基于单片机的大棚温湿度控制系统的设计与制作开题报告.doc

基于单片机的大棚温湿度控制系统设计与制作系 部： 电子与通信工程系 学生姓名： 孙芳 专业班级： 通信11C1 学 号： 112231114 指导教师： 罗红艳 2014 年 3月 15 日 目录摘要1一 引言2（一）课题研究背景及意义2（二）设计方案选择2（三）设计的主要内容和设计思路2二 硬件设计3（一）硬件电路原理框图3（二）核心元件选择4（三）模块电路设计7（四）总电路原理图10三 软件设计10 (一) 软件设计总方案10（二）软件程序流程图11（三）程序设计11四 实物制作19（一）元器件清单19（二）电路的组装20（三）电路功能测试20总结22致谢22参考文献23附录一：原理图23附录二：元器件清单24附录三：实物制作的正面图、背面图25 摘要本文以单片机ST89C52为核心器件,通过对LCD1602温湿度显示模块、时钟模块、复位模块、报警模块、温湿度采集模块、温湿度调节模块的设计，完成了一款基于STC89C52单片机的大棚温湿度控制系统的设计与制作。该温湿度控制系统实现了对整个大棚温度和湿度控制系统的管理和报警功能,解决了人工种植大棚测量温湿度误差大的问题，同时也节省了大批的人力和物力，改进了大棚的种植技术，给大棚种植的用户们带来了一定的经济效益。该设计成本低，经济实用，操作简单方便，具有一定的实用价值和推广意义。 【关键词】: STC89C52；模块电路 ；温湿度控制；报警功能；【ABSTRACT】This paper takes ST89C52 MCU as the core device, the display module,oscillator module, reset module, alarm module, temperature and humidity data acquisition module, temperature and humidity control module on the LCD1602 temperature and humidity, completed a based on the design and production ofgreenhouse temperature and humidity control system of STC89C52 single chip microcomputer. The control system of temperature and humidity in thegreenhouse temperature and humidity control system management and alarm function. To solve the artificial planting greenhouse temperature and humidity measurement error problems, but also save a lot of human and material resources, improve the greenhouse planting technology, for greenhouse plantingusers bring certain economic benefits. The design of low cost, economic and practical, simple and convenient operation, and has certain practical value and significance of the promotion. 【 key words 】 : STC89C52; circuit; temperature and humidity control; alarm function;一、引言（1） 课题研究背景及意义1. 课题研究背景经济的快速发展，导致了产业的大规模化、集约化。劳动力成本的提高，也促进了农业现代化程度的不断提高。在当今农业种植系统中，大棚种植已经成为非常普遍的种植模式。而在采用大棚种植模式时，最关键的因素就是大棚的温度、湿度等环境因素。这些环境因素直接影响了农作物的生长。传统的大棚种植业中，人们一般采用物理温度计和湿度计来检测大棚的种植环境。