基于单片机的温室温湿度控制系统的毕业设计.doc

基于单片机的温室温湿度控制系统的毕业设计目 录第一章 绪论11.1课题研究的背景11.2课题的国内外概况11.2.1温度系统的国内外概况11.2.2湿度控制的国内外概况21.3课题研究的意义31.4课题研究的主要内容31.5课题研究的实现原理4第二章 系统总体方案设计62.1功能要求62.2设计思路62.3方案选择72.3.1传感器选择方案72.3.2显示器选择方案82.3.3单片机主芯片选择方案82.4系统总体设计组成及框图92.5系统整体电路图10第三章 系统硬件设计113.1概述113.2主控模块设计113.2.1 STC89C52芯片的简介113.2.2主控模块电路原理图123.3 DHT11传感器模块设计143.3.1 DHT11传感器简介153.3.2 DHT11传感器模块电路设计153.4 12864液晶显示模块设计163.4.1 12864液晶显示屏简介163.4.2 12864液晶显示模块电路原理图173.5报警模块173.5.1蜂鸣器介绍173.5.2蜂鸣器报警模块电路原理图183.6继电器控制模块193.6.1继电器的介绍193.6.2继电器控制模块电路原理图203.7时钟模块223.7.1DS1302时钟芯片简介223.7.2时钟模块电路原理图233.8矩阵键盘控制模块243.8.1矩阵键盘的简介243.8.2矩阵键盘控制模块电路原理图253.9辅助模块263.9.1电源总开关模块263.9.2电平转换模块26第四章 系统软件设计284.1概述284.2系统初始化模块304.3串口模块304.4矩阵键盘模块324.5温湿度控制模块334.6报警模块与继电器控制模块354.7 12864液晶显示模块354.8时钟模块（附加功能）36第五章 系统分析与调试375.1硬件电路的调试375.2功能模块的调试方案38第六章 总结41参考文献42附录一：外文文献以及中文翻译43附录二：程序52附录三：系统整体电路图64附录四：实物图65谢 辞66天津*大学本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1课题研究的背景温湿度与人类的生活发展密不可分。我国是个农业大国，农产品贸易在我们经济发展中占了举足轻重的位置。在我国，特别是近些年来我们的农产品出口量一直保持着增长的趋势。随着世界贸易的展开，国际竞争越来越激烈，在如此的一个国际化大趋势下，我国农业产品的发展必须通过提高本国农业产品的数量、质量以及我国政府各方面政策的支持等战略来减少贸易壁垒。蔬菜、水果，水产品等的生长需要一个适宜的生长环境，这样才能保证有更大的产量和更好的质量。而这样的一个适合的环境，温度和湿度是两个非常重要的指标。同时温湿度也是我国工业生产实践中很关键的工艺参数。例如电子、机械、计算机、石油、化工、生物医学等都需要一个严格的温湿度控制。并且改革开放以来，我们的生活水平不断提高，人们对生存环境的要求也愈加苛刻。我们都想要一个更加适宜更加舒适的环境。无疑温湿度也就成为了我们关注的重要方面。另外，伴随着科学技术的迅速成长，形形色色的高性能、低功耗设备愈来愈多，各个行业对温湿度检测的要求标准也愈来愈高。传统的温湿度检测是以人为核心的。测量繁琐复杂，操作起来极不方便，费时费力。现在我国各地建立了许多新型的温室大棚，种植各种反季节蔬菜、水果、花卉，用来满足人们日益对生活的高追求、高标准。其实不光是温室内的农产品，也包括养殖业，都对温湿度有着越来越高的要求。在养殖场里我们可以看到各种牲畜都需要有个舒适安逸的环境才能长得更快。研究温室内温湿度的控制系统，为温室提供一个更好的温湿度，保证一个良好的环境，这样可以有更多的温室农产品、牲畜供我们使用，使得我们的生活质量越来越高。本次设计就是针对温室内的温湿度进行一个智能控制。1.2课题的国内外概况1.2.1温度系统的国内外概况（1）国内温度控制系统的研究和发达国家相比，我们对温度控制技术的研究是比较晚的。我们在认真学习了西方发达国家的温度控制技术之后，我国科学技术人员不断地努力进取，多次研究试验，才慢慢掌握了微机控制技术。但是这项技术我国也并不是完全性的了解和掌握。我们的技术只是局限在对温度这个环境因子的控制上。根据控制目标的不一样，温度控制技术分为下面两种：一、 动态温度跟踪二、 恒温温度控制当今世界，常用来控制温度的一般是智能调节器。这类调节器在市场上非常多。国外的调节器分辨率和精度都很高，价格昂贵。国内的调节器虽然价格比较低，但是精度和分辨率远远不如国外的，落后很多。所以我们只有在对温度要求不是很高的情况下使用国内的调节器才能取得比较理想的效果。从技术上来看，以单片机为核心又分为：一、 单参数单回路系统二、 多参数综合控制系统第二类系统在实际生产中并没有真正的实现，生产实际中有很多问题没有解决。未来还需要我们不断地努力，争取早日实现多参数综合控制系统的设计。