2013届 光信息科学与技术专业 毕业设计（论文）
湿度测量系统的设计、改良有着很大的现实意义.要为现代人工作、科研、生活提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。本设计是以51单片机为核心，配合温湿度传感器，以及相关的外围电路组成的检测系统，可以接收所测环境的温度和湿度信号，检测人员可以通过液晶显示的数据，实时监控环境的温度和湿度情况。相比较常见的温湿度测量器，本系统包括系统硬件和软件设计,可靠性高，结构简单，操作简单，智能化程度高，在测量范围和精准度等方面都有了一定改良。
我国地大物博，各个地区的气候都有所差异，所以各个地区的食物储存、农业、工业、畜牧业等对温湿度值的要求也不尽相同，只有实时精确地测量温湿度的值才能够实时地调节控制使其在合适的数值保持住，这样也就有利于实物储藏、动植物生长、工业安全等问题的解决。温湿度检测的应用非常广泛，因此研究温湿度的检测非常有意义[3]。
1.2研究现状
随着信息产业的发展及工业化的进步，温度湿度不仅仅表现在以上几个方面直接或间接影响着人类的基本生活条件，还表现在对生物制品、医药卫生、科学研究、国防建设等方面的影响。国内外对温湿度检测的研究，从复杂的模拟量检测到现在的数字智能化、小型化、低功耗的方向发展。在发展过程中，以单片机为核心的温湿度测量系统发展为体积小、操作简单、量程宽、性能稳定、测量精度高，等诸多优点在生产生活的各个方面实现着至关重要的作用。
随着现代集成电子、通信、计算机等技术的快速发展，传感器也向着集成化，数字化发展，这样大大降低了成本，提高了测量准确性和精度。温湿度传感器的研发得到了国内外的高度重视，很多国内外的政府和公司投入了大量的人力、物力和财力。如美国“国家纳米技术”（National Nanotechnology Initiative）计划，还有AD、MAXIM、Sensiron等知名芯片制造商。它们的典型产品有MAX6625/6626温湿度传感器，SHT1X/SHT7X温湿度传感器，这些传感器采用数字化技术，以数字化形式直接输出测量值。国内的一些公司也已经开始了在这些方面的研究，并取得了一些重要成果，如JUCSAN公司，它的JCJ200Y产品耐温高达600℃，已成功应用在印染行业纱锭自动烘干系统、食品自动烘烤系统。近年来，温湿度测量系统的研究发展迅速，先进的测控技术、自动化技术、PLC技术、现场总线技术、传感器技术以及数字信息技术的发展都为温湿度测控系统的研发提供了条件。
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西方发达国家在温湿度测量控制方面起步较早，1949年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，最早的温湿度测量系统应用于其中。20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业，温湿度测量控制系统开始在荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的迅猛发展，我国的温湿度测量的技术起步较晚，70年代以来政府大力发展塑料大棚，从而促使温湿度测量系统的快速发展。与此同时，从1979年至1994年，从欧美、日本等国家引进了一系列的技术进行研究借鉴。
近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足的进步。湿敏传感器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，为开发新一代温湿度测量系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT10型智能化温湿度传感器，体积与火柴头相近。他们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。测量相对温度的范围是0～100%，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℃。在测量温湿度是A/D转换器的位数分别可达12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。该产品互换性好，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，可广泛用于温湿度测量系统中[4]。
1.3本文研究的主要内容
第一，学习强化单片机知识。单片机在现实生活中的应用非常广泛，几乎和每个人的生活息息相关，单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到那个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械。因此单片机的学习非常重要，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。根据课程安排，曾经在大三下半学期开设单片机课程，但由于课时短所以仅仅只学习了一部分相关知识。如果想对单片机有更深的了解，想具有一定的开发设计能力必须在之前所学的知识基础上更深层次的学习单片机，而学习单片机的最好方法就是自己动手做东西，这样在实践的过程中发现问题解决问题，从而较快的学习和掌握单片机的相关知识。
