毕业设计（论文）-基于AT89C51单片机的恒温恒湿仪设计.doc

装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸第一章 绪论21.1文献综述21.1.1 国内恒温恒湿仪研究状况21.1.2 国外恒温恒湿仪研究状况21.2 课题研究主要内容21.2课题研究主要方案3第2章 硬件设计理论基础42.1 AT89C51单片机介绍42.2 SHT15温湿度传感器62.2.1 湿度变换72.2.2 温度补偿82.2.3 温度变换82.2.3 命令与接口时序82.4 RS-232总线接口芯片 MSX2329第3章 硬件电路设计103.1 复位电路和时钟电路103.2温湿度检测、显示电路113.3温度、湿度控制电路123.4通信串口电路图13第4章 软件系统设计144.1 PID控制理论144.2 PID控制算法144.3软件流程图154.3.1主程序流程图154.3.2 显示流程图184.3.3 SHT15温湿度传感器温湿度转换和温湿度数值读取18第5章 结论20致谢21参考文献22附录23第一章 绪论1.1文献综述1.1.1 国内恒温恒湿仪研究状况恒温恒湿仪是利用一定的控制系统将仪器内部的温度和湿度调节到给定值，并在该条件下各种行为活动和储藏物品。简而言之就是可以同时施加温度和适度应力的仪器，也就是将仪器内部温度和湿度控制在预先规定范围内的仪器。恒温恒湿系统主要应用于药品生产车、博物馆、档案馆、实验室、室内居家，尤其实在东北这类冬天与夏天温度反差特别大的地方更加更体现出恒温恒湿仪的重要性。近几年，恒温恒湿仪技术在我国发展比较迅速，目前我国能够生产恒温恒湿空调设备的厂家已有上百家，恒温恒湿空调系统的工程应用也日趋增多，应用范围越来越广。但是，人们在重视空调设备本身调控精度的同时，却忽略了恒温恒湿仪的系统设计，导致控制温湿度的精度达不到预定的要求。其实，控制温湿度与温湿度控制器、散热设备、散湿设备、房间气流组织等相关，当这些设备的散热量、散湿量及气流组织波动很大，且温湿度的精度要求较高时，恒温恒湿仪系统的设计就会出现新的问题。对恒温恒湿的研究主要集中于制冷和加热方式选择、控制精度与测试监控、设备的结构等方面，对仪器非稳态温变过程传热特性方面的研究不多。对于湿度，现在多已采用温湿度独立调节方式，这样可避免温湿度调节中的互相干扰，现在着重对加/除湿精度控制、选择加湿方式的研究。1.1.2 国外恒温恒湿仪研究状况国外恒温恒湿控制系统的研究现状。欧美是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于恒温恒湿控制和管理最早、最多的国家。欧美国家有发达的恒温恒湿技术，对于室内温度和湿度控制技术水平非常高。利用计算机仿真技术，与PC机结合，做仿真实验。提高试验速度，降低试验成本，恒温恒湿控制系统主要用来对室内环境温度和度进行监测和控制，以达到保持一定误差范围内的温度和湿度。以档案馆为例，恒温恒湿控制系统主要监控项目包括档案馆内空气温度、空气湿度、相对湿度、相对温度、字迹所用墨水处于的何种温度和湿度保存最完整、纸张所处何种温度湿度保存最好。恒温恒湿系统的应用给工程、居家、档案管理、文物保存、进行各种条件苛刻的实验、农业种植带来了一定的经济效益，提高了效率水平，减轻了技术管理工作量，同时也为带来了非常大的便利。1.2 课题研究主要内容本系统通过SHT15温湿度传感器对仪器内温度、湿度进行检测，并将温度、湿度数据送入AT89C51单片机，与预设的温度、湿度数值进行对比，通过PID控制算法，控制继电器的通断，从而控制加热器、排风机、加湿器、除湿器的工作，从而使恒温恒湿仪工作于预设的温度、湿度。温湿度控制算法精确控制加热、加湿，以实现温湿度误差最小为优化作为工业控制的主要被控参数的温度、湿度，已被广泛采用，如在工业控制中的各种反应炉、加热器等。过去多采用常规的模拟调节器对温湿度进行控制，本课题采用了AT89C51单片机对温湿度实现自动控制。