前言：這個是2018年上半年完成的，這里只貼出硬件設計部分，軟件設計部分可以看上位機說明書。
設計總說明
隨着科學技術的不斷發展，高集成度、高精度、高可靠性的一體化溫濕度變送器開始 得到廣泛的應用．同時隨着應用場景的增多，更多類如管理不及時、數據丟失、響應速度 慢、不便於遠距離傳輸等問題日益凸顯．為滿足現代生產實際需要，本文設計並實現了基 於SHT11及同類型傳感器的溫濕度變送器及溫濕度監測軟件系統． 本文設計溫濕度變送器以STM32為核心控制器，可連接包括SHT11及SHT21、DHT11、 DHT21同類型溫濕度傳感器，實現溫濕度數據的實時顯示、監控、存儲、模擬輸出，並具 備RS485通信接口．設備參數可通過按鍵控制多級菜單進行設置修改，溫濕度數據超出閾 值范圍可通過蜂鳴器和繼電器動作報警．變送器可采用15V~25V寬電壓、USB、鋰電池三 種供電方式，並實現USB鋰電池充電，同時實現電源電壓采樣監測，完成USB充電識別和 鋰電池剩余電量監測以及僅在寬電壓輸入下保持模擬信號輸出． 溫濕度變送器設計可分為硬件和軟件兩部分．硬件部分包括：電源轉換電路、中心控 制電路、傳感器接口電路、段式液晶顯示電路、按鍵電路、溫濕度報警電路、EEPROM存 儲電路、RS485通信電路、0V~5V或0V~10V模擬輸出電路、4mA~20mA模擬輸出電路；軟 件部分包括按鍵掃描及參數設置、傳感器溫濕度讀取及閾值報警、段式液晶顯示、MODBUS RTU通信、ADC電源檢測、DAC7512驅動輸出．上位機溫濕度監測軟件可通過RS485與下 位機溫濕度變送器進行通信，進行溫濕度數據的顯示、監控、存儲、查詢等．溫濕度監測 軟件實現對當前連接設備的地址碼掃描，並更新連接設備數據庫，實現對已連接設備溫濕 度數據的問詢，進行列表、曲線、懸浮窗顯示並記錄數據點．同時，其包括通信端口、用 戶管理、溫濕度閾值等參數設置和歷史數據、歷史曲線、報警數據，系統日志信息的記錄 查詢． 經過對系統軟硬件的測試和實驗，結果表明，本文設計的溫濕度變送器和溫濕度監測 軟件能夠長時間穩定運行，成本較低，精度可靠，並且可以實時遠程傳輸數據，為當前的 生產需求提供一種行之有效的解決方案．
關鍵詞：溫濕度；STM32；RS485；顯示；監控
目 錄
第 1 章 緒論 ................................................................................................................................... 1
1.1 課題研究背景和研究意義 ................................................................................................... 1
1.2 課題設計目的 ....................................................................................................................... 1
1.3 國內外發展現狀和應用前景 ............................................................................................... 1
1.3.1 國內外發展現狀 ............................................................................................................ 1
1.3.2 存在的問題及發展前景 ................................................................................................ 2
1.4 論文研究的主要內容及章節安排 ....................................................................................... 2
1.4.1 主要研究內容 ................................................................................................................ 2
1.4.2 本文章節安排 ................................................................................................................ 2
第 2 章 溫濕度傳感器及系統總體方案設計 ............................................................................... 5
2.1 溫濕度傳感器 ....................................................................................................................... 5
2.1.1 SHT11 和 SHT21 傳感器 ............................................................................................... 5
2.1.2 DHT11 和 DHT21 傳感器 .............................................................................................. 6
2.2 系統總體方案 ....................................................................................................................... 7
2.3 本章小結 ............................................................................................................................... 8
第 3 章 系統硬件電路 ................................................................................................................... 9
3.1 系統硬件電路分析及總體框圖 ........................................................................................... 9
3.2 電源轉換電路 ....................................................................................................................... 9
3.2.1 +5V 產生電路 ................................................................................................................. 9
3.2.2 +3.3V 產生電路及鋰電池充電保護電路 .................................................................... 11
