1、基于 51 单片机的温湿度控制系统的研究摘 要现代农业生产离不开环境控制，随着计算机自动化和单片机技术的不断发展，许多地方都实现了无人值守或智能控制。温度和湿度是日常生产中常见的被控参数，因此对温度和湿度的控制对工农业等日常生产的智能化及自动化相当重要。为此，我们引入了 89C51 系列单片机。本次设计的温湿度控制系统可利用单片机对所采集的温湿度数据进行实时检测与分 析，并作出及时判断，从而实现温湿度控制的智能化及自动化。其中温度数据的采集是由温度传感器 DS18B20 将采集的数据转化为数字量，然后被送入单片机中进行处理。湿度数据的采集是由湿度传感器 HS1101 完成的，然后经 A/D 转
2、换后，将数字量送入单片机进行数据处理。同时在设备出现故障的时候，语音报警电路和数字显示电路的组合，会更好地是值班人员了解当前的温湿度的具体数值，并提醒维护人员及时采取相应措施。本文共分为五部分，第一部分是引言，主要对选题背景、意义及国内外发展现状进行简单介绍。第二部分为系统总体方案的设计，主要通过对比集中方案来最终确定本次设计所下用的最佳方案。第三部分为主要单元电路的介绍，有温度测控电路、湿度测控电路、数显电路、报警电路、51 单片机的外围电路等。第四部分为主要元器件的介绍，有温度传感器 DS18B20、湿度传感器 HS1101、51 单片机。第五部分为总结，是对本文的高度概括。关键字: 温度
3、，湿度，智能化IIIAbstractThere is no modern agricultural production without environment control,with the rapid development of computer automation and single chip microcomputer technology,many places have realized unattended or intelligent control.Temperature and humidity are common in daily production was
4、accused of parameters,so to control the temperature and humidity is vital to the automation of industry,agricultural and other daily production.That s why we introduce the 51 single chip microcomputer.The design of the temperature and humidity control system can use single chip microcomputer to have
5、 a real-time detection and analysis on the temperature and humidity data,and then make a in-time judgment ,so as to realize the intelligent and automatic control on the temperature and humidity.Temperature data collected by the temperature sensor DS18B20 transformdataintodigitalquantity,andthenbepro
6、cessedintothesinglechip microcomputer.Humidity data collection was done by HS1101 humidity sensor,then after A/D conversion,the digital quantity into single-chip microcomputer for data processing.At the time of equipment malfunction,the combination of voice alarm circuit and digital display circuit
