基于单片机的智能仓库控制系统设计

摘 要 I 摘 要 本论文的设计题目是基于单片机的智能仓库控制系统设计。本次设计以 PC 机作为上位机监控单元，以 AT89C52 单片机作为下位机控制器，设计智能仓 库的温湿度控制系统。包括硬件设计和软件设计两部分。硬件部分包括 AT89C52 单片机、温湿度检测模块、温湿度输出控制模块、键盘输入模块、 LCD 显示模块、通信模块、报警模块及电源模块等。软件部分包括画出主程序 及各子程序流程图，并编程实现。 本系统通过键盘设定模块进行系统给定值的设置来调整仓库温湿度控制范 围。温、湿度检测模块将仓库内的温、湿度信息传到单片机，单片机根据实际 情况输出控制信号驱动控制模块进行相应操作，同时将当前信息进行存储并上 传数据到上位机显示及保存。当温、湿度超过设定范围的上下限时，控制器将 会启动或者停止相应设备来调整环境湿度和温度，同时将各种调整信息在 LCD 上显示并发出报警信号。 本文设计的智能仓库控制系统实现了对温湿度的实时检测与控制，降低了 人工劳动强度。 关键词：智能仓库，AT89C52，SHT11，液晶显示 Abstract II Abstract The subject of this thesis is microcontroller-based intelligent warehouse control system design. The design uses PC as a monitor unit and AT89C51 microcontroller as the next bit machine controller to design intelligent temperature and humidity control system, including hardware and software design. The hardware part includes AT89S51 microcontroller, the detection module for temperature and humidity, temperature and humidity output control module, the keyboard input module, LCD display module, communication module and alarm module. Software part includes draw the main program and the procedure flow chart, and the programming. The system through the keyboard settings module system for a given value of the settings to adjust the storage temperature and humidity control range. Temperature and humidity detection module spreads temperature and humidity inside the warehouse to microcontroller, microcontroller based on the actual situation of the output control signal drive control module operating at the same time to store and upload data to the host computer to display and save the current information. When the temperature and humidity exceeds the set range of the upper and lower limit, the controller will start or stop the corresponding device to adjust the ambient humidity and temperature, while a variety of adjustment information on the LCD display and an alarm signal. In this paper, the design of intelligent warehouse control system to achieve real- time detection and control of temperature and humidity, and reduce labor intensity. Keywords: Intelligent warehouse, AT89C52, SHT11, LCD 目 录 III 目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 目 录III 第一章 引言1 1.1 课题背景.1 1.2 仓库温、湿度控制技术的国内外研究状况1 