毕业设计（论文）-土壤温湿度测量与控制.doc

毕业设计(论文)课 题 名 称 土壤温湿度测量与控制 摘 要土壤温湿度是农作物生长的重要环境条件,它不仅直接影响作物根系的生长发育和土壤微生物的活动，而且土壤温湿度的变化还可诱发土壤中水分的运动。人们需要对土壤温湿度加以控制，使之保持在一定范围之内。采用单片机来对土壤温湿度进行控制，不仅具有控制方便、简单、灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温湿度的技术指标，从而能够大大提高农作物的质量。温室控制系统，通过对周围环境的温度，空气湿度的测量，输出通过LCD显示，并通过单片机对温湿度传感器测量的数据进行分析，输出控制信号去控制步进电机，实现控制温室天窗和侧窗的开关、天棚遮光，开灯照明，喷头，排风系统，并实现单片机控制板对参数进行控制。最终实现温室大棚的自动控制功能。关键词：温室；温湿度；单片机；传感器；步进电机ABSTRACT Soil temperature and humidity are important evironmental conditions for the crops growing.They not only have an direct effect on the crops roots growing and development and the activities of soil microorganism, but the changes in soil temperature and humidity can also lead to water motion in soil. In order to keep soil temperature and humidity within a certain range,people need to control them.Controlling the soil temperature and humidity by using single chip computer can not only have advantages of convenient in controlling,briefness and flexibility,but can also greatly increase the technology of controlled humidity.Thus it makes possible to improve the quality of the agricultural products.The temperature of the surrounding evironment and air humidity are measured and its output is displayed by LCD in greenhouse controlling system.And then through analying the data measured by temperature and humidity sensor through single chip computer,the output signal is used to control stepping motor,vealizing to control the system of skylight and sidewindow,the system of shadow in skyhlight,illumination of switch,shower nozzle,ventilation systems,and realize controlling to parameters through single chip computer module. Eventually,it can realize the automatic controlling fuction towards greenhouse.Key Words: greenhouse; temperature and humidity; singlechip; sensor; stepper motor目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 课题的来源11.2 系统整体目标11.3 系统方案比较1第2章 硬件系统设计42.1 单片机简介42.2传感器的分析82.3 温湿度传感器102.4 键盘模块162.5 液晶显示模块172.6 控制电路模块232.7 报警系统模块28第3章 软件设计293.1 程序设计语言与软件开发环境293.2 程序流程图31第4章 系统仿真与调试334.1 Proteus仿真平台334.2 系统仿真33第5章 PCB板设计365.1加载网络表及元件封装365.2规划电路板并设置相关参数395.3元件布局及布线设计40总 结43参考文献44致 谢45附录I 系统总电路图46附录II程序主要原代码47III 邵阳学院毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 课题的来源温湿度是一种最基本的环境参数，人们生活与环境温湿度息息相关，在工业生产过程中需要实时测量温湿度，在农业生产中也离不开温湿度的测量，因此研究温湿度的测量方法和装置具有重要的意义。