1、精選優質文檔-傾情為你奉上課程設計報告書 課程名稱：傳感器原理及應用課程設計題 目：基于SHT11溫濕度傳感器的濕度計設計 系 （院）： 電子工程學院測控系 學 期： 2013-2014-1 專業班級： 測控111 姓 名： 學 號： 評語：成績：簽名：日期：專心-專注-專業1 設計目的（1） 能較全面地鞏固和應用“傳感器及檢測技術”課程中所學的基本理論和基本方法，并初步掌握小型數字系統設計的基本方法。（2） 通過傳感器及檢測技術課程設計，掌握傳感器及檢測系統設計的方法和設計原則及相應的硬件調試的方法。進一步理解傳感器及檢測系統的設計和應用。 （3） 培養獨立思考、獨立準備資料、獨立設計規定功

2、能的數字系統的能力。（4） 培養書寫綜合設計報告的能力。2 本題目的具體設計要求（1）本實驗設計的溫濕度計能完成多種環境中的溫度、濕度測量；（2）根據系統要求，選擇合適的傳感器，本實驗所選用傳感器為SHT11溫濕度傳感器；（3）設計傳感器測量電路；（4）選擇單片機的品種、型號，設計單片機的外圍測量電路；（5）計算有關的電路參數，有條件的情況下，根據實驗室現有設備進行實驗數據的測取，明確測量電路輸出與被測非電量的關系； （6）畫出系統電路圖；3 本系統的總體實現原理、方案設計3.1 國內外發展現狀及文獻綜述：溫濕度的測量在倉儲管理、生產制造、氣象觀測、科學研究以及日常生活中被廣泛應用，傳統的模擬

3、式濕度傳感器一般都要設計信號調理電路并需要經過復雜的校準和標定過程，因此測量精度難以保證，且在線性度、重復性、互換性、一致性等方面往往不盡人意。SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于COMSensTM技術的新型溫濕度傳感器。該傳感器將CMOS芯片技術與傳感器技術結合起來，從而發揮出它們強大的優勢互補作用。3.2 本系統的實現原理、總體方案設計采用濕度和溫度測量，即用一個溫濕度傳感器SHT11實現。溫濕度傳感器SHT11將濕度測量、溫度測量、信號變換、A/D轉換等功能集合到一個芯片上，該芯片包含一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件，這個兩個敏感元件分別將濕度和

4、溫度轉換成電信號，該信號首先進入微弱信號放大器進行信號放大，然后進入一個14位的A/D轉換器，最后經過二線串行數字接口輸出數字信號，采用數碼管顯示所測濕度。圖1為系統方框圖。濕度采集電路濕度采集電路 A/D轉換AT89C51單片機系統顯 示單 元 圖1 系統框圖4 硬件選用與設計4.1 SHT11溫濕度傳感器 本實驗所選用傳感器為SHT11溫濕度傳感器。SHT11是瑞士Sensirion公司生產的具有I2C總線接口的單片全校準數字式相對濕度和溫度傳感器。該傳感器采用獨特的CMOSensTM技術，具有數字式輸出、免調試、免標定、免外圍電路及全互換的特點。4.1.1 SHT11引腳說明 SHT11

5、溫濕度傳感器采用SMD(LCC)表面貼片封裝形式，管腳排列如圖所示，其引腳說明如下：（1）GND：接地端；（2）DATA：雙向串行數據線；（3）SCK：串行時鐘輸入；（4）VDD電源端：0.45.5V電源端；圖2 SHT11引腳圖（58）NC：空管腳。4.1.2 SHT11溫濕度傳感器的主要特性 SHT11溫濕度傳感器的主要特性如下：（1）將溫濕度傳感器、信號放大調理、A/D轉換、I2C總線接口全部集成于一芯片（CMOSensTM技術）；（2）可給出全校準相對濕度及溫度值輸出；（3）帶有工業標準的I2C總線數字輸出接口；（4）具有露點值計算輸出功能；（5）具有卓越的長期穩定性；（6）濕度值輸出

6、分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為12位和8位；（7）小體積（7.65x5.08x23.5mm），可表面貼裝；（8）具有可靠的CRC數據傳輸校驗功能；（9）片內裝載的校準系數可保證100%互換性;（10）電源電壓范圍為2.45.5V;（11）電流消耗,測量時為550A，平均為28A，休眠時為3A。4.1.3 SHT11溫濕度傳感器內部結構及其工作原理圖3 SHT11內部結構框圖SHT11的濕度檢測運用電容式結構，并采用具有不同保護的“微型結構”檢測電極系統與聚合物覆蓋層來組成傳感器芯片的電容，除保持電容式濕敏器件的原有特性外，還可抵御來自外界的影響。由于它將溫度傳感器與濕度傳

