1、大棚温湿度自动控制系统设计说明 大棚温湿度自动控制系统设计摘 要：本设计是基于STC89C52RC单片机的大棚温湿度自动控制系统，采用SHT10作为温湿度传感器，LCD1602液晶屏进行显示。SHT10使用类似于I2C总线的时序与单片机进行通信，由于它高度集成，已经包括A/D转换电路，所以使用方便，而且准确、耐用。LCD1602能够分两行显示数据，第一行显示温度，第二行显示湿度。这个控制系统能够测量温室大棚中的温度和湿度，将其显示在液晶屏LCD1602上，同时将其与设定值进行对比，如果超出上下限，将进行报警并启动温湿度调节设备。此外，还可以通过独立式键盘对设定的温湿度进行修改。通过设计系统原理
2、图、用Proteus软件进行仿真，证明了该系统的可行性。关键词：STC89C52RC，SHT10，I2C总线，独立式键盘，温湿度自动控制Abstract: This design is an automatic temperature and humidity controller for greenhouses, with the STC89C52RC MCU being its main controller. It uses the SHT10 as the temperature and humidity sensor, and the LCD1602 to display the m
3、essages. The SHT10 uses a timing sequence much like the I2C to communicate with the micro-controller. Because its a highly integrated chip, it already includes an analog to digital converter. Therefore, its quite convenient to use, and also accurate and durable. The LCD1602 can display two lines of
4、messages, with the first line for temperature and the second line for humidity. The design can measure the temperature and humidity in a greenhouse, and then display it on a LCD1602. Meanwhile, it compares the data with the set limit. If the limit is exceeded, then the system will send out a warning
5、 using a buzzer and activate the temperature and humidity controlling equipment. Besides, the set limit can be modified with the independent keyboard. Through schematic design and Proteus simulation, the feasibility of this design has been proved.Keywords: STC89C52RC, SHT10, I2C bus, independent key
6、board, temperature and humidity control1 前言 12 总体方案设计 32.1 温湿度控制系统的设计指标要求 32.2 系统设计的原则 32.2.1 可靠性 32.2.2 性价比 32.3 方案比较 42.3.1 方案一 42.3.2 方案二 42.4 方案论证 52.5 方案选择 53 单元模块设计 63.1 各单元模块功能介绍及电路设计 63.1.1 单片机最小系统 63.1.2 液晶显示模块 83.1.3 温湿度传感器模块 83.1.4 报警电路的设计 93.1.5 输出电路设计 103.1.6 电源的设计 123.1.7 按键电路设计 133.1.
7、8 串口通信电路 143.2 元件清单 153.3 关键器件的介绍 173.3.1 STC89C52RC 173.3.2 SHT10温湿度传感器 194 系统软件设计 224.1 软件设计的总体结构 224.2 主要模块的设计流程框图 244.2.1 主程序流程图 244.2.2 SHT10子程序流程图 254.2.3 LCD1602子程序流程图 274.2.4 输出控制子程序流程图 284.2.5 键盘扫描子程序流程图 294.3 软件设计所用工具 314.3.1 Keil uVision4 314.3.2 Proteus 315 系统调试 325.1 用Proteus搭建仿真总图 325.
