西安工业大学毕业设计（论文） 湿度温度传感器是本设计中核心的器件，其感湿温特性直接决定了本设计的性能指标。湿度传感器的种类有很多，大致可以分为物性型，结构型，其他形式三大类。物性型包括电解质系，半导体及陶瓷系，聚合物系；结构型包括毛发型，肠膜型；其他形式包括干湿球式，石英振子式，种子法式等等。温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类。前者是让温度传感器直接与待测物体接触，来检测被物体放射出的红外线，从而达到测温的目的。在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比之下运用较多的是接触式传感器，非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用。目前在工业生产和科学研究工作中得到广泛使用的接触式传感器主要是热电传感器。它是利用转换元件电磁参数随温度变化的特性，对温度和与温度有关的参量进行检测的装置，其中将温度变化转换为电阻变化的称热电阻传感器，金属热电阻式传感器简称热电阻，半导体热电阻式传感器简称热敏电阻，将温度变化换为电动势变化的称为热电偶传感器。 3.2.1 DS18B20传感器简介及电路设计
温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量，而用来量度物体温度数值的标尺叫温标。它规定了温度的读数起点（零点）和测量温度的基本单位。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标和国际实用温标。
DS18B20具有独特的单总线接口方式，仅需使用1个端口就能实现与单片机的双向通讯。全数字温度转换及输出提高了信号抗干扰能力和温度测量精度。它具有多样封装形式，适应不同硬件系统。它的工作电压使用范围宽(3．0～5．5 V)，可以采用外部供电方式，也可以采用寄生电源方式，即当总线DQ为高电平时，窃取信号能量给DS18B20供电。它还有负压特性，电源极性接反时，DS18B20不会因接错线而烧毁，但不能正常工作。可以通过编程实现9～12位的温度转换精度设置。DS18B20采用3脚TO-92封装，形如三极管，同时也有8脚SOIC封装，还有6脚的TSOC封装，如图3.3所示。
图3.3 DS18B20的封装
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西安工业大学毕业设计（论文） DS18B20其测温范围为－55～+125℃，在-10～85℃范围内，精度为±0．5℃。每一个DS18B20芯片的ROM中存放了一个64位ID号：前8位是产品类型编号，随后48位是该器件的自身序号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码。因此，一条总线上可以同时挂接多个DS18B20，实现多点测温系统。另外用户还可根据实际情况设定非易失性温度报警上下限值TH和TL。DS18B20检测到温度值经转换为数字量后，自动存入存储器中，并与设定值TH或TL进行比较，当测量温度超出给定范围时，就输出报警信号，并自动识别是高温超限还是低温超限。 DS18B20的6个功能指令：
（1）温度转换指令（44H）。这个命令用于启动温度转换，无实质的数据要求。如果微检测器在该命令之后输出读操作命令，那么DS18B20将使DQ端为低电平，表示DS18B20正忙于温度转换，不能响应该命令。
（2）写便笺式存储器（4EH）。写便笺式存储器从TH存储单元开始，三个字节的数据将被定位在2到4号便笺式存储器单元。所有的三个字节必须在复位钳写入便笺式存储器。
（3）读便笺式存储器（BEH）。该指令读取便笺式存储器的内容，读出的数据将从Byte0（存储器的0号单元）开始直到第9字节（CRC校验字）被读走。但如果不想读完所有字节，微检测器可以再任何时候输出复位信号中断其传输。
（4）复制便笺式存储器指令（48H）。把2、3、4号存储单元的内容存储到非易失性SRAM中去。复制期间，如果有读指令，DS18B20将把DQ置为低电平，直到转换结束，把DQ置为高电平。
（5）回读SRAM（B8H）。将存储在SRAM中的温度报警上下限、分别率配置的内容写回相应的便笺式存储器。
（6）读电源配置结构指令（B4H）。主检测设备发出该指令后在输出读时序，器件即会送出所使用的电源信息：0为寄生电源，1为外接电源。
DS18B20的ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。
在进行DS18B20操作时一般有以下步骤：（1）初始化DS18B20。（2）ROM指令操作。（3）便笺式存储器功能指令操作。（4）处理或数据传送。每一次DS18B20的操作都必须满足以上步骤，若是缺少或顺序混乱，期间将不会返回值。 3.2.2DS18B20传感器电路实现
采用DS18B20数字温度传感器测量温度，DS18B20与单片机是单线双向通信。其连接电路如图3.4所示。
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西安工业大学毕业设计（论文） U3DS18B20VCC32GND1VCCR194.7KDS18B20_2DQ 图3.4 DS18B20测温电路
