1、. . . . 畢業論文學院物理與電子電氣工程學院專業電子信息工程題 目基于PROTUES的溫濕度測量系統設計24 / 25摘 要：本文采用Protues7.5仿真軟件設計以低功耗STC89C51單片機為核心，配置新式的微型低功耗傳感器DHT11,使用液晶顯示LED1602采集到的數據，實現了溫度、濕度兩個參數的采集、處理和顯示等功能。文章以溫室環境作為研究對象，介紹了溫濕度溫濕度測量電路、單片機外圍電路、軟件流程、匯編語言源程序的設計、數據采集系統的設計過程與仿真的實現方法。該方法可以提高系統的開發效率、縮短周期和降低成本，為單片機系統的開發提供了手段。結果表明，所設計環境參數溫度控制精度穩

2、定在O.1圍之，濕度的誤差可控制在±2.0RH以。關鍵詞：Protues，STC89C51，DHT11，LED1602，溫度，濕度Abstract:By Protues7.5 simulation software design for low power STC89C51 microcontroller as the core, the allocation of new low-power micro-sensors DHT11, using liquid crystal display LED1602 data collected, realizing the collecti

3、on of temperature, humidity, two parameters, processing and display functions. Based on greenhouse environment as the research object, this paper introduces the temperature and humidity temperature and humidity measuring circuit, microcontroller peripheral circuit, software flow, assembly language s

4、ource program design, the design process of the data acquisition system and the realization of the simulation method. The method can improve system development efficiency, shorten the cycle and reduce costs, provides a means for the development of single-chip microcomputer system. Results show that

5、the design of environmental parameters, temperature control precision is stable in o. 1 , humidity of the error can be controlled within + / - 2.0% RH.Key words: Protues, STC89C51, DHT11, LED1602, temperature and humidity目 錄1 前言42 整體方案設計42.1 溫濕度測量測量系統的基本構成42.2 溫濕度測量系統原理52.3 系統框圖53 硬件電路設計53.1 溫濕度傳感器模

6、塊53.1.1 DHT11簡介63.1.2傳感器性能說明63.1.3 接口說明73.1.4 電源引腳73.1.5 串行接口73.1.6 測量分辨率9 3.2 LCD顯示模塊83.2.1 LCD1602簡介83.2.2 LCD1602接口電路113.3 電源模塊113.4 單片機STC89C51模塊124 系統軟件設計154.1 系統程序設計方案154.2 系統流程圖154.2 系統主要程序155 系統仿真與調試185.1 仿真結果185.2 實驗數據記錄20結論21參考文獻22致231 前言在單片機應用系統的傳統開發方式中，對系統的硬件電路進行設計完成后，需要制作成實物的電路板，并結合單片機仿

7、真器進行軟硬件的聯合調試。如果遇到設計中需要修改，則往往需要對電路板重復制板，系統功能的驗證不能夠與時得到反映1。Proteus7.5仿真軟件是一款可以在單片機應用系統仿真研發上應用的EDA軟件，是由英國的Labccnter Electronics公司推出的單片機集成開發軟件，可通過此軟件搭建各種復雜的電路，并通過加載軟件程序實現硬件仿糾亂本軟件能夠仿真51系列、AVR、PIC、ARM等主流單片機，軟件集成了虛擬示波器、邏輯分析儀等從而建立起了完備的電子設計開發環境，能夠為產品開發節約大量的硬件成本和調試周期2。結合Keil C51，對數字溫濕度測量演示系統進行了設計和仿真。本系統設計采用的K

8、eil5l高級語言集成開發環境一Keil uVision 3 IDE，是由美國Keil Software公司推出的一款主流單片機程序開發軟件，它提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在的完整開發方案，通過一個集成開發環境(uVision)將這些部分組合在一起。Proteus與Keil軟件能夠實現良好的聯合調試功能，即：通過Proteus繪制硬件原理圖，Keil軟件編寫軟件代碼，在良好配置的前提下通過Keil軟件調用Proteus軟件進行仿真與預調試。在工業生產中，需要對多種環境指標進行監控以確保工業生產安全、經濟、有效的進行。在檢測這些環境參數時往往需要很多設備

