本科毕业设计论文--基于单片机的智能微喷灌控制系统的设计.doc

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1、中北大学2013届毕业设计说明书基于单片机的智能微喷灌控制系统的设计摘 要随着科学技术的日益发展，特别是智能技术的发展，智能化的微灌溉技术应用范围越来越广泛。智能化的微灌系统可以实现大面积的作物田间灌溉，在很大的程度上节约人力、物力，实现作物生长大面积的管理，实时掌握作物的生长环境。开发简单、快速、实用的微灌智能设计具有重要的意义。此次设计的是通过选择SHT11温湿度传感器对土壤的温度以及湿度等重要物理量进行采集，将采集到的信号交给51单片机系统进行处理，通过用c语言的编程实现在需要时驱动相关外部设备，对目标区域进行自动精确地智能灌溉。关键词：51单片机 温湿度传感器 C语言Design of

2、 intelligent micro spray irrigation control system based on 51MCUAbstractWith the increasing development of science and technology,especially the development of Intelligent Technology,the application range of intelligent micro-irrigation technology more widely.The intelligent micro-irrigation system

3、s can achieve a large area of crop field irrigation,and save to a large extent on the manpower,resources,management of the crop area,real-time control environment for the growth of crops.Development of simple,rapid,practical micro-irrigation intelligent design is of great significance.The design is

4、by SHT11 temperature and humidity sensors on the soil temperature and humidity,and other important physical collection,the collected signal to the 51 single-chip system for processing,related to an external device driver when needed by using c language programming achieve automatic precision smart i

5、rrigation,the target area. Key words: 51MCU temperature and humidity sensors C language目 录1 引 言12 概论22.1国内外现状及发展趋势22.2设计的背景及意义32.3本设计所做的工作和内容43 系统总体设计与分析43.1 总体方案43.2 系统方案论证44 系统硬件设计54.1 单片机系统硬件设计64.2 LCD显示硬件设计74.2.1 1602液晶接口信号说明74.2.2 RAM地址映射图104.2.3 状态字说明104.2.4 数据指针设置114.2.5 其它设置114.2.6 初始化设置114.

6、3 时钟模块硬件设计124.3.1 DS1302功能特性124.3.2 DS1302的引脚134.3.3 DS1302的命令控制字134.3.4 DS1302的数据传送14 第I页 共II页4.3.5 DS1302的寄存器144.3.6 时钟模块电路图154.4 键盘控制模块硬件设计164.5继电器（指示灯接口）模块硬件设计174.6 温湿度采集转换模块硬件设计194.6.1 SHT11介绍194.6.2 工作原理204.6.3 输出特性214.6.4 寄存器配置234.6.5 接口电路244.6.6 SHT11工作时序255 系统软件设计285.1系统整体框架介绍285.2 LCD显示模块软

7、件设计325.3 键盘控制模块软件设计355.4 DS1302时钟模块软件设计425.5 温湿度采集转换模块软件设计456 电路仿真537 结论62参考文献63致谢65 第II页 共II页1引 言在全球淡水水资源越来越缺乏和农业现代化的当今世界，农业高度集约化种植模式（耕作、种植、灌溉、施肥、收获等）和“工厂化”特征日趋显著。在精确化农业的生产过程中，如今发达国家发展现代农业的主要的手段是运用高科学技术和高新技术的装备。在灌溉的技术上对农作物的生长过程智能化的控制要求正在提高。大多数发达国家农业的灌溉系统几乎全部采用计算机的控制方式，基本上实现了系统智能化。微灌技术和设备在我国还处于研究和待开

8、发阶段，系统的成套性还较差，主要部件品种少，质量不稳定。因此，加速开发成套、适用、可靠、先进的灌溉系统是我国今后节水灌溉设备发展的主要方向。自动控制灌溉系统，基本上还是手动阀门来操作。自动控制器等方面还有待于进一步开发和应用【1】。微机和单片机等自动控制检测系统装置，已经在某些微灌工程中应用和实验，初步显示出微灌采用自动化的管理系统优越性和先进性。2 概论2.1国内外现状及发展趋势微灌技术的研究在中国的起步还不算太晚，自1974年引进墨西哥的滴灌设备我国的微灌技术试验研究正式开始。该过程经历了1974到1980年之间的引进消化和吸收，设备的研制与应用实验及试点阶段；1981到1986年之间经历

