1、基于单片机的温室温湿度控制系统的毕业设计基于单片机的温室温湿度控制系统的毕业设计第一章 绪论1.1课题研究的背景温湿度与人类的生活发展密不可分。我国是个农业大国，农产品贸易在我们经济发展中占了举足轻重的位置。在我国，特别是近些年来我们的农产品出口量一直保持着增长的趋势。随着世界贸易的展开，国际竞争越来越激烈，在如此的一个国际化大趋势下，我国农业产品的发展必须通过提高本国农业产品的数量、质量以及我国政府各方面政策的支持等战略来减少贸易壁垒。蔬菜、水果，水产品等的生长需要一个适宜的生长环境，这样才能保证有更大的产量和更好的质量。而这样的一个适合的环境，温度和湿度是两个非常重要的指标。同时温湿度也是
2、我国工业生产实践中很关键的工艺参数。例如电子、机械、计算机、石油、化工、生物医学等都需要一个严格的温湿度控制。并且改革开放以来，我们的生活水平不断提高，人们对生存环境的要求也愈加苛刻。我们都想要一个更加适宜更加舒适的环境。无疑温湿度也就成为了我们关注的重要方面。另外，伴随着科学技术的迅速成长，形形色色的高性能、低功耗设备愈来愈多，各个行业对温湿度检测的要求标准也愈来愈高。传统的温湿度检测是以人为核心的。测量繁琐复杂，操作起来极不方便，费时费力。现在我国各地建立了许多新型的温室大棚，种植各种反季节蔬菜、水果、花卉，用来满足人们日益对生活的高追求、高标准。其实不光是温室内的农产品，也包括养殖业，都
3、对温湿度有着越来越高的要求。在养殖场里我们可以看到各种牲畜都需要有个舒适安逸的环境才能长得更快。研究温室内温湿度的控制系统，为温室提供一个更好的温湿度，保证一个良好的环境，这样可以有更多的温室农产品、牲畜供我们使用，使得我们的生活质量越来越高。本次设计就是针对温室内的温湿度进行一个智能控制。1.2课题的国内外概况1.2.1温度系统的国内外概况（1）国内温度控制系统的研究和发达国家相比，我们对温度控制技术的研究是比较晚的。我们在认真学习了西方发达国家的温度控制技术之后，我国科学技术人员不断地努力进取，多次研究试验，才慢慢掌握了微机控制技术。但是这项技术我国也并不是完全性的了解和掌握。我们的技术只
4、是局限在对温度这个环境因子的控制上。根据控制目标的不一样，温度控制技术分为下面两种：一、 动态温度跟踪二、 恒温温度控制当今世界，常用来控制温度的一般是智能调节器。这类调节器在市场上非常多。国外的调节器分辨率和精度都很高，价格昂贵。国内的调节器虽然价格比较低，但是精度和分辨率远远不如国外的，落后很多。所以我们只有在对温度要求不是很高的情况下使用国内的调节器才能取得比较理想的效果。从技术上来看，以单片机为核心又分为：一、单参数单回路系统二、多参数综合控制系统第二类系统在实际生产中并没有真正的实现，生产实际中有很多问题没有解决。未来还需要我们不断地努力，争取早日实现多参数综合控制系统的设计。与此同
5、时，中国的温度测量控制水平还很低，远远达不到实际生产实践中的工厂化水平。尽管中国在温度控制水平上和欧美国家相差很大。但是近几年来我国的温度控制技术发展还不错，正在呈现逐步上升的趋势。（2）国外温度系统的研究国外对温度控制技术的研究相对较早。在上个世纪70年代，国外首先采用了模拟式的组合仪表，用来采集现场信息并进行显示、记录和控制。80年代末又出现了分布式控制系统。如今国际上正在开发和研制计算机数据采集控制系统的多参数综合控制系统。当今世界，各国的温度测控技术发展日益增快，尤其是欧美发达国家，他们正在实现自动化的基础上逐步走向完全自动化、无人化。当今世界，国际上已研究出各种数字温度传感器一系列产
