基于51单片机的温湿度检测控制系统毕业论文.doc

东北石油大学本科生毕业设计 论文 基于基于 5151 单片机的温湿度检单片机的温湿度检 测控制系统毕业论文测控制系统毕业论文 目 录 前前 言言 1 1 1 本文研究的背景及意义 1 1 2 研究现状 1 1 3 本文研究的主要内容 1 第第 2 2 章章 设计任务分析及方案论证设计任务分析及方案论证 4 2 1 设计过程及其工艺要求设计 4 2 2 设计总体方案及其论证 4 2 3 器件选定 5 2 4 AT89S51 单片机 11 2 5 中断系统 15 2 6 复位电路 16 2 7 时钟电路 17 2 8 显示部分 18 2 9 本章小结 26 第第 3 3 章章 硬件设计硬件设计 27 3 1 主控制电路和测温时控制电路 27 3 2 主要模块的电路 28 3 3 硬件实施控制 33 东北石油大学本科生毕业设计 论文 3 4 设备运行 35 3 5 控制设备 36 3 6 本章小结 38 第第 4 4 章章 软件设计软件设计 39 4 1 系统流程图 39 4 2 按键流程图 41 4 3 PROTUES运行结果 42 4 4 本章小结 43 结结 论论 44 参考文献参考文献 45 附附 录录 47 东北石油大学本科生毕业设计 论文 1 前 言 1 1 本文研究的背景及意义 粮库已经被广泛的运用 是存储粮食的一个重要方式 是粮食仓库的简称 是粮食仓储企业习惯称谓 属于全民所有制企业 是我国粮食企业的一个重要组 成部分 由粮食部门统一管理 担负着国家粮食储备 地方粮食储备 粮食流通 的主渠道作用 其主要任务是完成粮食的接受 保管和调运输送等粮食流通诸环 节 在不同季节内 尤其是不利于存储食物的季节内进行的一种保护措施 因此研究温湿度的控制非常有必要 它可以进一步优化储存控制方式 提升 水平 1 2 研究现状 我国地大物博 各地的自然环境条件不同 所以在不利于存储粮食的自然环 境中 具有可调节温湿度的可控粮库更能够创造适宜存储的条件 中国各地经济 水平和发达水平有比较大的差异 所以研制出又具有实用价值并且采用最低的成 本达到最好的效果是非常有必要的 既节约了人力亲自检查 又节约制造成本 不会对贫困地区造成经济负担 又避免了能源和经济浪费 1 本系统所要完成的任务是 人性化的设计 界限温度值及湿度值能够由用户根据不同被储存的粮食的 存储需求输入并通过显示器显示 能够实时 准确的显示采样温度值与湿度值 通过采集温度及湿度值 准确的判断标准值与当前值之间的差异 看是否 符合标准值 及时的启动报警装置 包括警报灯的提示功能以及蜂鸣等 进行报 警 并采取相应控制温湿度的方案 1 3 本文研究的主要内容 一 首先我们必须了解温湿度控制对储存粮食的重要性 其次我们才能够对 此作出更好的判断 以求更好的解决用户所需要的问题 二 温湿度的监测和控制是我们研究的主要内容 数字化温湿度检测的方法 东北石油大学本科生毕业设计 论文 2 为一旦环境中的温湿度发生变化时 湿度传温度感器和湿度传感器随着温湿度的 变化而变化 然后将变化的电阻通过转换电路和转换信号检测为与之对应变化的 电压 然后把模拟电压信号由 A D 转换器转换为数字信号并送入到单片机中 对 采集到的信号单片机进行滤波处理并通过查表得到实际测量的湿度值 之后通过 单片机的各外部接口电路显示该温湿度值 三 该系统通过按钮设定最适宜的温度和湿度 传感器向中央控制系统输送 监控信号 超过预设值的话 蜂鸣器就会报警提醒 控制温 湿度的设备即可作 出调整 回到正常范围内 系统正常运行 四 根据各种不同粮食的适宜温度进行温室温度调节 若低于下限温度则采 取升温措施 通常采取电热增温和火力增温等 电热增温比较方便 若高于上限 温度则采取降温措施 通常通过水管降温和风扇降温 风扇降温比较方便 为满 足粮库不同种类粮食对湿度的要求 可以在地上 台阶 盆壁洒水 还可以在空 中悬挂湿布 以增加水分的蒸发 最好的办法是设置自动喷雾装置 自动调节湿 度 如果湿度过大 容易导致植被过于潮湿 发生腐烂 可采用烘干技术 加快 水分流失 保持被存储粮食的干燥 为满足对于不同粮食的储存方式和需求 我 们可以随时对温 湿度进行调节 对于不利情况能够及时的作出显示 并能够采 取相应的措施提醒用户进行调整 以达到最适宜的温湿度 东北石油大学本科生毕业设计 论文 4 第 2 章 设计任务分析及方案论证 本章详细介绍了本次设计的主要任务 以及对于所要实现的内容加以分析 同时详细的介绍了主要元器件的选择 以及各自的特性 2 1 设计过程及其工艺要求设计 一个以单片机为核心的温湿度控制系统 需要实现的功能为 能够准确的显示当前的温度以及湿度 温度检测的范围 0 60 测温精 度 2 湿度检测范围 20 100 RH 测湿精度 5 RH 能够自主调节当前需要温度以及湿度的预设温湿度值 在系统上面有调节 按钮 可随时根据需要增加或者减少预设值 一旦发现超过了预设值 蜂鸣器蜂鸣报警 控制设备立即启动 立即调控 温湿度 报警方式为三极管驱动的蜂鸣音报警 系统的显示方式均为四位显示 采用 LCD 显示 2 2 设计总体方案及其论证 2 2 1 设计总体方案及其论证 本设计要实现的功能是 实时显示当前环境的温湿度 并且允许用户设定温 湿度标准值 当环境温湿度超过或低于标准值时 系统会以蜂鸣器鸣响的方式进 行报警提示 并且控制设备自启动 待达到标准值时 