1.2.1 硬件技术.1 1.2.2 软件技术.3 1.3 课题设计目标3 第二章 系统总体方案设计.4 2.1 系统功能、组成及工作原理.4 2.1.1 总体方案.4 2.1.2 实施措施.4 2.2 温湿度传感器的方案论证和选择.5 2.2.1 数字式温度传感器的类型.5 2.2.2 数字湿度传感器的类型.7 2.2.3 温湿度传感器的确定.8 第三章 系统硬件设计.9 3.1 单片机最小系统设计.9 3.1.1 AT89C52 简介.9 3.1.2 时钟电路和复位电路9 3.1.3 单片机最小系统电路图11 3.2 LCD1602 液晶显示12 3.2.1 1602 简介12 3.2.2 1602 与单片机连接图及工作原理13 3.3 矩阵键盘.14 3.4 温湿度检测15 目 录 IV 3.4.1 SHT11 测温湿度的使用方法.15 3.4.2 校验测得的温湿度16 3.4.3 SHT11 与单片机相连的电路图18 3.5 报警电路.18 3.6 控制电路.19 3.7 单片机与 PC 之间的通信.20 3.8 电源电路.21 3.8.1 线性直流稳压电源的基本原理.21 3.8.2 电源原理图21 第四章 系统软件设计22 4.1 系统初始化程序23 4.2 按键显示设定的温湿度23 4.3 温湿度计算（测量、处理）及显示23 4.4 串口通信.25 4.5 控制程序.25 总 结.28 参考文献.29 致 谢.30 附录一 总电路图31 附录二 PCB 图32 附录三 程序.32 第一章 引言 1 第一章 引言 1.1 课题背景 在现代工业现场，随着科技的进步和自动化发展，温、湿度监测系统在某 些行业中要求越来越高，特别是在大中型仓库管理系统中，由于温湿度过高或 过低引起的仓库储藏物本身的水分过高或连续的高湿天气将导致储藏物新陈代 谢加快而放出热量，放热引起的温升又是代谢进一步加剧以至发霉变质，因此 仓库必须重视对空气温湿度精确的而又方便的实时监测，长期以来，由于受经 济条件限制，我国仓库环境较差，而且管理落后。 仓库管理的重点之一就是要合理布置测温点，经常检查温度变化，以便及 时发现储藏物发热点，减少损失。然而，堆积物的热传递又是那样的缓慢，使 人感知极差，需要管理人员经常进入闷热、呛人的仓库内观察温、湿度，不断 进行翻仓、加湿、通风和降温设备来控制温湿度，这样不但控制精度低、实时 性差，而且操作人员的劳动强度大。这种繁重的体力劳动，不仅对人体有极大 的伤害，而且不科学、不及时。所以，仓库储藏物虫蛀、霉变的情况时有发生。 我国的储藏物现均集中存放在地方或国家的仓库中。按照国家储藏物保护 法，必须定期抽样检查粮食的温、湿度，以确保储藏质量。这就迫切需要温湿 度监控系统来控制仓库。 本课题即以上述问题为出发点，设计仓库温、湿度监控系统，该系统不仅 能采集仓库内的温、湿度值，而且能够迅速做出相应的处理，并将数据及处理 结果显示给用户，并储存数据以方便以后的对比研究。 1.2 仓库温、湿度控制技术的国内外研究状况 近年来，由于超大规模集成电路技术、网络通信技术和计算机技术的发展， 是监控系统在工农业生产等领域得到广泛引用，因此，仓库温、湿度监控技术 的研究在软、硬件等方面都得到了一定的发展。 1.2.1 硬件技术 第一章 引言 2 早期仓库温湿度检测主要采用温度计量算法，它是将温度计放入特定的插 杆中，根据经验插入仓库的多个测温点，工作人员定期拔出读数，决定采取相 应的措施。这种方法由于温度计精度、人工读数的人为因素等原因，温度检测 不仅速度慢而且精度低，抽样不彻底，局部粮食温度过高不易被及时发现，局 部粮食发霉变质引起大面积坏掉的情况时有发生。 随着科技的发展，温、湿度检测系统有了很大的改善和提高，系统在布线 上采用矩阵式布线技术，简化了数据采集部分的线路；在传感器方面应用了热 电偶、半导体等器件；在数据传输方面减少了传输线的根数，采用串行传输方 式，他可对仓库的各个测试点进行巡回检测，检测的速度、精度大大提高，但 由于电阻传感器灵敏度低，使检测精度不够理想。 然后仓库使用单板机进行温、湿度监控，并采用各种手段提高数据传输及 检测速度，通过软硬件技术的结合，检测的精度和可靠性有较大提高，能满足 一般中小型仓库的需要。 近年来，随着网络通信技术和微处理器芯片的发展，为了简化仓库温、湿 度监控系统的设计并降低成本，各公司的科研机构开始致力于相关领域的探索， 是的仓库温湿度监控系统数字化，网络化成为可能。其中，美国达拉斯公司推 出的单总线接口协议采用单根信号线，既可传输数据又可传输时钟，而且数据 传输是双向的，因此单总线技术具有线路简单，硬件开销小，便于总线扩展和 维护等优点。该公司所生产的单总线器件具有无需另附电源、在测试点直接将 模拟信号数字化等特点，一方面减少了系统环节，另一方面也保证了系统的精 度。同时各公司开发的可视化软件开发工具，更是向着效率高、功能强大的方 向努力，从而为获得良好的用户界面奠定了基础。 国外仓库的监控技术已经发展的很成熟，高科技的数字传感器广泛应用于 仓库温、湿度监控系统。这种传感器采用微控制器与半导体集成电路的最新技 术，在一个芯片上集成了温度检测芯片、数据信号转换芯片、计算机接口芯片， 存储芯片等，除完成温度检测功能外，还可完成预置范围温度、报警、多路 A/D 转换、温度补偿等功能。