8、2 用Keil对程序进行调试、编译 336 结论 366.1 系统的功能 366.2 系统的指标参数 366.3 系统功能分析 367 总结与体会 388 致 399 参考文献 40附录1 系统的电路原理图 41附录2 系统仿真总图 42附录3 系统实物照片 43附录4 系统源程序 44附录5 英文参考资料 461 中文翻译 462 英文原文 491 前言温室大棚作为一种高效的农业生产方式，与传统农业生产方式相比具有很大的优点。温室农业生产可以获得高产和优质的蔬菜、花卉、瓜果，不仅可改变这些产品按自然季节供应的模式，延长其供应期，而且可在不同地方进行种植，达到所谓“地不分东西南北，食不分春夏秋
9、冬”。温室农业可以改变传统农业劳动力冬闲夏忙的安排，以小面积获得高产，减轻大面积的土地压力。温室农业采用适时适量供水的优化用水同时配以微灌和高湿环境，可达到农业用水高效高产，按产品的数量平均计算，节省水分量是很大的。这种设施系统可以从简易到全自动控制，适宜各种状况下的选择，特别是对于日光温室、塑料大棚，相对投资较少。若能降低成本、采用经久耐用的低成本采光材料，发展前景将更为广阔，即使在一些偏远地区的农村、场所，也可以修建单个的温室和塑料大棚，进行环境控制下的蔬菜和瓜果的生产，改变这些地区的生活条件。要想实现温室大棚高效增产的作用，对温湿度的准确控制是极其重要的。温室空气湿度的日变化受天气、加温
10、及通风换气量的影响，阴天或灌水后室空气湿度几乎都在90以上。晴天在傍晚关窗至次日早晨开窗前温室维持在高湿度。室湿气遇冷后凝结成水滴附着在薄膜或玻璃的表面上，待到加温或日出后，室温度上升，湿度逐渐下降，附着在屋顶上的水滴随之消失。温湿度的较大变化对农作物的生长十分不利，研究结果表明，由于植物体水分不足导致气孔关闭，首先妨碍了CO2的交换，而使饱和作用显著下降，特别是在缺水状况加剧时，给细胞原生质的生化作用带来影响，光合作用显著下降。而温度在夜间下降过低也会影响光合作用的效率。因此，非常有必要使用一套温湿度控制系统，以维持温室大棚的温度、湿度在一个合适的围，实现大棚农作物的水分、养分的有效供给，提
11、高光合作用的效率，从而达到增产目的。传统的温湿度控制是在温室大棚部悬挂温、湿度计，通过读取温、湿度值进而了解实际的温度和湿度，然后根据现检测的温湿度与额定值进行比较，看温湿度是否超过限定值，然后进行相应的通风或者相应的洒水。这些操作都是人工的，耗费了大量的人力以及物力。现在，随着国家经济的迅速发展，农业产业规模的进一步提高，大棚中培育出的农产品品种数量的逐渐增多，对于数量较多而又大型的大棚，传统的温湿度控制措施就出现了局限性。这要求我们提高温湿度检测与控制技术，来满足对温室大棚建设的需要。在本设计中，采用单片机来控制温湿度，不仅具有廉价、配置简单和灵活的优势，而且可以大大提高所测温湿度的技术指
12、标，从而可以提高产品的数量和质量。单片机因为它具有功能强、高可靠性、体积小、造价便宜和开发周期短这些优势，广泛用于自动化测量和控制现场设备，特别是在日常生活中发挥的日益重要的作用。这次选用STC89C52RC作为主控制器，可以从按键电路输入设定的温湿度，通过温湿度传感器SHT10对温度、湿度信号进行采集，然后通过I2C总线与单片机通信，并将温湿度显示在液晶屏LCD1602上，单片机把它们与设定的值进行对比后决定是否报警，并启动空调设备对温湿度进行调节。 2 总体方案设计2.1 温湿度控制系统的设计指标要求本文要设计的大棚温湿度自动控制系统，要能够及时、准确地对温室大棚的温度、湿度进行采集，将其
13、显示在LCD1602液晶显示器上，然后与设定的上下限值进行比较，如果超出限制则启动温度、湿度控制设备，并通过蜂鸣器报警，直到温湿度回到规定的围。另外，还要能够通过按键修改设定的上下限。为了能够满足农业生产的需要，此次设计要达到一下指标：（1）工作环境：温室大棚；（2）温度测量误差：1；（3）测温围：0+55；（4）湿度测量误差：5%RH；（5）测湿围：0100%RH；（6）通过键盘电路修改上下限：有；（6）温湿度报警：有；2.2 系统设计的原则2.2.1 可靠性可靠性是在设计过程中应该优先考虑的一个因素，一个控制系统必须要能稳定、可靠地工作，才能投入到生产实践中去。如果系统的可靠性不能达标，那
