1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 带语音播报的温湿度仪 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 在当今各种新兴技术迅速发展的社会，传感器系统正向着微型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。随着各种技术的不断发展以及多种技术和 功能的融合，未来的传感器系统将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。 本课题基于单片机对数字信号的高敏感和可控制性 ,设计了一套以单片机为核心的监测报警系统，其中包括单片机、复位电路、温湿度检测、键盘、显示及语音、系统软件等多个部分的设计，通过细化设计要求，结合传感器技术等相关
2、知识实现系统的各种功能。 硬件设计上，以 89C51 单片机为主控芯片，运用数字传感器、点阵模块和语音芯片来完成。系统主要由两个输入模块和两个输出模块组成，输入模块上主要有按键和传感器，是用来切换显示的内容以及输入温湿度的信号； 而输出模块上主要有点阵显示模块和语音模块，当收到输入模块传输数据后，显示模块上显示温湿度数值，当数值超出设定数值时，语音模块发出警告。 在经过硬件设计组装、软件编程调试、系统综合调试完成后，系统能最终实现检测温湿度，显示温湿度，过限报警等功能，同时具备良好的可靠性和抗干扰能力。 关键词： DHT21；单片机； ISD4004；点阵显示； - 2 - Abstract
3、Emerging technologies in todays rapidly developing society, Sensor system is toward miniaturization, intelligent, multi-functional and network direction. Along with the development of various techniques and a variety of technical and functional integration. Future sensor systems will become more min
4、iaturized, integrated, multi-functional, intelligent and systematic. The issue is the digital signal based on single chip highly sensitive and can be controlled, designed a single chip microcomputer as the core monitoring and alarming system, including SCM, reset circuit, temperature and humidity te
5、sting, keyboard, display and voice, and many other parts of the system software design, through detailed design requirements, combined with knowledge of sensor technology to achieve the system functions. In the hardware design, the main chip is the 89C51 microcontroller,it also uses digital sensors,
6、 dot matrix modules and voice-chip to complete. System mainly consists of two input modules and two output modules, there are buttons and sensors on the input modules, is used to switch the display of the content of the signal and the input temperature and humidity; on the output module ,there are d
7、ot-matrix display modules and voice module, upon receiving the transmission data of input module, display module to display temperature and humidity values, when the value exceeds the setting value, the voice module is warning. After assembly of the hardware design, software programming and debuggin
8、g, system integration commissioning, System can eventually achieve the features of detecting temperature and humidity,displaying temperature and humidity and over-limit alarm, of course it also has good reliability and anti-jamming capability Key Words: DHT21； Singlechip； ISD4004； Dot matrix display
9、 - 3 - 目 录 1 概述 .1 1.1引言 .1 1.2 课题研究的内容和意义 .1 2 总体设计 .3 2.1课题的基本指标及参数 .3 2.1.1 基本指标及功能 .3 2.1.2 主要技术参数 .3 2.2各模块分析选择 .3 2.2.1单片机选择方案 .4 2.2.2传感器选择方案 .4 2.2.3 显示模块选择方案 .6 2.2.4语音模块选择方案 .6 2.3 总体设计框图 .7 3 硬件设计 .8 3.1 信号的采集模块 .8 3.1.1温湿度传感器主要参数和性能 .8 3.1.2 温湿度传感器数据处理和电路设计 .10 3.2 信号的分析处理模块 . 11 3.2.1 A
10、T89C51介绍 . 11 3.2.2 系统时钟电路 .13 3.2.3 复位电路 .14 3.3 信号的显示模块 .15 3.3.1 显示模块工作原理 .15 3.3.2 点阵显示驱动电路 .18 3.3.3 点阵显示电路设计 .20 3.4 语音播报模块 .22 3.4.1 语音播报芯片 .22 3.4.2 语音播报电路设计 .25 4 软件设计 .27 4.1 总体程序流程图 .27 4.2 数据采样和处理子程序 .28 4.3 数据显示子程序 .30 4.3.1 小字库制作 .30 4.3.2 显示子程序流程图 .32 4.4 语音播放子程序流程图 .35 5 制作和调试 .38 5.
