毕业设计基于51单片机的太阳能干燥温湿度检测设计

编号毕 业 设 计 (论 文 )基于单片机的太阳能干燥温湿度检测系统的研究Research on SCM system based on water-saving irrigation学 院 名 称专 业 名 称学 生 姓 名学 号指 导 教 师2016 年 6 月 22 日本科生毕业设计（论文）I摘 要本文结合目前太阳能干燥温湿度检测系统的研究现状，针对检测控制系统的价格昂贵、检测精度不高、使用不灵活的特点，提出了一种基于单片机的数字式温湿度传感器的测控系统构成方案，研究和设计了硬件电路，完成了软件设计。系统采用模块化设计思想，主要包括以单片机为主的下位机信号采集部分、以PC 机为主的上位机信号分析处理部分和单片机与主机的通信部分三大方面的设计。所做的主要工作如下：1）以单片机为主的下位机部分设计。下位机系统以STC89C54 单片机为控制核心，采用16 路数字式温湿度传感器 SHT10 完成干燥箱内 16 处不同被测点的温湿度的采集，并将采集的温湿度数据实时显示在LCD1602 液晶显示器中，完成了硬件电路的设计和软件程序设计。该系统设计了键盘模块和报警模块，在键盘模块中，设计了3个独立按键，对温湿度的阈值进行设置，当温度或湿度超出设定的阈值时，则发出报警信号。2）以PC 机为主的上位机部分设计。上位机在VB环境下，利用图形化编程语言，开发了太阳能干燥温湿度数据采集系统，实现对干燥过程的数据采集、处理、存储、报警和实时监测的功能。3）单片机与上位机通信系统的设计。用C语言设计单片机的串口通信软件，上位机采用VB编程语言设计了采集界面，并进行模拟测试，实现单片机与上位机的通信。4）模拟仿真。对硬件电路和软件程序调试无误后，进行软硬件联合仿真，实时巡回检测16 路温湿度数据。仿真结果表明：该检测系统可以有效的进行数据采集，并且在一定程度上提高了检测精度，为进一步研究太阳能干燥温湿度检测提供参考依据。关键词：STC89C52 单片机串口通信、上下限报警、温湿度检测本科生毕业设计（论文）IIAbstractIn this paper, the current status of research solar drying temperature and humidity detection systems, measurement and control systems for the price of expensive, detection accuracy is not high, do not use the flexible features, measurement and control system is proposed digital temperature and humidity sensor based on a single-chip configuration program, research and design of the hardware circuit, completed the software design. The system uses modular design, including a microcontroller-based signal acquisition part of the next crew, the communication section of the three aspects of the design to the PC, PC-based signal analysis and processing section with the host microcontroller.The main work is as follows:1) part of the next crew to the microcontroller-based design. Lower computer system STC89C54 microcontroller core, using 16 digital temperature and humidity sensor SHT10 completed within oven 16 temperature and humidity test different collection points, and the temperature and humidity data acquisition, real-time display in the LCD1602 LCD display, We completed the design and software design of hardware circuit. The system was designed keyboard module and alarm module, the keyboard module, designed three separate buttons on the threshold temperature and humidity settings, when the temperature or humidity exceeds the set threshold, an alarm signal.2) PC part of the design to the PC-based. In VB PC environment, the use of graphical programming language, development of solar drying temperature and humidity data acquisition system to realize the drying process of data acquisition, processing, storage, real-time monitoring and alarm functions.3) Design of MCU and PC communication system. Using C language design microcontroller serial communication