9、了设备产品的改进和应用试验的研究以及扩大试点的推广三个阶段；从1987年到现在直接引用了国外先进的科学技术，进入了从高起点上对研发微灌设备的产品开发阶段。基于引入、吸收发达国家先进科学技术的基础上，结合了我国国情，从经济上的实用，便于安装和利于推广的主要几点出发，在个地相关关部门的合作与努力的情况下，开发微灌技术、生产研制设备和科学实验等多方面都取得重要的成果，我国的微灌技术日趋步入成熟【2】。但是由于我国正处于初级阶段的微灌技术研究，近些年来自己研制、开发与生产微灌设备的产品不管是在质量方面和性能方面与发达国家相比较，差距存在还是比较大的；同发达的国家相比较更大的差距存在于微灌工程设备的组装

10、配套和自动控制方面。例如灌溉设备系统成套性比较差，配套的水平偏低；主要的几个部件的品种规格太少，质量相对来说不稳定，没有很好的系列化；关键的设备稳定性和耐久性都比较差；自动化和综合功能技术程度不是很高，基本上还处于手动的操作方式，以至于整体的综合效果和收益都不高。随着现代化高科技不断的发展，各种智能化家电、数码产品走入进人们的日常生活，网络作为人们现代生活中人际的交往和获取知识的一个必不可少的平台。考虑到现代化高科技的发展，未来的智能浇灌系统也有希望朝一下这些方面发展。智能化随着传感器的技术、计算机处理技术和自动智能控制技术的持续发展，温室中的计算机环境的控制系统应用将会由以数据采集处理和监测

11、的简单方式，渐渐转向以数据处理和应用为主。所以软件系统的研制和开发将会得到不断完善，其中专家系统为主的智能化管理控制系统已经取得了不少的研发成果，并且其应用的前景是非常广阔的。网络化目前，网络已经成为最具有活力，发展速度最快的高科技领域。网络的通信技术发展促进了信息的传播。设施的产业化程度的提高成为可能。综合环境的调控所谓综合环境调控，就是以实现目标植物的正常生长为目标，把影响目标植物生长的多种环境参数(如光照、温度、湿度等)都保持在适宜目标植物生长的状态，并尽可能的使用最少的环境调节装置(采光、遮光、通风、保温、加湿等)。智能和无人操作将会是未来的各种行业的发展趋势，不仅能大量节省人们的宝贵

12、时间还能更好的控制各种成分的细微比例做到人们自己动手所不能做到的效果。高移植性稍微修改一些系统的参数及设备即可应用于别的环境下，省时省力，节省大量资金及研发成本。在不久的将来，不仅能实现对办公室花卉的控制而且可以实现路边及所有公共场所花草树木的自动灌溉，而且可以加入远程控制，可视频控制，更大限度的节省人力物力，这将是世界浇灌系统的一个发展趋势。2.2设计的背景及意义水是生命之源，同样它也是国家经济发展的主要因素，人类生存必不可少的因素，水的重要性在国际上已经得到了共识，水资源开发和保护已经被各国家所重视。而需要如何高效率利用有限的淡水资源，尽最大能力发挥水资源的效益己经成为看一个全球性极其有待

13、解决的重要课题。诸多的缺水国家当中，作为水资源极其短缺国家之一的中国。水资源的利用率和利用效率低下使水资源在节流方面呈现巨大的挖掘潜力，因此节水成为历史发展的必然。伴随着人们快节奏的生活、工作、学习，人们已没有很多时间去精心照顾自己种的花卉植物等，因此市场上急需一种可以代替人类劳动的产品。由于现在市场上很多的喷灌设备主要是是针对温室、露天农作物、森林等大面积植物喷灌，而对于家庭小面积喷灌系统设备几乎没有，也没有达到自动化的水平。现代生活中，随着人们生活水平的提高，人们对花卉、树木等绿色植物的喜爱和种植越来越多，然而以前对花木的浇灌、施肥等工作都需要靠人工来实现，由于现代生活节奏的加快，人们往往