7、will make it easier for relevant people to check the current temperature and humidity data and remind the maintenance personnel to take corresponding measures in time.The article is divided into five parts,the first and fore is the introduction,mainly to the selected topic background ,significance a
8、nd the brief introduction to the current situation of the development of both at home and broad.The second part of overall scheme of the system design.This design mainly by comparing the concentrated solution to finalized with the best solution.The third part of the main unit circuit is introduced,i
9、ncluding temperature measurement and control circuit,humidity measurement and control circuit,digital display circuit,alarm circuit and the periphery of the 51 single-chip microcomputer circuit,etc.The fourth part to be introduced is the main component,including temperature sensor DS18B20,humidity s
10、ensor HS1101,51 single-chip microcomputer,etc.The five part is summary,it is highly generalization of this article.Keywords:temperature, humidity, intelligence目 录摘 要IAbstractI.I1 绪论11.1 课题背景11.2 选题意义11.3 国内外发展现状21.3.1 国内发展现状21.3.2 国外发展现状32 设计任务分析及方案论证52.1 设计思路52.2 系统功能及系统组成62.3 系统整体框图62.4 温湿度控制系统方案比
11、较及论证73 单元硬件电路的设计93.1 温度测控单元93.2 湿度测控单元93.3 报警电路103.4 数字显示电路 1. 13.5 单片机的外围电路123.6 A/D 转换电路134 主要元器件介绍154.1 温度传感器 DS18B20154.1.1 DS18B20 数字温度传感器概述154.1.2 DS18B20 的读写时序164.1.3 DS18B20 的测温原理174.2 湿度传感器 HS1101194.2.1 湿度传感器 HS1101 的特性194.2.2 湿度传感器 HS1101 的测温原理194.3 89C51 单片机194.3.1 单片机的发展204.3.2 单片机引脚205
12、 系统软件整体体设计225.1 整体流程图225.2 计算机软件系统235.2.1 上下位机通信235.2.2 单片机和 PC 通信相连245.2.3 上位机监控软件功能25总 结28致 谢29参考文献30附 录31基于 51 单片机的温湿度控制系统的研究1 绪 论1.1 课题背景在现代的温室种植技术中，温度、湿度是温室蔬菜能否茁壮成长的重要因素。现代我国的社会生产虽然规模空前巨大，但是温室的设备计较陈旧，技术比较落后，现阶段，广大农村仍采用煤油温度计的温度采集方式，逼近温度采集较为老套，而且费事费力，不利于温室生产规模的扩大，也不利于信息化程度的提高，也不符合党中央提出的科技兴农的战略目标。
13、传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。1.2 选题意义现代以 89C51 单片机为核心的智能控制系统是进行大鹏温湿度控制的有效手段和工具，它不仅可以提高测量的准确性，还有利于实现控制过程中的科学和无人化管理，比如， 将单片机控制方法运用到温度湿度控制系统中，可以克服温度湿度控制系统存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的控制效果和控制精度。