使用单片机对温湿度进行自动控制，难就难在测量的温湿度值和单片机输出的温湿度值误差太大，导致无法输出，利用ATMEL单片机核心程序对其进行编码，实现温湿度在一段范围内的变化，实验成功控制语言的代码，并进行烧片，烧片成功后，运行实验，若能看到实验的结果，则实验完成。1.2课题研究主要方案恒温恒湿仪控制系统硬件部分大致可分为：AT89C51单片机、SHT15温湿度传感器、温度湿度液晶显示器、继电器控温系统、继电器控湿系统等，总的系统框图如图1.1所示AT89C51单片机温湿度数据采集湿度控制系统温度控制系统PC机图1.1方案框图AT89C51单片机可以通过液晶显示屏来显示恒温恒湿试验箱内温度、湿度的实际数值，并可用键盘输入设定值。第2章 硬件设计理论基础2.1 AT89C51单片机介绍该系统硬件单片机采用ATMEL公司生产的AT89系列单片机中的AT89C51。AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。图2.1 AT89C51引脚图P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（计时器0外部输入）P3.5 T1（计时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。2.2 SHT15温湿度传感器SHT15传感器是一款由多个传感器模块组成的单片全校准数字输出相对湿度和温度的传感器。它采用了特有的工业级CMOS技术，保证了极高的可靠性和卓越的长期稳定性。整个芯片包括校准的相对温度和湿度传感器，它们与1 个14 位的A/D转换器相连；此外还有1 个I2C总线串行接口电路，每一个传感器都是在极为精确的湿度室中进行校准。校准系数预先存在OTP内存中。在测量校准的全过程都要用到这些系数。SHT15传感器的特点如下： 图2.2 SHT15引脚图全校准数字输出， 相对温度、湿度传感器；温度值分辨率为14 位， 湿度值分辨率为12 位， 可编程降至12 位和8 位；具有露点计算输出功能；无需外围元件；小体积（7mm 5mm 3mm）， 可表面贴装；卓越的长期稳定性； 自动断电功能； 工业标准I2C总线；可靠的CRC传输校验。SHT15 数字式温湿度传感器的性能指标见下表参数条件最小值典型值最大值单位供电电压2.45.05.5V供电电流测量550A平均228A睡眠0.31A2.2.1 湿度变换如图2.3所示，SHT15 的输出特性呈一定的非线性。图2.3 SHT15相对湿度数字输出特性曲线为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据， 可按如下公式修正湿度值RHlinear=C1+C2SORH+C3SORH2式中SORH 为传感器相对湿度测量值，系数取值为12位SORH:C1= -4, C2=0.0405, C3=-2.810-68位SORH:C1=-4, C2=0.648, C3=-7.210-4上述公式对嵌入式系统而言计算量较大。为了避免复杂的计算工作量， 可根据系统要求的测量精度分别采用以下小计算量修正算法。（1）线性：当系统对湿度测量精度要求不高时， 可采用以下线性计算公式：RHSmple=C1+C2SORH这里C1=0.5；C1=0.5（2）2* 线性。当系统对湿度测量精度要求较高时，可采用以下2* 线性计算公式，即用最小的计算复杂性来提高精确度：RHreal=（a*SO+b）/256这里的SO表示8 位湿度传感器输出的湿度值，当0 SO 107 时， a =143 ， b =512 ， 当108 SO 255时， a =143 ， b =512。湿度性能指标如下表分辨率0.50.030.03%RH81212bit重复性0.1%RH准确度090%RH2%RH非线性1090%RH3%RH范围0100%RH反应时间1/e(63%)4S滞后时间1%RH稳定性典型1%RH2.2.2 温度补偿上述湿度计算公式是按环境温度为25时进行计算的，而实际的测量温度则在一定范围内变化。