Flash Addre LOWISP_CMDE5HISP/IAP Flash RegisterISP_TRIGE6HISP/IAP Flash TriggerISP_CONTRE7HISP/IAP Control Register2.2.2温/湿度传感器的选择本系统是要测量和采集温度和湿度，显然温度和湿度是两个被测量，可以分别用一个温度传感器和一个湿度传感器来测量，也可以用一款智能温、湿度数字式传感器，就是只用一个传感器可以同时既测量湿度又测量温度。以下是两种方案的比较。方案一由于本次设计是测量温湿度，在测量温度时，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，它随着被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后就可以和单片机进行数据传送和处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来。现应用较多的有铂、铜、镍等热敏电阻，其主要特点是精度高、测量范围大、便于远距离测量。但是这种设计需要A/D转换电路，设计电路比较麻烦。而在测量湿度的方式也很多，其原理是根据某种物质及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元件分别是根据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。同样的和温度测量一样，它也需要A/D转换电路。方案二进而考虑到用温、湿度集于一体的传感器，这在设计温、湿度采集系统时是很容易想到的，所以可以采用一只智能温、湿度数字式传感器。由于温湿度测量精度是决定系统性能的关键，因此，这里选取瑞士Scnsirion公司生产的数字温湿度传感器SHl71实现温湿度测量。该器件的特点为：出厂前，每只传感器都在极为精确的湿度室中做过精密校准，校准系数被编成相应的程序存入校准存储器中；高度集成，内部集成有温度测量、湿度测量、信号变换、AD转换和加热器等功能；提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输可靠性高；测量精度可编程调节，内置AD转换器(分辨率为812位，可以通过编程设置其内部寄存器进行选择)，测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能等，湿度精度在4以内，温度精度在04以内。利用这种温、湿度传感器可以很容易的直接读取被测量的温、湿度的值，它无需进行A/D转换，无需温、湿度值修正，且和微处理器的接口非常的方便。从以上两种方案来看，很容易看出如果采用方案二，则设计电路可以大大简化，软件设计也会比较简单。因此，我采用方案二，选用智能温湿度传感器SHT71.以下是对SHT71功能、特性和如何使用的简单介绍。一、主要特性SHT71产品是一款高度集成的温湿度传感器芯片，是全量程标定的数字输出。它采用CMOSensTM技术，确保该产品具有高度可靠性和稳定性。SHT71传感器包括一个用能隙材料制成的温度敏感元件和一个电容性聚合体湿度敏感元件，这两种敏感元件和一个串行接口电路以及一个14位的A/D转换器安装在一块芯片上，如图3所示。SHT71传感器以其卓越的品质、高度的抗干扰能力、极高的性价比和超快的响应速度，使其在数据记录仪、自动控制、暖通空调、测试及检测设备等领域的产品上得到了广泛的应用。每个SHT71传感器芯片都是以镜面冷凝式露点仪为参照物，在及其精确的恒定温湿中进行标定的。通过标定得到的标准系数以程序形式保存在芯片本身的内存中，它通过内部的电压调整和两线制的串口，使外围集成系统快速而简单。它的微小的体积和超低功耗等优越的特点使得它在各类应用中都成为首选的元件。SHT71传感器是4针单排引脚封装，管脚图如图2-3所示。图2-2 SHT71内部功能框图 图2-3 SHT71的外观实物二、 SHT71的功能说明 两线制数字接口，与单片机相连时，只需要两根额外的电源线和地线和一个上拉电阻和一个小电容即可，不需要其它的外围电路。分辨率为12位或14位的温度测量和分辨率为8位或12位的相对湿度测量。极快的响应时间。小间距4针引脚封装。基于请求式测量，能耗低。三、 SHT71的引脚说明SHT71的尺寸如图2-4所示，其中单位是mm。