1、大棚温湿度控制仪智能温湿度控制器摘 要本设计实现的是单片机温湿度测量与控制系统，通过LED数码管显示所测量的温湿度。系统采用集温湿度传感器与A/D转换器为一体的SHT11芯片，通过单片机处理进行显示，其它模块包括了温湿度测量电路，实时时钟/日期产生电路，超限报警处理电路，通信电路等，对所测量的值进行实时显示和报警处理。本文介绍了基于ATMEL公司的AT89S52系列单片机的温湿度实时测量与控制系统和显示系统的设计，包括介绍了硬件结构原理，并分析了相应的软件的设计及其要点，包括软件设计流程及其程序实现。系统结构简单、实用，提高了测量精度和效率。关键词：单片机、SHT11、LED、6N137、MA
2、X487、温湿度控制 AbstractThe design and implementation of measurement and control temperature and humidity is MCU system, through which the temperature and humidity measurement LCD. System adopts set temperature and humidity sensor and A/D converter for SHT11 chip microcontroller processing, through that
3、other modules including real-time clock/date produce circuit and the off-gauge alarm circuit, the value of measurement for real-time display and alarm. The paper introduces the ATMEL company based on AT89S52single-chip series of temperature and humidity measurement and control system and real-time d
4、isplay system design, including the hardware structure and principle, and the corresponding software design, including the design of the software and its key process and procedure. System structure is simple, practical, and improve the measuring precision and efficiency. Key words: MCU, SHT11, LED,6
5、N137, MAX487, temperature and humidity control目 录摘 要 IAbstract I目 录 II第一章 绪论 11.1 课题目的及意义 11.2 课题主要研究内容及应用场合 1第二章 总体方案 22.1性能指标和功能描述 22.2总体框图 22.3各部分电路方案对比选择 22.4 按键和报警提示选择 3第三章硬件和软件设计 43.1主要硬件简介 43.2硬件电路的设计 93.3 整体电路图 113.4调试程序及流程图 12第四章 仿真调试和结论 144.1 软件仿真 144.2软件功能模块调试以及效果 174.3硬件电路功能模块的测试 174.4调试
6、心得 18致 谢 20参考资料 21附录 22第一章 绪论1.1 课题目的及意义目前我国农业正处于从传统农业向以优质、高产、高效益为目标的现代农业转化的新阶段。环境控制工程作为农业生物速生、优质、高产的手段，是农业现代化的重要标志。温室大棚中的环境由多个因子组成，如温度、光照、湿度及二氧化碳浓度等。时下，我国温室环境控制目前仍靠人工经验来管理，严重影响了农业生产的效益，阻碍了农业生产的发展，因此，采用先进的人工智能技术，科学、合理地控制影响作物的环境因子，通过计算机控制设备进行环境控制，以便给作物生长创造一个最佳的环境条件，做到既提高产品的质量、产量、经济价值和社会效益，同时尽量降低生产成本，
7、这对温室环境施行自动检测和控制是非常必要的。温室设施的关键技术是环境控制，主要是温湿度的控制，其目的是提高控制及作业精度。 温湿度控制仪的发展相当迅速，近几十年内，由于电子行业的迅速发展和集成电路和高集成电路的产生，控制仪走向微型化、多功能化。温湿度传感器在工农业生产、气象、环保、医学等领域得到越来越广泛的应用。温湿度控制仪目前普遍采用的几种方案有采用单总线的DS1820的温度传感器和HS110X相对湿度传感器组成的控制仪和采用集温湿度传感器于一体的SHT11芯片为主要芯片的控制仪。1.2 课题主要研究内容及应用场合本课题旨在探索一种基于单片计算机硬件环境下，且具有较高控制精度和较佳品质的控制
8、算法,用于改善温湿度试验箱的控制质量，使其能适合现代科学实验中对温度和湿度的高控制精度和高控制品质的要求。人性化的设计。界限温度值及湿度值能够由用户根据不同植被的各种生长需求由键盘输入并通过显示器显示。 能够实时、准确的显示采样温度值与湿度值。 通过采集温度及湿度值，准确的判断标准值与当前值之间的差异，及时的启动报警装置（包括警报灯的提示功能以及提示音等）进行报警，并采取相应的方案。能够根据植被在不同时间段内对温湿度的不同要求，用户可随机更改温度及湿度值，以满足用户不同的需求。主要应用于蔬菜大棚、花卉大棚、孵化场等对温度和湿度要求较高的场合，本课题主要针对蔬菜大棚进行探索。第二章 总体方案2.