与此同时，中国的温度测量控制水平还很低，远远达不到实际生产实践中的工厂化水平。尽管中国在温度控制水平上和欧美国家相差很大。但是近几年来我国的温度控制技术发展还不错，正在呈现逐步上升的趋势。（2）国外温度系统的研究国外对温度控制技术的研究相对较早。在上个世纪70年代，国外首先采用了模拟式的组合仪表，用来采集现场信息并进行显示、记录和控制。80年代末又出现了分布式控制系统。如今国际上正在开发和研制计算机数据采集控制系统的多参数综合控制系统。当今世界，各国的温度测控技术发展日益增快，尤其是欧美发达国家，他们正在实现自动化的基础上逐步走向完全自动化、无人化。当今世界，国际上已研究出各种数字温度传感器一系列产品。智能温度传感器是在自动测试技术、微电子技术、计算机技术这三大技术的前提下逐步研制出来的。数字温度传感器是由下面几部分构成的，分别为A/D转换器存储器（或寄存器）信号处理器温度传感器接口电路1.2.2湿度控制的国内外概况（1）国内湿度控制系统的研究自从中国加入WTO（世界贸易组织）以后，国内生产的商品遭遇了越来越大的挑战。各行各业特别是科学技术领域都迫切需要自动控制技术、应用电子技术进行更多更好的改造和提升。温度和湿度是环境因素中的两大重要因素。在农业领域，严格地控制温度和湿度可以有效地提高植物的产量和质量，给我们带来更高质量的生活。但是过去我们对温度和湿度的测量方法太落后，无法满足对温湿度的很好的智能控制。在食品行业，也是差不多都是凭经验，靠感觉。一般很少有人使用精度极高的湿度传感器。如今海内市场出现了越来越多的湿度传感器，我们最常见到的就是电容式湿敏元件了。作为一名学电子的学生，我们都知道，很多元器件以及仪器仪表的使用都需要一个严格的环境。比如温度、湿度等。不同的环境给我们带来的测量结果也是不一样的。所以在测量湿度的时候也是一样的。绝大多数的湿敏元件只有在一个合适的温湿度环境下才能正常工作。对于特殊环境下的测试，国内包括许多国外的各种湿度传感器都很难做到精确的测量。（2）国外湿度控制系统的研究。湿度测量及湿度传感器产品属于90年代后才兴起的行业。湿度传感器主要有电阻式和电容式这两种。近些年来，国内外在湿度传感器的研发领域取得了很大的进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件走向智能化、集成化和多参数检测。国内外存在的湿度传感器产品质量相差很大，水平不一，价格也是相差甚远。对于湿度测量最主要的是湿敏电容技术，但是这项技术在国内还不是很成熟，大部分都是来自国外的。1.3课题研究的意义单片机是用于控制的一个常见芯片，它也是一个小型的计算机。单片机有很多的优点，比如它体积很小，有着很高的可靠性、很强的功能、我们用起来很灵活方便。单片机的使用给人们带来了巨大的方便，使人们的生活更加美好、多姿多彩。在整个控制系统中，单片机是我们控制的核心。单片机操作起来简单，价格较低，非常适合做一些设计使用。我们这个系统主要用来采集温室内的温湿度信息，及时的反映出温湿度的变化，以便及时的对温室内的温湿度做出调整，保证一个良好的温湿度环境。在超过温度上下限范围时通过多种控制方式来实现温度的上升或者下降，从而保证在一定范围内的温度。对于湿度的控制也是同样的道理。将系统应用到温室中来控制温室内的一个温湿度，无疑为温室内植被生长提供了更加适宜的温湿度环境。有些植被必须在某些特定环境下才可以生长的很好，这样的情况下安装温湿度装置对其进行监控就是非常有必要的。像温室大棚种植蔬菜、水果、花卉等，我们能够用单片机来实现对温室的一个控制，显而易见会给我们带来很大的一个方便。我们设计的这个系统可以及时、精确地反映温室内的温度以及湿度的变化，保证温室内温湿度的控制要求。温室温湿监控制系统的设计是一个对实际生产生活非常实用，可行性很高的一个设计，对学生在单片机知识的运用上也是非常好的锻炼课题。1.4课题研究的主要内容本课题的核心在于我们对温室内温湿度控制，为温室提供一个适宜的温湿度环境。在此设计中我们选择了STC89系列的单片机。温湿度的采集是这个设计中很重要的模块，我们要选择合适的传感器来采集信息，再将采集到的温湿度信息及时有效地传送给单片机，然后单片机处理数据后发送到到液晶显示屏。如果温室内当前的温度和湿度值超过我们设定的极限值时，蜂鸣器会报警。与此同时单片机控制继电器工作，实现继电器的开关闭合，从而控制空调设备的启动以来升高（或降低）温度。对于湿度的控制，也是如此。通过这样一个温室大棚温湿度控制系统，确保适当的温度和湿度环境。本课题的设计要求是：（1）非常人性化的设计。当系统上电后，我们可以通过矩阵键盘设置我们所需要的温湿度限值范围，用来控制温室内的温湿度保持在一定的合适范围内。（2）在12864液晶显示屏上，我们可以看到当前的温度和湿度数据。而且这些数据的更新要及时，可以比较准确地反映出温室内当前的值。（3）系统不仅可以显示出来温室内的温湿度当前值。同时，当温湿度值不在我们预先设置的范围内时，系统也应该自动做出调整，以实现我们系统的一个智能化。