蜂鸣器停止鸣响 控制设 备停止运行 系统正常工作 工作指示灯亮 1 温度监控 对温室温度进行测量和控制并反映在显示器上 2 湿度监控 对温室湿度进行测量和控制反映在显示器上 3 显 示 LCD 就地显示此时此刻温湿度值 摆放在生产现场用于显示 当前的温湿度 依据功能设定 本系统主要分为以下三个模块 1 温湿度采集模块 2 数据处理模块 东北石油大学本科生毕业设计 论文 5 3 用户交互模块 其中温湿度采集模块使用的是 DHT11 数字温湿度传感器 它使用单总线方式 接口简单 而且无需另外校准 分辨率为 8bit 完全能够满足日常环境温湿度的 检测要求 数据处理模块使用的是 AT89S51 单片机 其完成温湿度数据的采集 运算和 逻辑控制的功能 用户交互模块主要由按键 1602 点阵液晶 蜂鸣器和控制器构成 其中按 键用于用户设定温湿度准确值 1602 用于数据显示 蜂鸣器用于提示用户 控制 器用于调节控制不符合要求的温 湿度 按照系统的设计功能所要求的 温湿度 监控系统原理图如下图 2 2 1 所示 图 2 2 1 温湿度监控系统原理图 单片机作为主控制器 主要负责处理由温湿度传感器送来数据 并把处理好 的数据送向显示器模块 数据温湿度传感器主要用来采集周围的环境参数 并把 所采集到得数据送向单片机 按键电路主要是用来完成单片机的复位操作和温湿 度初始值的设定 蜂鸣器电路就是用三极管来实现的 用来判断周围的温度或者 湿度是否超出设定数值 控制设备等候指令 当蜂鸣器响起 温 湿度不在标准 范围内 控制设备自行启动 直到温 湿度正常 显示电路主要用来显示当前的 温湿度 10 2 3 器件选定 将单片机用作测控系统时 总要有被测信号输入通道 由计算机拾取必要的 温湿度传感器 单片机 LCD 温 湿度显示 蜂鸣器 键盘 控制装置 制冷 加热 加湿 除 湿 东北石油大学本科生毕业设计 论文 6 输入信息 对于测量系统而言 其核心任务是怎么样获得准确的被测信号 而对 测控系统来说 不可缺少的环节是对条件的监测和对被控对象状态的测试 传感 器是实现测量与控制的第一环节 是测控系统的关键部分 一切准确的测量和控 制都将在传感器对于原始信号的准确可靠的转换和捕捉 工业生产过程的自动化 测量和控制 基本主要依赖各种传感器来控制和检测生产过程中的各种量 使系 统和设备在最佳状态正常运行 从而保证生产的高质量和高效率 6 2 3 1 测量部分 温湿度传感器 DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感 器 它应用专用的温湿度传感和数字模块采集技术 具有很高的稳定性和可靠性 DHT11 传感器内含一个 NTC 测温和一个电阻式感湿元件 并与一个 8 位的高性能 单片机相连接 在精确的湿度校验室中 DHT11 传感器进行过校准 以程序的形式 校准系数储存在 0TP 内存中 检测信号的时候 在处理过程中传感器内部要调用 这些校准系数 采用单线制的串行接口 13 使系统集成可以有较低的功耗 而 且更加简单快速 信号传输距离超过 20 米 作为一个数字温湿度传感器 DHT11 具有响应快速 抗干扰强 性价比高等优点 它的性能指标如下 湿度测量范围 为 20 90 RH 湿度测量精度为 5 RH 温度测量范围为 0 50 温度测 量精度为 2 工作电压 3 0 5 5 V 相应时间 5S DHT1l 采用 4 针单排引 脚封装 传感器通电后 需要等待 1s 这是因为要越过不稳定的状态 在此期间 不需发送指令 电源引脚 VDD GND 之间可增加一个 100nF 的电容 用以去耦 滤波 7 东北石油大学本科生毕业设计 论文 7 图 2 3 1 典型的应用电路 电源引脚 四条引角中有两条是电源引脚 有两条是输出数据的引脚 你只需要给他供 上额定电压 然后再他的输出引脚采集信号就可以了 输出信号如果是模拟量的 话 通过 A D 芯片 将模拟量转换为数字信号 然后传送给单片机 DHT11 是 数字传感器 所以不需要进行模数的转换 图 2 3 1 DHT11 实物图 1 DHT11 温湿度传感器产品参数 相对湿度 分 辨 率 16Bit 重 复 性 1 RH 精 度 25 C 5 RH 互 换 性 可完全互换 响应时间 1 e 63 25 C 6s 1m s 空气 6s 迟 滞 0 3 RH 长期稳定性 0 5 RH yr 温度 分 辨 率 16Bit 重 复 性 0 2 C 量程范围 25 C 2 C 响应时间 1 e 63 10s 电气特征 供 电 DC 3 5 5 5V 供电电流 测量 0 3mA 待机 60 A 东北石油大学本科生毕业设计 论文 8 采样周期 次 大于 2 秒 引脚说明 1 VDD 供电 3 5 5 5V 2 DATA 串行数据 单总线 3 NC 空脚 4 GND 接地 电源负极 2 3 2 串行接口 单线双向 DATA 用于微处理器与 DHT11 之间的通讯和同步 采用单总线数据格式 一次 通讯时间 4ms 左右 数据分小数部分和整数部分 具体格式在下面说明 当前小数 部分用于以后扩展 现读出为零 操作流程如下 一次完整的数据传输为 40bit 高 位先出 数据格式 8bit 湿度整数数据 8bit 湿度小数数据 8bit 温度整数数据 8bit 温度小数数据 8bit 校验和 数据传送正确时校验和数据等于 8bit 湿度整数数据 