图2-4 SHT71的尺寸图下面以表2-1的形式列出SHT71的四个引脚的名称和说明。表2-3 SHT71的引脚说明 串行时钟输入（SCK）：SCK用于微处理器与SHT71之间的同步通讯。由于其接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。 电源引脚（VDD,GND）：SHT71的供电电压是2.4到5.5伏，传感器上电后，要等待11ms来完成“休眠” 状态，在此期间不需要发送任何指令。此外，电源引脚（VDD,GND）之间还可以增加一个100nF的滤波电容。 串行数据（DATA）:DATA三态双向数据线用于读取数据。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟的上升沿有效。传输数据期间，在时钟SCK高电平时，必须保持DATA稳定。为避免发生信号冲突，需要一个外部的上拉电阻将信号拉至高电平。四、测量数据处理为了将SHT71输出的数字量转换成实际物理量需进行相应的数据处理。 湿度变换SHT71的输出特性呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，可按如下公式修正湿度值：RHlinear=c1c2SORHc3SORH2 式中SORH为传感器相对湿度测量值，系数取值如下：12位SORH ：c1=-4 c2=0.0405 c3=-2.8*10-68位SORH： c1=-4 c2=0.648 c3=-7.2*10-4 温度补偿上述湿度计算公式是按环境温度为25进行计算的，而实际的测量温度则在一定范围内变化，所以应考虑湿度传感器的温度系数，按如下公式对环境温度进行补偿。RH true=（T-25）（t1t2SORH）RHlinear当SORH为12位时t1=0.01；t2=0.00008，当SORH为8位时，t2=0.00128 温度变换由设计决定的SHT71温度传感器的线性非常好，故可用下列公式将温度数字输出转换成实际温度值： 温度=d1d2*SOT 当电源电压为5V、温度传感器的分辨率为14位时，d1=-40,d2=0.01，当温度传感器的分辨率为12位时，d1=-40,d2=0.04。 露点值计算空气的露点值可根据相对湿度和温度值由下面的公式计算:LogEW=（0.660777.5*T/（237.3T）（log10（RH）2） Dp=（0.66077-logEW）*237.3）/（logEW8.16077） 五、具体的命令顺序及命令时序。 传输开始初始化传输时，应发出”传输开始”命令，命令包括SCK为高时，DATA由高电平变为低电平，并在下一个SCK为高时将DATA升高。后一个命令顺序包含三个地址位（目前只支持”000”）和5个命令位，通过DATA脚的ack位处于低电位表示SHT71正确收到命令。 连接复位顺序如果与SHT71传感器的通讯中断，下列信号顺序会使串口复位：当使DATA线处于高电平时，触发SCK 9次以上（含9次），并随后发一个前述的”传输开始”命令。 温湿度测量时序当发出了温（湿）度测量命令后，控制器就要等到测量完成。使用8/12/14位的分辨率测量分别需要大约11/55/210毫秒。为表明测量完成，SHT71会使数据线为低，此时控制器必须重新启动SCK。然后传送两字节测量数据与1字节CRC校验和。控制器必须通过使DATA为低来确认每一字节，所有的量中从右算MSB列于第一位。通讯在确认CRC数据位后停止。如果没有用CRC-8校验和，则控制器就会在测量数据LSB后，保持ACK为高来停止通讯，SHT71在测量和通讯完成之后会自动返回睡眠模式。需要注意的是，为使SHT71温升低于0.1,则此时工作频率不能大于15%（如：12位精确度时，每秒最多进行3次测量）。六、应用说明 硬件接口电路这里以AT89C2051单片机为例给出SHT71与单片机的接口电路如图3所示。由于AT89C2051不具备I2C总线接口，故使用单片机通用I/O口线来虚拟I2C总线，利用P1.0来虚拟时钟线，利用P1.1口线来虚拟数据线DATA，并在DATA端接入一只4.7K的上拉电阻，同时在VDD及GND端接入一只0.1 f的去耦电容。 运行条件测量量程以外的温度会使湿度信号暂时偏移3%。传感器会慢慢返回到校准条件。但是若将芯片在湿度5%环境下，加热24小时到90时，就会迅速地将高相对湿度、高温度环境的影响进行恢复，延长强度条件会加速芯片的老化。 