14、么系统出现故障的可能就会增大，造成很大的损失。这种损失不仅包括经济上和信誉上的损失，而且可能会对人身安全产生威胁。要提高控制系统的可靠性，那么就要注意以下几个方面：选用的元器件要有很高的可靠性；由于供电电源很容易产生干扰，所以应该对其采用抗干扰措施；对输入输出通道也一样，要采用抗干扰措施；在对电路板的设计时，要合理的布线和接地；软硬件都要进行滤波；系统要有自己诊断功能等。2.2.2 性价比性价比也是一个系统设计中所要考虑的重要因素。性价比高的产品更容易被消费者接收，但是设计过程中不能盲目地追求性价比，它应该建立在对产品性能要求的基础上，首先要满足性能要求，然后再设法降低产品成本。2.3 方案比
15、较2.3.1 方案一采用PLC作为主控制器。使用PLC的最大优点在于PLC使用梯形图进行编程，编程语言形象直观，难度较低，因此开发周期短，便于扩展。而且PLC抗干扰能力强，工作稳定可靠，这一点已被长期的工业控制实践所证明。 图2.1 用PLC作为主控制器的控制系统2.3.2 方案二使用单片机进行控制。采用STC89C52RC单片机作为主控制器，可以用C语言进行编程，由于它支持ISP在线编程，因此可以通过RS232串口将程序烧录到单片机中，很方便。温湿度传感器SHT10通过I2C总线与单片机连接。图2.2 用单片机作为主控制器的控制系统2.4 方案论证从功能上看，两种控制器都能满足要求。PLC在
16、工业控制领域用得比较多，编程简单，而且抗干扰能力强。但是本系统是用于温室大棚，并没有其他大型工业设备的干扰。单片机用C语言编程，相对PLC的梯形图要复杂得多，但是编程更为灵活，可以实现复杂的功能。从价格方面上看，单片机就比PLC具有很大的优势。一个单片机只要几块钱，而一个很一般的PLC一般也要几百上千元。另外，中国是农业大国，随着温室大棚越来越普及，农村对温湿度控制系统的需求也会越来越旺盛，因此虽然用单片机开发的周期较长，但是一旦完成开发，后期生产环节的边际成本很小；而基于PLC的控制系统受制于PLC的高昂价格，价格难以降低。2.5 方案选择PLC和单片机都能作为主控制器进行设计，但是在价格方
17、面单片机具有巨大优势。综上所述，本次设计采用单片机作为主控制器。 3 单元模块设计3.1 各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1 单片机最小系统 图3.1 单片机最小系统单片机最小系统包括单片机、电源电路、时钟电路和复位电路。时钟电路用于产生单片机工作时候所必须的时钟信号，单片机在时钟信号的节拍下逐条地执行指令。单片机有两种时钟信号产生方式，一种是部时钟方式，另一种是外部时钟方式。外部时钟方式是把已有的时钟信号从XTAL1或XTAL2送入单片，一般用于有多个单片机的情况，所以本设计中时钟电路采用部时钟方式，选用12M的晶振和两个30pF的电容与片的高增益反相放大器构成一个自激振荡器。电源电路后
18、面的模块中会单独提到，用5V的直流电源。下面着重论述一下复位电路。图3.2 上电+手动复位电路单片机的复位主要有上电复位和手动复位，之所以要进行复位，目的就是为了让单片机进入初始状态，比如让PC指向0000H，这样单片机才能从头运行程序。因此上电的时候就要让单片机复位一次；在运行过程中，如果程序出错，也需要进行手动复位。 本设计中的复位电路就是上电+手动复位电路，复位时要让STC89C52RC的RST引脚得到2个机器周期以上的高电平。先说说上电复位的工作原理，当单片机上电时，电源+5V的Vcc通过10K的电阻对10uF的电容进行充电。刚上电时，有较大的电流从Vcc经电容、电阻流向GND，由于电
19、容两端的电压不可突变，因此仍然为0V，于是电阻的两端分得5V的电压，即RST引脚此时的电势为5V。随着充电的继续进行，电流会逐渐减小，电阻两端的电压UR=IR也逐渐减小，即RST引脚的电势逐渐减小。过了一定时间，RST引脚两端的电压下降到不再是高电平，只要这个充电的时间大于单片机两个机器周期，就能使单片机复位。程序运行过程中如果跑飞了、程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，就需要用到手动复位。手动复位就是在上电复位电路的电容两边并联一个微动开关，需要手动复位时将其按下，使之接通，RST获得高电平，而且人按动按钮的时间肯定是超过两个机器周期的，于是单片机复位。3.1.2 液晶显示模块测量到
20、的温湿度值将显示到液晶屏LCD1602上，它可以显示2行，每行16个字符。LCD1602共有三个存储器，它们是CGROM、CGRAM和DDRAM。CGROM用来保存LCD1602部固化的一些字符的字模，比如英文的26个字母的大小写；CGRAM用来保存用户自己取的字模，比如，如果要显示汉字，就必须自己去汉字字模，在这里我们都用英语字母，故不用CGRAM；DDRAM用来存储要显示的字符的字模，它和屏幕上的位置是对应的，第一行为00H到0FH，第二行为40H到4FH。在这里需要注意的是，在向LCD1602写入显示数据存储器地址时，根据控制指令的格式，最高位D7为1，所以写入的数据为，第一行80H到8
