1、- i -本科毕业论文（20 届）基于低功耗的数字温湿度传感器设计所在学院专业班级 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期- ii -目 录摘 要 .1Abstract.2前 言.3第一章 绪 论 .41.1 开发背景 .41.2 国内外现状 .4第二章 系统总体设计 .6第三章 硬件设计方案 .73.1 主要芯片介绍 .73.1.1 单片机 STC89C51 .73.1.2 显示芯片 LCD1602 .93.1.3 时钟芯片 DS1302 .93.1.4 数字温湿度传感器 DHT11.113.2 各部分电路介绍 .143.2.1 单片机电路 .143.2.2 传感器电路 .153.2.3
2、 LCD 显示电路 .163.2.4 按键电路 .163.2.5 报警电路 .17第四章 系统软件部分设计 .174.1 主程序框图 .184.2 温湿度采集框图 .19第五章 仿真与测试结果 .195.1 测试结果分析 .205.2 电路功耗测试 .21第六章 总结与展望 .21参考文献致 谢附 录1摘 要为了解决温湿度监测器的功耗问题，本文设计了一款基于低功耗的数字温湿度传感器 DHT11 的温湿度监测器。单片机采用的是功耗低、性能高的 STC89C51。DHT11 温湿度传感器是一款具有已校准数字输出的温湿度复合式传感器，传感器含有一个电阻式感湿元件和 NTC 测温元件。在时钟电路中，使
3、用的 DS1302 也是一个功耗很低的器件，而且它能完美的显示出时间和日期，能准确的记录下当时的温湿度情况。设计电路包括温湿度模块、LCD 模块、报警模块、时间显示模块。当实际测量温湿度大于所设定的温湿度的值，系统就会发出蜂鸣声，以起到提醒的作用。测试表明此温湿度监测器是低功耗的。关键词：DHT11、温湿度传感器、LCD、低功耗2AbstractIIn order to solve the problem of power consumption for temperature and humidity monitor, this paper designed a temperature hu
4、midity monitor based on digital temperature and humidity sensor DHT11 and low power consumption. The microcontroller is low power consumption, high performance STC89C51. DHT11 temperature and humidity sensor is a temperature and humidity compound sensor is calibrated digital output, the sensor conta
5、ins a resistance type humidity sensing element and NTC temperature element. In the clock circuit, device using DS1302 is also a power consumption is very low, and it can display the time and date of the perfect, can accurately record the temperature and relative humidity at the time of the. Design t
6、he circuit comprises a temperature and humidity module, LCD module, alarm module, time display module. When the temperature and humidity of actual measurement of temperature and humidity is greater than the set value, the system will beep, in order to play the role of reminding function. The test sh