所以，应考虑湿度传感器的温度系数，按如下公式对环境温度进行补偿。RHtrue=(T-25) (t1+t2SORH)+ RHlinear当SORH 为12 位时，t1=0.01，t2=0.00008；当SORH 为8位时， t2=0.00128.2.2.3 温度变换由设计决定的SHT15 温度传感器的线性非常好，故可用下列公式将温度数字输出转换成实际温度值：温度=d1+d2*SOT当电源电压为5V、温度传感器的分辨率为14位时，d1= -40， d2= 0.01， 当温度传感器的分辨率为12 位时，d1= -40， d2= 0.04。温度特性指标如下表分辨率0.040.010.010.070.020.02121414bit重复性0.10.2准确度0.4(540)取值范围-40123.8-40254.9反应时间530S2.2.3 命令与接口时序SHT15 传感器共有5 条用户命令，具体命令格式见下表命令编码说明测量温度00011温度测量测量湿度00101湿度测量读寄存器状态00111“读”状态寄存器写寄存器状态00110“写”状态寄存器软启动11110重启芯片，清除状态记录器的错误记录，11ms 后进入下一个命令下面介绍一下具体的命令顺序及命令时序。（1）传输开始初始化传输时，应发出“传输开始”命令。命令包括SCK为高时，DATA 由高电平变为低电平，并在下一个SCK 为高时将DATA 升高。后一个命令顺序包含三个地址位（ 目前只支持“000”）和5 个命令位，通过DATA 脚的ack 位处于低电位表示SHT15 正确收到命令。（2）连接复位顺序如果与SHT15 传感器的通信中断，下列信号顺序会使串口复位：当使DATA线处于高电平时，触发SCK 9次以上（含9 次）， 并随后发一个前述的“传输开始” 命令。（3）当发出了温（湿）度测量命令后，控制器就要等到测量完成。使用8/ 12/14 位的分辨率测量，分别需要大约11/55/ 210ms。为表明测量完成，SHT15 会使数据线为低，此时控制器必须重新启动SCK，然后传送两字节测量数据与1 字节CRC校验和。控制器必须通过使DATA为低来确认每一字节， 所有的量中从右算MSB 列于第一位。通信在确认CRC 数据位后停止。如果没有用CRC-8 校验和，则控制器就会在测量数据LSB后，保持ACK为高来停止通信。SHT15在测量和通讯完成之后会自动返回睡眠模式。需要注意的是，为使SHT15温升低于0.1， 此时工作频率不能大于15%（如：12 位精确度时， 每秒最多进行3 次测量）。测量温度和测量湿度命令所对应的时序如图2.4 所示图2.4 测量温湿度命令时序2.4 RS-232总线接口芯片 MSX232RS-232接口是个人计算机上的通讯接口之一，主要作用是实现电平间的转换，现在RS-232接口也经常叫做DB9，所以，在本设计中我们采用的是DB9。图2.5 DB9引脚图第3章 硬件电路设计恒温恒湿仪控制系统硬件部分大致可分为：AT89C51单片机、SHT15温湿度传感器、温度湿度液晶显示器、限温报警系统、继电器控温系统、继电器控湿系统等。硬件总体结构如图所示：继电器1继电器2P0.0 P0.3 P0.4P0.1 CPU P0.5P0.2 P0.6 P1.0-P1.7通信接口RS-232加热器排风机除湿器继电器4加湿器继电器3PC机湿度、湿度液晶显示器湿度传感器温度传感器图3.1硬件系统整体框图由上述结构框图可知，以AT89C51单片机为核心的温湿度控制系统，恒温恒湿仪的温湿度由SHT15温湿度传感器检测，用温度湿度液晶显示器显示仪器内部当前温度，用继电器控温系统、继电器控湿系统来控制调节仪器内部温度和湿度在一定误差范围内。3.1 复位电路和时钟电路主控模块电路由单片机、外部时钟电路、复位电路、控制系统总电路图组成。单片机的复位是由外部复位电路来实现的。在单片机的复位引脚RST(9脚)上保持两个机器周期的高电平就能使AT89C51完全复位。