14、忙于工作而忘记定期、及时地为花卉补充水分及养料，或者由于放假回家而将花放在办公室没有人管理导致花木枯死。已有的浇水器需要有人控制或者定时的浇灌，不能根据植物正常生长所需要的光照、水分、温度来实时调节植物生长环境的参数，不利于花木的成长，而且现在的名贵花如果因为以上原因而死亡得不偿失，鉴于以上情况，市场上急需提供一种能够根据光照、温度、湿度及光照的变化自动将水分和及光补充给花木，达到定期、及时浇灌花木的花木自动浇灌器。2.3本设计所做的工作和内容此次设计采用AT89C51绘制单片机最小系统，基于Keil仿真软件来完成软件开发，用protues仿真工具软件设计电路图以及做模拟仿真。开发板包括AT8

15、9C51芯片（8位微控制器）及其外围的基本模块，外围模块包括：晶振电路（OSC）、复位电路（RESET）、键盘（包括复位和扩展按键）、DS1302时钟电路等。所以，本次设计需要做好以下工作：(1)学习单片机原理等资料。(2)学习Keil、Protues等工具软件的使用方法。(3)用Protues仿真工具软件来设计本系统的电路图。(4)用Keil开发软件来编写程序并调试成功。(5)结合系统的电路仿真图用Protues仿真软件进行仿真调试。(6)撰写项目论文3 系统总体设计与分析 3.1 总体方案根据设计功能要求，系统可分如下部分：温度监控：对环境温度进行测量，并通过单片机处理显示环境温度。 湿度

16、监控：对环境湿度进行测量，并通过单片机处理显示相对的环境湿度。 灌溉处理：当相对湿度和温度越限时，继电器工作导通外部的灌溉电路。 显示： LCD实时显示温度、相对湿度及时钟日期。 键盘控制： 当前温度与相对湿度值显示的转换、时钟的调节及年月日与时分秒的显示转换。3.2 系统方案论证当将单片机用作测控系统的时侯，系统必须有被测的信号通过指定输入通道，再由单片机来收集需要的输入信息。相对于测量的系统来说，它的核心任务是如何准确获得被测信号；但是对于测控系统来说，除了被测试控对象状态的信号，还应该把测试的数据和控制的条件对比并在需要的时候控制相应执行设备。传感器作为实现测量和控制的第一环节，是测量控

17、制系统关键的部件，假如没有传感器对被测信号进行可靠的捕捉和数据的转换，所有的测量和控制都将会没有办法去实现。在本次系统设计中，我们选择SHT11来作为本设计的温湿度传感器。SHT11传感器是一种包含已校准的数字信号输出的温度与湿度复合的传感器。该传感器包含了一个电容聚合体的测湿功能元件与一个能隙的测温功能元件，并且和一个14位数模转换器和串行接口电路在相同的芯片上完成了无缝的连接。所以，该芯片有品质好、抗干扰的能力强、响应快、性价比高等一系列的优点。所有的SHT11传感器都是在湿度校验室中进行特别精确的校对调准。校准好的系数以程序代码的形式存储于Otp的内存当中，在信号处理过程中传感器内部要调

18、用已经校准好的系数。两线制接口和内部的基准电压，使系统的集成简单快捷化。体积小、功耗低的特点使得该传感器成为各类应用场合的最好选则【8】。4 系统硬件设计本系统硬件包括：单片机及附属电路、LCD显示、时钟模块、键盘控制、继电器电路、温湿度采集转换模块等部分的设计。系统整体电路框图如图3.1所示。LCD显示继电器电路（指示灯指示电路）温湿度采集转换模块键盘控制ATMEL89C51单片机时钟模块图4.1 系统整体电路框图4.1 单片机系统硬件设计本系统中，我们采用美国ATMEL（爱特梅尔）公司生产的AT89C51单片机作为主控芯片。AT89C51单片机是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具

19、有4K在系统可编程Flash存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业8051产品指令和引脚完全兼容。AT89C51单片机具有以下的标准功能：4k字节Flash， 128字节RAM，32位I/O口线，两个16位定时器/计数器，可编程串行通道，5个中断源，低功耗的闲置和掉电模式，片内晶振及时钟电路。图3.6所示为AT89C51单片机最小系统原理图。图4.1 单片机最小系统4.2 LCD显示硬件设计4.2.1 1602液晶接口信号说明由于本次设计要求实时显示时钟、温度和相对湿度，所以传统的LED数码管远远不能满足要求，在这里我们采用1602工业字符型液晶，能够同时显示16X02