由于数字温度传感器直接输出数字量，从而解决 了温度信号长距离传输问题及传输过程中因干扰和衰减而导致的精度降低等问 第一章 引言 3 题。 目前，国内出现了丰富的数字传感器配套产品，如中继器、分线器、插接 器、远程控制模块等。数字传感器技术、通信技术、计算机已成为当今计算机 技术的三大基础，计算机监控技术已成为人们关注的热点。 1.2.2 软件技术 近年来，各种计算机软件开发平台有了很大发展，特别是基于 Windows 环 境下的 Delphi、Power Builder、Visual Basic、Visual C+的不断升级，数据功 能增强，能够使用 ODBC 驱动程序访问各种数据系统，并可使用 ADO、DAO 等各种应用程序开发接口，操纵数据库中的数据，管理数据库，数据库对象与 结构方便地对监测系统进行显示、打印、查询、自动控制等操作，为高性能的 测控软件设计提供了基础。 1.3 课题主要任务 仓库温湿度控制系统是以 AT89C52 系列单片机为核心构成的监控系统。 本课题提出了一种可以应用于中小型粮仓的温湿度控制系统的设计方案。 系统主要包括输入和输出两个大的模块，每个模块有包括几个小的功能模 块。其中，输入模块主要包括电源模块、键盘设定模块、温湿度检测模块；输 出模块主要包括 LCD 显示模块、报警模块、控制模块及串口通信模块。 主要设计技术指标与参数： （1）温度： C 31- （2）湿度： 45% 70% 第二章 系统总体设计方案 4 第二章 系统总体方案设计 2.1 系统功能、组成及工作原理 2.1.1 总体方案 根据设计功能要求，系统可分为以下几个部分： （1）键盘设定模块：设置温度的上限及下限，湿度的上限及下限来调整 仓库温湿度控制范围。 （2）温湿度检测模块：检测仓库内的温、湿度。 （3）报警模块：当温度或湿度越限时报警。 （4）控制处理模块：当温度或湿度越限时，采取一定的手段控制。 （5）显示模块：LCD 显示设定的温度的上限及下限、湿度的上限及下限、 测得的温湿度值及各种调整信息。 （6）串口通信：将测得的温湿度上传给 PC 机保存。 （7）电源模块：给系统供电。 系统整体电路框图如图 2-1 所示。 2.1.2 实施措施 （1）键盘设定模块：因为键盘要有输入温湿度的范围、小数点、百分号， 复位等功能，所以用 44 矩阵键盘。 （2）温湿度检测模块：温湿度传感器的选择见下面的方案论证。 （3）报警模块：当温度或湿度越限时声音报警，用蜂鸣器实现。 （4）控制处理模块：实际环境温度超过设定的最高温度时，继电器控制 空调的加热设备工作；实际环境温度低于设定的最低温度时，继电器控制空调 的制冷设备工作；实际环境湿度超过设定的最高温湿度时，继电器控制风机工 作降湿；实际环境湿度低于设定的最低湿度时，继电器控制加湿器工作； （5）显示模块：用户输入温湿度的上下限，测得的温湿度值及各种调整 第二章 系统总体设计方案 5 信息的显示编程实现。 （6）串口通信：用电平转换芯片 MAX232 实现。 （7）电源模块：采用线性直流稳压电源的设计方法。 图 2-1 系统整体电路框图 2.2 温湿度传感器的方案论证和选择 当单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号进入输入通道，由单片机 拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任 务；而对测控系统来讲，除对被控对象状态的信号测试外，还要将测试数据与 控制条件对比并实时控制相应执行设备。 传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有 传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都 将无法实现。工业生产过程中的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器 来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从 而保证生产的高效率和高质量。 2.2.1 数字式温度传感器的类型 随着温度传感器集成化、智能化技术的进步，世界上很多公司推出了新型 AT89C52 RS232通信接口 键盘输入 温湿度检测 报警电路 1602显示 空调机接口电路 加湿机接口电路 风机接口电路 第二章 系统总体设计方案 6 的数字温度传感器，并得到广泛应用。对器件的选择应把握以下几点：测温的 精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；外围电路应尽 量简单；温度传感器的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用单 片机引脚情况如何，因为 MCU 引脚资源有限，多点测温时，如果测量的点数 超过输入通道的个数，就要添加多路复用电路，这将增加成本；与单片机的通 信协议应尽量简单，成本、温度测量的软件开发难度要尽量小。