测量温度的关键是温度传感器，测量湿度的关键是湿度传感器。 在农业生产中，土壤温湿度是农作物生长的重要环境条件,它不仅直接影响作物根系的生长发育和土壤微生物的活动，而且土壤温湿度的变化还可诱发土壤中水分的运动。人们需要对土壤温湿度加以控制，使之保持在一定范围之内。采用单片机来对土壤温湿度进行控制，不仅具有控制方便、简单、灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量。1.2 系统整体目标系统以AT89C51单片机为核心，主要由LCD数码显示电路、键盘控制、数字温湿度采集模块、报警系统、控制电路组成。系统通过数字温湿度传感器采集土壤的温湿度，并将采集的数据送入单片机中。在AT89C51单片机中，对送过来的数据进行处理和分析，并将数据通过LCD显示电路显示。若测定值超过设定值，则输出信号通过控制电路控制温室天窗和侧窗的开关、天棚遮光，开灯照明，喷头，排风系统。并实现单片机控制板对参数进行控制。最终实现温室大棚的自动控制功能。具体功能：（1）检测和控制温湿度； (2) 通过液晶自动显示瞬时温湿度，且使用数字键盘能修改温湿度设定值；（3）输出信号控制温室天窗和侧窗的开关、天棚遮光，开灯照明，喷头，排风系统。1.3 系统方案比较1.3.1 系统设计方案一在本系统设计中，需要采用传感器。所谓传感器，就是能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。简单的说，能把被测非电量转换成为电信号输出的器件或装置称为传感器。用于测量与控制的传感器种类繁多。一个被测量，可以用不同的传感器来测量；而同一原理的传感器，通常又可以测量多种非电量。因此，传感器的种类也五花八门。在方案一中，采用集成数字温湿度传感器来采集环境的温湿度，然后送到单片机进行分析。随着信息科学与微电子技术，特别是微型计算机与通信技术的迅猛发展，传感器逐渐与微处理器、微型计算机相结合，便产生了智能式传感器。智能化传感器采用微处理器和微型计算机系统来扩展和提高传统传感器的功能，传感器与微处理可分为两个分立的功能单元，传感器的输出信号经放大调节和转换后由接口送入微处理器进行处理。而智能传感器是借助于半导技术将传感器部分与信号调节电路、接口电路和微处理器制作在同一块芯片上，即构成大规模集成电路的智能传感器。方案结构图如图1.1所示：键盘控制 AT89C51 单 片 机LCD 显 示电 路报警系统数字温湿度采集模块控制电路图1.1 方案结构图一1.3.2 系统设计方案二在方案二中，采用温度传感器来测量环境温度，使用湿度传感器测量环境湿度，然后就采集到的数据通过模数转换电路，将模拟信号转换为数字信号，然后送到单片机分析。方案二结构图如图1.2所示：键盘控制 AT89C51 单 片 机LCD 显 示电 路报警系统温度传感器控制电路湿度传感器模数转换模数转换图1.2 方案结构图二1.3.3 方案比较及确定在现代生产生活中 ,温度和湿度的监测与控制在仓储管理、智能化建筑、气象、环保、生物制药、食品加工等领域获得了越来越广泛的应用.相对于温度测量而言，湿度的测量一直是一个难点，目前的湿敏传感器以电容式传感器居多，通过在不同湿度下介质的介电常数变化引起电容值的变化来测量湿度。传统的湿度传感器需设计信号调理电路并要经过复杂的校准、标定过程，测量精度难以得到保证，且在线性度、重复性、互换性等方面往往不尽如人意。在方案二中如果利用HS1101湿度传感器进行湿度测量，测量电路需外接振荡电路得到频率输出值同样需要复杂的外接转换电路。如果利用2片DS18B20开发出一种干湿球湿度传感器，但是为解决露点问题需外加通风装置，而且风速对测量结果影响较大。利用单总线芯片作为转换电路构成了单总线湿度测量装，使得接口线路简化，值得推广，但仍然需要应用到转换电路，且单总线协议时序复杂，不易编程。方案一中采用一款瑞士Sensirion公司生产的SHTxx系列新型的数字温湿度传感器来进行湿度测量，该传感器采用了独特的CMOSens技术，将CMOS芯片技术与传感器技术结合在一起构成高集成度、体积极小的数字式温湿度传感器，使得传感器的耐久性、元件尺寸、数字化、简单和快速的系统应用等性能均有较大的提高。使用SHTxx传感器无需外加任何转换电路，可与微处理器直接连接实现湿度以及温度的测量。因此方案一电路简单，抗干扰能力强。采用数字温湿度传感器，它不仅具有信号检测、转换和处理功能，同时还具有存贮、记忆、自补偿、自诊断等多种功能。因而体积缩小、线路简化、结构更紧密，可靠性和抗干扰能力大大提高。