基于单片机控制的多功能控制温湿度

1绪论11课题背景人们的生产和生活中温湿度的控制被广泛的应用，通常使用温度计、湿度计来采集温度和湿度，通过人工加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。即使有些用户采用半导体二极管作为温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。在某些行业中对温湿度的要求较高，由于温度过高或过低引起的元器件失效或由于环境湿度过高而引起的事故时有发生，对系统的可靠运行造成影响，甚至危及到系统局部及操作人员的安全。所以实施对温度的监控也日显重要。随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化的发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小，功能强，价格低，使用灵活等特点，显示出出很强的生命力。可以认为，单片机技术已经成为现代电子技术的十分重要的技术之一，可以使设计的电子产品更具智能化和先进性。进入21世纪以来，开发推出单片机的公司很多，各种高性能单片机芯片市场也异常活跃，新技术的不断采用，更加使单片机的种类、性能以及应用领域不断扩大和提高。台湾凌阳科技公司公司最近推出一种新型16位单片机SPCE061A。该单片机的问世，使得16位单片机的科技含量及应用跃上一个新的台阶。在航空航天，机械加工，智能仪器仪表，家用电器，通信系统，智能玩具等领域，单片机都发挥了巨大的作用。所谓单片机（SINGLECHIPMICROCOMPUTER）,是指一块芯片中集成有中央处理器（CPU），存储器（RAM和ROM），基本I/O接口以及定时器/计数器等部件，并具有独立指令系统的智能器件，即在一块芯片上实现一台微型计算机的基本功能。如果是简单的控制对象，只需要利用单片机作为控制核心，不需要另加外部设备就能实现。对于较复杂的系统，只需对单片机进行适当的扩展即可，十分方便。归纳起来，单片机系统有以下的特点（1）单片机独立的指令系统，可以将我们的设计思想充分体现出来。（2）系统配置以满足控制对象的需求为出发点，使得系统具有较高的性能价格比。（3）应用系统通常将程序驻留在片内（外）ROM中，抗干扰能力强，可靠性高，使用方便系统规模小，本身不具有开发能力，一般需要借助专用的开发工具进行系统的开发和调试，而实际的应用系统简单实用，成本低，效益好。（4）应用系统所用存储器芯片可选用EPROM，EEPROM，OTP芯片或利用掩膜形生产，便于批量开发和应用。许多单片机（如80C51系列）的开发芯片和扩展芯片险乎配套，降低了系统成本。（5）系统小巧玲珑，控制功能强，体积小，便于嵌入被控设备之内，大大推动了产品的智能化。如数控机床，机器人，智能仪器仪表，家用电器等都是典型的机电一体化设备和产品。同时，随着社会和科技的不断发展，“PC”的到来以开始改善了人们的生活水平。所谓后PC时代，是英文PERVASIVECOMPUTING，翻译为渗透到各个方面的计算。因而，后PC时代的计算机都以非计算机的形式存在，将渗透到欧文们生活的方方面面。例如，电视机，机器人，数控设备等，其中心控制部件是计算机，但他们都是以嵌入式系统的形式存在。单片机作为计算机技术的一个重要分之，嵌入式系统的先头兵，广泛的应用于工业控制，智能仪器，机电一体化产品，智能电器，个人数字处理器等领域。随着微电子技术的快速发展，电子系统设计已进入了片上系统（SOC，SYSTEMONCHIP）时代，单片机的更能也越来越强大，使其成为真正的系统单片机。单片机是随着微型计算机，单板机的发展及其在智能测控系统中的应用而发展起来的。随着微电子技术的迅速发展，目前世界上各个公司都研制出了各种应用领域的单片机，单片机芯片市场也异常活跃，从8位低端，到高性能的16位，到集成度，速率，可靠性等全方位向更高水平发展的32位系列。随着微电子，半导体工艺的不断进步，单片机芯片在向高度集成化，低功耗的方向发的发展。目前世界上各个公司都研制出了各种应用领域的单片机，如ATMEL公司的80C9X系列，INTEL公司的MCS5X系列，MOTOROLA的68系列和ZILOG的Z8系列。单片机具有优异的性能价格比、体积小、可靠性高、控制功能强，广泛应用在智能仪表、机电一体化、实时过程控制、机器人、家用电器、模糊控制、通信系统等领域。现代社会越来越多的实验都要求在严格的环境条件下完成，而温度和湿度是实验室最基本的环境条件，也是对实验影响较大的因素。一般温湿度控制系统中的温湿度测量均采用热敏电阻与湿敏电容，这种传统的模拟式温湿度传感器一般都需要设计信号调理电路并经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性等方面也存在一定问题。