目前在数字温 度传感器中采用的串行总线主要有 Motorola 公司的 SPI 总线，Dallas 公司的 1- wire 总线，Phillips 公司的 I2C 总线等。 常用的数字温度传感器主要有： （1）数字温度传感器 AD7418 是件 ADI 公司推出的单片温度测量与控制 用集成电路。其内部包含有带隙温度传感器和 10 位模数转换器，可将感应温 度转换为 0.25C 量化间隔的数字信号，测温范围为-55C+125C，具有 10 位 数字输出温度值，分辨率 0.25C，精度为2C ， 转换时间为 1530ms ， 工 作电压范围为+2.7V+5.5V，具有低功耗模式（典型值为 1A） 。AD7418 片内 寄存器可以进行高/低温度门限的设置。当温度超过设置门限时，过温漏极开路 指示器（OTI）将输出有效信号。可与单片机（微控制器）接口，通过 I2C 接 口对 AD7418 的内部寄存器进行读/写操作。该温度传感器可广泛应用于数据采 集系统中的环境温度监测、工业过程控制、电池充电以及个人计算机等系统。 （2）LM74 是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、 Delta-Sigma 型模/数转换器、并具有 SPI/Microwire 兼容总线接口的数字温度传 感器。在传感器通电工作后，自动按一定速率对温度进行检测, 并在片内寄存 器中存储转换的温度值，主机可以在任意时刻读出传感器温度值。LM74 具有 休眠模式, 在休眠时消耗的电流不超过 10mA, 适用于对功耗有严格限制的系统。 LM74 的模/数转换器为 12 位外加符号位，有效工作范围为-55+155，分辨 率可达 0.0625的分辨率。由于采用了 SPI/ Microwire 兼容总线接口, 可以将多 个传感器挂接在总线上, 通过片选信号对特定器件进行读写操作。LM74 采用 3.0V5.5V 的供电电压。 （3）DS18b20 是 Dallas 公司推出的新一代数字温度传感器。通过一个单 第二章 系统总体设计方案 7 线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和 DS1820 之间仅需一条连接线 （加上地线） 。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部 电源。因为每个 DS1820 都有一个独特的片序列号，所以多只 DS1820 可以 同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。这 一特性在 HVAC 环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和 控制等方面非常有用。 2.2.2 数字湿度传感器的类型 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了较大发。湿敏传感器正向集 成化、智能化、多参数监测的方向迅速发展。集成湿度传感器的选择应考虑以 下几点：感湿性能好、响应速度快、灵敏度高、测量范围宽，线性度要好，要 有较好的一致性、可重复性，湿滞小，有较强的抗污染能力，较高的稳定性和 可靠性，使用寿命长。 目前，国外生产湿度传感器的主要厂家及典型产品主要有： Honeywell 公司（HIT3602、HIT3605、HIT3610 型） ，Humeral 公司 (HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223 型)，Sensirion 公司（SHT11、SHT15 型） 。 常用的集成湿度传感器主要有： （1）HIH-3610 是 Honeywell 公司生产的具有信号处理功能的热固聚酯电 容式相对湿度传感器，线性放大输出、工厂标定，独特的多层结构能非常有效 地抵抗环境的侵蚀。工作范围：温度-40+85，相对湿度 0100%RH，精度达 到2%RH，激光修正互换性至 5%RH，低功耗驱动电流设计为 200A，反应时 间为 15s，稳定性好，较低的飘移、抗化学腐蚀性能强。 （2）HM1500 是法国 Humeral 公司采用 Humeral 专利湿敏电容 HS1101 设 计制造的相对湿度传感器。带防护棒式封装，5VDC 恒压供电，14VDC 放大 线性电压输出，便于用户使用。湿度测试量程为 0100%RH，精度达到 3%R（1095%RH 范围） ，防灰尘，可有效抵抗各种腐蚀性气体物质，非常低 的温度依赖性，长期稳定性好，反应时间 5s。 第二章 系统总体设计方案 8 （3）与传统的温湿度传感器不同，SHT11 是瑞士 Sensirion 公司推出的基 于 CMOSensTM 技术的新型智能温湿度传感器，它将温湿度传感器、信号放大 调理、A/D 转换、二线串行接口全部集成于一个芯片内，融合了 CMOS 芯片技 术与传感技术，使传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性 价比、使用方便、接口简单等优点，从而发挥出它们强大的优势互补作用。 