对于方案二，由于采用二个传统的传感器，并且需要采用模数转换电路，使整个系统电路复杂。通过比较两个方案优缺点，本设计采用方案一。第2章 硬件系统设计2.1 单片机简介当今世界已进入信息时代。随着微电子技术的发展，微型计算机的应用已渗透到各个领域。单片机技术的应用，是计算机控制技术的重要分支。将单片机用于工业控制、数据采集、智能仪器仪表、家用电器以及传统工业加工生产及工艺流程的技术改造，推动了人们生活方式和生产方式的革命，促进了和谐社会的建设及社会文明的提高。2.1.1 单片机基本结构单片机（SCM）1 2是单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）的简称。它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时/计数器以及串行通信接口等部件集成在一块芯片中，构成一个完整的微型计算机。随着SCM在技术上、体系上不断扩展其控制功能，国际上已采用MCU（Micro Controller Unit）代替单片机的名词。目前，单片机的品种很多，但其中最具典型性的当属英特尔公司的MCS-51系列单片机。它是一种8位的单片机，具有品种全、兼容性强、软硬件资源丰富以及良好的性能价格比等特点，非常适合我国的国情，不失为单片机中的主流机型。在MCS-51系列单片机中，8031、8751、与8051的内部结构基本相同。其区别仅在8031内部不含有程序存储器，必须由外部扩展；8751内部程序存储器为可编程、可改写的只读存储器EPROM，其内部程序由用户自行写入。在硬件资源方面，片内数据存储器采用8位地址，寻址范围为256字节；4个8位并行I/O接口，可用于地址和数据的传送；也可与8234、8155等连接，进行外部I/O接口的扩展；一个串行I/O接口，是全双工串行通信口，可用于数据的串行接收和发送，为构成串行通信网络提供了方便；两个（8052为三个）定时/计数器，计数长度为16位，有4种工作方式；中断系统设置2级中断优先级，可接受5个中断源的中断请求。在指令方面，有111条指令，分为4大类，使用了7种寻址方式，有减法、比较和8位乘、除法指令；具有布尔处理机，便于实时逻辑控制。80C51系列单片机为MCS-51系列的新一代产品，与其内部组织基本相同，除保留了MCS-51单片机的所有特性外，还增设了空闲和掉电两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式，主要技术特点是向外部接口电路扩展，以实现微控制器（Microcontroller）完善的控制功能。51内核系列单片机被广泛应用于从家用电器到武器装备等各种应用系统，尤其是Philips、Infineon、Silicon Laboratories, Inc.、Analog Devices等制造商给51内核系列单片机加入了大量的外围模块，例如I2C总线接口、ADC模数转换、PWM、DMA、DAC等，而且不少芯片的工作频率达到40M，工作电压下降到1.5V，这些功能的增加使得51内核单片机得到了新生，形成新一代51内核系列单片机产品。每个51单片机处理周期包括12个振荡周期，每12个振荡周期用来完成一项操作如取指令和计算指令执行时间可把时钟频率除以12 取倒数然后指令执行所须的周期数，如果系统时钟是11.059MHz，则除以12 后就得到了每秒执行的指令个数为921583条指令，取倒数将得到每条指令所需要的时间1.085s。51单片机的结构框图如图2.1所示。图2.1 单片机的结构框图2.1.2 单片机工作时序 （1）时钟周期80C51振荡器产生的时钟脉冲频率的倒数，是最基本最小的定时信号。 （2）状态周期它是将时钟脉冲二分频后的脉冲信号。状态周期是时钟周期的两倍。状态周期又称S周期。在S周期内有两个时钟周期，即分为两拍，分别称为P1和P2。 （3）机器周期80C51单片机工作的基本定时单位，简称机器周期。一个机器周期含有6个状态周期，分别为S1、S2、S6，每个状态周期有两拍，分别为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2，S6P1、S6P2。机器周期是6个状态周期、 12个时钟周期。当时钟频率为12MHz时，机器周期为1mS；当时钟频率为6MHz时，机器周期为2mS。 （4） 指令周期指CPU执行一条指令占用的时间(用机器周期表示) 4。80C51执行各种指令时间是不一样的，可分为三类：单周期指令、双周期指令和四周期指令。其中单周期指令有64条，双周期指令有45条，四周期指令只有2条(乘法和除法指令)，无三周期指令。 图2.2 80C51的取指执行时序2.1.3 复位和低功耗工作方式80C51单片机有复位、程序执行、低功耗、编程和校验四种工作方式。 （1）复位复位操作是单片机的基本操作，单片机在进入运行前和在运行过程中程序出错或操作失误使系统不能正常运行时，需要进行复位操作。