9、1性能指标和功能描述（一）性能指标1.温度的测量范围和精度 范围：099 精度：0.04（12位）2.湿度的测量范围和精度 范围：099 %RH 精度：0.03%RH（12位）3.温度显示： 范围: 099 分辨率：1 4.湿度显示： 范围： 099%RH 分辨率：1 %RH5.电源： DC:35v（二） 功能描述利用单片机、传感器等可组成一个数字化大棚温湿度监控系统，本控制器可实时测量现场温湿度，并根据温湿度情况和人为设置情况调节现场温湿度，其中人为设置可通过操作按键完成；为了方便了解实地情况，我们采用了远程传输，从而控制农业大棚内的相关参数，当温度显示值低于低温加热下限时，或 湿度显示值超
10、过湿加热整定值上限时，通过继电器启动加热器进行加热；当温度显示值超过低温加热上限与湿度显示值低于过湿加热整定值下限都满足时，加热器停止工作；当温度显示值超过排风降温整定值上限时，通过继电器启动排风扇进行排风；当温度显示值低于排风降温整定值下限，排风扇停止工作。从而进一步提高大棚的生产效率。2.2总体框图图2-1 总体框图2.3各部分电路方案对比选择传感器方案对比选择：方案一：采用单总线的DS1820的温度传感器和HS110X相对湿度传感器组成的控制仪。HS1101(相对湿度传感器)特点： （1）全互换性 在标准环境下不需校正（2）长时间饱和下快速脱湿（3）高可靠性与长时间稳定性（4）可用于线性
11、电压或频率输出回炉DB18B20（温度测量）的主要特性：1.独特的单线接口方式：当DS18B20与微处理器连接时，仅需要一条数据线即可实现微处理器与DS18B20的双向同信。2.使用中不需要任何外围元件3.可用数据线供电，电压范围为+3.0+5.54测量范围为-55+125C固有测温分辨率为0.5C5.通过编程可实现912位的数字读数方式6.用户可自设定非意失性的报警上下限值7.支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的数据线上，实现多点测温8.负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作方案二：采用集温湿度传感器于一体的SHT11芯片为主要芯片的控制仪。SHT1
12、1温湿度传感器的主要特性如下： 1将温湿度传感器、信号放大调理、转换、总线接口全部集成于一芯片（技术）；2可给出全校准相对湿度及温度值输出；3带有工业标准的总线数字输出接口；4具有露点值计算输出功能；5具有卓越的长期稳定性；6湿度值输出分辨率为位，温度值输出分辨率为位，并可编程为位和位；7小体积（），可表面贴装；8具有可靠的数据传输校验功能；9片内装载的校准系数可保证互换性;10电源电压范围为;11电流消耗,测量时为，平均为，休眠时为。 由于传统的模拟式湿度传感器（方案一）一般不仅要设计信号调理电路，还要经过复杂的校准和标定过程，其测量精度难以保证。而SHT11是瑞士Sensiri-on公司生
13、产的具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术融合，为开发高集成度、高精度、高可靠性的温湿度测控系统提供了解决方案。 经过对比本课题温湿度测量部分采用方案二显示电路对比选择： 方案一：采用LCD1602液晶显示器 优点：更为美观，显示更加清晰。 缺点：价格高且浪费；编程较复杂 方案二：数码管显示 特点：硬件设计简单，6个数码管即可，3个数码管显示温度，另外3个用来显示湿度，编程相对较为容易。经过对比本课题显示部分采用方案二2.4 按键和报警提示
14、选择 按键分为独立式和矩阵式两种按键。矩阵键盘的按键较多，硬件比较复杂，软件设计较复杂；独立键盘的按键少，硬件电路简单，软件设计较容易。在本设计中只需要用五个按键即温、湿度调整切换键，上、下线调整切换键，加 减键，复位键。综上所述所以我们采用独立式按键。二极管便宜且效果明显，蜂鸣器应用广泛第三章硬件和软件设计3.1主要硬件简介 （1） AT89S52AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的80C51指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串
15、行口改写或用同用的非易失性存储器改写。通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，AT89S52便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。其结构框图如图3-1所示。图3-1 AT89S52结构框图 AT89S52的主要特性如下：兼容MCS51产品8K字节可擦写1000次的在线可编程ISP 闪存4.0V到5.5V的工作电源范围全静态工作：0Hz 24MHz3级程序存储器加密256字节内部RAM32条可编程I/O线3个16位定时器/计数器8个中断源UART串行通道低功耗空闲方式和掉电方式通过中断终止掉电方式看门狗定时器双数据指针灵活的在线
