2021年度基于protues的温湿度测量系统设计

毕业论文

学生姓名		谢欢欢	学号
学	院	物理和电子电气工程学院

电子信息工程
基于PROTUES温湿度测量系统设计

摘要:本文采取Protues7.5仿真软件设计以低功耗STCC51单片机为关键,配置新式微型低功耗传感器DHT11,使用液晶显示LED1602采集到数据,实现了温度、湿度两个参数采集、 处理和显示等功效。文章以温室环境作为研究对象,介绍了温湿度温湿度测量电路、单片机外围电路、 软件步骤、 汇编语言源程序设计、数据采集系统设计过程及仿真实现方法。 该方法能够提升系统开发效率、缩短周期和降低成本,为单片机系统开发提供了手段。结果表明,所设计环境参数温度控制精度稳定在O.1℃范围之内,湿度误差可控制在±2.0％RH以内。

关键词:Protues,STCC51, DHT11, LED1602, 温度,湿度

Abstract:ByProtues7.5 simulation software design for low power STCC51microcontroller as the core, the allocation of new low-powermicro-sensors DHT11, using liquid crystal display LED1602 datacollected, realizing the collection of temperature, humidity, twoparameters, processing and display functions. Based on greenhouseenvironment as the research object, this paper introduces thetemperature and humidity temperature and humidity measuring circuit,microcontroller peripheral circuit, software flow, assembly languagesource program design, the design process of the data acquisitionsystem and the realization of the simulation method. The method canimprove system development efficiency, shorten the cycle and reducecosts, provides a means for the development of single-chipmicrocomputer system. Results show that the design of environmentalparameters, temperature control precision is stable in o. 1 ℃,humidity of the error can be controlled within + / - 2.0% RH.

Keywords: Protues,STCC51, DHT11, LED1602, temperature and humidity

目 录

1 序言..........................................................42 整体方案设计..................................................42.1 温湿度测量测量系统基础组成..................................42.2 温湿度测量系统原理..........................................52.3 系统框图....................................................53 硬件电路设计..................................................53.1 温湿度传感器模块............................................53.1.1 DHT11介绍.................................................63.1.2传感器性能说明............................................63.1.3 接口说明..................................................73.1.4 电源引脚..................................................73.1.5 串行接口..................................................73.1.6 测量分辨率................................................93.2 LCD显示模块.................................................83.2.1 LCD1602介绍...............................................83.2.2 LCD1602接口电路..........................................113.3 电源模块...................................................113.4 单片机STCC51模块.........................................12

4 系统软件设计.................................................1.1 系统程序设计方案...........................................1.2 系统步骤图.................................................1.2 系统关键程序...............................................155 系统仿真和调试...............................................185.1 仿真结果...................................................185.2 试验数据统计...............................................20结论............................................................21参考文件........................................................22致谢............................................................23

1 序言

在单片机应用系统传统开发方法中,对系统硬件电路进行设计完成后,需要制作成实物电路板,并结合单片机仿真器进行软硬件联合调试。假如碰到设计中需要修改,则往往需要对电路板反复制板,

Proteus7.5仿真软件是一款能够在单片机应用系统仿真研发上应用EDA软件,是由英国LabccnterElectronics企业推出单片机集成开发软件,

并经过加载软件程序实现硬件仿纠乱本软件能够仿真51系列、AVR、PIC、

逻辑分析仪等从而建立起了完备电子设计开发环境,

能够为产品开发节省大量硬件成本和调试周期[2]。结合KeilC51,

本系统设计采取Keil5l高级语言集成开发环境一KeiluVision 3 IDE, 是由美国KeilSoftware企业推出一款主流单片机程序开发软件,它提供了包含C编译器、宏汇编、 连接器、 库管理和一个功效强大仿真调试器等在内完整开发方案,经过一个集成开发环境(uVision)将这些部分组合在一起。Proteus和Keil软件能够实现良好联合调试功效,即:经过Proteus绘制硬件原理图,

在良好配置前提下经过Keil软件调用Proteus软件进行仿真及预调试。

在工业生产中,需要对多个环境指标进行监控以确保工业生产安全、经济、 有效进行。 在检测这些环境参数时往往需要很多设备使用,造成资源浪费。温湿度测量系统就是针对这一现象而设计、 以单片机为关键、对温度、 湿度同时进行检测装置[6]。该装置能够经过传感器采集温度、 湿度等环境参数,并进行检测和显示,能够实现对空气中温度和湿度进行实时测量,所设计环境参数温度控制精度稳定在O.1℃范围之内,湿度误差可控制在±2.0％RH以内[7]。

2 整体方案设计

2.1 湿温度测量系统基础组成

本系统关键由STCC51单片机、DHT11温湿度传感器、晶振电路和1602液晶等部分组成。首先,以STCC51单片机系统位关键,温湿度传感器为温度、湿度数据采集端,经过LCD数码管显示,并进行实时统计,最终经过Protues和Keil连调方法进行仿真运行。

2.2 温湿度测量系统原理

温湿度测量系统设计包含以下多个关键功效模块
(1)温湿度检测模块:系统温湿度采集用DHT11数字温湿度传感器,

它是一款含有已校准数字信号输出温湿度复合传感器。

传器器包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。

（2）数据处理模块:: 该模块采取微处理器来实现,微处理器模块式整个系统关键部分,微处理器选择C51系列单片机,该处理器含有利用灵活、快速、 低功耗特点。

（3）显示模块:采取常见LCD1602显示器
（4）电源模块:本模块为直流供电,当有电源供电时,直流5V电源模块,或直接使用USB供电,亦可使用三到四节电池供电。