虽然用物理温度计和湿度计测量大棚温湿度值的稳定性高，但是该测量方法的精确度较低，实施性也差。鉴于物理温度计和湿度计的上述缺点，本设计拟采用单片机和温湿度传感器为核心器件，完成一个大棚温湿度控制系统的设计与制作。2. 设计意义用单片机和传感器来检测、控制大棚温湿度，能够为大棚种植的用户们节省了大量的时间和人力、物力，可以为他们带来更好的经济效益，具有一定的实际意义。同时通过自己动手设计基于单片机的大棚温湿度控制系统，并对其进行实物制作、调试、排故、参数分析，不仅将我们在校所学的理论知识和实践充分的结合起来，让我们更加巩固以前所学的知识，而且还可以通过发现问题、分析问题、解决问题，在提高自己专业技能的同时，训练自身的逻辑思维能力。（2） 基于单片机的大棚温湿度控制系统的设计方案选择大棚温湿度的检测控制可以采用多种方法来实现，而使用不同的方法来设计系统所达到的效果也是各有不同。例如，在工业上通常采用PLC来作为主控制器，其优势在于其使用梯形图编程，相对简单，而且抗干扰能力强。但是考虑到本设计是针对普通大棚种植需求，而PLC在价格上就让人有点难以承受，其经济性较差。随着当今世界电子技术的快速发展，数字芯片也越来越多样化，其价格也比较便宜。因此，尽管使用C语言对单片机编程比较复杂，但是考虑到它可以实现较多的功能，价格实惠，性价比高，比较符合本设计的用户需求，因此，本系统的设计制作将选用单片机作为主控制器。 （3） 设计的主要内容和设计思路 1.主要研究内容1)温度和湿度控制系统的硬件部分设计，包括电路原理图，绘制详细电路图；2)温度和湿度控制系统的软件部分设计，包括程序设计的流程图，源程序；3)完成温湿度大棚控制系统的制作；4)对系统的实物性能进行相关测试。2.设计思路1)根据设计要求，温湿度的检测采用SHT10作为温湿度传感器，将采集到的温湿度信息传给单片机；2) 选用STC89C52单片机作为核心元件，将SHT10传感器采集到的温湿度数据进行处理后，送给LCD1602液晶显示器显示数据；3）当大棚内温湿度超过或低于用户所设定的界限值时，系统就会立马启动报警器装置；4)温湿度的显示采用了一种特殊的能显示字母、数字、符号的液晶显示器LCD1602作为核心元件，它分两行显示，一行显示温度值，一行显示湿度值；5)通过三个按键：一个功能键、一个加键、一个减键来实现对系统温湿度界限值的设置。二 、硬件设计（1） 硬件电路原理框图硬件电路主要由LCD1602温湿度显示模块、STC89C52单片机控制模块、SHT10温湿度采集模块、时钟模块、复位模块、报警模块、按键调节温度和湿度模块组成。根据研究内容的具体要求，硬件电路的主体设计方案如下：采用STC89C52单片机芯片配合SHT10温湿度传感器，构成一个具有测量温湿度的控制系统。当温湿度采集模块采集到数据之后，进行A/D转换后，由单片机进行数据处理，最终由LCD1602温湿度显示模块显示数据。再通过按键调节温湿度模块，对温度和湿度进行调节。由STC89C52单片机输出高低电平控制温湿度报警模块，当温度超过35低于20，湿度超过70低于30时，STC89C52单片机输出高电平，温湿度报警模块进行报警，反之，当温度在20到35，湿度在30到70之间时，STC89C52单片机输出低电平，温湿度报警模块关闭。其整体框图如图1-1所示。 图1-1 硬件电路原理框图（二）核心元件选择 1、关于STC89C52单片机随着电子技术的迅速发展，单片机在市场上的应用越来越广泛，种类也越来越多样化。但高性价比、编程简单的单片机永远是进行电路设计时的首选。本次设计拟采用性价比高、编程简单的STC89C52作为控制系统的核心器件，它是一个抗干扰能力强、功率消耗低、性能高的CMOS 8位微控制器。它可组成单片机的最小应用系统，在一定程度上缩小了系统的体积，将系统成本降到了最低，其应用范围非常的广泛。主要特性如下：（1）低电压，低功耗；（2） 具有高性能的价格比；（3） 全双工串行口；（4） 最高运作频率35MHz，6T/12T可选；（5） 内带2K字节EEPROM存储空间；（6） 应用程序空间为8K字节；（7） 具有看门狗功能；（8） 具有EEPROM功能；（9） 可编程串行通道；引脚功能说明STC89C52管脚排列如图1-2所示图1-2 ST89C52外部引脚图VCC（40脚）供电电压。