这种传感器只适合那些测量点数较少。对精度要求不高的场合。因此设计出一款精度高、稳定性好、成本低的温湿度检测控制系统将具有一定的市场。本系统采用具有高精度、防干扰等优点的数字式传感器SHTLL，不需要外部元件，可适配各种单片机。这为开发新一代的温湿度测控系统提供了有利条件，同时也有助于将温湿度测控技术提高到新的水平。12温湿度控制系统研究现状现代社会越来越多的工艺都需要在特定的温湿度环境下完成，为了达到对温湿度的精确控制，国内外学者运用各种法方，基于单片机的温湿度控制系统更是层出不穷，归纳如下以AT89C52单片机为核心、VB60为上位机软件开发平台的控制系统,详细阐述了该控制系统的硬件组成、通讯和数据采集软件的设计思路。该系统使用方便,工作可靠,实现了温湿度的自动控制和数据采集等目的。系统现已投入运行,取得了良好的效果3。温湿度集散型控制系统设计与实现提出了一种用于温湿度控制的两级控制系统。采用集散控制的思想设计控制系统的硬件拓扑结构和软件功能层次,把整个系统划分为过程控制级和监视级两大部分。过程控制级由自行设计开发的智能温湿度控制器构成,负责完成对现场温湿度量的监控监视级由操作站和工程师站组成,分别负责完成各分现场的控制量监视、报警、数据存储及历史过程分析和整个系统的监控、系统控制算法仿真、数据存储、数据打印等功能。智能控制器的设计采用MCS51系列单片机,既能接收操作站指令,又可独立工作,提高了整个系统的可靠性。操作站和工程师站采用目前流行的PC机担任,软件全部在WINDOWS下开发完成,负责实施对过程控制级的监视和操控。各级之间通过通信网络使所有的控制子系统构成一个有机的整体,完成多个温湿度子系统的协调控制2。单片机在农用温湿度控制中的应用研究主要介绍单片机在蔬菜暖棚、禽蛋的孵化、粮食贮藏、果蔬保鲜等农业方面温度和湿度的控制。主要内容包括系统的硬件结构,软件设计思路及提高系统的可靠性所采取的措施。AVR单片机氡室温湿度智能控制的方案设计与实现介绍了一种新型的采用AVR单片机作为主控器的氡室温湿度智能控制系统,阐述了ATMEGA128单片机与温湿度传感器、氡室制冷系统和除湿系统等部件实现的软、硬件接口技术要点。通过对温湿度控制能力的理论计算,确定该套方案是可行的。该控制系统既可以独立完成对氡室温湿度的监控,也可以通过RS232C接口与PC机通信,组成基于PC机的控制系统。基于单片机的实验室温湿度控制系统设计介绍了基于AT89C51单片机的实验室温湿度控制系统的软硬件设计。该系统具有同时控制实验室温度和湿度的功能,能够达到既定的控制指标,且具有稳定、精确和操作方便等特点数字式温湿度传感器为开发高集成度、高精度、高可靠性的温湿度测控系统提供了解决方案。基于单片机的米粉生化处理温湿度控制系统设计以单片机为模糊控制器,结合温度传感变送器、A/D转换器、LED显示器、固态继电器等,组成温湿度控制系统,将给定的温度与测量温度的相比较,得出偏差量,然后根据模糊控制算法得出控制量。执行器由开关频率较高的固态继电器开关担任,采用PWM控制方法,改变同一周期中电子开关的闭合时间。从而调节高温电磁阀开关的导通时间,达到控制蒸汽目8。基于瑞萨单片机的温湿度控制仪的设计为了有效地控制电力设备内部及其它工业环境的温湿度参数,提出了一种基于瑞萨R8C24单片机的实时温湿度测控系统的设计方案,介绍了其硬件结构、工作原理和软件系统。该温湿度测控仪和电力设备相连能够确保设备工作在不适当温湿度条件下得到保护,还可以作为独立的温湿度测量仪,或者与除湿器或加热器相连组成恒温恒湿系统。智能交接箱监控系统研究与设计我国交接箱的分布具有点多、分散、面广等特点。长期以来，交接箱在使用过程中存在两大问题。第一，交接箱通常工作于户外的恶劣环境中，长期的日晒雨淋，导致交接箱内的温湿度不能保证在正常范围之内，使其内部电路工作寿命缩短，影响通信系统的正常工作。第二，由于缺乏管理，使得交接箱箱体经常被损坏，盗打电话、任意改动配线等现象也时有发生，导致线路故障频繁发生。因此交接箱的管理一直是困扰电信管理者的问题之一3。为解决上述问题，该设计了一套智能交接箱监控系统，此系统由现场控制层、中间通讯控制层和上位机集中管理层三部分组成。现场控制系统安装在交接箱内部，用以监控交接箱的温湿度情况和记录开启交接箱的IC卡号，上位机集中管理层以PC机为核心，通过中间通讯控制层与现场控制层连接，统一对交接箱进行监控，方便工作人员足不出户就可以对交接箱进行查看和管理。通讯控制层的设计很好的解决了PC机与大量现场监控单片机之间直接进行信息传输时而产生的多路信息竞争或数据丢失的问题。整个系统可以实时监控交接箱的数据，并根据要求上传数掘到管理人员的PC机中，实现无人值守的智能化管理。本文首先介绍了交接箱、半导体制冷的国内外研究现状，而后介绍了本交接箱监控系统的总体功能和结构框架。