【《基于STC89C52单片机智能仓储温湿度监测系统设计》8000字（论文）】

基于STC89C52单片机智能仓储温湿度监测系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u193541引言 2132312系统总体方案设计 4216872.1系统总框图 4161832.2方案选择 4190992.2.1单片机选择方案 4278252.2.2传感器选择方案 527762.2.3显示器选择方案 5285712.2.4电机驱动选择方案 6241573系统硬件电路的设计 6273643.1系统硬件概述 6274123.2STC89C52单片机 7104053.2.1简介 7264323.2.2主要引脚说明 7287903.2.3单片机最小系统 8176493.3DHT11传感器模块设计 8311273.3.1简介 8322743.3.2主要引脚 980113.3.3工作原理 9117323.3.4数据格式 9289433.3.5传输数据时序 9190773.3.6电路设计 10178223.4LCD1602设计 10110313.4.1显示方法 10283703.4.2主要引脚说明 1276483.5TB6612驱动模块 13240423.5.1简介 13169873.5.2特点 13170953.5.3主要引脚说明 1397163.5.4电机驱动模块的电路设计 14179313.5.3H桥电路 14256323.5.6PWM 15156873.6微孔雾化片 15195383.6.1简介 15290883.6.2驱动电路图 15257473.6.3主要引脚 1652684系统软件设计 1655634.1系统总流程 1770934.2显示模块设计 17303744.3传感器设计 18173185系统测试 1955926结语 2015263参考文献 21摘要：随着时代与科技的发展，中国人民的生活质量也日益提高，对所采用的消费电子产品需求也越来越提高。随之对应的仓储条件也在上升。在我国，每年依靠进口的食品以及物品不计其数，对于仓储的需求和存储条件十分苛刻，例如食品或者医疗用品，有着很高的温湿度要求，达不到要求就会缩短产品的寿命甚至变质。所以，对于仓储的温湿度监控在当今显得尤为重要。我们常在新闻报道中看到某某仓库失火或是被淹，倘若我们能够实时的监测到仓库的信息并且在超过或者低于设定值时进行报警，或许就能够避免事故的发生或者是降低损失，这也正是人工监测的弊端。不仅如此，人工监测还存在着误差大，信息延迟，成本高等缺陷。因此，运用单片机进行仓库的温湿度监测系统应运而生。单片机具有体积小，集成度高，成本低，可连续不断的进行监测的优势。因此，用单片机控制的仓库监测系统来代替传统的人工监测是很有必要和前景的。本设计主要由STC89C52单片机、LCD1602液晶模块，蜂鸣器，键盘，以及空气湿度感应器DHT11等组成。当温湿度传感器监测的信息超过设定值时，单片机发出数字信号驱使蜂鸣器工作。关键词：传感器；温度；湿度；单片机；智能控制1引言在我国，每年依靠进口的食品以及物品不计其数，同时我们国家在制造业又是出口大国，对于仓储的需求和存储条件变得更加苛刻，例如食品或者医疗用品，有着很高的温湿度要求，达不到要求就会缩短产品的寿命甚至变质。而且每年因为不能够及时反馈仓库存储条件的原因导致事故的发生屡见不鲜。所以，对于仓储的温湿度监控在当今显得尤为重要。系统主要实现对于环境内温湿度的采集、可视化，和系统对于温湿度的自动控制，以及环境温湿度超出预设范围时或者系统措施无法快速改变温湿度时，这种条件下会给出报警提示。系统启动后，传感器根据设定的程序进行信息采集，且发送到单片机，经过系统的分析和转换，最后将其传输到显示屏上。若环境内的温湿度不符合要求，系统核心将驱动加热器模块、加湿器模块以及散热去湿模块，将环境内的参数恢复到提前设置的范围内系统采用的是电机驱动负载，可通过PWM和PID[3]技术调速。因此无论温度还是湿度，都可以根据实际的温差与湿差，及时的启用降温风扇、除湿风扇、升温模块、加湿器来及时有效的调整温室内的温湿度。