20、即32个字符。（16列2行）如图4.2.1所示： 图4.2.1 LCD 硬件显示模块液晶显示器的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。各种型号的液晶通常是按照显示字符的行数或液晶点阵的行、列数来命名的。1602的意思就是每行显示16个字符，一共可以显示两行【4】。1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线 VCC(15脚)和地线GND(16脚)，其控制原理与14脚的LCD完全一样，如表4.2.1-1（引脚说明）表4.2.1-2（寄存器的选择控制）所示：编号符号引脚说明1VSS接地2VDD接电源（+5V）3V0对比度的调整

21、端，连接正电源的对比度最为微弱，连接地端电源的对比度最强，使用时可以通过用10K电位器来进行对比度的调整。4RS数据指令寄存器的选择，高电平1时会选择数据的寄存器、低电平0时会选择指令的寄存器。5R/W读与写信号线，高电平(1)时进行读的操作，低电平(0)时进行写的操作。6EE(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。7DB0低4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）8-10DB1-3低4位三态、 双向数据总线 1-3位11-13DB4-6高4位三态、 双向数据总线 4-6位14DB7高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flag）15BLA背光电源正极16BLK背

22、光电源负极表4.2.1-1 1602引脚说明RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清除屏等）01读busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0DB6）值10写入数据寄存器（显示各字型等）11从数据寄存器读取数据表4.2.1-2 寄存器选择控制注：关于E=H脉冲开始时初始化E为0，然后置E为1，再清0. 4.2.2 RAM地址映射图LCD16字*2行000102030405060708090A0B0C0D0E0F1O27404142434445464748494A4B4C4D4E4F5067图4.2.2 1602内部RAM地址映射图注：当我们向上图中的00-0F、40-4F地址中的任

23、一处写入显示数据时，液晶都可以立即显示出来，当写入10-27或50-67地址处时，必须通过移屏指令将它们移入可显示区域方可正常显示。4.2.3 状态字说明SAT7D7SAT6D6SAT5D5SAT4D4SAT3D3SAT2D2SAT1D1SAT0DOSAT0-SAT6DAN 当前地址指针的数值 SAT7 读写操作使能 1-禁止 0-允许 表4.2.3 状态字说明说明：原则上每次对控制器进行读写操作时，都必须进行读写检测，确保SAT7为0。4.2.4 数据指针设置控制器内部设有一个数据地址指针，用户可以通过它们访问内部全部80B的RAM,如表4.2.4所示指令码功能80H地址码（0-27H,40

24、-67H）设置数据地址指针表4.2.4 数据指针设置4.2.5 指令码设置指令码功能01H显示清屏：1 数据指针清零 2 所有显示清零02H显示回车：数据指针清零表4.2.5 指令码设置表4.2.6 初始化设置（1）显示模式设置指令码功能00111000设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口表4.2.6-1显示模式设置表（2）显示开关及光标设置指令码功能00001DCBD=1开显示；D=0关显示C=1显示光标；C=0不显示光标B=1光标闪烁；B=0光标不闪烁000001NSN=1当读或写一个字符后地址指针加1，且光标加1N=0当读或写一个字符后地址指针减1，且光标减1S=1当写一个字符时，

25、整屏显示左（N=1）或右(N=0)移，得到光标不移动而屏幕移动效果S=0当写一个字符时，整屏显示不移动00010000光标左移00010100光标右移00011000整屏左移，同时光标更随移动00011100整屏右移，同时光标更随移动表4.2.6-24.3 时钟模块硬件设计4.3.1 DS1302功能特性本次设计的时钟模块选用由Dallas公司(美国)推出的DS1302，它具有涓细电流充电的能力、功耗低的实时时钟的电路结构、工作原理及其在实时显示时间中的应用。可以对年月日和时分秒进行准确的计时，一个月小于31日时可以自动调整，且有对进行闰年补偿的功能，有效至2100年。可采用12h或24h方式

26、计时，并且可以关闭充电功能，在保持状态时，功耗低，功率小于1mw,采用普通32.768kHz晶振。芯片特性如下：（1）31字节带后备电池的RAM用于数据存储。（2）串行IO口，管脚数量少。（3）宽范围工作电压为2.0-5.5V。（4）采用双电源（主电源和备用电源）供电，可以掉电保护电源提供可编程的充电功能，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。（5）读写时钟或RAM数据时有两种传送方式:单字节传送和突发模式传送。（6）可选工业级温度范围：-40C- +85C（7）8脚DIP封装或其他可选封装方式【3】。4.3.2 DS1302的引脚3 X2 2 X11 VCC28 VCC17 SCLK6

