基于无线通信的实验室温湿度测控系统设计
一、 设计的意义
传统的实验室管理中，温湿度的控制测量还是停留在传统的玻璃棒温度计，干湿球湿度计或者双金属温湿度表、毛发湿度表等方法，而本次设计的实验室温湿度测控系统克服了以前靠管理人员手工检查、测量和手工计算温度值和湿度值的误差，有提高了实验室温度和适度的检测速度和检测精度，节省了人力物力，减轻了温湿度管理的工作强度，提高了管理效率，所以这种基于无线通信的实验室温湿度测控系统比原来的单点温度、湿度测量仪器更可靠、实用、精确，能更好为实验室的管理服务。
随着现代科技的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。
二、 设计的主要内容
1、主要目标任务
本课题的设计可以使学生熟悉并掌握无线通信系统以及传感器信息采集模块的设计方法，并且通过对硬件电路编程可以锻炼学生的编程能力，掌握单片机的编程技巧。
本课题是利用无线通信技术设计—实验室温湿度测控系统。
2、系统功能
实验室设备需要一定的环境因子做后盾，因为仪器的正常运行，需要在适当的环境下。而实验室的计量设备主要分为长度、重量、质量、品质等测量设备，这些设备平时使用频率较低，不是每天都使用，因此，对设备的合理管理成为实验室的重点。在国家标准JJF1069-2007《法定计量检定机构考核规范》和DI-LAC/AC01:2005《检测实验室和校准实验能力机构考核规范》中对于实验室中的计量设备的环境都进行了一定的要求以及规范，同时也只有在适当的环境中储存，才能进行延长这些设备的使用寿命，以及保证这些设备的测量精度。实验设备的主要检测的项目包括生物消毒、灰尘、电磁干扰、辐射、湿度、供电、温度、声级和振级等，以此来进行适应于相关仪器的技术活动。温湿度的监测在设备中直接影响着它们的使用寿命。同时实验室内外环境，如温湿度等因素会造成设备性能的不稳定，严重影响计量设备的管理可靠性。因此，在实验室设备管理中，最为重要的就是温湿度的控制。
本次设计该实验室温湿度测控系统，有多个温度、湿度检测点，每个检测点能够实时采集温度、湿度数据，并利用无线通信方式将采集的数据发送给主机，当超出标准时，系统能够自动控制室内的温湿度。
系统主要分为以下六个功能模块：
1、主分机无线通信模块；
2、温度采集转换模块；
3、湿度采集转换模块；
4、温湿度升降控制模块；
5、键盘及显示模块；
6、语音报警模块。
控制芯片，温度湿度采集装置，加湿除湿装置软件部分主要是控制主控制芯片读取温度湿度数据，并根据情况去控制加湿除湿升温降温装置的运行与停止的。
3、技术要求
（1）总体设计要求
1）要求选择适当的单片机及其外围电路完成上面功能要求的硬件电路设计。
2)针对硬件电路完成程序的编写。
（2）传感器参数指标
1）输入电源： DC12V±10%
2）温度量程： -40°C～+123.8°C
3）度量程： 0～100%RH
4）温度精度： ±0.5°C
5）湿度精度： ±3%RH（5～95%RH，25°C）
6）温度稳定性： <0.1°C /年
7）湿度稳定性： <1%RH/年
8）响应时间： <4s（1m/s风速）
9）输出信号： RS485输出或RS232输出
（3）实验室的温湿度测控的具体要求如下：
1）该实验室的温湿度测控系统有多个温湿度检测点，每个检测点都能够实时采集温湿度数据。
2）本实验室的温湿度允许范围是温度22℃± 2℃，湿度65±5%RH。
3）预制时显示设定的温度和湿度，平时显示实际温、湿度，且均精确到0.5℃。
4）启动后有运行指示，温度超过预制温度的±5℃，湿度超过预制的±10%RH发生报警。
5）升降温湿度的时间不大于10分钟，对于升、降温湿度过程的线性没有要求。
4、简要工作原理
（1）无线通信系统的设计原理
传输媒质
发射设备 接收设备
无线通信系统组成框图
1) 信息源：提供需要传送的信息