简单叙述了现场级单片机控制层、中间通信控制层和上位机集中管理层的系统组成和实现方案10。在ATMEGA128开发板平台上结合传感器技术和半导体制冷技术设计了由门禁系统和温湿度控制系统组成的现场控制层，解决了交接箱的违规开启和箱体温湿度控制问题；在XC3S400型FPGA开发板平台上利用VERILOGHDL语言实现了FIFO模块和RS485通讯模块的设计；利用PC机的良好人机界面和VB语言设计了集中管理层4。本文给出了系统设计中的大部分硬件电路图和软件流程图，并对其原理进行了说明。整个系统功能完善，具备了良好的效果。13本文主要内容本课题通过对同类基于单片机控制的多功能温湿度控制系统设计的分析和研究的基础上我提出了一种闭环控制系统实现了AT89C51单片机为核心，通过PID算法达到对温度、湿度的检测及其控制，运行可靠，操作简单，精度高，响应速度快，可以满足温、湿度的控制。同时，通过LED数码管直观的显示通过控制系统后的温、湿度值，当出现异常现象时，通过报警装置发出警告，及时得到处理，最后通过系统软硬件联机调试，实现温湿度信号检测与控制。2系统硬件电路的设计21系统硬件结构及工作原理该系统经过温湿度传感器把温度、湿度值直接转换成为数字量后送入单片机中，并将相应的温湿度值通过LED灯显示。输人数据经单片机按预定的算法进行数据处理，与设定的控制目标进行偏差运算，最后经IO口输出实时控制信号。当温度或湿度小于设置的初值时，单片机将通过控制输出接口使加温设备或加湿设备开始工作或改变其工作强度；当温室内的温度或湿度大于或等于设置的初值时，报警并且单片机通过控制输出接口使加温设备或加湿设备停止工作。以下是基于单片机控制的多功能温湿度控制系统的原理框图21图21系统框图22器件简介221温湿度传感器1）SHTLL传感器内部结构SHTL1数字式温湿度传感器采用CMOSENSCENOSENS专利技术CMOS和传感器技术的融合制造，其特点如下全量程标定，二线数字输出，湿度测量范围为0100RH，温度测量范围为40一1238。C，湿度测量精度为数字式温湿度传感器外部时钟电路单片机复位电路电源电路报警键盘显示输出控制30RH，温度测量精度为04，响应时间小于4S，低功耗30MW，可完全浸没。芯片能输出经过完伞校准的相对湿度和温度的数字信号，便于实现系统的集成7。SHTLL芯片内部包含相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位AD转换器、校准存储器EEPROM、状态寄存器、循环冗余校验码CRC寄存器、二线串行接口和低电压检测电路等，如图22所示。图22SHT11内部结构图2）SHTLL引脚说明SHTLL引脚图如图23所示。SCK是SHTLL和微控制器之间同步传输时钟输入端。SHTL1的DATA端用来传输输人和输出数据，它是个双向三态端，DATA在SCK时钟下降沿改变，上升沿有效。在传输期间当SCK为高电平时，DATA线必须保持稳定。为避免信号竞争，微控制器应该只驱动DATA低电平，其外部必须接一个上拉电阻，把信号拉为高电平，微控制器的上拉电阻通常包括在微控制器的IO电路里10。SHTL1需要一个2455V的供电电压，加电后该器件需要一个L1MS的睡眠延迟时间，在这个时间之前，不应该向传感器发送命令。图23SHT11引脚图表21接口定义图24微处理器与SHT11的硬件连接图一图25微处理器与SHT11的硬件连接图二图26应用电路222AT89C51芯片89C51是INTEL公司于80年代初推出的8位嵌入式微控制器（内部数据总线为8位，外部数据总线为8位），它与MCS96系统中的其它芯片相比，具有性能高、功能全、售价低廉、使用方便（48PINDIP）等优点。89C51在工业应用方面有许多明显的特点，它具有灵活方便的8位总线外围支持器扩展功能，而在数据处理方面又有8位微机的快速功能。由于大的高度集成化已把许多常驻用的输入检测输出控制通道都制作在同一块硅片上，大大地灵活了外部连线，增强了系统的稳定性并且速度快（时钟12MHZ），非常适合于工业环境下安装使用。因此本系统CPU选用89C51芯片12。89C51单片机引脚采用40双列直插式封装结构。89C51系统CPU中的主要组件有高速寄存器阵列、特殊功能寄存器（SFR）、寄存器控制器和算术逻辑单元（RALU）。它与外部通讯是通过特殊功能寄存器SFR或存储器，控制器进行的。8051系统的CPU的主要特色是体积小，重量轻，抗干扰能力强，售价低，使用方便。此外，通过SFR还可以直接控制I/O、A/D、PWM、串行口等部件的有效运行14。CPU内部的一个控制单元和两条总线寄存器阵列和EALU连接起来。这两条总线是16位地址总线（ABUS）和8位数据总线（DBUS）。数据总线仅在RALU与寄存器阵列或SFR之间传送数据，地址总线用作上述数据传送的地址总线或用作与寄存器控制器连接的多路复用地址/数据总线7。