14、也降低了对操作者本身素质的要求和体力劳动强度。除此之外，它还能准确、高效、定时、定量地进行温湿度控制，可以节省人力、体力而提高农产物的质量和产量。智能温室大棚控制系统在现阶段我国农业中使用为数不多，与发达国家相比仍有较大差距，基本停留在人工操作， 即使有些使用了自动控制系统，但是也是以经验来自行设定很多参数，使得不能物尽其用而又造成浪费。因此只有提高自动控制系统的自动化程度，使得在农业生产中更加智能和方便并采用廉价的器材使其价格能够被大多数农业生产者索赔接受，才能促进智能温室大棚控制在农业中的广泛应用和提高其经济效益。随着单片机和传感器技术的迅猛发展，其价格低、可靠性高，给改造农业带来很多便利
15、。用高新技术改造农业生产，是我国农业和国民经济持续发展的根本大事。391.3 国内外发展现状目前国内外的温湿度检测使用的温湿度检测元件种类繁多、应用范围也较广泛加之单片机和大规模集成电路技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片机数据采集系统。基于单片机的温湿度检测控制系统的研究案例较少。随着经济和社会的不断发展，人们对自己生活环境的要求越来越严格。特别在工厂仓库中，对温湿度要求更为严格。基于单片机的温湿度检测控制系统，将对环境的温湿度监测控制系统作详细的设计与实现。采用高性能的控制芯片 89C51 高精度的温度传感器和湿度传感器。向模块化、高速化、智能化的单片机数据采集系统靠近。将此系统应
16、用到工厂仓库中，无疑为货物的存放提供了更加适宜的环境，具有良好的发展前景。1.3.1 国内发展现状自 20 世纪 70 年代以来，我国逐渐从欧美、日本等国家引进了先进的现代化农业温室， 在吸收并总结发达国家先进的温湿度控制技术的基础上，我国的科研人员相继对温室内部的温度、湿度、二氧化碳浓度及光照强度等环境元素控制技术的综合研究。1987 年，中国农科院引进了 FELIXC512 系统，并且建立了全国范围内第一个计算机应用研究机构。清华大学的郑学坚首先介绍了应用单片机控制人工恒温箱的方法；然后，中国农科院徐世华报道 Z80C 控制温湿度的软件硬件方案以及利用单片机控制气候箱的模拟实验；陈思聪等人
17、研究了以节能为目标的温室微机控制系统；范云翔等人研制的智能喷水器，可以根据环境的变化自动调节水量；上海园林工具厂等单位设计了温室微机控制系统；于海业等人研制的温室环境自动检测系统，可以自动调节温室内的温湿度参数；1996 年 江苏理工大学研制了一套温室环境控制设备，从而通过对温室内部温湿度的监测，实现对温室内温湿度的综合控制；1997 年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面取得一些成果。但是这些研究基本上是温室的单因素监测和控制，没有进行全系统综合的研究。我国地域辽阔，因此各地的气候、自然条件相差很大，这就使得温室需要研究的环境问题复杂而又多样。目前我国关于这方面的研究基本上都是单项
18、研究，涉及到光、热、水、气等环境因素的综合研究还欠缺。现阶段国内温室仍然靠的是认的经验进行单因子控制，进行并加强综合控制技术的研究势在必行。同国外的先进温湿度控制技术相比，我国温室研究仍处于较低的水平。光、热、水、气等环境因子的综合控制技术，低成本、低能耗的设施设备配套技术，高效设施栽培管理技术，现代化设施生产、设计的标准语质量监控体系等方面仍存在一系列问题，亟待进一步的深入研究。1.3.2 国外发展现状现代化温室采用先进的科学技术，采用连续生产方式和先进管理方式，高效、均衡地生产各种农作物，并且不受地点和气候的影响。它能够有效地改善农业生态、生产条件， 促进农业资源的合理开发和科学利用提高土
19、地的产出率、劳动生产率和社会、经济效益。温室实现控制自动化的目的是加强控制及作业精度，提高农业生产率。因此世界各国对这方面的研究十分深入。温室自动控制设施的关键是环境控制、智能化。利用温室来为作物创造适宜的生存环境，其中主要包括的就是温室内的温度和湿度。温室控制技术随着温室农业的发展应运而生，其中单片机的采用代表着它发展的逐步成熟。英美等发达的西方国家都大力发展集约化的温室产业，温室内温度、湿度等实现单片机的检测与控制。1974 年，荷兰首次研制出单片机控制系统 CECS。1978 年日本东京大学的学者研制出微型计算机温室综合环境控制系统。目前，日本、荷兰、美国等发达国家可以根据温室作物的特点