安装注意事项由于大气的相对湿度与温度的关系密切，因此测量大气温度时的要点是将传感器与大气保持同一温度，如果传感器线路板上有发热元件SHT71应远离热源并保持好良好的通风，为减少SHT71和PCB之间的热传导，应使铜导线最细并在其中加上窄缝。同时应避免使传感器在强光或UV下曝晒。2.2.3显示屏的选择方案一：采用8端数码管，这种显示器有共阳极和共阴极两种。共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的工作原理也一样。显示方式可分静态显示和动态显示两种。静态显示方式：在这种方式下，各位LED显示器的共阳极连接在一起并接地，每位的短选线分别与一个8位的锁存器输出相连，各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另外字符为止，正因为如此，静态显示器的亮度较高。若用I/O口，这需要占用N8位I/O口。这样的话，如果显示器的个数较多，那么用的I/O接口就更多，因此显示位数较多的情况下，一般都不用静态显示。动态显示方式：当多位LED显示时，通常将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。而各位的共阳极或共阴极分别有相应的I/O口线控制，实现各位分时选通。其中段选线占用一个8位I/O口，而位选线占用N个I/O口。由于各位的段选线并联，段码的输出对各位来说都是相同的，因此，同一时刻，如果各位选线都处于选通状态的话，那LED显示器将显示相同的字符。若要各位LED能显示出与本位相应的字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一时刻，只让某一位的位选线处于选通状态，而其他各位的位选线处于关闭状态，同时，段选线上输出相应位要显示字符的段码。这种显示方式占用的I/O口个数为8N，相对静态显示少了很多，但需占用大量的CPU资源，当CPU处理别的事情时，显示可能出现闪烁或者不显示的情况。在本设计中，CPU需要测温，同时也需要PWM调制，根本上不可能实现。方案二:采用1602模块液晶，模块内部集成显示屏（LCDpanel）、控制器（controller）、列驱动器（segmentdriver）和偏压产生电路。使用时只要将数据总线和控制总线与单片机IO口相连，即可实现显示。内部集成192个字符，使用时只需指明地址调用，无需自建字库。内部集成显示缓冲区，显示时无需扫描，暂用CPU资源较小。综合考虑数码管和液晶显示器，从它们的分辨率、视角、可视面积、亮度与对比度、反应速度和色彩等多方面看，液晶屏都比数码管要好很多，只是在价格上液晶屏要比数码管贵点。所以我选择LCD。以下是对1602LCD的功能、特点、管脚和如何使用的介绍。一、 主要特性在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有显示质量高、数字式接口、体积小、质量轻、功耗低等优点。二、液晶显示原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。三、 1602LCD的基本参数及引脚功能1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。1、1602LCD主要技术参数：显示容量:162个字符芯片工作电压:4.55.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.954.35(WH)mm2、引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2-4所示:表2-4 引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极四、1602LCD的指令说明及时序1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2-5所示：表2-5 控制命令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）与HD44780相兼容的芯片时序表如下：表2-6 基本操作时序表读状态输入RS=L，R/W=H，E=H输出D0D7=状态字写指令输入RS=L，R/W=L，D0D7=指令码，E=高脉冲输出无读数据输入RS=H，R/W=H，E=H输出D0D7=数据写数据输入RS=H，R/W=L，D0D7=数据，E=高脉冲输出无读写操作时序如图2-5和2-6所示：图2-5 读操作时序图2-6 写操作时序五、1602LCD的ARM地址映射及标准字库表液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图2-7是1602的内部显示地址。