CPU对片内RAM访问是直接访问和通过寄存器R0,R1间接访问的。89C51工作时所需的时钟可通过其XTALL输入引脚由外部输入，也可采用芯片内部的振荡器。其工作频率为612MHZ。在本系统中采用110592MHZ频率。（1）主要性能参数与MCS51产品指令系统完全兼容4K字节在系统编程ISPFLASH闪存1000次擦写周期4055V的工作电压范围全静态工作模式0HZ33MHZ三级程序加密锁1288字节内部RAM32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6个中断源全双工串行口ART通道低功耗空闲和掉电模式中断可从空闲模唤醒系统看门狗WDT及双数据指针掉电标识和快速编程特性灵活的在系统编程ISP字节2）AT89C51单片机的引脚和功能1单片机引脚如图27所示。图27AT89C51引脚排列图3）89C51单片机的引脚功能VCC电源电压GND接地P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”；可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址低8位和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流IILP1口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表22所示。FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。表22P1口第二功能P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”；通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信口拉低时会输出一个电流IIL。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器例如执行MOVXDPTR指令时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器如执行MOVXRI指令时，P2口线上的内容也即特殊功能寄存器（SFR区中P2寄存器的内容，在整个访问期间小改变。FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流IIL。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表23所示。P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校验的控制信号。表23P3口第二功能RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平,将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRTO位（地址8EH可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。ALE/当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE地址锁存允许输PROG出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时口的。要注意的是每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。如有必要，可通过对特殊功PROG能寄存器SFR区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当PSENPSENAT89S51由外部程序存储器取指令或数据时，每个机器周期两次有效，PSEN即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的信号。EA/VPP外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器地址为0000HFFFFH,EA端必须保持低电平接地。需注意的是如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平接VCC端，CPU则执行内部程序存储器中的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上12V的编程电压VPP。XTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端19。