21、FH，第二行C0H到CFH。它与单片机的接口电路如下图所示： 图3.3 LCD1602与单片机的接口电路 3.1.3 温湿度传感器模块温湿度传感器选用瑞士Sensirion公司生产的SHT10。SHT1X系列共有三个型号：SHT10、SHT11、SHT15，他们都是SMD贴片封装的，他们依次性能越来越好，其中SHT10属于经济型的温湿度传感器。三者的温湿度性能如下图所示。图3.4 SHT1X系列各型号传感器的湿度、温度最大误差从曲线中可以看出，无论是湿度还是温度，SHT10的误差都是最大的，SHT15误差最小，但是它们的价格也相差很大，SHT10多为二三十元一个，而SHT15价格上百。因此，从
22、满足大棚温湿度监测的要求来看，SHT10已经足够，故选用SHT10。SHT10与单片机的接口电路如下所示：图3.5 SHT10与单片机的接口电路SHT10采用类似于I2C的两线制串行总线，一根是时钟线，一根是数据线。数据线要通过一个上拉电阻接到VCC，目的是避免信号冲突，使单片机的引脚只提供低电平，要得到高电平则使该引脚悬空，由上拉电阻提供高电平。3.1.4 报警电路的设计当大棚的温湿度超过上下限时，除了需要启动温湿度调节器之外，还需要进行报警，这里用到的是蜂鸣器。蜂鸣器为一种采用一体化结构的电子器件， 采用了直流电压来供电，广泛的应用到了计算机、报警器、复印机、电子玩具、机、汽车电子设备、定
23、时器等电子产品之中用作发声器。蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。有源蜂鸣器由于部集成了振荡源，所以使用直流电压就可以驱动它鸣叫；无源蜂鸣器部没有振荡源，因此一般使用2K5K方波来驱动。本设计中使用的是有源蜂鸣器，在它两端加载5V的直流电压就可以使之鸣叫。报警电路设计如下图： 图3.6 报警电路图蜂鸣器工作电流一般为10mA，而单片机的I/O口只能承受几毫安的电流，因此需要加三极管进行驱动。如上图所示，单片机的I/O口中的P1.6接PNP型三极管的基极，当P1.6为低电平时，三极管导通，5V的电压加载到蜂鸣器两端，于是蜂鸣器鸣叫；当P1.6高电平时，三极管截至，蜂鸣器不鸣叫。3.1.5 输出电路
24、设计当温湿度超出限定值后，单片机将输出控制信号，启动加热、制冷、加湿、除湿设备。弱电控制强电，首先要用到继电器来控制这些大功率的设备，而且为了进一步加强弱电和强电的电气隔离，减少强电设备对单片机控制系统的干扰，需要在前一级加光耦进行隔离。光耦的驱动能力有限，一般电流只能达到30mA左右，不足以驱动继电器，因此再加一个三极管放大电流。原理如图3.7所示：图3.7 控制电路输出电路有四组，每一组由一个光耦、一个三极管、一个继电器组成。这四组输出电路分别控制加湿、除湿、加热、制冷的设备。光耦选用TLP521-4，它是Toshiba公司生产的四路光耦，由单片机直接驱动。51单片机P0口所能承受的灌电流
25、最大，可以达到26mA。输出系统中的继电器最多同时有两个工作，控制温度的一个，控制湿度的一个。如果设置光耦的发光二极管的电流为10mA，那么两个发光二极管同时导通时单片机的灌电流为20mA，小于26mA，符合要求。所以把P0口的引脚接到光耦TLP521-4输入测的发光二极管阴极。继电器选用5V的，驱动继电器需要大约100mA的电流，也就是说驱动继电器的三极管的集电极电流为Ic=100mA。三极管选用直流放大系数为100的9013，根据Ic=Ib，可计算得三极管基极电流Ib=1mA，而Vbe=0.7V，又由于光耦中的光电三极管的集电极、发射极饱和压降Vces=0.3V，所以基极的限流电阻上的压降
26、为（5-Vces-Vbe)=4V，4V/0.001A=4K，由于没有标称值为4K的电阻，所以选择4.7K的。还应该注意到的一点是，光耦有一个参数叫电流传输比（CTR），CTR=Io/IF，及输出端电流的最大值比上输入端的电流，体现了光耦输出电流的能力。如果输入端的电流为20mA，电流传输比为50%的话，那么输入端电流Io最大只能为10mA。在这里，TLP521-4的电流传输比为50%，输出端我们刚才算出的电流Io=Ib=1mA，所以输入端电流IF最小为2mA，由于电流很小时光耦处于死区，因此要选大点，这里选择IF=10mA。于是，光耦输入端阳极上的限流电阻为R=(5V-0.7V)/0.01A=