27、 IO5 RST 4 GND图4.3.2 DS1302芯片引脚其中VCC1为后备电源，VCC2为主电源。在单电源与电池供电系统中，VCC2提供低电源并提供低功率的电池备份，在双电源系统中，VCC2提供主电源，在这种运用方式下VCC1连接到备份电源，如采用镉镍可充电电池，在主电压正常时则启用内部涓细充电器给电池充电，使电池的使用时间延长。在主电源关闭的情况下也能保持时钟连续运行，保存时间信息以及数据【5】。DS1302由两者中的较大者供电，当VCC2大于VCC1+0.2V时，DS1302由VCC2供电，反之，DS1302由VCC1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位

28、/片选线，RST输入有两种功能：RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次,RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。I/O为串行数据输入输出端，SCLK为时钟输入端【6】。4.3.3 DS1302的命令控制字单片机与DS1302是通过同步串行通信的，无论是读还是写，都是由单片机发送命令控制字开始的。DS1302的命令控制字格式如下：位序D7D6D5D4D3D2D1D0位标志1RAM/CKA4A3A2A1A0RD/WR表4.3.3 DS1302的控制命令字说明：1 位7：控制字的最高有效位，必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中。2 位6：时钟选择位，为1

29、时表示选择RAM进行内部31字节的读写操作，为0时表示选择时钟进行日历时钟数据的读写操作。3 位5至位1：指示要操作单元的地址。4 位0：最低有效位表示读写控制位，为1表示读操作，为0表示写操作，遵循先低后高的原则。4.3.4 DS1302的数据传送DS1302采用RST、SCLK和I/O口三线接口方式进行数据传送。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，单片机和DS1302进行通信。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此数据的传输，禁止通信，I/O引脚变为高阻态。SCLK提供串行通信时的位同步时钟信号，一个SCLK脉冲传送一位数据。写入数据时，单片机发送8位命令控制字后的下一个SC

30、LK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302；同样，读取数据时，在8位命令控制字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据。读写数据时都从低位至高位，只要RST保持高电平，则在8位命令控制字后DS1302可进行8个字节或31个片内RAM单元数据的读写操作，这个特性用于实现突发传送模式【7】。4.3.5 DS1302的寄存器DS1302共有12个寄存器，其中7个寄存器与日历、时钟相关，为BCD码形式的存放数据位【12】。此外，DS1302还有年份寄存器、写保护寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等，如图4.3.5所示。DS1302与RAM相关的寄存器分为两类，一类是单

31、个RAM单元，共31个，每个单元由8位二进制组成，其命令控制字为C0H-FDH,其中奇数为读操作；偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）【13】。寄存器命令字取值范围寄存器内容写读Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0秒寄存器80H81H00-59CH(时钟暂停标志)10sSEC分寄存器82H83H00-59010minMIN时寄存器84H85H00-23或0-1212/24010A/PHRHR日寄存器86H87H1-28,29,30，310010DATADATE月寄存器88H

32、89H01-1200010MONTH周寄存器8AH8BH01-0700000DAY年寄存器8CH8DH00-9910YEARYEAR写保护器8EH8FHWP0000000慢充电器90H91HTCSTCSTCSDSDSDSDS时钟突发器AEHAFH表4.3.5 DS1302内部寄存器地址与内容4.3.6 时钟模块电路图图4.3.6 时钟模块电路图说明：X1和X2端外接32.768kHz晶振，RST引脚接在P1.2上，此引脚为高位时，选中该芯片，可对其进行操作。串行数据线I/0口与串行时钟线SCLK分别接在P1.1和P1.0上，所有的单片机地址、命令及数据均通过这两条线传输【14】。本系统中，AT

33、89C51在总线上产生时钟脉冲、寻址信号、数据信号等，而DS1302则相应接收数据、送出数据。通过LCD1602进行年月日和实时时钟的显示。4.4 键盘控制模块硬件设计在单片机系统中，按接口形式把键盘分为两大类：编码式键盘与非编码式键盘。编码键盘采用硬件逻辑编码电路完成键的编码。每一按键，键盘会自动的提供出该按键代码，于此同时用产生的选通脉冲来通知给微处理器。这种键盘比较容易使用，键盘码产生速度快，占用CPU时间少，但是对按键的检测与消抖动干扰是靠硬件电路来完成的，因而硬件结构复杂，主机任务会相对繁重，成本高。而非编码式键盘仅提供按键的通或断状态，按键代码的产生与识别由软件完成，因而具有结构简