7、感器結合在一起而構成了一個單一的個體，因而測量精度較高且可精確得出露點，同時不會產生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化引起的誤差。COMSensTM技術不僅將溫濕度傳感器結合在一起，而且還將信號放大器、模數轉換器、校準數據存儲器、標準I2C總線等電路全部集成在一個芯片內。SHT11傳感器的內部結構框圖如圖3所示。SHT11的每一個傳感器都是在極為精確的濕度室中校準的。SHT11傳感器的校準系數預先存在OTP內存中。經校準的相對濕度和溫度傳感器與一個14位的A/D轉換器相連，可將轉換后的數字溫濕度值送給二線I2C總線器件，從而將數字信號轉換為符合I2C總線協議的串行數字信號。 由于將傳感器與

8、電路部分結合在一起，因此，該傳感器具有比其它類型的濕度傳感器優越得多的性能。首先是傳感器信號強度的增加增強了傳感器的抗干擾性能，保證了傳感器的長期穩定性，而A/D轉換的同時完成，則降低了傳感器對干擾噪聲的敏感程度。其次在傳感器芯片內裝載的校準數據保證了每一只濕度傳感器都具有相同的功能，即具有100%的互換性。最后，傳感器可直接通過I2C總線與任何類型的微處理器、微控制器系統連接，從而減少了接口電路的硬件成本，簡化了接口方式。 4.1.4 命令與接口時序SHT11傳感器共有5條用戶命令,具體命令格式見表1所列。下面介紹一下具體的命令順序及命令時序。 表1 SHT11傳感器命令列表 命 令編 碼說

9、 明測量溫度00011溫度測量測量濕度00101濕度測量讀寄存器狀態00111“讀”狀態寄存器寫寄存器狀態00110“寫”狀態寄存器軟啟動11110重啟芯片，清除狀態記錄器的錯誤記錄11毫秒后進入下一個命令 （1）傳輸開始 初始化傳輸時，應首先發出“傳輸開始”命令，該命令可在SCK為高時使DATA由高電平變為低電平，并在下一個SCK為高時將DATA升高。接下來的命令順序包含三個地址位（目前只支持“000”）和5個命令位，當DATA腳的ACK位處于低電位時，表示SHT11正確收到命令。 （2）連接復位順序 如果與SHT11傳感器的通訊中斷，下列信號順序會使串口復位：即當DATA線處于高電平時，觸

10、發SCK 9次以上（含9次），此后應接著發一個“傳輸開始”命令。 表2 SHT11狀態寄存器類型及說明位類型說 明缺 省7保留06讀工檢限（低電壓檢查）X5保留04保留03只用于試驗，不可以使用02讀/寫加熱0關1讀/寫不從OTP重下載0 重下載0讀/寫'1'=8位相對濕度，12位溫度分辨率。'0'=12位相對濕度，14位濕度分辨率0 12位相對濕度，14位濕度 （3）溫濕度測量時序當發出了濕（溫）度測量命令后，控制器就要等到測量完成。使用8/12/14位的分辨率測量分別需要大約11/55/210ms的時間。為表明測量完成SHT11會使數據線為低，此時控制器必須

11、重新啟動SCK，然后傳送兩字節的測量數據與字節CRC校驗和。控制器必須通過使DATA為低來確認每一個字節，所有的量均從右算，MSB列于第一位。通訊在確認CRC數據位后停止。如果沒有用CRC-8校驗和，則控制器就會在測量數據LSB后保持ACK為高來停止通訊，SHT11在測量和通訊完成后會自動返回睡眠模式。需要注意的是：為使SHT11的溫升低于0.1，此時的工作頻率不能大于標定值的15%（如：12位精確度時，每秒最多進行3次測量）。 （4）寄存器配置 SHT11傳感器中的一些高級功能是通過狀態寄存器來實現的，寄存器各位的類型及說明見表2所列。下面對寄存器相關位的功能說明： 加熱 使芯片中的加熱開關

12、接通后，傳感器溫度大約增加5，從而使功耗增加至8mA5V。加熱用途如下： 通過對啟動加熱器前后的溫、濕度進行比較，可以正確地區別傳感器的功能； 在相對濕度較高的環境下，傳感器可通過加熱來避免冷凝。 低電壓檢測 SHT11工作時可以自行檢測VDD電壓是否低于2.45V，準確度為±0.1V。 下載校準系數 為了節省能量并提高速度，OTP在每次測量前都要重新下載校準系數，從而使每一次測量節省8.2ms的時間。 測量分辨率設定 將測量分辨率從14位（溫度）和12位（濕度）分別減到12位和8位可應用于高速或低功耗場合。4.2 AT89C514.2.1內部結構本實驗選用的單片機為AT89C51。

13、AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。4.2.2 主要性能參數： 與MCS-51產品指令系統完全兼容 4k字節可重擦寫Flash閃速存儲器 1000次擦寫周期 全靜態操作：0Hz24MHz 三級加密程序存儲器 128&#

