电子信息工程专业课程设计任务书 基于单片机的温湿度自动控制系统.doc

华北科技学院课程设计电子信息工程专业课程设计任务书题目：基于单片机的温湿度自动控制系统设计设计内容设计一个由8052mcu组成的温湿度采集及自动控制系统。能够测量温湿度并显示；可以设置温湿度上下限范围，当超过此设置温湿度时自动调节温湿度；超过温湿度极限时要有报警功能。通过这个过程熟悉温湿度传感器、rs232和七段数码管的使用，掌握51系列单片机控制和测试方法。设计以stc89c52单片机为核心，对电压信号首先进行比例调节以满足a/d的需要；用lcd显示测量得到的温湿度值；设计通信接口电路以实现测量数据的传送。完成基本要求，可以适当发挥进行扩展设计。1. 液晶显示：年月日时分秒；2. 键盘输入：修改温湿度报警上下限；设计步骤一、总体方案设计以51系列mcu构成核心模块，合理分配存储器资源和i/o资源。温度采集模块建议采用sht11，或采用pt100再经模数转换；显示模块用lcd1602可满足需要；报警模块可采用声光等形式；输入模块可选用矩阵式键盘或键盘驱动芯片；可选用8255进行i/o扩展。二、硬件选型工作对于每一个芯片要有具体型号，对每个分立元件要给出其参数。三、硬件的设计和实现1. 选择计算机机型（采用51内核的单片机）；2. 设计支持计算机工作的外围电路（eprom、ram、i/o端口、键盘、显示接口电路等）；3. 接口电路；4. 其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）四、软件设计1. 分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块；2. 编写相关子程序；3. 其它程序模块(显示与键盘等处理程序)。五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图（a3幅面）。目 录一、设计要求1二、设计目的1三、设计方案的选择论证2四、设计的具体实现41、硬件电路的设计41.1 主控制电路设计41.2 传感器电路设计51.3 显示电路设计71.4 电源电路设计101.5 串口电路设计121.6 报警电路设计142、软件设计142.1 软件设计流程图142.2 软件设计程序16五、总结与心得24六、附录25七、参考文献272基于单片机的温湿度自动控制系统的设计报告一、设计要求设计一个基于单片机的温湿度自动控制系统，具体功能要求如下：1、具有温湿度采集功能；2、对数据实时处理并能够显示；3、当温度或湿度高于（低于）设定值时能够自动调节；4、超限报警电路，当环境温度或湿度高于（低于）极限值时，系统能够发出声光报警，提示工作人员进行相应的应急处理；5、自动断电功能，当环境温度或湿度高于（低于）极限值时，系统能够自动切断电源；6、当检测电路电压低即供电不足时，电路发出报警，提示工作人员对检测电路电源进行更换。二、设计目的1、掌握用温湿度传感器sht11和stc89c52单片机来设计高精度的温湿度检测及自动控制系统；2、提出系统设计方案，包括电路原理图和流程图以及程序；3、掌握温湿度检测系统的系统调试，实现要求的检测及控制方式；4、掌握系统调试方法，实现检测及控制要求；5、提高查阅文献与论文撰写的能力。三、设计方案的选择论证随着人们对生活质量的要求显著提高，对美丽的植被和花卉的需求量也急剧上升，这对以种植植被为生计的园林工人是一个机遇，同时也对传统的手工植被种植是一个挑战，而基于单片机的温湿度控制系统对解决这些问题有重要的意义。方案一：采用热电阻温度传感器。热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。采用hos-201湿敏传感器。hos-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1v以下，频率为50hz-1khz，测量湿度范围为0-100%rh工作温度范围为0-50，阻抗在75%rh-25时为1m。这种传感器原是用于开关的传感器不能在宽频带范围内检测湿度。因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。然而这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性可有效地利用其线性特性。方案二：采用sht11温湿度传感器。sht11是瑞士scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。其主要特点如下：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；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；测量精度可编程调节，内置a/d转换器（分辨率为8-12位，可以通过对芯片内部寄存器编程选择）；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；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；高可靠性采用cmosens工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。