2) 变换器：待传送的信息（图像、声音等）与电信号之间的互相转换
3) 发射机：把电信号转换成高频振荡信号并由天线发射出去
4) 传输媒质：信息的传送通道（自由空间）
5) 接收机：把高频振荡信号转换成原始电信号
6) 受信人：信息的最终接受者
（2）温湿度传感器的工作原理
温度传感器采用采用AD590半导体集成温度传感器。A/D590具有较高的精度和重复性，不需辅助电源，线性好，使用方便，便于微机系统测控。被测温度信号为一路由AD590测得的代表温度的电压信号，经温度调理电路放大后使其在0-5V范围内，使其适合于A/D转换器的输入电压范围。
半导体的感湿元件层由微小的网状结构形成，湿气上升时这种网状结构的导电性增加，电阻下降。反之亦反。电阻的变化被转化成了湿度的变化，从而用以测量湿度。
（3）键盘显示模块的设计原理
在单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）。采用LED作为系统的数据显示器具有价格低、性能稳定和响应速度快等特点。LED显示方式有静态显示、动态显示和串口显示。为了节省系统本身的硬件资源，在这里LED的显示方式采用串行静态显示方式。利用串口可以工作在移位寄存器方式，驱动LED静态显示。这样就可以充分的利用并行口，并将并行口用到最需要的地方去，同时主程序不需要扫描显示器，使它有更多的时间处理其他事情。这种显示方法用于显示位数少、显示亮度大的地方能够达到很好的显示效果。
（4）系统硬件电路设计原理
可用MSC-51系列单片机来控制，简介如下：
MCS-51系列单片机是8位增强型，其主要的技术特征是为单片机配置了完善的外部并行总线和具有多级识别功能的串行通讯接口（UART），规范了功能单元的SFR控制模式及适应控制器特点的布尔处理系统和指令系统。属于这类单片机的芯片有许多种，如8051、8031、80C51等等。由于单片机具有较高的性能比，国内MCS-51系列单片机应用最广，易于开发、使用灵活、而且体积小、易于开发、抗干扰能力强，可以工作于各种恶劣的条件下，工作稳定等特点。本设计本着实用性和适用性的要求，选择AT89C51单片机作为中央处理器。
也可用PIC16F877单片机来实现控制，简介如下：
PIC16F877特性：PIC16F877是由Microchip公司所生产开发的新产品，属于PICmicro系列单片微机，具有Flash program程序内存功能，可以重复烧录程序，适合教学、开发新产品等用途；
而其内建ICD(In Circuit Debug)功能，可以让使用者直接在单片机电路或产品上，进行如暂停微处理器执行、观看缓存器内容等，让使用者能快速地进行程序除错与开发。
三、课题参考文献
（1） 《实验室温湿度自动测控系统的研究》
作者：林振强
摘要：
RS-485网络是有限延伸数据传输距离的有效方法，文章主要介绍了一套基于RS-485网络的以计算机为核心，通过单片机系统的采集若干恒温恒湿实验室内温度和湿度数据的自动检测系统，并详细阐述了数据采集系统的硬件组成和软件系统的功能。
主要内容：
主要讲系统的组成：
……
RS-485总线
……
系统的硬件结构图
软件设计：
软件编程基于windows操作系统环境，编程软件采用面向用户的编程语言，具有形象生动，操作简单、界面美观等特点。该系统主要包括以下功能：
1) 将实验室各点的温湿度进行集中显示，分楼层或者是分区域显示测量数据或曲线。
2) 对于每个检测点可以设置上、下限报警点。有时候某些实验室对温度和湿度的要求是很苛刻的，温湿度的国度波动可能会对产生或实验造成很大的损失。
3) 数据可以保存，数据保存的大小取决于硬盘空间的大小。
4) 每个检测点上温度可以以曲线显示出来。
5) 具有数据转存功能。该系统为了使不同用户在不同的地点都能观察到温度数据，可以将数据首先存储到数据库，但有时候数据库可能因某种原因未能开通，这时候本系统可以先将数据存储到主计算机，然后等检测到数据库正常后再把数据发送过去，并删除主计算机保存的数据。
