基于单片机的智能温湿度采集器.doc资源-CSDN文库

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第1章绪论

1.1　课题研究背景和意义

温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。在

整个宇宙当中，温度无处不存在。无论在地球上还是在月球上，也无论是在炽热的

太阳上还是在阴冷的冥王星上，这一切无不由于空间位置的不同而存在着温度的差

别。

湿度，表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽

越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度”。在此意义

下，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以与露点等物理量来表示。

湿度表示气体中的水蒸汽含量,有绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是一

定体积的空气中含有的水蒸气的质量，一般其单位是克/立方米，绝对湿度的最大限

度是饱和状态下的最高湿度；相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比，它的值显

示水蒸气的饱和度有多高

[1]

。

温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本

的工艺参数，例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度、湿度的检测与

控制。并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注，而空气中温湿

度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温度、湿度的检测与控制就非常

有必要了。

温度、湿度是工业农业生产不可缺少的因素，但传统的方法是用温度表、毛发湿度表、

双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的

库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度

与湿度误差大，随机性大。含有微型计算机或微处理器的测量仪器，由于它拥有对数据存

储，运算逻辑判断与自动化的功能，有着智能作用。随着生产的发展，一个低成本和具有

较高精度的温度湿度测量仪在许多领域会代替人工操作，自动控制各种仪器调整环境温度

湿度。目前市场上普遍存在的温湿度检测仪器大都是单点测量，而且温湿度信息传递不与

时，精度达不到要求，不利于控制者根据温度、湿度变化与时做出决定，为此，本设计开

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发了一种能够同时测量多点，并实时性高、精度高，能够综合处理多点温湿度信息，并能

进行温湿度控制的测控产品。总之，环境温湿度的检测与调节仪器的设计和开发具有非常

大的市场前景和实用价值。

1.2　国外的研究现状

1.2.1 温度传感器

集成温度传感器是目前应用围最广、使用最普与的一种全集成化传感器。其种类很多，

大致可分为以下 5 类：1、模拟集成温度传感器；2、模拟集成温度控制器；3、智能温度

传感器；4、通用智能温度控制器；5、微机散热保护专用的智能温度控制器。

集成温度传感器的主要应用领域有以下 3 个方面：

1.温度测量：可以构成数字温度计、温度变送器、温度巡回检测仪、智能化温度检测

系统与网络化测温系统。

2.温度控制：适用于智能化温度测控系统、工业过程控制、现场可编程温度控制系统、

环境温度监测与报警系统、中央空调、风扇温控电路、微处理器与微机系统的过热保护装

置、现代办公设备、电信设备、服务器中的温度测控系统、电池充电器的过热保护电路、

音频功率放大器的过热保护电路与家用电器。

3.特殊应用：例如，热电偶冷端温度补偿、测量温差、测量平均温度、测量温度场、

电子密码锁（仅对含 64 位 ROM 的单线总线智能温度传感器而言）与液晶显示器表面温

度监测等

[2]

。

模拟集成温度传感器是在 20 世纪 80 年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯

片上、可完成温度测量与模拟信号输出功能的专用 IC。模拟集成温度传感器的主要特点

是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、

微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。它是目前在

国外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有 AD590、AD592、TMP17、LM135 等。

智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在 20 世纪 90 年代中期问世的。它是微

电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能

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温度传感器系列产品。智能温度传感器部都包含温度传感器、A/D 转换器、信号处理器、

存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机

存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。智能温度传感器的特点是能输出温度数据

与相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基础上通过软件来

实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。进入 21 世纪后，智能温度传

感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性与安全性、开发虚拟传感器和网络传

感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

在 20 世纪 90 年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是 8 位 A/D 转换器，其

测温精度较低，分辨力只能达到 1℃。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智

能温度传感器，所用的是 9~12 位 A/D 转换器，分辨力一般可达 0.5~0.0625℃。由美国

DALLAS 半导体公司新研制的 DS1624 型高分辨力智能温度传感器，能输出 13 位二进制

数据，其分辨力高达 0.03125℃，测温精度为±0.2℃。为了提高多通道智能温度传感器的

转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式 A/D 转换器。以 AD7817 型 5 通道智能温度

传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为 27μs、9μs。

新型智能温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DS1629 型单线智能温度传感

器增加了实时日历时钟（RTC），使其功能更加完善。DS1624 还增加了存储功能，利用

芯片部 256 字节的 E2PROM 存储器，可存储用户的短信息。另外，智能温度传感器正从

单通道向多通道的方向发展，这就为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。智能

温度传感器的总线技术也实现了标准化、规化，所采用的总线主要有单线总线、I2C 总线、

SMBus 总线和 SPI 总线

[3]