复位操作后，程序将从0000H开始重新执行，复位时特殊寄存器的状态如表2.1所示：表2.1 特殊寄存器的状态表寄存器名称复位状态寄存器名称复位状态PC0000HTCON0000000BACC00HTL000HB00HTH000HPSW00HTL100HSP07HTH100HTMOD000000BPCON00000BDPTR0000HSBUF不定P0P3FFHSCON00H （2）程序执行方式程序执行方式是单片机的基本工作方式。系统复位PC=0000H，程序从0000H开始执行，考虑到单片机存储器结构的特殊性（0003H0002BH共40个单元，预留用于中断程序），在0000H0002H中放一条无条件转移指令，程序从指定的地址开始执行。配合程序调试，程序又可运行在单步、跟踪、全速运行三种执行方式。目前一般仿真器都提供这三种程序执行方式。随着科学技术的发展，在线可编程（ISP）单片机已经走向应用，如STT89C58、AT89S51、AT89S52芯片，都具有在线可编程功能。 （3）低功耗工作方式80C51单片机有待机和掉电保护两种低功耗工作方式6 7，单片机低功耗方式的设置是通过电源控制寄存器（PCON）的相关位来实现的。电源控制寄存器（PCON）格式如下：MSB LSBSMODGF1GF0PDIDLPSON其中： SMOD：波特率倍增位（在串行通信中使用） GF1、GF0：通用标志位 PD：掉电方式控制位， PD=1，进入掉电工作方式； IDL：待机(休闲)方式控制位, IDL=1,进入待机工作方式。2.2传感器的分析2.2.1传感器选用人类的生存和社会活动与温湿度密切相关。随着现代化的实现，很难找出一个与温湿度无关的领域来。由于应用领域不同，对温湿度传感器的技术要求也不同。从制造角度看，同是温湿度传感器，材料、结构不同，工艺不同其性能和技术指标有很大差异，因而价格也相差甚远。对使用者来说，选择温湿度传感器时，首先要搞清楚需要什么样的传感器；自己的财力允许选购什么档次的产品，权衡好“需要与可能”的关系，不至于盲目行事。我觉得有以下几个问题值得注意。 （1）选择测量范围和测量重量、温度一样，选择温湿度传感器首先要确定测量范围。除了气象、科研部门外，搞温、湿度测控的一般不需要全湿程(0-100RH)测量。在当今的信息时代，传感器技术与计算机技术、自动控制技术紧密结合着。测量的目的在于控制，测量范围与控制范围合称使用范围。当然，对不需要搞测控系统的应用者来说，直接选择通用型湿度仪就可以了。 （2）选择测量精度和测量范围一样，测量精度同是传感器最重要的指标。每提高个百分点对传感器来说就是上一个台阶，甚至是上一个档次。因为要达到不同的精度，其制造成本相差很大，售价也相差甚远。例如进口的1只廉价的温湿度传感器只有几美元，而1只供标定用的全湿程湿度传感器要几百美元，相差近百倍。所以使用者一定要量体裁衣，不宜盲目追求“高、精、尖”。生产厂商往往是分段给出其温湿度传感器的精度的。如中、低温段(080RH)为2RH，而高湿段(80100RH)为4RH。而且此精度是在某一指定温度下(如25)的值。如在不同温度下使用湿度传感器，其示值还要考虑温度漂移的影响。众所周知，相对湿度是温度的函数，温度严重地影响着指定空间内的相对湿度。温度每变化0.1。将产生0.5RH的湿度变化(误差)。使用场合如果难以做到恒温，则提出过高的测湿精度是不合适的。因为湿度随着温度的变化也漂浮不定，只谈测量湿度的精度将失去实际意义。所以控制湿度首先要控制好温度，这就是大量应用的往往是温湿度一体化传感器而不单纯是湿度传感器的缘故。 （3）考虑时漂和温漂几乎所有的传感器都存在时漂和温漂。由于温湿度传感器必须和大气中的水汽相接触，所以不能密封。这就决定了它的稳定性和寿命是有限的。一般情况下，生产厂商会标明1次标定的有效使用时间为1年或2年，到期负责重新标定。选择温湿度传感器要考虑应用场合的温度变化范围，看所选传感器在指定温度下能否正常工作，温漂是否超出设计指标。值得注意的是：电容式湿度传感器的温度系数是个变量，它随使用温度、湿度范围而异。这是因为水和高分子聚合物的介电系数随温度的改变是不同步的，而温度系数又主要取决于水和感湿材料的介电系数，所以电容式湿敏元件的温度系数并非常数。电容式湿度传感器在常温、中湿段的温度系数最小，5-25时，中低湿段的温漂可忽略不计。但在高温高湿区或负温高湿区使用时，就一定要考虑温漂的影响，进行必要的补偿或订正。 （4）其它注意事项温湿度传感器是非密封性的，为保护测量的准确度和稳定性，应尽量避免在酸性、碱性及含有机溶剂的气氛中使用。也避免在粉尘较大的环境中使用。为正确反映欲测空间的湿度，还应避免将传感器安放在离墙壁太近或空气不流通的死角处。有的温湿度传感器对供电电源要求比较高，否则将影响测量精度或者传感器之间相互干扰，甚至无法工作。使用时要求提供合适的、符合精度的供电电源。 2.2.2 智能化温湿度传感器2002年Sensiron公司在世界上率先研制成功SHT11、SHT15型智能化温湿度传感器，其外形尺寸仅为7.6（mm）5(mm)2.5（mm），体积与火柴头相近。