27、430，这里选择标称值为470的电阻。此外，这里用的继电器是普通的电磁继电器。通过对电磁继电器和固态继电器进行比较，虽然固态继电器具有无触电、动作速度快、使用寿命长等特点，但是本设计中的继电器只在温湿度超过限定值时才动作，动作频率低，而且固态继电器的价格比电磁继电器高得多，所以综合考虑选择电磁继电器SRD一05VDC一SL-C。3.1.6 电源的设计图3.8 电源电路电源电路是整个系统中非常重要的一部分，本设计中主要用到直流5V电源。要得到5V的直流电源，要经过降压、整流、滤波、稳压四个环节。由于最后的稳压环节，LM7805要得到5V的直流输出，输入与输出要有一定的压差，根据LM7805的数据
28、手册，需要有10V的输入，因此在降压环节把220V的电压降为10V。然后用桥式整流电路把交流电整流为直流电，此时的直流电只是方向不变，但仍按正弦方式变化，是脉动的直流电。因此需要滤波电路将纹波滤掉。C8和C2都用来滤波，但是作用是不一样的。C8是大电容，用电解电容，它的作用是低频滤波，通过充电放电，从而削峰填谷，使电压的脉动成分减少，电压基本保持稳定。而C2是小电容，所以对于高频信号容抗很小，相当于短路，从而滤掉高频信号。需要注意的是，470uF的大电容可以滤低频，为什么不能滤高频，还要单独加一个0.33uF的小电容来滤高频？从理论上来说大电容应该高频、低频都可以，但是由于制造工艺的原因，电解
29、电容的容值做得很大时，它就不再是一个单纯的电容了，它等效于一个电容串联一个电感。在频率较低时，电感L=jwl较小，可以忽略不计，但是当频率很高时，感抗就很大，相当于断路，所以此时这个470uF的大电容不能滤掉高频信号，必须单独加一个小电容。小电容容值小，因此就不存在感抗的问题。滤波完以后，电压的脉动成分已经下降了很多，但是仍有起伏，所以最后还需加上一个三端集成稳压器，这里选用LM7805，它能将电压稳定在5V。并联在LM7805两端的二极管起保护作用，避免在短路等情况下LM7805输出端的电压比输入端高，从而烧坏LM7805。三端集成稳压器后面又接了一大一小两个电容，再次进行滤波，使电压更稳定
30、。3.1.7 按键电路设计 图3.9 按键电路图键盘分为编码式和非编码式键盘。其中，非编码式键盘又包括矩阵式键盘和独立式键盘。矩阵式键盘较为复杂，一般用于按键数目较多，而单片机可用的I/O口又比较有限时。本控制系统中只需要用到5个按键，数目较少，并且可用的I/O口充足，故采用独立式键盘，一个按键对应一个单片机的I/O口管脚。本设计中总共用到5个按键式开关，他们用来改变设定的温湿度上下限数值。从S0到S4，分别控制进入温度上下限设置、进入湿度上下限设置、数值加、数值减、确认并退出。本设计中的键盘是低电平有效。未按键时，上拉电阻保证了单片机的I/O口是确定的高电平；当某个键按下时，I/O口变为低电
31、平。3.1.8 串口通信电路串口通信可分为同步通信和异步通信，在单片机的应用系统中，主要是采用异步串行通信。在设计通信接口时，应该采用标准接口，这样才能够方便而又准确的把单片机和外设有机的连接起来，从而能形成一个测控系统，目前异步串口通信标准有RS一232、RS一422、RS一485标准。其中，RS一232是PC机与通信工业中使用最早的一种串行接口标准。在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。要让单片机和PC机通过串口进行通信，需要进行电平转换，因为尽管单片机有串行通信的功能，但单片机提供的TTL电平和RS232的电平不一样。TTL电平中，电压小于0.8V为低电平，高于2.4V为高电平；
32、而RS232电平是负逻辑电平，电压在-3V-15V时为高电平，电压在3V15V时为低电平，因此要通过MAX232这种电平转换芯片进行转换。MAX232是MAXIM公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V电源供电。适用于终端设备和数据通信设备间的接口，对于双向通信，只需要使用串行输入RXD（引脚2），串行输出TXD（引脚3）和地线GND（引脚5）。其电路连接如图3.10所示；图3.10 串口通信电路MAX232芯片部有一个电源电压变换器，能够把输入的+5V电压变换为RS232输出电平所需的+10V 电压，采用此芯片接口的串行通信系统值需要接+5V电压即可。MAX232芯片中有两组电
