温室大棚控制系统设计毕业论文.doc

郑州轻工业学院郑州轻工业学院 本科毕业设计 论文 题 目 温室大棚控制系统设计 学生姓名 专业班级 自动化 09 1 班 学 号 院 系 电气信息工程学院 指导教师 完成时间 2013 年 6 月 1 日 郑州轻工业学院电气信息工程学院 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 题目 温室大棚控制系统设计 专业 学号 姓名 主要内容 基本要求 主要参考资料等 主要内容主要内容 了解温室大棚控制技术的发展现状 技术特点 利用单片机 自动控制等技术设计温室大棚控制系统 基本要求基本要求 利用 PID 调节技术对加热器的温度进行控制 其加热器功率 20KW 温度测控范围 10 70 测控精度 0 4 湿度测控范围 0 90 RH 精度 3 RH 利用单片机作为控制器的 MCU 搭建相关外围电路进行相应的控制 控制器系统具有温湿度设定 温湿度显示 超温报警 漏电检测并自动关断电 源等功能 按照要求对设计进行说明 给出总体设计方案 设计原理 软件编程必须给出流程图 程序必须加注释 各程序段的开始要注明该段功能 和作用 主要参考资料主要参考资料 1 李俊 张晓东 基于单片机的温湿度检测与控制系统研究 J 微计算机信息 2008 24 17 116 118 2 陶然 王树文 智能化温室环境控制系统的研究 J 农机化研究 2003 33 2 53 55 3 赵娜 赵刚 基于51单片机的温度测量系统 J 微计算机信息 2007 23 1 146 148 4 刘攀 俞杰 基于单片机的温度测控系统 J 兰州交通大学学报 2005 6 12 103 106 完完 成成 期期 限 限 2 20 01 13 3 0 02 2 2 20 01 13 3 0 06 6 指指导导教教师师签签章章 专业负责人签章 专业负责人签章 20132013 年年 2 2 月月 2626 日日 温室大棚控制系统设计 I 温室大棚控制系统设计 摘 要 随着大棚技术的普及 温室大棚数量不断增多 对于蔬菜大棚来说 最重要的 一个管理因素是温湿度控制 温湿度太低 蔬菜就会被冻死或则停止生长 所以要 将温湿度始终控制在适合蔬菜生长的范围内 传统的温度控制是在温室大棚内部悬 挂温度计 工人依据读取的温度值来调节大棚内的温度 如果仅靠人工控制既耗人 力 又容易发生差错 现在 随着农业产业规模的提高 对于数量较多的大棚 传 统的温度控制措施就显现出很大的局性 为此 在现代化的蔬菜大棚管理中通常有 温湿度自动控制系统 以控制蔬菜大棚温湿度适应生产需要 本文利用 89C51 单片机设计一个温室大棚的温湿度检测控制系统 对湿室内的 温湿度进行检测控制并实时显示 其中温湿度传感器采用 AM2301 数字温湿度传感 器 通过 89C51 单片机的处理把温湿度值显示在 1602 液晶上 并实时判断温湿度 值是否满足设定的温湿度范围 若超出设定范围 通过 89C51 启动温湿度控制系统 达到恒温恒湿的目的 关键词 89C51 单片机 AM2301 传感器 1602 液晶 控制系统 温室大棚控制系统设计 II DESIGN OF CONTROL SYSTEM OF GREENHOUSE ABSTRACT With the popularization of trellis technology greenhouse trellis an ever growing number for vegetable shed speaking one of the most important management factor is the temperature and humidity control Temperature is too low the vegetables will freeze to death or stop growing so will always control temperature and humidity in a suitable vegetable growth range Traditional temperature control is in greenhouse trellis internal hanging a thermometer workers according to regulate the temperature reading the temperature inside the shelter If only by artificial control both consumption manpower and easy to place regular orders Now with the improvement of agricultural industry scale for larger quantity of trellis traditional temperature control measures will show great bureau sex Therefore in modern vegetable shed management zhongtong often temperature and humidity automatic control system in order to control the temperature and humidity adapt to the trellis vegetable production needs In this