健身自行车漫游系统交互控制数据采集研究 毕业论文

健身自行车漫游系统交互控制数据采集研究 毕业论文 摘 要 随着人们生活水平的日益提高人们对健身自行车的要求也越来越高， 简单的健身需求已经不能满足人们的需求，虚拟现实技术是二十世纪末兴 起的一门崭新的综合型信息技术，使用计算机生成一种模拟环境，通过传 感设备使用户“投入”到该环境中，实现与该环境直接进行自然交互的技 术，本实验通过借助51单片机实时地捕捉骑乘者骑乘健身自行车而产生 的各种运动参数，将捕捉的参数通过51单片机作用于虚拟环境，实现人 与虚拟环境的交互。本实验利用温湿度传感器DHT11获取骑乘者在骑乘过 程中周围环境的温湿度参数，并通过1602显示屏显示出实时的温度和湿 度，实现了骑乘者在虚拟环境中的漫游，使骑乘者在由计算机构造的虚拟 场景中获得如同真实环境中的骑车体验，本交互控制具有良好的实时性， 应用前景广泛。 关键词:LCD1602;单片机;传感器 I Abstract With the living standard increasing day by day, people?s requirement of the exercise bikes is higher and higher. The simple demand of fitness already cannot satisfy people's demand. The virtual reality technology is a new integrated information technology arose at the end of the twentieth century, it uses computer to generate a simulation environment. With the help of sensing device, users are "inputted" to the environment. It is the technology which is to achieve natural interaction directly with the environment. The various motion parameters in this experiment are got by using 51 single-chip microcomputer in real-time when the rider riding bicycle. To realize the interaction of person and the virtual environment, this experiment put the parameters into the virtual environment by 51 single-chip microcomputer. This experiment used the temperature and humidity sensor DHT11 to get the ambient temperature and humidity parameters when rider riding. And the real-time temperature and humidity were showed through 1602 displays screen, which realized the rider roaming in the virtual environment, which made the rider who was in the virtual scene structured by computer feel like that the cycling experience was from the real environment. The interaction control has good real-time performance, and the application prospect is wide. ? Key word:LCD1602;single-chip;sensor II 目录 1 引 言 ........................................................................................................................ ................................ 1 2 器件介 绍 ........................................................................................................................ ....................... 2 2.1 51单片机 (AT89C52) ......................................................................................................... 2 2.1.1 功能特 性 ......................................................................................................................... 2 2.1.2 引 脚 .................................................................................................................................. 2 2.1.3 数据存 储 ......................................................................................................................... 5 2.1.4 主要功能特点和优越 性 ............................................................................................. 5 2.1.5 中断系 统 ......................................................................................................................... 6 2.1.6 时钟电 路 ......................................................................................................................... 6 2.1.7 片上资 源 ......................................................................................................................... 7 2.1.8 数据查 询 ......................................................................................................................... 9 2.2 温湿度传感器 (DHT11) .................................................................................................. 