16、编程（字节和页模式）图3-2 AT89S52封装图 (2)传感器模块: 此模块是整个电路设计的信号采集及初步处理的模块，由温湿度传感器芯片SHT11构成，下面我们对SHT11进行简要介绍：SHT11 简介 ： SHT11 是瑞士Scnsirion 公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。温湿度传感器SHT11集温度传感器和湿度传感器于一体，因此采用SHT11 进行温湿度实时监测的系统具有精度高、成本低、体积小、接口简单等优点；另外SHT11 芯片内部集成了14位A/D 转换器，且采用数字信号输出，因此抗干扰能力也比同类芯片高。该芯片在温湿度监测、自动控制等领域均已得到广泛应用。该芯片广泛应用于暖通
17、空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。共主要特点如下： 1、高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D 转换和加热器等功能集成到一个芯片上； 2、提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC 传输校验，传输可靠性高； 3、测量精度可编程调节，内置A/D 转换器(分辨率为812位，可以通过对芯片内部寄存器编程选择)； 4、测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能； 5、封装尺寸超小(7.62 mm5.08mm2.5 mm)，测量和通信结束后，自动转入低功耗模式； 6、高可靠性，采用CMOSens工艺，测量时可将感测头完全浸于水
18、中。 图3-3 SHT11外形及管教排列示意图 SHT11 的引脚功能 SHT11温湿度传感器采用SMD(LCC)表面贴片封装形式，接口非常简单，引脚名称及排列顺序如图2-2所示。 各引脚的功能如下： 脚1和4-信号地和电源，其工作电压范围是2.45.5 V； 脚2和脚3-二线串行数字接口，其中DA-TA为数据线，SCK为时钟线； 脚58-未连接。温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上，其内部结构如图2-3所示。该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首
19、先进入微弱信号放大器进行放大；然后进入一个14位的A/D 转换器；最后经过二线串行数字接口输出数字信号。SHT11在出厂前，都会在恒湿或恒温环境巾进行校准，校准系数存储在校准寄存器中；在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号。此外，SHT11内部还集成了一个加热元件，加热元件接通后可以将SHT11 的温度升高5左右，同时功耗也会有所增加。此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度值，可以综合验证两个传感器元件的性能。在高湿(95RH)环境中，加热传感器可预防传感器结露，同时缩短响应时间，提高精度。加热后SHT11温度升高、相对湿度降低，较加热前，测量值会略有差异。 图3-4 SHT11内部
20、结构图微处理器是通过二线串行数字接口与SHT11进行通信的。通信协议与通用的I2C总线协议是不兼容的，因此需要用通用微处理器I/O口模拟该通信时序。微处理器对SHT11的控制是通过5个5位命令代码来实现的，命令代码的含义如表2-1所列。 表3-1 SHT11控制命令代码命令代码含义00101测量湿度00011测量温度00111读内部状态寄存器00110写内部状态寄存器11110复位命令，使内部状态寄存器恢复默认值。下一次命令前至少等待11ms发送命令与接收数据：开始传送，一个“传输开始”序列必须发出。其过程为当SCK是高电平时DATA线是低电平，接着SCK给出一个低脉冲，当SCK再次为高电平时
21、DATA再次升高。命令序列由三个地址位（只有.000.是目前支持的）和五个命令位组成。SHT11/71通过第八个SCK时钟的下降沿后的DATA的下拉引脚来指示命令的正确接收。在SCK时钟的第九个下降沿时，DATA线被释放（升为高电平）。传输两个字节的测量数据和一个字节的CRC校验和传输，|C必须通过DATA线的下拉引脚接收每一个字节，所有的计算结果都是首先是最高有效位经过无误的判断。常用命令为“取得温度”“取得湿度”“改变测量方法”“取状态寄存器值”。CRC校验数据位受到后通信结束。如果CRC-8位值没有被使用，控制器可能会在监测数据最低有效位被应答高时而终止通信。当监测和传输结束后该设备自动
22、进入睡眠状态。温度和湿度值的计算：SHT11可通过DATA数据总线直接输出数字量湿度值。该湿度值称为相对湿度，需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到较为准确的湿度值。由于相对湿度数字输出特性呈一定的非线性，因此为了补偿湿度传感器的非线性，可按下式修正湿度值：RHlinear = C1 + C2*SORH + C3*SORH2式中：RHlinear为经过线性补偿后的湿度值，SORH为相对湿度测量值，C1、C2、C3为线性补偿系数，取值如表3-2所列。 表3-2湿度线性补偿系数SORHC1C2C312 bit-40.0405-2.8 * 10-68 bit-40.648-7.2 * 10-4由于温度