6、品。智能温度传感器是在自动测试技术、微电子技术、计算机技术这三大技术的前提下逐步研制出来的。数字温度传感器是由下面几部分构成的，分别为A/D转换器存储器（或寄存器）信号处理器温度传感器接口电路1.2.2湿度控制的国内外概况（1）国内湿度控制系统的研究自从中国加入WTO（世界贸易组织）以后，国内生产的商品遭遇了越来越大的挑战。各行各业特别是科学技术领域都迫切需要自动控制技术、应用电子技术进行更多更好的改造和提升。温度和湿度是环境因素中的两大重要因素。在农业领域，严格地控制温度和湿度可以有效地提高植物的产量和质量，给我们带来更高质量的生活。但是过去我们对温度和湿度的测量方法太落后，无法满足对温湿度
7、的很好的智能控制。在食品行业，也是差不多都是凭经验，靠感觉。一般很少有人使用精度极高的湿度传感器。如今海内市场出现了越来越多的湿度传感器，我们最常见到的就是电容式湿敏元件了。作为一名学电子的学生，我们都知道，很多元器件以及仪器仪表的使用都需要一个严格的环境。比如温度、湿度等。不同的环境给我们带来的测量结果也是不一样的。所以在测量湿度的时候也是一样的。绝大多数的湿敏元件只有在一个合适的温湿度环境下才能正常工作。对于特殊环境下的测试，国内包括许多国外的各种湿度传感器都很难做到精确的测量。（2）国外湿度控制系统的研究。湿度测量及湿度传感器产品属于90年代后才兴起的行业。湿度传感器主要有电阻式和电容式
8、这两种。近些年来，国内外在湿度传感器的研发领域取得了很大的进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件走向智能化、集成化和多参数检测。国内外存在的湿度传感器产品质量相差很大，水平不一，价格也是相差甚远。对于湿度测量最主要的是湿敏电容技术，但是这项技术在国内还不是很成熟，大部分都是来自国外的。1.3课题研究的意义单片机是用于控制的一个常见芯片，它也是一个小型的计算机。单片机有很多的优点，比如它体积很小，有着很高的可靠性、很强的功能、我们用起来很灵活方便。单片机的使用给人们带来了巨大的方便，使人们的生活更加美好、多姿多彩。在整个控制系统中，单片机是我们控制的核心。单片机操作起来简单，价格较低，非常适合做一些
9、设计使用。我们这个系统主要用来采集温室内的温湿度信息，及时的反映出温湿度的变化，以便及时的对温室内的温湿度做出调整，保证一个良好的温湿度环境。在超过温度上下限范围时通过多种控制方式来实现温度的上升或者下降，从而保证在一定范围内的温度。对于湿度的控制也是同样的道理。将系统应用到温室中来控制温室内的一个温湿度，无疑为温室内植被生长提供了更加适宜的温湿度环境。有些植被必须在某些特定环境下才可以生长的很好，这样的情况下安装温湿度装置对其进行监控就是非常有必要的。像温室大棚种植蔬菜、水果、花卉等，我们能够用单片机来实现对温室的一个控制，显而易见会给我们带来很大的一个方便。我们设计的这个系统可以及时、精确
10、地反映温室内的温度以及湿度的变化，保证温室内温湿度的控制要求。温室温湿监控制系统的设计是一个对实际生产生活非常实用，可行性很高的一个设计，对学生在单片机知识的运用上也是非常好的锻炼课题。1.4课题研究的主要内容本课题的核心在于我们对温室内温湿度控制，为温室提供一个适宜的温湿度环境。在此设计中我们选择了STC89系列的单片机。温湿度的采集是这个设计中很重要的模块，我们要选择合适的传感器来采集信息，再将采集到的温湿度信息及时有效地传送给单片机，然后单片机处理数据后发送到到液晶显示屏。如果温室内当前的温度和湿度值超过我们设定的极限值时，蜂鸣器会报警。与此同时单片机控制继电器工作，实现继电器的开关闭合
11、，从而控制空调设备的启动以来升高（或降低）温度。对于湿度的控制，也是如此。通过这样一个温室大棚温湿度控制系统，确保适当的温度和湿度环境。本课题的设计要求是：（1）非常人性化的设计。当系统上电后，我们可以通过矩阵键盘设置我们所需要的温湿度限值范围，用来控制温室内的温湿度保持在一定的合适范围内。（2）在12864液晶显示屏上，我们可以看到当前的温度和湿度数据。而且这些数据的更新要及时，可以比较准确地反映出温室内当前的值。（3）系统不仅可以显示出来温室内的温湿度当前值。同时，当温湿度值不在我们预先设置的范围内时，系统也应该自动做出调整，以实现我们系统的一个智能化。具体操作就是系统会根据我们最初设置的