paper using 89C51 MCU to design a greenhouse temperature and humidity measurement and control system Detection and control the indoor temperature and humidity and real time display The temperature and humidity sensor using AM2301digital temperature and humidity sensor The temperature and humidity are displayed in the 1602 LCD through the 89 C51 single chip computer processing And the real time temperature and humidity value judgment whether meet the set the humidity and temperature of the range If it exceeds the setting range through the 89C51 start the temperature and humidity control system to achieve the purpose of constant temperature and humidity KEY WORDS 89C51MCU AM2301 sensor 1602LCD control system 温室大棚控制系统设计 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 立题的目的和意义 1 1 3 国内外的研究现状和发展趋势 2 1 4 系统主要研究内容 2 2 系统总体设计 3 2 1 系统设计技术要求 3 2 2 系统设计原则 3 2 2 1 可靠性 3 2 2 2 操作维护方便 3 2 2 3 性价比 4 2 3 系统的组成和工作原理 4 2 3 1 系统的组成 4 2 3 2 系统的工作原理 4 3 系统硬件设计 6 3 1 单片机外围电路设计 6 3 1 1 AT89C51 单片机 6 3 1 2 时钟电路 7 3 1 3 复位电路 7 3 1 4 5V 稳压电源电路 8 3 2 传感器的选型和接口电路设计 8 温室大棚控制系统设计 3 2 1 传感器的基本特性 8 3 2 2 AM2301 数字温湿度传感器 9 3 3 人机接口电路设计 13 3 3 1 液晶显示电路设计 13 3 3 2 按键电路的设计 17 3 4 光声报警电路与温湿度控制电路设计 18 3 4 1 光声报警电路 18 3 4 2 温湿度控制电路 19 4 软件系统设计 21 4 1 初始化模块 21 4 2 温湿度检测模块 22 4 3 温湿度控制模块 23 4 4 1602 液晶显示模块 23 4 5 按键识别模块 24 4 6 报警模块 25 结束语 26 致谢 27 参考文献 28 附录 1 29 附录 2 30 温室大棚控制系统设计 1 1 绪论 1 1 课题背景 随着经济和社会的不断发展 人们对生活质量要求显著提高 对植被也要求越 来越严格 如何种植出品种优良的植物 一直是人们研究的话题 而基于单片机的 温湿度控制系统对解决这些问题有着非常重大的意义 植被 设施栽培 即 保护地栽培 它是指在某种类型的保护设施内 如 阳畦 温室 大棚等 人为地创造适宜植被生长发育的最佳环境条件 在不同季 节内 尤其是不利于植被生长的季节内进行植被栽培的一种措施 设施栽培是人类 利用自然 改造自然的一种创造 由于设施内的条件是可以人为控制的 使得植被 调节的周年生产得以实现 玻璃温室和塑料薄膜温室出现后 植被生产出现了划时 代的变化 现在人们可以根据自己的意愿 随时生产出所需要的各种植被 可以说 这是 设施栽培 的功劳 以前种植植被一般都用温室栽培 为了充分的利用好温室栽培这一高效技术 就必需有一套科学的 先进的管理方法 用以对不同种类植被生长的各个时期所需 的温度及湿度等进行实时的监控 温湿度控制对于单片机的应用具有一定的实际意 义 它代表了一类自动控制的方法 而且其应用十分广泛 1 2 立题的目的和意义 环境的监测与控制在工业 农业 国防等行业有着广泛的应用 由于应用的场 合不同监测对象的不同 其系统设计也是千差万别 在实际生活中此类系统有着广 泛的应用 室温环境检测系统中温度和湿度是两个重要的显示和分析指标 必须定 期抽样检查室温环境温度和湿度 以便采取相应的措施加以调整和一步步的提高系 统的性能 89C51 单片机是常用于控制的芯片 在智能仪器仪表 工业检测控制 机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果 用其作为温湿度检测控制系统的实例也 很多 使用 89C51 单片机能够实现温湿度全程的自动检测与控制 而且 89C51 单片 机易于学习 掌握 性价比高 使用 89C51 型单片机设计温湿度检测控制系统 可以及时 精确的反映室内的 温度以及湿度的变化 完成诸如升温到特定温度 降温到特定温度 在温度上下限 温室大棚控制系统设计 2 范围内保持恒温等多种控制方式 在湿度控制方面也是如此 将此系统应用到温室 大棚当中无疑为植物的生活提供了更加适宜的环境 这对我国的农业生产 实现农 业现代化 提高国民生产总值 改善人民生活水平起到了非常重要的作用 1 3 国内外的研究现状和发展趋势 目前 