11、1 使用的仪器仪表及软件 .38 - 4 - 5.2 系统制作 .38 5.3 系统调试 .38 5.3.1 硬件调试 .38 5.3.2 软件调试 .39 5.3.3 联合调试 .39 6 结论与展望 .40 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .41 附录 1 系统实物图 .42 附录 2 实验原理图 .43 附录 3 毕业设计作品说明书 .44 附录 4 系统源程序 .45 - 1 - 1 概述 1.1 引言 温湿度对人们的日常生活十分重要，尤其在食品、医药、生产行业中，它的作用更加突出。 随着生产的发展 , 对自动控制技术提出了更高的要求 , 在许多生产领域 (烟草、食品加工、
12、轻纺、空调等 ) 需要对温湿度控制的场合越 来越多 , 越来越复杂 , 提出的要求也越来越高 , 如精度、能耗等。 要满足这些要求 , 常规的控制仪表及简单的控制方式已很难达到 , 只有到了计算机技术高速发展的今天才能实现。 各行业特别是传统产业都急切需要应用电子技术、自动控制技术进行改造和提升。例如纺织行业，温湿度是影响纺织品质量的重要因素，但纺织企业对温湿度的测控手段仍很粗糙，十分落后，绝大多数仍在使用干湿球湿度计，采用人工观测，人工调节阀门、风机的方法，其控制效果可想而知。制药行业里也基本如此。而在食品行业里，则基本上凭经验，很少有人使用湿度传感器。值得 一提的是，随着农业向产业化发展，
13、许多农民意识到必需摆脱落后的传统耕作、养殖方式，采用现代科学技术来应付进口农产品的挑战，并打进国外市场。各地建立了越来越多的新型温室大棚，种植反季节蔬菜，花卉；养殖业对环境的测控也日感迫切；调温冷库的大量兴建都给温湿度测控技术提供了广阔的市场。 测量湿度要比测量温度更复杂，这是因为温度是个独立的被测量，而湿度却受大气压强和温度的影响。目前，温湿度测量领域的新技术不断涌现，新产品也层出不穷。主要表现在以下两方面：（ 1）温湿度传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发 展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件；（ 2）在温湿度测量系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿
14、度等项新技术。 因此，智能化、人性化以及自动化的温湿度仪是未来仪表发展的必然趋势 。 1.2 课题研究的内容和意义 本课题是制作一个语音播报的温湿度仪，实现对温湿度的监测，同时实现显- 2 - 示和报警。 设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控制性，数字温湿度传感器可以产生数字信号的性能，以 89C51为核心的监测控制系统，其中包括单片机、复位电路、温湿度检测、键盘、报警及显示、系统软件等许多部分的设计，通过 细化设计要求，结合传感器技术等相关知识实现系统的各种功能。本设计完成的带语音播报的要求是能检测并显示温湿度，在经过硬件设计、焊接组装、软件编程调试、系统综合调试完成后能够实现检测温湿度
15、，显示温湿度，并且在超过规定值时能够报警，同时，系统具有良好的可靠性和抗干扰能力。 本设计整体开发过程简单易懂，所选择的平台与各电子元件恰当合理，无需花费过多的人力财力便可达到预期所要求各功能的实现。同时，通过本设计的制作，使我全面了解相关传感器的原理及使用传感器的目的，对我的思维、动手能力以及总结论述等综合能力的提高有很大帮 助。 - 3 - 2 总体设计 本课题设计制作一款能语音报警的温湿度检测显示系统。系统具有以下几个功能：温湿度的检测；温湿度的显示；过限报警和处理，复位和设置参数等。 设计以 89C51 单片机为核心，通过 DHT21 数字温湿度传感器来采集温湿度信息，温湿度数字信号通
16、过总线形式被送入 89C51 单片机中，处理数据后进行 LED点阵显示和语音报警。 2.1 课题的基本指标及参数 2.1.1 基本指标及功能 1 检测温湿度 2 显示温湿度 3 语音报警 4 系统可靠性，能抗干扰。 2.1.2 主要技术参数 1 温度检测范围 在 -30 +50，测量精度 0.5。 2 湿度检测范围在 10% 100%RH，测量精度 1%RH。 3 显示方式为四位显示。 2.2 各模块分析选择 当单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号通过输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件
