【《基于单片机的温湿度检测系统设计》8000字（论文）】

基于单片机的温湿度检测系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u16357摘 128396关键词 230559引言 29931.课题研究的意义及现状 2310961.1选题的目的及意义 2249071.2国内外研究现状 2169592.系统总体设计 3162722.1设计分析 3273322.2系统设计原理 4134703.系统硬件设计 455983.1主控模块 446473.1.1STC89C52主要功能概述 5265893.1.2STC89C52封装结构 5181743.1.3STC89C52引脚功能 523073.2传感器模块 6256393.2.1DHT11简介 6288773.2.2DHT11端口介绍 6111583.2.3DHT11典型应用电路 7266873.3显示模块 7321743.3.1LCD1602概述 7255533.3.2LCD1602特性 8256043.3.3LCD1602引脚说明 865943.3.4命令格式及功能说明 9109983.4按键模块 1181343.5报警模块 12186913.6继电器电路 13295544.系统软件设计 1425904.1系统主程序设计方法 14109744.2LCD1602显示子程序 14261834.3DHT11温湿度采集子程序 15141435.系统测试 16261575.1软件测试 16126955.2硬件测试 17198816.结束语 1810672参考文献 18摘要：在大棚的种植技术中，温度和湿度是影响作物生长以及产量的主要因素。设计一种以STC89C52单片机为主控芯片的温湿度检测系统，对大棚内的温湿度的采集采用DHT11传感器，并通过液晶显示屏显示温湿度数据，当系统检测到的温度湿度不在用户设置的范围内会立即启动报警系统。该设计方便用户实时观测到大棚内温湿度情况，可以广泛应用于大棚种植的环境之中。关键词：STC89C52；DHT11；温湿度检测引言对于生长的植物来说，影响其生长的重要因素有很多，其中最重要的可能就是温度和湿度，另外，对于大棚种植技术来说，对温湿度的及时检测也是非常重要的，通过对温湿度的检测，可以对影响作物生长的温湿度及时的做出调整，帮助作物更好更快的生长，提高农业产量。然而在大棚种植过程中，温度和湿度的变化随着周围环境的改变不是非常的明显，所以要设计出精密的检测系统，对大棚内的温湿度进行实时的检测，才能够为后续的温湿度控制提供条件。利用传感器对大棚内环境的温湿度进行采集并检测，然后由单片机对反馈的温湿度参量进行处理，再由液晶显示屏实时显示出所测温度湿度，如果检测到的温湿度不在用户预先设置的温湿度范围内，系统将启动报警模块，同时启动控制系统，对温度和湿度加以控制。本设计的温湿度检测系统可以提高温度和湿度的检测精度，使得温湿度检测变得更加方便快捷，可以广泛的应用在大棚种植技术中。课题研究的意义及现状选题的目的及意义对于日益增多的蔬菜大棚来说，对温度和湿度的及时检测及控制是大棚农业需要注意的关键因素。在大棚种植温湿度检测控制领域中，科技人员一直在努力学习和探索，力求寻找适合中国国土的大棚温湿度自动控制的道路。在科技还没有那么发达的早些年间，对温度和湿度的检测是依靠工人实时读取悬挂在大棚内的温湿度测量仪来进行检测的，这种温湿度检测方式既耗费大量的人力资源，又会造成温湿度检测数据的误差。随着人口的增加，农产业规模急需扩大，对于越来越多的蔬菜大棚的出现，再使用传统的检测手段去检测全部的大棚温湿度就显得比较笨重，并且效率低下，浪费大量资源，所以传统的大棚内温度和湿度的检测方式的局限性很大。因此，需要对传统的温湿度检测进行改进，目的在于精确检测控制，提高作物的产量，使得研究这个课题具有普遍意义。国内外研究现状自从19世纪70年代起，国外就对温湿度检测控制开始研究，并研究出了温湿度模拟技术，并开始利用温湿度模拟技术和温湿度检测技术对温室大棚内的温度和湿度进行测量。