我国绝大部分自主开发的大棚温湿度控制或者进口的国外设备都属于这 种系统 虽然这种自动控制系统实现了自动化 适合规模化生产 提高了劳动生产 率 通过改变大棚温室度的设定目标 可以自动的对大棚内温湿度进行调节 但是 这种调节对作物的生长来说还是相对滞后的 难以介入作物生长的内在规律 所以 在这种自动控制系统和实践的基础上 温湿度自动控制向着适合不同作物生长的智 能化控制发展 国外大棚业正致力于高科技发展 遥测技术 网络技术 控制局域网已逐渐应 用于大棚的管理和控制中 为了充分的利用好温室栽培这一高效技术 就必须有一 套科学的 先进的管理方法 用以对不同种类植被生长的各个时期所需的温度及湿 度等进行实时的监控 温湿度控制对于单片机的应用具有一定的实际意义 它代表 了一类自动控制的方法 而且其应用十分广泛 近几年各国温度控制技术提出建立 大棚行业标准 朝着网络化 大众化 大规模 无人化的方向发展的思路也更加完 善和成熟 采用高性能的控制芯片 89C51 高精度数字温湿度传感器 AM2301 向 模块化 高速化 智能化的单片机数据采集系统靠近 将此系统应用到温室大棚当 中无疑为植物的生活提供了更加适宜的环境 符合植物的生活环境要求 具有良好的 发展前景 1 4 系统主要研究内容 本系统所要完成的任务是 1 人性化的设计 根据植物的生活需求 把温湿度值控制在一定的范围内 2 能够实时 准确的显示采样温度值与湿度值 3 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 及时的 启动报警装置 包括警报灯的提示功能以及提示音等 进行报警 并采取相应的控 制方案 温室大棚控制系统设计 3 4 能够根据植被在不同时间段内对温湿度的不同要求 用户可随机更改温度 及湿度值 以满足用户不同的需求 2 系统总体设计 2 1 系统设计技术要求 系统要完成的设计功能是 1 实现对温室大棚温湿度参数的实时采集 测量空间的温度和湿度 由单片 机对采集的温湿度值进行循环检测 数据处理 显示 实现温湿度的智能检测 2 并能根据实际所需要的温湿度值通过独立按键设定 已达到更加理想的温 室大棚条件 3 实现超越数据的及时报警 并启动控制系统 实现温室的目的 4 现场检测设备应具有较高的灵敏度 可靠性 抗干扰能力 要求达到的技术指标要求 测温范围 10 70 测温精度 0 4 测湿范围 0 90 RH 测湿精度 3 RH 2 2 系统设计原则 要求单片机系统应具有可靠性高 操作维护方便 性价比高等特点 2 2 1 可靠性 高可靠性是单片机系统应用的前提 在系统设计的每一个环节 都应该将可靠 性作为首要的设计准则 提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑 使用可靠性 高的元器件 设计电路板时布线和接地要合理 对供电电源采用抗干扰措施 输入 输出通道抗干扰措施 进行软硬件滤波 系统自诊判断功能等 2 2 2 操作维护方便 在系统的软硬件设计时 应从操作者的角度考虑操作和维护方便 尽量减少对 操作人员专用知识的要求 以利于系统的推广 因此在设计时 要尽可能减少人机 温室大棚控制系统设计 4 交换接口 多采用操作内置或简化的方法 同时系统应配有现场故障自动诊断程序 一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位 以便进行维修 2 2 3 性价比 单片机除体积小 功耗低等特点外 最大的优势在于高性能价格比 一个单片 机应用系统能否被广泛使用 性价比是其中一个关键因素 因此 再设计时 除了 保持高性能外 尽可能降低成本 如简化外围硬件电路 在系统性能和速度允许的 情况下尽可能使用软件功能取代硬件功能等 2 3 系统的组成和工作原理 2 3 1 系统的组成 以单片机为控制核心 采用温湿度测量 通信技术 控制技术等技术 以温湿 度传感器作为测量元件 构成智能温湿度测量控制系统 可分为温湿度测量电路 显示电路 声光报警电路 温湿度控制电路 选用的主要器件有 AT89C51 温湿度 传感器 AM2301 1602LCD 显示模块 降温装置风扇 升温装置加热器 増湿装置 喷雾器 除潮装置除潮器 红绿 LED 灯 报警装置蜂鸣器等 1 2 系统的组成方框 图如图 2 1 所示 图 2 1 系统的组成 2 3 2 系统的工作原理 本系统以单片机 Atmel89C51 为核心 数据采集 传输 显示 报警都要通过 单片机 数据采集通过单总线的智能数字温湿度传感器 AM2301 完成 通过单片机 把采集的数据显示在 1602LCD 上 当采集的数据超出给定范围时 有蜂鸣器实时报 温室大棚控制系统设计 5 警 并显示红灯提示 并进行相应的控制处理 在整个系统中采用了 AM2301 单总 线技术 单片机采用 C 语言编程 首先 系统启动后 提示用户输入温湿度的上限与下限的温度值 用户输入之 后 系统自动求出中间值 根据实际温度的情况采取相应的方案 如温度的设定如 下所示 下限温度 中间温度 上限温度 28 32 36 如果该时刻的实际温度值低于用户给定的下限温度值时 系统立即启动报警装 置 且系统处于升温状态 直到实际温度达到用户输入的上下限温度的中间值一定 区间内时停止升温 反之 如果实际温度值高于用户设定的上限值时 系统也会立 即启动报警装置 且系统处于降温状态 直到实际温度达到用户输入的上下限温度 的中间值一定区间内时停止降温 选择中间值作为控制参数 防止升温 降温 升温的死循环 因为温度低于下 限时会一直升温 可能会导致升温之后温度高于上限值系统又开始降温 这样系统 便一直重复升温 