8bit 湿度小数数据 8bi 温度整数数据 8bit 温度小数数据 所得结果的末 8 位 用户 MCU 发送一次开始信号后 DHT11 从低功耗模式转换到高速模式 等待主 机开始信号结束后 DHT11 发送响应信号 送出 40bit 的数据 并触发一次信号采集 用 户可选择读取部分数据 如果没有接收到主机发送开始信号 DHT11 不会主动进行 温湿度采集 采集数据后转换到低速模式 总线空闲状态为高电平的时候主机把总线拉低等待DHT11响应 DHT11能检测 到起始信号 主机必须把总线拉低 至少大于18ms DHT11一旦接收到主机的开 始信号 接着就等待开始信号的结束 然后发送80us的低电平响应信号 要读取 DHT11的响应信号 必须等待开始信号的结束 并延时等待20 40us后才能够接受 主机发送开始信号后 这时候就可输出高电平或切换到输入模式 接着总线由上拉 电阻拉高 DHT11发送响应信号的时候总线为低电平 DHT11把总线拉高80us之前 必须 等到响应信号发送 准备发送数据时 每一bit数据都以50us低电平时隙开始 数 据位是0或1是由高电平的长或短来决定 假如响应信号的读取为高电平 但是 DHT11无响应响应 这时候说明路线可能连接不正常 当最后一bit数据传送结束 后 DHT11把总线拉低50us 接着总线由上拉电阻拉高进入空闲状态 东北石油大学本科生毕业设计 论文 9 2 3 3 电气特性 VDD 5V T 25 图2 3 3电气特性 注 采样周期间隔不得低于1秒钟 参数条件 mintypmax 单位 供电 DC355 5V 测量 0 52 5Ma 平均 0 21Ma 供电电流 待机 100150Ua 采样周期秒 1 次 2 3 4 性能说明 东北石油大学本科生毕业设计 论文 10 表 2 3 4 性能说明 参数条件 MinTypMax 单位 8 Bit 分辨率 111 RH 精度 25 4 RH 重复性 1 RH 温度 0 50 5 RH 温度 0 3090 RH 50 2080 RH 量程范围 25 2090 RH 长期稳定性典型值 1 RH yr 迟滞 1 互换性可完全互换 888Bit 分辨率 111 重复性 1 响应时间 1 e 63 630S 量程范围 050 精度 1 2 2 3 5 引脚说明 表 2 3 5 DHT11 引脚说明 pin 名称注释 1VDD 供电 3 5 5V 2DATA 串行数据 单总线 3NC 空脚 悬空 4GND 接地 电源负极 注意 引脚 2 在接单片机时 同时要在数据线接一上拉电阻 接到电源上 4 东北石油大学本科生毕业设计 论文 11 2 3 6 应用信息 电阻式温 湿度传感器暴露在化学物质中会受到干扰 导致灵敏度下降 当 处于极限状态时 传感器可以通过程序处理 回复到初试的校准状态 在不符合 规范的范围内使用传感器 不仅会导致几乎 3 的临时漂移信号 而且会加速产品 的老化 转为正常的使用范围后 会渐渐恢复校准状态 温度是影响气体相对湿 度的关键 因此测量时最好让湿度传感器工作温度相同 5 2 3 7 封装信息 图 2 3 6 DHT11 的封装信息 2 4 AT89S51 单片机 2 4 1 单片机介绍 AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗 高性能 CMOS 的 8 位单片机 片 内含 4K 的可编程的 Flash 只读程序存储器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非 易失性存储技术生产 兼容标准 8051 指令系统及引脚 它集 Flash 程序存储器 既可在线编程 ISP 也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片机芯 片中 低价位 AT89S51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合 可灵活应用 于各种控制的领域 8 AT89S51 提供以下的功能标准 4K 字节闪烁存储器 128 字节随机存取数据存储器 2 个 16 位定时 计数器 32 个 I O 口 1 个串行通信 口 1 个 5 向量两级中断结构 另外 AT89S51 还可以进行 0HZ 的静态逻辑操作 并支持两种软件的节电模式 闲散方式停止中央处理器的工作 可允许随机存取 东北石油大学本科生毕业设计 论文 12 数据存储器 定时 计数器 串行通信口及中断系统继续工作 掉电方式保存随 机存取数据存储器中的内容 但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到 下一个复位 在 AT89C51 上新增加的功能使 AT89S51 性能有了较大提升 它的价 格甚至更低 它的工作频率可达 33MHz 比 AT89C51 的工作频率更高 ISP 在线 编程功能的优越性在于它不必要将芯片从工作状态下分离 特别是在改写存储器 内的程序 这是一个相当方便简单的功能 它不需要像 AT89C51 那样外接看门狗 计时器单元电路 由于它内部具有双工 UART 串行通道内部集成看门狗计时器 它具有全新的加密算法 大大加强的程序的保密性 有效的保护知识产权不被侵 犯 它完全兼容 51 全部字系列产品 8 图 2 5 1 AT89S51 