图2-7 1602LCD内部显示地址在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。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，如图2-8所示，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”图2-8字符代码与图形对应图六、1602LCD的一般初始化（复位）过程延时15mS写指令38H（不检测忙信号）延时5mS写指令38H（不检测忙信号）延时5mS写指令38H（不检测忙信号）以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号写指令38H：显示模式设置写指令08H：显示关闭写指令01H：显示清屏写指令06H：显示光标移动设置写指令0CH：显示开及光标设置2.3本章小结本章讲述的是系统总体的方案设计，首先用一个系统的总体框图来说明本系统的总体方案。然后各个介绍分析各主控芯片的选型，其中包括温湿度传感器的选择，控制器的选择和显示屏的选择。通过本章内容，我们可以很清晰的了解本次设计的目的，设计要完成的工作和最终要达到的效果。第三章 系统硬件设计3.1系统原理图设计本系统的控制核心是STC89C52RC单片机，系统结构模块由部分组成，分别是最小系统模块、时钟模块、测量温湿度模块、控制模块以及显示模块。采用单片机的P2口控制LCD显示湿度和温度的值，其中数据命令选择、读/写选择、使能信号分别采用P1.2、P1.3和P1.4控制，对温湿度传感器的控制采用P1.O和P1.1口。电路原理图的设计主要是PROTEL099的原理图设计系统（AdvancedSchematic）来绘制本系统的电路原理图。在设计图纸大小Protel99/Schematic后，我首先要构思好零件图，设计好图纸大小。图纸大小是根据电路图的规模和复杂程度而定的，设置合适的图纸大小是设计好原理图的第一步。 其次是设置Protel99/Schematic设计环境，包括设置格点大小和类型，光标类型等等，大多数参数也可以使用系统默认值。最后我们可以根据电路图的需要，将零件从零件库里取出放置到图纸上，并对放置零件的序号、零件封装进行定义和设定等工作。在这一过程中，我充分利用了PROTEL99所提供的各种原理图绘图工具、各种编辑功能，来实现目的，即得到一张正确、精美的电路原理图。用protel软件画系统的硬件电路原理图如下图3-1所示。图3-1 系统硬件电路原理图3.1.1单片机最小系统设计1、时钟电路（1）机器周期MCS-52规定一个时钟周期为6个状态，且依次表示为S1、S2、S6。由于一个状态又包括两个节拍，因此一个机器周期共12个节拍，分别记为：S1P1、S2P2、S6P6。也就是一个机器周期等于12个震荡周期。当震荡频率等于12MHE时，则一个机器周期就是1us。（2）指令周期执行一个指令所需的时间称为指令周期。它是机器周期的整数倍，最短的是一个机器周期称为单周期指令，还有2个和3个机器周期的，最长的是4个机器周期。2、复位电路RST引脚是复位端，高电平有效。在该引脚输入至少连续两个机器周期以上的高电平，单片机复位。RST引脚内部有一个斯密特ST触发器以对输入信号整形，保证内部复位电路的可靠性所以外部输入信号不一定要求是数字波形。使用时，一般在此引脚与VSS引脚之间接一个10K的下拉电阻，与VCC引脚之间接一个约30pf的电容，RST引脚保持足够时间（即两个周期以上）的高电平，就可以实现系统自动上电复位。复位电路如图3-2所示。图3-2 时钟电路及复位电路3.1.2温/湿度采集系统的设计该部分系统功能通过STC89C52RC单片机与SHT71连接测量温、湿度值，连接时仅需要两根线即可实现微处理器与SHT71的双向通讯。