降温 升温过程 导致设备在某一个温湿度点附近频繁的启停 使设备寿命下降 而且没有实际意义 选择中间值的一定区间 是防止达到中间值时 采取了停止升温或者降温措施 温度还是会持续上升或下降一会儿 这时候温度可能不是正好在中间值处 系统便 还是采取升温或者降温的措施 而此时的温度值可能已经是很适合植被生长的需要 的温度值 所以本方案选在中间值的正负一度区间内 认为此区间内都是适合的 不产生任何控制动作变化 这样就能解决设备频繁启停问题 整个系统通过独立键盘给定温湿度的上下限值并通过 LCD1602 显示出来 首行 显示温度 第二行显示湿度 另外 LCD 除了显示上下限温湿度值 还显示实时的温 湿度值 温室温湿度控制系统是以 89C51 单片机作为中央控制装置 风扇 加热设备 加湿设备 排潮设备等 89C51 作为中央控制装置 负责中心运算和控制 协调系统各个模块的工作 风扇 负责系统的降温工作 加热设备 负责系统的加热工作 温室大棚控制系统设计 6 喷雾设备 负责系统的加湿工作 排潮设备 负责系统的去湿工作 双色灯 报警模块 负责系统的报警功能 如果当前的温度超过用户设定的 上下值界限值时系统将自动警 双色灯在单片机的控制下有规律的切换 同时报警 模块发出报警声 通知用户采取相应的措施 按键 由四个独立按键构成 第一个键代表温湿度选择按键 第二个代表温 湿度加按键 第三个代表温湿度减按键 第四个代表确定键 它只在需要调整温湿 度具体值时才会用到 此时液晶显示屏就会显示出温湿度数值设定界面 3 系统硬件设计 3 1 单片机外围电路设计 经过上面的总体方案和实施措施的讨论后可以开始着手硬件系统的设计 硬件 系统是应用系统的基础 软件系统设计的依据 根据总体功能和性价比及其运行速度等因素的考虑 选用 MCS 51 系列的 89C51 为主机 满足上面的要求而且设计方便 不需要再存储扩展 3 1 1 AT89C51 单片机 中央微处理器 AT89C51 AT89C51 是一个低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4k Bytes ISP In system programmable 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序 存储器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术制造 兼容标准 MCS 51 指令系统及 80C51 引脚结构 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元 功能强大的微型计算机的 AT89C51 可为许多嵌入式控制应用系统 提供高性价比的解决方案 AT89C51 具有如下特点 40 个引脚 4k Bytes Flash 片 内程序存储器 128 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 32 个外部双向输入 输 出 I O 口 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通信口 看门狗 WDT 电路 片内时钟振荡器 此外 AT89C51 设计和配置了振荡频率 并可通过软件设置省电模式 空闲模 式下 CPU 暂停工作 而 RAM 定时计数器 串行口 外中断系统可继续工作 掉 电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据 停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件 温室大棚控制系统设计 7 复位 同时该芯片还具有 PDIP TQFP 和 PLCC 等三种封装形式 AT89S51 单片机 综合了微型处理器的基本功能 按照实际需要 同时也考虑到设计成本与整个系统 的精巧性 所以在本系统中就选用价格较低 工作稳定的 AT89C51 单片机作为整个 系统的控制器 3 3 1 2 时钟电路 AT89C51 单片机各功能部件的运行都以时钟信号为准 一拍一拍地工作 因此 时钟频率直接影响单片机的速度 时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性 AT89C51 单片机内部有一个用于构成震荡的高增益反相放大器 它的输入端为芯片 引脚 XTAL1 输出端为 XTAL2 这两个引脚构成一个稳定的自己振荡器 外部时 钟方式时外部时钟电源直接接到 XTAL1 端 XTAL2 端悬空 其电路如图 3 1 所示 12 Y1 11MHZ 30pF C1 30pF C2 GND X1 X2 图 3 1 时钟电路 3 1 3 复位电路 复位是单片机的初始化操作 只需给 AT89C51 的复位引脚 RST 加上大于 2 个 机器周期的高电平就可使 AT89C51 复位 复位电路通常采用上自动复位和按钮复位 两种方式 上电复位是通过外部复位电路给电容 C 充电加至 RST 引脚一个短的高电 平信号 次信号随着 VCC 对电容 C 的充电过程而逐渐回落 即 RST 引脚上的高电 平持续时间取决于电容的充电时间 为保证系统可靠地复位 EST 引脚上的高电平 必须维持足够长的时间 按键手动复位有电平和脉冲两种形式 4 5 其电路如图 3 2 所示 温室大棚控制系统设计 8 1K R 6 10uF C3 V CC S1 10K R 5 G N D RST 图 3 2 复位电路 3 1 4 5V 稳压电源电路 它由电源变压器 桥式整流电路 