引脚图 2 4 2 引脚说明 VCC 电源电压输入端 GND 电源地 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 P1 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 东北石油大学本科生毕业设计 论文 13 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 外部必须被拉 高 P0 口在访问外部存储器时 P0 口既是一个真正的双向数据总线口 又是 输出 8 位地址口 它包括一个输出锁存器 两个三态缓冲器 一个输出驱动电 路和一个输出控制电路 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 电平 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 口作为第八位地址接收 专门为用户使 用的 I O 口 是准双向口 P1 口为 8 位准双向口 每一位均可单独定义为输 入或输出口 在编程校验期间 用做输入低位字节地址 P1 口可以驱动 4 个 TTL 负载 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 这是由于上拉的缘故 P2 口也是双向口 它是供系统扩展时输出高8 位地址 如果没有系统扩展时 也可以作为用户的 I O 口使用 P2 口作为外部数据存储器或程序存储器的地 址总线的高 8 位输出口 AB8 AB15 P0 口由 ALE 选通作为地址总线的低 8 位输出口 AB0 AB7 外部的程序存储器由 PSEN 信号选通 数据存储器则由 WR 和 RD 读写信号选通 因为 2 64k 所以 AT89S51 最大可外接 64kB 的 程序存储器和数据存储器 P3 口除了作为普通 I O 口 还有第二功能 东北石油大学本科生毕业设计 论文 14 表 2 5 2 P3 口的第二功能 端口引脚功能特性 P3 0 串行输入口 RXD P3 1 串行输出口 TXD P3 2 外中断 0 INTO P3 3 外中断 1 INT1 P3 4 定时 计数器 0 的外部输入口 T0 P3 5 定时 计数器 1 的外部输入口 T1 P3 6 外部数据存储器写选通 WR P3 7 外部数据存储器读选通 RD RST 复位输入端 高电平有效 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 地址锁存允许 编程脉冲信号端 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 低电平有效 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 外部程序存储器访问允许 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 XTAL1 片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端 XTAL2 片内振荡器反相放大器的输出端 现在已经对四个 8 位双向并行 I O 口有了初步的了解 根据以上的内容可知 只有 P1 口是标准的 I O 口 所以我们选用 P1 口作为数据端口 P1 口可逐位分别 定义各口线为输入或输出线 7 2 4 3 单片机最小系统 所谓单片机的最小系统是指使单片机能运行程序 正常工作的最简单电路系 统 是保证单片正常启动 开始工作的必须电路 缺一不可 单片机最小系统一 东北石油大学本科生毕业设计 论文 15 般由单片机 程序存储器 时钟电路和复位电路组成 对于 AT89S51 单片机 由 于片内有 4K 的程序存储器 所以其最小系统除了单片机本身外 只需外接时钟 电路与复位电路即可 2 4 4 主要性能特点和优越性 1 4k Bytes Flash 片内程序存储器 2 128 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 3 32 个外部双向输入 输出 I O 口 4 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断 5 6 个中断源 6 2 个 16 位可编程定时器 计数器 7 2 个全双工串行通信口 8 看门狗 WDT 电路 9 片内振荡器和时钟电路 10 与 MCS 51 兼容 11 全静态工作 0Hz 33MHz 12 三级程序存储器保密锁定 13 可编程串行通道 14 低功耗的闲置和掉电模式 2 5 中断系统 2 5 1 中断 程序执行过程中 允许外部或内部事件通过硬件打断程序的执行 使其转 向为处理内部事件的中断服务程序中去 完成中断服务的程序后 CPU 继续 原来被打断的程序 这样的过程称为中断过程 2 5 2 产生中断 能产生中断的外部和内部事件 AT89S51 有 5 个中断源 1 INT0 外部中断 0 请求 低电平有效 通过 P3 2 引脚输入 2 INT1 外部中断 1 请求 低电平有效 通过 P3 3 引脚输入 3 T0 定时器 计数器 0 溢出中断请求 4 TI 定时器 计数器 1 溢出中断请求 东北石油大学本科生毕业设计 论文 