223LED显示LED显示屏（LEDPANEL）LED就是LIGHTEMITTINGDIODE，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，其大概的样子就是由很多个通常是红色的小灯组成，靠灯的亮灭来显示字符。用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管。按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极COM的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极COM的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。LED显示屏分为图文显示屏和视频显示屏，均由LED矩阵块组成。图文显示屏可与计算机同步显示汉字、英文文本和图形；视频显示屏采用微型计算机进行控制，图文、图像并茂，以实时、同步、清晰的信息传播方式播放各种信息，还可显示二维、三维动画、录像、电视、VCD节目以及现场实况。LED显示屏显示画面色彩鲜艳，立体感强，静如油画，动如电影，广泛应用于金融、税务、工商、邮电、体育、广告、厂矿企业、交通运输、教育系统、车站、码头、机场、商场、医院、宾馆、银行、证券市场、建筑市场、拍卖行、工业企业管理和其它公共场所。LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。23单片机温湿度检测电路设计使用AT89C51直接对传感器温湿度测量值进行读写，其电路如图28所示。SHTLL传感器采用SCK、DATA进行通信，分别连接单片机的P10与P11端口。串行时钟输入线SCK引脚用来同步微控制器和SHTLL之间的通信，串行数据线DATA引脚用来进行数据的输入和输出，这里的数据包括温湿度数字值及控制命令。DATA上的数据在SCK为低电平时改变，而在SCK为高电平时则被读出或写入，DATA引脚上需要加一个上拉电阻来产生高电平。单片机时钟发生电路通过外接晶振实现，复位电路采用按键复位方式。图28温湿度检测电路24输出控制电路设计实验室温湿度反馈偏差控制的基本原理是测量及消除偏差，这就要用到经典控制理论中的PID比例积分微分控制，控制器选择AT89C51单片机。单片机作为微型计算机的一个分支已有二十多年的发展历史，在各控制领域都有广泛的应用。单片机接收数字式传感器检测的温湿度数据数字信号，进行显示、PID运算和输出。电器驱动电路的控制设备包括加热器、风机和加湿机等。本装置利用AT89C51的PL口如P12端口作控制口，除去前面与传感器连接的P10、P11口，剩下的还可以控制6个设备，包括加热器，加湿机等。为了避免电磁干扰，系统采用光电隔离方式。控制电路简图见图29。图29控制电路输出采用双向晶闸管控制，双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展起来的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，在交流全周期内都可以实现对负载的控制，而且仅需一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。实际操作中只要在合理位置给晶闸管控制极加触发脉冲即可使其导通，从而实现对温湿度调节设备的控制。电路中应增加R、C阻容吸收电路作过压保护，防止负载断开和接通的瞬间产生过高的感应电压而损坏可控硅对加热器的控制可通过在单片机输出P12口加同步移相脉冲，合理控制导通角，达到改变电阻丝两端平均加热电压的目的。对于对加湿机等的控制，可以用继电器控制其电磁阀的通断。单片机P13口输小脉冲采用可控硅过零触发方式，达到调节加湿机通断时间比的目的。25键盘电路设计矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这一点是识别矩阵按键是否被按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置，电路如图210图210键盘电路键盘实质上是一种按键开关的集合，它是利用触点的闭合或断开来实现其功能的。当某按键按下时，其输出电平并非立刻降为零，而是有一个抖动过程当按键松开时，在这段过程中信号也会出现抖动，抖动的时间视键盘的机械特性和操作者不同而不同，一般为510MS，而CUP的操作很快，因此这种抖动就容易对按键的识别产生影响，为了防止因按键抖动而导致系统的误操作，需要采取某种手段实现键盘的“去抖动”功能去抖动的方法有多种，如采用软件延时查询的方法或采用硬件处理的方法，本文选用软件延时的方法去除按键抖动16。