D1 D4 滤波电容 C1 C3 防止自激电容 C2 C3 和一只固定式三端稳压器 LM7805 极为简捷方便地搭成的 220V 交流市电 通过电源变压器变换成交流低压 再经过桥式整流电路 D1 D4 和滤波电容 C1 的整 流和滤波 在固定式三端稳压器 LM7805 的 Vin 和 GND 两端形成一个并不十分稳 定的直流电压 该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化 此直流电压经过 LM7805 的稳压和 C3 的滤波便在稳压电源的输出端产生了精 度高 稳定度好的直流输出电压 本稳压电源可作为 TTL 电路或单片机电路的电源 三端稳压器是一种标准化 系列化的通用线性稳压电源集成电路 以其体积小 成 本低 性能好 工作可靠性高 使用简捷方便等特点 成为目前稳压电源中应用最 为广泛的一种单片式集成稳压器件 在此 5V 稳压电源电路图中 经变压器后输出电压 为 8V 又经过 D1 D4 桥式整流电路变为之前的 1 4 倍为 11 2V 这样在 LM7805 的 Vin 和 GND 两端之间的压差为 5 2V 一般气压差越小越好 这样对 LM7805 的损 伤越小 但为了综合考虑有时则要这种考虑 其电路如下图 3 3 中所示 Trans former D1 D4 220uF C4 220uF C6 0 1uF C5 0 1uF C7 12 3 Vin Vout GND LM7805 GND 220V 8V Vcc 5V 温室大棚控制系统设计 9 图 3 3 5V 稳压电源电路 3 2 传感器的选型和接口电路设计 3 2 1 传感器的基本特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号 传感器的输出量与输入量之间所具 有相互关系 不含时间变量的代数方程 或以输入量作横坐标 把与其对应的输出 量作纵坐标而画出的特性曲线来描述 表征传感器静态特性的主要参数有 线性度 灵敏度 分辨力和迟滞等 传感器的动态特性 所谓动态特性 是指传感器在输入变化时 它的输出的特 性 在实际工作中 传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示 这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得 并且它对标准输入信 号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系 往往知道了前者就能推 定后者 最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种 所以传感器的动态特 性也常用阶跃响应和频率响应来表示 6 7 3 2 2 AM2301 数字温湿度传感器 1 AM2301产品概述 AM2301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 它运用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术 确保产品具有极高的可靠性与 卓越的长期稳定性 传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件 并与一 个高性能8位单片机相连接 因此该产品具有品质卓越 超快响应 抗干扰能力强 性价比极高等优点 每个AM2301传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准 校 准系数以程序的形式储存在OTP内存中 传感器内部在检测信号的处理过程中要调 用这些校准系数 单线制串行接口 使系统集成变得简易快捷 超小的体积 极低 的功耗 信号传输距离可达20米以上 使其成为各类应用场合的最佳选则 产品为4 针单排引脚封装 连接方便 特殊封装形式可根据用户需求而提供 2 产品亮点 超低能耗 传输距离远 全部自动化校准 采用电容式湿敏元件 完全互换 标准数字单总线输出 卓越的长期稳定性 采用高精度测温元件 3 AM2301接口定义 温室大棚控制系统设计 10 AM2301的引脚分配及各个引脚的简单描述分别如表3 1和图3 4所示 表 3 1 AM2301 的引脚分配 图 3 4 AM2301 的引脚描述 引脚说明 VDD SDA GND AM2301的供电电压范围为3 5V 5 5V 建议供电电压为5V 数据线SDA引脚为三 态结构 用于读 写传感器数据 4 单总线接口定义 AM2301器件采用简化的单总线通信 单总线即只有一根数据线 系统中的数 据交换 控制均由数据线完成 设备 微处理器 通过一个漏极开路或三态端口 连至该数据线 以允许设备在不发送数据时能够释放总线 而让其它设备使用总 线 单总线通常要求外接一个约5 1k 的上拉电阻 这样 当总线闲置时 其状态 为高电平 由于它们是主从结构 只有主机呼叫传感器时 传感器才会应答 因 此主机访问传感器都必须严格遵循单总线序列 如果出现序列混乱 传感器将不 响应主机 5 单总线通信时序和AM2301通信格式说明 用户主机 MCU 发送一次起始信号 微处理器把数据总线SDA拉低至少 800 s 后 AM2301从休眠模式转换到高速模式 待主机的开始信号结束后 AM2301发送响应信号 从数据总线SDA串行并送出40Bit的数据 先发送字节的高 位 发送的数据依次为湿度高位 湿度低位 温度高位 温度低位 校验位 发送 数据结束触发一次信息采集 采集结束后传感器自动转入休眠模式 直到下一次的 通信来临 如表3 