2.2.3 温湿度传感器的确定 综上所述，以上介绍的大都是单个的温、湿度传感器，而 SHT11 集温度传 感器与湿度传感器于一体，并且采用 SHT11 进行温湿度实时监测的系统具有精 度高、成本低、体积小、接口简单等好处；另外 SHT11 芯片内部集成 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，所以选用 SHT11。 第三章 系统硬件设计 9 第三章 系统硬件设计 本系统硬件包括：单片机最小系统、LCD1602 液晶显示、键盘、SHT11 温 湿度检测、报警电路、通讯芯片 MAX232、通信串口、控制接口（空调、风机、 加湿机） 、电源模块。系统整体电路框图如图 2-1 所示。 3.1 单片机最小系统设计 3.1.1 AT89C52 简介 AT89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统 中可编程的 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造， 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可 编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编 程 Flash，使得 AT89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解 决方案。 AT89C52 具有以下标准功能：8k 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止 工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或 硬件复位为止。具体引脚图如图 3-1 所示。 3.1.2 时钟电路和复位电路 一时钟电路 （1）内部时钟方式 在 XTAL1 和 XTAL2 之间跨接晶体振荡器和微调电容，组成并联谐振电 路，构成稳定的自激振荡器，如图 3-2 所示，晶体振荡器的振荡频率决定单片 机的时钟频率。 （2）外部时钟方式 第三章 系统硬件设计 10 在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当 引入惟一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时，外部的脉冲信 号是经 XTAL2 引脚注入，如图 3-3 所示。 图 3-1 AT89C52 引脚图 图 3-2 89C58RD+的内部时钟电路 图 3-3 89C58RD+的外部时钟电路 二复位电路 常见的复位电路有下列三种形式，如图 3-4 所示。 （1）上电自动复位方式是在单片机接通电源时，对电容充电来实现 的。上电瞬间，RST 端的电位与 VCC 相同。只要在 RST 端有足够长的时间 保持阈值电压，单片机便可自动复位。 第三章 系统硬件设计 11 （2）按键电平复位方式通过使 RST 端经电阻与 VCC 电源接通而实 现。 （1）上电自动复位方式 （2）按键电平复位 （3）按键脉冲复位 图 3-4 常见的复位电路 （3）按键脉冲复位方式利用微分电路产生的正脉冲实现复位。 3.1.3 单片机最小系统电路图 单片机最小系统电路图如图 3-5 所示。其中时钟电路为内部时钟电路，复 位电路为上电自动复位方式与按键电平复位方式的结合。 图 3-5 单片机最小系统 第三章 系统硬件设计 12 3.2 LCD1602 液晶显示 3.2.1 1602 简介 （1）主要技术参数： 表 3-1 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（WXH）mm （2）接口信号说明 图 3-6 1602 引脚示意图 1 接地；2 接电源；3 引脚的电压为负，作用是用于调整 LCD1602 的显示 对比度，一般会外接电位器用以调整偏压信号，此脚电压为 0 时可以得到最强 第三章 系统硬件设计 13 的对比度；4 为高电平时选择数据，为低电平时选择命令；5 为高电平时执行 读操作，为低电平时执行写操作；6 是 LCD 的使能端，为高电平时 LCD 工作， 为低电平时 LCD 不工作；714 是数据传送、接收口。15 接 1602 内部电源的 正极，16 接 1602 内部电源的负极。 3.2.2 1602 与单片机连接图及工作原理 1602 与单片机连接图如图 3-7 所示。RS、RW、E 分别接单片机的 P20、P21、P22 口，714 数据口通过上拉电阻接单片机的 P0 口，本设计中主 要使用 1602 的写入操作，写入操作分为两部分：写命令和写数据。写命令即 单片机往 1602 写入控制 1602 的各种命令，这些命令都是十六进制格式的，如 0x01(清屏命令)、0x80(在 1602 的第一行第一个位置写书数据)。写数据就是写 入 1602 标准字符库中提供的各种字符。1602 能显示 32 个字符，分两行显示， 每行 16 个字符。写数据，写命令的程序都是参考写时序图写出的。P21 口用于 控制读 1602 还是写 1602，本设计中是写 1602，所以 P21 口为低电平；P20 口 控制写数据还是写命令，P20 口为高电平时写数据，为低电平时写命令；P22 口的作用就是使单片机发送的命令传到 1602。