7、ows that the temperature and humidity monitor is low power consumption.Keywords：DHT11、Temperature and humidity sensor 、Low power consumption3前 言在我们现在的生活中，工业部门对产品质量的要求越来越高，环境温湿度的控制及工业材料的水分值的测量与分析都成为比较广泛的技术条件。随着科技的发展，测试仪表也向着智能化、便携化、低功耗方向发展。整个发展过程中，以 51 单片机为核心控制器的温湿度检测仪以体积较小、操作简单、性能稳定、测量准确度高等优点逐步进入生产生活
8、的各个方面。本文主要解决的问题就是温湿度检测器的低功耗问题。区别于传统单片机由于体积大、操作难而且功耗高，该设计主要采用单片机 STC89C51 和数字温湿度传感器 DHT11作为核心控制。由于单片机 STC89C51 相对于 PLC、DSP 功耗要低很多，而且 STC89C51是单片机中功耗较低的一种，因此用他来做设计的核心再好不过了。论文的第一章讲述了本次设计的开发背景和国内外现状；第二章主要描述了本次设计中使用到的软件；第三章介绍了设计的内部芯片和温湿度检测仪的硬件设计部分，重点介绍了复位部分电路、显示部分电路、电源部分电路、温湿度测量电路等；第四章描述了程序运行的框图；第五章则是介绍了
9、低功耗实现的方法；第六章则是介绍了仿真结果。4第一章 绪 论1.1 开发背景温湿度和人类的生活生产有着特殊的关联，同时在工业生产中也是最常见的最基本的参数。而温湿度采集技术通常是利用温湿度传感器采集信号，然后将模拟信号通过A/D 转换，传送给处理器进行处理、运算，最后将结果 传送给控制中心，并由控制中心控制驱动设备自动进行控温控湿，最终达到精度上的要求。论文介绍了一种低功耗的温湿度监测器，它运用 STC89C51 单片机、DHT11 温湿度传感器，区别于传统体积庞大、操作困难、消耗较大的测量仪。此测量仪具有造价低、性能好、控制精度高、使用灵活、操作简便等特点，可作为一台独立的温湿度测量仪表使用
10、。低功耗温湿度监测器充分利用单片机自身的高性能、低功耗、可编程、小型便携等优点，广泛应用于诸多领域的温湿度测量。由于科技飞速发展，温湿度检测仪的功能正在日益完善，随着智能化传感器等一些高级电子器件的不断出现，那么低功耗温湿度检测仪的未来也将会是十分美好的。1.2 国内外现状近年来，无论是国内还是国外的科研人员对温湿度监测系统的研究都是向着集成化和智能化，因为他们的不懈努力，系统正越来越完善。数据采集现是代化温湿度传感器监测系统的主要根本依据，传感器的主要类型包括：虚拟仪器、智能化仪器、数字式仪器等。随着科学技术的逐渐进步，数据采集系统的完整性和可用性发生了巨大的变化。因此，在现实生活中，寄托于
11、数据采集系统的温湿度测量仪器的作用也显得越来越重要。目前，很多国外的大型企业高度重视传感器的研究和开发工作，来确保其在全世界销售市场的竞争力。在 20 年前，科学家就已经研究出了集成温度和湿度的测量工具，并在了湿度传感器的测试系统中得到了完美的体现，这种新兴的科技不但大大刺激了传感器技术，而且还促使它进一步发展。与此同时，国内的很多机构也在对传感器的测试设备进行不断的探索和开发。例如，在研究与开发的动态测试装置和气体传感器智能测试装置的自动取样系统时使用常规的5电子仪器的设计，这些成绩都让我国在传感器领域大放异彩。当然，随着科学与技术的进步，在稳定性、精度等方面，传统的温湿度检测技术已经很难满
12、足市场的需求，因此，探索新时代的传感器是尤为重要。6第二章 系统总体设计本次设计主要的功能是实时显示当前环境的温湿度，并监测室温度是否超过设定的值，如果超过，会有警报系统发出警告。系统主要分为温度采集，数据处理和用户设置这三个模块。温湿度采集模块是使用DHT11 对当前环境下的温湿度进行采集，它使用的是单总线方式，分辨率为 8bit，完全能够满足本次设计的要求。数据处理模块是有完成温湿度采集、运算和控制功能的单片机 STC89C51。用户是设置模块有按键和蜂鸣器组成，按键的主要作用是设置时间/日期和温湿度的报警设定值，蜂鸣器是用来提醒用户温湿度是否超标的。系统设计方案如图2-1 所示。图 2-
13、1 系统设计方案单片机作为主控制器，用来对温湿度传感器采集到的数据进行处理，并送入 LCD 显示模块中显示出来。温湿度传感器是用来采集周围环境的温湿度并送入单片机中进行处理。按键模块是用来处理系统复位、设定时间/日期和设置温湿度设定值的。蜂鸣器的主要作用就是用来检测当前温湿度值是否超过设定值，如果超过就会发出警报声。LCD 显示是用来显示当前环境温湿度和时间/日期的。7第三章 硬件设计方案3.1 主要芯片介绍3.1.1 单片机 STC89C51STC89C51 是一种带 4KB 可编程可擦除只读存储器的 CMOS8 位的微处理器，它具有低电压，高性能的特点，俗称作单片机。STC89C51 是一
