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

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 指导教师 罗红艳 2014 年 3 月 15 日 目录目录 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 0 摘要摘要 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 关键词关键词 STC89C52 模块电路 温湿度控制 报警功能 ABSTRACT 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 keykey wordswords STC89C52 circuit temperature and humidity control alarm function 1 一 引言一 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 2 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 二二 硬件设计 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 3 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 4 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 PROC 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 PSEN 是低电平有效 当引脚为 0 状态时 在此期间 使用外EAVPPEAEA 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 5 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 6 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 7 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 8 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 30 10pF 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 9 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 3 软件设计软件设计 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 10 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 11 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 12 图 3 3 SHT10 温湿度采集子程序流程图 部分源程序如下 0error i char unsign 2 i 0 i0 x80 i for 1 DATA value DATA else 1SCK nop nop nop 0SCK 1DATA 13 1SCK DATAerror nop nop nop 0SCK 1DATA error return 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 address uchar 1y if x80 x0address else 14 x0 xc0address address command write LCD dat data write LCD 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 t Alarm Limi void 判断温度值是否超出设定范围 如超出 LED 亮 up Alarm temp wenduif 15 02D 0 temp up1alarm else 12D 11up temp alarm 判断湿度值是否超出设定范围 如超出 LED ow1 humidity Alarmshidu if 亮 03D 01low humidity alarm else 13D 1 low1humidity Alarm 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 16 图3 6 键盘扫描子程序流程图 其部分源程序如下 0set key if 10 ms1delay 0set key if 0 1TR 17 0EA 1 0 str disp LCD 清屏 2 0 str disp LCD selectnum 1selectnum if 设置温度上限位 1up temp set 0down temp set 0up humidity set 0down humidity set ight Set Temp H 1 0 str disp LCD 0 100 1000 up temp Alarm 2 5 char disp LCD 0 10 100 up temp Alarm 2 6 char disp LCD 2 7 char disp LCD 0 10 up temp Alarm 2 8 char disp LCD 四 实物制作四 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 18 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 18 35 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 19 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 20 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 利用该系统 自动对大棚环境进行温湿度监测 可以给 大棚种植节省了大批的人力和物力 提高了大棚的种植效率 能给用户带来了更好的 经济效益和社会效益 本设计虽然已经完成了预定目标 实现了既定功能要求 但是仍存在一些不足 例如 显示器显示的温湿度值稳定性不高 按键调节温湿度还不够简洁 报警信号过 于单一等 这些都有待进一步的改善 通过此次设计与实物制作 虽然也遇到过许多问题 但都通过查找资料 积极的 向他人请教学习 个人积极思索 基本上都能及时解决 此次设计不仅巩固了自己在 校所学的知识 也提高了自己发现问题 解决问题的能力 致谢致谢 好不容易把毕业论文给写好了 在这段时间里少不了老师和同学们的帮助 在这 21 里尤其感谢我的论文指导老师 多谢她对我论文的精心指导 也感谢她在我有问题时 能够及时的帮我解决问题 同时也感谢辅导员这段期间对我们的关心 是她在第一时 间给我们通知学校里的各种信息 让我们在第一时间里知道了论文的书写要求 当然 也得谢谢我同学对我的帮助 在我最初写论文困惑的时候 是她积极的开导我 帮我 一起想论文题目 在我遇到问题的时候 是她帮助我一起把问题给解决了 最后还得再谢谢我的论文指导老师 多谢她对我论文的仔细批阅 才可以让我的 毕业论文得以顺利完成 在此也感谢其他老师和同学的帮助 真的是非常感谢 参考文献参考文献 1 黄勤易等 基于 EDA 技术的数字电路设计性实验研究 现代电子技术 2005 年 20 期 2 曾关云 单片机汉字及图片显示系统设计 科技信息 2010 年 30 期 3 缪玉珍 SHT10