大棚温湿度测控系统设计(共47页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上蔬菜大棚温湿度测控系统设计摘 要温室大棚是设施农业的重要组成部分，大棚测控系统是实现大棚自动化、科学化的基本保证。通过对监测数据的分析，结合作物生长规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。计算机应用技术的发展，也使得用计算机控制的方面也涉及到各个领域，其中在大棚内用单片机控制温度、湿度是应用于实践的主要方面之一。对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素是温度和湿度等控制。本设计是一个专门为温室大棚温湿度测量控制而设计的系统。通过对系统的硬件部分和软件部分设计来达到监控要求。硬件部分实现了对温湿度传感器模块、显示模块、控制模块的设计；软件部分主要根据系统

2、的设计思想设计出了主程序和子程序流程图，并通过程序实现。在系统设计过程中充分考虑到性价比，选用价格低、性能稳定的元器件。通过实践证明，系统具有性能好、操作方便等优点，能实现对温湿度等的显示、调节和控制。系统在其它领域还具有一定的推广价值。关键词：大棚，温度，湿度，传感器 目 录专心-专注-专业前言改革开放以来，我国经济的迅速增长，使得农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行监测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在现代化农业生产中，以蔬菜大棚为代表的现代农业设施

3、在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的监测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内

4、形成有利于蔬菜、水果生长的环境。目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。温室大棚是植物栽培生产中必不可少的设施之一，温湿度是衡量温室大棚的最重要的指标，它直接影响到栽培作物的的生长和产量，为了能给作物提供一个合适的生长环境，首要问题是加强温室内的温湿度的监测。因此，为了实现高效农业的科学化和研究性，推动我国农业发展，解决我国农民普遍收入低的问题，缩小城乡差距，推动全面小康社会，迫切需要价格适中的、自动化程度高的农业设备。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得成本低性能稳定的这种要求变为可能。本设计是针对这一问题

5、，设计能够实现温湿度上下限设定、自动监测、显示和报警等多功能的温湿度测控系统。该设计系统还可以推广到其他领域。第1章 设计方案论证1.1 设计要求及框图本设计需要设计一个大棚温湿度测控系统，设计选用单片机为执行器，通过温度监测电路，湿度监测电路，控制系统，报警电路，显示电路等组成这样一个系统。系统设计框图如图1-1所示。图1-1 系统电路设计框图1.2 元器件的选择1.2.1 单片机的选择方案一： 采用MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片作为核心器件，有4K 字节的内部 FLASH PERAM，能于3V的超低压工作，而且与MCS-51系列单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时由于不具备

6、ISP在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。方案二：采用AT89S52芯片作为核心器件,片内ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超低压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全兼容。该芯片内部存储器为8KB ROM 存储空间，同样具有89C51的功能，并且具有在线编程技术，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，由此不会对芯片造成损坏。所以设计采用AT89S52作为主控制系统。1.2.2 温度传感器的选择方案一：采用数字式温度传感器DS18B20。此类传感器为数字式

7、传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，由于其输出为数字量，所以不需要进行A/D转化，这样就降低了硬件成本，简化了系统电路。另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。方案二：采用数字式温湿度传感器DHT90。该传感器为数字式传感器，可以同时采集温度和湿度，两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积和极低的功耗等优点，使其成为选择温湿度传感器时的首选。1.2.3 湿度传感器的选择方案一：采用HS1100/HS1101湿度传感器。HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增

8、大。该传感器具有高可靠性、长期稳定性和快速响应时间等特点，由顶端接触(HS1100)和侧面接触(HS1101)两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。方案二：采用数字式温湿度传感器DHT90。该传感器为数字式传感器，采集湿度的精度是14位，端口少，只需要单片机的一个端口即可驱动，精度较高，除此之外，该传感器还可以同时采集温度和湿度，并能进行相对湿度补偿，易于应用，操作简单。1.2.4 显示模块的选择方案一：采用LCD1602液晶显示器。其显示容量为16*2个字符，而此次设计的是一个大棚温湿度测控系统，需要将设定的温湿度值以及采集过来的外