23、对湿度的影响十分明显，而实际温度和测试参考温度25有所不同，所以对线性补偿后的湿度值进行温度补偿很有必要。补偿公式如下：RHtrue = （T - 25）*（t1 + t2* SORH）+ RHlinear式中：RHtrue为经过线性补偿和温度补偿后的湿度值，T为测试湿度值时的温度()，t1和t2为温度补偿系数，取值如表3-3所列。表3-3湿度值温度补偿系数SORHt1t212 bit0.010.000088 bit0.010.00128 微处理器采用二线串行数字接口和温湿度传感器芯片SHT11进行通信，所以硬件接门设计非常简单；然而，通信协议是芯片厂家自己定义的，所以在软件设计中，需要用微处
24、理器通用I/O口模拟通信协议。 , 3.2硬件电路的设计 传感器电路的设计 SHT11通过二线数字串行接口来访问，所以硬件接口电路非常简单。需要注意的地方是：DATA数据线需要外接上拉电阻，时钟线SCK用于微处理器和SHT11之间通信同步，由于接口包含了完全静态逻辑，所以对SCK最低频率没有要求；当工作电压高于4.5V时，SCK频率最高为10MHz，而当工作电压低于4.5V 时，SCK最高频率则为1MHz。硬件连接如图2-4 所示。 图3-5 SHT11与AT89S52之间硬件连接图 复位电路的设计复位电路的工作原理是：单片机的复位电路在刚接通电时，刚开始电容是没有电的，电容内的电阻很低，通电
25、后，5V 的电通过电阻给电容进行充电，电容两端的电会由0V慢慢的升到4V左右（此时间很短一般小于0.3秒），RC构成的微分电路在上电瞬间产生一个微分脉冲，其宽度大于两个机器周期，89C51将复位。正因为这样，复位脚的电由低电位升到高电位，引起了内部电路的复位工作，RST端电压慢慢下降，降到一定电压值以后，即为低电平，单片机开始正常工作（这是单片机的上电复位，也叫初始化复位）；当按下复位键时，电容两端放电，电容又回到0V了，于是又进行了一次复位工作（这是手动复位原理）图3-6 复位电路图显示电路部分显示部分由数码管,三极管，上拉电阻构成图3-7 显示部分电路图超限处理部分此部分电路是由3个发光二
26、极管和一个蜂鸣报警器构成，分别是D2、D3和D4，蜂鸣器接单片机的P1.0口，发光二极管与单片机的连接部分如图3-8所示。D2、D3、D4 分别代表着声音、电机、加热、一旦传感器测定的温湿度超过设定的限额，就会产生不同的发光反应，起警示作用，同时蜂鸣报警器连续发出“嗡” 的声音图3-8 超限处理电路3.3 整体电路图 图3-9 整体电路图3.4调试程序及流程图 (一) 主程序流程图(二) 按键子程序流程图(三) 按键子程序key() if(set&setkey) setkey=0; if(setbz_l) setbz_l=0;setbz_h=0; else if(!setbz_h) setbz
27、_h=1; else setbz_h=0;setbz_l=1; if(!set) setkey=1;第四章 仿真调试和结论4.1 软件仿真(一) Proteus简介 : Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是,他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、
28、逻辑分析仪等。 Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于15年来的持续开发,被电子世界在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品“The Route to PCB CAD”。Proteus 产品系列也包含了革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。 其功能模块:个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真; ARES PCB设计。 PROSPI
29、CE 仿真器的一个扩展PROTEUS VSM:便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LEDs甚至LCD显示CPU模型。 (1)支持许多通用的微控制器,如PIC,AVR,HC11以及8051. 最新支持ARM (2)交互的装置模型包括: LED和LCD显示,RS232终端,通用键盘,I2C，SPI器件 (3)强大的调试工具,包括寄存器和存储器,断点和单步模式 (4)IAR C-SPY 和Keil uVision2等开发工具的源层调试 (5)应用特殊模型的DLL界面-提供有关元件库的全部文件最新版支持非常丰富仿真元件共7000多
30、种，还有很多第三方模型。如MMC卡，以太网卡，ATA硬盘，麦克风，等等。 (二) KEIL C51 编译器简介1.8051开发工具 KEIL C51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51 编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编 器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。 2.uVision2集成开发环境 (1)项目管理 工程(project)是由源文件、开发工具选项以及编程说明三部分组成的。 一个单一的uVision2工程能够产生一个或多个目标程序。产生目标程序的源文件构成“组”。开发工具选项可以对应目标，组或单个文件。 uVision2包含一个器件数据库(device database)，可以自动设置汇编器、编译器、连接定位器及调试器选项，来满足用