16 5 TXD RXD 串行口中断请求 当串行口完成一帧数据的发送或接收时 便 请求中断 每一个中断源都对应一个中断请求标志位 它们设置在特殊功能寄 存器 TCON 和 SCON 中 当这些中断源请求中断时 相应的标志分别有 TCON 和 SCON 中的相应位来锁存 2 5 3 中断系统有以下 4 个特殊功能寄存器 1 定时器控制寄存器 TCON 用 6 位 2 串行口控制寄存器 SCON 用 2 位 3 中断允许寄存器 IE 4 中断优先级寄存器 IP 其中 TCON 和 SCON 只有一部分用于中断控制 通过对以上各特殊功 能寄存器的各位进行置位或复位等操作 可实现各种中断控制功能 2 6 复位电路 复位是单片机的初始化操作 其主要功能是把 PC 初始化为 000H 使单片机 从 0000H 单元开始执行程序 除了进入系统的正常初始化之外 当由于程序运行 出错或操作错误使系统处于死锁状态时 为摆脱困境 也需按复位键重新启动 除 PC 之外 复位操作还对其他一些寄存器有影响 它们的复位状态如下图 所示 表 2 8 复位操作对寄存器的影响 寄存器复位状态 寄存器复位状态 PC 0000H TCON 00H ACC00H TL000H PSW00H THO00H SP07HTL100H DPTR 0000HTH100H P0 P3FFH SCON00H IP XX000000BSBUF 不定 IE0X000000B PCON OXXXOOOOB TMOD OOH 东北石油大学本科生毕业设计 论文 17 为确保微机系统中 电路稳定可靠工作 复位电路是必不可少的一部分 一般微机电路正常工作需要供电电源为5V 5 即 4 75 5 25V 由于微机 电路是时序数字电路 它需要稳定的时钟信号 因此在电源上电时 只有当 VCC 超过 4 75V 低于 5 25V 以及晶体振荡器稳定工作时 复位信号才被撤除 微机电路开始正常工作 单片机的复位分为上电自动复位 按键手动复位两种 和看门狗强制复位三种等 上电复位通常利用电容的充放电来实现 按键复位则 可分为按键脉冲复位和按键电平复位两种 看门狗复位则通过外接看门狗电路或 软件看门狗程序实现 常见的有上电复位和按键复位电路 2 7 时钟电路 时钟电路可以简单定义如下 1 就是产生象时钟一样准确的振荡电路 2 任 何工作都按时间顺序 用于产生这个时间的电路就是时钟电路 时钟电路一般由 晶体震荡器 晶震控制芯片和电容组成 时钟电路应用十分广泛 如电脑的时钟 电路 电子表的时钟电路以及 MP3 MP4 的时钟电路 时钟电路用于产生单片机的基本时钟信号 是用来配合外部晶体实现振荡的 电路 这样可以为单片机提供运行时钟 如果运行时钟为 0 的话 单片机就不工 作 当然超出单片机的工作频率的时钟也会导致单片机不工作 时钟电路是微型 计算机的心脏 它控制着计算机的工作节奏 CPU 就是通过复杂的时序电路完成 不同的指令功能的 MCS 51 的时钟信号可以由两种方式 一种是内部方式 利用 芯片内部的振荡电路 产生时钟信号 另一种为外部方式 时钟信号由外部引入 如果没有时钟电路来产生时钟驱动单片机 单片机是无法工作的 12 AT89S51 的 时钟信号可由内部振荡器产生 也可由外部电路直接提供 内部振荡器的输入和输出脚分别为 XTAL1 和 XATL2 由 XTAL2 给单片机内部 电路提供时钟信号 当时钟信号由外部电路提供时 外部时钟引入 XTAL2 而 XTAL1 脚接地 东北石油大学本科生毕业设计 论文 18 2 8 显示部分 LCD 显示部分是 LCD1602 液晶显示 图 2 8 正常工作 LCD1602 显示 2 8 1 LCD1602 液晶简介 LCD1602 分为带背光和不带背光两种 基控制器大部分为 HD44780 带背光 的 比不带背光的厚 是否带背光在应用中并无差别 两者尺寸差别如图 2 9 所 示 图 2 8 1 LCD1602 规格 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母 数字 符号等点阵式 LCD 目前常用 16 1 16 2 20 2 和 40 2 行等的模块 东北石油大学本科生毕业设计 论文 19 2 8 2 LCD1602 主要技术参数 表 2 8 2 1602 的主要技术参数 工作电压 4 5 5 5V 容量16 2 个字符 最佳工作电压 5 0V 工作电流2 0mA 字符尺寸2 95 4 35 W H mm 2 8 3 引脚功能说明 1602 液晶模块的读写操作 屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的 表 2 8 3 引脚接口说明表 LCD1602 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 编号 符号引脚说明 1VDD 正极 2VSS 地 3VL 液晶显示偏压 4RS 寄存器选择 5R W 读 写选择 6EN 使能信号 7D0 数据 8D1 数据 9D2 数据 10D3 数据 11D4 数据 12D5 数据 13D6 数据 14D7 数据 15BLA 背光源正极 16BLK 背光源负极 东北石油大学本科生毕业设计 论文 20 图 2 8 3 LCD1602 的管脚图 图 2 8 3 1602 字符型液晶显示器实物图 2 8 4 