9、界环境里的温度值和湿度值显示出来，而LCD-1602的显示容量只有两行，可以显示八个汉字，这样无法直接在一屏里面显示温度值和湿度值，需要分多次页数来显示，这样不便于观察温湿度的变化，所以在本次设计中不采用LCD1602液晶显示器。方案二：采用LCD12864液晶显示器, 可以显示四行汉字，每行为16个字符，八个汉字，这样可进行观察和比较，清晰明了，易于操作，占用的单片机口线少，可以满足本系统的设计要求。因此在本次设计中的显示部分选用LCD12864液晶显示器。1.2.5 系统设计方案的确定综上所述，对本次设计系统的方案选定如下: 采用AT89S52作为主控制系统；液晶显示模块LCD12864作

10、为本次系统的显示；DHT90温湿度传感器作为本次系统温度和湿度的信息采集5。通过论证拟采用的设计方案内容包括以下几点：1. 选择AT89S52单片机作为整个系统的核心器件，发送并时时处理系统信息。2. 传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。本设计选用集成温湿度传感器DHT90。3. 显示电路的设计：设计采用液晶LCD12864进行显示，简单明

11、了。4. 报警电路的设计：在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据通过计算机进行数据处理、数字滤波和标度变换，这些已经在软件程序里边处理过，所以显示温湿度即为外界采集的温湿度，和设定的值比较，如果高于上限值或低于下限值则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。本设计采用声光报警电路。温度和湿度任何一个超过设定范围，蜂鸣器均报警。设计选用二极管的亮灭显示温度或者湿度是否过限，这样便于观察，可以更加直接的确定是要升降温还是要增减湿度，给工作人员减少了工作量。蜂鸣器报警电路

12、是通过MCS-52的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。5. 温湿度控制主程序的设计要考虑以下问题：(1) 温湿度采样，数字滤波；(2) 越限报警和处理；(3) 温度标度转换。第2章 系统的硬件设计2.1 系统硬件的简述系统采用单片机对大棚的温度、湿度进行自动监测和控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等特点，而且还可以大大提高被控制温度、湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。本设计利用单片机的这些特点对大棚的温度、湿度进行控制，将其保持在一个合适的范围内。若温度低于10，加热装置工作；若温度高于40，通风装置工作；湿度低于30%RH，喷灌装置工作；湿度达到或超过70%RH，喷灌装置停

13、止工作。2.2 单片机模块的设计2.2.1 单片机的功能特性描述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，存储器是采用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品的指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑

14、操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作；掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止一切工作，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52的引脚结构图如图2-1所示。P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电

15、平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。 图2-1 AT89S52引脚图P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P3输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，

16、此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。 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，单片机复位。 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。应注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。 PSEN：程序储存允许输出(PSEN)是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次PSEN

17、有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器(其地址为0000H-FFFFH)，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。2.2.2 单片机的最小系统单片机的最小系统应包括振荡电路和复位电路等。振荡电路(时钟电路)的主要任务是为AT89S52单片机正常工作需要的时钟电路提供一个稳定的工作频率。根据AT89S52单片机时钟周期的要求，回路需要选用频率为12MHz的晶振。晶振回路由电容和陶瓷谐振器并联组成，作为单片机的时钟源。AT89S52内部有一个用于

18、构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2端口接上时钟电源即可构成时钟电路。本设计中采用内部时钟产生方式，如图2.2所示。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶振，与内部的反相器构成稳定的自激振荡器。其发出的时钟脉冲直接送入单片机内定时控制部件。电容C8和C9对频率有微调作用。电容C1和C3，应尽可能的安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠的工作。复位电路的功能就是对CPU进行实时监测，当CPU落入死循环之后，能及时发现并使整个系统复位。为确保微机系统中电路稳未定可靠工作，复位可靠工作，复位电路是必不可少的一部分