具体操作就是系统会根据我们最初设置的温湿度限值来判断是否要启动报警装置以及继电器是否工作以便采取有效方案进行调整温室内的温湿度。（4）在这个设计中，我们加了一个时钟的功能。可以显示时间和年月日。一来方便工作人员及时的得到时间的一个信息。二来也可以很好的知道不同季节或不同时间段应该要有不同的一个温湿度控制要求。1.5课题研究的实现原理本课题最重要的就是温湿度采集模块以及如何将温湿度的信息显示出来。在本文中，我们选择了STC89C52单片机。在之前的学习中我们知道STC单片机对工作环境的要求比较低，但是执行指令的速度却非常快。在传感器模块中，我们选择的是DHT11智能温湿度传感器。该传感器能够同时采集温度和湿度的当前值，它告别了过去要同时控制温度传感器和湿度传感器两个传感器的测量，集两个传感器于一身，实现对温湿度的同时测量。这样可以使我们的系统更加方便、简洁。这样我们的温湿度采集模块就完成了。采集好的数据要传送给单片机主控模块。在多次衡量后，我们最终还是选择了我们最为熟悉的STC89C52单片机。在温湿度控制模块，我们选择了DHT11这个数字温湿度传感器来采集温室内的温湿度信息，然后将采集到的温湿度信息传送给单片机进行处理，然后再交给12864液晶显示屏。这样我们就看到了当前的一个温湿度值。显示模块也就成功完成了。对于报警模块蜂鸣器无疑成为我们的最佳选择。当系统工作时，我们首先要设置温湿度的限值（一个上限值，一个下限值）。当温室内的当前温湿度值超越我们的限制范围时，蜂鸣器会报警。在这个系统中无论是温度还是湿度超过我们所需要的界限值时，蜂鸣器发出的声音是一样的。我们是通过控制部分的指示灯报警方式来显示出温度还是湿度的一个报警，以加以区别。控制模块我们选择的是用继电器来实现我们所要达到的一个控制。当温湿度出现异常时，继电器工作。我们都知道继电器其实就是个开关的作用。当不同的情况下，不同继电器工作，实现开关的一个闭合。从而控制我们的空调或者其他设备工作，用来控制温湿度的一个及时调整。在这里我们用的是几个不同颜色的LED灯来代表不同的行为，以便有效地调整温室内的温湿度，从而实现了简单控制。 大体来说我们的硬件电路还算相对简单。我们在这个系统中多加了一个功能就是时钟的功能。通过DS1302来显示一下当前时间和年月日。相当于一个万年历，也是对这个系统的一个完善。给温室内工作人员一个提示和对温湿度控制的一个完善。工作人员可以及时的知道不同时间段内温湿度的一个变化情况。 第二章 系统总体方案设计天津工业大学毕业设计（论文）2.1功能要求关于我们的课题“基于单片机的温室温湿度控制系统”具体要求如下: （1） 采用适合的主控芯片单片机、传感器以及液晶显示屏等。（2） 系统要实现以下功能：单片机接收来自传感器的数据进行处理和分析，把得到的温度和湿度值通过液晶显示屏显示出来，完成温湿度数据显示；（3） 温湿度的限值是可以通过电路板上的矩阵键盘来进行设置和修改，以便随时做出调整。（4） 当温湿度不合适的时候应发出报警信息；（5） 根据系统分析的不同结果，对温室内的温湿度进行控制。在本课题中也就是进行升温、降温、加湿、去干的一个操作。（6） 系统的一个完善改进，即加入时钟芯片，可实现时间的一个显示。方便工作人员对时间的一个把握以及系统本身功能的一个完善。2.2设计思路对于本课题的设计，我们的硬件电路组成部分如下：（1） 单片机主控模块（2） 温湿度控制模块（3） 液晶显示模块（4） 矩阵键盘模块（5） 报警模块（6） 继电器控制模块（7） 时钟模块要想完成温室内的温湿度自动控制，首先必须要有搜集温湿度信息的模块。综合考虑各方面的要素，我们选取DHT11来作为这个模块的芯片。它是个数字温湿度传感器。将DHT11采集到的温湿度信息传送给主控模块，在这个课题中我们将单片机作为我们的主控模块。然后单片机将来自传感器的温湿度信息进行分析和处理，最终通过12864这个液晶显示屏显示出来。LCD12864液晶显示屏能够显示4行的汉字，为了增加我们系统的一个功能，我们又加了个时钟芯片DS1302。DS1302用来显示当前的一个时间和年月日。对于温室里的一个液晶显示器来说，这样子信息更加充足，人们能够得到更多的相关信息，以便更好地控制温湿度。当温湿度发生异常的时候我们就要及时的采取措施来改善当前的这么一个温湿度状态。但是在我们的这个课题中不可能买个空调或者加湿器等，也没必要。所以在这个系统中我们用几个不同颜色LED灯来表示不同的功能行为，如升温、降温、加湿、去干等。如何来控制这些动作的发生呢。在这个设计中我们选用继电器来实现这个功能。如果温室内的当前温度或者湿度超过我们最初设置的这个温湿度限值时，我们通过编程来控制不同的继电器去工作，然后不同的电路导通，使得不同颜色LED灯亮。在这里的不同颜色灯代表了不同的行为解决方案。不同情况下，蜂鸣器都会响，然后不同的灯亮。温湿度在这正常的范围内时，白色LED灯是始终保持亮的。而那些温湿度的范围以及如何控制继电器、蜂鸣器等的工作都通过软件编程来实现。