精品基于单片机的大棚温湿度控制系统的设计论文

1 摘要 随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素是温湿度控制。温湿度太低，蔬菜就会被冻死或则停止生长，所以要将温湿度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，工人依据读取的温度值来调节大棚内的温度。如果仅靠人工控制既耗人力，又容易发生差错。现在，随着农业产业规模的提高，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局性。为此，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温湿度自动控制系统，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。 本论 文主要阐述了 基于 要电路设计及软件设计等。该系统采用 对执行机构发出指令实现大棚温湿度参数调节，根据实际需求设计了单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集，数据处理，数值显示，键盘扫描等功能功能。同时介绍了温湿度传感器，单片机接口，及其应用软件的设计，该基于单片机和 系统性能可靠，结构简单，能实现对温室内温湿度的自动调节。 关键词 ： 棚；温湿度；控制系统；传感器；单片机 of an of is is to or so in a is in a to If by to of of in in to to 2 as as to to At is CM is of in a 3 目录 . 4 统设计背景 . 4 统功能、优势及特点 . 4 2. 设计内容 . 5 体方案的设计 . 5 计思想 . 5 统组成及框图 . 5 统主要电路的设计 . 6 要芯 片 89功能及引脚图 . 6 湿度检测电路的设计 . 7 湿度传感器 工作原理 . 8 湿度调节系统的设计 . 9 介 . 9 3. 硬件设计 . 10 湿度测量电 路 . 10 示电路 . 11 盘扫描电路 . 12 出接口控制电路 . 13 片机与 口电路 . 14 4. 系统软件的设计 . 15 统主程序 . 15 盘扫描子程序，消抖程序流程图 . 16 602晶显示程序流程图 . 19 湿度读取子程序 . 19 盘扫描源程序 . 20 示程序 . 22 湿度采集程序 . 26 参考文献 . 27 4 1. 绪论 统设计背景 植物的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对植物生长影响最大的是环境中的温度和湿度。环境中昼夜的温度和湿度变化大，其对植物生长极为不利。因此必须对环境的温度和湿度进行监测和控制，使其适合植物的生长，提高其产量和质量。本系统就是利用价 格便宜的一般电子器件来设计一个参数精度高，控制操作方便，性价比高的应用于农业种植生产的温室大棚温湿度测控 系统。 本系统 温湿度的监控包括以下步骤：感应环境温湿度；判断感应到的温湿度是否异常；若感应到的温湿度异常，判断异常是否超过预设时间 ；若异常超过预设时间 ，则 异常报警；判断异常是否处理完毕；若异常处理完毕，解除报警。并可以利用控制器和 单片机 机来达到机房温湿度的远程控制，从而实现 温室大棚 温湿度管理的实时性和有效性。 为此，在现代化的温室大棚管理中通常有温湿度自动控制系统，以控制大棚温度，适应生产需要。它以先进的 技术和现代化设施，人为控制作物生长的环境条件，使作物生长不受自然气候的影响，做到常年工厂化，进行高效率，高产值和高效益的生产。 统功能、优势及特点 该检测系统充分利用 件资源 ,辅以相应的测量电路和能仪器 ,能实现多任务、多通道的检测和输出。它具有测量范围广、测量精度高等特点 ,前端测量用的传感器类型可在该基础上修改为其他非电量参数的测量系统。 温湿度检测系统采用 系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性 ,经过一定的添加或改 造 ,很容易增加功能。 根据温室大棚内的温湿度传感器采集到的信息，利用数据总线将传感器信息送给单片机，以及进行 警，查询等功能。监控中心可向现场控制器发出控制指令，监测仪根据指令控制风机、水泵、等设备进行降温除湿，以保证大棚内作物的生长环境。监控中心也可以通过报警指令来启动现场监测仪上的声光报警装置，通知大棚管理人员采取相应措施来确保大棚内的环境正常。 5 2. 设计内容 体方案的设计 计思想 大棚温湿度控制系统上电工作后，用户首先通过键盘输入温度及湿度的初值，单片机系统将用 户设置的初值保存在 片中，单片机进入主程序后，开始以查询的方式检测温湿度传感器 温湿度状态，并将相应的数值通过显示器显示输出。当温室内的温度（或湿度）小于设置的初值时，单片机将通过控制输出接口使加温设备（或加湿设备）开始工作；当温室内的温度（或湿度）大于（或等于）设置的初值时，单片机将通过控制输出接口使加温设备（或加湿设备）停止工作。 统组成及框图 系统由 电源电路、 温湿度传感器 片 、 键盘，显示和控制模块（ 成。 