19、，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC上电时，只有当VCC超过4.75V，低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。2.3 温湿度采集

20、系统的设计2.3.1 温湿度传感器的概述DHT9x是数字温湿度传感器系列中插针型的传感器。此类型传感器把传感元件和信号处理集成起来，输出全标定的数字信号。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上与 14 位的 A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。传感器采用专利的CMOS技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。因此，该产品具有品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。传感器采用的是原装进口数字温湿度传感器芯片，引脚插针为标准2.54插针，使用时无需重新校准。传感器直接与单片机相连，无需其他外部元件。总之，极低的功耗、极高的性价

21、比、卓越的品质等优点使其成为我们在选择温湿度传感器时的首选。DHT90的基本特性如下：测湿范围：0100%RH；测温范围：-40123.8；响应时间：温度：< 30s，湿度：<8s；分辨率：温度：0.01，湿度：0.03%RH；重复性：温度：0.1  湿度：0.1%RH；测量精度：温度：±0.5 湿度：±4.5%RH；安装方式：2.54mm间距插针。2.3.2 传感器的接口说明DHT90引脚结构如表2-1所示。表2-1 DHT90引脚结构PinNameComment1SCK时钟信号2VDD电源3GND地4DATA数据输出DHT90的供电电压为

22、2.4-5.5V，建议供电电压为3.3V。DHT90的串行接口，在传感器信号的读取及电源损耗方面，都做了优化处理；传感器不能按照I2C 协议编址，但是，如果I2C总线上没有挂接别的元件，传感器可以连接到I2C总线上，但单片机必须按照传感器的协议工作。SCK用于微处理器与 DHT90之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。DATA三态门用于数据的读取。DATA在 SCK 时钟下降沿之后改变状态，并且仅在 SCK时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动 DATA在低电平。需要一个外部的上拉电阻 (例如：1

23、0k)将信号提拉至高电平。 2.3.3 硬件连接设计采用数字式温湿度传感器DHT90。它是数字式温度传感器，具有测量精度高，电路连接简单等特点，传感器仅需要一条数据线进行数据传输，另外SCK端用于微处理器与 DHT90 之间的通讯同步，设计中采用AT89S52的P3.7与DHT90的SCK相连，用P3.6与DATA端相连，Vcc接电源,Vss接地9。DHT90的硬件连接图如图2-2所示。图2-2 DHT90硬件连接图2.4 显示模块的设计2.4.1 LCD12864的概述显示器是最常用的输出设备。显示器件使用最多的是发光二极管显示器(LED)和液晶显示器(LCD)。因为它们都具有结构简单、耗电

24、少、价格低廉、接口简单、寿命长等优点，广泛应用于智能仪表场合，尤其是单片机系统中大量应用。LCD以其功耗低、视觉范围广等特点也被广泛应用。显示电路的设计是不可缺少的。对于温湿度测控系统的设计而言，显示电路的设计也是不可缺少的。在本设计系统中，不仅要显示测量的温湿度值，而且还有不同的温湿度报警参数，故而显示器的设计是十分必要的。考虑到本设计的特点(工作温湿度、显示行列数、光线等)，设计中选用的是FYD12864显示器。该显示器的大屏幕显示具有显示清晰、视觉范围广、价格低等优点。液晶显示模块提供两种界面来连接微处理机：8位串行及并行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。和LE

25、D显示器一样，LCD也有字符型和点阵型两种。字符和数字的简单显示，不能满足汉字和图形曲线现实的要求；点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种曲线、图像及汉字，并且可以实现屏幕上下的滚动、反转、闪烁等功能，用途十分广泛。本设计中的显示器设计采用的是点阵式液晶显示模块。FYD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。低电压低功耗是其又一显著特点。与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论其硬