随着国外温湿度检测技术研究的进步，国外考虑到很多导致温湿度测量不准确的原因，开始探究更加精确的温湿度测量方式，由于温室中的面积较大，在室内不同的地方温湿度也有可能有很大的差距，因此国外研究员又进一步研究出对温湿度进行分布测量的方式。随着科技的发展，智能农业逐渐兴起，基本实现了根据所植入的温室生物的各种生长需求。荷兰发明的全套的高科技农业设备在全球各国备受喜爱和重视，各国纷纷学习荷兰在温湿度检测控制以及农业智能管理领域取得的成就。在20世纪50年代，荷兰克服了种种因地形地貌阻碍农业发展的困难，在智能农业的道路上高速发展，经过50多年的探索与进步，逐渐形成了如今高科技的花卉种植以及作物种植的生产销售智能化道路。在80年代之后，中国相关科研人员对大棚种植的温湿度检测技术进行深入学习，并且学习国外发达国家在温湿度检测领域取得的成就，积累经验，总结教训，寻找出合适中国国土的实践经验。在研究的初始阶段，只能对周围环境中的单一变量进行检测，而且检测的精度达不到要求，随着温湿度检测技术的进一步发展以及相关科研人员的进一步研究，我国在温湿度检测控制领域有了突飞猛进的进步。近年来，随着我国在精密检测自动控制领域逐步提高，越来越多的先进技术逐步应用在大棚技术中，既实现了精密检测又方便用户可以实时对温湿度等环境因素进行追踪和控制，从而提高了农作物的产量，又给用户带来了更大的收益。系统总体设计2.1设计分析本设计的温度和湿度检测系统是以STC89C52为主要控制单元，用传感器采集温度和湿度数据，当检测到的温度和湿度不在用户通过键盘输入模块输入的预设值范围内时，不符合条件的信号就会发送给单片机的主控模块，主控模块会将发送指令给报警系统，接着就会启动蜂鸣器报警电路，进行报警。随后，会将检测到的温度和湿度数据与用户预先设定的范围进行对比，当温度低于一定值时，将会启动加热模块，进行加热；当温度高于一定值时，将会启动降温模块，进行风扇降温；当湿度高于一定值时，将启动降湿模块，进行降湿等。图1总设计框图2.2系统设计原理作为一个大棚的温湿度的检测系统，主要是对大棚内温度和湿度的测量，以及对超出预设值的温湿度进行处理。本设计的温湿度检测系统经上电初始化后，通过传感器实时检测大棚内的温度和湿度数值，因为从传感器输出的是数字信号，可以直接把采集的实时温湿度数值传递给核心处理单元，由主控单元将所测数据与用户通过按键输入模块预先设定的温湿度上下限数值进行对比，看是否高于或低于用户预设值，经过对比判断是否需要启动声光报警系统。这样，通过单片机及传感器的测量，能够使用户实时获得有关温湿度的信息，进而能够方便用户对温湿度进行控制。系统硬件设计主控模块单片机作为微型计算机的一种，其所具有的性能高、功耗低等优点适合应用在多种自动控制场合。在选择单片机的过程中，由于C51系列的单片机在调试和写程序的过程中操作繁琐，但S系列的单片机弥补了C系列单片机的缺点，方便书写以及调试，而且可以支持更大的程序空间，方便进行程序内容扩展以及程序设计，因此此温湿度检测系统采用的是S系列的单片机。本温湿度检测系统采用的是STC89C52单片机，这是一个8位的微控制处理器，因其具有的低功耗和成本低等优点，使得其更加适合应用在温湿度检测系统，其内部具有8KB字节可编程Flash存储器方便进行储存数据。这些优良的性能使得STC89C52单片机可以应用在更多的嵌入式场合，使得问题解决更加灵活高效，给众多系统提供了更多有效的解决措施和方案。STC89C52主要功能概述STC89C52具有以下的标准功能：有可编程的Flash存储器，容量是8KB[7]，可以更灵活的使用，给系统提供了更高效更有利于解决问题的方案；单片机内部有512字节的RAM，方便数据的读取与写入；有32个I/O端口，其中有可编程的、全双工的串行接口；有3个16位的定时/计数器，是可编程的，既可以当定时器用也可以当计数器用，具体是执行定时还是计数作用是通过设置寄存器中的内容来指定的；有4个外部中断，通过控制寄存器的IP地址来设置优先级等。