17、的监察也是不可缺少的环节。 传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无- 4 - 法实现。 工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。 通过收集各硬件模块资料信息，对其进行有效的分析选择，最终选出最合理的设计方案。 2.2.1 单片机选择方案 方案一，采用常用的 AT89C51 控制。技术比较熟练，应用广泛， 现在的 51系列 技术硬件发展的也非常得快，也出现了许多功能非常强大的单片机 ，因此使
18、用单片机可以实现要求的基本功能。 方案二，应用 ARM， ARM 是一种功耗很低的高性能处理器 ， 技术具有性能高、成本低 和能耗省的特点。方便 、 安全 、 高效 。 作为嵌入式领域中最为广泛使用的32位处理器结构体系， ARM 已经成为多个应用领域的标准 CPU。 ARM 处理器技术正在成为多数嵌入式高端应用开发的首选。 ARM2138 芯片具有高达 32KB 的内存作为数据的缓冲区，因此能够实现非常快的读取速度 。 并具有丰富的 I/O 资源，而且其外围电路简单 ,在片内即可实现所有控制。简化了整个系统的复杂程度。 综合比较方案一与方案二， 由于自己对于 51 芯片所学的东西比较熟悉 ,
19、所以采用 方案一 AT89C51 做为控制器。 2.2.2 传感器选择方案 在本设计系统中， 传感器是十分重要的一部分，它决定了系统的精度和效度。 方案一：采用热电阻温度传感器和 CHR-01 湿敏电阻 。 热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻 1。其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。 铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。按 IEC 标准测- 5 - 温范围 -200 65
20、0，百度电阻比 W（ 100） =1.3850 时， R0为 100和 10，其允许的测量误差 A 级为（ 0.15 +0.002 |t|）， B级为（ 0.3 +0.005 |t|）。 铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。在工业中用于 -50 150测温 2。 而 CHR-01 湿敏电阻适用于阻抗型高分子湿度传感器，它的工作电压为交流1V，频率为 50Hz2kHz，测量湿度范围为 20%90%RH，测量精度 5%，工作温度范围为 0+85 ，最高使用温度 120 ，阻抗在 60%RH（ 25 ） 时为 30（ 2140.5）K。采用
21、 555 时基或 RC 振荡电路，将湿度传感器等效为阻抗值，测量振荡频率输出，振荡频率在 1k Hz 左右。 方案二： 采用 温度传感器 DS18B20 和 HF3223 湿度传感器 温度传感器 DS18B20 的 温度测量范围从 -55 +125 ， -10+85 时测量精度为 0.5 ，测量分辨率为 0.0625 ，电源电压范围从 3.05.5V3。它支持 一线总线 的数字方式传输，可组建传感器网络。而且，无需进行线性校正，使用非常方便，接口简单，成本低廉。 与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够 直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式，可以分别
22、在 93.75ms 和 750ms 内将温度值转化 9 位和 12 位的数字量。它具有体积小、接口方便、传输距离远等特点，内含寄生电源。 系统有如下特点： (1)不需要备份电源，可通过信号线供电； (2)送串行数据，不需要外部元件； (3)零功耗等待； (4)系统的抗干扰性好，适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备过程控制、测温类消费电子产品等。 对于 HF3223 湿度传感器 ，它 采用 了 模块式结构，属于频率输出式集成湿度传感器 ，相对湿度在 0%99%RH 范围内，精度为 5%，测量指标和精度高，不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程。 HF3223 湿度传感模块将湿度信息转化为频率信号，传输给单片机进行分析、处理和控制显示 3。