P0 口是单片机向 1602 发送命令 的通道。 第三章 系统硬件设计 14 图 3-7 1602 与单片机连接图 3.3 矩阵键盘 由于键盘要输入设定的温湿度范围，输入过程中涉及到输入数字、小数点、 空格、负号，百分号等，控制键位较多，为了方便设计系统程序，并且使硬件 安全可靠，本设计采用 44 矩阵键盘，与单片机 P1 口相连，电路图如图 3-8 所 示。 图 3-8 矩阵键盘与单片机连接图 矩阵键盘的工作原理： 使 P10 为 0，P11、P12、P13 为 1，看 P14P17 哪个为 0，如果 P14 为 0， 表明 S1 按下，如果 P15 为 0，表明 S2 按下，如果 P16 为 0，表明 S3 按下，如 果 P17 为 0，表明 S4 按下；使 P11 为 0，P10、P12、P13 为 1，看 P14P17 哪 个为 0，如果 P14 为 0，表明 S5 按下，如果 P15 为 0，表明 S6 按下，如果 P16 为 0，表明 S7 按下，如果 P17 为 0，表明 S8 按下；使 P12 为 0，P10、P11、P13 为 1，看 P14P17 哪个为 0，如果 P14 为 0，表明 S9 按下， 如果 P15 为 0，表明 S10 按下，如果 P16 为 0，表明 S11 按下，如果 P17 为 0，表明 S12 按下；使 P13 为 0，P10、P11、P12 为 1，看 P14P17 哪个为 0， 如果 P14 为 0，表明 S13 按下，如果 P15 为 0，表明 S14 按下，如果 P16 为 0，表明 S15 按下，如果 P17 为 0，表明 S16 按下。 另外，按键在闭合和断开时触点会存在抖动现象，所以必须消除抖动，消 抖可以采取硬件消抖和软件消抖，为了降低成本，简化硬件电路，本设计采取 第三章 系统硬件设计 15 软件消抖，即编程实现消抖。按键按下的消抖过程为先初步判断按键是否按下， 如果按下，延时 20S，再次判断按键是否按下，如果按下，说明按键按下；按 键断开的消抖过程为先初步判断按键是否松开，如果松开，延时 20S，再次判 断按键是否松开，如果松开，说明按键松开。 本设计矩阵键盘的功能图如图 3-9 所示。 0123 654 %. 98 7 空格 清屏清屏 图 3-9 矩阵键盘的功能图 本设计中键盘的作用就是设定温湿度的范围使其在 1602 第一行显示，前 10 个按键按下输入数字 09；第 11 个按键是空格键，用于使输入的温度最高 值、温度最低值、湿度最高值、湿度最低值之间隔开几位，使其不连在一起； 第 12 个按键是负号键，按下则输入负号，应为本设计中的最低温度为-1，所 以用到此键；13 个按键是小数点，因为本设计检测的温湿度精确到小数点后一 位，所以用到此键；第 14 个按键是百分号，按下则输入%，因为显示的湿度是 百分数，所以用到此键；第 15 个，第 16 个按键是清屏键，当输入设定的温湿 度范围输错时，按下 15 键或 16 键可清除第一行，从而可以重新输入。当按键 输入次数大于等于 16 时，清屏键就不起作用了，当输入第一行设定的温湿度 范围并且按键 17 次松手时，1602 第二行自动显示测得并经过处理后的温湿度 及控制信息。 3.4 温湿度检测 第三章 系统硬件设计 16 3.4.1 SHT11 测温湿度的使用方法 SHT11 引脚图如图 3-10 所示。SHT11 与单片机的连接是采用 I2C 总线形式， 2 数据线、3 时钟线分别于单片机的两个引脚相连，I2C 总线与单片机相连时通 常要接上拉电阻，但本设计中的 SHT11 内部含有上拉电阻，所以 SHT11 的数 据线和时钟线直接和单片机相连，不需外接上拉电阻。 SHT11 集温度传感器、湿度传感器、模数转换，校验存储器于一体，所以 对 SHT11 的使用主要是通过编程来实现的。SHT11 的编程主要包括启动 SHT11、读一个字节、写一个字节、复位及校验几部分组成。具体编程过程见 第四章流程图及附录中程序部分。 图 3-10 SHT11 引脚图 3.4.2 校验测得的温湿度 (1) 相对湿度 为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，建议使用如下公式修正输 出数值： 1212 T dddSO d （3-1） 2 123linearRHRH RHccSOcSO 湿度转换系数如表 3-2 所示。 表 3-2 湿度转换系数 RH SO 1 c 2 c 3 c 12 bit-40.0405-2.810-6 第三章 系统硬件设计 17 8 bit-40.648-7.210-4 湿度传感器相对湿度的温度补偿： 因为本设计设定的温度范围为-1+3,与 25相差很大，所以要用到湿度 传感器相对湿度的温度补偿： （3-2） 12 (-25) () tureRHlinear RHTttSORH 湿度补偿系数如表 3-3 所示。 表 3-3 湿度补偿系数 RH SO 1 t 2 t 12 bit0.010.00008 8 bit0.010.00128 本设计中湿度传感器的测量分辨率为 12bit，所以采用公式（2）时， 取 1 t 0.01，取 0.00008，具体编程实现过程见附录中的程序部分。 