14、种将低功耗的 8 为 CPU 和存储器组合在一个芯片重的一种高效微处理器，与标准 MCS-51 的指令集和输出管教兼容，采用高密度非易失性存储器制造技术制造，在很多嵌入式控制系统应用 STC89C51 是一种价廉且灵活性高的方案。它能与 MCS-51 兼容，有 32 条可编程 I/O 线、5 个中断源、可编程串行通道、两个16 位定时器/计数器、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路、128*8 位内部RAM，它是 4K 字节可编程的闪烁存储器、它的数据保留时间是 10 年。1.管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0 口：总线 I/O 端口、双向、三态，数据地址分时复用，它的每脚可
15、吸收 8TTL 的栅极电流，P0 端口输出的信号没有锁存，输入的信息可以分为读端口引脚和读端口锁存器两种。P1 口：通用 I/O 端口，准双向静态口，缓冲器可接收或输入 4TTL 栅极电流，输出的信息有锁存，输入有读引脚和读锁存器之分。P2 口：内部上拉电阻的 8 位 I/O 口，缓冲器接收或输出 4 个 TTL 门电路的电流，当P2 口被写“1 ”，引脚拉高从内部上拉，并作为输入，此时，端口的引脚被向外拉低，输出电流。P3 口：双向 I / O 8 内部上拉电阻，可以输出 4 TTL 门电路的电流。P3 口管脚还有一些特殊的功能如表 3-1 所示。表 3-1 P3 口管脚备选功能P3.0 R
16、XD 串行输入口 P3.4 T0 记时器 0 外部输入P3.1 TXD 串行输出口 P3.5 T1 记时器 1 外部输入P3.2 /INT0 外部中断 0 P3.6 /WR 外部数据存储器写选通P3.3 /INT1 外部中断 1 P3.7 /RD 外部数据存储器读选通RST：复位输入。8ALE/PROG：在 FLASH 编程时，此引脚用于输入编程脉冲。访问外部存储器时，地址锁存允许输出电平用于锁存地址字节的状态。/PSEN：外部程序存储器选通信号。/EA/VPP：/ EA 维持在低电平时，此时外部程序存储器（0000H-FFFFH）不管是否有内部程序存储器。XTAL1：反相放大器的输入。XTA
17、L2：反相放大器的输出。2.振荡器特性反相放大器可以被配置为片内振荡器，而 XTAL1 和 XTAL2 正是反相放大器的输入和输出。如果放大器采用的是外部时钟源驱动器件，XTAL2 则什么都不接。至少需要通过一个两分频触发器才能使数据输入到内部时钟信号中去，此时必须保证脉冲高低电平达到要求的宽度，那样外部时钟信号的脉宽就显得无所谓。3.芯片擦除如果 ALE 管脚一直处于低电平 10ms 的状态下，并通过自我控制信号的正确组合，就可以完成整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除。此外，在空闲模式下，CPU 会停止工作。但定时器/计数器，程序存储器，串行口和中断系统不会因为 CPU 而停止工作。
18、处在掉电模式下的 CPU 将会在冻结振荡器的同时保证 RAM 内容的完整性，直到硬件复位为止，其它芯片的功能才能使用。4.STC89C51 的低功耗措施STC89C51 单片机的工作状态有正常、空闲、掉电三种。它的时钟频率范围为1.2MHz-12MHz，在 5V 的正常工作电压状态下，工作电流为 24mA；闲置状态下运行时，工作电流为 3mA，掉电方式下运行时电流最低，工作电流只有 50uA。用软件可以选择运行空闲和掉电方式，要把 CPU 从空闲状态唤醒进人正常状态可以通过单片机使用中断和复位。掉电方式时，片内 RAM 内容不会被破坏，但是片内振荡器会停止工作，所有的运行状态将会停止。只能通过复位才能解除单片机单调方式，片内 RAM 的内容不会因为单片机复位而被改变。主振频率会影响单片机的功耗，CMOS 管处于放大区的时间会随着主政频率的增大而增长，功耗也随之变大。如果测控系统对于速度的要求不高，那么6MHz 晶振频率会是最好的选择，这样系统功耗不但会降低了，系统的稳定性还会得到增强。3.1.2 显示芯片 LCD1602