综合这两种方案，从性能的比较，测量精度，市场的使用情况，以及该设计的可操作性方案二中的sht11温湿度传感器都表现出它的优势，因此本设计采用方案二。本次温湿度采集及自动控制系统就以stc89c52单片机为主体与sht11等技术相结合实现高性能的环境温湿度测控。利用stc89c52单片机在p3.4、p3.5口接温湿度控制电路；p1.5、p1.6口接温湿度传感器sht11；p0口接lcd1602的d0d7管脚；当温湿度不在范围内，p3.4、p3.5输出低电平，控制电路导通对其进行控制并在lcd显示。结构框图如1所示。图1 硬件电路框图由单片机最小系统，外加数据采集模块、控制模块、显示模块及其报警部分构成温湿度检测和自动控制系统。四、设计的具体实现1、硬件电路的设计1.1 主控制电路设计单片机是系统的控制核心，所以单片机的性能关系到整个系统的好坏。因此单片机的选择，对所设计的系统的实现一机功能的扩展有着很大的影响。stc89c52是intel公司于80年代初推出的8位嵌入式微控制器，它与mcs-96系统中的其它芯片相比，具有性能高、功能全、售价低廉、使用方便（48pindip）等优点。stc89c52在工业应用方面有许多明显的特点，它具有灵活方便的8位总线外围支持器扩展功能，而在数据处理方面又有8位微机的快速功能。由于大的高度集成化已把许多常驻用的输入检测输出控制通道都制作在同一块硅片上，大大地灵活了外部连线，增强了系统的稳定性并且速度快（时钟12mhz）非常适合于工业环境下安装使用。因此本系统cpu选用stc89c52芯片。 stc89c52单片机引脚采用40双列直插式封装结构。stc89c52系统cpu中的主要组件有：高速寄存器阵列、特殊功能寄存器（sfr）、寄存器控制器和算术逻辑单元（ralu）。它与外部通讯是通过特殊功能寄存器sfr或存储器，控制器进行的。stc89c52系统的cpu的主要特色是体积小、重量轻、抗干扰能力强、售价低。此外，通过sfr还可以直接控制i/o、a/d、pwm、串行口等部件的有效运行。cpu内部的一个控制单元和两条总线寄存器阵列和ealu连接起来。这两条总线是：16位地址总线和8位数据总线。数据总线仅在ralu与寄存器阵列或sfr之间传送数据，地址总线用作上述数据传送的地址总线或与寄存器控制器连接的多路复用地址/数据总线。cpu对片内ram访问是直接访问和通过寄存器r0、r1间接访问的。stc89c52工作时所需的时钟可通过其xtall输入引脚由外部输入，也可采用芯片内部的振荡器。其工作频率为6-12mhz。在本系统中采用11.0592mhz频率。图2 单片机电路1.2 传感器电路设计sht11是瑞士scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。共主要优点如下： 高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、ad转换和加热器等功能集成到一个芯片上； 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； 测量精度可编程调节，内置ad转换器(分辨率为812位，可以通过对芯片内部寄存器编程米选择)； 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； 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； 高可靠性，采用cmosens工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。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，如图3所示。图3 传感器电路sht11工作原理：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。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。然而在改变温度的同时湿度也会略微变化，因为湿度测量测的是相对湿度，相对湿度跟温度相关，温度变则相对湿度变，其自身带有温度补偿功能。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。命令代码的含义为：00011 测量温度00101 测量湿度00111 读内部状态寄存器00110 写内部状态寄存器11110 复位命令，是内部寄存器恢复默认值其他 保留1.3 显示电路设计在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、led数码管、液晶显示器。发光管和led数码管比较常用，软硬件都比较简单。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点： 显示质量高：由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（crt）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。 