26显示电路的设计显示装置采用现今应用广泛的八段数码管，每一位有八个发光二极管单元组成。按连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳极数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极COM的数码管，共阳极数码管在应用时将公共极COM接到5V。共阴极数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极COM的数码管，共阴极数码管在应用时将公共极COM接到地线GND上。LED显示器采用共阳极数码管，4个LED分别用来显示当前温度及湿度值。用单片机P00P07口作段码输出，P20P23口作位选。采用动态扫描方式，这种方式有利于节省IO口，也能使功耗降低。27报警系统蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。本文选用的是XY系列压电式蜂鸣器，XY系列压电式蜂鸣器具有耐高温、低潮、防湿、防污染、声音动听乐耳、性能稳定可靠等优点。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后L515V直流工作电压，多谐振荡器起振，输出1525KHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声18。系统采用压电式蜂鸣音报警电路。若温、湿度两个变量中有一个参数超标时，则启动蜂鸣器报警。压电式蜂鸣器约需10MA的驱动电流，用一个晶体三极管驱动。驱动器的输入端接89C的P15口。当P15口输出高电平“1”时，三极管的输出为低电平“0”，使压电蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压,而产生蜂鸣音。当P15口输出低电平“0”时，三极管的输出端升高到约5V，压电蜂鸣器的两引线间的直流电压降至接近于0V，发音停止。28本章小结本章主要介绍了硬件电路的设计，主要包括单片机与温湿度传感器SHT11的连接、温湿度显示电路、键盘电路、报警电路和控制电路等。并详细介绍看电路设计的工作原理及工作方式。本章主要内容为全部的硬件设计，为下一章的软件设计做基础，主要说明硬件电路设计过程与软件功能的实现。3系统软件的设计系统软件有主程序模块、功能实现模块和运算控制模块组成。系统总流程图31。图31系统总流程图31主程序模块在主程序中首先给定PID算法的参数值，然后通过循环显示当前温湿度，并设定键盘外部中断为最高优先级，以便能实时响应键盘处理；软件设定定时器哟为5S定时，在无键盘响应时每隔5S响应一次，以用来采集温湿度信号；设定定时器T1为嵌套在110之中的定时中断。在主程序中必须分配好每一部分子程序的起始地址。32功能实现模块功能实现模块用来执行对加减温、加除湿设备的控制。功能实现模块主要由数据采集子程序、键盘处理子程序、显示子程序和报警子程序等部分组成。321数据采集子程序该部分主要完成单片机接收SHT11检测到由实验室当前温湿度转换而来的数字信号，数据采集流程图见图32图32数据采集流程图322键盘设计当一个单片机应用系统的运行需要人工干预时，键盘往往是一种最简单的干预途径，利用键盘，人们可以很方便的实现向系统输入数据或让系统去执行某一项命令。因此，键盘接口技术也是单片机应用系统开发中的一项重要内容19。根据系统特点及要求，本文采用44的矩阵式键盘，共设置了数字键、菜单切换键、确认键、温度上限、温度下限、湿度上限、湿度下限等16个特殊按键，下文详细介绍各按键所对应的功能，具体如下数字键S1S10作为数字键09，作为温湿度的上下限的数字设置，可以简单直接的设置数值，不论数字的大小，都可以直接设置，比繁琐的加一减一更简单，直接，明了。菜单模式切换S11持续按住该键3秒，数码管呈闪烁状态，表示仪表已进入控制值设置状态，若此时按下温度上限、温度下限、湿度上限、湿度下限中任何一个键会直接进入相应的设置，通过数字键直接将数值输入，然后再按确认键完成设置。温度上限S12进入设置状态，直接对温度上限的设置，非设置状态，为无效按键。温度下限S13直接对温度下限的设置，非设置状态，为无效按键。湿度上限S14直接对湿度上限的设置，非设置状态，为无效按键。湿度下限S15直接对湿度下限的设置，非设置状态，为无效按键。确认键S16确认数值设置完成，并进入下一参数的设置。33运算控制模块在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI、PD、）。1滤波的选择可以对输入加一个前置滤波器，使得进入控制算法的给定值不突变，而是有一定惯性延迟的缓变量。