基于单片机的室内环境监控系统设计

基于单片机的室内环境监控系统设计

基于单片机的室内环境监控系统设计

温度与湿度是衡量环境的一个重要指标,在室内环境监测中，需要实时报告数据。本设计以单片机为核心器件，由信号采集电路、单片机电路、显示电路、报警电路等组成智能温湿度监测报警系统，首先对需要检测温湿度的监控点采集信号，并将此信号传送给单片机进行处理，然后在LCD1602上实时显示室内环境温度和相对湿度。此外，还可设置温湿度上下限，如测量值超过温湿度上下限，系统会自动报警。如还需要检测其他环境指标，如PM2.5、CO2等，可通过增加有关传感器来实现。经检测表明：该系统工作稳定可靠，测量准确，具有一定的实用价值。

前言.................................................... 错误！未定义书签。第1章绪论 (5)

1.1 课题意义和目的 (5)

1.2 课题研究内容 (5)

1.3 课题任务要求 (6)

第2章系统方案设计 (7)

2.1 系统方案构思 (7)

2.2 方案的选择与论证 (8)

2.2.1 方案比较与论证 (8)

2.2.2 系统结构框图 (9)

第3章系统硬件电路设计 (10)

3.1 单片机简介 (10)

3.2 时钟电路 (11)

3.3 复位电路 (12)

3.4 按键电路 (12)

3.5 温湿度检测电路 (13)

3.6 显示电路 (14)

3.7 报警电路 (15)

第4章系统软件设计 (17)

4.1 软件设计总体思路 (17)

4.2 主程序流程图设计 (17)

4.3 子程序流程图设计 (18)

4.3.1 按键电路子程序流程图 (18)

4.3.2 温湿度测量子程序流程图 (19)

4.3.3 显示模块子程序流程图 (20)

4.3.4 报警模块子程序流程图 (21)

第5章系统调试与数据分析 (23)

5.1 硬件电路调试 (23)

5.1.1 硬件电路功能与测试 (23)

5.1.2 存在问题及解决方法 (24)

5.2 软件调试 (24)

5.2.1 程序编写与测试 (24)

5.2.2 存在问题及改进措施 (25)

5.3 测试结果分析 (26)

第6章总结与展望 (27)

参考文献 (28)

致谢 (29)

附录1 电路原理图 (30)

附录2 PCB图....................................... 错误！未定义书签。附录3 实物图. (31)

附录4 程序 (32)

在室内环境检测时，温度与湿度通常作为非常重要的测试指标。在室内环境监测过程中，需要准确并快速的得到测量数据，以确保能及时进行调整。在日常生活中，需要时常关心环境变化，只要能够把握住变化无常的环境，我们就可以能得到更好的发展。例如在一些农业养殖场，只有很好的监测温度、湿度、采光等环境变化，及时进行调整，才能使产量得到最大化。

本次设计通过STC89C52单片机实现了对室内温湿度的检测与报警功能，通过LCD1602显示屏显示室内的实时温湿度。系统采用了DHT11传感器，此传感器同时具有A/D转换器和温湿度传感器，通过STC89C52单片机处理并显示温湿度值，其它模块包括了时钟模块、复位模块、按键模块、显示模块、报警模块等。

本文详细介绍了基于STC89C52单片机的室内温湿度监测系统，其中包括硬件参数介绍和制作原理，软件的流程、编写以及软硬件调试。系统简单易用，数据显示清晰明白，保证了测量准确度和便携性。

第1章绪论

课题意义和目的温度与湿度是衡量室内环境的一个重要指标，我们需要对这两个指标进行实时监控。通过对温湿度的监控，我们可以及早发现一些问题并及时的处理，比如说在一些温室，花草的成长，和温湿度是离不开的，它们只有在适宜的环境下，在适宜的湿度和温度下，才能成长的更快，我们才能获得更大的效益。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，因此根据课题设计出了能够自动检测多个测点温湿度并根据设定值进行报警的系统。