数字式接口：液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。 体积小、重量轻：液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。 功耗低：相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动ic上，因而耗电量比其它显示器要少得多。为使其具有更广泛的适用性，本系统设计时可采用两款液晶显示器显示lcd1602与lcd12864，其接口电路如下图所示：图4 液晶接口电路lcd1602主要技术参数：显示容量：162个字符芯片工作电压：4.55.5v工作电流：2.0ma(5.0v)模块最佳工作电压：5.0v字符尺寸：2.954.35(wh)mm1602lcd采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表1所示。表1 lcd1602引脚功能编号符号引脚说明编号符号引脚说明1vss电源地9d2数据2vdd电源正极10d3数据3vl液晶显示偏压11d4数据4rs数据/命令选择12d5数据5r/w读/写选择13d6数据6e使能信号14d7数据7d0数据15bla背光源正极8d1数据16blk背光源负极lcd1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令如表2所示：表2 控制命令表序号指令rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001i/ds4显示开/关控制0000001dcb5光标或字符移位000001s/cr/l*6置功能00001dlnf*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01bf计数器地址10写数到cgram或ddram）10要写的数据内容11从cgram或ddram读数11读出的数据内容图5 写操作时序图6 1602lcd内部显示地址1.4 电源电路设计该设计所用到的电源有两种形式，一种为usb供电（5.0v）；一种为干电池供电（3.0v）。由于本采用两节干电池供电电压为3.0v，而电路中各芯片所用到的电压为5.0v，必须将干电池所提供的3.0v电压转换为适合电路需要的5.0v电压。采用max1675芯片进行转换。max1675芯片为升压型dc-dc转换电路，为双列8脚封装，具有高达94%的转换效率，静态电流仅16ua。其内部含有同步整流器，一方面提高了变换效率，另一方面节省了外接肖特基二极管，使其外围元件非常简洁。具有峰值电流抑制功能，可以降低emi，同时也使在输出过载时芯片不致损坏，max1675具有0.5a峰值电流抑制功能。器件内置0.3欧姆n沟道mosfet，可以通过引脚方便的选择3.3v或5.0v输出电压，也可以利用分压电阻使之在2.0v至5.5v之间可调。输入电压范围为0.7v至5.5v，开启电压可低至1.1v。其优点还包括0.1ua电流关机模式、输入电压检测、电池反接保护等。图7 usb供电电路图8 外接供电模块1.5 串口电路设计本设计中串口电路可采用两种形式进行程序下载与控制。一种为rs232电路，一种是usb电路。在usb电路中采用pl2303芯片进行usb-rs232信号转换。pl2303 是prolific 公司生产的一种高度集成的rs232-usb接口转换器，可提供一个rs232 全双工异步串行通信装置与usb 功能接口便利联接的解决方案。该器件内置usb功能控制器、usb 收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的uart， 只需外接几只电容就可实现usb 信号与rs232 信号的转换，能够方便嵌入到各种设备；该器件作为usb/rs232 双向转换器，一方面从主机接收usb 数据并将其转换为rs232 信息流格式发送给外设；另一方面从rs232 外设接收数据转换为usb 数据格式传送回主机。这些工作全部由器件自动完成，开发者无需考虑固件设计。图9 usb-uart转换电路图10 usb接口电路图11 usb电源去耦及uart切换电路图12 rs232串口电路1.6 报警电路设计煤矿井下气体环境是易燃易爆的混合性气体，其对温度、湿度的要求十分严格，当温湿度参数超过其正常范围时就会导致混合性气体爆炸，危害矿井工人的生命安全。所以必须设置报警电路。当电路采集到的温湿度超过正常范围时，使其触发声光报警电路，使其报警，从而及时的提醒工作人员进行处理，而不至于发生爆炸性危害。本设计电路采用的蜂鸣器报警电路工作原理为：当煤矿井下温湿度参数超过正常范围时，触发buzz信号，使其变为高电平，led等亮，并且使三极管q3导通驱动蜂鸣器，使蜂鸣器发声，从而实现声光报警。p1.7为高电平，报警灯亮。声光报警电路如下图所示：图13 声光报警电路2、软件设计2.1 软件设计流程图温湿度判断控制模块也是系统的核心模块之一。