1、温湿 度传感器：负责检测并采集各控制点温湿度数据。 2、数据通讯转换器：负责温湿度数据采集数据的信号转换 ，复位等。 3、软件部分：软件部分负责对所有数据进行读取分析，并执行各项管理功能。 4、控制部分 （即温湿度调节系统） ：执行远程控制指令。 控制部分连接增湿装置、干燥装置、温度的控制装置等 。 其系统原理图如图 2 图 2棚温湿度控制原理框图 温湿度检测电路 复位电路 输入按键 温湿度调节系统 键盘，报警电路 显示电路 单片机控制系统 电源 6 统主要电路的设计 要芯片 89功能及引脚图 芯片 890个引脚，其中电源引脚有 4个，控制引脚有 4个，并行的 I/2个，其引脚图如图 2 图 29 （ 1）电源及时钟引脚（ 4个） 源接入引脚； 地引脚； 体振荡器接入的一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚接地）； 体振荡器接入的另一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚作为外部 7 振荡信号的输入端）。 （ 2）控制线引脚（ 4个） 位信号输入引脚 /备用电源输入引脚； 址锁存允许信号输出引脚 /编 程脉冲输入引脚 (低电平有效）； 外存储器选择引脚（低电平有效） /片内 程电压输入引脚； 部存储器选通信号输出引脚（低电平有效）。 (3)并行 I/32个，分成 4个 8位口） 般 I/低位地址总线服用引脚； 般 I/ 般 I/ 般 I/ 湿度检测电路的设计 本系统选择的温湿度传感器是由 瑞士 司推出了 片数字温湿度集成传感器，采用 确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器 包括一个电容性聚合体湿度敏感元件、一个用能隙材料制成的温度敏感元件，并在同一芯片上，与 个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式存储在 校正的过程中使用。两线制的串行接口，使外围系统集成变得快速而简单。微 小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用的首选。 下图 2 3为 感器内部结构框图 8 图 2 3 部结构图 湿度传感器 作原理 采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传 感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误会。 术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模 /数转换器、校准数据存储器、标准 线等电路全部集成在一个芯片内。 每一个传感器都是在极为精确得湿度室内中校准的。 感器的校准系数预先存在 存中。经校准的相对湿度和温度传感器与一个 14 位的 A/将装换后的数字温湿度值送给 而将数字信 号转换为符合 线协议的串行数字信号。由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其他类型的温湿度传感器优越得多的性能。首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而 A/降低了传感器对干扰噪声的敏感程序。其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只温湿度传感器都具有相同的功能，即具有 100%的互换性。最后，传感器可直接通过 线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。 度传感器 温度传感器 放大器 14 位模数转换器 标定储存器 线 接 口 9 湿度调节 系统的设计 温湿度调节系统包括加湿模块除湿模块、加温模块和制冷模块。 它是由单片机的 I O 口控制的，有效控制电平为 +5V，执行机构的各种设备都是在市电下正常工作的，必须采用 I 即控制执行设备的工作状态。由于单片机的 I 能直接驱动继电器导通，因此，我们采用达林顿管，将进行两级放大，提供了足够大的驱动电流，让继电器中的电感线圈产生足够大的磁力，将开关吸合。 用户预先输入温湿度报警值到程序中，该值作为系统阈值。温湿度传感器监测值传输给单片机，当单 片机比较监测到的数值超出所设定阈值时，驱动蜂鸣器报警，并为温湿度调节系统提供控制信号，实现自动控制。 介 脚集成电路，它将 门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。 所示。 图 3 脚图 所示。 片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则 过微分电路 2电路中， 个：上电复位 (2)，人工复位 (S、 通过或门综合后加到 数百微秒即可，因为这时 振荡器已经在工作。 10 图 4 门狗电路硬件连接图 看 门狗定时器的预置时间是通过 状态寄存器的相应位来设定的。如表 1所示， 态寄存器共有 6位有含义，其中 路有关，其余位和 工作设置有关。 表 1 态寄存器 0， ，预置时间为 0， ，预置时间为 1， ，预置时间为 1， ，禁止看门狗工作。 