12、温湿度限值来判断是否要启动报警装置以及继电器是否工作以便采取有效方案进行调整温室内的温湿度。（4）在这个设计中，我们加了一个时钟的功能。可以显示时间和年月日。一来方便工作人员及时的得到时间的一个信息。二来也可以很好的知道不同季节或不同时间段应该要有不同的一个温湿度控制要求。1.5课题研究的实现原理本课题最重要的就是温湿度采集模块以及如何将温湿度的信息显示出来。在本文中，我们选择了STC89C52单片机。在之前的学习中我们知道STC单片机对工作环境的要求比较低，但是执行指令的速度却非常快。在传感器模块中，我们选择的是DHT11智能温湿度传感器。该传感器能够同时采集温度和湿度的当前值，它告别了过去
13、要同时控制温度传感器和湿度传感器两个传感器的测量，集两个传感器于一身，实现对温湿度的同时测量。这样可以使我们的系统更加方便、简洁。这样我们的温湿度采集模块就完成了。采集好的数据要传送给单片机主控模块。在多次衡量后，我们最终还是选择了我们最为熟悉的STC89C52单片机。在温湿度控制模块，我们选择了DHT11这个数字温湿度传感器来采集温室内的温湿度信息，然后将采集到的温湿度信息传送给单片机进行处理，然后再交给12864液晶显示屏。这样我们就看到了当前的一个温湿度值。显示模块也就成功完成了。对于报警模块蜂鸣器无疑成为我们的最佳选择。当系统工作时，我们首先要设置温湿度的限值（一个上限值，一个下限值）
14、。当温室内的当前温湿度值超越我们的限制范围时，蜂鸣器会报警。在这个系统中无论是温度还是湿度超过我们所需要的界限值时，蜂鸣器发出的声音是一样的。我们是通过控制部分的指示灯报警方式来显示出温度还是湿度的一个报警，以加以区别。控制模块我们选择的是用继电器来实现我们所要达到的一个控制。当温湿度出现异常时，继电器工作。我们都知道继电器其实就是个开关的作用。当不同的情况下，不同继电器工作，实现开关的一个闭合。从而控制我们的空调或者其他设备工作，用来控制温湿度的一个及时调整。在这里我们用的是几个不同颜色的LED灯来代表不同的行为，以便有效地调整温室内的温湿度，从而实现了简单控制。 大体来说我们的硬件电路还算
15、相对简单。我们在这个系统中多加了一个功能就是时钟的功能。通过DS1302来显示一下当前时间和年月日。相当于一个万年历，也是对这个系统的一个完善。给温室内工作人员一个提示和对温湿度控制的一个完善。工作人员可以及时的知道不同时间段内温湿度的一个变化情况。 第二章 系统总体方案设计天津工业大学毕业设计（论文）2.1功能要求关于我们的课题“基于单片机的温室温湿度控制系统”具体要求如下: （1）采用适合的主控芯片单片机、传感器以及液晶显示屏等。（2）系统要实现以下功能：单片机接收来自传感器的数据进行处理和分析，把得到的温度和湿度值通过液晶显示屏显示出来，完成温湿度数据显示；（3）温湿度的限值是可以通过电
16、路板上的矩阵键盘来进行设置和修改，以便随时做出调整。（4）当温湿度不合适的时候应发出报警信息；（5）根据系统分析的不同结果，对温室内的温湿度进行控制。在本课题中也就是进行升温、降温、加湿、去干的一个操作。（6）系统的一个完善改进，即加入时钟芯片，可实现时间的一个显示。方便工作人员对时间的一个把握以及系统本身功能的一个完善。2.2设计思路对于本课题的设计，我们的硬件电路组成部分如下：（1）单片机主控模块（2）温湿度控制模块（3）液晶显示模块（4）矩阵键盘模块（5）报警模块（6）继电器控制模块（7）时钟模块要想完成温室内的温湿度自动控制，首先必须要有搜集温湿度信息的模块。综合考虑各方面的要素，我们