出厂前，每只传感器都在温度室中做过精密标准，标准系数被编成相应的程序存入校准存储器中，在测量过程中可对相对湿度进行自动校准。它们不仅能准确测量相对温度，还能测量温度和露点。测量相对温度的范围是0100%，分辨力达0.03%RH，最高精度为2%RH。测量温度的范围是-40+123.8，分辨力为0.01。测量露点的精度低I/O缓冲DR配合R/W进行写数据或指令高DRI/O缓冲配合R进行读数据或指令低/低高无动作无 忙标志BF BF标志提供内部工作情况。BF=1表示模块在进行内部操作，此时模块不接受外部指令和数据。BF=0时，模块为准备状态，随时可接受外部指令和数据。利用STATUS RD 指令，可以将BF读到DB7总线，从而检验模块之工作状态。 字型产生ROM（CGROM） 字型产生ROM（CGROM）提供8192个触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制。DFF=1为开显示（DISPLAY ON),DDRAM 的内容就显示在屏幕上，DFF=0为关显示（DISPLAY OFF)。DFF 的状态是指令DISPLAY ON/OFF和RST信号控制的。 显示数据RAM（DDRAM）模块内部显示数据RAM提供642个位元组的空间，最多可控制4行16字（64个字）的中文字型显示，当写入显示数据RAM时，可分别显示CGROM与CGRAM的字型；此模块可显示三种字型，分别是半角英数字型(16*8)、CGRAM字型及CGROM的中文字型，三种字型的选择，由在DDRAM中写入的编码选择，在0000H0006H的编码中（其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个）将选择CGRAM的自定义字型，02H7FH的编码中将选择半角英数字的字型，至于A1以上的编码将自动的结合下一个位元组，组成两个位元组的编码形成中文字型的编码BIG5（A140D75F），GB（A1A0-F7FFH）。 字型产生RAM(CGRAM) 字型产生RAM提供图象定义(造字)功能, 可以提供四组1616点的自定义图象空间，使用者可以将内部字型没有提供的图象字型自行定义到CGRAM中，便可和CGROM中的定义一样地通过DDRAM显示在屏幕中。 地址计数器AC地址计数器是用来贮存DDRAM/CGRAM之一的地址,它可由设定指令暂存器来改变，之后只要读取或是写入DDRAM/CGRAM的值时，地址计数器的值就会自动加一，当RS为“0”时而R/W为“1”时，地址计数器的值会被读取到DB6DB0中。光标/闪烁控制电路此模块提供硬体光标及闪烁控制电路，由地址计数器的值来指定DDRAM中的光标或闪烁位置。（3）指令说明12864液晶显示模块基本操作指令如表2.8所示：表2.8 12864液晶显示模块指令表指令名称控制信号控制代码R/S R/WD7D6D5D4D3D2D1D0显示开头设置0 00011111D显示起始行设置0 011L5L4L3L2L1L0页面地址设置0 010111P2P1P0列地址设置0 001C5C4C3C2C1C0读取状态字0 1BUSY0ON/OFFREST0000写显示数据1 0数据读显示数据1 1数据读取状态字R/SR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB001BUSY0ON/OFFRESET0000当R/W=1，R/S=0时，在E信号为高的作用下，状态分别输出到数据总线上。状态字是了解模块当前工作状态唯一的信息渠道，在每次对模块操作之前，都要读出状态字判断BUSY是否为“0”。若不为“0”，则计算机需要等待，直至BUSY=0为止。显示开关设置：显示的开与关的设置是通过对下表的第8位进行设置，当D=1时，表示开显示器，当D=0时表示关显示器。R/SR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000011111D显示起始行设置：显示起始行的设置是通过下表中DB5DB0的设置来实现的，其取值范围在03FH（164行），它规定了显示屏上最顶一行所对应的显示存储器的行地址。R/SR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00011显示起始行（063）页面地址设置：页面设置是通过表中的DB2DB0的位来设置，页面地址是DDRAM的行地址。8行为一页，DDRAM共64行即8页，表示07页。R/SR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00010111Page(07)列地址设置：列地址是DDRAM的列地址，共64列，DB5DB0取不同值得到03FH（164），代表某一页面上的某一单元地址，列地址计数器在每一次读/写数据后它将自动加1。R/SR/WDB7DB6DB5D