10 2.2.1 技术参 数 ........................................................................................................................11 2.2.2 应用信 息 ........................................................................................................................11 2.2.3 串行接口(单线双 向) ................................................................................................. 12 2.3 1602显示 屏 ............................................................................................................................ 13 2.3.1 液晶显示简 介 ............................................................................................................. 14 2.3.2 管脚功 能 ....................................................................................................................... 14 2.3.3 特 性 ................................................................................................................................ 15 2.3.4 1602LCD的指令说明及时 序 ................................................................................. 16 2.3.5 1602LCD的RAM地址映射及字库 表 ....................................................... 16 3电路设 计 ................................................................................................................................................. 18 3.1 主控制电路及测温控制电路设 计 .................................................................................... 18 3.2 晶振电 路 .................................................................................................................................. 19 3.3 复位电 路 .................................................................................................................................. 20 3.4 显示电 路 .................................................................................................................................. 23 3.5 传感器电 路 ........................................................................................................................ ..... 24 4 软件设 计 ................................................................................................................................................ 25 III 4(1 流程 图 ................................................................................................................................... 25 4(2 程 序 ........................................................................................................................................ 25 4.2.1 主程 序 ........................................................................................................................... 25 4.2.2 读取程 序 ....................................................................................................................... 26 4.2.3 1602子程 序 ................................................................................................................. 27 4.2.4 延时程 序 ....................................................................................................................... 29 4.3 运行程 序 ........................................................................................................................ .......... 30 结 论 ............................................................................................................................................................. 32 致 谢 ............................................................................................................................................................. 