周纪铉

（中山大学新华学院生物医学工程学院 广东·广州 510000）

1 系统总体方案设计

系统的实现原理：本系统使用温湿度传感器，并与单系统微型计算机连接共同组成温湿度监测系统，从而完成监测温湿度。温湿度传感器对温湿度的变化反馈十分迅速，它能够及时准确的把测得的温湿度转化为一连串的电平信号，这时我们可以通过LCD数码管将其测得的温湿度值显示出来，可供参考和读取。如，温度传感器DS18B20是一种高集成度的温度传感器，它能够根据当前试验检测环境温度的变化产生一串实时数字信号。不同的环境温度将会产生的差异性数字信号，通过该电平信号能够准确及时地得到当下实验环境的温度值，从而实现温度的实时监测。

2 系统硬件设计

2.1 系统总体结构

本设计的系统结构由单系统微型计算机系统、温湿度传感器模块、数码管显示模块和电源模块以及报警电路组成，系统总体结构如图1：

图1：系统总体结构图

该系统以AT89C52单系统微型计算机为核心，初始化启动，使DS18B20数字温度传感器和HS1101湿度传感器向其发送温湿度实时数据，再发送温湿度转换命令使传感器模拟温度信号转换为数字信号。同时，显示器上显示出当前实验环境的温度,当温湿度超出事先设定的上下限范围时，蜂鸣报警器发出警报。

2.2 DS18B20简介

温度和湿度传感器最常用作不同温度传感器之一。早期使用模拟温度和湿度传感器，如热敏电阻，随着环境温度的变化，它们的电阻值根据一定的函数关系线性变化，然后收集储层上的电压，然后收集其电阻值根据线性变化函数计算当前环境温度。

DS18B20是第一个驱动达拉斯半导体一线接口的温度传感器。它具有结构紧凑、功耗低、效率高、抗干扰能力强、易于微处理器配置等优点。用于处理器处理的专用数字信号。

HS1101这些相对湿度传感器可以根据电容器元件的批量生产。当需要补偿时，可以广泛应用。它是完全可更换的，不需要在标准环境下校准，长期饱和，可靠性高，长期稳定，干燥快，响应时间快。

2.2.1 DS18B20内部结构与特点

DS18B20的内部结构主要用于寄生电源，温度传感器，64位ROM接口和单主机接口，用于中间数据存储的高速RAM存储器，用户自定义的温度上限和下限存储设备TH和TL触发器，存储逻辑操作和控制，8位CRC生成器等。

DS18B20中的温度传感器可以监测温度并可以监测温度。例如，12位转换。它以2位读取补码的形式提供，具有16位字符扩展，其中S是字符节拍，12位被转换。战斗数据存储在两个8位Ramach DS 18 B 20中。温度格式DS 18 B 20以二进制表2.2示出，前五位是字符位。通过将监测值乘以0.0625可以获得实际温度。温度小于0,5位数为1，监测值必须反转，再乘以0.0625得到实际温度。

2.2.2 DS18B20温度监测通信协议

MCU AT89S51不在设备上运行单个主协议，因为DS18B20使用1-Wire主协议，在一条数据线中执行两种数据传输方式，我们DS您需要使用该软件模拟一个主要约会，以便在DS18B20完成数据处理。

DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从属设备，而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始。

DS18B20的一线工作协议流程是：初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输，其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。

它们的工作的时序如下图所示。

图2：（a） 初始化时序

图2：（b） 写时序

图2：（c） 读时序

DS18B20的初始化过程：

（1）先将数据线置“1”。

（2）延时时间要尽可能短。

（3）数据线拉到“0”。

（4）延时600微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。

（5）数据拉到“1”。

（6）延时等待。

（7）若CPU读取数据线值“0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要达到最小值。

（8）将数据线再一次拉高至“1”后结束。

DS18B20的写操作过程：

（1）数据线先置“0”。

（2）延时确定的时间为15微秒。

（3）按从低位到高位的顺序依次发送字节，一次只发送一位。

（4）延时的时间即为45微秒。

（5）将数据线拉到‘1’。

（6）重复上（1）到（6）的操作直到所有的字节已经全部发送完。

（7）最后将数据线拉高。

DS18B20的读操作过程：

（1）将数据线拉高至“1”。

（2）延时时间两微秒。

（3）将数据线拉低至“0”。

（4）延时时间为15微秒。

（5）将数据线拉高到“1”。

（6）延时15微秒。

（7）在读数据线的状态时候得到了1个状态位，并对其进行数据处理。

（8）延时时间即为30微秒。

2.3 系统硬件设计

2.3.1 复位电路模块

该系统接管按钮复位电路。如果未按下按钮，请重置电容器。此时，只要RST在两个及以上的周期内为通路高电平，就可以正常复位，按下按钮，用两个谐振器去给VCC电源分压，并复位到RST引脚。产生重置执行。复位电路如图3所示。

图3：复位电路

2.3.2 时钟电路设模块

采用统计学软件spss21.0分析数据,所有计量资料通过“ ±s”表示,对比结果采取t检验;计数资料通过“n(%)”表示,对比采用X2检验。如果P<0.05,则说明数据间差异具有统计学意义。