本系统功能主要如下：（1）采集所处环境的温度和湿度（2）通过LCD1602液晶屏实时显示温湿度值，超出预定义范围时发出警报并提示警报信息（3）报警上下限的值可以通过按键实现手动设置（4）系统具有断电记忆功能，系统供电后自动载入上一次的报警阀值。（5）系统运行过程中，温湿度超出或低于预定义范围时，系统会自动开启对应的控制器，调节温湿度到合适的范围，实现对温湿度的控制。2系统总体方案设计2.1系统总框图这种系统在运行过程中主要是实现单片机控制下的温湿度的收集、可视化、控制和报警功能。通过片内EEPROM存储设定值[4]，断电之后自动保存数据[3]。环境参数不在预设范围内启动相应模块进行恢复。系统设计的总框图如图2.1所示。图2.1温湿度控制器总框图2.2方案选择2.2.1单片机选择方案8051型单片机备选有AT89C52与STC89C52。本系统选用后者，有如下原因：（1）STC89C52单片机指令更为全面，片内都内置8位CPU和Flash存储单元，以及灵活可靠的加密方式，功能十分强大。（2）AT89C52不带在线编程技术，要用与单片机对应的下载器下载，STC89C52可以用USB转TTL下载，在烧录程序时更加方便。（3）STC单片机执行指令速率远高于AT，是AT的数十倍。（4）STC单片机具有更大的电压浮动范围和温度范围（5）AT89C52由美国的ATMEL公司制作，而STC89C52系列单片机是由国内制作两种方案相比，根据所学知识，平时练习以及设计要求，本设计选用STC89C52芯片完成。该单片机足够实现本设计系统需求，且价格便宜、操作方便。2.2.2传感器选择方案传感器的选择有DHT11和DHT22两种方案，本系统选用DHT11进行温湿度信息采集。DHT11在运行过程中可以高效的采集环境温湿度信息，且可以自动的进行模数转换，因而其使用起来简单快捷。具有响应速度快，数据丢失率低的优点。此外，DHT11还使用单总线协议，使得连接外部系统时更为简便[5]。DHT11相对于DHT22传感器相比，精度和测量范围会略微减小，它的测温范围在0~50℃，误差在±2℃左右；相对湿度在20%到90%之间，误差不超过±5%，这个范围更为符合人们在日常生活中对于温湿度的需求。但DHT11的一大优势是它的电路并不复杂，只要把Dout引脚与单片机的I/O口相连，这个引脚再加一个5K的上拉电阻，并使用3到5.5V的电源驱动即可。2.2.3显示器选择方案系统的显示模块核心为LCD1602液晶显示屏，用来显示常用的符号和字符，使用时直接输入显示字符对应的编码即可，屏幕由两行组成，一行可以显示16个字符[6]。采用5V电源驱动，使用寿命长，可靠性高。内部通过命令来实现读写模式的转换，是一款比较常用的显示器。综合来看，LCD1602液晶屏与其他显示屏相比编程简单，字符可直接输入，价格实惠，使用起来方便可靠，也是最为熟悉的一款显示产品。因此，系统采用LCD1602当做显示数据的核心部件。2.2.4电机驱动选择方案本系统采用TB6612作为驱动部件。TB6612是一种低通电阻半导体MOS结构的直流电机驱动集成电路，一块TB6612可负载两路直流电机[7]。在本系统中用到调压的部件有两处：一是散热除湿的风扇；二是用于升温的加热模块。TB6612模块分为两路控制，主要是对风扇转速和加热器的加热速率进行控制。除此之外，该模块的电机供电电路与逻辑控制电路分离，当电机供电电路出现问题是不会影响到逻辑控制电路，即不会烧毁MCU。TB6612还使用了PWM技术，不仅支持频率高、可持续输出大电流、还具有低压检测功能，表现出良好的环境适用性优势。3系统硬件电路的设计3.1系统硬件概述总体上分析可知本系统由以下模块组成，温湿度的采集和可视化模块、对温湿度做出干预的四种调节模块、阈值修改模块以及报警模块。其中控制模块负责处理所有数据和对环境参数改变的措施；温湿度采集单元在运行过程中，在程序控制下将采集所处环境的温湿度数据，解析处理后传至单片机，单片机作统一安排；液晶显示模块是作为从机存在的，在本设计中负责显示单片机发送的温湿度信息及报警信息；加湿器模块、加热模块、散热去湿模块是本系统的主要执行者，当单片机计算出所处环境温湿度不符合要求时，这几个模块就会接收到启动命令开始工作，使当前温室内的温度向预定义的范围内改变；设定值可以通过阀值修改模块进行修改；当温湿度不符合要求或者系统措施不足以快速改变温湿度时报警模块会发出提示信息。