温湿度检测系统的设计讲解.docx
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温湿度检测系统的设计讲解.docx
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温湿度检测系统的设计讲解
摘要
农业是国民的经济基础,为工业的发展提供大量丰富的原料。
所以说农业的发展直接影响国家经济建设。
我国的农业技术水平逐步由传统农业走向现代农业,现代农业的标志是环境控制工程技术的加入。
温室大棚的环境由温度、湿度、光照及二氧化碳浓度等组成。
利用先进人工智能技术,使得影响作物成长的环境因子被合理、科学、有计划的控制着,并且利用计算机的控制设备进行环境控制,使得农作物生长在最佳的环境条件。
本设计温湿度检测系统是以单片机为核心,配合温度传感器和湿度传感器,以及相关电路组成,可以接受大棚内的温度和湿度信号,检测人员通过仪器上显示的数据,实时检测大棚内湿度和温度情况。
所有的测量操作都可以通过主机控制软件来实现。
温湿度检测系统由硬件电路和系统软件组成。
硬件电路主要包括STC89C52单片机、温度传感器模块、湿度传感器模块、液晶模块、报警模块、键盘模块、串口模块。
系统软件包括主程序、测温子程序、测湿子程序、液晶显示子程序。
本设计利用单片机对数字信号可控制性和温湿度传感器的准确性,并且能显示的控制系统方案。
不仅能提高传统温湿度检测系统的性能,而且本方案操作简单,可靠性强,能够在现实生活中发挥重要作用。
关键词:
单片机;温度;湿度;传感器
Abstract
Agricultureisthenationaleconomicfoundation,Providesawiderangeofrawmaterialsforthedevelopmentofindustry.Sowiththatbeingsaid,Thedevelopmentofagriculturedirectlyaffectsthenationaleconomicconstruction.China’agriculturaltransformationofmovingfromtraditionalagricutureofmodernagricuture,Asignofmodernagricultureisenvironmentalcontrolengineeringtechnologytojoin.Greenhouseenvironmentbythetemperature,humidity,illuminationandco2concentration,etc.Usingtheadvancedartificialintelligencetechnology,Maketheenvironmentalfactorinfluencingcropgrowtharecontrolledbytherational,scientific,systematic,Anduseofcomputercontrolequipmentforenvironmentalcontrol,makecropsgrowinthebestenvironmentalconditions.
Thedesigntemperatureandhumiditydetectionsystembasedonsinglechipmicrocomputerasthecore,Cooperatewithtemperaturesensorandhumiditysensor,Andtherelatedcircuitcomposition,Itiscanacceptinsidethegreenhousetemperatureandhumiditysignals,Testingpersonneldatadisplayedontheinstrument,real-timedetectionofgreenhousesinhumidityandtemperatureconditions.Allmeasurementscanbedonebythehostcontrolsoftware.
Temperatureandhumiditydetectionsystemconsistsofhardwarecircuitandsystemsoftware.HardwarecircuitmainlyincludestheSTC89C52singlechip,thetemperaturesensormodule,ahumiditysensormodule,LCDmodule,alarmmodule,keyboardmodule,aserialportmodule.WenZisystemsoftwareincludesthemainprogram,testprocedures,humiditymeasurementsubroutine,liquidcrystaldisplaysubroutine.Thisdesignusingthesinglechipmicrocomputertodigitalsignalcontrollabilityandtheaccuracyofthetemperatureandhumiditysensor,Andcandisplaycontrolsystemscheme.Notonlycanimprovetheperformanceofthetraditionaltemperatureandhumiditydetectionsystem,Butalsothisschemeandsimpleoperation,strongreliability,canplayanimportantroleinreallife.