33 参考文 献 .................................................................................................................................................... 34 附 录 ............................................................................................................................................................. 35 附录A英文原 文.............................................................................................................................. 35 附录B中文翻 译 .............................................................................................................................. 43 IV 1 引言 虚拟现实交互技术是一门新兴的综合信息技术, 它使用以计算机技术 为核心的现代高科技, 生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟 环境, 用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作 用、相互影响, 从而产生与亲临等同的真实环境的感受和体验形成这种虚 拟的真实世界, 首先, 需要生成虚拟实体, 主要是针对用户的生理感觉而 言; 其次, 用户通过人生理的自然技能同这个环境进行交互; 最后, 利用 传感器完成人和虚拟环境的交互，本实验是健身自行车来完成交互，.健身自行车是主要用于健身类的自行车，自行车健身已经成为一种时尚。但是随着人们生活水平的日益提高人们对健身自行车的要求也越来越高，简单的健身需求已经不能满足人们的需求了，人们开始希望能够在健身的同时身心愉快，这就给健身自行车漫游交互系统提供了市场 1 2 器件介绍 2.1 51单片机(AT89C52) 51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。本实验使用的是当前常用的51系列单片机ATMEL的89C52，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 2.1.1 功能特性 1、兼容MCS51指令系统 2、8kB可反复擦写(大于1000次)Flash ROM; 3、32个双向I/O口; 4、256x8bit内部RAM; 5、3个16位可编程定时/计数器中断; 6、时钟频率0-24MHz; 7、2个串行中断，可编程UART串行通道; 8、2个外部中断源，共8个中断源; 9、2个读写中断口线，3级加密位; 10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能; 11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。 2.1.2 引脚 AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标 准的C51内核，在内部功能及管脚排 2 布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有:XTAL1(19 脚)和XTAL2(18 脚)为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd(9 脚)为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC(40 脚)和VSS(20 脚)为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口(32~39 脚)被定义为N1 功能控制端口， 分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 P0 口:P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址(低8 位)和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在Flash编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1 口:P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX)， P2 口:P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX @DPTR 指令)时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器(如执行 3 MOVX @RI 指令)时，P2 口输出P2锁存器的内容。 Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。 P3口:P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流(IIL)。 P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能 P3 口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE/PROG:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。 对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。 PSEN:程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH)，EA 端必须保持低电平(接地)。需注意的是:如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平(接Vcc端)，CPU 则执行内部程序存储器中的指令。 Flash存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。 XTAL1:振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 4 2.1.3 数据存储 AT89C52 有256 个字节的内部RAM，80H-FFH 高128 个字节与特殊功能寄存器(SFR)地址是重叠的，也就是高128字节的RAM 和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。 当一条指令访问7FH 以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高128 字节RAM 还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。 间接寻址指令访问高128 字节RAM，堆栈操作也是间接寻址方式，所以，高128 位数据RAM 亦可作为堆栈区使用。 定时器0和定时器1:AT89C52的定时器0和定时器1 的工作方式与 AT89C51 相同。 