3.2STC89C52单片机3.2.1简介STC89C52单片机采用CMOS技术制造。由于其价格低廉、功耗低、性能好，在芯片上自带8KFlash和2KEEPROM，在市场上得到了广泛的应用。STC89C52是一款增强51系列微处理器，其使用说明和引脚与51系列大致相同，又在它的基础上扩展了很多功能。由于51系列单片机的使用深入人心，技术在迭代下也趋于完美，STC89C52也继承其独特的设计风格，使得STC89C52已成为应用于低端嵌入式产品的主流控制方式。STC89C52单片机虽然是上世纪的产品，功能相较于现在的新产品略显不足，但却是可编程器件或者说单片机的学习基础，可通过其入门。3.2.2主要引脚说明主要引脚说明如表3.1所示。表3.1引脚说明表引脚说明P0口统称数据总线口，在应用过程中可以为数据传输提供支持，满足交互性要求P1口P1口为对应的I/O口P2口P2口可为单片机和为外部设备的交互起到促进作用P3口P3口用作和外部设备交互数据的输入口，也可以作为其他功能口使用时钟外接晶振的一个引脚PSEN外ROM读选通信号EA/Vpp拉低有效，满足电源相关应用要求3.2.3单片机最小系统相关结构组成情况如下图3.1图3.1单片机最小系统原理图3.3DHT11传感器模块设计3.3.1简介这种传感器在信号检测领域被广泛应用，其可以直接输出开关量的温湿度数据。核心由一个电阻式水分传感器和一个NTC温度测量器组成。采用单线串行接口，与单片机直接连接，适合于不同的应用，甚至是最严格的应用程序[8]。参数图如图3.2所示：图3.2参数图实物图如3.3：图3.3DHT11实物图3.3.2主要引脚下表显示出其引脚相关情况。表3.2引脚表引脚说明电源端接供电，3－5.5V。GND：接地端，两引脚之间可以再加一个电容去耦滤波DATA输出口，连接单片机3.3.3工作原理单片机与DHT11的通信使用一根数据输出线相连接，一次通讯的时间大约为4毫秒；DHT11传感器在接收到单片机的启动信号后，工作模式由省电转为高功耗，并发出应答信号至单片机，开始采集数据，收集数据后，用户可以对数据进一步处理[9]。3.3.4数据格式采集模块一次传送40位二进制数据，高位先出，一条完整的数据由16位温湿度数据以及8位校验位组成3.3.5传输数据时序（1）总线空闲状态为高电平（2）在运行过程中通过单片机发送相应的控制指令后，适当延迟后，传感器读取指令信号（3）回应信号为低电平条件下可判断出传感器处于正常运行状态（4）传输完成后拉低总线50us（5）DHT11完成通讯所需时间为3ms，因此需考虑单片机持续采样间隔时间，一般>=100毫秒。下图显示出对应的传输时序： 图3.4传输时序3.3.6电路设计图3.5显示出对应的电路组成结构图3.5DHT11原理图3.4LCD1602设计3.4.1显示方法LCD1602在单片机系统中被广泛应用，主要是通过其显示出单片机系统的信息，这种显示器中各点阵通过一定量led灯组成，显示字符时需要先找到相匹配的RAM区字节，然后基于电平来对led灯状态进行控制，从而实现目标字符的显示目的[10]。LCD液晶显示屏内部存储了很多常用字符，使用时输入对应编码即可。想要正确的显示一个字符需要先确定该字符现实的位置。LCD1602模块是通过D0~D7这八个引脚进行数据传输而满足应用要求，在传输位置信息时D7的引脚一直被置高，无法改变，只有通过D0~D6的变化才可选择显示位置。将D0~D6转化为二进制与图7内进行比对，相同的位置及是显示位置图3.6LCD1602位置对应图位置信息传送完毕后，开始发送要显示的字符信息。在LCD1602官方文档中给出了图3.7中的表，该表说明了显示字符需要获取该字符在表中对应的高位和低位。为了方便人们使用，该表的数字，字母及部分符号与ASCLL码值相对应，这样在编程过程中我们无需对字符进行转化就可直接输出。