2.3方案选择不同模块的功能不同，而且每个模块都很多不同的实现方法。但是我们在实际运用中，要选择最优的方案来进行我们的课题设计。在方案的选择中，不仅仅要实现方案的高要求、高标准，也要考虑方案的可行性，对环境的要求以及方案中元器件在市场的价格，要综合各种因素选择最佳的那个方案，实现高性价比并且经济可行。2.3.1传感器选择方案（1）方案一：选择温湿度传感器SHT10或者温湿度传感器SHT11 作为温度检测模块。在这里我们用SHT11来说明。SHT11数字温湿度传感器是一体化的。它是由瑞士研制的。它的核心部件采用的是湿敏电容，所以精度和稳定性都很高。虽然性能很高，但是价格要远远高于DHT11的价格。SHT11的一些参数：温度测量标准：-40+123.8； 湿度测量标准：0100%RH； 温度测量精度： 0.4 湿度测量精度：3.0%RH（2）方案二：选择DHT11作为温湿度检测模块的传感器。DHT11是我国生产的。它是一款集成型的传感器。当然它也是个数字温湿度传感器。它采用了湿敏电阻这个核心部件，湿敏电阻的稳定性不好，但是成本很低。所以DHT11的价格相对较低。在我们这个设计中对温湿度要求不是很高，所以可以采用这个传感器作为采集温湿度的元件。DHT11的一些参数：温度测量标准： 050湿度测量标准：20%相对湿度90%相对湿度，温度测量精度：2 湿度测量精度：5%RH经上述分析，方案一虽然精度更精确、稳定性更好，但是价格极高，在此课题设计中不是很经济。方案二虽然没有方案一可以实现那么高精度高稳定性的一个测量。但是它也能实现我们所需要的功能，满足设计要求，且简便易行，价格相对较好。具有非常好的的性价比，经济实用性很高所以故选择方案二即用DHT11作为温湿度采集模块的传感器。2.3.2显示器选择方案 （a） （b）图2-1 LCD12864与LCD1602液晶显示屏实物图（1）方案一：选择LCD12864液晶。LCD12864液晶显示屏的构成是：1）行驱动器；2）列驱动器；3）128*64全点阵液晶显示器。它是一个点阵型的液晶，屏幕为4行。LCD1602仅仅可以显示数字和字符，不能显示中文汉字。和它相比，LCD12864可以实现32（8*4）个汉字、字符、数字、图形显示，唯一的缺点就是价格相对来说比较贵。（2）方案二：选择LCD1602液晶。LCD1602是一个字符型的液晶。它的屏幕有2行。只能现实数字和字符，不能显示汉字。和方案一相比价格相对便宜。综上述分析，我们这个系统的显示模块最终就选择了LCD12864液晶显示屏。这是因为LCD12864液晶显示屏不仅可以显示字符、数字，还可以显示汉字、图形。而且和LCD1602相比，它可以显示的字符更多，更美观。在我们的这个课设中，加入了时钟的功能。考虑到LCD12864液晶显示屏可以显示更多的信息，于是我们就在这个课题设计中选择了它。2.3.3单片机主芯片选择方案单片机（Single-Chip-Microcomputer）又称为单片微型计算机、微控制器。它的结构特点是在一个半导体芯片上将微型计算机的的基本功能部件如中央处理器(Central Processing Unit,CPU)、存储器（随机存取存储器Random Access Memory,RAM和只读存储器Read Only Memory,ROM）、输入接口电路（Input）、输出接口电路（Output）、定时/计算器及终端系统等集成起来，构成一个小而完善的微型计算机。在本课题设计的温湿度测控系统中，我们采用的是主控芯片是STC系列的单片机。我们之所以选择STC系列的单片机，主要是因为它的独特之处，它的功耗比较低，并且有着很强的抗干扰能力，而且它与MCS-51系列单片机是完全兼容的。除此之外它内置有 MAX810 专用复位电路，而且能够进行远距离升级,也有廉价，基于这种种的优点，我们选择我们最常用的STC 系列单片机来作为我们课题所用的芯片。2.4系统总体设计组成及框图系统主要是由一下几个模块组成的（1） 矩阵键盘：用来设置温湿度的上下限制。（2） 电平转换模块：方便电脑与系统的连接，以便能够顺利下载程序。（3） 电源模块：可以通过USB来给电源供电。（4） 液晶显示模块：用来显示温湿度实时信息以及当前的时间，日历。（5） 温湿度采集模块：用来搜集当前的温湿度即时信息，然后将其传送给单片机。（6） 蜂鸣器报警模块：当异常发生时发生警报声，以提醒工作人员。（7） 继电器控制模块：用来控制空调等设备的工作好好保持温室内的一个适宜的温湿度。（8） 时钟模块：提供时间和年月日。（9） 单片机主控模块：系统的核心，用来分析来自各个模块的信息。其系统原理图如下图所示：图2-2 系统总体设计框图 2.5系统整体电路图图2-3 系统整体电路图DHT11是一个数字温湿度传感器。它是用于在温室温湿度信息采集。这个系统是以STC89C52单片机为核心的。它可以用来操作数据的处理。而LCD12864是用来呈现当前时间和温湿度信息的。