GND（20脚）接地。 P0口P0端口是一个双向的I/O端口，即地址和数据线的复用口，且为漏极开路，它的每一个引脚都可以驱动8个逻辑门电流。其高阻抗输入可用端口写“1”的方式实现，P0口访问外部ROM、RAM时，它也可以作为数据和地址的低八位。P1口P1口同P0口是一个双向的I/O口，其芯片中内置上拉电阻，它的缓冲器可以驱动4个TTL门电流。 P2口P2口也是一个双向I/O口，其芯片中也有内置上拉电阻，它的输出缓冲可以吸收四个TTL门电流。当是运用为输入口，使用端口写“1”，电阻跳到高电位，这就是由于内部上拉导致的。 P3口P3口同上面端口一样也是一个双向I/O口，其管脚内部带有8个上拉电阻，可以同时接收和输出4个TTL门电流。RST复位输入。用此端口来完成单片机的复位操作，在高电平状态下此端口有效。 ALE ALE是当访问外部存储器时，用来锁存低8位地址的输出脉冲。除此之外它也是可以作为输入脉冲，那就是在Flash编程时。像一般情况下，ALE端以晶振1/6的恒定频率周期输出正脉冲信号。所以它可以用于定时目的或者是当时钟使用。然而在每次访问外部RAM时有一点还需强调一下，它会自动地跳过一个ALE脉冲。另外，此引脚被微微地拉高一些。该标志位的设置在执行外部模式下时是无效的。 外部ROM的选通信号。 是低电平有效，当引脚为“0”状态时，在此期间，使用外部ROM（0000H-FFFFH），不管MCU是否有内部ROM。请注意，当其锁定内部复位引脚时，加密的方式为1；当该引脚保持“ 1”状态，期间使用单片机的内部程序存储器。 XTAL1它是一个输入端口，主要用于反向振荡放大器和单片机内部时钟发生电路的输入。 XTAL2反向振荡器的输出端。 2、关于SHT10温湿度传感器在目前的市场上，传感器的种类各式各样，但是考虑到本次设计是用于大棚的温湿度测试，所以我们要选择一个性价比高，购买方便，市场占有率高的产品。本设计采用的是SHT10传感器作为核心元件，构成温湿度采集模块。该产品的功能并不复杂，但完全可以满足此次设计任务需求，而且它的性价比在传感器当中很高。此产品的稳定性和可靠性都很高，其抗干扰能力也很强并且响应超快。此外，由于具备体积小、功耗低的特点，SHT10传感器已经成为各类电子应用的最佳选则。SHTXX系列分别有SHT1X系列、SHT7X系列，SHT10属于SHT1X系列中的经济型的温湿度传感器，其性能特点如（图1-3）所示。图1-3 相对温度、湿度精度曲线由图1-3可以得出，无论是从温度来看还是湿度来看，SHT10都比其它传感器的误差大，但是若从市场价格方面来考虑，SHT10的价格都要比其它传感器的价格低。考虑到本次设计的适用场合是蔬菜大棚的种植系统，对环境温湿度的检测要求并十分严苛，允许适当范围的误差存在，其价格的优势完全可以弥补该缺陷，符合本次设计需求。3、关于LCD1602液晶显示器随着当今电子技术的快速发展，液晶显示器被广泛的应用于各行各业，随之它的种类也更加的多样化。但由于本设计是既要显示温度又要显示湿度，所以我们选择了一种特殊的能显示字母、数字、符号的液晶显示器LCD1602作为核心元件，构成了液晶显示模块。它功耗低、体积小、显示内容非富，可以同时显示两行，每行16个字符液晶模块，既可以是数字也可以是字符。主要特性如下：（1）电压为+5；（2）内含复位电路；（3）体积小，重量轻，功耗低；（4）数字式接口，操作方便；（5）显示各种控制命令；（6）显示质量高；（三）模块电路设计 1、温湿度采集模块的设计为了实现硬件测量温湿度的功能，该模块电路选用SHT10温湿度传感器为核心元件，构成了温湿度采集模块。该模块主要就是通过传感器采集温湿度值，进行A/D转换，再由单片机进行数据处理。其具体接法如图2-2所示。图2-2 SHT10的接口电路 SHT10的采用两线制的串行接口，一根是串行时钟线SCK，一根是数据线DATA,其中DATA 三态门用以读取数据。STC89C52单片机的P2.0端口连接到SCK，实现与SHT10之间的同步通讯。电路上接了1个10K的上拉电阻，将信号提拉至高电平，避免了在数据传输过程中出现信号冲突的现象。因为当SCK 时钟下降沿来临时DATA 将改变状态，它只有在SCK 时钟上升沿时才有效。2、报警模块的设计为了实现模块的报警功能，该设计选用了有源蜂鸣器为核心器件，构成了报警模块。