34、单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统主要包括有独立按键结构的键盘与有矩阵按键结构的键盘两种【15】。矩阵结构键盘适合用在按键数量偏多的场合，由行线与列线来组成，按键在行列交叉点的位置上，节省I/O口。独立按键结构就是各按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线按键的工作状态是不会影响其他I/O口线按键的工作状态。因此，用输入电平状态的检测可以很容易确定是哪个按键按下。此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合【17】。由于本次设计只用到4个键，所以采用独立式键盘，在程序设计中采用查询的方式来识别按键。本次设计共4个键，分别为时钟调整键key1(设置按键),key2（加

35、键）,key3（减键）,key4（设置开启键）。按下设置开启按键才可以开始调节时间，在其弹开状态下不能实现调时功能，当设置开启按键按下后，按下设置按键一次，调节秒钟，两次为分钟，三次（四次）为小时，五次为日期，六次为月份，七次为年份，八次为还原，相当于确定键，退出设置。如图4.4所示。图4.4键盘控制模块4.5继电器（指示灯接口）模块硬件设计在智能微喷灌控制系统中，采集到的参数在sht11上进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与给出的标准参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值(或低于下限值)则驱动相应的外部灌溉电路，对目标区域进行微喷灌。本设计采用了继电器电路来驱动相应的外部灌溉电路用来实

36、施对植物的灌溉。考虑到继电器仿真效果不明显，设计采用指示灯电路代替该效果。通过AT89C51给出处理信号。当相对湿度值高于上限值(或低于下限值)时，由指示灯指示电路模拟外部灌溉电路的导通与断开。相应的继电器模块和指示灯接口模块如图4.5-1加湿器与风干器模块4.5-2加温和降温模块 4.5-3指示灯接口模块4.6 温湿度采集转换模块硬件设计4.6.1 SHT11介绍SHT11是瑞士Sensirion公司研发出的基于CMOSensTM技术的较为新型检测温度与湿度的传感器。该种传感器把CMOS芯片技术和传感技术相结合起来，从而体现了这两种技术优势互补的强大功能【9】。SHT11检测温度与湿度传感器

37、的主要特征： 1、用COMSensTM技术将信号的放大调理、温湿度传感、A/D转换、I2C总线接口这些模块集成到一个芯片中；可以给出校准后相对的湿度和温度值的输出；稳定性卓越；14位的湿度值的输出分辨率以及12位的温度值的输出分辨率，并且可以对应的编程为12位以及8位【11】。2、SHT11温湿度传感器采用SMD(LCC)表面式贴片封装，管脚的排列如图4.6.1所示，它的引脚说明如下：图4.6.1 SHT11管脚排列图(1)GND：接地端；(2)DATA：双向串行数据线；(3)SCK：串行的时钟输入；SCK用在微处理器和SHT11它们之间的通讯同步上。由于其接口含有完全的静态逻辑，所以没有最小

38、的SCK频率。(4)VDD电源端：0.45.5V电源端；SHT11的供电电压为2.45.5V。该传感器给出工作电压后，要等待11 ms用来越过“休眠”状态。在这个时间段不需要发送给它任何指令。电源引脚(VDD,GND)之间可增加一个100nF的电容，用以去藕滤波。(5)NC：空管脚。3、SHT11的测量参数指标（1）相对湿度：相对湿度（Relative Humidity）的定义是在一定温度下，空气所含水蒸气密度和同温度下饱和水蒸气密度的百分比，即Hr(%RH)=v/w 100%,SHT11测量范围：0%-100%RH；测量精度：4%RH；分辨力：0.03%RH（12位）或0.5%RH（8位）【

39、16】。（2）温度测量范围：-40-+123.8C;测量精度：1C；分辨力：0.01C（14位）或0.04C（8位）。（3）露点：温度较高的空气中所含水蒸气也较多，当温度下降后，所含水蒸气的量若不发生变化，则相对湿度增加，当达到一定温度时，相对湿度达到100%饱和。此时，如果温度继续下降，则其中的一部分水蒸气将凝聚成露珠。此时的温度即为露点温度。空气中的水蒸气分压越小，露点就越低，因此可以用露点表示相对湿度。对于SHT11，测量精度：1C；分辨力：0.01C。4.6.2 工作原理SHT11运用电容式结构来对温度与湿度进行检测，并且传感器芯片的电容的组成运用了聚合物的覆盖层与具有不同保护的微型结