在使用中不需要任何外围元件，被测温湿度通过编程可实现几位的数字方式串行输出，其中，测量相对温度的范围是0100%，分辨力达0.03%RH，最高精度为2%RH。测量温度的范围是-40+123.8，分辨力为0.01。测量露点的精度1。温/湿度采集电路的核心采用Sensiron公司生产的数字式温、湿度传感器SHT71。该传感器体积小、质量轻、性能稳定，且非线性误差较小、校准方便、互换性好、功耗极低，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。温湿度传感器有四个引脚，分别为VDD、GND、SCK和DATA四个脚，VDD和GND分别接电源线和地线，DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟的上升沿有效。传输数据期间，在时钟SCK高电平时，必须保持DATA稳定。为避免发生信号冲突，需要一个外部的上拉电阻将信号拉至高电平，SCK和DATA分别接单片机的数据口P1.1和P1.0。具体连接线路如图3-3所示。图3-3 52单片机和SHT71的接口3.1.3液晶屏显示电路设计在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，液晶屏显示电路的核心采用1602LCD显示屏，本节主要介绍字符型液晶显示器1602的与单片机的电路设计。此次设计液晶屏我选用1602LCD， 1602LCD共有16个引脚，2脚和15脚都是接电源；1脚和16脚都是接地；3脚是液晶显示偏压脚，与一个1K的偏置电阻连接后接地；4脚是数据/命令选择RS，与单片机的数据口P1.2相连，；5脚是读/写选择信号R/W，与单片机的数据口P1.3相连；6脚是使能信号端E，与单片机的数据口P1.4连接。该模块与单片机连接是比较简单的，它只需要一个8位的I/O口与液晶模块的8位数据端口相连，再用三位控制口分别与液晶模块的RS、R/W、EN相连。在本系统中，为了使其驱动能力更强、布线更加简单，我们用单片机的P2口接8位数据，用P1.2、P1.3、P1.4分别接RS、R/W、E。具体的连接如图3-4所示。图3-4 1602的接口电路3.2 系统PCB图设计设计PCB板的步骤首先是生成一张原理图网络表，设置PCB布线区，再导入网络表，布局元器件，再设置布线规则，然后自动布线，再手工修改，最后是布线规则检查。按照以上步骤绘制系统的PCB图如图3-5所示。图3-5 系统硬件电路PCB图3.2.1 PCB图布局在绘制好系统的原理图之后，接下来就是PCB图的设计了。设计PCB图时，我主要是按照以下思路来布局设计的：首先是在在元器件的布局方面，应该把相关联的元器件尽量放得近一些，例如，时钟发生器、晶振、CPU的时钟输入端等都易产生噪声，所以在布图的时候应把它们放置的近些。对于那些易产生噪声的器件、小电流电路、大电流电路及开关电路等，应尽量使其远离单片机的逻辑控制电路和存储电路（ROM、RAM），如果可能的话，可以将这些电路另外制成电路板，这样有利于抗干扰，提高电路工作的稳定性。 其次是尽量在关键元器件，如ROM、RAM等芯片旁边安装去耦电容。实际上，印制电路板走线、引脚连线和接线等都可能含有较大的电感效应。大的电感可能会在Vcc走线上引起严重的开关噪声尖峰。防止Vcc走线上开关噪声尖峰的唯一方法，是在VCC与电源地之间安放一个0.1uF的电子去耦电容。如果电路板上使用的是表面贴装元件，可以用片状电容直接紧贴着元件，在Vcc引脚上固定。选作去耦电容的最好是使用瓷片电容，这是因为这种电容具有较低的静电损耗（ESL）和高频阻抗，另外这种电容温度和时间上的介质稳定性也非常好。尽量不要使用钽电容，因为在高频下其阻抗较高。在安放去耦电容时需要注意以下问题：在印制电路板的电源输入端跨接100uF左右的电解电容，如果体积允许的话，电容量大一些则更好。原则上每个集成电路芯片的旁边都需要放置一个0.01uF的瓷片电容，如果电路板的空隙太小而放置不下时，可以每10个芯片左右放置一个110的钽电容。对于抗干扰能力弱、关断时电流变化大的元件和RAM、ROM等存储元件，应该在电源线（Vcc）和地线之间接入去耦电容。电容的引线不宜太长，特别是高频旁路电容不能带引线。 