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第二，掌握智能温湿度检测系统，提出硬件电路设计方案。该内容可根据该设计说要实现的功能，将电路的设计模块化。根据每个模块的具体功能以及特性将每个模块合理的分布在板子上面。然后就要进行电路的设计，电路设计非常重要，电路设计的不合理有可能导致该设计的失败。每个芯片与单片机连接时尽量选择合适的I/O口，能不重复使用就尽量不重复使用。在设计过程中可以将一些管脚多的芯片优先使用I/O口，最后将一些管脚较少的芯片接到剩下的部分中。
第三，画出原理图（能不能不要这么白话）。原理图的绘制首先必须熟练使用AD软件，其次是根据自己所设计的硬件电路绘制出原理图。通过自己动手绘制原理图会发现很多问题，例如许多元件在软件自带的库里面找不到，这就必须自己建立自己的元件库，这也是每一个初学者应该注意的。不要一旦找不到自己想要的元件就去网上搜一些别人建好的库，初学者可以自己建立一个自己的库，这样既能使初学者更加熟练使用该软件同时也可以保证在以后的学习和工作中可以方便快捷的使用到自己想用的元件。
第四，编写单片机控制程序。编写单片机的程序是所有环节中最重要的一个环节同时也是工作量最大的一个环节，程序的编写直接关系到整个系统能否正常工作实现应该实现的功能。在编写程序时应该注意要做到程序的功能模块化，这样既能使得编写过程思路清晰、不容易出错，也可以在编写完每个模块之后依次进行各个模块的调试。只有这样才可以有效的编写每个模块的程序最终实现整个系统的功能，同时也能及时发现各个模块中是否存在硬件焊接上的问题，及时发现及时改正。
第五，完成系统整体功能调试。这一步骤是最后一个环节，是整个系统能否正常工作所要经受的最后一个考验。在开始调试时我所编写的时钟模块显示正常，调节时间的独立按键也工作正常，但是程序跑几天之后问题就出现了，时间开始跑乱日期、星期出现问题，这些都是之前没有想到的。但程序应该没有问题，在几番查看之后发现电路板某些地方的接触不是很好，有时候接触不好可能导致程序的跑乱，再重新焊接好那些问题电路时问题得到了解决。还有在调试过程中还遇到了按键反应过快或者过慢的情况，这些均和延时的长短有关，在调节好合适的时间后按键将会操作正常。
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第2章 设计任务分析及方案论证
本章详细介绍了本次设计的主要任务，以及对于所要实现的内容加以分析，同时详细的介绍了主要元器件的选择，以及各自的特性。
2.1设计过程及其工艺要求设计
一个以单片机为核心的温湿度检测系统，需要实现的功能为：
①能够准确的显示当前的温度以及湿度。温度检测的范围0℃-60℃，测温精度：±2℃；湿度检测范围20%-100%RH,测湿精度:±5％RH。
②在显示当前温湿度的前提下准确显示当前的时间。并且所显示时间可以利用独立按键对其进行调整。
③在显示模块中所用到的液晶12864直观的显示四行数据，分别为日期、时间、温度、湿度。
④数据存储模块中要求将所采集的温湿度数据实时记录在U盘中，方便后期处理和使用。
2.2设计总体方案及其论证
本设计要实现的功能是：实时显示当前环境的温湿度，以及当前的准确时间信息，同时将数据实时记录在U盘中，系统正常运行下工作指示灯亮。
（1）温度显示：对温室温度进行测量并反映在显示器上。 （2）湿度显示：对温室湿度进行测量反映在显示器上。
（3）显 示：LCD就地显示此时此刻温湿度值以及当前日期时间信息，
摆放在测量现场用于显示当前的温湿度。
依据功能设定，本系统主要分为以下四个模块： （1）时钟模块 （2）温湿度采集模块 （3）液晶显示模块 （4）数据存储模块
其中时钟模块主要由按键、12864点阵液晶、DS12C887时钟芯片构成。其中按键用于用户设定日期时间准确值，12864用于数据显示，DS12C887用于设计精
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确的时钟。
其中温湿度采集模块使用的是DHT21数字温湿度传感器，它使用单总线方式，接口简单，而且无需另外校准。分辨率为8bit，完全能够满足日常环境温湿度的检测要求[5]。
液晶显示模块是选用12864型号液晶，该模块是配合以上两种模块共同工作完成预期的效果，简单来说就是起到显示时间温湿度的作用。
数据存储模块使用的是AT89C51单片机，其完成温湿度数据的采集、运算和逻辑控制的功能，然后将准确的时间以及温湿度信息存储到U盘中。
外界环境 温湿度传感器 液晶显示模块 AT89C51单片机 时钟模块 数据存储模块 图2-2-1 温湿度检测系统框图
单片机作为主控制器，主要负责处理由温湿度传感器送来数据，并把处理好的数据送向显示器模块，数据温湿度传感器主要用来采集周围的环境参数，并把所采集到得数据送向单片机，最终存入U盘中，时钟电路主要设计精确的时钟，显示电路主要用来显示当前的温湿度。
2.3温湿度传感器DHT21的选定
将单片机用作测量系统时，总要有被测信号输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，其核心任务是怎么样获得准确的被测信号；而对测量系统来说，不可缺少的环节是对条件的监测和对被控对象状态的测试，传感器是实现测量与控制的第一环节，是测控系统的关键部分，一切准确的测量都将在传感器对于原始信号的准确可靠的转换和捕捉，工业生产过程的自动化测量，基本主要依赖各种传感器来检测生产过程中的各种量，使系统和设备在最佳状态正常运行，从而保证生产的高质量和高效率。
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