【《基于单片机的温室温湿度控制系统设计》6900字（论文）】

基于单片机的温室温湿度控制系统设计摘要随着电子技术的发展，越来越多的智能装备应用于农业发展上，温室的普及使得反季节水果蔬菜在市场上大量销售，农民的收入也得以增加。对于温室种植的研究一直在进行中，各方面研究发现，每种作物都有其最适的生长环境，只有在最适的生长环境中培育作物，才能缩短作物成熟期，增加产量，增加水果甜度。人工无法控制温室内的环境参数，本设计就是为解决此类问题，设计制作一种温室温湿度控制器，系统利用温湿度传感器采集温湿度参数控制系统使用LCD1602显示器显示各项参数，并作为人机交互界面，控制器根据比较采集到的实际环境参数与设定的环境参数选择开启或关闭设备来调节温室的温湿度，另设置有三个按键，可以调整温湿度的阈值，根据不同的作物设置不同的环境参数阈值。关键词:单片机、温室、环境测控、温湿度目录0前言 11系统整体设计 22器件选型 42.1单片机选型 42.2湿度传感器的选择 52.3显示模块选型 62.4电磁继电器选型 83硬件设计 93.1单片机最小系统电路设计 93.2温湿度采集电路 103.3显示电路设计 103.4继电器驱动电路设计 113.5按键电路 123.5系统总电路图设计 123.6PCB设计 144软件设计 154.1主程序设计 154.2温湿度读取子程序 164.3LCD显示子程序 175程序仿真和实物制作 18结论 19参考文献 21

前言随着智能农业装备发展，越来越多的温室改进为智能温室，在农业研究领域，发现每种作物都有它独特的环境喜好，在特定的环境中作物生长效率最佳，果实糖分积累充分。由此伴随着温室的温湿度控制器发展迅速，设计并研制性能优良的温室温湿度控制器为主要发展趋势，这样才能对促进农业发展，为社会制造更多的效益，给农民带来更多的利益。本文介绍基于单片机的温湿度自动控制系统的设计与制作，系统硬件部分分为四大模块，分别是主控制器模块、温湿度采集模块、人机交互模块和控制器输出模块。温湿度监测模块是通过温湿度传感器采集温室温湿度参数，将采集到的参数进行数字化并建立一定的通讯协议将参数发送给主控制器，主控制器为单片机模块，对采集到的数据进行运算，根据对比结果控制设备的启停，来调节温室环境参数。文章共五个章节，第一章介绍了设计的总体结构框图和设计的可行性分析，第二章介绍了设计总所需要的器件选型，对比各选型方案的优缺点，结合实际情况选择合适的器件。第三章为硬件设计包括电路设计和PCB设计，对整个电路的设计进行了详细的描述，并且绘制了PCB，第四章为软件设计，针对设计要求进行主程序和子程序的流程分析和程序编写。第五章介绍了仿真过程和实物制作并调试的结果。第一章系统整体设计本设计旨在设计一种基于单片机的温室温湿度自动控制器，整体设计流程如图1-1所示。首先通过查找资料，对课题的可行性进行分析，做出设计的最初方案。然后根据方案中需要的器材进行设备选型，选型完成后进行单元电路设计，每一个单元负责完成一部分功能，最后对单元电路进行整合优化，设计出总电路图，根据总电路图设计电路板，另一方面进行软件部分设计，根据方案中提出的功能进行单元程序设计，每个单元程序对应一个单元电路，完成其相应的功能，然后将每一个单元程序打包成子程序，根据需求完成主程序设计，最终软件硬件系统联调，进行仿真测试，对电路中或者程序中存在的缺陷进行优化，最终完成本次设计。设计硬件结构框图如图1.2所示,整个系统分为输入部分、中控部分、输出部分，其中输入部分为按键输入和传感器输入两部分，中控部分为单片机控制器、输出部分为液晶显示器和驱动部分。按键部分采用独立键盘，设置有三个按键，三个按键对应三个功能，分别是设置按键、数据加按键、数据减按键，用户可通过这三个按键来调整环境参数的设定值；传感器部分用于采集温室的温湿度参数，将数据数字化并设置特殊协议与控制器进行通讯，将采集到的数据发送给控制器；液晶显示器用于显示当前系统参数和人机交互界面，用来提示用户操作；驱动部分为继电器，用来作为电控开关控制温室中设备的启停，是温湿度调节的直接作用部分；控制器为单片机系统，采用单片机与最小系统电路构成，单片机为整个系统的大脑，负责对输入信号和数据进行分析，将分析结果进行驱动输出。