26、件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块10。其基本特性如下：低电源电压：VDD:+3.0-+5.5V； 显示分辨率：128×64点；内置汉字字库：提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选)；内置点阵字符：128个16×8；时钟频率：2MHZ；显示方式：STN、半透、正显；驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS；视角方向：6点；背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10；通讯方式：串行、并口可选；内置转换电路：DC-DC，无需外加负压；工作温度：0 - +55，存储温度：-20 - +60。2.4

27、.2 LCD12864引脚说明LCD12864的引脚结构如图2-3所示。图2-3 LCD12864引脚图LCD12864共20个引脚，其中引脚NC应悬空。由于模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可以将引脚RST悬空，引脚DB0-DB7为三态数据线，可用于写入并读取数据。LCD12864引脚说明如表2-2所示。表2-2 LCD12864引脚说明序号引脚名称方向功能说明1VSS-模块的电源地2VDD-模块的电源正端3V0-LCD驱动电压输入端4RS(CS)H/L并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5R/W(SID)H/L并行的读写选择信号；串行的数据口6E(CLK)H/L并行的

28、使能信号；串行的同步时钟7DB0H/L数据08DB1H/L数据19DB2H/L数据210DB3H/L数据311DB4H/L数据412DB5H/L数据513DB6H/L数据614DB7H/L数据715PSBH/L并/串行接口选择：H-并行；L-串行16NC空脚17/RSTH/L复位 低电平有效18NC空脚19LED_A-背光源正极(LED+5V)20LED_K-背光源负极(LED-OV)2.4.3 LCD12864的主要技术参数 LCD12864的主要技术参数如表2-3所示。表2-3 LCD12864的工作参数显示容量:128X64 点阵点尺寸:0.48X0.48(WXH)mm工作电压:4.85

29、.2V模块最佳工作电压:5.0V工作电流:4.0mA(5.0V)背光源颜色:白色(5.0V)背光源工作电流:<150.0mA蓝膜负显STN2.5 报警电路的设计在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或经过计算机进行数据处理、数字滤波、标度变换之后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值或低于下限值则进行报警，否则就作为正常的采样值，进行显示和控制。本设计采用声光报警电路。蜂鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过单片机AT89S52的1根口线经驱

30、动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。蜂鸣器的正极接电源，负极接单片机的P2.7口。报警电路中加了两个发光二极管，一个与单片机的P2.5连接，另一个与单片机的P2.6连接。温湿度传感器采集来的温度，湿度与单片机设定的温度，湿度值相比较，只要其中任何一个过限，蜂鸣器就会发出蜂鸣音报警。当温度大于设定值，其中一只二极管发光；当湿度大于设定值，另一只发光二极管亮。这样便于观测是哪一个量过限。使得工作人员的工作量减少。发出，极管路报警电路了 本设计是为在温湿度测量中对温湿度的上下限超出时的提示报警，当

31、温湿度过限时，接口被置0，本系统开始工作。报警电路连接图如图2-4所示。图2-4 报警电路图2.6 功能键的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。在单片机控制系统中，由于其控制对象比较专一，往往需要几个功能键。对于具有少量功能键的系统，多采用相互独立的接口方法，即每个按键接一根输入线，各键的工作状态互不影响。键盘具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统。本系统主要是对温室大棚中温湿度进行自动监测和控制，但是为了管

32、理人员的管理，系统使用键盘来设定温湿度的上下限。本设计采用四个按键，按键的功能如下：S1：S1控制温度上限，设定其上限后，当测量温度超过40时，则按S1键，使其保持在35；S2：S2控制温度下限，设定其下限后，当测量温度低于10时，则按S2键，使其保持在20；S3：S3控制湿度上限，设定其上限后，当测量温度超过70%RH时，则按S3键，使其保持在60%RH；S4：S4控制湿度下限，设定其下限后，当测量温度低于40%RH时，则按S4键，使其保持在30%RH。2.7 控制电路的设计继电器是电子控制器件，通常应用于自动控制电路中。它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，实际上是用