（2） 《单片机温控系统设计》
作者：徐凯
摘要：
本设计是以一个保温箱为控制对象，以AT89C51为控制系统核心，通过单片机系统设计实现对保温箱温度的显示和控制功能。本温度控制系统是一个闭环反馈调节系统，由温度传感器AD590对保温箱温度进行检测，经过调理电路得到合适的电压信号。经A/D转换芯片得到相应的温度值，将所得的温度值与设定温度值相比较得到偏差。通过对偏差信号的处理获得控制信号，去调节加热器的通断，从而实现对保温箱温度的显示和控制。本文主要介绍了保温箱温度控制系统的工作原理和设计方法，论文主要由三部分构成。① 系统整体方案设计。② 硬件设计，主要包括温度检测电路、A/D转换电路、显示电路、键盘设计和控制电路。③ 系统软件设计，软件的设计采用模块化设计，主要包括A/D转换模块、显示模块、键盘模块和控制模块等。
主要内容：
本温度控制系统是一个闭环反馈控制系统，它用温度传感器将检测到的温度信号经放大，A/D转换后送入单片机中进行数据处理并显示当前温度值与设定温度值进行比较。根据比较的结果得到控制信号用以控制继电器的通断，实现对加热器的控制。通过这种控制方式实现对保温箱的温度控制。课题设计的主要内容包括硬件设计和软件设计两部分。系统功能由硬件和软件两大部分协调完成，硬件部分主要完成主机电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路的设计。软件程序编写主要用来实现对温度的检测、标度转换、LED显示、继电器控制等数据处理功能。
该系统采用MSC-51单片机作为控制芯片，采用半导体集成温湿度传感器AD590采集温度信号。通过温度传感器将采集的温度信号转换成与之相对应的电信号，经过放大处理送入A/D转换器进行A/D转换，将模拟信号转换成数字信号送入到控制芯片进行数据处理。通过在芯片外围添加显示、控制等外围电路来实现对保温箱的实时检测和控制功能。
（3） 《蔬菜大棚温湿度智能控制系统设计》
作者：梁万用、王凯
摘要：
针对目前蔬菜大棚人工控制的不足，设计了蔬菜大棚温湿度智能控制系统。采用模糊控制理论，对PID参数进行实时校正，使系统控制性能处于最优化控制状态，实现对蔬菜大棚温湿度的精确控制。试验和实际进行表明，该系统运行可靠，自动化程度高，有利于蔬菜大棚的智能化和统一化管理。
（4） 《基于GSM网络的车间温湿度监控系统》
作者：何士产 熊和金
摘要：
针对织造车间温湿度监控问题，提出一种基于tc35 gsm模块远程测控方案，介绍监控系统硬件组成和软件构成，详细阐述pic16f877a单片机与tc35模块接口设计。该测控系统具有结构简单、工作可靠、通信成本低等优点。
主要内容：
基于GSM网络的远程无线监控技术是国外近几年新兴的一种监控技术，它将GSM网络与自动控制技术、计算机控制技术及通信技术相结合，实现数据远程采集、监测与控制功能。由于其具有适应范围广、成本低、维护方便等特点，目前在车辆防盗监控、自动抄表、水情数据采样等方面都有成功的应用。
系统主要由管理中心和分散在车间里的各个检测点的温湿度采集、控制模块组成。温湿度采集监测点的数据，再通过TC35以短信方式，通过电信部门提供的短信业务定时将以上数据送到管理中心，录入SQL Server数据库，并对录入的温度、湿度与设定的值进行比较。管理中心监测人员可随时查看分散于各车间的监测点的实时环境数据，并根据工艺要求做对应的控制处理，再通过TC35模块以短信方式发送到温湿度控制器进行调节。
（5） 《基于PIC16F877单片机的温控系统设计研究》
作者：常国锐
摘要：
以PIC单片机为核心控制DS18B20温度传感器等外围电路模块实现了对多路温度的实时监测。论述了系统设计思路和软件设计流程。系统具有温度监测、自动拨号、语音报警功能，有较强的实用价值。
主要内容：
系统的功能框图