9、獨立使用, 造成資源的浪費。溫濕度測量系統就是針對這一現象而設計的、以單片機為核心的、對溫度、濕度同時進行檢測的裝置6。該裝置可以通過傳感器采集溫度、濕度等環境參數，并進行檢測和顯示，能夠實現對空氣中溫度以與濕度進行實時測量，所設計環境參數溫度控制精度穩定在O.1圍之，濕度的誤差可控制在±2.0RH以7。2 整體方案設計2.1 濕溫度測量系統的基本構成本系統主要由STC89C51單片機、DHT11溫濕度傳感器、晶振電路和1602液晶等部分構成。首先，以STC89C51單片機系統位核心，溫濕度傳感器為溫度、濕度數據采集端，通過LCD數碼管顯示，并進行實時記錄，最后通過Protues與K

10、eil連調的方式進行仿真運行。2.2 溫濕度測量系統原理溫濕度測量系統的設計包括以下幾個主要功能模塊(1)溫濕度檢測模塊: 系統溫濕度的采集用DHT11數字溫濕度傳感器，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。其應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳器器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件。（2）數據處理模塊：該模塊采用微處理器來實現，微處理器模塊式整個系統的核心部分，微處理器選用89C51系列單片機，該處理器具有運用靈活、迅速、低功耗的特點。 （3）顯示模塊：采用常用的LCD1602顯示器（4）電源模塊：本模塊為直流供電，當

11、有電源供電時，直流5V的電源模塊，或直接使用USB供電，亦可使用三到四節電池供電。2.3 系統框圖本次設計的溫濕度測量系統主要核心就是單片機STC89C51，首先通過DHT11進行數據的采集，并進行放大、AD轉換，后通過接口電路將數據傳送給單片機，后由單片機傳送命令給LED進行數據顯示。晶振電路主要是控制單片機的工作頻率，若想調節單片機的頻率的話，主要就是要看晶振電路的情況。當然電源電路，一直為整個系統提供工作電壓，該電路是將220V的交流電通過變壓器、橋式整流電路、穩壓器變換成5V的直流電。 圖1 系統框圖3 硬件電路設計3.1 溫濕度傳感器模塊3.1.1 DHT11簡介DHT11數字溫濕度

12、傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP存中，傳感器部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。產品為4 針單排引腳封

13、裝。連接方便，特殊封裝形式可根據用戶需求而提供。3.1.2、傳感器性能說明如下表1所示：參數條件MinTypMax單位濕度分辨率111%RH8Bit重復性±1%RH精度25±4%RH050±5%RH互換性可完全互換量程圍03090%RH252090%RH502080%RH響應時間1/e(63%)25，1m/s 空氣61015S遲滯±1%RH長期穩定性典型值±1%RH/yr溫度分辨率111888Bit重復性±1精度±1±2量程圍050響應時間1/e(63%)630S3.1.3 接口說明 建議連接線長度短于20米時用5

14、K上拉電阻,大于20米時根據實際情況使用合適的上拉電阻。圖2 典型應用電路3.1.4電源引腳DHT11的供電電壓為35.5V。傳感器上電后，要等待 1s 以越過不穩定狀態在此期間無需發送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個100nF 的電容，用以去耦濾波。3.1.5 串行接口 (單線雙向)DATA用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數據格式,一次通訊時間4ms左右,數據分小數部分和整數部分,具體格式在下面說明,當前小數部分用于以后擴展,現讀出為零.操作流程如下:一次完整的數據傳輸為40bit,高位先出。數據格式:8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bi

15、t溫度整數數據+8bit溫度小數數據+8bit校驗和數據傳送正確時校驗和數據等于“8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bi溫度整數數據+8bit溫度小數數據”所得結果的末8位。用戶MCU發送一次開始信號后,DHT11從低功耗模式轉換到高速模式,等待主機開始信號結束后,DHT11發送響應信號,送出40bit的數據,并觸發一次信號采集,用戶可選擇讀取部分數據.從模式下,DHT11接收到開始信號觸發一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機發送開始信號,DHT11不會主動進行溫濕度采集.采集數據后轉換到低速模式。1.通訊過程如圖3所示圖3 通訊過程總線空閑狀態為高電平,主機把總線拉低等待DHT11

16、響應,主機把總線拉低必須大于18毫秒,保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到主機的開始信號后,等待主機開始信號結束,然后發送80us低電平響應信號.主機發送開始信號結束后,延時等待20-40us后, 讀取DHT11的響應信號,主機發送開始信號后,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均可, 總線由上拉電阻拉高。圖4 DHT11響應總線為低電平,說明DHT11發送響應信號,DHT11發送響應信號后,再把總線拉高80us,準備發送數據,每一bit數據都以50us低電平時隙開始,高電平的長短定了數據位是0還是1.格式見下面圖示.如果讀取響應信號為高電平,則DHT11沒有響應,請檢查線路是否連接