2所示 引脚颜色名称描述 1红VDD电源 2黄SDA串行 3黑GND地 4NC空脚 名称单总线格式定义 起始信号微处理器把数据总线 SDA 拉低一段时间 至少800 s 通知传感器准备数据 温室大棚控制系统设计 11 表3 2 AM2301通信格式 6 传感器的性能 传感器AM2301的相对温湿度性能分别如表3 3和3 4所示 而相对温湿度的的最 大误差则如图3 5和图3 6所示 表3 3 AM2301相对温度性能表 表3 4 AM2301相对湿度性能表 参数MinTypMax单位 0 1 分辨率 16bit 精度 0 3 1 量程 4080 重复性 0 2 响应时间 10S 漂移 0 3 yr 参数条件Typ单位 0 1 RH 分辨率 16bit 精度 25 25 3 RH 重复性 1 RH 响应时间 6S 迟滞性 0 3 RH 漂移典型值 0 5 RH yr 图 3 5 相对温度最大误差图 3 6 相对湿度最大误差 7 外设读取步骤 步骤一 AM2301上电后 AM2301上电后要等待2S以越过不稳定状态 在此期 响应信号传感器把数据总线 SDA 拉低80 s 再接高80 s以响应主机的起始信号 数据格式收到主机起始信号后 传感器一次从数据总线 SDA 串出40位数据 高位先出 湿度 湿度分辨率是16Bit 高位在前 传感器串出的湿度值是实际湿度值的10倍 温度 温度分辨率是16Bit 高位在前 传感器串出的温度值是实际温度值的10倍 温度最高位 Bit15 等于1表示负温度 温度最高位 Bit15 等于0表示正温度 温度除了最高位 Bit14 Bit0 表示温度值 温室大棚控制系统设计 12 间读取设备不能发送任何指令 测试环境温湿度数据 并记录数据 此后传感器 自动转入休眠状态 AM2301的SDA数据线由上拉电阻拉高并且一直保持高电平 此 时AM2301的SDA引脚处于输入状态 时刻检测外部信号 电气特性 如能耗 高 低电平 输入 输出电压等 都取决于电源 步骤二 微处理器的I O设置为输出 同时输出低电平 且低电平保持时间不能 小于800us 典型值是拉低1MS 然后微处理器的I O设置为输入状态 释放总线 由于上拉电阻 微处理器的I O即AM2301的SDA数据线也随之变高 等主机释放总 线后 AM2301发送响应信号 即输出80us的低电平作为应答信号 紧接着输出80us 的高电平通知外设准备接收数据 信号传输如图3 7所示 图3 7 单总线分解时序图 步骤三 AM2301发送完响应后 随后由数据总线SDA连续串行输出40位数据 微处理器根据I O电平的变化接收40位数据 位数据 0 的格式为 50us的低电平加26 28us的高电平 位数据 1 的格式为 50us的低电平加70us的高电平 位数据 0 位数据 1 格式信号如图3 8所示 温室大棚控制系统设计 13 图3 8 单总线分解时序图 AM2301的数据总线SDA输出40位数据后 继续输出低电平50us后转为输入状态 由于上拉电阻随之变为高电平 同时AM2301内部重测环境温湿度数据 并记录数据 测试记录结束 单片机自动进入休眠状态 单片机只有收到主机的起始信号后 才 重新唤醒传感器 进入工作状态 8 接口电路 建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻 大于20米时根据实 际情况使用合适的上拉电阻 电路如图3 9所示 NC GND SDA VDD AM 2301 10K R 7 VCCVCC GND MCU P1 0 图3 9 AM2301典型接口电路 3 3 人机接口电路设计 3 3 1 液晶显示电路设计 3 3 1 1 LCD1602 简介 在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点 1 显示质量高 由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度 恒定发光 而 温室大棚控制系统设计 14 不像阴极射线管显示器 CRT 那样需要不断刷新亮点 因此 液晶显示器画质高且不 会闪烁 2 数字式接口 液晶显示器都是数字式的 和单片机系统的接口更加简单 可靠 操作更加方便 3 体积小 重量轻 液晶显示器通过显示屏上的电极控制液 晶分子状态来达到显示的目的 在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多 4 功耗低 相对而言 液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上 因而耗电量比其它显示器要少得多 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶 它是一种专门用来显示字母 数字 符号等 的点阵型液晶模块它有若干个 5 7 或者 5 11 等点阵字符位组成 每个点阵字符位 都可以显示一个字符 每位之间有一个点距的间隔 每行之间也有也有间隔 起到了 字符间距和行间距的作用 正因为如此 所以他不能显示图形 用自定义 CGRAM 显示效果也不好 LCD1602 是指显示的内容为 16 2 即可以显示两行 每行 16 个 字符液晶模块 显示字符和数字 目前市面上字符液晶绝大多数是基于 HD44780 液 晶芯片的 其和 LCD1602 的控制原理是完全相同的 因此基于 HD44780 8 的控制程 序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶 LCD1602 的芯片及其接口电路 如图 