系统的主要组成部分包括：温度传感器DS18B20、PIC16F877单片机、可编程键盘/显示器接口芯片8279、OCM4X8C液晶显示器、MODEM、ISO2560语音芯片和信号音检测模块CR6230，系统的功能框图如下：
设计以PIC单片机系统为核心，由单片机、温度传感器、RS-485串口通信和计算机组成，利用了DS18B20“一线总线”数字化温度传感器，能够对多点的温度进行实时巡检。各检测单元(从机)能独立完成各自功能，同时能够根据主控机的指令对温度进行定时采集，测量结果不仅能在本地显示，而且可以利用单片机串行口，通过RS-485总线及通信协议将采集的数据传送到主控机，进行进一步的存档、处理。主控机负责控制指令的发送，控制各个从机进行温度采集，收集测量数据，并对测量结果(包括历史数据)进行整理、显示和存储。主控机与各从机之间能够相互联系、相互协调。本系统运行稳定、工作精度高，经测试，在-10℃~+70℃间测得误差为0.25℃，80℃到105℃时误差为0.5℃，当T>105℃差增大到1℃左右。实践证明，该控制系统操作方便，维修简单，运行稳定、可靠。
SD18B20的工作流程图如下：
否
i=i+1
否
是
（6） 《基于无线通信的温湿度监控系统设计》
作者：范灵芝
摘要：
本系统分为远程温湿度采集单元和本地监控报警单元两部分。
远程控制器通过DS18B20采集温度、HF3223采集湿度，通过SP无线收发模块将温湿度数据发送给本地报警控制器，在本地液晶显示远程温度和湿度，并根据预设报警值判断是否自动报警，从而实现一对一的远程监控，具有低成本、便携等特点。
主要内容：
1） 总体设计和工作原理
根据功能，系统主要是由远程温湿度采集单元和本地监控报警两部分组成。远程温湿度采集单元完成所在环境温度和湿度的采集、显示，并将采集数据通过无线方式传送给本地监控报警单元；
本地监控报警单元具有接收无线数据，显示数据，设置报警温湿度值和声光报警的功能。
系统两部分的工作原理框图如下：
远程温湿度采集单元 本地监控报警单元
2） 远程温湿度采集单元硬件组成
为了缩减硬件成本，方便处理，本系统温度、湿度采集的传感器均采用数字式器件，这样就节省了信号放大、A/D转换等硬件电路，软件处理也变得更加方便。故选用一线制的数字温度传感器18B20仅需一个端口引脚便可与单片机进行通讯，其测量范围从-55℃至+125℃，分辨率为0.5℃，基本满足一般需求。系统湿度传感器采用HF3223湿度传感器模块，它采用模块结构，属于频率输出试集成湿度传感器，所以它也可以直接与单片机相连。湿度范围：10%RH至95%RH；
相对湿度精度：±5%RH；
相应输出频率：9650Hz至8030Hz。其参数基本满足日常需要，输出频率信号非常适合使用单片机测量。
（7） 《无线温湿度传感器设计》
作者：徐飞
摘要：
我们都知道,在工农业生产及日常生活的许多领域,进行着温湿度测量与控制,首先要选择符合要求的温湿度传感器,然后根据所选择的传感器特性设计信号处理电路及A/D转换器与计算机的接口电路。这种信号处理及接口电路往往由于精度的要求而变得复杂,特别是进行测量控制系统产品的批量生产,在调试与校准过程中,由于传感器的线性度、重复性、互换性、一致性等方面的差别,给调试与校准带来许多工作量。如果采用瑞士Sensirion公司生产的具有I2C总线接口的SHT11温湿度传感器,接口电路将变得非常简单。由于其具有数字式输出、免调试、免标定、一致性好等特点,非常适合于单片机温湿度测量与控制系统。
基于数字温湿度芯片SHT11的传感器，以单片机MSP430F2274为微控制核心，由温湿度传感器、电源、液晶、nRF401、JTAG、USB转TTL串口等模块组成。它首先通过SHT11对温湿度数据进行采集，完成相对湿度的非线性补偿和温度补偿，再把数据传到数字段码液晶EDS806加以显示，利用nRF401无线模块进行温湿度数据的无线传输，同时采用USB串口实现与PC机的数据通信。