2 t （2）温度 SHT11 中的的温度传感器的线性很好，可用如下公式实现温度的数模转换： （3-3） 12T TemperatureddSO 温度转换系数如表 3-4 所示。 表 3-4 温度转换系数 DD V 1 d 1 d T SO 2 d 2 d 5V-40.00-40.0014bit0.010.018 4V-39.75-39.5512bit0.040.072 3.5V3-39.66-39.39 第三章 系统硬件设计 18 3V3-39.60-39.28 2.5V3-39.55-39.19 本设计中温度传感器的测温精度为 14bit，温度的校验采用公式（3） ， 取 0.01，取-40.00，具体编程实现过程见附录中的程序部分。 2 d 1 d 3.4.3 SHT11 与单片机相连的电路图 SHT11 与单片机连接电路图如图 3-12 所示。其中，P23、P24 分别是单片 机的 P2.3 口和 P2.4 口。 图 3-12 SHT11 与单片机连接电路图 3.5 报警电路 报警电路如图 3-13 所示，蜂鸣器的控制是利用三极管的开关作用，当三极 管导通时蜂鸣器响，当三极管不导通时，蜂鸣器不响。当 P2.5 口输出高电平时 三极管导通，蜂鸣器响，当 P2.5 口输出低电平时三极管不导通，蜂鸣器不响。 当测得的温湿度不在设定的温湿度范围内时，编程使 P2.5 输出高电平，蜂鸣器 报警；当测得的温湿度在设定的温湿度范围内时，编程使 P2.5 输出低电平，蜂 鸣器不工作。 第三章 系统硬件设计 19 图 3-13 报警电路 3.6 控制电路 本次设计以 P2.6 口通过三极管的开关作用控制继电器的通断来控制加热设 备工作与否；P2.7 口通过三极管的开关作用控制继电器的通断来控制制冷设备 工作与否；P3.6 口通过三极管的开关作用控制继电器的通断来控制加湿设备工 作与否；P3.7 口通过三极管的开关作用控制继电器的通断来控制降湿设备工作 与否；它们的控制接口电路相同，就以控制加热设备的电路为例讲解，控制加 热设备的电路图如图 3-14 所示。 图 3-14 控制加热设备的电路 第三章 系统硬件设计 20 控制原理如下： P5 的 1,3 引脚接 220V 交流电源，当 LCD 显示的测得的温度低于设定的最 低温度时，编程使 P2.6 口为低电平，三极管导通，继电器线圈得电，P5 的 1,3 接通，加热设备工作，同时 LED 指示灯 D8 亮，表示当前处于加热状态；当测 得的温度大于设定的最低温度时，编程使 P2.6 口为高电平，三极管关断，继电 器线圈断电，P5 的 1,2 接通，加热设备停止工作，同时 LED 指示灯 D8 灭。 其它三个控制接口电路的工作原理与此类似。 同时，当加热设备工作时，LCD 第二行后四位的第一位显示 1，不工作时 不显示，用以显示加热设备的工作状态；当制冷设备工作时，LCD 第二行后四 位的第二位显示 1，不工作时不显示，用以显示制冷设备的工作状态；当加湿 设备工作时，LCD 第二行后四位的第三位显示 1，不工作时不显示，用以显示 加湿设备的工作状态；当降湿设备工作时，LCD 第二行后四位的第四位显示 1，不工作时不显示，用以显示降湿设备的工作状态。 3.7 单片机与 PC 之间的通信 PC 内部通常都装有一个 RS-232 异步通信适配器版，其主要器件为可编程 的 UART 芯片，如 8250 等，从而使 PC 有能力与其他具有标准 RS-232 串行通 信接口的计算机设备进行通信。AT89C52 单片机本身具有一个全双工的串行口， 但单片机的串行口为 TTL 电平，需要外接一个 TTL-RS-232 电平转换器才能够 与 PC 的 RS-232 串行口连接，组成一个简单可行的通信接口。 由于 RS-232 的逻辑电平与 TTL 电平不兼容，为了与 TTL 电平的 AT89C52 单片机器件连接，本设计采用美信公司生产的 MAX232 进行电平转换。 采用三线制连接串口，即单片机只连接电脑 9 针串口的 3 根线；第 5 脚的 GND、第二脚的 RXD、第三脚的 TXD，具体电路如图 3-15 所示。 第三章 系统硬件设计 21 图 3-15 串口通信电路 3.8 电源电路 3.8.1 线性直流稳压电源的基本原理 线性直流稳压电源通常由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等几部 分组成如图 3-16 所示。 变压 器 滤波 电路 整流 电路 稳压 电路 交流电源 直流负载 图 3-16 直流稳压电源结构框图 3.8.2 电源原理图 线性直流稳压电源电路原理图如图 3-17 所示，输入 220V 的交流电压， 经变压器 T1 （220V 转 15VB 变压器）后输出为 15V 的交流电压，经整流、 滤波、稳压（12V 稳压器）后输出的12V 的直流电压,又经过 5V 稳压器输出 5V 直流电压。12V 直流电压给继电器供电，5V 直流电压给单片机供电。 