系统时钟电路设计采用内部方式，AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)分别是此放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器，外接晶体谐振器以及电容构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。本系统电路采用的晶体振荡器频率为11.0592MHz。图3.2复位电路和时钟电路电路图3.2温湿度检测、显示电路如图3.3所示温度、湿度检测分别用SHT15温湿度传感器现场采集数据，并可将温度、湿度数据直接转换成数字量，将数字信号送入AT89C51单片机系统，然后通过显示电路将数据显示出来。图3.3温湿度检测、显示电路图3.3温度、湿度控制电路如图3.4所示，当SHT15温湿度传感器分别采集到温度、湿度信号后，会将温度、湿度值传送给AT89C51单片机。AT89C51单片机获取采集到的温度、湿度值，经过处理后得到当前环境中一个比较稳定的温度、湿度值，按照已经设定的温度上限值、下限值，湿度上限值、下限值，然后通过PID控制继电器的通断，从而控制加热器、排风机、加湿器、除湿器的工作，使得恒温恒湿仪保持在设定的温湿度范围内。图3.4温度、湿度控制电路图3.4通信串口电路图如图3.5所示，AT8951单片机是TTL电平的，而PC机的串口是RS-232电平的，如果要把51单片机连接到PC机上时，必须在两者之间加一个电平转换电路，本系统采用的是RS-232的专用接口芯片MAX232进行转换。图3.5通信串口电路图第4章 软件系统设计4.1 PID控制理论线性控制PID控制器根据实际输出数值y(t)与给定数值r(t)构成的控制偏差e(t)： （4.1）将积分、偏差的比例和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象实行控制，所以称为PID控制。PID控制技术原理如图所示：比例微分积分被控对象r(t)Ye(t)+图4.1 PID 控制技术工作原理其控制规律为：或者写成传递函数的形式为：式中 ：比例系数：积分时间常数：微分时间常数4.2 PID控制算法作为采样控制系统的计算机控制，由于其只能按照采样时刻偏差数值演算控制量。因此（4.2）式不可直接使用，必须进行离散化处理。设为采样周期，令众多采样时刻点代表不同的时间，用累加求和的方式近似替代积分，用一阶后向差分的方式近似替代微分，方程做如下变换： 本系统采用的是增量式的PID控制算法，其程序流程图如下图所示。输入并采样r(k)，y(k)入口计算偏差e(k)= r(k)-y(k)计算u(k)= 存 u(k) 以备输出参数调整 e(k-1) e(k-2) e(k) e(k-1)返回图 4.2 增量式PID控制算法程序流程图4.3软件流程图4.3.1主程序流程图系统的主程序流程图如下图所示，当有信号输入时，主程序启动，进行初始化操作，之后进行温湿度数据采集、传送，并将采集到的温湿度数值与预设的温湿度数值进行比较，若温度低于设定温度，则继电器1动作，控制加热丝工作；若温度高于设定温度，继电器2动作，同时排风扇启动；若湿度低于设定湿度，则继电器3动作，加湿器工作；若湿度高于设定湿度，继电器4动作，除湿器工作。SHT15温湿度传感器数据读取模块初始化开始温度值传送比较设定温度值与实际温度值PID控制运算模是否小于？继电器1NY继电器2排风机加热电阻图 4.3 主程序流程图先对SHT15温湿度传感器进行初始化处理，然后采集数据，并将数据传送给单片机，经PID控制运算，与设定的温度值进行比较，若实际温度小于设定温度，继电器1动作，加热电阻工作，再次采集温度，如此不断循环，当实际温度大于设定温度时，继电器2动作，除湿机工作，温度传感器再次采集温度，传送、比较，直至达到设定的温度范围。温度传感器SHT15、AT89C51单片机、温湿度液晶显示屏传输如图4.4所示：SHT15检测移位读入单片机单片机送数据到P0动态显示图4.4 数据传输流程图SHT15先进行检测，并将数据移位读入单片机，单片机将数据传送给P0，通过液晶显示屏动态显示。