14、215;8字節內部RAM 32個可編程IO口線 2個16位定時計數器 6個中斷源 可編程串行UART通道 低功耗空閑和掉電模式4.2.3 功能特性概述： AT89C51 提供以下標準功能：4k 字節Flash 閃速存儲器，128字節內部RAM，32 個IO 口線，兩個16位定時計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時計數器，串行通信口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復

15、位。4.2.4 引腳說明 AT89C51的引腳圖如右圖4所示。 （1）VCC：電源電壓。（2）GND：地。（3）P0 口：P0 口是一組8 位漏極開路型雙向IO 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，對端口寫“1”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）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在FIash編程時，P0口接收指令字節，而在程序校驗時，輸出指令字節，校驗時，要求外接上拉電阻。 圖4 AT89C51引腳圖 （4）P1口：P1是一個帶內部上拉電阻的8位雙向IO口，P1的輸出緩沖級可驅

16、動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內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，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。 FIash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。 （5）P2口：P2是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向IO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。對端口寫“1”，通過內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，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器（例如執行MOVXDPT

17、R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MOVXRI 指令）時，P2 口線上的內容（也即特殊功能寄存器（SFR）區中R2寄存器的內容），在整個訪問期間不改變。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和其它控制信號。 （6）P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8 位雙向IO 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，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。 P3口除了作為一般的IO口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3所示： 表3 A

18、T89C51的P3口第二功能引腳口功 能P3.0RXD串行輸入端口P3.1TXD串行輸出端口P3.2INT0外中斷0P3.3INT1外中斷1P3.4T0定時器0外部輸入P3.5T1定時器1外部輸入（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。（8）ALEPROG：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節。即使不訪問外部存儲器，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的l6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，

19、該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區中的8EH單元的DO 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執行外部程序時，應設置ALE無效。（9）PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51 由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現。（10） EAVPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端

20、必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執行內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Vpp。 （11）XTAL1：振蕩器反相放大器的及內部時鐘發生器的輸入端。 （12）XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。5 其它各部分單元電路設計5.1 傳感器工作電路設計及說明微處理器采用二線串行數字接口和溫濕度傳感器芯片SHT11進行通信，所以硬件接門設計非常簡單；然而，通信協議是芯片廠家自己定義的，所以在軟件設計中，需要用微處理器通

21、用I/O口模擬通道。SHT11通過二線數字串行接口來訪問，所以硬件接口電路非常簡單。需要注意的地方是：DATA數據線需要外接上拉電阻，時鐘線SCK用于微處理器和SHT11之間通信同步，由于接口包含了完全靜態邏輯，所以對SCK最低頻率沒有需求;當工作電壓高于4.5V時，SCK頻率最高為10MHz，而當工作電壓低于4.5V時，SCK最高頻率則為1MHZ。硬件連接如下圖5所示。 圖5 SHT11硬件連接5.2 測量原理首先利用2只傳感器分別產生相對濕度、溫度的信號；然后經過放大，分別送至A/D轉換器進行模數轉換、校準和糾錯；再通過二線串行接口將相對濕度及溫度的數據送至單片機；最后利用單片機完成非線性

22、補償和溫度補償。5.3 顯示器LEDLED是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅動器/列驅動器及128*64全點陣液晶顯示器組成。可完成圖形顯示，也可以顯示8*2個（16*16點陣）數字或8*4個（16*16點陣）漢子。LED接P0口必須接上拉電阻，P0口才能輸入高電平，LED才能正常工作。LED液晶顯示器如下圖6所示。 圖6 LED液晶顯示器5.4 顯示原理圖開始 單片機初始化 接收數據地址校驗取溫濕度給定值采樣溫濕度值數碼顯示上傳數據NY 圖7 LED顯示原理圖 圖7為軟件方面的顯示原理圖，開始后，單片機經過初始化后接收數據，然后進行地址校驗，校驗不合格繼續接受數據，檢驗合格的話取濕度給定

23、值進而采樣溫濕度值，然后數碼顯示后上傳數據，繼續循環。5.5 濕度和溫度值計算（1）濕度值輸出 SHT11可通過I2C總線直接輸出數字量濕度值，其相對濕度數字輸 出特性曲線如圖8所示。 圖8 SHT11傳感器相對濕度數字輸出特性曲線由圖3可看出，SHT11的輸出特性呈一定的非線性，為了補償濕度傳感器的非線性，可按如下公式修正濕度值： =+式中，為傳感器相對濕度測量值，系數取值如下：12位：-4，0.0405，-2.8*8位：-4，0.648，-7.2*（2）溫度值輸出由于SHT11溫度傳感器的線性非常好，故可用下列公式將溫度數字輸出轉換成實際溫度值：Temperature=當電源電壓為5V，且溫度傳感器的分辨率為14位時，=-40=0.01，當溫度傳感器的分辨率為12位時，=-40=0.04。（3）露點計算空