17、选取DHT11来作为这个模块的芯片。它是个数字温湿度传感器。将DHT11采集到的温湿度信息传送给主控模块，在这个课题中我们将单片机作为我们的主控模块。然后单片机将来自传感器的温湿度信息进行分析和处理，最终通过12864这个液晶显示屏显示出来。LCD12864液晶显示屏能够显示4行的汉字，为了增加我们系统的一个功能，我们又加了个时钟芯片DS1302。DS1302用来显示当前的一个时间和年月日。对于温室里的一个液晶显示器来说，这样子信息更加充足，人们能够得到更多的相关信息，以便更好地控制温湿度。当温湿度发生异常的时候我们就要及时的采取措施来改善当前的这么一个温湿度状态。但是在我们的这个课题中不可能
18、买个空调或者加湿器等，也没必要。所以在这个系统中我们用几个不同颜色LED灯来表示不同的功能行为，如升温、降温、加湿、去干等。如何来控制这些动作的发生呢。在这个设计中我们选用继电器来实现这个功能。如果温室内的当前温度或者湿度超过我们最初设置的这个温湿度限值时，我们通过编程来控制不同的继电器去工作，然后不同的电路导通，使得不同颜色LED灯亮。在这里的不同颜色灯代表了不同的行为解决方案。不同情况下，蜂鸣器都会响，然后不同的灯亮。温湿度在这正常的范围内时，白色LED灯是始终保持亮的。而那些温湿度的范围以及如何控制继电器、蜂鸣器等的工作都通过软件编程来实现。2.3方案选择不同模块的功能不同，而且每个模块
19、都很多不同的实现方法。但是我们在实际运用中，要选择最优的方案来进行我们的课题设计。在方案的选择中，不仅仅要实现方案的高要求、高标准，也要考虑方案的可行性，对环境的要求以及方案中元器件在市场的价格，要综合各种因素选择最佳的那个方案，实现高性价比并且经济可行。2.3.1传感器选择方案（1）方案一：选择温湿度传感器SHT10或者温湿度传感器SHT11 作为温度检测模块。在这里我们用SHT11来说明。SHT11数字温湿度传感器是一体化的。它是由瑞士研制的。它的核心部件采用的是湿敏电容，所以精度和稳定性都很高。虽然性能很高，但是价格要远远高于DHT11的价格。SHT11的一些参数：温度测量标准：-40+
20、123.8； 湿度测量标准：0100%RH； 温度测量精度： 0.4 湿度测量精度：3.0%RH（2）方案二：选择DHT11作为温湿度检测模块的传感器。DHT11是我国生产的。它是一款集成型的传感器。当然它也是个数字温湿度传感器。它采用了湿敏电阻这个核心部件，湿敏电阻的稳定性不好，但是成本很低。所以DHT11的价格相对较低。在我们这个设计中对温湿度要求不是很高，所以可以采用这个传感器作为采集温湿度的元件。DHT11的一些参数：温度测量标准： 050湿度测量标准：20%相对湿度90%相对湿度，温度测量精度：2 湿度测量精度：5%RH经上述分析，方案一虽然精度更精确、稳定性更好，但是价格极高，在此
21、课题设计中不是很经济。方案二虽然没有方案一可以实现那么高精度高稳定性的一个测量。但是它也能实现我们所需要的功能，满足设计要求，且简便易行，价格相对较好。具有非常好的的性价比，经济实用性很高所以故选择方案二即用DHT11作为温湿度采集模块的传感器。2.3.2显示器选择方案 （a） （b）图2-1 LCD12864与LCD1602液晶显示屏实物图（1）方案一：选择LCD12864液晶。LCD12864液晶显示屏的构成是：1）行驱动器；2）列驱动器；3）128*64全点阵液晶显示器。它是一个点阵型的液晶，屏幕为4行。LCD1602仅仅可以显示数字和字符，不能显示中文汉字。和它相比，LCD12864可