第四章 第三章 系统硬件设计 22 第五章 图 3-17 线性直流稳压电源原理图 第四章 系统软件设计 23 第四章 系统软件设计 本系统软件设计主要包括：系统初始化程序、按键显示设定的温湿度范围 程序、温湿度测量处理及显示程序、控制程序，串口通信程序。系统整体流程 图如图 4-1 所示。 系统启动 按键输入设定的温湿度 第一行LCD显示 温湿度测量、处理 更新第二行LCD实时温湿度显示 及控制状态显示 控制 PC 串口传输 系统初始化 图 4-1 系统整体流程图 第四章 系统软件设计 24 4.1 系统初始化程序 系统初始化程序主要是设定系统的初始化状态。本设计的初始化是设置蜂 鸣器、升温装置、降温装置、加湿装置、降湿装置不工作，并将显示器件 LCD 初始化，串口初始化，等待按键输入温湿度的范围。 初始化流程图如图 4-2 所示。 开始 蜂鸣器不工作 升温、降温、加湿、降湿 装置不工作 1602初始化、串口初始化 结束 图 4-2 初始化流程图 4.2 按键显示设定的温湿度 键盘功能图如图 3-11 所示，按键显示设定的温湿度的过程为：按键输入设 定的温湿度，如果按错，按第 15 个或第 16 个键清屏；并且保证按键次数为 17 次。具体流程图如图 4-3 所示。 4.3 温湿度计算（测量、处理）及显示 第四章 系统软件设计 25 计算出的温湿度是最终显示在 LCD 上的温湿度。计算过程包括两步：温 湿度的测量，温湿度的处理。温湿度的处理过程是为了补偿温湿度传感器的非 线性。温湿度的计算流程图如图 4-4，温湿度的测量流程图如图 4-5。温湿度的 处理过程就是计算补偿温湿度传感器非线性的公式，在此不写流程图，具体过 程见附录中的程序，温湿度的显示过程见附录中的程序。 图 4-3 按键显示设定的温湿度流程图 图 4-4 温湿度计算流程图 开始 等待按键 显示键值 按键错误清屏 17次 结束 N Y Y N 开始 SHT11复位 测温 温度处理 结束 测温 温度处理 第四章 系统软件设计 26 开始 启动SHT11 写入测温或测湿命令 应答 数据线忙 结束 复位 N 读温度或湿度 N i0传送- TI=1 Y N N TI=0 Y 延时 图 4-6 串口通信 总 结 29 总 结 通过两个多月的努力基本上完成了毕业设计要求的各项功能：键盘设定温 湿度的控制范围并在液晶上显示；温湿度传感器测温湿度并在液晶上显示；液 晶上测得的温湿度与设定的温湿度进行比较，如果测得的温湿度在设定的温湿 度范围内，则无动作，如果测得的温湿度不在设定的温湿度范围内，则蜂鸣器 报警，并进行相应的加温、降温、加湿、降湿操作，同时在液晶上显示各种控 制状态；当测得的温湿度在液晶上显示的同时，将测得的温湿度上传给 PC 保 存。 本设计研究的温湿度自动控制系统可应用于中小型仓库，从而实现中小型 仓库温湿度的自动控制，精确控制，及时控制，免去了人工测量温湿度造成的 人为误差，降低了人工劳动强度。 本设计的创造性在与温湿度传感器的选择。我在网上查阅了很多资料，他 们在进行温湿度控制系统的设计时，都是采用温湿度分开测量的方法，电路连 接麻烦，精确度不高；本设计采用的是集温度传感器与湿度传感器于一体的数 字温湿度传感器，接口电路简单，测量可靠性高，有因为是数字温湿度传感器， 测量精度高。 这两个多月来我查阅了很多资料，请教了很多同学，并将单片机开发板的 各个模块学习了一遍，基本上完成了这次课程设计。但因为本人能力有限，很 多知识学的不是很深，还有很多东西需要认真学习，所以这次设计还存在以下 问题：单片机与控制温湿度的空调，加湿器，风机怎样连接还不是很清楚；键 盘模块的功能设定考虑的还不是很细。这两个问题尚待改进。 参 考 文 献 30 参 考 文 献 1周润景，张丽娜，丁莉.基于 PROTEUS 的电路及单片机设计与仿真.第 2 版.北京:北京航 空航天大学出版社，2010. 2黄培根.Multisim 10 虚拟仿真和业余制版实用技术.北京:电子工业出版社，2008. 3周向红.51 单片机课程设计.武汉:华中科技大学出版社，2011. 4陈益飞.单片机原理及应用技术.北京:国防工业出版社，2011.02. 5徐爱钧.单片机原理及应用：基于 Proteus 虚拟仿真技术.北京:机械工业出版社，2010. 6许江淳等. 单片机测控技术应用实例解析.北京：中国电力出版社，2010. 7周国雄，晏密英. 单片机应用系统设计精讲. 北京：中国铁道出版社,2011.03. 8洪志刚，杜维玲，井娥林.单片机应用系统设计. 北京:机械工业出版社，2011. 10江力.单片机原理与应用技术.清华大学出版社.2006. 11SHT1x/SHT7x Humidity temp_LL=0; temp_h=0; DATA=1; /释放数据总线 for (i=0x80;i0;i/=2)/位移 8 位 SCK=1; /上升沿读入 if (DATA) val=(val | i); /确定值 SCK=0; DATA=0; /读应答信号，无应答为 1，有应答为 0 ，通过 CPU 下拉为应答 SCK=1; /第 9 个脉冲 _nop_(); _nop_(); _nop_();/pulswith approx. 5 us SCK=0; DATA=1; /释放数据总线 temp_h=val; val=0; /低