该模块主要就是根据传感器所测的温湿度值是否在界限值内，来判断是否要启动报警装置。当所测得的温度和湿度值高于或低于用户所设定的范围时，系统就会主动启动报警装置。反之系统就会关闭报警装置。其具体电路图2-3所示。 图2-3 报警模块电路该报警模块电路主要有两个电阻、9012三极管、一个蜂鸣器和LED灯组成，但是考虑到单片机引脚电流太小，还不足以驱动蜂鸣器，所以电路上接了一个1K的电阻，通过电阻给三极管一个偏置电压，从而使三极管驱动蜂鸣器达到报警的效果。当三极管从单片机P4口获得一个低电平时，三极管导通同时蜂鸣器两端获得约+5V电压，即而发出哔哔声；反之，当获得高电平时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。3、按键模块的设计该模块设计相对简单，为了让人们操作起来能更加简单，选用按键来作为调节温湿度的元件，采用键盘扫描电路，利用简单的低电平扫描方式，通过开关的每一端连接单片机，另一端接地，以是否是低电平来判断按键是否被按下，进而调节温湿度的上下值。该模块电路如图2-4所示 。 图2-4 按键模块电路当S1按键被按下时，单片机端口收到低电平信号，此时选择S2、S3按键来完成对温湿度上下限值的设置。4、时钟模块和复位模块的设计当单片机一旦上电，就会立即复位；如果单片机在运行中因受到外界因素的干扰而出现程序跑飞或死机的状态，可以通过上电复位使其恢复。复位是指单片机系统的各个部件全部恢复为初始状态的一种操作,具体电路如图2-5（b）所示。 （a）时钟电路 (b)复位电路图2-5 STC89C52的复位模块和时钟模块电路 图中电容C1和电阻R1构成了上电复位，利用电容充电来实现重置功能。本次的设计系统采用的是内部时钟的方式，利用单片机内部的高增益反相放大器构成时钟电路，它的外部电路简单，只需要电容(C2和C3)和12M的晶振即可，其具体接法如时钟电路图2-5（a）所示。时钟电路中电容C3和C2可以用来微调振荡的频率，其取值范围一般为3010pF，本次的设计系统选择的电容值是30pF；石英晶振的值可以选择的范围是0到24MHz，它对单片机电路产生的时钟信号的振荡频率起决定性作用，在本次的设计系统中选择的是12MHz，所以单片机时钟信号的震荡频率就是12MHz。 5、 LCD1602显示模块为了方便读写温湿度值，这里选用LCD1602液晶显示器来显示温湿度值，该模块主要是将传感器测量的温湿度值在显示屏上清晰的显示出来，分两行显示，温度和湿度各显示一行。其具体电路图2-6所示。图2-6 显示模块电路LCD1602有三个存储器，分别是CGROM、CGRAM、DDRAM，第一个用来存储LCD1602固定的一些字符模式，第二个用来存储用户自己设置的字符，第三个用来存储要显示的字符。（4） 总电路原理图综上对各模块电路的设计，绘制基于单片机的大棚温湿度控制系统的设计的总原理图，详见附录一。 3、 软件设计软件设计相对于硬件设计，其灵活性非常大，它可以根据系统的不同要求对程序进行相应的改变。让我们在不改变硬件结构的情况下，只需要改变一下软件程序就能实现各种想要的功能。单片机的很多功能都是通过软件来控制完成的。在本设计中，软件结构采用模块化设计方法，主要包括SHT10温湿度采集子程序、LCD1602液晶显示子程序、输出控制子程序、键盘扫描子程序等几个子程序模块，各子程序模块最终由主程序来调用。(一)软件设计总方案程序主要包括主程序、SHT10温湿度采集子程序、LCD1602液晶显示子程序、蜂鸣器报警子程序、键盘扫描子程序组成：1) 主程序：进行缓存初始化，以及对各个子程序进行合理运用；2) SHT10温湿度采集子程序：收集测量得到的数据；3)LCD1602液晶显示子程序：将测量得到的结果，清晰的在液晶显示屏上显示出来；4)蜂鸣器报警子程序：判断温湿度是否在用户设置的界限值内，是否需要启动报警装置；5)键盘扫描子程序：设定温湿度的界限值。 （二）软件程序流程图 图3-1 软件程序流程图（3） 程序设计1. 主程序主程序进行缓存初始化，以及对各个子程序进行合理运用，该模块流程图设计如图3-2所示。 图3-2 主程序流程图2. SHT10温湿度采集子程序温湿度采集的功能是测量大棚的温度和湿度并将其结果转换为数字量送给单片机。