2.3系统框图

此次设计温湿度测量系统关键关键就是单片机STCC51,首先经过DHT11进行数据采集,并进行放大、A\D转换,后经过接口电路将数据传送给单片机,后由单片机传送命令给LED进行数据显示。晶振电路关键是控制单片机工作频率,若想调整单片机频率话,关键就是要看晶振电路情况。当然电源电路,一直为整个系统提供工作电压,该电路是将220V交流电经过变压器、桥式整流电路、 稳压器变换成5V直流电。

传感器	单	液晶显示
接口电路	片

电源电路

晶振电路

机

图1系统框图

3 硬件电路设计

3.1 温湿度传感器模块

3.1.1 DHT11介绍

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出温湿度复合传感器。

传感器包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,

并和一个高性能8位单片机相连接。所以该产品含有品质卓越、 超快响应、

每个DHT11传感器全部在极为正确湿度校验室中进行校准。

传感器内部在检测信号处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口,

使系统集成变得简易快捷。超小体积、 极低功耗,信号传输距离可达20米以上,

使其成为各类应用甚至最为苛刻应用场所最好选则。产品为4针单排引脚封装。

连接方便,特殊封装形式可依据用户需求而提供。

3.1.2、传感器性能说明

以下表1所表示:

3.1.3接口说明

提议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时依据实际情况使用适宜上拉电阻。

图2 经典应用电路3.1.4电源引脚

DHT11供电电压为3－5.5V。传感器上电后,要等候1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD,GND）之间可增加一个100nF电容,用以去耦滤波。

3.1.5串行接口 (单线双向)

DHT11之间通讯和同时,采取单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,目前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作步骤以下:

5K

MCU

DATA

DHT11

GND

数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和
数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果末8位。

用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等候主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,假如没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。

1.通讯过程图3所表示

图3 通讯过程
总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等候DHT11响应,主机把总线拉低必需大于18

DHT11接收到主机开始信号后,等候主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主

读取DHT11响应信号,主机发送开始信号后,能够切换到输入模式,或输出高电平均可,总线由上拉电阻拉高。

图4 DHT11响应

总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据全部以50us低电平时隙开始,高电平长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示.假如读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检验线路是否连接正

DHT11拉低总线50us,随即总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。 数字0信号表示方法图5所表示

图5 数字0信号表示

数字1信号表示方法.图6所表示

图6 数字1信号表示

3.1.6、 测量分辨率

测量分辨率分别为8bit（温度）、8bit（湿度）。

3.2 LCD显示模块

3.2.1 LCD1602介绍

字符型显示模块是一个专门用显示字幕、数字、 符号等点阵式LCD,

现在常见16*1,16*2,20*2和40*2行等模块。这里选择16*2。

图7 LCD1602
（1）1602采取标准16脚接口,其中:
第1脚:VSS为电源地
第2脚:VDD接5V电源正极
第3脚:V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“ 鬼影” ,使用时能够经过一个10K电位器调整对比度）。

第4脚:RS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚:RW为读写信号线,高电平(1)时进行读操作,低电平(0)时进行写操作。

第6脚:E(或EN)端为使能(enable)端。

第7～14脚:D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚:空脚或背灯电源。15脚背光正极,16脚背光负极。

（2）LCD1602指令说明
1602液晶模块读写操作、屏幕和光标操作全部是经过指令编程来实现。

指令1:清显示,指令码01H,光标复位到地址00H位置。

指令2:光标复位,光标返回到地址00H。

指令3:光标和显示模式设置I/D:光标移动方向,高电平右移,低电平左移S:屏幕上全部文字是否左移或右移。高电平表示有效,低电平则无效。

指令4:显示开关控制。 D:控制整体显示开和关,高电平表示开显示,低电平表示关显示C:控制光标开和关,高电平表示有光标,低电平表示无光标B:

控制光标是否闪烁,高电平闪烁,低电平不闪烁。

指令5:光标或显示移位S/C:高电平时移动显示文字,低电平时移动光标。

指令6:功效设置命令DL:高电平时为4位总线,低电平时为8位总线。 N:低电平时为单行显示,高电平时双行显示。 F:低电平时显示5x7点阵字符,高电平时显示5x10点阵字符。

指令7:字符发生器RAM地址设置。

指令8:DDRAM地址设置。

指令9:读忙信号和光标地址BF:为忙标志位,高电平表示忙,此时模块不能接收命令或数据,假如为低电平表示不忙。

指令10:写数据。

指令11:读数据。

（3）读写操作时序图8、9所表示

图8读操作时序

图9 写操作时序

（4）LCD1602RAM地址映射

所以在实施每条指令之前一定要确定模块忙标志为低电平,表示不忙,

不然此指令失效。LCD1602内部显示地址图10所表示:

图10LCD1602RAM地址映射

3.3.2 LCD1602接口电路

LCD1602和ATC51单片机连接图11所表示:

图11 LCD1602和STCC51连接图

3.4电源模块

本模块为直流供电,当有电源供电时,直流5V电源模块,或直接使用USB供电,亦可使用三到四节电池供电,本样机采取是电池供电。

3.4 单片机STCC51模块

STC系列单片机是美国STC企业最新推出一个新型51内核单片机。片内含有Flash程序存放器、SRAM、UART、SPI、A\D、PWM等模块。该器件基础功效和一般51单片机完全兼容。

图12电源电路

图13 C51单片机引脚功效说明

（1）VCC:电源电压
（2）GND:接地
（3）P0口:P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时,每位能吸收电流方法驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存放器或程序存放器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复位,在访问期间激活内部上拉电阻。