该系统降低了布线成本, 提高了系统的灵活性和可扩展性。该系统体积小、功耗低、电路简单, 可以方便安装和实时监控。
（8） 《无线温湿度测量传感器网络设计》
作者：姚传安
摘要：
无线传感器网络是当前信息领域中研究的热点之一,可用于特殊环境实现信号的采集、处理和发送;文中介绍了一种无线温湿度传感器网络的设计,以PIC单片机为核心,利用集成湿度传感器和数字温度传感器设计出了温湿度传感器网络节点的硬件电路,并通过无线收发模块与控制中心通信,讨论和提出了传感器节点的低功耗设计以及数据通信的可靠性方法;该系统稳定性好,通信效率高,可广泛应用于环境检测。
（9） 《智能键盘字符输入及LCD显示系统设计》
作者：马俊、刘晓林
摘要：
提出了一种基于单片机的智能键盘字符输入及LCD显示系统设计方案。详细阐述了系统硬件设计各模块接口电路和工作原理，介绍了点阵字符型液晶显示模块（LCD）和键盘接口的软件设计，给出相应的程序设计流程图。在Proteus环境下仿真实现了各种字符的输入、字母大小写切换和显示等功能，并成功运用于某门控系统中。
主要内容：
该系统硬件设计主要由单片机、LCD液晶显示模块和非编码矩阵式键盘组成，下图为系统硬件设计框图。
1） 智能键盘接口电路设计；
2） 智能键盘输入法；
3） LCD显示接口电路；
4） 系统软件设计。
（10） 《基AT89C51多路信号检测和语音报警器的设计》
作者：卢超
摘要：
以AT89C51为核心，采用单片语音录放芯片ISD1420和AID转换器ADC0809，设计了多路信号检测和语音报警器，包括信号放大、处理电路，A／D转换电路，语音报警模块、显示模块、键盘输入模块等。
主要内容：
（1）信号检测和语音报警系统广泛应用于矿井、石油工程、电站、隧道和大坝粮仓等领域的多路数据采集和语音报警系统中，包括运算放大器，A/D转换器，语音录放模块，输出控制模块，显示模块等分。AT89C51单片机主要负责数据的采集，数据的显示，判断，以及对ISD1420语音芯片的控制，系统硬件框图如下：
（2）ISD1420为ISD公司出品的优质单片语音录放电路，单片录放时间8s至20s，音质好。芯片使用CMOS技术，内含振荡器、话筒前置放大器、自动增益控制、放混淆录波器、平滑录波器、扬声器驱动及EEPROM阵列。
1）ISD1420的引脚功能
2）ISD1420的工作原理
（3）基于AT98C51和IDS1420语音报警电路的设计
（4）基于ADC0809的数据采集电路设计
（5）单片机控制软件的设计
四、总体设计
（1）本次设计主要是分为六个模块：主分机无线通信模块、温度采集转换模块、湿度采集转换模块、温湿度升降控制模块、键盘及显示模块、语音报警模块。
整体的模块图如下：
五、主要参考资料
[1]刘笃仁. PIC软硬件系统设计—基于PIC16F87X系列 北京：电子工业出版社，2005
[2]张明峰.PIC单片机入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004
[3]吕俊芳.传感器接口与检测仪器电路[M]．北京：国防工业出版社，2009
[4]魏志清.可编程控制器应用技术[M]．北京：电子工业出版社，1995
[5]李学海.PIC单片机实用教程—— 基础篇[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002
[6]陈富安.单片机与可编程控制器应用技术[M] .北京：电子工业出版社，2003
[7]陈志旺.51系列单片机系统设计与实践[M].北京：电子工业出版社，2010
[8]窦振中.PIC系列单片机原理和程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998
[9]张福学.现代实用传感器电路[M].北京：中国计量出版社，1997