Keywords:
Singlechipmicrocomputer;temperature;humidiy;thesensor
第1章引言
1.1研究的目的与意义
温度是反应物体冷热程度的物理量,微观上说是物体分子的热运动剧烈的程度。
温度的差异因为空间的位置不同而存在的。
湿度是反应大气干燥程度的物理量。
在一定温度下,一定体积内的空气所含有的水汽越少,空气则越干燥;反之则越潮湿。
现今,我国农业正从传统农业向以高产、优质、高效为目标的现代化农业转化。
对环境控制的好坏是衡量现代化农业技术的指标。
当下,我国的温室环境控制仍然需要人工来管理,这影响了农业生产的效益也阻碍农业生产的发展。
因此,利用计算机的智能化便起到了有效作用,利用智能人工技术,科学、有效地控制环境因子,给农作物的生长提供一个最佳生活条件。
这样既能提高农作物的产量、质量及原料的利用率,同时也能降低生产成本。
这对温室环境实行自动检测与控制是非常必要的。
温室设备的关键环节是环境控制,目的是提高控制精度,从而实现对环境的精确控制。
温室环境控制技术是随自动化检测技术、通讯技术、过程控制技术、计算机技术的发展而发展起来的[1]。
1.2国外温室环境控制
世界发达国家如荷兰、美国、以色列等大力发展集约化的温室产业,温室内温度、光照、水、气、肥实现了计算机调控,从品种选择、栽培管理到采收包装形成了一整套完整的规范化技术体系。
美国是最早发明计算机的国家,也是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一。
美国有发达的设施栽培技术,综合环境控制技术水平非常高。
环境控制计算机主要用来对温室环境(气象环境和栽培环境)进行监测和控制。
此外,国外温室业正致力于向高科技方向发展。
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。
控制要求能在远离温室的计算机控制室就能完成,即远程控制。
另外该网络还连接有几个通讯平台,用户可以在遥远的地方通过形象、直观的图形化界面与这种分布式的控制系统对话,就像在现场操作一样,给人以身临其境之感[2]。
1.3国内温室环境控制
我国农业计算机的应用开始于20世纪70年代,80年代开始应用于温室控制与管理领域。
20世纪90年代初期,中国农业科学院农业气象研究所和作物花卉研究所,研制开发了温室控制与管理系统,并开发了基于Windows操作系统的控制软件;90年代中后期,江苏理工大学毛罕平等人研制开发了温室软硬件控制系统,能对营养液系统、温度、光照、CO2、施肥等进行综合控制,是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果。
在此期间,中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学、中国科学院上海植物生理研究所等单位也都侧重不同领域,研究温室设施的计算机控制与管理技术。
“九五”期间,国家科技攻关项目和国家自然科学基金均首次增设了工厂化农业(设施农业)研究项目,并且在项目中加大了计算机应用研究的力度,其中“九五”国家重大科技产业工程“工厂化高效农业示范工程”中,直接设置了“智能型连栋塑料温室结构及调控设施的优化设计及实施”的专题。
1.4温室控制技术发展的三个阶段
纵观国内外温室环境技术发展情况来看,大致可将温室环境控制技术分为三个阶段:
(1)手动控制阶段。
这种控制是温室控制技术发展初期所采用的。
其实并没有产生真正意义上的控制系统,人员是控制环境的核心,通过对环境条件及农作物生长情况的观测,凭借多年积累的经验来判断。
利用人工对温室环境进行调节。
利用这种控制方式,农作物的产量、质量较自然环境条件下生长的产量、质量提高很多.。
但这种控制方式的劳动生产率较低,不适合工厂化农业生产的需要。
(2)自动控制阶段。
20世纪40年代,手动环境控制方式正逐步走向机械设备控制阶段。
计算机技术与现代控制理论相结合,对温室内各环境因子进行合理控制。
如光照的强度及时间、温度的高低、湿度的高低、二氧化碳的浓度和施肥的数量等等。
人为创造适合农作物生长的最佳条件的自动控制技术成为主流。
在此阶段温室环境的控制有较为完整的控制系统。
各种传感器采集相应数据,监控系统实时检测环境的变化和控制执行设备的动作。
自动化的温室控制技术使人员的操作过程简便,快捷。
这种控制技术适合规模化生产,效率高。
目前我国绝大部分的现代化温室控制技术都属于这种控制方式。
(3)智能化控制技术。
智能化控制技术是建立在自动控制技术和手动控制技术的基础上的,通过对各种农作物的生长情况全面分析,研究开发出一套适合不同作物生长的温室控制系统。