17、正常.當最后一bit數據傳送完畢后，DHT11拉低總線50us,隨后總線由上拉電阻拉高進入空閑狀態。 數字0信號表示方法如圖5所示圖5 數字0信號表示 數字1信號表示方法.如圖6所示圖6 數字1信號表示3.1.6、 測量分辨率測量分辨率分別為 8bit（溫度）、8bit（濕度）。3.2 LCD顯示模塊3.2.1 LCD1602簡介顯示模塊選擇LCD1602液晶顯示器，如圖7所示，字符型顯示模塊是一種專門用顯示字幕、數字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1,16*2，20*2和40*2行等的模塊。這里選擇16*2。圖7 LCD1602（1）1602采用標準的16腳接口，其中： 第1腳：VSS為

18、電源地 第2腳：VDD接5V電源正極 第3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會 產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度）。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數據寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。 第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。 第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。 第714腳：D0D7為8位雙向數據端。 第1516腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。（2）LCD1602的指令說明1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程

19、來實現的。指令1：清顯示，指令碼01H,光標復位到地址00H位置。指令2：光標復位，光標返回到地址00H。指令3：光標和顯示模式設置 I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。指令4：顯示開關控制。 D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示 C：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標。指令6：功能設置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線。 N：低電平時為單行

20、顯示，高電平時雙行顯示。 F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。指令7：字符發生器RAM地址設置。指令8：DDRAM地址設置。指令9：讀忙信號和光標地址 BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數據，如果為低電平表示不忙。指令10：寫數據。指令11：讀數據。（3）讀寫操作時序如圖8、9所示 圖8 讀操作時序圖9 寫操作時序 （4）LCD1602的RAM地址映射液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。LCD1602部顯示地址如圖10所示： 圖10 LCD1602的RAM地址映射3.

21、3.2 LCD1602接口電路LCD1602與AT89C51單片機連接如圖11所示： 圖11 LCD1602與STC89C51連接圖3.4 電源模塊本模塊為直流供電，當有電源供電時，直流5V的電源模塊，或直接使用USB供電，亦可使用三到四節電池供電，本樣機采用的是電池供電。圖12 電源電路3.4 單片機STC89C51模塊STC系列單片機是美國STC公司最新推出的一種新型51核的單片機。片含有Flash程序存儲器、SRAM、UART、SPI、AD、PWM等模塊。該器件的基本功能與普通的51單片機完全兼容。圖13 89C51單片機的引腳功能說明（1）VCC:電源電壓（2）GND:接地（3）P0口

22、：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址(低8位)和數據總線復位，在訪問期間激活部上拉電阻。（4）P1口:P1是一個帶部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動(吸收或輸出電流)4個TTE邏輯門電路。對端口寫“1”，通過部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(ILL)。與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可

23、分別作為定時/計數器2的外部計數輸入(P 1.0/T2)和輸入(P 1.1/T2EX ),參見表2。 Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。表2 P1.0和P1.1的第二功能引腳號功能特性P1.0T2（定時/計數器2外部計數脈沖輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時/計數2捕獲/重裝載觸發和方向控制）（5） P2口:P2是一個帶有部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(ILL)。在訪問外

24、部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器(例如執行MOVX DPTR指令)時，P2口送出高8位地址數據。在訪問8位地址的外部數據存儲器(如執行MOVX RI指令)時，P2口輸出P2鎖存器的容。（6）P3口:P3口是一組帶有部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動(吸收或輸出電流)4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流(ILL)。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表3所示。（7）RST:復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。表3

25、 P3口的第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外中斷0）P3.3（外中斷1）P3.4T0（定時/計數0）P3.5T1（定時/計數1）P3.6（外部數據存儲器寫選通）P3.7（外部數據存儲器讀選通） （8）/VPP:外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器(地址為0000H-FFFFH ) 。端必須保持低電平(接地)。需注意的是:如果加密位LB1被編程，復位時部會鎖存端狀態。如端為高電平(接VCC端)，CPU則執行部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓V

26、CC 。（9）XTAL1:振蕩器反相放大器的與部時鐘發生器的輸入端。（10）XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。（11）數據存儲器：89C51有256個字節的部RAM,80H-FFH高128個字節與特殊功能寄存器(SFR)地址是重疊的，也就是高128。字節的RAM和特殊功能寄存器的地址是一樣的，但在物理上它們是分開的。當一條指令訪問7FH以上的部地址單元時，指令中使用的尋址方式是不同的，也即尋址方式決定是訪問高128字節。RAM還是訪問特殊功能寄存器。如果指令是直接尋址方式則為訪問特殊功能寄存器。（12）中斷：89C51共有6個中斷向量:兩個外中斷（INT0和INT1），3個定時器中斷(定時