继电器控制模块是用来调整温室内的温湿度变化的。在这里，考虑到实际情况，我们也不可能用个制冷器、空调、加湿器，不太实际。所以我们选择用几个有色的LED来代表我们对温湿度的几种不同的控制行为。包括升温、降温、加湿、去干。第三章 系统硬件设计3.1概述我们的这次设计，主要是利用单片机来完成对温度和湿度的智能控制。硬件系统在整个系统的设计中是基础，也是软件设计的重要支撑和依据，根据上面的讨论，我们最终选择的是STC89C52这个单片机就可以满足我们对这个设计的全部要求。对于我们的硬件电路，我们可以分为几大模块。其中主控模块是整个系统设计的中心模块。STC89C52单片机是我们所用的主导芯片。它是用来控制整个系统的运行的，起到了核心领导的作用。然后我们通过I/O口将其他的各个功能模块连接到单片机上，使它们成为一名完整的系统。下面分别对它们进行一个具体的介绍。3.2主控模块设计3.2.1 STC89C52芯片的简介图3-1 STC89C52单片机芯片实物图图3-2 STC89C52单片机芯片引脚图STC89C52单片机是由STC公司研制的。它是一个8位的CMOS微控制器。它所具有的特点是性能很好，功耗低，并且它具有8K的系统可编程闪存。在一个单芯片，STC89C52之所以可以为许多嵌入式控制应用系统提供高度灵活的、超有效的解决方案，是因为它的 8位CPU具有智能的在系统可编程闪存的功能。STC89C52的一些特点：1.512byte的RAM，其中内置RAM和外部RAM分别为一半。除此之外，它还有8K字节的闪存，内置4KB的EEPROM ；21个外部中断，32位I / O线；3.EEPROM不是ROM，也不是RAM；4.最大工作频率35MHz时， 6T/12T可选；51个看门狗定时器，全双工串行口。3.2.2单片机最小系统原理图图3-3 STC89C52单片机最小系统如上图所示，我们知道，这是STC89C52单片机的一个最小系统。其中包括了复位电路（10uF电解电容电容,10K 电阻）、晶振电路、电源电路（5V稳压电源）.在焊接单片机最小系统的时候，我们会遇到各种各样的问题。小到电阻电容的选择，大到元器件与单片机的焊接，每个元件都需要我们慎重选择，认真焊接。不管是电阻还是电容我们都要选择质量好的。我们现在大都选择电解电容.以前经常使用的是瓷片电容,发现它不太好用,存在很多的问题，有时候还会出现程序下载不进去的情况,所以现在我们经常使用电解电容。并且电平转换芯片最好使用国外的品牌。国内的芯片不是很好用，性能也不是很稳定，容易出问题。在这里我们选择了MAX232作为我们的电平转换芯片。这里我们介绍两个基本板块。即两个支撑单片机最小系统运行的基本板块：（1）晶振电路（又叫振荡电路）图3-4 晶振电路模块晶振模块如图所示，它是由一个晶振和两个电容组成。晶振值为11.0592MHZ，电容值为30pf.在这个晶振电路中，改变晶振的值就相当于改变了单片机的一个振荡周期。所以我们在焊接的时候可以选择用插针焊接，这样就可以把晶振插在插针上，当我们需要其他晶振时可以直接更换晶振，而不需要再变更电路了。（2）复位电路图3-5 复位电路模块如图所示为复位电路，它是由电容串联电阻构成。我们在很早以前就学过，电容两端的电压是不能突变的。当系统加电后，RST引脚将会变成是高电平状态，用来确定这个高电平将会持续多长时间的是RC的值。经典的的52单片机是在高电平保持两个机器周期后被复位的，也就是被重置了。所以RC值要适合，这样才可以保证一个可靠的复位。电容和电阻的取值是多种多样的，可根据不同振荡电路的不同要求来确定。在此，我们选择的晶振数值为11.0592MHz，这样我们可以获得一个非常精确的波特率。在串口通信的场合是很方便的。3.3 DHT11传感器模块设计3.3.1 DHT11传感器简介图3-6 DHT11数字温湿度传感器实物图以及引脚图DHT11是一个复合式的数字传感器，它是温度传感器和湿度传感器的集合。它应用专用的模块采集技术和数字式温湿度传感器技术，用来确保其产品具有卓越的长期稳定性和高可靠性。它的封装方式是4针单排引脚，在电路板焊接中很方便。DHT11是一个单一的串行接口，它可以使系统集成变得非常简单而快速的。DHT11数字温湿度传感器的内部结构是怎么样的呢？它是由下面三个元件组成的。它们分别电阻元件为、NTC温度元件、8位微控制器。微控制器的性能很高。DHT11的优点是：（1） 尺寸小，功耗低；（2） 反应速度极快，很强的抗干扰能力，高性价比；（3） 信号传输距离远，高达20米以上；（4） 品质优良，使其成为即使在更苛刻的应用场合也是一个最佳的选择；（5） DHT11是单线串行接口。3.3.2 DHT11传感器模块电路设计图3-7 DHT11温湿度控制模块电路图3.4 12864液晶显示模块设计3.4.1 12864液晶显示屏简介图3-8 LCD12864液晶显示屏实物图LCD12864液晶显示屏分为两种，带字符的和不带字符的。