2系统的动态过程加速在增量式算法中，比例项与积分项的符号有以下关系如果被控量继续偏离给定值，则这两项符号相同，而当被控量向给定值方向变化时，则这两项的符号相反。由于这一性质，当被控量接近给定值的时候，反号的比例作用阻碍了积分作用，因而避免了积分超调以及随之带来的振荡，这显然是有利于控制的。但如果被控量远未接近给定值，仅刚开始向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。为了加快开始的动态过程，我们可以设定一个偏差范围V，当偏差|ET|时，则不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|ETET1|，其符号与积分项一致。利用这样的算法，可以加快控制的动态过程。3PID增量算法的饱和作用及其抑制在PID增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分积累起来，而一旦可能时，再补充执行。系统算法控制采用工业上常用的位置型PID数字控制，并结合特定的系统对算法加以改进，可形成变速积分PI卜积分分离PID控制相结合的自动识别的控制算法。该方法不仅大大减小了超调量，而且有效地克服R积分饱和的影响，使控制精度大大提高22。PID参数整定1比例系数P对系统性能的影响比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。P偏大，振荡次数加多，调节时间加长。P太大时，系统会趋于不稳定。P太小，又会使系统的动作缓慢。P可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果的符号选择不当对象状态PV值就会离控制目标的状态SV值越来越远，如果出现这样的情况P的符号就一定要取反。2积分控制对系统性能的影响积分作用使系统的稳定性下降，小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。3微分控制对系统性能的影响微分作用可以改善动态特性，偏大时，超调量较大，调节时间较短。偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有合适，才能使超调量较小，减短调节时间。34本章小结本章主要介绍了软件部分的设计，包括单片机的控制、温湿度采集、键盘的控制、报警及运算模块等程序的设计。详细说明了各个模块的程序设计过程及如何实现所需功能。4总结回顾这次毕业设计完成的整个过程，我觉得受益匪浅，在这整个过程中，我查阅了大量的资料，看了很多书籍，学到了很多新的知识，同时以前学的一些知识也得到了巩固。虽然在这次设计中我也遇到了不少问题，但是我通过对资料的学习和余老师的指导得到了基本解决。这次设计还用到了PROTEL绘制电路原理图，虽然以前在课程设计中接触过这种绘图方法，但当时也只懂了皮毛，只会画很简单的电路，这次我对这个软件有了进一步的认识，会画比较复杂的电路原理图了。在这次设计中，我不仅对PROTEL这个软件有了更深的认识，而且也能更熟练地运用WORD文档了，这也为我以后的工作打下了良好的基础。本课题的重点、难点是（1）初步接触温度传感器，要对传感器的原理、结构、应用等各方面从头开始琢磨；（2）考虑从非电量信号到电量信号的电路实现原理以及与单片机的接口；（3）熟悉了RS232C串口编程的技术；（4）考究调整电路的实现过程以及怎么样通过单片机来间接的控制。该温湿度监控系统实用性强，成本低，数据传输效率高，可靠性好，而且易于控制和维护。它不仅可以应用于实验室的监控管理，而且也可推广一到其他监控领域，因此具有广泛的应用前景。但系统由于开发周期短，很多地方还有待改进和完善。通过做本课题，我了解并掌握了传感器的基本理论知识，更深入的掌握单片机的开发应用和PC编程控制。为以后从事单片机软硬件产品的设计开发、PC软件开发打下了良好的基础，树立独立从事产品研发的信心，并在这种能力上得到了比较充分的锻炼。从拿到课题时的不知所措到现在基本完成，使我分析和解决问题的能力有了很大的提高，总之，这次的毕业设计让我学到了很多东西，也给我以后的生活和工作奠定了基础。