所谓判断控制模块，就是对用户输入的温度和湿度与当前温室内的实际温湿度进行比较，先进行判断，然后再进行控制，控制模块是决定系统将要进行什么工作的。如温度高于上限时需要降温，低于下限时需要升温，同时还要启动警报等等。程序流程如图14所示。图14 软件流程图本流程分为温度和适度监控，我们以温度的监控为例阐述该流程：首先系统初始化由sht11传感器读取环境温度并自身将其转换成数字信号，然后送入51单片机，如果该数据低于预设最低值或高于预设最高值，则报警电路和控制电路将被接通，起到提醒和控制的作用，并将数据送入51单片机，在lcd上显示。如果温度正常即处于预设范围，则报警电路和控制电路不会动作，并将数据送入单片机，在lcd上显示，之后进入下次的监控流程。湿度的监控流程和温度基本一致。2.2 软件设计程序/*头文件*/第 28 页#include#include#include#include#include/*宏定义*/#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define uiong unsigned long/*位声明*/sbit dat=p15;/sht11数据sbit sck=p16;/sht11时钟sbit lcden=p13;/lcd使能端sbit lcdrs=p10;/lcd指令/数据寄存器选择端/*定义变量*/uchar error;/全局错误变量uchar ack;/全局应答变量uchar data_h;/数据高位uchar data_l;/数据低位int temp;/温度显值int humi;/湿度显值int dis_buf5;/显示缓冲区/*定义数据表*/uchar code dis1=temp:;/第一行显示表头uchar code dis2=humi:;/第二行显示表头uchar code dis=0123456789.;/显示数值/*定义温湿度命令*/#define temp_ml 0x03/000 0001 1 温度命令#define humi_ml 0x05/000 0010 1 湿度命令/*延时函数*/void delay(uint count) uint i,j;for(i=count;i0;i-) for(j=110;j0;j-);/*sht11启动程序*/void sht11_start()dat=1;sck=0;_nop_();sck=1;_nop_();dat=0;_nop_();sck=0;_nop_();_nop_();_nop_();sck=1;_nop_();dat=1;_nop_();sck=0;/*sht11复位程序*/void sht11_rest(void) uchar i;dat=1;sck=0;for(i=0;i0;i/=2)/移位8位 sck=1;/上升沿读入 if(dat) val=(val | i);/确定值先读入高位 sck=0;dat=0;/应答信号 有应答为0，无为1sck=1;/第九个脉冲_nop_();_nop_();_nop_();/脉冲宽度为5ussck=0;dat=1;/释放数据总线data_h=val;/存测高字节/*读低八位*/val=0;dat=1;/释放数据总线for(i=0x80;i0;i/=2) sck=1;/上升沿读入 if(dat) val=(val | i);/确定值 sck=0;dat=1;sck=1;/第九个脉冲_nop_();_nop_();_nop_();/脉冲宽度为5ussck=0;dat=1;/释放数据总线data_l=val;/*写一个字节并返回应答信号*/char write(uchar value) uchar i;ack=0;/默认低电平表示有应答sck=0;for(i=0x80;i0;i/=2)/释放数据总线 if(i & value)/先写入高值 dat=1;/写入值1 else dat=0; sck=1;/上升沿写入 _nop_();_nop_();_nop_();/脉冲宽度为5us sck=0;dat=1; /释放数据总线sck=1;/第九个脉冲if(dat=1)/读应答信号 ack=1;/高电平表示未应答，低电平表示有应答sck=0;return ack;/返回ack,1为没有应答，0为有应答/*测量温度或者湿度并返回校验值*/void measure(uchar m1) uint i;sht11_start();/启动write(m1);/写入测温度或湿度指令if(ack=1)/无应答 sht11_rest();/复位 write(m1);/再次写入 for(i=0;i55535;i+)/判断是否处于忙状态 if(dat=0)/有应答就退出 break; else disp(temp,0x06);/第一行显示温度 disp(humi,0x46);/第二行显示湿度read();/度温度或湿度 /*温度计算程序*/void comp_temp(void) float aa=0,temp_zi;aa=(float)(data_h*256)+(float)data_l;/高低字节合并temp_zi=0.01*aa-40.1;if(temp_zi24|temp32|temp52|humi60|humi40)buzz=1;void