DS18B20外部电源供电VCC=5V，数据输入端DQ与AT89C51的P1.7口相连,为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，需要在数据线上加一个4.7K?的上拉电阻。 3.2.3湿度测量选择电路设计
HS1101实际上是一个可变电容，它会因外部环境湿度的变化而致使电容值变化，如表3.1所示。湿度测量模块采用HS1101及NE555组成，将该HS1101置于NE555震荡电路中，将电容值的变化转化为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机采集。传统的测量湿度使用干湿球湿度计，它虽然维护其来相当简单，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可，但其精度不够、误差较大。电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。电子湿度传感技术由于发展快，精确性高，误差小，现在得到了广泛的应用。我们选择电子湿度传感器HS1101测量湿度。
HS1101湿度传感器随着湿度的变化其电容值的变化在一定程度上是线性的，测湿电路主要利用它们之间的线性关系，可以将湿度变化转化为电容值的变化其的等效电容值与相对湿度之间的关系。
表3.1 等效电容值与相对湿度之间的数值关系
相对湿度RH（%） 0 10 20 30 40 50 电容值C（PF） 163 166 170 173 176 179 相对湿度RH（%） 60 70 80 90 100 电容值C（PF） 183 186 191 195 202 NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功 能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。其引脚位功能配置如图3.5所示。
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西安工业大学毕业设计（论文） 图3.5 NE555引脚图
3.2.4湿度测量电路的实现
采用HS1101及NE555振荡器实现对湿度进行测量，其电路连接如图3.6所示。
vccR10851KU2VCC4RQ3R111KHS1101_35CV555DC7R12560KGNDR131M2TRTH6C4HS11011
图3.6 HS1101和NE555的测湿电路
此电路位典型的555非稳态电路，555芯片外接电阻R10，R12与HS1101，构成对HS1101的充电回路。7端通过555芯片内部的晶体管对地短路实现对HS1101的放电回路，并将引脚2，6端相连引入到片内比较器，构成一个多谐波振荡器，其中，R10相对于R12必须非常的小，但决不能低于一个最小值。R11是防止短路的保护电阻。555电路的非平衡电阻R13作为内部温度补偿用，目的是为了引入温度效应，使它与HS1101的温度效应相匹配。其工作循环可以描述如下：
Thigh=C＠%RH*(R4+R5)*㏑2 Tlow=C＠%RH*R5*㏑2
F=1/( Thigh+Tlow)=1/(C＠%RH*(2*R5+R4)*㏑2)
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西安工业大学毕业设计（论文） 式中：Thigh 表示一次循环输出高电平时间，单位（s）
Tlow 表示一次循环输出低电平时间，单位（s） C＠%RH表示相对湿度下HS1101的容值，单位（F） F表示输出频率值，单位（HZ） 电路工作原理：HS1101作为一个变化的电容器，当电源VCC接通时，HS1101两端的电压Vc=0，定时电路处于置位状态由VCC通过R10与R12对变量电容HS1101充电，当Vc达到门限电压（2/3VCC)时，定时电路翻转为复位状态，HS1101通过R13向555内部的晶体管放电，当Vc降到触发电平（1/3VCC）时，定时电路又翻转为置位状态，HS1101又开始充电，这样周而复始，形成震荡。
典型频率湿度关系如表3.2所示（参考点：25℃，相对湿度：55%，输出频率：6660 Hz）。由此可以看出，空气相对湿度与555芯片输出频率存在一定线性关系。可以通过微处理器采集555芯片的频率，经过数据处理可以直接以相对湿度的数据进行显示。
表3.2 相对湿度与频率的关系
相对湿度值/% 0 10 20 30 40 50 输出频率值/Hz 7351 7224 7100 6976 6853 6728 相对湿度值/% 60 70 80 90 100 输出频率值/kHz 6600 6468 6330 6186 6033 3.3 DS1302时钟电路设计
DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。 3.3.1DS1302工作原理
VCC1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大者供电。当VCC2大于VCC1＋0.2V时，VCC2给DS1302供电。当VCC2小于VCC1时，DS1302由VCC1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为
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