温湿度测量仪及降温装置的设计摘要：本文设计了一种基于STC89C52为主要控制器件的温湿度测量仪，以SHT11为传感器，以LCD1602位显示器，可以在显示器上实时显示温度与湿度，并且如果超出上下限值时系统会报警，控制舵机触发降温装置。
本设计的优点是不仅可以实现温湿度测量和报警，还可以通过按键设定温湿度报警的上下限值，更贴近实际。
关键词：单片机；SHT11 ；LCD液晶显示0 前言温度和湿度是两个最基本的环境参数，人们生活与温湿度息息相关。
在日常生活、工业、医学、环境保护、化工、石油等领域，经常需要对环境温度和湿度进行测量和控制。
准确测量温湿度在生物制药食品加工、造纸等行业更是至关重要。
因此，研究温湿度的测量方法和装置具有重要的意义。
随着科技的不断发展，单片机技术已经普及到我们的工作、生活、科研等各个领域。
已经成为一种比较成熟的技术。
由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便等优点，目前已经渗透到我们工作和生活的方方面面。
本文利用 51 单片机及 SHT11 温湿度传感器设计一套温湿度测量系统。
系统能够实时检测环境的温度和湿度信息并显示，若超过阈值则报警。
并且能设定阀值的上下限制，超出报警后会触发降温装置以降低温度。
1 总体方案设计针对本课题的设计任务，进行分析得到：本次设计用温湿度传感器进行温湿度的测量，温湿度信号由传感器直接测量并转换成数字信号。
并将测量到的温度与湿度值在单片机中进行温度与湿度信号的补偿并将最后结果转换成相应的数据格式在LCD上显示。
同时另一方面利用独立键盘的三个按键为设定上下限值和设定温度或湿度的选定，若没有超出设定值，则熄灭状态，若超出设定值，则LED灯亮起，为报警状态。
当进入报警状态时发出报警信号，另一个单片机接收到报警信号后，控制舵机转动，以触发降温装置。
该温湿度测量仪的设计，在总体上大致可分为以下几个部分组成：1温湿度检测部分；2单片机处理数据部分；3报警上下限值设定部分；4数据显示部分；5报警与控制舵机部分。
2 硬件电路设计2.1 单片机系统本设计的时钟电路采用外部晶振12MHZ的设计，同时设计了单片机复位按键，用来防止程序跑飞，硬件设计如图1所示。
图1 系统原理框图2.2 传感器引脚介绍与电路连接本系统采用SHT11传感器，传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出数字信号。
传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。
SHT11外形尺寸具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。
为了正确连接传感器，使系统正常工作同时确保传感器不被烧坏，首先就是明确传感器各引脚的含义以及注意事项。
SHT11温湿度传感器采用SMD(LCC)表面贴片封装形式，管脚排列和引脚说明如图2所示。
图2 SHT11管脚排列和引脚说明电源引脚为VDD 和GND ，SHT11的供电电压范围为2.4-5.5V,建议供电电压为3.3V 。
SCK 为串行时钟输入口，SCK 用于微处理器与SHT11之间的通讯同步。
由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK 频率。
DATA 为串行数据口DATA 引脚为三态结构，用于读取传感器数据。
当向传感器发送命令时, DATA 在 SCK 上升沿有效且在SCK 高电平时必须保持稳定。
DATA 在SCK 下降沿之后改变。
为确保通讯安全，DATA 的有效时间在SCK 上升沿之前和下降沿之后应该分别延长一些。
当从传感器读取数据时,DATA TV 在 SCK 变低以后有效，且维持到下一个 SCK 的下降沿。
在明确传感器各引脚的含义后，设计传感器和单片机的硬件连接，本设计将SCK 引脚接至P1.0，将DATA 引脚接至P1.1，如图3所示。
图3 SHT11电路连接图2.3 LCD1602显示硬件连接本课设采用LCD1602显示，LCD1602以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的应用，其各引脚定义如表1所示。
表1 LCD各引脚定义第1脚：VSS为地电源。
第2脚：VDD接5V正电源。
第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：背光源正极。
第16脚：背光源负极。
根据LCD1602的引脚定义设计与单片机连接的硬件电路，另外为防止单片驱动电流不够，在P0口上加上排阻以确保LCD1602可以正常工作，电路图如图4所示。
2.4上下限值设定与报警电路图上下限值设定采用独立键盘按键设置，分为3个按键，分别是设置键，向上调节键，向下调节键，报警采用的是红色LED灯，若红色LED灯灭则表明当前温度和湿度在允许值内，若红色LED灯亮，则表明当前温度和湿度有一项超出了设定的上限值或下限值。
由于按键简单采用独立按键设计给编程和硬件连接都带来了方便，硬件连接图如图5所示。
当单片机发出报警信号时，会触发舵机转动到固定角度值触发降温装置。
舵机有三个接线，电源线，信号线，地线。