SHT10通过依次拉低或拉高时钟线和数据线来实现复位时序和启动传输时序，这个相对简单；但读时序和写时序有点复杂，程序开始时由写时序来发送命令，等测量结束后，由读时序来读回测量数据。该模块流程图设计如图3-3所示。图3-3 SHT10温湿度采集子程序流程图部分源程序如下： 3. LCD1602液晶显示子程序LCD1602液晶显示子程序用来显示采集到的温湿度值，其流程图如图3-4所示： 图3-4 LCD1602液晶显示子程序流程图其部分源程序如下： 4.蜂鸣器报警子程序流程图蜂鸣器报警子程序通过判断温湿度来决定是否要启动报警装置，其流程图如图3-5所示 图3-5 输出控制子程序流程图 其部分源程序如下： /判断温度值是否超出设定范围，如超出LED亮 /判断湿度值是否超出设定范围，如超出LED亮 5. 键盘扫描子程序流程图通过对按键的调节来实现对温湿度界限值的设置，其流程图如图3-6所示： 图3-6 键盘扫描子程序流程图其部分源程序如下： /清屏 /设置温度上限位 四、实物制作（1） 元器件清单根据前面所述的原理图选择相应的元器件，各元器件的具体参数清单详见附录二。（2） 电路的组装此次设计的大棚温湿度控制系统是用万用板板来进行实物制作的，其制作步骤如下： 1)用数字万用表检查各个元器件的好坏；2)将检查好的各个元器件在万用板上布局好，再对其进行焊接；3)对照原理图，把各个元器件之间用导线连接好；4)再次照着原理图检查焊接好的电路板，看是否存在引脚虚焊漏焊的情况；5)实物制作完成进行相关性能的测试。完成制作后的大棚温湿度控制系统的实物图详见附录三。（3） 电路功能测试当把电路板对照原理图焊接好以后，要对电路板上的每个部分的电路进行逐一的调试工作。对于硬件调试，在通电前应先检查元件的安装位置是否正确，各个元件间的连线是否连接正确，元件是否存在虚焊、漏焊、焊接错误等情况，测量核实电源电压的数值和极性是否正确。只有这样才能减少错误、保障调试顺利进行。通电后观察有无异常气味，显示器显示是否正常，一旦有异常情况发生，应立马切断电源。在以上情况都正常的情况下方可进行软件调试。当发现硬件电路有问题时，应该首先按照各单元电路功能依次进行调试排查。直到每个部分的电路检查过，都保证没有错误时，再进行整机调试。 此次设计的单片机大棚温湿度控制系统，用户们是可以根据自己需求来对温湿度界限值进行设置，其具体调试结果如下所示：1、 首先按下S1键，进入系统预定温度上限值设置状态，调节S2、S3按键，再次按下S1键，进入系统预定温度下限值设置状态，调节S2、S3按键；再一次按下S1键，进入系统预定湿度上限值设置状态，调节S2、S3按键，最后再按一次S1键，进入系统预定湿度下限值设置状态，调节S2、S3按键；最终将温湿度界限值设置为：温度范围在1835，湿度在40%69%之间 ，其显示结果如图4-1所示： （a） 温度上下限值 （b） 湿度上下限值 （c）温湿度的显示结果 图4-1 温湿度界限值内的显示结果由图4-1（c）可知，当前的温度为20.6，湿度为63.6%，其实测量值均在界限值内，属于正常状态，所以报警装置处于关闭状态，不报警。2、再次调节S2按键，改变温度的下限值为22，改变湿度的下限值为65%，温湿度的上限值都保持不变，其显示结果如图4-2所示。 （a）温度下限值 （b）湿度下限值（c）温湿度的显示结果图4-2 低于温湿度下限值的显示结果由图4-2(c)可知，由于当前温度是20.7，湿度是62.8%，都低于当前所设置的温湿度下限值，指示灯L1、L3亮起，报警器报警。3、 再次调节S3按键，改变温度的上限值为20，改变湿度的上限值为60%，温湿度的下限值都保持不变，其显示结果如图4-3所示。 (a)温度上限值 （b）湿度上限值 （c）温湿度的显示结果图4-3 超过温湿度上限值的显示结果由图4-3（c）可知，由于当前温度为20.7，湿度依然为64.8%，都超出当前所设置的温湿度上限值，指示灯L2、L4亮起，报警器报警。总结 经过实物调测验证，本设计能够实现系统对温湿度的实时检测，可以根据用户需求任意调节温湿度的正常范围，而且当环境温湿度超过或低于用户所设的界限值时，系统会自动报警，提醒用户及时采取措施，保证大棚种植的环境需求。 本设计整体电路简单，显示清楚，成本较低，使用方便，用户很容易掌握其使用方法，具有较高的实用价值。利用该