附录A系统硬件电路图附录B实物图附录C程序/定义接口P11SCKSHT10时钟线P10DATASHT10数据线P15（蜂鸣器控制）P14（控制继电器开关）P30、P37（键盘借口）/INCLUDEINCLUDEINCLUDE/KEILLIBRARYINCLUDE/KEILLIBRARY/第一部分LED设置UNSIGNEDINTWENDU,SHIDUUNSIGNEDCHARCODETABLE100XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90SBITTCP17/温度显示控制,1关，0开SBITHCP16/湿度显示控制，1关，0开/SBITYCP15/蜂鸣器控制SBITJCP14/开关输出STATICUNSIGNEDCHARBDATASTATEREG/可位寻址的输出状态寄存器SBITYC1STATEREG0/是否有告警1SBITYC2STATEREG1/是否告警2SBITYC3STATEREG2/是否告警3SBITJC1STATEREG3/是否开关SBITQMSTATEREG4/P14输出一定时间后（5分钟），温度上升小于3度告警4/定义函数/DEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTVOIDLED_INITVOID/LED初始化函数VOIDLED_XIANSHIVOID/LED显示函数VOIDDELAY_N10USUINTN/延时10US函数/VOIDSHUCHU_KZVOID/输出控制函数/中断函数/串口初始化函数/VOIDCOM_DATAVOID/串口发送数据函数/VOIDGJ_SHENGVOID/告警声音函数/模块名称LED_INIT功能初始化LED、及端口/VOIDLED_INITVOIDTC1HC1/YC1/JC1/BDATASTATEREG0X00P00XFF/DATA_H0X80P20XFF/DATA_L0X00/模块名称LED_XIANSHI功能LED显示温度、湿度/VOIDLED_XIANSHIVOIDUINTIUCHARA,B,C,V,WDELAY_N10US200AWENDU/1000/温度百位BWENDU1000/100/温度十位CWENDU100/10/温度个位AA10BVSHIDU1000/100/湿度十位WSHIDU100/10/湿度个位FORI0I0I_NOP_NOP_NOP_NOP_NOP_NOP_/模块名称SHUCHU_KZVOID功能输出控制函数/VOIDSHUCHU_KZVOID/模块名称COM_DATAVOID功能通过232向PC发送当前温度、湿度、输出控制状态寄存器值等数据函数参数说明固定地址01，波特率9600/VOIDCOM_DATAVOID/第二部分SHT10设置SBITSCKP11/定义通讯时钟端口SBITDATAP10/定义通讯数据端口TYPEDEFUNIONUNSIGNEDINTI/定义了两个共用体FLOATFVALUEENUMTEMP,HUMI/TEMP0,HUMI1DEFINENOACK0/用于判断是否结束SHT10通讯DEFINEACK1/结束数据传输/ADRCOMMANDR/WDEFINESTATUS_REG_W0X06/00000110DEFINESTATUS_REG_R0X07/00000111DEFINEMEASURE_TEMP0X03/00000011DEFINEMEASURE_HUMI0X05/00000101DEFINERESET0X1E/00011110/定义函数/VOIDS_TRANSSTARTVOID/启动传输函数VOIDS_CONNECTIONRESETVOID/连接复位函数CHARS_WRITE_BYTEUNSIGNEDCHARVALUE/SHT10写函数CHARS_READ_BYTEUNSIGNEDCHARACK/SHT10读函数CHARS_MEASUREUNSIGNEDCHARP_VALUE,UNSIGNEDCHARP_CHECKSUM,UNSIGNEDCHARMODE/测量温湿度函数VOIDCALC_DHT10FLOATP_HUMIDITY,FLOATP_TEMPERATURE/温湿度补偿/模块名称S_TRANSSTART功能启动传输函数/VOIDS_TRANSSTARTVOID/_/DATA|_|/_/SCK_|_|_DATA1/初始状态SCK0_NOP_SCK1_NOP_DATA0_NOP_SCK0_NOP_NOP_NOP_SCK1_NOP_DATA1_NOP_SCK0/模块名称S_CONNECTIONRESET功能连接复位函数/VOIDS_CONNECTIONRESETVOID/通讯复位DATALINE1ANDATLEAST9SCKCYCLESFOLLOWEDBYTRANSSTART/_/DATA|_|/_/SCK_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_UNSIGNEDCHARI/初始状态DATA1SCK0FORI0I0I/2/SHIFTBITFORMASKINGIFI/MASKINGVALUEWITHI,WRITETOSENSIBUSELSEDATA0SCK1/CLKFORSENSIBUS_NOP_NOP_NOP_/PULSWITHAPPROX3USSCK0DATA1/RELEASEDATALINESCK1/CLK9FORACKERRORDATA/CHECKACKDATAWILLBEPULLEDDOWNB