LCD1602 的 RAM 地址映射及标准字库表 液晶显示模块是一个比较慢的显示器件 因此在执行指令之前要首先确认模 东北石油大学本科生毕业设计 论文 21 块的忙标志处于低电平 表示空闲 不然此指令失效 输入显示字符地址后会显 示字符 图是 1602 的内部显示地址 图 2 8 4 1602LCD 内部显示地址 2 8 5 指令说明 LCD1602 液晶模块内部的控制器控制指令 1 清屏指令 功能 清除液晶显示器 即将 DDRAM 的内容全部填入 空白 的 ASCII 码 20H 光标归位 即将光标撤回液晶显示屏的左上方 将地址计数器 AC 的值设为 0 2 光标归位指令 指令功能 指令编码 执行 时间 ms RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2 DB1DB0 清屏 0 0 0 0 0 0 00 01 1 64 指令功能 指令编码 执行 时间 ms RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2 DB1DB0 光标归位 0 0 0 0 0 0 00 1X 1 64 东北石油大学本科生毕业设计 论文 22 功能 把光标撤回到显示器的左上方 把地址计数器 AC 的值设置为 0 保持 DDRAM 的内容不变 3 进入模式设置指令 指令功能 指令编码 执行 时间 us RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2 DB1DB0 进入模式设 置 0 0 0 0 0 0 0I I DS 40 功能 设定每次定入 1 位数据后光标的以为方向 并且设定每次写入的一个字符是 否移动 参数设定的情况如下所示 位名 设置 I D 0 写入新数据后光标左移 1 写入新数据后光标右移 S 0 写入新数据后显示屏不移动 1 写入新数据后显示屏整体右移 一个字符 4 显示开关指令控制 指令功能 指令编码执行 时间 us RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 显示开关控 制 0 0 0 0 0 0 1DCB 40 功能 控制显示器开 关 光标显示 关闭以及光标是否闪烁 参数设定的情况如下 位名 设置 D 0 显示功能关 1 显示功能开 C 0 无光标 1 有光标 B 0 光标闪烁 1 光标不闪烁 5 设定显示屏或光标移动方向指令 指令功能 指令编码执行 时间 us 设定显示屏 RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 东北石油大学本科生毕业设计 论文 23 或光标移动 方向 0 0 0 0 0 1 S CR LXX40 功能 使光标移位或使整个显示屏幕移位 参数设定的情况如下 S C R L 设定情况 0 0 光标左移 1 格 且 AC 值减 1 0 1 光标右移 1 格 且 AC 值加 1 1 0 显示器上字符全部左移 1 格 但光标不动 1 1 显示器上字符全部右移 1 格 但光标不动 6 功能设定指令 指令功能 指令编码执行 时间 us RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 功能设定 0 0 0 0 1 DL NFXX 40 功能 设定数据总线为数 显示的行数及字型 参数设定的情况如下 位名 设置 DL 0 数据总线为 4 位 1 数据总线为 8 位 N 0 显示 1 行 1 显示 2 行 F 0 5 7 点阵 每字符 1 5 10 点阵 每字符 7 设定 CGRAM 地址指令 指令功能 指令编码执行 时间 us RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 设定 CGRAM 地址 0 0 0 1 CRGAM 的地址 6 位 40 功能 设定下一个要存入数据的 CGRAM 的地址 DB5 DB4 DB3 为字符号 也就是将来要显示该字符时要用到的字符地址 000 111 能定义 8 个字符 DB2 DB1 DB0 为行号 000 111 八行 8 设定 DDRAM 地址指令 东北石油大学本科生毕业设计 论文 24 指令功能 指令编码执行 时间 us RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 设定 DDRAM 地址 0 0 1 DDRAM 的地址 7 位 40 功能 设定下一个要存入数据的 DDRAM 的地址 9 读取忙信号或 AC 地址指令 指令功能 指令编码执行 时间 us RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 读取忙碌信 号或 AC 地址 0 1 FB AC 内容 7 位 40 功能 读取忙碌信号 BF 的内容 BF 1 表示液晶显示器忙 暂时无法接受单片机送来 的数据或指令 当 BF 0 时 液晶显示器一接受单片机送来的数据或指令 10 数据写入 DDRAM 或 CGRAM 指令一览 指令功能 指令编码执行 时间 us RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 数据写入到 DDRAM 或 CGRAM 10 要写入的数据 