3.2.3 −5V 產生電路 ............................................................................................................. 14
3.2.4 電壓采樣電路 .............................................................................................................. 15
3.3 中心控制電路 ..................................................................................................................... 15
3.4 傳感器接口電路 ................................................................................................................. 17
3.5 液晶顯示電路 ..................................................................................................................... 18
3.6 按鍵電路 ............................................................................................................................. 20
3.7 溫濕度報警電路 ................................................................................................................. 20
3.8 EEPROM 存儲電路 ............................................................................................................ 21
3.9 RS485 通信電路 .................................................................................................................. 21
3.10 0V~5V 或 0V~10V 模擬輸出電路 ................................................................................... 22
3.11 4MA~20MA 模擬輸出電路 ............................................................................................... 24
3.12 本章小結 ........................................................................................................................... 24
第 4 章 系統軟件設計 ................................................................................................................. 25
4.1 系統軟件設計概述............................................................................................................. 25
4.2 下位機 STM32 單片機程序設計 ...................................................................................... 25
4.2.1 單片機整體功能程序設計 .......................................................................................... 25
4.2.2 按鍵掃描及參數設置程序設計 .................................................................................. 26
4.2.3 傳感器溫濕度讀取及閾值報警程序設計 .................................................................. 27
4.2.4 段式 LCD 顯示程序設計 ............................................................................................ 29
4.2.5 下位機 MODBUS RTU 通信程序設計 ...................................................................... 29
4.2.6 ADC 電源檢測程序設計 ............................................................................................. 31
4.2.7 DAC7512 驅動輸出程序設計 ..................................................................................... 32
4.3 上位機溫濕度監測軟件程序設計..................................................................................... 33
4.3.1 上位機程序整體功能設計 .......................................................................................... 33
4.3.2 上位機 MODBUS RTU 通信程序設計 ...................................................................... 34
4.3.3 系統設置程序設計 ...................................................................................................... 36
4.3.4 數據顯示及查詢程序設計 .......................................................................................... 38
4.4 本章小結............................................................................................................................. 41
第 5 章 系統測試及實驗 ............................................................................................................. 43