2.1.4 主要功能特点和优越性 (1)4k Bytes Flash片内程序存储器; (2)128 bytes的随机存取数据存储器(RAM); (3)32个外部双向输入/输出(I/O)口; (4)5个中断优先级、2层中断嵌套中断; (5)6个中断源; (6)2个16位可编程定时器/计数器; (7)2个全双工串行通信口; (8)看门狗(WDT)电路; (9)片内振荡器和时钟电路; (10)与MCS-51兼容; (11)全静态工作:0Hz-33MHz; (12)三级程序存储器保密锁定; (13)可编程串行通道; (14)低功耗的闲置和掉电模式。 5 2.1.5 中断系统 程序执行过程中，允许外部或内部事件通过硬件打断程序的执行，使 其转向为处理内部事件的中断服务程序中去;完成中断服务的程序后，CPU 继续原来被打断的程序，这样的过程称为中断过程。 能产生中断的外部和内部事件。AT89S51有5个中断源: (1)INT0:外部中断0请求，低电平有效。通过P3.2引脚输入。 (2)INT1:外部中断1请求，低电平有效。通过P3.3引脚输入。 (3)T0:定时器/计数器0溢出中断请求。 (4)TI:定时器/计数器1溢出中断请求。 (5)TXD/RXD:串行口中断请求。当串行口完成一帧数据的发送或接收时，便请求中断。每一个中断源都对应一个中断请求标志位，它们设置在特殊功能寄存器TCON和SCON中。当这些中断源请求中断时，相应的标志分别有TCON和SCON中的相应位来锁存。 中断系统有以下4个特殊功能寄存器 (1)定时器控制寄存器TCON(用6位); (2)串行口控制寄存器SCON(用2位); (3)中断允许寄存器IE; (4)中断优先级寄存器IP。 其中，TCON和SCON只有一部分用于中断控制。通过对以上各特殊功能寄存器的各位进行置位或复位等操作，可实现各种中断控制功能。 2.1.6 时钟电路 时钟电路可以简单定义如下:1.就是产生象时钟一样准确的振荡电路;2.任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。时钟电路一般由晶体震荡器、晶震控制芯片和电容组成。时钟电路应用十分广泛，如电脑的时钟电路、电子表的时钟电路以及MP3、MP4的时钟电路。 时钟电路用于产生单片机的基本时钟信号，是用来配合外部晶体实现 振荡的电路，这样可以为单片机提供运行时钟，如果运行时钟为0 的话，单片机就不工作，当然超出单片机的工作频率的时钟也会导致单片机不工作。时钟电路是微型计算机的心脏，它控 6 制着计算机的工作节奏，CPU就是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能的。MCS-51的时钟信号可以由两种方式:一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路，产生时钟信号:另一种为外部方式，时钟信号由外部引入。如果没有时钟电路来产生时钟驱动单片机，单片机是无法工作的 电路直接提供。 内部振荡器的输入和输出脚分别为XTAL1和XATL2，由XTAL2给单片机内部电路提供时钟信号。当时钟信号由外部电路提供时，外部时钟引入XTAL2，而XTAL1脚接地。 2.1.7 片上资源 定时器2的基本特性:定时器2 是一个16 位定时/计数器。它既可当定时器使用，也可作为外部事件计数器使用，其工作方式由特殊功能寄存器T2CON的C/T2 位选择。定时器2 有三种工作方式:捕获方式，自动重装载(向上或向下计数)方式和波特率发生器方式，工作方式由T2CON 的控制位来选择。 定时器2 由两个8 位寄存器TH2 和TL2 组成，在定时器工作方式中，每个机器周期TL2 寄存器的值加1，由于一个机器周期由12 个振荡时钟构成，因此，计数速率为振荡频率的1/12。 在计数工作方式时，当T2 引脚上外部输入信号产生由1 至0 的下降沿时，寄存器的值加1，在这种工作方式下，每个机器周期的5SP2 期间， 对外部输入进行采样。若在第一个机器周期中采到的值为1，而在下一个机器周期中采到的值为0，则在紧跟着的下一个周期的S3P1 期间寄存器加1。由于识别1 至0 的跳变需要2 个机器周期(24 个振荡周期)，因此，最高计数速率为振荡频率的1/24。为确保采样的正确性，要求输入的电平在变化前至少保持一个完整周期的时间，以保证输入信号至少被采样一次。 定时器2的捕捉方式:在捕获方式下，通过T2CON 控制位EXEN2 来选择两种方式。如果EXEN2=0，定时器2 是一个16 位定时器或计数器，计数溢出时，对T2CON 的溢出标志TF2 置位，同时激活中断。如果EXEN2=1，定时器2 完成相同的操作，而当T2EX 引脚外部输入信号发生1 至0 负跳变时，也出现TH2 和TL2 中的值分别被捕获到RCAP2H 和RCAP2L 中。另外，T2EX 引脚信号的跳变使得T2CON 中的EXF2 置位，与TF2 相仿，EXF2 也会激活中断。 [12]。AT89S51的时钟信号可由内部振荡器产生，也可由外部 7 定时器2的自动重装载方式:当定时器2工作于16位自动重装载方式时，能对其编程为向上或向下计数方式，这个功能可通过特殊功能寄存器T2CON的DCEN 位(允许向下计数)来选择的。复位时，DCEN 位置“0”，定时器2 默认设置为向上计数。当DCEN置位时，定时器2 既可向上计数也可向下计数，这取决于T2EX 引脚的值，当DCEN=0 时，定时器2 自动设置为向上计数，在这种方式下，T2CON 中的EXEN2 控制位有两种选择，若EXEN2=0，定时器2 为向上计数至0FFFFH 溢出，置位TF2 激活中断， 同时把16 位计数寄存器RCAP2H 和RCAP2L重装载，RCAP2H 和RCAP2L 的值可由软件预置【4】。 若EXEN2=1，定时器2 的16 位重装载由溢出或外部输入端T2EX 从1 至0 的下降沿触发。这个脉冲使EXF2 置位，如果中断允许，同样产生中断。定时器2 的中断入口地址是:002BH ——0032H 。 当DCEN=1 时，允许定时器2 向上或向下计数，如图6 所示。这种方式下，T2EX引脚控制计数器方向。T2EX引脚为逻辑“1”时，定时器向上计数，当计数0FFFFH 向上溢出时，置位TF2，同时把16 位计数寄存器RCAP2H 和RCAP2L 重装载到TH2 和TL2 中。 T2EX 引脚为逻辑“0”时，定时器2 向下计数，当TH2 和TL2 中的数值等于RCAP2H 和RCAP2L中的值时，计数溢出，置位TF2，同时将0FFFFH 数值重新装入定时寄存器中。当定时/计数器2 向上溢出或向下溢出时，置位EXF2 位。 定时器2的波特率发生器:当T2CON中的TCLK 和RCLK 置位时，定时/计数器2 作为波特率发生器使用。如果定时/计数器2 作 为发送器或接收器，其发送和接收的波特率可以是不同的，定时器1 用于其它功能。若RCLK 和TCLK 置位，则定时器2工作于波特率发生器方式。 波特率发生器的方式与自动重装载方式相仿，在此方式下，TH2 翻转使定时器2 的寄存器用RCAP2H 和RCAP2L 中的16位数值重新装载，该数值由软件设置。 在方式1 和方式3 中，波特率由定时器2 的溢出速率根据下式确定:方式1和3的波特率=定时器的溢出率/16定时器既能工作于定时方式也能工作于计数方式，在大多数的应用中，是工作在定时方式(C/T2=0)。定时 器2 作为波特率发生器时，与作为定时器的操作是不同的，通常作为定时器时，在每个机器周期(1/12 振荡频率)寄存器的值加1，而作为波特率发生器使用时，在每个状态时间(1/2 振荡频率)寄存器的值加1。波特率的计算公式如公式(1-1)所示: 方式1和3的波特率=振荡频率/{32*[65536-(RCP2H,RCP2L)]} (1-1) 8 式中(RCAP2H，RCAP2L)是RCAP2H 和RCAP2L中的16 位无符号数。 定时器2 作为波特率发生器使用的电路如图7 所示。T2CON 中的RCLK 或TCLK=1 时，波特率工作方式才有效。在波特率发生器工作方式中，TH2 翻转不能使TF2 置位，故而不产生中断。但若EXEN2 置位，且T2EX 端产生由1 至0 的负跳变，则会使EXF2 置位，此时并不能将(RCAP2H，RCAP2L)的内容重新装入TH2 和TL2 中。