40、构的检测电极系统的组合，除了保持了电容式的湿敏器件原有的特征外，还可以自行抵御一些来自外界的干扰。出于其由温度传感和湿度传感两个部分相结合成单一个体的原因，所以测量的精度高而且可以精确得到露点值，而且不会同时产生因为温度传感和湿度传感两部分之间随着温度梯度值的变化而引起误差。CMOSensTM技术不单是将温度与湿度传感器互相结合，并且还把信号的放大、校准数据的存储、模数的转换、标准的I2C总线等这些电路集成于单个芯片中【18】。SHT11传感器内部的结构框图4.6.2如下：图4.6.2 SHT11传感器内部结构框图SHT11的每个传感器的校准都是在特别精确的湿度室里进行的。该传感器校准系数首先

41、存放于OTP内存中。校准后的相对湿度传感与温度传感模块和一个A/D转换模块（14位）相互连接，可以把已经转换的数字温度值和湿度值传给二线的I2C总线模块，从而完成数字信号与符合I2C总线协议串行的数字信号的转换过程。由于传感器和电路的部分是结合于一起的，所以与其它类型的湿度传感器相比SHT11传感器具有更加优越的性能。首先增加了传感器信号强度，增强了该传感器的抗干扰能力，从而保证了该传感器长期的稳定性；数模转换同一时间的完成从而大幅度的降低了该传感器对外界干扰敏感的程度【19】。其测量原理：首先利用两只传感器分别产生相对湿度、温度的信号，然后经过放大，分别送至A/D转换器进行模数转换、校准和纠

42、错，最后通过二线串行接口将相对湿度及温度的数据送至外接单片机，再利用单片机完成非线性补偿和温度补偿，最后得到准确的温湿度数值。4.6.3 输出特性(1)湿度值输出图4.6.3 SHT11 传感器相对湿度数字输出特性曲线SHT11可通过I2C总线直接将数字湿度值输出，它的相对数字湿度值输出的特性曲线如下图3.4所示。由图3.4可看出，SHT11输出的特性曲线呈现出非线性，可按照如下所示的公式修正湿度值用来补偿该湿度传感模块的非线性：Rhlinear=C1+C2SORH+C3SORH2式中，SORH是该传感器的相对湿度的测量读取值，系数的取值如下：当分辨率为12位：SORH：C1 = 4，C2 =

43、 0.0405，C3 = 2.8 106当分辨率为8位：SORH： C1 = 4，C2 = 0.648，C3 = 7.2 104湿度信号的温度补偿：上述湿度计算公式是按照环境温度为25C时进行计算的，而实际的测量温度则在一定范围内变化。所以因考虑湿度传感器的温度系数，按如下公式对环境温度进行补偿：RHture=（TC-25）（t1+t2SORH）+SORH当分辨力为12位时，t1=0.01，t2=0.00008当分辨力为8位时，t1=0.01，t2=0.00128(2)温度值输出由于SHT11的温度传感模块的线性很好，所以可以用如下的公式把温度的数字输出直接转换成为实际的温度值：T=d1+d2

44、SOT公式中SOT为传感器的温度数字输出，当供电电源的电压是5V而且温度传感模块分辨率是14位时，d1 = 40，d2 = 0.01，当SHT11的温度传感模块的分辨率是12位的时候，d1 = 40，d2 = 0.04。4.6.4 寄存器配置该传感器是通过状态寄存器来实现其中一部分的高级功能，寄存器各位的类型及说明如表1所示。下面是对寄存器的相关位进行功能说明：(1)加热芯片的加热开关导通后，该传感器的温度约增加5，从而使功耗增加至8mA*5v。加热的用途如下所示：a 经过对启动加热的温、湿度前后进行对比，能够对传感器功能进行一个正确区别；b 传感器假如指定环境相对湿度比偏高的情况下可以通过加热以防止冷凝现象的发生。(2)电源低电压的检测SHT11在工作的时侯可以自行的检测Vdd的电压是否小于2