本设计中单片机负责与传感器通讯获取温湿度参数，将参数进行显示，并经运算的出实际参数与设定参数的偏差，根据偏差驱动继电器吸合或断开来控制设备的启停，若温度低于设定值则开启加热装置提高温度，若湿度低于设定值则开启加湿装置增加湿度，若湿度高于设定值，开启换气扇排出水蒸气，若温度高于设定值，则开启墙壁对流通风扇并启动滤网浸湿以降低温度。图1.1设计流程图图1.2总体结构框图第二章器件选型2.1单片机选型单片机作为控制器核心，目前市场上流行的单片机大致分为三类，51内核单片机、ARM内核单片机和AVR单片机，其中51内核单片机为基础型单片机，其指令结构简单、编程易上手、价格低廉，是目前大学生学习单片机实物设计的主要工具，主要代表为89C51、89C52、1260S2等基础型和增强型单片机，ARM内核单片机是目前各大智能设备制造公司使用的主流单片机、其运算速度快，指令集丰富、接口丰富、芯片体积小。代表产品有STM32等系列32位单片机；AVR单片机目前使用也比较广泛、由于编程复杂、指令集不丰富，逐渐被ARM内核单片机取代，但学生常用的Arduino学习型单片机是基于avr单片机开发的集成模块化编程IDE的产品，深受各类初学者及学生喜爱。代表主要产品有Mega系列单片机。本设计由于外设较少，功能单一，对处理速度要求不高，选择STC89C52RC单片机，该单片机为51内核单片机，其指令简单、芯片易手工焊接、价格低廉。所以选择该芯片为本次设计的主控制器。其引脚图和实物图见图2.1和2.2，单片机的详细参数见表2.1。图2-,1单片机引脚图图2-2单片机实物图图2.151单片机引脚图图2.251单片机实物图表2.1单片机参数表型号STC89C52RC工作电压DC4.5-5.5VRAM512ByteFLASH8KByte可编程I/O线32个定时器计数器3×16位中断源6个可编程异步串行通道1个2.2湿度传感器的选择目前市面上的温湿度传感器型号多种多样，但通过其工作原理可大致分为三类，第一类是热电阻式温度传感器，其具有测量范围广、输出精度高等优点，但由于其模拟信号较小，对于单片机采集还需增加放大电路，由于模拟电路的抗干扰能力较差，还需增加滤波电路、AD转换电路才能被单片机采集，这无疑增加了设计难度和设计成本,因此,之类温度传感器并不适用于本设计;第二类是集成性模拟传感器，其结构是将模拟信号传感器集成了放大电路、滤波电路，匹配性较好，并且具备了模拟传感器的良好线性输出和测量范围广的优点,并且适合长距离传输,但由于读取这类传感器需要增加模数转换电路，增加了设计成本，稳定性较差，第三类是数字化温湿度传感器，这类传感器具有高度集成化的优点，将模拟信号传感器、放大电路、滤波电路、模数转换电路、处理器、存储器集成于同一芯片，内部还集成了成熟的数字滤波程序和通讯协议，对于这类传感器单片机只需读取数据即可，可避免由于模拟信号受干扰造成的误差，减少了对模拟信号的处理程序也可增加程序的稳定性。所以本设计选择数字化温湿度传感器，选择的器件为瑞士进口的SHT11。该型号的传感器引脚图见图2.3实物图见图2.4，具体参数见表2.2。图2.3SHT11实物图图2.4SHT11引脚图引脚介绍：1、GND电源地2、SDAIIC数据线，用于传输数据3、SCLIIC时钟线，用于匹配时序表2.2温湿度传感器参数表型号SHT11尺寸:7.5x4.9x2.6mm输出:数字式（2线接口）电源电压范围:2.4至5.5V能耗:80μW(在12位,3V,1次测量/秒条件下)RH工作范围:0-100%RHT工作范围:-40

至+125°C(-40