20、和要求，对温室内的诸多环境因子进行监测与控制。在日本，作为设施农业主要内容的设施园艺相当发达，塑料温室和其他人工栽培设施达到普遍应用，设施栽培面积位居世界前列，蔬菜、花卉、水果等普遍实行设施栽培生产。针对种苗生产设施的高温、多湿等不良环境因子，日本农业相关部门进行了如下几种设施项目的研究，主要有设施内播种装置、苗接触刺激装置、苗灌水装置、换气扇的旋转和遮光装置的开闭装置、缺苗不良苗的检测及去除和补栽装置、二氧化碳施肥装置等方面得 自动化研究。英国农业部对温室的设计和建造也很重视，在英国的希尔所农业工程研究院，科学家们进行了温室环境与作物生理、温室环境因子的计算机优化、温室节能、温室自动控制、温
21、室作物栽培与产后处理、无土栽培相关方面的研究。目前，英国温室大量采用单片机控制与管理，主要控制的就是温度和湿度。伦敦大学农学院研制的计算机遥控技术，可以观测 50Km 以外温室内的温度、湿度等环境状况，并进行遥控。另外，国外温室正在致力于高速发展。遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中，AlvesSerodio，C.M.J 等在 ISIE98 国际会议中提出一体化的温室网络管理体系模型，可将气候的调节、灌输系统与营养液的供给系统作为一个整体，并可以实现远程控制。1.4 本文研究的主要内容一、首先我们必须了解到温湿度控制对温室大棚提高农作物产量的重要性，其次我们才能做出更好
22、的判断，更好地解决用户面临的问题。二、温湿度的检测和控制是我们研究的主要内容数字化温湿度测量方法为一旦环境中的温湿度发生变化温湿度传感器将随着温湿度的变化而变化，然后将变化的电阻通过转换电路和转换信号检测与之对应的电压变化，然后把模拟电压信号由 A/D 转换器转换为数字量后送往 51 单片机，对采集到的信号单片机进行滤波处理并通过查表得到实际测量的温湿度值，之后通过 LCD1602 液晶模块显示该数值。三、该系统通过按钮设定最适应的温度和湿度，温湿度传感器向中央控制系统输送监控信号，超过上下阀值时，就会启动声光报警电路，控制系统开始工作，调整温湿度至合适的范围，使系统正常运行。四、根据不同作物
23、的适宜温湿度进行温湿度调节。如果低于下阀值，则升温；如果高于上阀值，则降温。为满足温室大棚对不同作物的温湿度需求，可设置自动喷雾装置， 自行调节湿度。我们可以随时对温、湿度进行调节，对于不利情况能及时作出显示，并通过报警电路提醒用户采取相应措施，以达到有利于作物生长的最适宜温湿度。2 设计任务分析及方案论证2.1 设计思路农业大棚温湿度检测系统的制作和调试，利用温度湿度传感器来采集周围环境的温湿度。根据温室大棚不同作物的最适宜温湿度的不同，可适当调整温湿度正常范围的区间值。当达不到或超过范围的通过报警电路进行报警。当在正常范围内则显示出温湿度的具体温湿度值。单片机温湿度的控制系统设计主要分为硬
24、件和软件设计，从硬件系统的设计来看主要分为两个部分：温湿度传感器部分；温湿度控制器部分。对于温湿度传感器而言主要分为温度传感器和湿度传感器。温度传感器主要是采取DS18B20，这一硬件有着高精度和高集成以及数字化等优势，并在价格上也相对比较低廉，能够直接的将被测温度转化成串行数字信号供单片机。对其的接口电路设计主要是通过端口方向寄存器以及端口输入方向就能对单片机加以设置。而对于湿度传感器的设计主要是在湿敏电容的基础上进行的，电容值也会根据外界的相对湿度发生变化， HS1101 湿度传感器有着通用性和变化范围大以及线性度好的特征，在对电容频率转换电路的设计中，采取 HS1101 测量湿度过程中主
25、要是将 HS1101 放置在 NE555 振荡电路当中，也就是将电容值变化转换成频率信号，在芯片接到电阻时就会构成充电回路。对单片机温湿度控制系统的软件设计主要分为上位机通信，以及远端模块软件、无线传输模块软件设计。对上位机通信软件的设计上，由于 PC 自身就有着强大的功能，能够将系统运行当中的各问题都得到有效处理，同时也能够在实际的观测上较为方便。例如对远程模块的设计上，这一模块的总体是采取结构优化设计，然后结合部分功能的不同再进行分成小模块，其中的报警系统设计上，主要是采取多种报警的方式，主要有声音报警和红灯报警以及软件报警，其中的软件报警主要就是在 PC 端监控开启的基础上，温湿度越界的
