2 系统总体方案设计 2 系统总体方案设计
本章节主要介绍无尘室温湿度监测系统的方案设计，它主要包括对系统功能的概述及系统性能指标、系统的设计原则、元器件的选择、系统整体方案设计。
2.1系统功能
本系统可以实现对无尘室温湿度参数的实时监测与采集；温湿度通过LED数码管进行实时显示；而且通过按键可依次调取过去六小时的温湿度信息并显示；对超限数据的报警
①分别通过温、湿度传感器DS18B20、HS1101和NE555采集温湿度数据，即时传输给单片机；
②单片机将收到的信号进行分析和处理，将采集到的实时数据送给数码管显示和AT24C02存储；
③设定温度湿度报警范围，接入蜂鸣器和发光二极管实现越限报警； ④按键调取过去六小时的温湿度值；
2.2系统设计思路
电路总体上分为数据采集部分、中央处理器、显示模块、存储模块以及报警模块部分。以AT89C51单片机最小系统作为核心检测电路，检测温度、湿度传感器采集的温湿度值的，通过数码管的显示和存储器的存储，以及蜂鸣器和发光二极管的报警。具体显示内容及方式由软件来完成。采集温、湿度方面由DS18B20、HS1101和NE555振荡器来完成，DS18B20为数字式传感器可以直接与单片机相连接，有HS1101和NE555组成的振荡电路把对湿度的检测换算成了对频率的检测，直接连接单片机，根据设计要求来选择数码管来显示。具体步骤是：按照原理图将传感器、数码管分别接入单片机。通过温度传感器和湿度传感器采集当前的温湿度值，再经单片机，将处理后的数据传送到数码管显示出来和存储器上来存储。并且接入蜂鸣器和发光二极管。
（1）温度监控：通过温度传感器对无尘间实验室温度进行测量， （2）湿度监控：通过湿度传感器对无尘间实验室湿度进行测量， （3）显示：单片机经过处理把温湿度传感器接收到的值显示到数码管上，更加明了显示当前所处环境的温湿度值。
（4）存储：记录过去六小时的温湿度信息，以便工作人员进行查阅过去温湿度信息。
（5）检测处理：当温度、湿度越限时报警，并通过报警信号蜂鸣器报警和发光二极管来显示当前室内的温湿度值
4
西安工业大学毕业设计（论文） 2.3传感器元件的选择
该系统运用AT89C51为主模板，外接晶振电路，复位电路，按键电路，显示模块以及报警电路，该系统的还可以调去过去六个小时的信息，在加上个存储模块，便于存储信息。
方案一： 选用DHT11作为设计的温湿度检测模块。DHT11是一款集成型的数字温湿度一体传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。测量范围20%~90%RH，0℃~50℃。测温度精度为±2℃，测湿精度为±5%RH。
方案二：选用DS18B20温度传感器作为温度检测模块。DS18B20是一线式数字温度传感器。具有独特的单线式接口方式。测量范围在—55℃~125℃，—10℃~85℃，误差范围在±0.5℃。最高精度可达0.0625℃。HS1101是电容式湿度传感器。可测量相对湿度范围在0%~100%RH。误差为±2%RH。
经上述分析，方案二精度更精确。方案一不能实现方案二的高精度测量。也不能够满足课题对精度的要求。故选择方案二。
2.4系统整体方案设计
a. 系统的组成：系统整体设计采用模块化设计，它由九个模块组成，单片机、温度采集模块、湿度采集模块、键盘模块、显示模块、存储模块、实时时钟模块、报警模块、电源模块。
b. 系统总体结构框图：系统总体结构框图如图2.1所示。
DS18B20温度传感器DS1302电路HS1101湿度传感器/NE555按键电路AT89C51单片机AT24C02存储器LED显示电路电源电路声光报警电路
图2.1 系统的整体框图
5
西安工业大学毕业设计（论文） (1) DS18B20温度传感器：数字式温度传感器，具有独特的单总线接口方式，系统连接更加的简单。
(2) 湿度传感器HS1101结合NE555振荡器：湿度测量转换成NE555和HS1101组成的振荡频率的测量，通过相应的运算得出湿度值的大小，这样使得湿度的测量更加方便，但是存在相应的误差。
(3) 采用独立式按键：设定了五个按键分别是S1“温度设定键”、S2“湿度设置键”S3“加一键”、S4“减一键”、S5“调取键”。
(4) LED显示电路：显示当前温湿度的大小，由于该课题只是简单的显示当前的温湿度的大小，是存数字的利用数码管就可以实现。