舵机是利用每20ms定时触发中断执行中断程序工作的。
在20ms中断时间里时间里，对舵机信号线输出不同时间的高电平，舵机会转动不同的角度。
图6控制舵机转动电路3 软件设计本课题的软件设计采用了模块化设计的思想，分为四大模块，头文件与宏定义模块，LCD1602设置模块，SHT11设置模块，主函数模块。
主程序流程如图7所示。
图7 主程序流程图3.1 头文件与宏定义模块基于单片机开发的原理和下方调用部分子函数，在程序开头调用了reg52.h，intrins.h，stdio.h，string.h，math.h，absacc.h。
其中调用intrins.h 是因为下方用到了字符循环移位指令和空指令，调用到string.h是因为下方用到诸多关于字符数组的函数，调用到math.h是因为下方用到一些数学运算，调用absacc.h是因为准备绝对地址访问的宏定义。
除了定义头文件外为了编程的方便，还对部分引脚和变量类型做了简化。
将连接液晶的P2^5，P2^6和P2^7端和3个独立按键都做了简化处理方便后续编程。
3.2 LCD1602设置模块对LCD1602的设置分为写命令，写数据，写字符，写字符串，初始化，显示温湿度阀值，设置按键显示这七部分。
下面分别详细介绍这七部分。
写命令：首先将RS设为指令寄存器，即RS=0,然后把后续要用到的命令写入P0口，因为是子函数，这里命令用变量com代替，后续编程直接为com赋值即可。
因为是写命令所以LCD使能端先置高电平延时一段时间后再置低电平。
写数据：先将RS端设为数据寄存器，即RS=1，然后把要显示的数据装载到P0口上，最后根据LCD的工作原理，先将使能端置高电平在将其置低电平，因为是子函数，这里用无符号字符型变量dat来代替数据。
写字符串：这里首先判断是第一行还是第二行，由y的值来判断是第一行还是第二行，第一行命便从0x80开始加偏移量，第二行便从0xC0开始加偏移量，偏移量赋值到x。
在写字符串时如果没有检测到停止位便一位一位的在LCD上显示下去，直到检测到停止位为止。
令为0x80为第一行，因为只有两行，所以不是0x80就是第二行。
写字符：写字符与写字符串同理，只不过只写一个字符，不用检测停止位。
初始化：首先LCD不使能，RW为0，然后调用前边编号的写命令函数依次发送命令，命令依次为：设8位数据线,双行,5*7点阵,lcd每个字符都是在5*7单元中显示的，开显示,不显示光标，移动光标，清屏，发送LCD初始位置。
显示温湿度阀值：首先利用除法运算和取余预算依次获得设定上下限的最高温度和湿度的百位，十位和个位。
然后再调用上边的程序显示到LCD上。
设置按键显示：首先对按键进行消抖并判断按键次数，来移动‘>’键，目的是为了让使用者清晰的知道自己现在是在设置哪个测量参数的上下限值。
然后设定向上调节阀值，设置最大阀值，温度最大值99度，湿度最大值99%，向下调节阀值，设置最小阀值，温度最小值0度，湿度最大值0%。
3.3 SHT11设置模块SHT11设置模块为本程序的难点也是重点，首先要利用SHT11传感器采集数据必须先了解SHT11的工作原理，以方便对SHT11的编程。
首先启动传感器：选择供电电压后将传感器通电，上电速率不能低于1V/ms。
通电后传感器需要11ms 进入休眠状态，在此之前不允许对传感器发送任何命令。
发送命令：用一组“启动传输”时序，如图8。
来完成数据传输的初始化。
它包括：当SCK 时钟高电平时DATA 翻转为低电平，紧接着SCK 变为低电平，随后是在SCK 时钟高电平时DATA 翻转为高电平。
SHT11 会以下述方式表示已正确地接收到指令：在第8 个SCK 时钟的下降沿之后，将DATA 下拉为低电平（ ACK 位）。
在第9 个SCK 时钟的下降沿之后，释放DATA（恢复高电平）。
图8启动传输时序通讯复位时序：如果与SHT11通讯中断，可通过下列信号时序复位：当DATA 保持高电平时，触发SCK 时钟9 次或更多，如图9。
接着发送一个“传输启动”时序。
这些时序只复位串口，状态寄存器内容仍然保留。
图9复位时序温湿度测量：发布一组测量命令（‘ 00000101’表示相对湿度RH，‘ 00000011’表示温度T）后，控制器要等待测量结束。
SHT11 通过下拉DATA 至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。
控制器在再次触发SCK 时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。
检测数据可以先被存储，这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。
控制器在测量值LSB 后，通过保持ACK高电平终止通讯。
在测量和通讯完成后，SHT11自动转入休眠模式。
信号转换：为获得精确的测量数据，建议用公式1进行信号转换。
RH linear = c 1 + c 2 ⋅ SO RH + c 3 ⋅ SO RH (%RH) （1）公式中的参数见表 2:表2 公式中的参数99%以上的湿度已经接近饱和必须经过处理显示100%RH13。
从SORH 到相对湿度的转化如图10。
所示：图10 从SORH 到相对湿度的转化由于实际温度与测试参考温度25℃的显著不同，湿度信号需要温度补偿。