27、器0, 1, 2)和串行口中斷。（13）時鐘振蕩器: 89C51中有一個用于構成部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路參見圖13（a）圖所示。外接石英晶體（或瓷諧振器）與電容C1、C2接在放大器的反饋回路中構成并聯振蕩電路，對外接電容C1、C2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩定性、起振的難易程度與溫度穩定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30pF士10pF，而如果使用瓷諧振器，建議選擇40pF士l0pF。用戶也可以采用外

28、部時鐘。采用外部時鐘的電路如圖13（b）圖所示。這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即部時鐘發生器的輸入端，XTAL2則懸空。（a）內部振蕩電路（b）外部振蕩電路圖14 振蕩電路4 系統軟件設計4.1 系統程序設計思想與流程圖系統初始化后, 溫濕度部分：復位傳感器, 讀取溫濕度數據, 進行處理, 當溫度處于快速變化過程中時,系統不停的進行溫度信號的采集，數據輸入單片機，并在顯示器上進行顯示。 圖15 程序流程圖4.2 系統主要程序主程序：主函數：#include<reg52.h>#include<delay.h>#include<DHT11.h>#in

29、clude<LCD1602.h>BYTE code dis1 = "Humidity: "BYTE code dis2 = "Temperature:" void DisplayInit() unsigned char i;lcd_pos(0);i=0;while(dis1i!='0') lcd_wdat(dis1i); i+;lcd_pos(41);i=0;while(dis2i!='0') lcd_wdat(dis2i); i+;void main() unsigned int temp=0; unsign

30、ed char DHT11_H,DHT11_T; Delay_ms(1000); lcd_init();/ 初始化LCD Delay_ms(10); DisplayInit(); while(1) temp = Read_DHT11(); DHT11_H=temp/256; if(DHT11_H<100) lcd_pos(11);lcd_wdat(DHT11_H/10+'0');lcd_wdat(DHT11_H%10+'0');lcd_pos(0x0d);lcd_wdat('%');lcd_pos(0x0e);lcd_wdat('R

31、');lcd_wdat('H'); /if DHT11_T=temp%256; if(DHT11_T<100) lcd_pos(0x4C); lcd_wdat(DHT11_T/10+'0');lcd_pos(0x4D);lcd_wdat(DHT11_T%10+'0');lcd_pos(0x4e);lcd_wdat(0xdf);/顯示lcd_wdat('C'); Delay_ms(1000); DHT11驅動程序#include<DHT11.h>unsigned char Read_DHT11_Byte()

32、 unsigned char temp,flag,Data=0,DataTemp; for(temp=0;temp<8;temp+) flag=2; while(!DHT11)&&flag+);/Delay_10us(); /Delay_10us(); Delay_10us(); DataTemp=0; if(DHT11) DataTemp=1;flag=2;while(DHT11)&&flag+); if(flag=1)break; Data<<=1; Data|=DataTemp; /forreturn Data;unsigned int

33、Read_DHT11() unsigned char flag; unsigned char DHT11_H_H,DHT11_H_L,DHT11_T_H,DHT11_T_L,DHT11_Check; unsigned char DHT11_H_H_temp,DHT11_H_L_temp,DHT11_T_H_temp,DHT11_T_L_temp,DHT11_Check_temp;unsigned int DHT11_H=0,DHT11_T=0,DHT11_temp=0; DHT11=0;Delay_ms(18);DHT11=1;Delay_10us(); Delay_10us();Delay_

34、10us();Delay_10us(); DHT11=1; if(!DHT11) flag=2; while(!DHT11)&&flag+); flag=2; while(DHT11)&&flag+); DHT11_H_H_temp=Read_DHT11_Byte(); DHT11_H_L_temp=Read_DHT11_Byte(); DHT11_T_H_temp=Read_DHT11_Byte(); DHT11_T_L_temp=Read_DHT11_Byte(); DHT11_Check_temp=Read_DHT11_Byte(); DHT11=1; if(DHT11_Check_temp=(DHT11_H_H_temp+DHT11_H_L_temp+DHT11_T_H_temp+DHT11_T_L_temp) DHT11_H_H=DHT11_H_H_temp; DHT11_H_L=DHT11_H_L_temp; DHT11_T_H=DHT11_T_H_temp; DHT11_T_L=DHT11_T_L_temp; DHT11_Check=DHT11_Check_temp; DHT11_H=DHT11_H_H; DH