D7 D0 40 功能 将字符码写入 DDRAM 以使液晶显示屏显示出相对应的字符 将使用着自己设计的图形存入 CGRAM DB7 DB6 DB5 可为任何数据 一般取 000 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 对应于每行 5 点的字模数据 11 从 CGRAM 或 DDRAM 读出数据的指令一览 指令功能 指令编码执行 时间 us RSR WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 从 CGRAM 或 DDRAM 读出 数据 1 1 要读出的数据 D7 D0 40 东北石油大学本科生毕业设计 论文 25 功能 读取 DDRAM 或 CGRAMD 中的内容 基本操作时序 读状态 输入 RS L RW H E H 输出 DB0 DB7 状态字 写指令 输入 RS L RW L E 下降沿脉冲 DB0 DB7 指令码 输出 无 读数据 输入 RS H RW H E H 输出 DB0 DB7 数据 写数据 输入 RS H RW L E 下降沿脉冲 DB0 DB7 数据 输出 无 2 8 6 显示设置 DDRAM 是显示数据 RAM 用来寄存带显示的字符代码 共 80 个字节 表 2 8 6 地址和屏幕的对应关系 想要在 LCD1602 屏幕的第一行第一列显示一个 A 字 就要向 DDRAM 的 00H 地址写入 A 字的代码就行了 具体的写入是要按 LCD 模块的指令格式来进行 的 在 1602 中用到 16 个即可 第二行也一样用到前 16 个地址 表 2 8 6 对应关系 00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH 40H41H42H43H44H45H46H47H48H49H4AH4BH4CH4DH4EH4FH 在 PC 上我们只要打开文本文件就能在屏幕上看到对应的字符是因为在操作系统 里和 BIOS 里都固化有字符字模 字模代表了是在点阵屏幕上点亮和熄灭的信息 数据 例如 A 字的字模 01110 10001 10001 10001 11111 10001 10001 上图左边的数据就是字模数据 右边就是将左边数据用 代表 0 用 代表 1 显示位 置 12 34567 40 第一行 00H01H02H03H04H05H06H 27HDDRAM 地址第二行 40H41H42H43H44H45H46H 67H 东北石油大学本科生毕业设计 论文 26 想要在 LCD1602 屏幕的第一行第一列显示一个 A 字 就要向 DDRAM 的 00H 地址写入 A 字的代码 41H 即可 在 LCD 模块上也固化了字模存储器 这就是 CGROM 和 CGRAM HD44780 内置了 192 个常用字符的字模 存于字符产生器 CFROM Character Generator ROM 中 另外还有 8 个允许用户自定义的字符产生 RAM 称为 CGRAM Character Generator RAM 2 9 本章小结 本章节主要有两部分 第一部分主要介绍了温湿度实时监测和控制的意义 第二部分主要介绍了设计的总体思路 以及元器件的选择 并加以详细的解释 东北石油大学本科生毕业设计 论文 27 第 3 章 硬件设计 单片机是整个系统的控制中枢 它指挥外围器件协调工作 从而完成特定的 功能 硬件实现上采用模块化设计 每一模块只实现一个特定功能 最后再将各个 模块搭接在一起 这种设计方法可以降低系统设计的复杂性 本系统主要硬件设计 包括电源电路 蜂鸣器电路 晶振电路 LCD 显示电路以及温湿度传感器电路 11 3 1 主控制电路和测温时控制电路 本次硬件的核心就是 AT89S511 其他的外围电路都是围绕它所设计的 数 字温湿度传感器的 DHT11 的 DATA 口连接单片机 AT89S51 的 P3 0 口 显示电 路就是把 LCD1602 和单片机的 P1 口分别相连 当温度或湿度高于预设值的时候 蜂鸣器蜂鸣报警 代表控制系统的指示灯常亮 增加单片机的输出能力 增加单 片机的输出电流 故使用电阻排来完成 14 本系统采用的是上电复位 充电之 后 RST 被拉至高电平 单片机进入工作状态 AT89S51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器 引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是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 石英晶体或者陶瓷谐振器构成自激振荡器 他们与电容 C1 C2 接在放大器的反 馈电路中构成并联震荡电路 虽然电容没有一个严格的要求 但是电容的大小会 轻微影响振荡频率的高低 温度稳定性以及振荡器工作的稳定性 东北石油大学本科生毕业设计 论文 28 图 3 1 系统电路原理图 3 2 主要模块的电路 3 2 1 系统的蜂鸣器电路 微型计算机控制系统中 为了安全起见 对于一些重要的参数或系统 都设 定有紧急状态报警系统 以便于提醒操作人员注意 或者采取紧急措施 本设计 采用把计算机采集的数据进行数据处理 标度变换 数字滤波之后 与该参数上 下限与设定值进行比较 不符合标准值则进行报警 