22、以实现32（8*4）个汉字、字符、数字、图形显示，唯一的缺点就是价格相对来说比较贵。（2）方案二：选择LCD1602液晶。LCD1602是一个字符型的液晶。它的屏幕有2行。只能现实数字和字符，不能显示汉字。和方案一相比价格相对便宜。综上述分析，我们这个系统的显示模块最终就选择了LCD12864液晶显示屏。这是因为LCD12864液晶显示屏不仅可以显示字符、数字，还可以显示汉字、图形。而且和LCD1602相比，它可以显示的字符更多，更美观。在我们的这个课设中，加入了时钟的功能。考虑到LCD12864液晶显示屏可以显示更多的信息，于是我们就在这个课题设计中选择了它。2.3.3单片机主芯片选择方案单
23、片机（Single-Chip-Microcomputer）又称为单片微型计算机、微控制器。它的结构特点是在一个半导体芯片上将微型计算机的的基本功能部件如中央处理器(Central Processing Unit,CPU)、存储器（随机存取存储器Random Access Memory,RAM和只读存储器Read Only Memory,ROM）、输入接口电路（Input）、输出接口电路（Output）、定时/计算器及终端系统等集成起来，构成一个小而完善的微型计算机。在本课题设计的温湿度测控系统中，我们采用的是主控芯片是STC系列的单片机。我们之所以选择STC系列的单片机，主要是因为它的独特之处
24、，它的功耗比较低，并且有着很强的抗干扰能力，而且它与MCS-51系列单片机是完全兼容的。除此之外它内置有 MAX810 专用复位电路，而且能够进行远距离升级,也有廉价，基于这种种的优点，我们选择我们最常用的STC 系列单片机来作为我们课题所用的芯片。2.4系统总体设计组成及框图系统主要是由一下几个模块组成的（1）矩阵键盘：用来设置温湿度的上下限制。（2）电平转换模块：方便电脑与系统的连接，以便能够顺利下载程序。（3）电源模块：可以通过USB来给电源供电。（4）液晶显示模块：用来显示温湿度实时信息以及当前的时间，日历。（5）温湿度采集模块：用来搜集当前的温湿度即时信息，然后将其传送给单片机。（6
25、）蜂鸣器报警模块：当异常发生时发生警报声，以提醒工作人员。（7）继电器控制模块：用来控制空调等设备的工作好好保持温室内的一个适宜的温湿度。（8）时钟模块：提供时间和年月日。（9）单片机主控模块：系统的核心，用来分析来自各个模块的信息。其系统原理图如下图所示：图2-2 系统总体设计框图 2.5系统整体电路图图2-3 系统整体电路图DHT11是一个数字温湿度传感器。它是用于在温室温湿度信息采集。这个系统是以STC89C52单片机为核心的。它可以用来操作数据的处理。而LCD12864是用来呈现当前时间和温湿度信息的。继电器控制模块是用来调整温室内的温湿度变化的。在这里，考虑到实际情况，我们也不可能用
26、个制冷器、空调、加湿器，不太实际。所以我们选择用几个有色的LED来代表我们对温湿度的几种不同的控制行为。包括升温、降温、加湿、去干。第三章 系统硬件设计3.1概述我们的这次设计，主要是利用单片机来完成对温度和湿度的智能控制。硬件系统在整个系统的设计中是基础，也是软件设计的重要支撑和依据，根据上面的讨论，我们最终选择的是STC89C52这个单片机就可以满足我们对这个设计的全部要求。对于我们的硬件电路，我们可以分为几大模块。其中主控模块是整个系统设计的中心模块。STC89C52单片机是我们所用的主导芯片。它是用来控制整个系统的运行的，起到了核心领导的作用。然后我们通过I/O口将其他的各个功能模块连
27、接到单片机上，使它们成为一名完整的系统。下面分别对它们进行一个具体的介绍。3.2主控模块设计3.2.1 STC89C52芯片的简介图3-1 STC89C52单片机芯片实物图图3-2 STC89C52单片机芯片引脚图STC89C52单片机是由STC公司研制的。它是一个8位的CMOS微控制器。它所具有的特点是性能很好，功耗低，并且它具有8K的系统可编程闪存。在一个单芯片，STC89C52之所以可以为许多嵌入式控制应用系统提供高度灵活的、超有效的解决方案，是因为它的 8位CPU具有智能的在系统可编程闪存的功能。STC89C52的一些特点：1.512byte的RAM，其中内置RAM和外部RAM分别为一