图3.7LCD1602位置对应图例：在LCD1602第一行第三个空格显示字符A首先确认显示的位置（32个位置）第一行第三个，从图3.6可知位置为02，对应的二进制为00000010，即D6~D0引脚的状态为0000010，D7状态常为1，转化为16进制为0x82，最后执行写命令即可完成确定显示位置。从图8可知对应编码为00010100转化为16进制为0x41，最后执行写命令即可完成确定显示内容操作。3.4.2主要引脚说明相关引脚情况如下表表3.3引脚信息表引脚含义VDD提供电源VL作用是调节对比度RS对应的寄存器引脚R/W数据写入和读取E控制模块执行命令D0-D78位双向数据线BLA/K背光电源正负极3.5TB6612驱动模块3.5.1简介TB6612是一种款基于MOS结构的H桥直流电机驱动集成电路，一块TB6612可负载两路直流电机，通过不同的信号可执行不同运动模式。它的最大优势在于两个模块相互独立，即使一路负载电路出现问题，也不会影响另一路电机正常工作，同时也提供了充足的动力，在品质和能耗方面颇具优势，是很多小型电机控制系统中的理想器件。3.5.2特点（1）电源电压：Vm=15V(Max)（2）输出电流：平均：1.2A，峰值：3.2A（3）输出低压电阻器：0.5Ω（4）具有待机（节电）系统（5）CW、CCW、短刹车和停止模式（6）低压检测电路，提高系统运行可靠性3.5.3主要引脚说明主要引脚说明如表3.4所示。表3.4引脚说明表引脚说明VM直接连接电源即可VCC是内部的逻辑供电，接3.3v或者5vGND模块3个GND相互连接，接任意一个STBY高电位时模块正常工作A01和A02接一路电机两端AIN1和AIN2连接单片机，控制电机旋转方向3.5.4电机驱动模块的电路设计见图3.8。图3.8TB6612电路原理图3.5.3H桥电路TB6612芯片接收电平信号，电平信号标准是TTL逻辑，电路是H型桥式电路[11]。他能通过控制电压的大小和方向，从而改变电机的功率和方向。电路如图3.9。图10H桥电路图要使电机按照正常逻辑工作，就要先导通电路中交叉方向的两个三极管。Q12在运行过程中连接Q15条件下，电流会进入到Q15管，在此驱动作用下电机正向转动，反之，电机做逆时针旋转。3.5.6PWMPWM技术可以将输入的模拟信号转换数字电路需要的编码。具有以下特点：（1）通过改变脉冲宽度控制输出电平；（2）通过改变周期来控制器输出频率；（3）抗噪性能强：PWM是数字形式，只有噪音达到可以改变电平的强度时才会对信号造成破坏3.6微孔雾化片3.6.1简介工作元件为微孔雾化片。驱动微孔雾化片频率一般在100KHz到180KHz。是由压电陶瓷片以及金属薄膜组合而成，金属膜有微孔，采用激光击穿，工作过程中吸水后形成高频电压，在一定高频震荡作用下促使水滴雾化，其后则通过细孔喷出[12]。根据相关资料可知，此细孔直径一般在0.001mm~0.4mm之间，雾化颗粒越细，形成的水雾就会越绵柔，但细孔容易被异物阻塞无法喷出水雾，所以水质对其影响较大[13]。3.6.2驱动电路图驱动电路采用NE555芯片作为核心，该电路为方波信号发生器电路，为微孔雾化片提供100KHz到180KHz的方波频率。微孔雾化器驱动电路如图3.10所示[14]图3.10微孔雾化片驱动电路图3.6.3主要引脚表3.5显示出引脚相关情况表3.5引脚含义表引脚说明GND接地TRIG低触发端TROUT输出端VoRESET直接清零端。接地时电路不工作，应为高电平CONT控制电压端。一般接0.01μF电容接地THRES高触发端THDISCH放电端，用作电容的放电VCC外部驱动电源，一般5V4系统软件设计编程前需明确需求，确定项目的整体架构，将项目拆分成不同模块，各个模块可以分开设计制作，独立调试。在设计时尽量使用相对成熟和自己熟悉的元器件进行开发，这样可以大大加快研发速度。先将每个模块分别进行单独调试，然后再进行整合调试，最终确认系统能否达到设计要求，能否保障系统在正常范围内有效地运行，因而在系统设计过程中软件设计有重要的意义，这就需要根据系统的应用性能要求，和功能实现相关情况进行合理规划，确定出适宜的框架结构，然后选择适宜的语言进行编程，确保实现系统目标，以下对此进行具体说明。