33、较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器具有结构简单、工作可靠、坚固耐用、价格便宜等优点。本电路采用常开继电器组成控制电路。它们分别控制加温设备、降温设备等设备。加温设备工作原理：当温度低于设定下限温度时，与单片机连接的引脚将送入低电平，三极管将导通，继电器有电流通过将吸合，则加热装置将进行加热工作，温度上升。当温度上升到设定范围之内时，置其引脚为高电平，三极管将截止，继电器不能工作，处于常开状态，加热装置停止工作。降温等其他继电器控制设备原理与加温设备原理相似。加温设备原理图如图2-5所示。图2-5 加温设备电路图第3章 软件

34、系统设计3.1 软件设计的整体思想对于系统而言，要完成各项功能，首先必须要有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是单片机应用高速发展的今天。许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程来代替，甚至有些用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程的时候，往往会变得很简单，如数字滤波，信号处理等等。系统进行软件设计时，先要对本设计硬件有一个熟练的掌握，知道系统的组成，数据的传输，信号是如何被控制的，以及信号的显示。然后进行软件设计时，先搞清楚各个部分的子程序及他们的流程图，然后进行C语言编程，最后将它们系统的编程11。本设计是以AT89S52单片机为核心，采用C语言编程。它采

35、用模块化设计，由主程序、读出温湿度子程序、按键处理子程序、LCD12864显示子程序、以及有关DHT90的程序等模块组成。本系统设计的工作流程是，开始并初始化后，先从键盘上输入要设定的温度和湿度的上下限值；传感器读取温湿度值，读取成功后，线性拟合数据，然后 LCD显示数据，如果温湿度过限，则报警并且启动控制设备；如果数据在温湿度上下限范围内，则显示温湿度值。3.2 程序流程图设计整个系统的软件设计采用模块化编程，主要的功能子程序有：系统初始化，DHT90的初始化，LCD-12864的初始化。主程序流程图如图3-1所示。图3-1 主程序流程图3.3 DHT90软件系统设计3.3.1 DHT90测

36、量流程图DHT90测量流程图如图3-2所示。图3-2 DHT90测量时序图3.3.2 传感器的电气特性电气特性：如能耗，低、高电平，输入、输出电压等，都取决于电源。DHT90时序图如图3-3所示。图3-3 DHT90时序图3.3.3 启动传感器指令选择供电电压后将传感器通电，上电速率不低于 1V/ms。通电后传感器需11ms 进入休眠状态，在此之前不可对传感器发送命令。DHT90命令集如表3-1所示。表3-1 DHT90命令集命令代码预留0000x温度测量00011湿度测量00101读状态寄存器00111写状态寄存器00110预留0101x-1110x软复位，复位接口、清空状态寄存器，即清空为

37、默认值，下一次命令前等待 至少 11ms111103.3.4 发送命令用一组 “启动传输”启动表示数据传输的初始化。它包括：当 SCK 时钟高电平时 DATA 翻转为低电平，紧接着 SCK 变为低电平，随后是在 SCK 时钟高电平时 DATA 翻转为高电平。“启动传输”时序后续命令包含三个地址位，DHT90会以下述方式表示已正确地接收到指令：在第 8个 SCK 时钟的下降沿之后，将 DATA下拉为低电平；在第 9个 SCK 时钟的下降沿之后，恢复高电平。发送命令时序图如图3-4所示。图3-4 发送命令时序图3.3.5 测量时序发布一组测量命令(表示相对湿度 RH，表示温度 T)后，控制器要等待

38、测量结束。这个过 程需要20/80/320ms，分别对应 8/12/14bit 测量。DHT90通过下拉 DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。控制器在再次触发 SCK 时钟前，必须等待这个信号来读出数据。检测数据可以先被存储，这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。接着传输 2个字节的测量数据和 1个字节的 CRC奇偶校验。Uc需要通过下拉 DATA为低电平，以确认每个字节，所有的数据从 MSB开始右值有效。用CRC数据的确认位，表明通讯结束。如果不使用CRC-8校验，控制器可以在测量值 LSB后，通过保持确认位 SCK高电平，来中止通讯。在测量和通讯结束后，DHT90自