KSC-6V湿度传感器数据读取模块初始化开始湿度值传送比较设定湿度值与实际湿度值PID控制运算模是否小于？继电器3NY继电器4除湿器加湿器图 4.5 主程序流程图用SHT15湿度传感器采集数据，并将数据传送给单片机，经PID控制运算，与设定的湿度值进行比较，若实际湿度小于设定湿度，继电器3动作，加湿器工作，再次采集湿度，如此不断循环，当实际湿度大于设定湿度时，继电器4动作，除湿器工作，湿度传感器再次采集湿度，传送、比较，直至达到设定的湿度范围。SHT15湿度传感器、AT89C51单片机、温湿度液晶显示屏传输如图5.4所示：SHT15检测数据移位读入单片机单片机送数据到P0动态显示图4.6 单片机数码管数据传输流程图4.3.2 显示流程图主要是通过对传输信号进行显示后，给操控人员提供提示，以到达为本系统提供对温度、湿度数据的显示和监控的目的。如图4.7所示串行口初始化向缓冲区送数据查断码送显示结束开始图4.7系统的显示流程图4.3.3 SHT15温湿度传感器温湿度转换和温湿度数值读取SHT15实现温湿度转换和温湿度数值读取如图4.8所示，用于系统的温度、湿度转换和温度、湿度数值的读取。初始化 SHT15温湿度传感器器开始应答脉冲发起 Skip Rom命令发起 Convert T命令延时1秒等待温度、湿度转换完成应答脉冲发起Read Scratchpad命令读取温湿度数值NNYY图4.8 实现温度、湿度转换和温度、湿度数值读取流程图第5章 结论在工业生产和日常生活中，对温度、湿度控制系统的要求，主要是保证温度、湿度在一定范围内变化，稳定性好，不振荡，对系统的快速性要求不高。本文简单分析了单片机温度、湿度控制系统，并按照有关要求完成了单片机温湿度控制系统的设计，设计中以SHT15温湿度传感器、AT80C51单片机、PID控制为核心内容。其中，SHT15温湿度传感器可以直接将采集的温度数值、湿度数值以数字量传送到51单片机中，方便、简单。恒温恒湿试验箱控制系统的设计令我受益匪浅。对常见的芯片有了更加深刻的认识，虽然在电路设计中遇到许多问题，比如元器件的选择（要考虑芯片的功能、性价比）、元器件的摆放位置等，但是经过多个方案的取舍终于能够设计出较为完整的电路。在设计过程中，我也学会了很多新的东西，PROTEL软件绘制电路原理图和PCB图，以及一些仿真软件的应用。本次毕业设计，锻炼了我以前所学的专业基础知识（数字模拟电路，C语言，自动控制原理等），当然最重要的是学到了关于基本电子设计的一些基本方法，同时也加深了对一些常用的电子元件的理解及其基本用法的掌握。解决实际问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，丰富了经验。尽管毕业设计内容繁多，但我的收获却更加丰富，各种专业软件（Protel 99 SE，Microsoft Office Visio 2007）等都是随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我对设计有了新的认识，同时也对自己提出了更高的要求致谢参考文献1伪民.温室环境控制与温室模拟模型研究现状分析J.农业机械学报,2009-05,40(5):163-168.2祁小波.高精度恒温恒湿空调控制系统设计J.金华职业技术学院学报, 2012-12,2 (6):53-56.3章威.一种大空间恒温恒湿控制系统的应用J.石油与化工,2011,14(5):34-37.4陈延庆,何飞月.高精度节能型恒温恒湿控系统J.上海造纸, 1997,28(4):180-183.5许厚谦.基于PC机的恒温恒湿机组监控系统开发J,建筑热能通风空调,2003-12,22(6):60-62.6蒋辉平,周国雄,蒋辉平.超声波加热加湿及恒温恒湿系统控制J.西电子技术,2008 (3):6-20.7刘晓艳,卢荣中.恒温恒湿实验室温度、湿度检测方法探讨J.工业计量, 2011 -03,21(4):43-45.8韩如伟.浅谈恒温恒湿空调系统的设计与实施J.制冷技术,2