4.1系统总流程当系统的通电后，系统开始初始化，初始化完成后，延时1S等待系统稳定，之后循环执行主程序。单片机将命令下发至温湿度传感器，待到传感器将采集到的数据传输回来，与预先设定的范围比较之后，再将执行命令送达至对应的执行器（执行器包含降温除湿风扇、加湿器、加热器）。图4.1显示出系统流程相关情况：图4.1主程序图4.2显示模块设计LCD1602为应用比例较高的慢显示器，在完成每条指令之前要确认系统是否处于空闲状态。要该模块显示时要先确定显示的地址，再输入要显示的字符，每行都是如此。在操作显示模块之前需要对该模块进行显示模式设置、光标显示设置、清屏等操作；1602是指该显示屏共两行，每行可显示16个字符，这16个字符的位置有一个字节控制，其中最高位为1，始终不会发生变化；剩余低6位的变化可改变字符位置，00~0F对应第一行，40~4F对应第二行。字符想要显示只需根据LCD1602官方文档向模块发送相应编码即可显示。图4.2显示出此单元的工作流程：图4.2液晶显示流程图4.3传感器设计将单片机数据线端口配置成输出模式置低19us，再拉高30us，在此基础上进行控制使得接口转变为输入模式，在等待一段时间后对端口的状态进行检测，然后再次检测数据端口是否为高，之后开始依次接收DHT11发送的数据[15]；在发现全部的数据都发送完毕后，控制其状态转变为输出模式，并将数据线拉高；最后单片机对获取的数据校验，为其后的功能操作提供支持。DHT11程序流程如下图4.3DHT11流程图5系统测试系统在设计过程中，大多数会出现一些未知的问题，因此一个成熟的系统需要多个方位的测试，发现其中的漏洞和存在的问题，从而确保系统在未来的使用过程中尽可能的减少错误。本系统经过测试，基本的采集、可视化功能、以及对外界环境变化做出的响应功能和声光报警等功能运行结果均已满足了日常需求。该系统在实际运行中，装置能实现在一定范围内恒温恒湿的目的；当温湿度有较大的变动，系统无法较快速响应时，系统会触发报警模块，提示警报信息，设计需求基本完成。为了模拟实际生活中的情况，将此系统置入到封闭的环境中测试，根据测试结果进行判断分析，选择的测试方法如下：（1）在系统中加入冰块，迅速降低周围的温度，观察系统是否能够迅速察觉到温度的变化并启动加热装置；（2）利用吹风机将热空气吹进系统，形成一个高温度、低湿度的环境，观察系统是否能够迅速启动恢复装置；（1）将水雾喷洒到系统中增加湿度，观察系统能否启动除湿装置;（2）用打火机加热感应器，让系统温度和湿度迅速变化，观察系统是否能够迅速启动恢复装置，在持续一段时间后，是否能正常报警;（3）直接切断电源，再重新接通电源后查看数据是否保存成功。经对对硬件改进以及对程序的不断调试，本次设计基本满足需求。6结语通过本次测试，该系统所有模块运行无明显异常，在显示方面，系统可以正常采集所处位置的温湿度信息进行显示，同时交互功能也满足要求。当系统在感知到温湿度不符合要求时，能快速的做出反应，调节温室内的温湿度到预定义的阈值范围内，当温室内环境参数超出预设范围，系统措施不足以快速改变环境参数时，触发报警装置。另外，此次设计还具有可以优化的方面，比如温湿度的精度方面、以及解决温度和湿度共同协调的方面，还有一些可以扩展的地方，例如短信报警等，以及尚未发现的不足之处。在实际设计上也发现自身的很多缺陷和不足，也会随时出现没有考虑到的问题，因此，我我查找了很多的专业知识，参考了很多成功的例子，在设计中不断的汲取精华进行改进，得到更为有效的方法，解决了过程中遇到的困难。。这一次的设计，从最开始的选题到后来对控制器的选择和设计，再到每个元器件的选择，让我将教科书上的知识运用到了实际之中，就像老师曾说"知识必须通过应用才能实现其价值!”，将理论和现实结合在一起，自己动手操作能力明显提高，同时激发了我对知识的学习兴趣，以及在今后的工作和学业上更加自信。本次设计的成功，是我对自己所学习理论知识掌握情况的验证，同时也将这些知识体现在了作品中。这次毕业论文设计的完成，我深刻的明白了许多道理，也发现自己存在的短板和不足，明白哪些知识还是学习的不够深入