。

1.2.2 湿度传感器

湿度传感器产品与湿度测量属于90年代兴起的行业。湿度传感器主要分为电阻式和

电容式两种，产品的基本形式都是在基片上涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸

附在感湿材料上后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。近年来，

国外在湿度传感器研发领域取得了较大的发展。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成

化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。

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国外各厂家的湿度传感器产品水平不一，质量价格都相差较大，用户如何选择性能价

格比最优的理想产品确有一定难度，需要在这方面作深入的了解。现在国市场上出现了不

少国外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见，感湿材料种类主要为高分子聚合物，

氯化锂和金属氧化物。

近年来，国外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元

件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创

造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。

湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要分为电阻式、电容式两大类。湿敏电

阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上

时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电阻的种类很

多，例如金属氧化特湿敏电阻、硅湿敏电阻、瓷湿敏电阻等。湿敏电阻的优点是灵敏度高，

主要缺点是线性度和产品的互换性差。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的

高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酷酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容

的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。湿敏电

容的主要优点是灵敏度高、产品互换性好、响应速度快、湿度的滞后量小、便于制造、容

易实现小型化和集成化，其精度一般比湿敏电阻要低一些。国外生产湿敏电容的主厂家有

Humirel 公司、Philips 公司、Siemens 公司等。以 Humirel 公司生产的 SH1100 型湿敏

电容为例，其测量围是（1%~99%）RH，在 55%RH 时的电容量为 180pF（典型值）。

当相对湿度从 0 变化到 100%时，电容量的变化围是 163pF~202pF。温度系数为

0.04pF/℃，湿度滞后量为±1.5%，响应时间为 5s。除电阻式、电容式湿敏元件之外，还

有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、

光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。湿敏元件的线性度与抗污染性差，在检测环境湿

度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度与长期稳定性。

目前，国外生产集成湿度传感器的主要厂家与典型产品分别为 Honeywell 公司

（HIH-3602、HIH-3605、HIH-3610 型），Humirel 公司（HM1500、HM1520、HF3223、

HTF3223 型），Sensiron 公司（SHT11、SHT15 型）。这些产品可分成以下三种类型：

(1)线性电压输出式集成湿度传感器；典型产品有 HIH3605/3610、HM1500/1520。

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其主要特点是采用恒压供电，置放大电路，能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信

号，响应速度快，重复性好，抗污染能力强。

(2)线性频率输出集成湿度传感器；典型产品为 HF3223 型。它采用模块式结构，属

于频率输出式集成湿度传感器，在 55%RH 时的输出频率为 8750Hz（型值），当上对湿

度从 10%变化到 95%时，输出频率就从 9560Hz 减小到 8030Hz。这种传感器具有线性

度好、抗干扰能力强、便于配数字电路或单片机、价格低等优点。

(3)频率/温度输出式集成湿度传感器；典型产品为 HTF3223 型。它除具有 HF3223

的功能以外，还增加了温度信号输出端，利用负温度系数（NTC）热敏电阻作为温度传

感器。当环境温度变化时，其电阻值也相应改变并且从 NTC 端引出，配上二次仪表即可

测量出温度值。

2002 年 Sensiron 公司在世界上率先研制成功 SHT11、 SHT15 型智能化温度/温度

传感器，其外形尺寸仅为 7.6（mm）×5(mm)×2.5（mm），体积与火柴头相近。出厂前，

每只传感器都在温度室中做过精密标准，标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，

在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度

和露点。测量相对温度的围是 0~100%，分辨力达 0.03%RH，最高精度为±2%RH。测量

温度的围是-40℃~ 123.8℃，分辨力为 0.01℃。测量露点的精度

[4]

。

1.3　本文的主要工作和结构安排

本设计以 STC89C52 单片机为核心来对多点温湿度进行实时巡检。各检测单元(从机)

能独立完成各自功能，同时能根据主控机的指令对温湿度进行时时采集。并将采集来的信

息通过液晶屏显示清晰的呈现给用户，如果采集的信息超出了预设围，闪烁灯和蜂鸣器都

将给出报警示意用户，以便做出与时决定。

本系统能够同时检测多路温湿度，检测温度围-55℃~+95℃。根据实际需要，检测点

数可以扩展。系统采用 CHR-01 湿敏电阻，使用模拟电路，将湿度信号变为电压信号输

出，传输给单片机进行分析、处理和控制显示。湿度检测围为 20％~90％RH，其检测精

度为±5％。此外，本系统还具有报警模块，可设定温度湿度报警上下限，当检测到任何

温度湿度超过温度湿度报警上下限就进行报警。

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