(5) AT24C02存储电路：将整点的温湿度数值存储到AT24C02中，当有S5按键按下时读取AT24C02信息。
(6) DS1302实时时钟电路：为了配合AT24C02存储整点时的温湿度信息，设置整点时钟电路。
(7) 报警电路：当温湿度超过设定的上下限时，采用蜂鸣器和发光二极管行进声光报警。
(8) 电源电路：通过变压、整流、滤波、稳压转化成稳定的5V的直流电源。
2.5本章小结
本章介绍了总体方案的设计以及单片机的选型，设计出了系统的原理结构框图，其中输入电路包括单片机的晶振电路、复位电路、温湿度检测电路、按键等输入电路；输出电路包括显示电路、报警电路、检测电路以及存储器电路。
6
3 系统硬件电路设计 3 系统硬件电路设计
本设计的内容是无尘室温湿度监测系统。它的硬件电路采用模块化设计，首先，选用单线数字式温度传感器DS18B20作为温度的采集；湿度采用HS1101结合NE555振荡器，把对湿度的测量转化为对频率的测量，将采集到的数值送到单片机进行数据处理；由LED数码管对当前的实时温湿度进行分别的显示；把DS1302实时时钟电路设置整点时间所对应的温湿度数值存储于存储器AT24C02中，以备监测人员通过按键调取过去六小时的温湿度信息；设计报警电路，当采集到的温湿度数值超出它的上下限时启用蜂鸣器和发光二极管进行声光报警。
3.1单片机最小系统
单片机是一种集成的电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。国内尤以MCS-51系列单片机应用最为广泛。此系列单片机易于开发、使用灵活、而且体积小、抗干扰能力强。因此本设计选用MCS-51系列的AT89C51单片机作为本系统的CPU。由AT89C51单片机为核心的单片机最小系统包括晶振电路和复位电路。 3.1.1晶振电路
晶振电路的主要任务是为AT89C51单片机正常工作需要的时钟电路提供一个稳定的工作频率。本设计中采用内部时钟产生方式。如图3.1所示。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶振，与内部的反相器构成稳定的自激振荡器，其发出的时钟脉冲直接送入单片机内定时检测部件。电容C1和C2对频率有微调作用，电容C1和C2，应尽可能的安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠的工作。
C147pfY1XTAL112MHZC247pfXTAL2
图3.1晶振电路
7
西安工业大学毕业设计（论文） 3.1.2复位电路
复位电路的功能就是对CPU进行实时监测，当CPU落入死循环之后，能及时发现并使整个系统复位。为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，4.75~5.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75低于5.25以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才能被撤出，微机电路开始正常工作[2]。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路，如图3.2所示。复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连的，斯密特触发器是用来抑制噪声的。
单片机的RST引脚是复位信号的输入端，RST引脚上保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，单片机内部可以安全复位。
复位后，单片机内部各寄存器的内容将被初始化，复位不影响片内RAM和片外RAM中的内容。寄存器包括程序计数器PC和特殊功能寄存器，其中（PC）=0000H
S6vccR2200C310ufRSTR110k 图3.2复位电路
3.2传感器模块设计
温湿度的测量在仓库管理、工业生产制造、无尘间、科学研究及日常生活中被广发应用，传统的模拟式湿度传感器需设计信号调理电路并需要经过复杂的校准标定过程，测量精度难以得到保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。所以选用DS18B20、HS1101和NE555温湿度传感器，可以满足我们的设计要求。
8