实现了温室智能化的管理与生产。
这种控制技术即充分利用了计算机技术,又发挥了农业专家系统的指导作用。
所以智能化控制技术是一种比较有发展的控制技术。
1.5我国温室控制技术存在的问题
(1)科技含量和总体发展水平较低。
我国设施栽培起步晚、基础差,没有将其作为整体工程问题研究。
从设施装备到栽培技术的生产管理不配套,生产不规范,难以形成大规模商品生产。
(2)我国现有的温室控制系统仍以控制一个温室为主,没有基于温室群的控制系统。
这样降低了生产管理的效率。
(3)缺少基于农业专家知识的上位机管理系统。
我国目前的温室控制系统中,一些上位机只限于存储采集的历史数据,没有根据农业专家知识的实时控制管理系统。
(4)设施水平低,抵御自然灾害的能力差。
我国目前部分温室的建筑材料主要是钢材和玻璃。
但没有形成国家统一的标准和工厂系列的产品,且应用率仅占设施栽培面积的10%,而绝大部分由农民自行建造的塑料日光温室也只能起到一定的保温作用,根本不能实现对温度、湿度、光照等环境因子的调控。
(5)机械化水平低,调控能力差,作业主要依靠人力。
生产管理主要靠经验和单因子定性调控。
第2章系统的总体设计
2.1系统总体设计思路
单片机是整个检测系统的主要部分,信号的采集由温度传感器模块、湿度传感器模块完成。
处理信号则由单片机完成。
对测量系统而言,精确的测得信号是其主要任务。
图2-1系统总方框图
传感器是实现检测与控制的灵魂,是检测系统的关键部件,如果没有传感器对原始被测信号的准确可靠的测量,一切测量和控制想完成都是滑稽之谈的。
工业自动化生产过程的测量与控制,生产过程中的各个参数都离不开传感器的检测,这样才能使设备或者系统在最佳的状态上运行,确保生产的高效率和高质量[3]。
2.2温度传感器的选择
温度传感器顾名思义就是能感受温度并且将温度转换成可用的输出信号,是温度测量仪表的核心组成部件。
温度传感器是最早开发的,应用最广泛的一种传感器。
它的市场价值远远超过了其他传感器。
温度传感器包括热电偶式、热敏电阻式、IC温度传感器及电阻温度检测器四种。
主要分为两类:
接触式和非接触式。
接触式温度传感器测量是需要与被测物接触。
而非接触式它的敏感元件不接触被测物。
这种仪表可用来测运动物体、微小目标物体和温度变化迅速的表面温度,也适用于测量温度场的温度分部。
在市场上销售的传感器有以下3种:
(1)STH11传感器,此产品被用于暖通级室内外环境或通风管道内的温度测量。
(2)DHT11传感器,是一款数字输出的复合传感器,包含一个电阻式感湿元件和NTC式温度检测元件,可测20~90%RH湿度,误差5%RH,0~50摄氏度,误差2摄氏度。
(3)DS18B20传感器是Dallas半导体公司的数字化温度传感器是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点,使用户可轻松组建传感器网络。
新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。
故选择DS18B20作为本设计的温度传感器。
2.3湿度传感器的选择
与温度传感器类似,湿度传感器也是较为普遍的一种传感器。
湿敏元件是最简单的湿度传感器。
湿敏元件主要有电阻、电容式两大类。
湿敏电阻式的特点是在基片上包上一层感湿材料制成的膜,当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时,元件电阻率和电阻值会发生变化,即利用这一特性便可测量湿度。
市场销售的型号有YYJ/JHF-03L、HS24LF、HS1101、HTG3500、HTS2030SMD、XE26BSC等等。
根据需要湿度传感器选取HS1101,它具有完全互换性,高可靠性,响应时间快等特点,使用余额线性电压输出和频率输出两种电路,其电容量变化范围16pF~200pF,测量范围相对湿度在1%~100%内。
其响应时间小于5秒,误差在-2%RH~+2%RH内。
温度洗漱为0.04pF/℃。
精度高也是其主要特点。
故选择HS1101作为本设计的湿度传感器。
2.4单片机的选择
单片机,是一种微型计算机,是把CPU、存储器、定时/计数器、各种输入输出集成在一块芯片上,与计算机中的微处理器相比,它更强调自供应能力及节约成本。
它的最大优点是体积较小,可以放在仪表内部。
但内存小,输出输入接口简单,功能较低。
单片机按字长可分为4位、8位、16位和32位。
基于性价比考虑,首选的是8位单片机。
市场上单片机种类繁多,有STC系列、PIC系列、EMC系列等等。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,拥有8K系统可编程Flash存储器。