1.2 课题研究内容

本设计课题是基于单片机的室内环境监控系统，其主要研究内容为：

1、以单片机、温湿度传感器、LCD显示模块等为核心器件组成室内环境监控系统。

2、根据课题要求采购各种元器件并完成软硬件电路设计，完成焊接和调试工作。

3、完成该设计的程序设计，提交程序设计框图及源程序清单。

4、完成硬件与软件的综合调试，实现基本功能和主要技术指标。

1.3 课题任务要求

设计制作一个利用单片机作为核心的室内环境监测报警系统，具体要求为：

1．设计一个利用温湿度传感器监测室内环境中的温湿度数据并根据设定的上下限值进行声光报警的系统。

2．该系统共有两个监测点，分别监测当前室内温湿度，要求系统可以分别清晰地显示两个测量点的温湿度值。

3．设计的系统可以通过按键调节温湿度上下限，当监测的温湿度超过设定的上下限时就会进行报警。（例如当设置的温度上下限分别为40摄氏度和10摄氏度时，如监测到的温度超过40摄氏度或者低于10摄氏度，此时就会报警）

第2章系统方案设计

课题的目的以及需要实现的功能已经明确，接下来根据课题的具体要求制定设计方案，经过对各个模块的仔细分析最终选择可行的方案。

2.1 系统方案构思

温湿度监控系统具有可以对数据进行采集和处理、显示采集到的数据、进行串口通信、输出控制信号等多种功能。本系统由温湿度检测模块、LCD显示模块、单片机控制模块、按键模块、声光报警模块等6个主要模块电路组成。该监测系统具有实时采集室内温湿度并对采集到的数据进行实时比较和分析，当超过设定要求的上下限时进行声光报警的功能。

（1）方案一：

系统原理图如图2-1所示。本方案采用温湿度传感器采集温湿度信息经过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号发送给FPGA中，再通过LED数码管显示出来。按键电路是用来设置采集温湿度数据的上下限值。当显示的温湿度数据超过设置的上限值或低于设置的下限值时，声光报警电路开始工作。

图2-1 方案一电路原理框图

（2）方案二：

系统原理图如图2-2所示。本方案使用温湿度传感器采集2个监测点的温湿度数据，

并将采集到的数据发送到单片机中进行处理，处理完毕后再由LCD1602显示器显示。按键电路是用来设置采集的温湿度的数据的上下限值。当采集到的数据不在设置的上下限范围内时，监测系统开始报警。

图2-2 方案二电路原理框图

2.2 方案的选择与论证

2.2.1 方案比较与论证

1.控制器选择

控制器主要有FPGA和单片机两种选择。FPGA相对于单片机来说I/O口较多，扩展电路相对比较简单，而且FPGA的抗干扰性能和速度比单片机要好，但是单片机与FPGA相比价格较低，且功耗低，对于这种较简单的控制系统来说单片机的功能已经足够可以符合该系统的设计要求。而且相比于FPGA，单片机只需4个端口中的2个就能满足系统的设计需要，并且可以用干电池供电，适合像本次设计一样的小型系统。所以综合考虑，本系统选择单片机作为控制器。

2.传感器选择

传感器部分主要有模拟传感器和数字传感器两种选择。模拟传感器采集的数据需要经过A/D转换器才能转换成数字信号，精度受到A/D转换器的影响，若选用精度较高的转换器费用方面就会提高，而数字传感器具有精度高，费用低的优点，所以选择数字模拟器（DHT11）。

3.显示器选择

显示器部分主要有LED数码管和LCD显示屏两种选择。由于本次设计要求显示的数据较多，但是数码管显示出的数据并不容易观察，而LCD显示屏可以很直观的显示出收集到的数据，所以本次设计选择LCD显示屏。

综上所述，考虑到设计经费、电路功耗和硬件制作工序以及其他各方面的因素，本次设计选择方案二。

2.2.2 系统结构框图

本次设计使用3节干电池作为电源，采用数字温湿度传感器将采集到的温湿度数据送入STC89C52单片机中，再用LCD1602液晶显示器显示出来。按键电路是用来设置温湿度采集数据的上下限值。当显示的数据超过设置的上限值或低于设置的下限值时，声光报警电路开始工作，对不在范围内的数据报警。

图2-3 电路原理框图

第3章系统硬件电路设计

根据系统方案设计要求，进行多点温湿度监测，其主要电路包括以下七个模块：温湿度测量模块、单片机控制模块、按键选择模块、显示模块、报警电路模块、时钟模块和复位模块。

3.1 单片机简介

引脚介绍：

VCC：供电电压

GND：接地

P0口：P0口是由P0.0—P0.7这8个双向I/O口组成的，每个引脚可以接收8个TTL 门电流。当对片内FLASH进行编程时，P0口作为接收命令的端口，而在检验程序时，P0口用来输出命令