28、半。除此之外，它还有8K字节的闪存，内置4KB的EEPROM ；21个外部中断，32位I / O线；3.EEPROM不是ROM，也不是RAM；4.最大工作频率35MHz时， 6T/12T可选；51个看门狗定时器，全双工串行口。3.2.2单片机最小系统原理图图3-3 STC89C52单片机最小系统如上图所示，我们知道，这是STC89C52单片机的一个最小系统。其中包括了复位电路（10uF电解电容电容,10K 电阻）、晶振电路、电源电路（5V稳压电源）.在焊接单片机最小系统的时候，我们会遇到各种各样的问题。小到电阻电容的选择，大到元器件与单片机的焊接，每个元件都需要我们慎重选择，认真焊接。不管是电
29、阻还是电容我们都要选择质量好的。我们现在大都选择电解电容.以前经常使用的是瓷片电容,发现它不太好用,存在很多的问题，有时候还会出现程序下载不进去的情况,所以现在我们经常使用电解电容。并且电平转换芯片最好使用国外的品牌。国内的芯片不是很好用，性能也不是很稳定，容易出问题。在这里我们选择了MAX232作为我们的电平转换芯片。这里我们介绍两个基本板块。即两个支撑单片机最小系统运行的基本板块：（1）晶振电路（又叫振荡电路） 图3-4 晶振电路模块晶振模块如图所示，它是由一个晶振和两个电容组成。晶振值为11.0592MHZ，电容值为30pf.在这个晶振电路中，改变晶振的值就相当于改变了单片机的一个振荡周
30、期。所以我们在焊接的时候可以选择用插针焊接，这样就可以把晶振插在插针上，当我们需要其他晶振时可以直接更换晶振，而不需要再变更电路了。（2）复位电路图3-5 复位电路模块如图所示为复位电路，它是由电容串联电阻构成。我们在很早以前就学过，电容两端的电压是不能突变的。当系统加电后，RST引脚将会变成是高电平状态，用来确定这个高电平将会持续多长时间的是RC的值。经典的的52单片机是在高电平保持两个机器周期后被复位的，也就是被重置了。所以RC值要适合，这样才可以保证一个可靠的复位。电容和电阻的取值是多种多样的，可根据不同振荡电路的不同要求来确定。在此，我们选择的晶振数值为11.0592MHz，这样我们可
31、以获得一个非常精确的波特率。在串口通信的场合是很方便的。3.3 DHT11传感器模块设计3.3.1 DHT11传感器简介图3-6 DHT11数字温湿度传感器实物图以及引脚图DHT11是一个复合式的数字传感器，它是温度传感器和湿度传感器的集合。它应用专用的模块采集技术和数字式温湿度传感器技术，用来确保其产品具有卓越的长期稳定性和高可靠性。它的封装方式是4针单排引脚，在电路板焊接中很方便。DHT11是一个单一的串行接口，它可以使系统集成变得非常简单而快速的。DHT11数字温湿度传感器的内部结构是怎么样的呢？它是由下面三个元件组成的。它们分别电阻元件为、NTC温度元件、8位微控制器。微控制器的性能很
32、高。DHT11的优点是：（1）尺寸小，功耗低；（2）反应速度极快，很强的抗干扰能力，高性价比；（3）信号传输距离远，高达20米以上；（4）品质优良，使其成为即使在更苛刻的应用场合也是一个最佳的选择；（5）DHT11是单线串行接口。3.3.2 DHT11传感器模块电路设计图3-7 DHT11温湿度控制模块电路图3.4 12864液晶显示模块设计3.4.1 12864液晶显示屏简介图3-8 LCD12864液晶显示屏实物图LCD12864液晶显示屏分为两种，带字符的和不带字符的。我们用的是带字符的这种。LCD12864是图形式的液晶显示仪。它有128*64的点阵模块，内部带有192个中文汉字、128个字符及16*16(256)点阵显示RAM。所以它比LCD16