利用高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品的指令和引脚完美兼容[4]。
故选取STC89C52作为本设计的单片机。
2.5键盘模块的选择
常用的按键接口一般分为“独立式按键接口设计”、“专用芯片式设计”和“矩阵式接口设计”几种。
具体采用哪种方式,应该根据所设计系统的实际情况而定。
下面分别介绍不同接口方式的优缺点及适用场合。
(1)独立式按键接口设计
独立式按键接口设计的优点是电路搭配灵活,软件容易。
但缺点也很明显,它的每个按键需要一根线口,会因为按键较多而造成资源浪费,从而电路结构也变复杂。
因此此种按键接口适用于按键较少的场合。
(2)专用芯片式设计
专用键盘处理芯片功能较为完善,芯片本身具有对按键编码、扫描、和重键等的功能,例如:
8279还集成了显示接口的功能。
其优点是可靠性强、接口简便、使用方便,比较适合在按键较多的情况下使用。
但不同的应用场合,因成本较高,可能不是最佳选择。
(3)矩阵式接口设计
矩阵式按键设计是综合独立式键盘和专用芯片式设计的优点。
按键接口由行、列线组成,按键则位于行、列的交叉点上。
此种方式的优点是相对于独需两步便能获得按键的行列值。
2.6液晶模块的选择
液晶显示屏的特点是体积小、功耗低、显示内容丰富等等,可以根据工作需求,显示所需要的内容,甚至自己设计的图案也可以显示。
不仅如此,当要显示一些复杂数据,它的优点就突显出来了。
当硬件设计完成时,系统的显示能力可以通过调试软件,从而达到不断扩展的目的。
外围驱动电路设计起来较容易,硬件电路不会因为显示能力的扩展而修改,相比下可扩展性很强。
电子设计中常用的有两种:
数码管与LED。
根据需要选取LED液晶显示模块。
2.7蜂鸣器模块的选择
蜂鸣器是一体化结构的电子讯响器,供电电压是直流电压。
蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”(旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等)表示。
主要分为压电式蜂鸣器与电磁式蜂鸣器两种类型:
压电式蜂鸣器:
由压电蜂鸣片、多谐振荡器、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
部分压电式蜂鸣器外壳上装有发光二极管。
电磁式蜂鸣器:
由电磁线圈、振荡器、磁铁、振动膜片及外壳等部分组成。
本设计采取压电式蜂鸣器。
2.8串口模块的选择
串口模块包括蓝牙串口模块、无线串口模块、USB转串口模块、wifi串口模块等等。
蓝牙串口模块是为智能无线数据的传输而设计的。
无线串口模块是半双工无线传输模块。
USB转串口模块分为S版、T版、R版、C版。
Wifi串口模块是用户串口数据与无线网络之间的转换。
而本设计采用的是PL2303串口模块。
第3章硬件电路的设计
本方案以STC89C52单片机为核心,对温度、湿度进行实时检测和调控。
各检测模块能独立完成各自功能,根据主机的指令对温度,湿度进行实时采集。
主机负责控制指令的发送,并控制各个检测单元进行实时温湿度的采集。
收集测得的数据,同时对测量结果进行整理、分析并显示。
其中包括STC89C52单片机、复位电路、温度检测模块、湿度检测模块、键盘模块及显示模块、报警电路、系统软件等部分的设计。
本设计是由信号采集、信号分析和信号处理三部分组成。
(1)信号采集:
由温度、湿度传感器模块负责采集信号;
(2)信号分析:
由单片机STC89C52负责分析信号;
(3)信号处理:
由液晶显示模块和蜂鸣器模块负责处理信号
3.1信号采集
3.1.1温度传感器
温度传感器种类繁多,对于产品高精度、高可靠性的要求,达拉斯公司生产的DS18B20温度传感器是当之无愧的首选。
不仅如此,体积小、抗干扰能力强、精度高、附加功能强这都是其优点。
图3-1DS18B20温度传感器
如图3-1所示DS18B20引脚图:
(1)GND为电源地
(2)DQ为数字信号输入/输出端
(3)VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)
DS18B20内部的结构主要由64位光刻ROM、非挥发的温度报警触发器TH与TL、温度传感器、以及寄存器四部分组成。
依靠一个单线端口通讯。
在单线端口条件下,必须先建立ROM操作协议,才能进行存储器和控制操作。
因此,控制操作必须首先提供下面5个ROM操作指令之一:
读取RO、匹配ROM、搜索ROM、跳过ROM、报警搜索。