software PC using VB programming language designed collection interface and simulation testing, to achieve single-chip communications with the host computer.4) simulation. After hardware and software debugging and correct hardware and software co-simulation, real-time detection circuit 16 temperature and humidity data. Simulation results show that: the detection system can be effective data collection, and to some extent, improve the detection accuracy, provide a reference for further study of solar drying temperature and humidity testing.Keywords: STC89C52 Serial Communication, upper and lower alarm, temperature and humidity testing本科生毕业设计（论文）III目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .41.1 基于单片机的太阳能干燥温湿度系统开发背景分析 .41.2 系统总体结构框图 .4第 2 章 系统硬件电路设计 .62.1 微控制器模块设计 .62.1.1 控制器芯片 .62.1.2 STC89C52 单片机最小系统设计 .62.2 键盘输入电路 .72.3 报警电路设计 .72.4 温湿度传感器的设计 .82.5 LCD1602 液晶显示电路设计 .82.6 电源电路设计 .92.6.1 电源方案选择 .92.6.2 电源电路设计 .9第 3 章 系统软件结构设计 .123.1 系统软件设计及总体流程图 .123.2 读温度子程序实现 .133.3 LCD1602 液晶显示实现 .133.4 温度比较报警子程序实现 .143.5 温湿度补偿函数的实现 .15第 4 章 系统测试方案 .174.1 系统调试方法与测试说明 .174.2 调试过程及调试结果分析 .17第 5 章 设计总结 .18参考文献 .19致 谢 .20附 录 I.21附 录 II .22本科生毕业设计（论文）4第 1 章 绪论1.1 基于单片机的太阳能干燥温湿度系统开发背景分析随着计算机技术、通信技术以及大规模集成电路技术的快速发展，在工农业生产等领域中，农产品干燥检测技术在软、硬件方面的研究都有了一定的进展8。在国外，太阳能干燥检测技术发展的比较成熟，已将数字式传感器应用于检测系统。数字式传感器采用了半导体集成电路与微控制器的最新技术，不仅能完成温湿度检测的功能，还能完成预置范围温湿度、多路A/D 转换、温度补偿、报警等功能。因数字式温湿度传感器输出的是数字量，不需要进行模数转换，从而解决了一些温湿度信号长距离传输以及传输过程中因干扰和衰减而导致精度降低等棘手的问题9。测控系统的基础是数据采集系统，随着电子技术的发展，数据采集装置已经历了几个不同的发展阶段。将数据采集系统应用于传感器测控系统，对实际运用意义重大。国外的大型传感器企业特别重视传感器测试技术的研究，八十年代芬兰Vaisala 公司、日本Figaro 公司研制了气体传感器自动测试系统，保证了传感器产品在世界传感器市场的领先地位。九十年代Tsuchida 公司生产了集成温度测量套件。Boltshauser 研制了用于集成湿度传感器的测试系统1011 。加拿大、美国等在监控技术方面发展的较快 12，农产品干燥检测系统已经广泛使用高科技数字式传感器，并且推出了一定数量的检测系统，提高了监测的精度和速度。目前，国内农产品干燥检测系统的研究主要采用的硬件有电阻式温度传感器、采样器、模数转换器等，线路比较复杂，并且不易于维护13。自1978 年开始，利用电阻式温度传感器、采样器、模数转换器、报警器等组成的检测系统的出现，它可以对各个测量点进行巡回检测，提高了检测的精度和速度，并降低了劳动强度，但是由于电阻传感器的灵敏度比较低，一般达不到预定的要求，使检测的精度以及系统的可靠性还不够完善14 。1990 年，检测系统有了较大的提高和改善，在布线方面，系统采用布线技术为矩阵式，数据采集部分的线路被简化，还应用了热电偶、半导体传感器件；采用串行传输方式线路，减少了传输线条数。因传感器存在线性度差，导致系统检测精度不高，因此没有得到大范围推广利用15。随着单片机技术及功能的日益强大，对检测的稳定性和准确性有了更高的要求。所以太阳能干燥检测系统研究的重点是寻求最佳的配置与最优性价比。总之，农产品干燥检测技术在软、硬件方面的研究，国外有较先进的研究经验，国内有经验也有不足，这为本课题提供了一定的研究基础和研究空间。1.2 系统总体结构框图本文从干燥物质入手，根据太阳能干燥布局，选择温湿度测量模块、显示模块、本科生毕业设计（论文）5控制模块、通讯端口、上位机等，根据测量要求，确定具体设计方案。由此，系统的总体结构主要有以下六大模块，即温湿度采集模块、显示模块、控制模块、声光报警模块、数据处理模块和通信模块。具体结构框图如下图所示： 图 1.1 系统总体结构框图PC 机RS-232 模块STC89C52LCD12864 显示和独立键盘模块传感器模块声光报警模块本科生毕业设计（论文）6第 2 章 系统硬件电路设计2.1 微控制器模块设计本系统的控制器的设计要求不是特别的高，能实现简单的液晶显示，独立按键输入，多个 I/O 口检测和串口发送数据即可。所以控制器采用了 STC 公司 STC89C52 芯片来实现，该芯片兼备传统的 8051 的处理器，RAM 的容量也有 521KB，不仅能简化硬件设计，还可以节约设计成本。