39、动转入休眠模式。3.3.6通讯复位时序如果与 DHT90通讯中断，下列信号时序可复位串口：当 DATA 保持高电平时，触发 SCK 时钟 9 次或更多，可参阅图3-5。图3-5 通讯复位时序3.4 DHT90的温湿度补偿及转换3.4.1 相对湿度为补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，可参阅表3-2，可使用公式(3-1)。 (3-1) 表3-2 湿度转换系数12bit-4.00000.0405-2.8000E-68bit-4.00000.6480-7.2000E-43.4.2 温度转换温度转换数可参阅表3-3，可使用温度转度公式(3-2)。 (3-2)表3-3 温度转换数VDDd1 ()d1(

40、)5V-40.1-40.24V-39.8-39.63.5V-39.7-39.53V-39.6-39.32.5V-39.4-38.9SOTd2 ()d2()14bit0.010.01812bit0.040.0723.5 LCD12864软件系统设计3.5.1 LCD12864显示流程图用FYD12864-0402B显示模块进行软件设计时应注意：欲在某一个位置显示中文字符时，应先设定显示字符位置，即先设定显示地址，再写入中文字符编码；显示ASCII字符过程与显示中文字符过程相同。不过在显示连续字符时，只须设定一次显示地址，由模块自动对地址加1指向下一个字符位置，否则，显示的字符中将会有一个空ASC

41、II字符位置；当字符编码为2字节时，应先写入高位字节，再写入低位字节；模块在接收指令前，向处理器必须先确认模块内部处于非忙状态，即读取BF标志时BF需为“0” ，方可接受新的指令。如果在送出一个指令前不检查BF标志，则在前一个指令和这个指令中间必须延迟一段较长的时间，即等待前一个指令确定执行完成。LCD12864显示流程图如图3-6所示。图3-6 LCD显示流程图3.5.2 写数据到模块单片机发送和接受数据或指令要通过控制LCD上RS、RW、E三个引脚的高低电平来实现。应特别注意的是：无论是写数据还是读数据一定要先查忙(对左右半屏读命令)，只有在BF=0时才能对LCD进行操作。“RE”为基本指

42、令集与扩充指令集的选择控制位。当变更“RE”后，以后的指令集将维持在最后的状态，除非再次变更“RE”位，否则使用相同指令集时，无需每次均重设“RE”位。LCD写数据到模块时序图如图3-7所示。图3-7 LCD写数据时序3.5.3 从模块读出数据根据LCD读数据时序图可以从12864液晶模块内部RAM中读出相应的数据，忙检测函数也是根据这个时序图写出来的。从RAM读数据，读指令执行后Y地址计数器自动加1。从RAM读数据前要先执行“设置页地址” 及“设置列地址”命令。读数据时也一定要先查忙，只有在BF=0时才能对LCD进行操作。从模块读出数据的LCD读数据时序图如图3-8所示。图3-8 LCD读数

43、据时序3.6 按键软件系统设计在控制系统中，一般采用中断或查询的方式实现其键盘接口。查询方式的过程为：查询、等待、数据传送。待到下一次数据传送时，重复上述过程。等待也可以不采用循环等待，而用软件插入固定延时的方式来完成。查询方式的优点是通用性好，可以用于各类外部设备和CPU间的数据传送。缺点是需要有一个等待过程，特别是在连续进行数据传送时，由于外设工作速度比CPU慢得多，因此，CPU在完成一次数据传送后需要等待很长时间，才能进行下一次的传送。在等待过程中，CPU不能进行其他操作，所以效率比较低。提高CPU效率的一条有效途径是采用中断方式。为了提高CPU的效率，可以采用中断扫描的工作方式，即只有