P1口：P1口既可以作为输入口又可以作为输出口，当它被内部上拉为高电平时为输入口，而当它被拉为低电平时作为输出口。

P2口：P2口一般作为双向I/O端口使用或者作为高8位地址总线输出引脚

P3口：P3口由8个引脚组成，能作为双向I/O端口使用但是一般会使用其第二功能

RST：复位输入

ALE/PROG：作为地址锁存允许信号输出引脚或编程脉冲输入引脚

PSEN：片外ROM读选通信号输出引脚

XTAL1：接入晶体振荡器的引脚

XTAL2：另一个接入晶体振荡器的引脚

图3-1 STC89C52单片机引脚示意图

3.2 时钟电路

时钟电路能产生基准时钟信号，为单片机和整个硬件电路提供运行时钟，可控制PC 机的工作节奏，如果没有时钟电路来产生时钟信号驱动单片机，单片机是无法工作的。CPU完成各种不同的命令也需要有复杂的时序。如时钟电路的输出为0或时钟频率超过单片机的工作频率，单片机也不能工作。STC89C52的时钟信号产生方式有两种：一种是利用芯片内部的震荡电路来产生时钟信号，另一种是从外部直接引入时钟信号。

图3-2 时钟电路

3.3 复位电路

复位电路的作用是初始化程序计数器（PC），它的作用除了可以使系统进入正常的初始化，还可以在系统发生错误锁死时起到重启系统的作用。

图3-3 复位电路

3.4 按键电路

用5个键来控制，Key1键是使界面返回到最初的的主界面，Key2键是用来由主界面切换到修改温湿度上下限界面，Key3键用来切换具体希望修改的某个温湿度上下限，Key4键用来增加温湿度上下限，Key5键是用来减小温湿度上下限。

图3-4 按键电路

3.5 温湿度检测电路

DHT11温湿度传感器是一款可以对信号进行自动校准输出的数字型传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有测量精度高，稳定性强等特点。因此DHT11具有稳定性高、抗干扰能力强、数据测量精确、产品价格低廉等优点。每个DHT11传感器都经过实验室严格测试以确保其测量精度。校准系数以程序的形式

储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。这些特性使DHT11成为了各类产品及设计中的首选。产品为4针单排引脚封装。

DHT11的供电电压仅需3.3v到5.5v左右，完全可以用干电池供电，而能测量的湿度范围为百分之20到百分之90RH，能测量的温度范围为0摄氏度到50摄氏度。对于像本设计一样的小型系统来说，DHT11的这些特性都极为适合。

从STC89C52单片机接受到开始信号后，DHT11传感器开始工作,在主机的开始信号结束后,DHT11发出响应信号并开始进行数据采集。只有当DHT11传感器接收到由主机发送的开始指令时它才会开始采集数据，当没有接收到开始信号时DHT11传感器处于低速状态。

接收一次数据包含40bit，它分别由8bit的湿度整数数据加上8bit的湿度小数数据和8bit的温度整数数据和8bit的温度小数数据组成。当数据正确接收时会显示4个数据之和的末八位。

图3-5 温湿度检测电路

3.6 显示电路

1602LCD的特性：+3.3V电压，对比度可调，内含复位电路，可以提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能，有80字节显示数据存储器DDRAM，内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM，8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM，并且其功耗小、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，适合在一些小型仪器中使用。

图3-6 显示电路

3.7 报警电路

本电路使用四个报警指示灯，一个蜂鸣器和LCD1602液晶显示共同实现报警，四个灯的作用是可以清楚看出是哪个节点的报警，与蜂鸣器组成声光报警系统。使用LCD1602可以清楚的观察测到的温湿度上下限。当报警时，通过四个指示灯可以清楚地看出是哪个节点温度和湿度超限，如果想进一步知道是温度还是湿度报警，是超上限还是超下限报警，可以通过液晶清楚地看出来，因为在软件编程时，在液晶是适当的位置留了空位用来显示超上限还是超下限，设计电路时采用的思想是当温度超过上限时让液晶在适当的位置显示+，超下限时显示-，同样湿度也一样。这样就可以清楚地看出是温度超限还是湿度超限。