comp_temp_humi(void)/温湿度处理error=0;ack=0;sht11_rest();/复位measure(temp_ml);/测温度comp_temp();/计算温度measure(humi_ml);/测湿度comp_humi();/计算湿度/*lcd写数据程序*/void dat_wrt(uchar dat) lcden=0;delay(5);lcdrs=1;/rs=1;为写数据delay(5);p1=dat;/写数据delay(5);lcden=1;/高电平写入delay(5);lcden=0;void cmd_wrt(uchar cmd)/写命令lcden=0;delay(5);lcdrs=0;/rs=1；为写命令delay(5);p1=cmd;/写入命令delay(5);lcden=1;/上升沿写入delay(5);lcden=0;void init_1602(void)cmd_wrt(0x01);/清屏cmd_wrt(0x0c);/开显示，不显示光标，不闪烁cmd_wrt(0x06);/光标左移显示不发生移位cmd_wrt(0x38);/16*2显示，8位数据接口，5*7点阵/*lcd显示位置*/void lcd_start(uchar start)cmd_wrt(start|0x80);/确保显示在lcd上的位置/*数据处理程序*/uchar dat_adj(int dat1)uchar i;dis_buf0=(int)(dat1/1000);/千位dis_buf1=(int)(dat1%1000)/100);/百位dis_buf2=(int)(dat1%100)/10);/十位dis_buf3=10;/小数点dis_buf4=(int)(dat1%10);/小数点后个位for(i=0;i2;i+) if(dis_bufi!=0)/明确显示位数 break;return(i);/*lcd显示程序*/void disp(int dat,uchar k)uchar temp,j;temp=dat_adj(dat);lcd_start(k+temp);/确定显示位置for(j=temp;j5;j+) dat_wrt(disdis_bufj);/写显示数据void print(uchar *str)while(*str!=0)/直到字符串结束 dat_wrt(*str); str+;/指向下一个字符/*主函数*/void main()p0=0;init_1602();/初始化液晶lcd_start(0x00);/确定显示起始位置 第一行print(dis1);/显示文字templcd_start(0x40);/确定显示起始位置 第二行print(dis2);/显示文字humiwhile(1) comp_temp_humi();/测温湿度并转换 /disp(temp,0x06);/第一行显示温度 /disp(humi,0x46);/第二行显示湿度delay(200);五、总结与心得这次课程设计的电路是比较复杂的。感觉dxp2004软件比protel99se更灵活易用，熟练以后十分顺手。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的设计及软件程序的编写上，在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在通过多次对电路的改进，上机仿真以及调试，终于使整个电路可稳定工作。设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。设计单元电路阶段，这个阶段可以说是考察单片机书本知识的阶段。很多的设计方法还有过程步骤在单片机书上都有。这个阶段遇到的主要问题就是以前学习的只是理论层面，而没有应用于实践，所以做设计的时候要经常参考别人的成功案例，多学习别人的长处并汲取成功案例的设计经验。将理论与实践相结合，在进一步加深理论学习的同时，也加强的自己的动手实践能力。总之，通过这次实习我有了很多收获。在摸索该如何设计电路、编写程序使之实现所需功能的过程中，培养了设计思维，增强了动手能力。在改进电路、程序的过程中，同学们共同探讨，最后的电路已经比初期设计有了很大改进。在让我体会到了设计电路和编写程序的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。六、附录元器件明细表：commentdescriptiondesignatorfootprintquantitybuzzer蜂鸣器bz1rb.2/.4120pcapacitorc1, c3, c6, c1208054100upolarized capacitorc2, c13, c18c5*7c30.1ufcapacitorc4, c5, c7, c8, c9, c10, c11, c14, c16, c19, c20, c21, c22, c23080514100nfcapacitorc15, c170805210ufpolarized capacitorcp1c5*7c147ufpolarized capacitor (radial)cp2, cp3, cp4, cp5c5*7