时钟系统的作用：将外部振荡器连接到振荡器，并且在频率共享处理之后传送的高频脉冲变为单系统微计算机的内部时钟信号，其用作用于系统中元件的协调操作的控制信号。必须这样做。如果没有时钟信号，则无法更改发射器的状态。

2.3.3 报警电路模块

当被测环境温度超过设置的温度上下限时，我们需要进行报警处理，这里用到的是蜂鸣报警器。

通常，蜂鸣报警器电流为10mA，端口I/OMCU可承受几毫安的电流。这就是您需要向驱动器添加试用版的原因。当4级为低电平时，三极管导通并且曲柄上施加电压5 V，因此当P1.4上为高电平时，声音信号扩散，三极管关闭，曲柄不振铃。

报警电路如下图所示：

图4：报警电路

2.3.4 显示电路模块

显示系统是单芯片控制系统的组成部分，单芯片应用系统通常使用7段数字LED灯作为显示器。

LED数码管显示器可以分为共阴极和共阳极两种结构。

（1）共阴极结构：如果所有的发光二极管的阴极接在一起，称为共阴极结构；

（2）共阳极结构：如果所有的发光二极管的阳极接在一起，称为共阳极结构。

七段LED显示器是由7个LED按—定的图形排列组成，七段 LED 显示器的各个二极管分别称为 a、b、c、d、e、f、g 段，有些七段显示器增加一个dp段表示小数点，也称为八段LED显示器。

本设计使用了四位共阴极动态显示方式，可以直接读取温度值，显示温度可以精确到1.0摄氏度。下图为显示电路的连接图。

图5：显示电路的连接图

2.3.5 按键电路模块

该电路采用弹性按键K1,K2,K3,K4。按键电路的可以手动设置温度的上下限。按下K4键，即进行温度的上下限报警切换，通过了按K1键和按K2键调节温度上限和下限后，最后，再按下K3键确认设置。

按键电路图如下图6。

图6：按键电路图

2.3.6 温度检测电路模块

该电路中的温度传感器使用DLS的数字DS18 B20温度传感器。该芯片具有极简的硬件接口，易于使用，具有很强的实用性。在该系统中，引脚P 1.1MCU连接到传感器DS18B20的数据端口。

具体的温度检测电路如图7。

图7：温度检测电路图

2.3.7 湿度检测电路模块

该电路中湿度传感器采用了 HS1101数字湿度传感器。该芯片的硬件接口不复杂，使用方便，并无需过多的电路，具有良好的连通性。该系统中具体的湿度监测部分原理如图8。

图8：湿度采集原理图

3 系统软硬件调试

本设计采用Keil uVision2编写C语言程序，通过它的编译器进行编译、连接，最后将生成的代码下载到单系统微型计算机上。

Keil C51编译器是目前最实用的软件，用于创建MCU系列MCS-51，编辑器C，宏焊接，链接器，库管理和强大的仿真调试功能以及集成开发。

在Proteus ISIS编辑窗口中元件列表之上单击“P”按钮，添加元件及放置元件。

按照正确的方法，合理地布局将各个元器件连线，得到如下界面，如图9所示。

图9：整体电路图

把刚产生的可执行文件下载到单系统微型计算机中，点击运行按钮，电路导通，程序首先进入Logo函数进行开机检测。此时单系统微型计算机给正负温度指示灯和报警指示灯高电平，给温度上限指示灯低电平，使其正常发光，给共阴极数码管相应的位高电平，使其动态显示温度为85℃。由于85℃不在默认温度上下限10℃～32℃之间，所以此时正温度指示灯亮，报警指示灯闪烁，蜂鸣报警器也开始鸣叫。大约1s后，开机检测结束，设置当前环境温度5℃，由于默认的温度上下限是10℃～32℃，所以正温度指示灯亮，报警指示灯闪烁，蜂鸣报警器鸣叫。仿真结果如图10所示。

图10：数字温度计仿真图

默认情况下设置温度上限，若按下K4键进入温度下限设置。通过按键K1键和K2键增加或减少温度值，最后按下K3键确认。比如设置温度上下限为13℃～45℃，当环境温度处于35℃时，而35℃在设置的温度上下限13℃～45℃之间，因此报警电路不工作。

仿真电路如图11所示。

图11：数字温度计仿真图

当环境温度处于12℃时，当温度在温度上下限13℃～45℃之间时，报警电路开始工作，报警指示灯闪烁，蜂鸣报警器鸣叫。

仿真电路如图12所示。

图12：数字温度计仿真图

4 总结

本文介绍并设计的数字温度计的基本监测范围是-30℃～65℃，并且具有自动报警功能和默认温度上下限（10℃～35℃），还可以手动设置温度上下限，用4位一体数码管显示设置温度的上下限和当前环境的温度。如果当前环境温度在默认的温度上下限之间，主函数不会调用报警子程序，报警电路不会工作，蜂鸣报警器也不鸣叫；如果当前环境温度在默认的温度上下限之外，主函数就会调用报警子程序，直到环境温度回到默认的温度上下限之间。