5.1 系統測試概述..................................................................................................................... 43
5.2 硬件性能測試 ..................................................................................................................... 43
5.3 軟件性能測試..................................................................................................................... 48
5.4 本章小結............................................................................................................................. 50
第6 章 結論與展望 ..................................................................................................................... 51
6.1 結論 ..................................................................................................................................... 51
6.2 不足之處及未來展望 ......................................................................................................... 51
參考文獻 ....................................................................................................................................... 53
致 謝 ........................................................................................................................................... 55
第 1 章 緒論
1.1 課題研究背景和研究意義 隨着科學技術水平的不斷提高和工業自動化的推廣，各行各業對於溫濕度的監測要求 也越來越高．溫度和濕度的監測在暖通空調、電信基站、計算機房、智能建築、葯廠、博 物館、車站、機場、白酒釀造車間等各個領域被廣泛的應用．溫濕度與工業生產、日常生 活密切相關，如在生命科學設施，計量/校准實驗室和電子制造環境，溫度和濕度往往需要 監測和報警顯示，以保障產品和工藝．另外，在倉庫存儲中也需要實時記錄溫濕度的具體 變化．在日常生活中，只有較好的監測了解溫濕度的變化差異，才能更好的生存與發展．例 如在農畜業中，農作物與牲畜只有在適宜的溫度和濕度下才能健康成長． 同時，集成數字傳感器的溫濕度變送器可以結合軟硬件的智能化設計，解決人力資源 浪費，管理不及時，數據丟失等問題，並具備響應速度快，測量精度高，便於遠距離傳輸， 模塊集成化等優點． 綜上所述，溫濕度監測對於工業生產及環境變化等都具有重要的意義，所以能夠成功 研制出一款智能，高精度，普適的溫濕度變送器顯得尤為重要．本課題首先查閱了近年來 國內外的溫濕度變送器的開發狀況，同時結合實際情況，針對上述問題進行了研究和設計．
1.2 課題設計目的 傳統的溫濕度監測主要依靠人工巡回查看記錄的方式，這造成資源利用效率低下並容 易造成記錄誤差，同時存在人工維護管理成本高的問題．盡管部分企業已采用了溫濕度監 測系統，但如何設計測量精確，實時性可靠性高，數據傳輸監測方便，低成本且功能齊全 的溫濕度變送器仍是需要進一步研究的問題． 基於以上問題，本文設計以STM32F103RCT6芯片為核心控制器開發一款能夠實時監 測溫濕度數據、符合工程生產標准、便於管理和數據記錄查詢的溫濕度變送器及上位機溫 濕度監測軟件．溫濕度變送器的設備參數可設置修改，並實現數據實時顯示、監控、存儲， 具備4mA~20mA、0V~5V、0V~10V模擬量輸出接口，其為國際通用標准信號，是連接儀表、 變送設備、控制設備、計算機采樣設備的一種標准，同時可通過MODBUS RTU通信協議與 上位機通信．上位機開發主要實現良好的人機交互界面，更加清晰的展現數據監測效果． 本課題針對溫濕度變送器的開發找到了一條切實可行的方案，並且方法簡單易於實現， 具有一定的經濟效益和社會效益．
1.3 國內外發展現狀和應用前景
1.3.1 國內外發展現狀
國外主要生產溫濕度變送器的公司主要包括西門子、霍尼韋爾等．德國西門子公司為 全球知名的傳感器制造廠商，西門子公司的TH400溫度變送器采用通用性設計，操作簡單， 能夠應用於各工業領域．霍尼韋爾公司總部位於美國新澤西州，其的溫濕度傳感器以優良 的產品質量和可靠性在國際贏得聲譽，其STT350/STT35F溫度變送器具備高精度高性能、 4mA~20mA或現場總線輸出功能，應用范圍廣泛[1]． 國內的溫濕度變送器產業迅速發展，很多國內廠商所研制的產品都在技術上取得較大的進步．廣州奧松電子有限公司的AW3010A 電壓型溫濕度變送器具有測量精度高、抗干 擾能力強以及較強的穩定性等特點，具有長期穩定、溫度測量范圍寬、高低溫度測量精確、 體積小、重量輕、測量精度高、響應速度快的優點．如今廣泛應用於工業廠房、電信基站、 通信機房、HAVC 暖通空調、智能樓宇、博物館、檔案館、辦公室等．
1.3.2 存在的問題及發展前景
國內外在濕度和溫度傳感器研發領域取得了長足進步，溫濕度傳感器正從功能簡單向 集成化、智能化、多參數檢測的方向迅速發展． 目前，國內外市場上提供有許多不同類型、不同檔次的溫濕度變送器．普遍來看，國 外產品自動化程度高，適用面更廣泛，測量數據更精准，但價格也同樣居於高位，很多國 內中小型企業難以承受[2]．而國內大部分產品還處於低端階段，雖然價格更加低廉，但測 量精度較低[3]．如何設計出精度更高，成本更低，更加符合我國生產實際情況的溫濕度變 送器，從而得到更廣泛的推廣和使用是一個需要解決的問題．
1.4 論文研究的主要內容及章節安排
1.4.1 主要研究內容 論文從經濟成本、實際應用等多方面考慮，從實際出發，提出了基於 STM32 的溫濕度 變送器的設計與實現方案． 本文研究的關鍵問題： （1）SHT11及SHT21、DHT11、DHT21同類型溫濕度傳感器的讀取方法； （2）段式液晶的控制方法； （3）4mA~20mA輸出或0V~5V、0V~10V輸出模擬電路設計方法； （4）RS485電路的設計方法以及MODBUS RTU協議編程方法； （5）系統PCB和原理圖的設計方法； （6）上位機C#軟件編程設計． 1.4.2 本文章節安排 本文主要完成溫濕度變送器的硬件和軟件設計以及上位機溫濕度監測軟件系統的設 計．
論文共由6個章節組成，主要內容和結構安排如下： 第1章：緒論，介紹了溫濕度變送器的研究背景和研究意義，並對國內外溫濕度變送器 相關研究現狀和應用前景進行簡要分析，提出本文主要研究內容． 第2章：溫濕度傳感器及總體方案設計，首先分析了溫濕度的概念和本文選用的溫濕度 傳感器，並提出整個系統的總體設計方案． 第3章：系統硬件電路，主要介紹了溫濕度變送器的各個硬件組成電路，並分功能模塊 完成電路設計． 第4章：系統軟件設計，主要介紹了單片機程序設計和上位機軟件程序設計，包括各功 能模塊的程序設計流程圖和功能界面效果． 第5章：系統測試及實驗，主要對開發系統分硬件和軟件兩方面進行性能參數的測試， 並給出測試結果． 第6章：結論與展望，完成對所設計內容的總結，得出設計結論，同時指出整個方案的不足之處和對需要改進之處的展望．