看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期 决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复位。 3. 硬件设计 湿度测量电路 温湿度测量用的是 湿度传感器， 该传感器 包括一个电容性聚合体湿度敏感元件、一个用能隙材料制成的温度敏感元件，并在同一芯片上，与 的 A D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接。该传感器与 89电路连接图，如图 3 2所示： 11 图 3 2 测量时序如下：当一个 高电平时， 现低电平，然后着当 动序列）温湿度传感器 度数据必须经过数据转换才能表示实际的温度和湿度，其公式如下： Tc=d1+1 25） ( 中： 湿度分辨率有关； 示从 读出的温度值； 对应关系如表 2、表 3所示 表 2温度校正系数 d1 4b（ 5V） 40 3湿度校正系数 2 C3 t1 2b 4 示电路 示电路用 符型液晶显示模块与单片机连接进行数值显示，其电路图如 3 3所示： 12 图 3 3 1602用标准 14 脚或 16 脚接口， 寄存器选择器， 高电平时选择数据寄存器，为低电平时选择指令寄存器。 R/高电平时进行读操作，为低电平时进行写操作，当 R/W 同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当 R/ R/W 为低电平时可以写入数据。 E 为使能端 ，当 E 端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。 7为 8位双向数据线。 盘扫描电路 ， 口电路如图 34所示。 13 图 3 4 出接口控制电路 如图 3 5 14 图 3 5 25045 接 口电路 单片机与 口电路如图 3 6所示。 15 图 3 6 本设计选用了 的 12 及 74 11 脚，由于 以应接上拉电阻。写操作至少需要 24 个时钟周期，片选必须拉低并在操作期间保持低电平。单片机可以连续写入 16 个字节的数据，但这 16 个字节必须写入同一页，一页的地址开始于地址 X 000,结束于地址 X 111，如果待写入的字节地址已到达一页的最后，而时钟还在继续存在，计数器就将回绕到该页的第一个地址并 覆盖前面所写的内容。在本设计中，一页存储三组数据，每组数据有五个字节组成，分别包括日、月、小时、分钟和秒。而一页的最后一个字节用于存放每次读取该页的次数，以便于新的数据可再从首地址写入，达到循环存储数据的目的。 4. 系统软件的设计 软件设计主要分为主程序、温湿度传感器数据读取子程序、 示程序、键盘扫描，按键去抖动的处理、控制器控制流程 。 本系统的智能核心是 监控程序和应用软件全部固化在 的工作过程是：当系统接通电源后， 片机进入监 控状态，同时完成对各个端口的初始化工作，当有按键按下时，产生申请中断，进入响应的中断程序，完成键盘处理工作。当没有外部控制信息的输入时，系统会自动采集温湿度传感器的电压值，最终数据在 示屏上显示。主程序流 16 程图如图 4 1 所示 : N Y Y N 图 4 1 主程序流程图 盘扫描子程序，消抖程序流程图 键盘扫描子程序如图 4 2： 延时程序 初始化各端口 初始化温湿度传感器 温湿度值是否符合正常值？ 控制电路调节温湿度 查询键盘，是否有键按下？ 显示 开始 调用湿度 检测电路测量温湿度值 17 Y N Y N Y N Y N Y N N Y 图 4 2 键盘扫描程序流程图 消抖程序流程图如图 4 3： 开始 初始化 键 1 是否按下 键 2 是否按下 键 3 是否按下 键 4 是否按下 键 5 是否按下 温湿度是否正常 温，湿度切换 温，湿度加 1 温，湿度减 1 当前与设定切换 上，下限切换 报警，控制电路调节温湿度 18 N Y Y N Y Y N Y 图 4 3 键盘扫描流程图 开始 延时去抖 是否有键闭合 是否有键闭合 扫描取得键值 闭合键释放否 结束 19 1602晶显示程序流程图 4所示： 图 4 4 示程序流程图 湿度读取子程序 开始 始化 延时 设第一行显示位置 显示第一行内容 设第二行显示位置 显示第二行内容 结束 20 温湿度利用 湿度传感器测量温度。 温湿度读取子程序流程图如图 4 5所示： N Y 图 4 5 温湿度读取子程序流程图 盘扫描源程序 000H 始 始化 读取温湿度值 显示温湿度值 结束 计算温湿度值 温湿度是否 正常 控制程序调节温湿度 21 ,A+ ;1:2 2:2,#02 1,#00H 1,1:2 ,00H B 3 ,#04H 4 ,#08H B N ,#0 ,2,1,1 2,#01 L:,: 1,#0,22 ,#03,#01H 4,#04,3,B 09H,92H,82H,00H,90H,88H,83H,086H,84H 检查子程序 6000H ,#00H , ,#07H 示程序 W 0H 1H 2H 3H 4H 5H 6H 7H 8H 9H 000H 100H P,#5位 23 讯方式为 8位数据并口 初始化 ,#34H;34H 扩充指令操作