否则就作为采样的正常值 进行显示 12 本设计采用峰鸣音报警电路 如图所示 蜂鸣器额定电流 30Ma 而对于 AT89S51 单片机 P3 口的灌电流为 15mA 由此可见 仅靠单片机的 P3 口电流是不 能驱动蜂鸣器的 必须使用晶体管放大电路 为了使单片机的功率更小 所以使 用 PNP 型晶体管 当外部环境的温度或者湿度超过预设值的时候 基级变为低电 平 蜂鸣器导通鸣叫 11 东北石油大学本科生毕业设计 论文 29 图 3 2 1 蜂鸣器实物图 图 3 2 1 蜂鸣器电路 3 2 2 晶振电路 单片机系统都有晶振 在单片机系统中晶振的作用非常大 全称叫做晶体振 荡器 它结合单片机内部电路产生所需时钟频率 单片机晶振提供的时钟频率越 高 那么单片机的运行速度就会越快 单片机的一切指令执行都是建立在单片机 东北石油大学本科生毕业设计 论文 30 晶振所提供的时钟频率 在通常的工作条件下 普通的晶振频率的绝对精度可以 达到百万分之五十 高级晶振精度更高 有些晶振还可以由外加的电压在一定范 围内调整频率 称为压榨振荡器 在共振的状态下晶振用一种能把电能和机械能 相互转化的晶体工作 以提供稳定 精确的单频振荡 单片机晶振的作用是为系统提供及本周的时钟信号 通常一个系统共用一个 晶振 以便于各部分保持同步 有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振 而 是通过电子调整频率的方法保持同步 晶振通常与锁相环电路配合使用 以提供 系统所需的时钟频率 可以用于同一个晶振项链的不同锁相环来提供的 单片机 AT89S51 的晶振电路采用无源晶振 微调电容取 22uf 图 3 2 2 晶振电路 3 2 3 温湿度设置 按键 电路 图 3 2 3 按键电路 东北石油大学本科生毕业设计 论文 31 3 2 4 显示电路 在日常生活中 我们对液晶显示器并不陌生 它已作为很多电子产品的通过 器件 比方在计算器 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 显示模块选用 1602 字符型液晶模块 它是目前工控系统中使用最广泛的液 晶屏之一 由于它显示的质量高 电路图如图 3 4 所示 1602 字符型液晶模块是 点阵型液晶 驱动方便 经过编程后显示内容多样化 2 图 3 2 4 显示电路 3 2 5 传感器电路 DHT11 是数字型温湿度传感器 可直接以数字方式传输所采集的当前环境温 湿度 DHT11 采用的是单总线通信 因此只需将单片机的一个 I O 端口与 DHT11 的通信接口连接就可以实现数据的采集和传送 相对于其他电路来说比较 简单 如图 3 4 所示 东北石油大学本科生毕业设计 论文 32 图 3 2 5 传感器电路 3 2 6 复位电路 本次设计采用的是上电复位 当 RST 引脚上出现了两个周期以上的高电平就 会触发内部复位 这里的 EA 端与复位电路无关 由于数据都放在了内部存储器 所以连接 EA 只是直接拉高引脚 图 3 2 6 复位电路 东北石油大学本科生毕业设计 论文 33 3 2 7 电源指示灯电路 图 3 2 7 电源指示灯电路 3 3 硬件实施控制 3 3 1 温湿度设置 温湿度上下限控制设置如图所示 1 湿度上限设置界面 2 湿度下限设置界面 东北石油大学本科生毕业设计 论文 34 3 温度度下限设置界面 4 温度度上限设置界面 图 4 1 1 温湿度上下限设置 3 3 2 工作指示灯和电源 代表控制设备启动的灯泡 加热 降温 加湿 除湿 东北石油大学本科生毕业设计 论文 35 3 3 3 功能按键 3 4 设备运行 本次设计主要是能够实时显示出当前确切的温湿度 并且在高于预设值的时 候能够发出蜂鸣 一旦接通电源 工作指示灯常亮 蜂鸣器首先蜂鸣 表示系统 正常运行 接着 LCD 初始化 采用八位的数据端口 两行显示 其中第一行显 示的湿度预设值 根据键盘我们可以加减数值 第二行显示的是实时的温湿度值 在程序设计中 分别定义温湿度参数 根据数据转换过来的数值 判断是否超过 了预设值 本次设计温度初试值设定为 32 湿度初始设定为 34 等待传送的 数值连续 20 次都超过预设值的话 蜂鸣器便会蜂鸣警报 1602 显示当前的温湿 度值 温湿度不在标准范围内 温度和湿度的控制措施灯亮 表示对温度和湿度 东北石油大学本科生毕业设计 论文 36 不在范围内采取相应措施 采取措施后 传输数据正常 再次循环判断 如果没 有超过预设值 蜂鸣器不会蜂鸣 1602 正常显示 不会启动控制措施 也同样再 次循环 按键说明 左起第一个是功能键 按一次进入报警温度设置此时出现 H 40 进行上限温度设置 此时设置 H 高温报警温度并闪烁显示 按第二次 进行下限 温度设置此时出现 L 03 此时设置 L 低温报警温度并闪烁显示 再按一次即第三 次 则恢复正常的温度显示界面 第二个按键是增加键 可以对上限温度或下限 温度进行增大调整第三个按键是减小键 可以对下限温度或下限温度进行减小调 整 湿度同理 这样便可设置好温 湿度的上 下限 3 5 控制设备 采用设备 1 风扇或者排湿器 负责系统的降温工作 风扇可以是 USB 借口的或者与电源相连接的 根据本设计需要 由于在粮库内 使用 所以用电源连接的风扇较为适合 小风扇材料的选择主要注意它的耐性和 稳定性 要选择不变形的塑料材质 苯乙烯