26、部分区县就会以红色线条进行表示。通过查阅图书馆相关书籍和网络搜集相关资料，并根据专业课中学习到的相关知识， 系统的、全面的组织材料，确定设计思路。一方面通过系统的学习 89C51 单片机以及 keil 软件的使用和温度传感器 DS18B20 和湿度传感器 HS1101 的资料分析与研究确定编程思路，另一方面通过实物模拟，查看应用效果，最终达到设计的总体要求。2.2 系统功能及系统组成控制系统的功能主要分为 4 个方面：第一，对农作物生长的环境中的温湿度数据来进行收集和显示。第二，直接通过上位机设置农作物生长所需要最适宜的温度和湿度。而且还能由主控机对该系统的运行时间和温湿度进行修正。第三，在既
27、定的指标越过预先设定的上下限时对系统进行开启。第四，及时的指标信息可以呈献给信息的利用者，使其清楚各个时段的温度、湿度，从而采取相应的措施。该温湿度控制利用温度传感器DS18B20 和湿度传感器 HS1101 分别对大棚内的温度和湿度信息进行采集，转换成数字量后利用 51 单片机进行存储与处理，接着通过通信线路把信息传送到 PC 中，再 PC 上便可以根据这些指标做出进一步的分析。掌控者可以在下位机中设定温度和湿度的上下阀值，通过上位机控制大棚内的温湿度。如温湿度值不在上下限范围内，则启动报警电路，此时控制系统开始启动，调节大棚内的温湿度，直至温湿度处于预先设置的范围内。上位机使用 DELPH
28、I 软件编写的一个数据库管理系统，可直接设定温湿度的上下阀值和读取下位机的数据，并对下位机的数据进行操作，调节大棚内的温湿度，形成作物生长的走势图从而通过生长走势图得出适合各种农作物生长的最佳温湿度数值。2.3 系统整体框图本系统通过温度传感器 DS18B20 采集温度， 湿度传感器 HS1101 采集湿度，经过含有 51 单片机的检测系统的进一步分析处理，通过 RS-232 通信线路将信息上行到 PC 机， 在 PC 机上可对温湿度信号进行任何分析、处理。用户可以通过下位机中的键盘输入温湿度的上下限值和预置值，也可以通过上位机进行输入，从而实现上位机对大棚内作物生长的远程控制。如果环境的实时
29、参数超越上下限值，系统自动启动执行机构调节大棚内温度和湿度状态，直到温湿度状态处于上下限值内为止。如果有预置初值，且与当前状态不相等时，系统也会启动执行机构实时动态调节温湿度状态，直到所处的平衡状态与预置值相等为止。上温度传感器DS18B20通信接口位机湿度传感器HS110151单片机报警电路A/D 转换显示电路 图 2.1 系统整体框图2.4 温湿度控制系统方案比较及论证2.4.1 总体方案的选择与论证方案一： 由温度传感器 DS18B20 和湿度传感器 HS1101 实时实地地采集温湿度参数， 由 A/D 转换模块 ADC0809 对做采集到的温湿度模拟电压信号进行模数转换，并且将已转换成
30、数字量的温湿度数值送入 89C51 单片机进行存储与处理。在 AT89C51 单片机内部岁温湿度的数字量进行分析综合后，将温湿度数值送到LED 共阴极数码管显示。同时在89C51 单片机中，将采集到的数据和预先设定的法制范围进行比较。如果采集到的温湿度值超过了安全线，则语音报警模块开始报警。如果采集到的温湿度值在预设的阀值范围之内，则通过数码管显示出来。本系统可设定温度范围为 0 至 70 摄氏度，最小区分度为 1 摄氏度；可设定湿度范围为 0%-90%RH,最小区分度为 1%RH，可实时显示当前的温湿度数值。方案二：采用瑞士 Sensirion 公司推出的新型的数字式温湿度传感器 SHT71
31、 作为温湿度检测元件，数字式温湿度传感器 SHT71 除了集成温度、湿度敏感元件，还包括一个放大器、A/D 转换器件和数字接口，可以同时采集温度、湿度数据，51 单片机对采集到的温湿度数值进行存储与处理然后送LED 显示模块进行显示，并发出信号对温度控制电路进行控制。综上分析，方案一虽然使用的是模拟式湿度传感器，在和 51 单片机相连接时需要进行模数转换，使总体设计变得较为复杂，可它更贴近我们所学，可以用到大学期间我们学过的许多知识。方案二采用了先进的数字式温湿度传感器 SHT71，虽然省去了 A/D 变换过程，对我们来说却较于陌生。因此采用方案一。2.4.2 显示模块的选择与论证方案一：采用 12864 液晶模块显示测得的数据，可显示较多组的数据，字体较大，可清晰读数。但 12864 液晶显示模块价格昂贵，结构复杂，故不采用。方案二：采用 1602 液晶模块显示所测数据，1602 液晶接线简单方便，且价格远低于12864 液晶模块。因此，本方案为首选方案。3 单元硬件电路的设计3.1 温度测控单元3.1.1 温度检测系统原理 温度检测电路采用寄生电源供电方式，为保