3 10 所示 Vss 1 BLK 16 DB2 9 R W 5 DB6 13 V0 3 DB0 7 DB4 11 BLA 15 Vcc 2 RS 4 EN 6 DB1 8 DB3 10 DB5 12 DB7 14 LCD1602 GND VCC VCCGND 10K R1 GND P2 0 P2 1 P2 2 图3 10 1602LCD引脚图 1602 LCD 主要技术参数 显示容量 16 2 个字符 芯片工作电压 4 5 5 5V 工作电流 2 0mA 5 0V 模块最佳工作电压 5 0V 字符尺寸 2 95 4 35 W H mm 3 3 1 2 LCD1602 各引脚及功能说明 温室大棚控制系统设计 15 1602LCD 在此处采用标准的 16 脚 带背光 接口 各引脚接口说明如表 3 5 所 示 表3 5 1602各引脚说明 引脚符号引脚说明引脚符号引脚说明 1VSS电源地9D2数据 2VDD电源正极10D3数据 3VL液晶显示偏压11D4数据 4RS数据 命令选择12D5数据 5R W读 写选择13D6数据 6E使能信号14D7数据 7D0数据15BLA背光源正极 8D1数据16BLK背光源负极 第 1 脚 VSS 为地电源 第 2 脚 VCC 接 5V 正电源 第 3 脚 VO 为液晶显示器对比度调整端 接正电源时对比度最弱 接地时对 比度最高 对比度过高时会产生 鬼影 可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 第 4 脚 RS 为寄存器选择 高电平选择数据寄存器 低电平选择指令寄存器 第 5 脚 R W 为读写信号线 高电平时进行读操作 低电平时进行写操作 当 RS 和 R W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址 当 RS 为低电平 R W 为高 电平时可以读忙信号 当 RS 为高电平 R W 为低电平时可以写入数据 第 6 脚 EN 端为使能端 当 EN 端由高电平变成低电平时 液晶模块执行命令 第 7 14 脚 DB0 DB7 为 8 位双向数据线 第 15 脚 背光源正极 第 16 脚 背光源负极 3 3 1 3 LCD1602 的显示操作 LCD1602 与单片机之间有四种基本操作如表 3 6 所示 表3 6 LCD1602与单片机之间有四种基本操作 RSR W操作 温室大棚控制系统设计 16 00写命令操作 初始化 光标定位等 01读状态操作 读忙标志位 10写数据操作 要显示内容 11读数据操作 可以把显示存储区中的数据反读出来 1 读状态字 由表 3 6 可知当 RS 0 R W 1 时 根据管脚功能 当为有效电平时 状态命令 字可从 LCD 模块传输到数据总线 同时可以保持一段时间 从而实现读状态字的功 能 图 3 11 为读操作时序图 图3 11 读操作时序图 2 1602 命令字 表 3 7 所示为控制指令表 其主要介绍了指令名称 控制信号及控制代码 其 指令名称是指要实现的功能 控制代号是采用的十六进制的数值表示的 清屏操作是指输入某命令字后即能将整个屏幕显示的内容全部清除 归 home 位 将光标送到初始位 其中的 号为任意 高低电平均可 输入方式 设置光标移动方向并指定整体显示是否移动 I D 1 光标右移 0 光标左移 S 屏幕上所有文字是否左移或者右移 高电平表示有效 低电平无 效 显示状态设置 D 控制显示的开与关 高电平开显示 低关显示 C 控制光 标的开与关 高电平有光标 低无光标 B 控制光标是否闪烁 高电平闪 低不闪 光标画面滚动 R L 指右或左移 S C 为高时移动显示的文字 低时移动光 标 功能设置 DL 接口数位 L 指显示行数 F 显示字型 如 DL 1 8 位 0 4 位总线 L 1 2 行 0 1 行 F 1 5 10 0 5 7 点阵字符 温室大棚控制系统设计 17 CGRAM 地址设置 相当于一个数据库 可以在其中选择所需要的字符号 DDRAM 地址设置 置数据存贮器地址 即显示定位 读忙标志 BF 和地址 BF 为忙标志位 高电平时此模块不能接受命令或者 数据 如果为低电平则表示不忙 读写数据 将数据按要求从对应的单元读写 即 CGRAM DDRAM 的地址 表3 7 LCD1602控制指令表 控制信号 控制代码 指令名称 RSR WD7D6D5D4D3D2D1D0 清屏0000000001 归 HOME 位000000001 输入方式设置00000001I DS 显示状态设置0000001DCB 无标画面滚动000001S CRL 功能设置00001DLNF CGRAM 地址设置0001A5A4A3A2A1A0 DDRAM 地址设置001A6A5A4A3A2A1A0 读忙标志 BF 和地址01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0 写数据10数 据 读数据11数 据 3 写命令字 由表 3 7 可知当 RS 0 R W 0 时 才可以通过单片机或用户指令把数据写到 LCD 模块 此时就对 LCD 进行调制 可采用查询方式 先读入状态字 再判断忙 标志位 最后写命令字 图 3 12 所示为写操作时序图 温室大棚控制系统设计 18 图3 12 写操作时序图 定义光标位置 显示数据的某位 就是把显示数据写在相应的 DDRAM 地址中 DDRAM 地址 占 7 位 Set DDRAM address 命令如表 3 8 所示 光标定位 写入一个显示字符后 DDRAM 地址会自动加 1 或减 1 加或减由输入方式设置 