44、在键盘按键按下时才产生中断申请；进入中断服务程序进行扫描，并做相应处理。中断服务程序除完成键识别和键功能外，还具有消除键抖动等功能。中断方式完全消除了CPU在查询方式中的等待现象，大大提高了CPU的工作效率。本设计采用中断方式。键盘可以分为独立连接式和行列式，对于具有少量功能建的系统，多采用相互独立的接口方法。独立式按键是指各按键相互独立地接通一条输入数据线，各键的工作状态互不影响。键盘的优点是电路简单；缺点是当按键数较多时，要占用较多的引脚。本设计中的按键采用独立连接式的方式。在键盘扫描程序中，求得键值只是手段，最终目的是使程序转移到相应的地址去完成该键所代表的操作。对数字键一般是指直接将该

45、键值送到显示缓冲区进行显示；对功能键则须找到该功能键处理程序的入口地址，并转去执行该键的功能。因此，求得键值后，还必须找到功能键处理程序入口。为了防止CPU对一次按键动作只确认一次，必须排除抖动的影响，可以从硬件和软件两个方面着手解决。若采用硬件抖动电路，按键个数比较多的时候，硬件防抖无法胜任。可以采用软件的方法进行防抖。当第一次检测有键按下时，先用软件延时，而后再确认该键电平是否仍维持闭合状态。若保持闭合状态电平，则确认此键确已按下，从而消除按键抖动的影响。按键扫描的工作过程如下：1. 第一步先判断键盘中是否有键按下；2. 第二步进行行扫描，判断是哪一个键按下，若有键按下，则调用延时子程序去

46、抖动；3. 第三步读取按键的位置码；4. 将按键的位置码转换为键值。需要注意的是：当其中某个键被按下时，中断引脚变为低电平，向CPU申请中断。CPU响应后，用查询方法找出被按下的功能键，再通过软件查找出功能键服务程序的入口地址，为了把机械信号转换成电信号，设计时使用了上拉电阻。这样，当开关开启时，输出被提升至+5V，当开关关闭时，输入就被强制接地。总之，在系统设计中，为了缩小整个系统的规模，简化硬件线路，尽可能使用最少的按键，获得更多的操作控制功能。第4章 调试4.1 软件调试系统软件设计的过程主要分为以下几个步骤：第一步：建立源程序。通过计算机开发系统的编辑软件，按照所要求的格式、语法规定、

47、源程序输入到开发系统中，并存在磁盘上。第二步：在计算机上，利用KILE软件对第一步输入的源程序进行编译，变为可执行的目标代码。如果源程序有语法错误，则其错误将显示出来，然后返回到第一步进行修改，再进行编译，直到语法错误全部纠正为止。第三步：在线调试。对于与系统、硬件无联系的程序，可以借助在线调试手段，发现逻辑错误后，返回到第一步修改，直到逻辑错误纠正为止。对于与系统硬件紧密相关的程序，则需对软件和硬件同时进行调试，将程序烧入CPU，然后将CPU 插入系统。发现硬件故障后应排除故障，发现逻辑错误后应修改程序，消除逻辑错误。4.2 硬件调试硬件调试主要包括两步：第一步：系统上电之前，先仔细检查线路

48、是否连接正确，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求，应特别注意电源系统的检查，以防止电源的短路和极性错误，并重点检查系统总线是否存在相互之间短路或与其它信号线的短路。第二步：第一步的调试，只是对系统进行初步调试，可以排除一些明显的故障，而硬件故障(如各个部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误)主要是靠软件和硬件联调来排除。硬件调试和软件调试是不能完全分开的，许多硬件错误是在软件调试中发现和被纠正的。4.3 液晶模块调试液晶显示器是人机界面最关键的部分，能够使我们更加清楚的读取数据。在对显示模块进行调试的过程中发现显示不正常，汉字显示与字符显示不同，LCD-12864每行可以显示16个