然后是在单片机控制系统中，地线的种类有很多，有系统地、屏蔽地、逻辑地、模拟地等，地线是否布局合理，将决定电路板的抗干扰能力。所以在设计地线和接地点的时候，应该考虑以下问题： 最后逻辑地和模拟地要分开布线，不能合用，将它们各自的地线分别与相应的电源地线相连。在设计时应尽量加大引出端的接地面积。一般来讲，对于输入输出的模拟信号，与单片机电路之间最好通过光耦进行隔离。在设计逻辑电路的印制电路版时，其地线应构成闭环形式，提高电路的抗干扰能力。地线应尽量的粗。如果地线很细的话，则地线电阻将会较大，造成接地电位随电流的变化而变化，致使信号电平不稳，导致电路的抗干扰能力下降。在布线空间允许的情况下，要保证主要地线的宽度至少在23mm以上，元件引脚上的接地线应该在1.5mm左右。3.2.2 PCB图布线设计PCB时，往往很想使用自动布线。通常，纯数字的电路板(尤其信号电平比较低，电路密度比较小时)采用自动布线是没有问题的。但是，在设计模拟、混合信号或高速电路板时，如果采用布线软件的自动布线工具，可能会出现一些问题，甚至很可能带来严重的电路性能问题。为避免出现电路性能问题我只有采用手工布线。手工布线时，常常会碰到布线无法从这一层的这个方向通过，但是布线可以在另一层通过，这时可以按小键盘上的*键，打一个导孔到另外一层就可以布线了，这时注意到线的颜色已经发生了变化，我在进行PCB图的布线时也遇到了这样的情况。既然是采用手工布线，那么第一个步骤是在板上放置器件。将噪声敏感器件和产生噪声器件分开放置。确定了器件的大体位置后，就可以定义地平面和电源平面了。实现这些平面是需要一些策略技巧的。在PCB中不使用地平面是很危险的，尤其是在模拟和混合信号设计中。其一，因为模拟信号是以地为基准的，地噪声问题比电源噪声问题更难应对。其二，地平面还对噪声有屏蔽作用。采用地平面可以很容易解决这些问题，在采集数据时，没有在传感器上施加激励。采用这种电路布线，控制器专用于与转换器接口，并将转换器的结果发送到LCD显示器。3.3焊接电路板本次焊接当然是纯手工焊接，手工焊接握电烙铁的方法,有正握、反握及握笔式三种。焊接元器件及维修电路板时以握笔式较为方便。 手工焊接一般分四步骤进行。准备焊接:清洁被焊元件处的积尘及油污,再将被焊元器件周围的元器件左右掰一掰,让电烙铁头可以触到被焊元器件的焊锡处,以免烙铁头伸向焊接处时烫坏其他元器件。焊接新的元器件时,应对元器件的引线镀锡。加热焊接:将沾有少许焊锡和松香的电烙铁头接触被焊元器件约几秒钟。若是要拆下印刷板上的元器件,则待烙铁头加热后,用手或镊子轻轻拉动元器件,看是否可以取下。清理焊接面:若所焊部位焊锡过多,可将烙铁头上的焊锡甩掉(注意不要烫伤皮肤,也不要甩到印刷电路板上!),用光烙锡头沾些焊锡出来。若焊点焊锡过少、不圆滑时,可以用电烙铁头蘸些焊锡对焊点进行补焊。检查焊点:看焊点是否圆润、光亮、牢固,是否有与周围元器件连焊的现象。SHT71温/湿度传感器，是一款精小又及其敏感的器件，属于易损元器件。易损元器件是指在安装焊接过程中，受热或接触电烙铁时容易造成损坏的元器件。由于SHT71的4个管脚的间距很小,要选择合适的烙铁头及温度,防止管脚间连锡。焊接集成电路最好先焊接地端、输出端、电源端,再焊输入端。对于像SHT71那样的对温度特别敏感的元器件,可以用镊子夹上蘸有元水乙醇(酒精)的棉球保护元器件根部,使热量尽量少传到元器件上。3.4元器件清单本次设计所需的元器件不多，清单如表3-1所示表3-1 元器件清单名称规格数量备注单片机STC89C52RC1开关电源1电容30P3电容0.1UF2按键SW-PB1电阻10K3电阻3301电阻1K1二极管绿色1晶振11.0592MHE1传感器SHT711电容10uf1液晶屏1602LCD1插针若干3.5本章小结本章着重讲述了系统硬件设计。先是介绍了是系统的原理图的设计，首先给出了原理图，然后是分别说明原理图的布局中各个子系统的设计问题。然后讲述的是PCB图的绘制问题，和前一节的描述步骤一样，先是给出系统的PCB图，再分别讲述PCB图的布局和布线问题。再后来讲的是焊接电路板的问题，让我们了解到在焊接过程中要做的准备和要注意的问题。最后给出了本次设计所用到的元器件清单。第四章 系统软件设计采用软件对系统进行编程比起用硬件实现其功能要简单、快捷很多。本系统软件设计采用C语言，只需对采集到的温度和湿度进行处理后，即可让LCD液晶屏实时显示当前的温度和湿度的值。温度和湿度的采集在SH