2.1.1 控制器芯片本系统用到的 STC89C52 芯片是 STC 公司生产的一种高性能、低功耗的 CMOS8位微控制器，它有一个 8K 的 Flash 存储器，并且是在系统可编程的，STC89C52 芯片运用最经典的 MCS-51 内核，而且做了较多的改进令芯片具有了传统的 51 单片机所不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供超有效、高灵活的解决方案，它拥有以下的标准性功能：8k 字节的 Flash，512 字节的 RAM，32 位的 I/O 口线， watchdog 定时器，内置 4KB 的 EEPROM， MAX810 复位电路，3 个 16 位的定时器/ 计数器，4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断的结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构），全双工的串行口，最高运作频率达到 35MHz，6T/12T 可选。EA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P10/T1 P11/T2P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10U1STC89C522.1.2 STC89C52 单片机最小系统设计所谓的单片机最小系统其实就是指单片机所利用自身有限的资源，用最少的辅助元件组成一个可以正常工作的系统。包括起振电路（晶振 Y2=11.0592MHZ），电源（地），复位电路组成。本系统的 STC89C52 单片机核心控制电路如下图 2.2 所示。其中，晶振的两端分别接 30pF 的电容到地。复位电路先接 10uF 电容后在与地并联，起图 2.1 STC89C52 芯片引脚本科生毕业设计（论文）7到滤波的作用，复位电路包括按键脉冲复位，按键电平复位，上电复位三种。其中复位电路是使单片机的 CPU 或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态，并从这个状态开始工作，除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出现错误或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位电路以重新启动。本设计复位采用按键电平复位电路。晶振是为单片机提供起振信号，晶振频率越高，单片机处理速度越快。P30P31EA/VPP 31X119 X218RESET9P37/RD17 P36/WR16P34/T014 P35/T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30P30/RXD10 P31/TXD1P32/INT012 P33/INT113GND20VCC 40STC89C52U2STC89C52P3S1SW-PB5VY211.0592MHzC430pfC530pfS36SW-PB5V +C610UFR110KRSTRST5VP27P26P252.2 键盘输入电路本系统共利用了三个独立按键，可任意的调整上限和下限的报警温度，简单而且实用。它们分别与单片机的 P1.0P1.2 端口相连，其中，K1 按键作为设置按键，按第1 下，则是上限温度调整状态；按第 2 下，则是下限温度调整状态；按第 3 下，则是显示实际温度的状态。K+键为每按一次设置的温度加 1。K -键为每按一次设置的温度减1。2.3 报警电路设计本系统中利用三极管来驱动蜂鸣器的报警，其中，LED1 和 LED2 分别是模拟制冷器模式和制热器模式。当温度高于上限温度时，蜂鸣器发出声音报警，LED2 灯亮，模拟启动制冷器模式；当温度低于下限温度时，蜂鸣器发出声音报警，LED1 灯亮，模拟启动制热器模式。其中，与蜂鸣器相连的轻触开关断开时，蜂鸣器停止报警，实现手动解除报警。图 2.2 STC89C52 单片机核心电路本科生毕业设计（论文）8如图：2.4 温湿度传感器的设计SHT10温湿度传感器的集成度比较高，包含一个温度敏感元件和一个湿度敏感元件，二者与14 位的A/D 转换器及串行接口电路在同一芯片上进行连接，连接方法采用二线制。SHT10通过两线串行接口电路与单片机连接，具体电路如图2.5所示。其中，串行时钟输入线SCK。SHT10 的温度量程为-40123.8 ，湿度量程为0%RH100%RH ，测湿精度为4.5%RH，测温精度为 0.5，湿度分辨率为0.03%RH，温度分辨率为0.0123， 这些参数指标满足本设计的温湿度检测的精度和测量范围要求。用于单片机控制器与 SHT10 之间的通信同步。串行数据线 DATA 用于内部数据的输出与外部数据的输入。DATA 在 SCK 时钟下降沿之后改变状态，并仅在 SCK 时钟上升沿后有效。因此，单片机可在 SCK 高电平时读取数据，而当其向 SHT10 发送数据时，在 SCK 时钟下降沿后改变状态，同时保证 DATA 线上的电平状态在 SCK 高电平段稳定。图 2.5 SHT10 引脚接线图2.5 LCD1602 液晶显示电路设计本系统使用的 LCD1602 是一种图形点阵式液晶屏幕,它主要由行驱动器/列驱动器及全点阵液晶显示器组成。可显示英文字母、数字、ASCII 码。同时，该液晶模块内有很多软件功能：比如，光标显示、反白显示、清除、睡眠、关闭等等许多功能，这样就使得编程人员对其进行编程时更加方便快捷。而且，该液晶模块还提供了 3 线串行和 8 线并行的接口方式，以方便不同的编程需求。如图 2.15 所示，本系统中 LCD1602 液晶接口方式采用 8 位并行接口方式显示数据，因为与串行显示方式对比，并行可以更快速的传输数据，节省时间，即时性更好，本系统中其他模块不需要占用大量的单片机 I/O 口，这种并行的方式最为适用。如下图本科生毕业设计（论文）9所示，液晶的 CS、 SID 、SCLK 串行数据线分别与 STC89C52 单片机的 P2.0P2.2 相连接，D0D7 分别与单片机的 P00P07 连接。然后通过程序中相应子函数的调用来实现液晶的显示。P30P31EA/VPP 31X119 X218RESET9P37/RD17 P36/WR16P34/T014 P