我们用的是带字符的这种。LCD12864是图形式的液晶显示仪。它有128*64的点阵模块，内部带有192个中文汉字、128个字符及16*16(256)点阵显示RAM。所以它比LCD1602更高端，它不仅可以显示更多的字符和数字，而且还可以显示汉字与图形。12864液晶显示屏可以能够和CPU直接相连，我们可以加个上拉电阻在和单片机相连，这样可以增加它的驱动能力。12864有很多功能，例如光标显示、睡眠模式、画面移位等。除此之外它还有两种界面可以用来连接微处理器。连接方式有八位并行和串行两种。3.4.2 12864液晶显示模块电路原理图图3-9 LCD12864液晶显示屏与单片机连接的电路图3.5报警模块3.5.1蜂鸣器介绍图3-10 蜂鸣器实物图一、蜂鸣器的介绍：蜂鸣器是一体化结构的，它采用的是直流电压供电。蜂鸣器是属于声音设备的电子器件。因此它被广泛的应用于各种电子产品中。二、蜂鸣器的分类：（1）按照工作原理来划分的话1 电磁式蜂鸣器 2 压电式蜂鸣器（2）按照驱动方式划分的话可以分为有源和无源蜂鸣器两种类型。表3-1 有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的对比类型区别备注有源蜂鸣器1. 内带振荡源，采用直流信号DC驱动。2. 只能以一种频率发出声音即单身。多出振荡电路，价格较高一点。无源蜂鸣器1 不带振荡源，一般采用2-5KHz方波驱动。2 加一定频率电流发声且可改变频率发出不同声音。（3）按照安装类型不同可以分为贴片行、引线型、插针型、垂直安装型、面板安装型等。3.5.2蜂鸣器报警模块电路原理图图3-11 蜂鸣器报警模块与单片机相连电路图在这个系统中，三极管是用来作为驱动蜂鸣器发声的。我们知道单片机的IO口电流是很小的，但是蜂鸣器的工作电流却很大，所以我们只靠单片机的IO口电流来驱动蜂鸣器发声是无法实现的。所以我们要利用三极管来增大驱动电流。从而使蜂鸣器发生报警。3.6继电器控制模块3.6.1继电器的介绍图3-12 继电器实物图图3-13 蜂鸣器内部原理图继电器就是一个自动开关。实际上它属于一种电子控制器件。它的控制原理就是用较小的物理量去控制较大的物理量，然后控制衔铁的吸合、断开，从而控制电路的通断，以此保证电路的安全，起到了自动调节、转换电路和智能化控制的作用。它具有输入回路和输出回路，又叫做控制系统和被控制系统。电磁继电器是由衔铁，触点，铁芯，簧片和线圈等构成的。继电器在没有工作的情况下，处于断开状态的静触点叫做常开触点，处于闭合状态的静触点叫做常闭触点。继电器的工作原理：当我们在线圈两端加上一定的电压时，这个时候线圈中会流过一定的电流，从而产生电磁感应。衔铁就会利用电磁力的吸引作用克服弹簧的拉力吸向铁芯，从而使得衔铁的动触点与静触点（也就是常开触点）吸合。只要线圈断电了，那么电磁铁的吸引力也就消失了，衔铁就会通过弹簧的反作用力返回到原来的位置，使得动触点和之前的静触点（也就是常闭触点）吸合。就这样衔铁的不断吸合断开，从而达到电路的闭合和断开。这样就实现了开关的作用。3.6.2继电器控制模块电路原理图图3-14 继电器控制系统与单片机相连电路图在这个模块中，我们用继电器来控制对我们整个系统的温湿度调节。考虑到我们只是个课题设计，所以我们选择用几个不同颜色的LED发光二极管来代表我们的不同信号，即升温、降温、加湿、去干。在实际生产中，继电器控制的则是空调或者其他设备进行的这些行为动作。在这个图中，我们用白色的发光二极管代表正常状态，就是温湿度都适宜，没有出现异常情况。当发生异常时蜂鸣器报警。同时继电器工作，然后有色二极管发光提示。特别是在这个系统中是如何运作的。当温湿度发生异常时，单片机系统会作出判断，然后通过IO口控制电流的通断，电流通过三极管经过放大后使得继电器工作，从而常开触点闭合使得开关闭合。这时白灯会熄灭，有色灯亮。也就提醒工作人员温湿度应该作何调整了。在这个模块中，对继电器的一个测量是焊接正确电路图的一个基础。所以我们应该正确地测量出继电器的有关引脚和参数。1、测线圈电阻我们可以用数字万能表的欧姆档来测量继电器线圈的阻值，从而判断继电器的线圈是否存在问题。2、测触点电阻我们可以用数字万能表的欧姆档来测量常开触点与动点之间的阻值，它的值应为无穷大；而常闭触点与动点之间的电阻，其阻值应为0。这样子我们可以测量出哪个是常开触点，哪个是常闭触点。3、测吸合电压、吸合电流用一个可调的稳压电源给继电器输入电压。开始的时候电压值要设置的小一点，然后慢慢地调高电压，同时用一个电流表测量输入回路中的电流。一边调高电压，一边测量电流。知道某个时刻继电器吸合，这个时候记下此时电流表的示数，同时记下此时的电压值。为了准确地测量吸合电压和吸合电流，我们可以多次测量求平均值。4、测释放电压、释放电流和测量吸合电压和吸合电流一样，只不过我们要从继电器吸合开始，不断地减小电压值，这个时候动作要慢，电压幅度要缓慢降低，以免不准。直到继电器断开的时候记下此时的电流值和电压值。