49、字符，8个汉字，汉字不能分半显示，由于软件编程时，地址分配有误，使得汉字部分无法显示。经过检查，发现问题后，将地址重新分配，显示部分正确。4.4 报警电路调试本次系统设计采用的是声光报警电路。当温度和湿度其中任何值一个过限后，蜂鸣器都会发出声音。这是写在软件程序里的。但是在加上控制信号，温湿度过限后，蜂鸣器不报警。蜂鸣器的控制端口无控制信号输出。经检查发现程序里面蜂鸣器的控制端口电平设置有误，修改后，蜂鸣器工作正常。结 论本设计综合利用单片机技术、传感器技术、数字电子技术和LCD显示等科学知识，完成了基于单片机控制的温湿度测量和显示报警等的设计。比较系统地介绍了硬件的组成及设计方法。利用单片机

50、C语言完成了系统软件的设计。本设计特点如下：1. 把传感器技术应用到单片机控制系统中，实现了对环境温湿度的数据采集、读取等。2. 利用LCD液晶的显示技术完成了环境温度、湿度及显示电路的设计。3. 外接了蜂鸣器报警模块，在超过设定温湿度上下限时自动报警。4. 整个系统软硬件搭配合理，设计、开发、维护方便，性价比高。由于单片机经济实用、开发简便，因而在工业控制、农业自动化、家电智能化等领域也占据了广泛的市场。本设计有一定的实用性，但该系统在设计过程中仍有很多漏洞。还需要在智能化方面加以改进。特别是在节省功耗，提高稳定度等方面。不过，该产品有很好的可扩展性能，比如，该设备的测量结果不仅能在本地显示

51、，而且可以利用单片机的串行口和RS-232总线通信协议将采集的数据传送到主控机，以进行进一步的存档、处理。主控机负责控制指令的发送，以控制各个从机的温湿度采集，收集测量数据，并对测量结果(包括历史数据)进行整理、显示和存储。主控机与从机之间也能够相互联系、相互协调，从而达到系统整体统一、和谐的效果。本系统存在的不足与拓展：1. 设计不足：系统设计中，未能显示实时信息。在一些比较特殊的场合，有时候需要系统显示出各个时间段，比如，早、中、晚的实时信息。而这个系统没有此项功能。2. 系统拓展：(1) 本系统可以添加无线模块。可以添加中、短程无线通信模块，使得系统能够在比较恶劣、危险等不适合人到达的地

52、方进行工作，这样就提高了系统的实用性；(2) 本系统可以利用串口与PC机相连接，然后将采集的信息在PC机上进行处理，比如可以绘制时间温湿度曲线，也可将信息发布到WAP上，进行远程操控。参考文献1范海涛. 世界设施农业发展现状. 农村实用工程技术, 2001(1): 10-112李朝青. 单片机原理及接口技术. 北京: 北京航空航天大学出版社, 20093潘新民, 王燕芳. 微型计算机控制技术. 北京: 电子工业出版社, 20114周润景, 张丽娜. 基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真. 北京: 北京航空航天大学出版社, 20065房德君. 新型单片机综合试验系统. 山东: 山东大学出版社, 19966刘九庆. 温室环境工程技术. 吉林: 东北林业大学出版社, 20027张友德, 赵志英, 涂时亮. 单片微型机原理应用与实验. 上海: 复旦大学出版社, 20038沈庆阳. 单片机实践与应用. 北京: 清华大学出版社, 20029杜深慧. 温湿度检测装置的设计与实现. 北京: 机械工业出版社, 200410姜志海, 赵艳雷. 单片机的C语言程序设计与应用. 北京: 电子工业出版社, 201011王忠民. 微型计算机原理. 西安: 西安电子科技大学出版社, 200812沙占友. 智能化湿度传感器原理与应用. 北京: 机械工业出版社, 200213梅丽凤, 王艳秋. 单片机