表3 8 Set DDRAM address命令 RS R WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 001AC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0 第 1 行 DDRAM 地址与第 2 行 DDRAM 地址并不连续 如表 3 9 所示 表3 9 DDRAM地址 row 12345 141516 line180H81H82H83H84H 8dH8eH8fH line20c0H0c1H0c2H0c3H0c4H 0cdH0ceH0cfH 3 3 2 按键电路的设计 键盘分为编码键盘和非编码键盘 键盘上闭合键的识别由专用的硬件编码器实 现 并产生键编码号或键值的称为编码键盘 如计算机键盘 而靠软件编程来识别 的键盘称为非编码键盘 在单片机组成的各种系统中 用的较多的是非编码键盘 非编码键盘又分为独立键盘和矩阵式键盘 在单片机的外围电路中 通常用到的按键都是机械弹性开关 当开关闭合时 线路导通 开关断开时 线路断开 弹性小按键被按下时闭合 松手后自动断开 自锁式按键按下时闭合且会自动锁住 有再次按下时才弹起断开 通常我们把自锁 式按键当做开关使用 比如 TX 1C 实验板上的电源开关就使用自锁按键 单片机的 温室大棚控制系统设计 19 外围输入控制用小弹性按键较好 单片机检测按键的原理是 单片机的 I O 口既可 以作为输出也可以作为输入使用 当检测按键时用的是它的输入功能 我们把按键 的一端接地 另一端与单片机的某个 I O 口相连 开始时先给该 I O 口赋一高电平 然后让单片机不断地检测该 I O 口是否变为低电平 当按键闭合时 即相当于该 I O 口通过按键与地相连 变为低电平 程序一旦检测到 I O 口变为低电平则说明按键 被按下 然后执行相应的指令 此处用到的独立式键盘的特点是 一键一线 各键相互独立 每个按键各接一 条I O输入线的电平状态 可以很容易地判断哪个按键被按下 在此处 用到了四个 独立按键 1键表示温湿度加 2键表示温湿度减 3键表示温湿度选择 4键实现最 终数值确定功能 其连接电路如图3 13所示 1 2 3 4 GND VCC 1K X4 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 MOSI P1 5 6 MISO P1 6 7 SCK P1 7 8 RST 9 RXD P3 0 10 TXD P3 1 11 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 Vss 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA Vpp 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 p0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 Vcc 40 AT89C51 VCC GND VCC 图3 13 独立按键图 3 4 光声报警电路与温湿度控制电路设计 3 4 1 光声报警电路 本系统采用红绿 LED 灯作为光报警提示 当系统检测到的数据符合给定的上下 限范围要求时 51 单片机的 P2 5 口电平为高 三极管 Q7 导通 现场始终绿灯显示 而 P2 6 口电平为低 Q6 不导通即红灯呈灭状态 当系统检测到的数据不符合给定 的上下限范围要求时 则 P2 5 口变为低电平 绿灯灭 同时 P2 6 口变为高电平 三 极管 Q6 导通 现场转化为红灯报警提示 继而采取一系列的控制温湿度措施 另外 采用蜂鸣器作为声报警提示 当系统检测到的数据符合给定的要求时 P2 7 口为低电平 现场没有蜂鸣器报警提示 当系统检测到的数据不符合给定的要 求时 则 P2 7 口变为高电平 三极管 Q1 导通 现场蜂鸣器报警提示 9 其中 5V 蜂 温室大棚控制系统设计 20 鸣器的型号为 YHE12 05 是一种电磁式蜂鸣器 由振荡器 电磁线圈 磁铁 振 动膜片及外壳等组成 光声报警系统电路如图 3 14 所示 VCC GND P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 M OSI P1 5 6 M ISO P1 6 7 SCK P1 7 8 RST 9 RXD P3 0 10 TXD P3 1 11 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 Vss 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA Vpp 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 p0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 Vcc 40 D2 D1 1K R2 1K R3 Q1 8550 1K VCC GND sp1 VCC Q6 Q7 GND 1K 1K GND VCC YHE12 05 图3 14 光声报警系统电路图 3 4 2 温湿度控制电路 本系统温湿度控制系统主要组成有 风扇 加热器 喷雾器 除潮器 当系统 检测到的数据不符合设定的要求时 系统启动温湿度控制系统 10 实现精度范围内的 恒温恒湿的目的 其中各种控制设备对应到继电器 11 的型号及参数如表 3 10 所示 表3 1