和上面的一样，我们要多次测量求平均值。这样才可能确保有个相对准确的数值。经查阅可知，普通的继电器释放电压是吸合电压的百分之十到百分之五十。但是当释放电压太小的时候。也就低于百分之十，那这个继电器就不能使用了。因为这样的继电器不稳定，对整个电路来说不容易控制。所以我们坚决不用这样的继电器在电路中。3.7时钟模块3.7.1DS1302时钟芯片简介图3-15 DS1302实物图图3-16 DS1302时钟芯片引脚图DS1302时钟芯片是由美国DALLAS公司推出的，它具有涓细电流充电能力，同时它是一种高性能、低功耗的实时时钟芯片。DS1302时钟芯片可提供秒、分、时、日、星期、月和年的功能，并且当一个月小于31天时它可以自动调整，具有闰年补偿功能。它附加了31byte的静态RAM，采用与CPU进行同步通信的SPI三线接口，同时可以使用突发模式一次性传输多个时钟信号和RAM数据。它的工作电压在2.55.5V的范围内。采用主电源和备用电源双电源供电方式，备用电源的充电方式是我们可以设置的。 图3-17 DS1302内部结构组成图DS1302时钟芯片可以用于记录数据，尤其是记录一些具有非常特殊意义的数据，它能够记录下数据以及数据出现的那个时刻。所以它被广泛的应用于各种控制系统中。3.7.2时钟模块电路原理图图3-18 DS1302时钟模块与单片机相连电路图DS1302与单片机的相连如图所示，其中，晶振值为32.768MHz，电阻值均为10K。晶振在这里是给DS1302提供计时脉冲的。由电路图我们可以看出，DS1302只需要三个IO口就可以和单片机项相连了。为了在系统断电情况下时钟依然可以走动，我们可以在DS1302外部加个电池，下次再次启动系统的时候就不必调时间了，给我们带来了极大的方便。3.8矩阵键盘控制模块3.8.1矩阵键盘的简介图3-19 4*4矩阵键盘实物图矩阵键盘就是一系列的按键按照一定的规则排列起来，组成一个键盘组，然后将其连接在单片机外围设备上。既然有按键，为何还要有矩阵键盘这个东西呢？在单片机按键的使用过程中，当按键数量极其多的时候，我们不仅要考虑怎么把这些按键摆放整齐和美观。而且它还要占用很多的IO口，造成单片机IO口的使用可能不够用。所以我们用矩阵键盘不仅仅可以使得整个电路板美观，更重要的是这样子可以减少单片机的端口的使用。3.8.2矩阵键盘控制模块电路原理图图3-20 4*4矩阵键盘与单片机相连电路图把许许多多的按键有规则地组合到一起，就构成了矩阵键盘。简单地讲，矩阵键盘其实还是按键，相当于开关元件，只不过现在它相当于很多个按键、很多个开关。每个按键的的原理其实就是个机械式的触点开关，它的主要作用就是为了把实际电路中的电路通断转换为我们电气的逻辑关系1和0.如图所示，就是我们这个电路中的矩阵键盘。这个矩阵键盘是4*4结构的。总共有16个按键。16个按键如果按照按键方式和单片机相连，我们需要是16个IO，而使用矩阵键盘的形式我们现在只需要8个IO口即可。极大地方便了我们外围结构与单片机的相连。当有按键按下的时候，矩阵键盘的行与列才能导通。下面介绍两种常用的矩阵键盘的扫描原理：（1）行扫描法1、要判断出是否有按键按下，我们需要先将矩阵键盘的4个行线置0，然后分别检测4个列线的电平值，当列线中有0电平时，那么被按下的按键出现在这个0电平列线所对应的四个按键中。若列线全部都是高电平则说明没有按键被按下。2、当判断出有按键按下的时候怎么判断是哪个按键被按下了呢？从1步骤中我们只能判断出按键出自低电平列线所对应的4个按键之一。具体怎么检测出是哪个按键，方法如下：我们依次给行线置一个低电平，其他三个行线为高电平。然后检测那个列线，看是否为低电平。当检测出某个列线为低电平时，这个时候低电平行线和低电平列线的交叉口就是被按下的按键。（2）高低电平翻转法其实这个方法和行扫描法所用的原理基本上是一样的。我们首先让P0口的高四位为0，低四位为1。当有按键按下的时候，低四位中会有一位由1变成0，而高四位不变。这个时候可以确定按键的列位置。然后让P0口的高四位为1，低四位为0。当有按键按下的时候，高四位中会有一位由1变成0，而低四位不变。这个时候可以确定按键的行位置。3.9辅助模块3.9.1电源总开关模块图3-21 电源模块电路图3.9.2电平转换模块图3-22 电平转换模块电路图辅助模块不是本课题的核心内容。原理相对来说比较简单，是我们很常见的模块。我们之前所做的很多设计都涉及到了。在此我们就不做详细的介绍了。第四章 系统软件设计单片机的硬件和软件开发是单片机系统设计最重要的两个过程，硬件和软件的开发可以同时进行，也可以在硬件逻辑设计中、后期开始软件的设计。这一章我们重点介绍我们课题的软件设计。4.1概述软件设计相比硬件设计来说是很复杂和困难的。它需要我们有一个很好地思维模式，细心地态度。一个好的程序设计，软件结构要合理、简单、紧凑和高效。软件的开发主要包括以下几个步骤：图4-1 软件开发流程图以上是软件开发流程。