所以，当定时器2 作为波特率发生器使用时，T2EX 可作为附加的外部中断源来使用。需要注意的是，当定时器2 工作于波特率器时，作为定时器运行(TR2=1)时，并不能访问TH2 和TL2。因为此时每个状态时间定时器都会加1，对其读写将得到一个不确定的数值。 然而，对RCAP2 则可读而不可写，因为写入操作将是重新装载，写入操作可能令写和/或重装载出错。在访问定时器2或RCAP2寄存器之前，应将定时器关闭(清除TR2)。 定时器2的可编程时钟输出:定时器2 可通过编程从P1.0 输出一个占空比为50%的时钟信号，如。P1.0 引脚除了是一个标准的I/O 口外，还可以通过编程使其作为定时/计数器2 的外部时钟输入和输出占空比50% 的时钟脉冲。当时钟振荡频率为16MHz 时，输出时钟频率范围为61Hz—4MHz。 当设置定时/计数器2 为时钟发生器时，C/T2(T2CON .1)=0，T2OE (T2MOD.1) =1，必须由TR2(T2CON.2)启动或停止定时器。时钟输出频率取决于振荡频率和定时器2 捕获寄存器(RCAP2H，RCAP2L)的重新装载值，公式如下: 输出时钟频率=振荡器频率/{4*[65536-(RCP2H,RCP2L)]} 在时钟输出方式下，定时器2 的翻转不会产生中断，这个特性与作为波特率发生器使用时相仿。定时器2 作为波特率发生器使用时，还可作为时钟发生器使用，但需要注意的是波特率和时钟输出频率不能分开确定，这是因为它们同使用RCAP2L和RCAP2L。 2.1.8 数据查询 AT89C52单片机用Data Palling 表示一个写周期结束为特征，在一个写周期中，如需读取最后写入的一个字节，则读出的数据的最高位(P0.7)是原来写入字节最高位的反码。写周期完成后，所输出的数据是有效的数据，即可进入下一个字节的写周期，写周期开始后，Data Palling 可能随时有效。 Ready/Busy:字节编程的进度可通过“RDY/BSY 输出信号监测，编程期间，ALE 变 9 为高电平“H”后，P3.4(RDY/BSY)端电平被拉低，表示正在编程状态(忙状态)。编程完成后，P3.4 变为高电平表示准备就绪状态。 程序校验:如果加密位LB1、LB2 没有进行编程，则代码数据可通过 地址和数据线读回原编写的数据。加密位不可直接校验，加密位的校验可通过对存储器的校验和写入状态来验证。 芯片擦除:利用控制信号的正确组合(表6)并保持ALE/PROG引脚10mS 的低电平脉冲宽度即可将PEROM 阵列(4k字节)和三个加密位整片擦除，代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写入“1”，这步骤需再编程之前进行。 读片内签名字节:AT89C52单片机内有3 个签名字节，地址为030H、031H 和032H。用于声明该器件的厂商、型号和编程电压。读AT89C52 签名字节需将P3.6 和P3.7 置逻辑低电平，读签名字节的过程和单元030H、031H 及032H 的正常校验相仿，只返回值意义如下: (030H)=1EH 声明产品由ATMEL公司制造。 (031H)=52H 声明为AT89C52 单片机。 (032H)=FFH 声明为12V 编程电压。 (032H)=05H 声明为5V 编程电压。 2.2 温湿度传感器(DHT11) 温湿度是自然界中和人类打交道最多的两个物理参数，无论是在生产实验场所，还是在居住休闲场所，温湿度的采集或控制都十分频繁和重要，由于温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温湿度一体的传感器就会相应产生。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并 与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。四条引角中有两条是电源引脚，有两条是输出数据的引脚，你只需要给他供上额定 10 电压，然后再他的输出引脚采集信号就可以了，输出信号如果是模拟量的话，通过A/D芯片，将模拟量转换为数字信号，然后传送给单片机。DHT11是数字传感器，所以不需要进行模数的转换。 2.2.1 技术参数 湿度 分 辨 率:16Bit 重 复 性:?1%RH 精 度:25?C ?5%RH 互 换 性:可完全互换 响应时间:1/e(63%)25?C 6s 1m/s 空气 6s 迟 滞:,?0.3%RH 长期稳定性:,?0.5%RH/yr 温度 分 辨 率:16Bit 重 复 性:?0.2?C 量程范围:25?C ?2?C 响应时间:1/e(63%) 10s 电气特征 供 电:DC 3.5-5.5V 供电电流:测量0.3mA 待机60μA 采样周期:次 大于2秒 2.2.2 应用信息 1工作与贮存条件 超出建议的工作范围可能导致高达3%RH的临时性漂移信号。返回正常工作条后， 11 传感器会缓慢地向校准状态恢复。要加速恢复进程。在非正常工作条件下长时间使用会加速产品的老化过程。 2暴露在化学物质中 电阻式湿度传感器的感应层会受到化学蒸汽的干扰，化学物质在感应层中的扩散可能导致测量值漂移和灵敏度下降。在一个纯净的环境中，污染物质会缓慢地释放出去。下文所述的恢复处理将加速实现这一过程。高浓度的化学污染会导致传感器感应层的彻底损坏。 3恢复处理 置于极限工作条件下或化学蒸汽中的传感器，通过如下处理程序，可使其恢复到校准时的状态。在50-60?和< 10%RH的湿度条件下保持2 小 时(烘干);随后在20-30?和>70%RH的湿度条件下保持 5小时以上。 4温度影响 气体的相对湿度，在很大程度上依赖于温度。因此在测量湿度时，应尽可能保证湿度传感器在同一温度下工作。如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板，在安装时应尽可能将DHT11远离电子元件，并安装在热源下方，同时保持外壳的良好通风。为降低热传导，DHT11与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可能最小，并在两者之间留出一道缝隙。 5光线 长时间暴露在太阳光下或强烈的紫外线辐射中，会使性能降低。 6配线注意事项 DATA信号线材质量会影响通讯距离和通讯质量,推荐使用高质量屏蔽线。 焊接信息手动焊接，在最高260?的温度条件下接触时间须少于10秒。 注意事项 (1)避免结露情况下使用。 (2)长期保存条件:温度10,40?，湿度60%以下 2.2.3 串行接口(单线双向) DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:一次完整的数据传输为40bit,高位先出。 12 数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。 数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。 用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。 总线空闲状态为高电平的时候主机把总线拉低等待DHT11响应, DHT11能检测到起始信号，主机必须把总线拉低，至少大于18ms。DHT11一旦接收到主机的开始信号，接着就等待开始信号的结束,然后发送80us的低电平响应信号，要读取DHT11的响应信号,必须等待开始信号的结束，并延时等待20-40us后才能够接受，主机发送开始信号后,这时候就可输出高电平或切换到输入模式,接着总线由上拉电阻拉高。 DHT11发送响应信号的时候总线为低电平 ,DHT11把总线拉高80us之前,必须等到响应信号发送，准备发送数据时,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,数据位是0或1是由高电平的长或短来决定。假如响应信号的读取为高电平,但是DHT11无响应响应,这时候说明路线可能连接不正常，当最后一bit数据传送结束后，DHT11把总线拉低50us,接着总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。 