至+257°F)RH响应时间:8秒(tau63%)2.3显示模块选型设计中需要对温湿度进行显示并且提示用户设置操作，需要选择显示器件，常用的显示模块一般为LCD显示模块，LCD显示模块的显示原理是通过点阵排列出不同的字符，在学生设计中常用的LCD模块有LCD1602和LCD12864两类，其中LCD1602有32组点阵可以显示2行字符，每行16个，内部的字符寄存器含有160个字符图形，具有英文大小写字符、数字、符号等字符。LCD12864位图形点阵，具有128*64个点阵，可以自由组合排列出特殊符号和图形，具有中文字库的LCD12864模块还可以显示中文。本设计由于功能简单，需要显示的内容较少，所以选择体积较小、价格较低的LCD1602显示模块，LCD1602实物图如图2.5所示。表2.3为基本参数表。图2.5LCD1602实物图表2.3LCD1602参数表型号LCD1602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)mm2.4电磁继电器选型设计中需要有电控开关完成设备的启停，常用的电子开关有晶体管、继电器，晶体管为小功率快速开关，具有开关速度快，功耗小等优点，但常用于小功率直流驱动电路和脉冲电路，本设计控制外设均为大功率交流用电器，所以选用电磁型继电器，电磁继电器为低电压，小电流控制大电压大电流的开关器件，其实物图如图2.6所示。图2.6电磁继电器实物图第三章硬件设计系统硬件设计部分分为电路设计和电路板绘制，其中电路部分包括单片机最小系统电路、液晶显示器驱动电路、按键输入电路和继电器驱动电路，各模块电路设计完成后根据电路原理图绘制PCB下面对各部分电路设计进行详细介绍。3.1单片机最小系统电路设计STC89C52RC单片机最小系统电路由时钟电路和复位电路构成，分别见图3.1和图3.2。复位电路要同时具备上电时单片机复位、手动复位两个功能，51单片机复位可通过在复位引脚上加入高电平并且高电平持续时间达到两个机器周期（一个机器周期为12个时钟周期，时钟周期与时钟电路的频率有关）。上电复位可利用电容充放电实现，系统正极连接复位电容至复位引脚，在复位引脚并接下拉电阻构成，为了达到上电复位的功能，电容的容值与下拉电阻所组成的放电回路的放电时间常数要满足高于2个机器周期，一般取10uF，当设备上电时，电容两端的电压由0变为+5V，电容的通交隔直作用使得电容对于突变的电压持导通作用，复位引脚被加入高电平，当电容的负极板电荷通过下拉电阻释放掉后，复位引脚为低电平，复位过程结束，要求电容放电时间满足2个机器周期。手动复位是电源VCC与复位引脚之间串接一个常开按键，当按键被手动按下时，单片机复位引脚通过闭合的按键电流直接连接在电源电压上，电源电压对于单片机识别为高电平，当按键持续时间达到2个机器周期时，单片机产生复位，一般人按下按键到抬起按键的时间远大于2个机器周期的时间，最终将两种复位电路混合后得到如图3-1所示的混合复位电路。单片机时钟电路为单片机产生标准脉冲为单片机提供了稳定的指令处理时间与顺序，单片机的时钟可通过外接脉冲信号获得，这种时钟电路成为外部时钟，一般用于实验室研究，没有脉冲发生器的地方一般采用内部时钟，需在单片机时钟引脚介入一个石英晶振，由内部震动产生脉冲经单片机分频后为CPU提供时钟脉冲，晶振两端并接30pF电容帮助晶振起振和稳定脉冲，本设计由于需要户外使用，所以使用外部晶振电路，选择11.0592MHz晶振。图3.1复位电路图3.2时钟电路3.2温湿度采集电路温湿度传感器为SHT11，该传感器采用标准IIC接口与单片机进行通讯，IIC接口有两条通讯线，一条通讯线为时钟线，用来产生时序，不同的时序对应发出不同的功能，另一条为数据线，发出与接收的数据线均在这一条线上传输，数据按位传输，高电平为1，低电平为0，本设计中SHT11数据接口与单片机P21相连，用于单片机与传感器之间的数据交互，时钟接口与单片机P20相连，用单片机的I/O接口产生时序模拟IIC通讯协议与传感器进行通讯，获取温湿度数据，除了正常的连接，还需在总线上接4k7上拉电阻，目的在于释放总线时总线处于高电位状态，避免由于单片机I/O几口输出带负载能力低造成的电平不稳定而影响数据传输。