从软件工程角度而言是传统的瀑布式模型，由可行性分析入手，如瀑布一样逐步向下直至完成。每一个阶段都是可以接在前面阶段之后的。这是一种非常经典的、传统的开发方法。一个好的用户设计一定要文件齐全，注释适当、丰富，易于调试和维护。这样，即使在设计过程中更换设计者，新来者也可以根据所提供的文件很容易地就接手继续工作。图4-2 程序总体结构示意图在了解了我们所要设计的课题之后，我们需要把握住整体的设计。该课题的软件设计思路如下图：图4-3 系统软件整体设计思路我们在这个系统设计中的大体思路是：开始 初始化 设置参数 主循环（温湿度显示、限值控制模块、时钟数据显示） 串口中断，接受串口数据，然后传送给主循环。4.2系统初始化模块该系统的主要功能是完成系统初始化模块的初始化和设置系统的工作状态，初始化部分包括以下几个方面：系统总开关打开之后，我们的LCD12864液晶显示屏上会显示四行文字。分别为：第一行显示的是“20 年 月 日”；第二行显示的是“周 时 分 秒”；第三行显示的是“湿度（当前值） 高 低”；第四行显示的是“温度（当前值） 高 低”。这个时候我们可以设置系统的温湿度限值范围。首先设置的是温度的最高值，用矩阵键盘设置，两位数，点击*键确认。再设置的是温度的最低值，接着是湿度的最高值、最低值。都需要点击*键确认。就这样系统的一个初始化算是完成了。系统进入正常工作状态。系统的整体工作方式如下图所示：图4-4 系统整体工作方式4.3串口模块 图4-5 九针母头与串口线的实物图图4-6 串口母头的引脚示意图我们选用MAX232作为我们的串口电路，当然我们也可以使用MAX3232。原理是一样的。在这里我们使用的是MAX232，它是+5V供电。MAX232可以对电脑里的寄存器进行下面的程序框图。图4-7 串口模块软件流程图4.4矩阵键盘模块 在这个温湿度控制系统中，矩阵键盘主要用于设置温湿度的限值即最高温度值和最低温度值，还有最高湿度值、最低湿度值。在这个设计中，我们是依次输入上限、下限。然后先输入温度后输入湿度。每次输入都要点*键确认。可以将这些值显示在12864液晶显示屏上。当我们需要输入新的限值时，我们可以按复位按钮 重新输入。在实际的系统初始化过程中，我们不仅要初始化液晶显示，也要初始化键盘，还有时钟。在调用12864液晶显示的过程中，流程图如图：图4-8 调用LCD12864液晶显示流程图其中显示温湿度限值的程序流程图如下：图4-9 温湿度限值设置流程图4.5温湿度控制模块温度和湿度控制模块是整个设计过程中的核心内容。它的作用主要是为了采集温湿度信息，然后将其模拟量转化为数字量，通过IO口发送给单片机。当单片机收到相关的温湿度信息时，它会做个简单的处理。然后将它发送到12864液晶显示屏上。该液晶显示屏上会呈现出来当时的温湿度值。单片机究竟是如何操作的，如图所示：图4-10 单片机内部操作示意图在系统启动后，我们首先要手动的输入这个温度和湿度的限值，也就是温湿度的最大值和最小值。点击*号确定。当室内的温度和湿度值在这个范围内时是正常的，如果超出这个范围则就会报警。图4-11 温湿度控制模块软件流程图图4-12 DHT11软件流程图4.6报警模块与继电器控制模块图4-13 报警模块和继电器控制模块软件流程图4.7 12864液晶显示模块 图4-14 LCD12864液晶显示模块软件流程图4.8时钟模块（附加功能）图4-15 DS1302时钟模块软件流程图第五章 系统分析与调试5.1硬件电路的调试本课题是在Keil C环境下开发的，这个软件支持多种语言的使用。在这里我们使用的是C语言。然后进行编程调试和运行。它操作起来比较方便，对于C语言学习者来说是个最佳选择。在我们做课题设计的软件开发时，我们首先要了解这个软件的安装和使用过程。然后在在这个环境下我们就可以进行编程了。在编程完成后，确保我们的程序没有问题后就要进行下载了。这个时候我们要用STC_ISP_V480软件进行烧录。将电路板和电脑相连接。然后将程序烧录到电路板上。在烧录前我们要进行一些必要的设置。（1）将单片机型号设置为STC89C/LE52RC模式；（2）选择正确的串口号，在这里我们的串口号为COM1（COM端口可以在“我的电脑”的设备管理处查看）；（3）点击“打开程序文件”按钮打开我们编写好的程序文件，这个文件是以.hex为后缀的；（4）点击下载，然后按照提示操作就好。图5-1 程序烧录运行图在电路板焊接完后，我们还要进行一下我们的电路板的焊接是否正确，有无短路以及焊接错误的现象。数字万用表是我们最熟悉的检测工具了。从开始学习的时候就接触了。所以我们可以用数字万用表来检测我们的硬件电路，对照着电路图，我们一个一个开始检查，先检查我的元器件有没有用错的情况。主要是电阻电容的大小。然后检查各个元器件的引脚是否有焊接错误的现象，最后检测电源以及地的情况有没有漏掉的情况。不然有一个出问题，就有可能导致整个电路出现故障。5.2功能模块的调试方案图5-2 串口调试示意图在确保各个模块的检测