2.3 1602显示屏 在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很 多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种:发光管、LED数码管、液晶显示器。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形(用自定义CGRAM，显示效果也不好)。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块(显示字符和数字)。 13 2.3.1 液晶显示简介 线段的显示:点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当(000H)=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点;当(3FFH)=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线;当(000H)=FFH，(001H)=00H，(002H)=00H，„„(00EH)=00H，(00FH)=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理【5】。 字符的显示:用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。 汉字的显示:汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码(一般用字模提取软件)，每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5„„右边为2、4、6„„根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节„„直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。 2.3.2 管脚功能 1602LCD采用标准的14脚(无背光)或16脚(带背光)接口。 第1脚:VSS为地电源。 第2脚:VDD接5V正电源。 第3脚:VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。 第4脚:RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 14 第5脚:R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。 第6脚:E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第7,14脚:D0,D7为8位双向数据线。 第15脚:背光源正极。 第16脚:背光源负极。 2.3.3 特性 1.3.3V或5V工作电压，对比度可调 2.内含复位电路 3.提供各种控制命令,如:清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能 4.有80字节显示数据存储器DDRAM 5.内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM 6.8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM 15 2.3.4 1602LCD的指令说明及时序 1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令。 1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。(说明:1为高电平、0为低电平) 指令1:清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。 指令2:光标复位，光标返回到地址00H。 指令3:光标和显示模式设置 I/D:光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令4:显示开关控制。 D:控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C:控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B:控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令5:光标或显示移位 S/C:高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令6:功能设置命令 DL:高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N:低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。 指令7:字符发生器RAM地址设置。 指令8:DDRAM地址设置。 指令9:读忙信号和光标地址 BF:为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令10:写数据。 指令11:读数据。 2.3.5 1602LCD的RAM地址映射及标准字库表 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符【6】，图2.1是1602的内部显示地址。 16 图2.1 LCD内部显示地址 例如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢,这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B(40H)+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。 在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。 1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有:阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H)，显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。 17 3电路设计 单片机是整个系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而完成特定的功能，硬件实现上采用模块化设计，每一模块只实现一个特定功能，最后将各个模块搭接在一起，这种设计方法可以降低系统的复杂性，本系统主要硬件设计包括电源电路、晶振电路、LCD显示电路以及温湿度传感器电路 3.1 主控制电路及测温控制电路设计 此系统的中枢为AT89C52单片机，其他电路军事围绕它所设计的，数字温度传感器DHT11的DATA口连接单片机的P2.0口。显示电路就是把LCD1602显示屏和单片机P0口分别连接在一起，为了增加单片机的输出能了，增加单片机的输出电流，故将排阻与单片机的P0口分别连接在一起。本系统采用手动复位和手动复位结合，充电之后RST被拉至高电平，单片机进入工作状态。AT89C52单片机中有一个用于构成内部正当其放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器构成自激振荡器，他们与电容C1，C2接在放大器的反馈电路中构成并联振荡电路，虽然电容没有一个严格要求，但是电容的大小会轻微影响振荡频率的高低、温度稳定性以及震荡工作的稳定性。具体的原理如图3.1所示 18 图3.1 原理图 3.2 晶振电路