图3.3温度传感器电路3.3显示电路设计LCD1602显示电路如图3.4所示，LCD1602共有16个引脚，1脚和2脚是电源引脚，分别接电源5V和GND，3脚是对比度调节引脚，连接电位器中间抽头，电位器其他两脚接电源5V和GND，调节电位器时可以改变电压调节液晶对比度，4脚和5脚是数据指令选择引脚和读写控制引脚，分别与单片机P1.1和P1.2引脚相连，通过单片机输出高低电平来实现功能选择，6引脚是使能引脚，连接单片机的P1.0引脚，通过单片机输出控制使能，7-14引脚是数据引脚，与单片机P0口相连，总线与总线相连，可直接控制单片机寄存器输出数据或者读取数据，与单片机实现通讯。15、16引脚是背光电源引脚，与5V和GND相接。图3.4显示电路3.4继电器驱动电路设计设计中使用三极管开关器件驱动电磁继电器，但由于电磁继电器失电时容易产生较大的方向感应电压，所以加了续流二极管用于泄放大电压，为了与主电路隔离，在控制信号前增加了管沟隔离电路，在管沟输出端并联发光二极管用于提示继电器状态。图3.5继电器驱动电路3.5按键电路系统采用独立键盘输入，独立键盘就是每一个按键的一端接入单片机一个I/O接口，另一端接地，当按键被按下时，低电位输入单片机，单片机识别低电平为有按键输入，释放按键，由于单片机I/O引脚内部有上拉电阻，引脚表现为高电平，为没有输入。三个按键的一端分别接入单片机的P1.3、P1.4、P1.5接口。如图3-5.图3.6按键电路3.5系统总电路图设计将各模块电路设计完成后加入单片机接口电路，电源指示电路和其他接口电路，构成整体电路图，本设计共设计有4路设备可被控制，所以继电器驱动电路有4组，控制信号与P2.0、P2.1、P2.4、P2.5口相连，电路图如图3-6所示。图3.7系统总电路图3.6PCB设计在AltiumDesigner10中绘制出电路原理图，对于手工添加的器件绘制封装，对于与常用器件尺寸不一样的封装进行重新绘制，根据功能划分电路板元器件布局，保留就近原则和电容电感底部不布线原则，增加电源接口和程序接口，通过软件自动布线，绘制出PCB图，图中信号线径0.5mm，电源线径0.8mm，，顶层和底层全部敷铜，屏蔽电磁干扰，完成后绘制接口丝印，注明接口功能，电路板绘制完成，可以送厂加工成实物。图3.8PCB设计图第四章软件设计本设计中使用C51语言编程，C51就是C语言加入了一些与51单片机寄存器有关的特殊语法构成，编译才使用KeilC51，图4.1为编译软件界面截图，整个程序结构分为主程序和子程序，主程序为系统控制的主要流程，子程序为功能程序，每个子程序负责完成一个功能。下面对主程序了子程序进行详细介绍。图4.1编译软件界面4.1主程序设计如图4.2所示，为设计中主函数流程图，系统启动后先进性初始化，初始化包括单片机I/O初始化、LCD配置、变量初始化等，初始化完成后进入主程序，由单片机驱动传感器读取温湿度值，将读取到的数值处理后送给LCD显示，读取到的温湿度值与设定值进行比较，若超出温度范围，开启两侧墙壁扇和滤网水阀进行对流降温，若低于温度范围，开启加热装置为温室加热，若高于湿度范围，开启顶部换气扇进行换气，若低于湿度范围，开启加湿器加湿。在程序执行过程中若按下设置按钮，进入设置界面，设置按钮每按一下切换一个设置参数，当选择需要设定的参数界面时，按下加或减键修改参数，修改完按下设置键确认修改，恢复到主界面。图4.2主函数流程图4.2温湿度读取子程序SHT11使用标准IIC接口与单片机通讯用于传输温湿度数据，使用前要对IIC初始化，发出启动测量命令，传感器开始测量，将测量结果储存在寄存器中，然后发出度数据指令，传感器依次返回温度数据和湿度数据，温湿度数据均为特征数字量，需要进行二次处理获得温湿度数据，数据读取结束后要进行校验，校验数据的准确性，校验通过数据可以使用，校验不通过重新获取，之后对获取到的数据中温度数据进行湿度补偿，最终获得环境真是的温湿度参数，流程图如图4.3所示。图4.3温湿度读取子程序4.3LCD显示子程序液晶LCD1602模块在进行显示前要对模块进行初始化设置，，当需要显示时，对液晶写地址控制，接着把要显示的数据写入，液晶显示程序中，按照时序进行编程，对液晶显示操作会非常容易，LCD1602的显示流程如图4.4所示。图4.4LCD1602写数据流程图第五章程序仿真和实物制作本设计结束后使用protues软件仿真，图5.1为系统