这些指令的操作作用在一个器件的64位光刻ROM序列号上,总线上若有多个温度传感器是,可以选定其中的一个温度传感器进行测温,同时,总线也可以知道有多少个传感器并在一起,且是什么样的设备。
若指令起作用使DS18B20完成了温度的测量,数据存储在DS18B20的存储器中。
这就是一个控制功能指示DS18B20传感器的测温。
测量的结果将被存储在DS18B20内存中,此时阅读器发挥作用,读取内存中的测量数据。
温度报警触发器TH和TL都具有一字节EEPROM数据。
如果DS18B20报警检查指令不被使用,这些寄存器可作为普通用户记忆的用途。
在片上载有配置字节以便解决温度数字的转换。
TH与TL指令及配置字节是利用一个记忆功能的指令完成的,通过缓存器读取寄存器。
都是从最低位开始读取数据的。
(1)DS18B20的主要特性:
DS18B20的“一线总线”接口是其主要的特点,测量温度范围较宽在-55°C~+125°C,其精准度也较高在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。
在使用中不需要任何外围元件。
支持多个DS18B20并联在一单线上。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输,提高了系统抗干扰性。
适用于恶劣环境条件下的现场温度测量。
其工作电压在3V~5.5V的范围,使系统设计更灵活、方便。
而且新一代的产品价格更便宜,体积更小。
DS18B20传感器程序可以设定9~12位的分辨率。
对要求更小的封装方式,更宽的电压适用范围,它是首选。
DS18B20温度传感器的性能是新一代系列产品中最好的!
性价比也非常高。
(2)DS18B20的工作原理:
DS18B20的测温原理如图3-2所示,图中低温度系数晶振的振荡频率几乎不受温度的影响,将产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶的振荡频率受温度影响较大,所产生的脉冲信号输入计数器2。
将-55℃所对应的基数值置于计数器1和温度寄存器中。
计数器1进行减法计算,对低温度系数晶振产生的脉冲信号值减到0,温度寄存器的值将加1计数器1的预置将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
斜率累加器用于测温过程中的非线性进行补偿,其输出作为修正计数器1的预置值[5]。
图3-2DS18B20的测温原理图
(3)DS18B20的基本应用电路:
基于DS18B20的测温系统具有系统结构简单、测温的精度高、连接方便、占用线扣少等优点。
下面就是基于DS18B20几个测温电路图,在不同供电方式下的性能:
DS18B20寄生电源供电方式电路图
如下面图3-3所示,在寄生电源供电方式下,DS18B20从单线信号线上获取能量:
当信号线DQ处于高电平时内部电容器处于存储电能状态;在信号线处于低电平时,电容器里的电能作为能量来源,直到高电平到来再给电容器充电。
这样周而复始。
图3-3DS18B20寄生电源供电方式电路图
寄生电源方式有三个好处:
远距离测量温度时,无需本地电源提供电能
读取ROM时不受常规电源的影响
电路更加简单,仅用一根输出/输入端口即可实现测温
要想使DS18B20温度转换的精准度高,I/O线在温度转换期间就必须提供充足的能量,由于DS18B20在温度转换期间的工作电流达到1mA,当几个温度传感器并在同一根线上同时进行多个地方共同测温时,共用的4.7K上拉电阻就无法保证每个传感器正常工作,会影响转换温度或者对测量的温度误差极大。
所以,此电路在单一温度传感器测温时才使用的。
若要实现多点测温,则必须采用外接电源来满足能量的补充,并且工作电源则需要在5V。
当电源电压下降时,寄生电源能够汲取的能量也会随之降低,则测量的温度误差也会变大。
改进的寄生电源供电方式如下面图3-4所示。
为实现多点测量,则应该在DS18B20进行动态转换时提供足够的电流。
当进行温度转换或拷贝到E2存储器操作时,用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够的电流,在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换的指令后,必须在最多10μS强上拉状态。
在强上拉方式下可以解决电流供应不足的问题,因此也适合于多点测温应用,缺点就是要多占用一根I/O口线进行强上拉切换。
图3-4DS18B20寄生电源强上拉供电方式电路图
DS18B20的外部电源供电方式电路图
在外部电源
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