STC89C52封装结构图2STC89C52PDIP封装结构STC89C52引脚功能VCC:此引脚是电源引脚。GND:表示接地。P0口：此引脚是8位的总线复用I/O口。P1口：此引脚是双向的I/O接口，是8位的端口。P2口：此引脚双向的I/O口，是8位的端口。P3口：此引脚是双向的I/O接口，是个8位的端口。RST：此引脚是进行复位的输入端口。ALE/：此端口是表示地址锁存允许。：此引脚是用来读选信号的，读取和选择的信号来自外存储器。/VPP：此引脚是外部访问允许，以及对片内Flash进行编程的端口。XTAL1：此引脚是单片机内部振荡器的放大器以及单片机内部时钟的发生器的输入端口[2]。XTAL2：此引脚是片内振荡器的输入端口。3.2传感器模块3.2.1DHT11简介DHT11温湿度传感器，是可以同时测得温度和湿度，并将数据信息转化为数字信号输出的一款高性能传感器。它可以同时测得温湿度数据，输出直接是数字信号，可以直接传送给单片机。为了在传感器内部可以直接将测得的温度和湿度数据转换成数字信号，分别采用了单独的采集数字模块和温湿度传感模块。因其体积较小、可靠性高、抗干扰能力强等优良特性，使得此温湿度传感器应用广泛，可以广泛应用在条件极其严格的测量场合。它的外观如图3所示。图3DHT11外观图此传感器将温度传感器和湿度传感器两者合为一体，还可以将温湿度反应的模拟信号直接转化为数字信号，使得温湿度的检测变得更加方便快捷。其中，温度测量范围0~50℃，测量精度为±2℃；其湿度的测量范围为20%~90%RH，测量精度为±5%RH[4]。3.2.2DHT11端口介绍VDD：此引脚为电源引脚。DHT11传感器的额定电压为5V，一般在3.3V时就可以正常工作了，因此电压范围在3.3~5V。N/A：此端口为串行时钟的输入端口。GND：此端口为接地端口。DATA：为串行数据的引脚。数据格式是由温度和湿度整数位、小数位数据以及校验位组成，加起来一共是5字节的数据。当传感器需要接受信息时，此时需要设置单片机的I/O端口为接受信号的状态，时刻等待着接受信号。另外，额外添加了一个上拉电阻，方便接受和发送信号需要使用高电压，从而数据线的电压也随之升高，使得DATA数据线的电压也随之变高，时刻等待着接受和发送数据。DHT11收发数据时序如图4。图4DHT11收发数据时序3.2.3DHT11典型应用电路图5DHT11典型应用电路显示模块LCD1602概述市面上最常见的显示器有LED和LCD两种，他们都有着低功耗、线路简单、成本较低等优点，适用于多种需要实时显示的场合。考虑到成本、以及本系统只需要实时显示温度和湿度这两个数据，因此本设计中采用的是体积小、功耗低的LCD显示器。根据此设计的显示要求，经过许多对比和观察后，选择的是5*7的点阵图形的LCD1602显示器，可以刚好满足本设计的要求。图6为液晶显示屏的实物图。图6LCD1602实物图LCD1602特性采用液晶显示屏来进行显示，利用的是液晶的物理特性，这样就能在屏幕上显示出深浅，而且功耗比较低，就可以显示出用户想要得到的效果。而且，该种类型的液晶显示屏内部具有字符库CGROM[13]，因此，每个数字和字母都有唯一的一个字符代码与其对应，这样就做到了一一对应，也不会出现差错。如图7所示，为字符库里的内容。图7LCD1602ROM字符库的内容LCD1602引脚说明字符型的LCD显示屏分为带背光和不带背光的两种，带背光的是16条引脚，不带背光的是14个引脚，这两种接口形式。不带背光的是14个字符型的LCD显示屏通常可以分为14条引脚线和16条引脚线这两种接口形式。各引脚定义如表1所示。表1LCD1602引脚功能定义编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9DB2Data2VDD电源正极1DB3Data3VL液晶显示偏压11DB4Data4RS寄存器选择12DB5Data5RW读写选择13DB6Data6E使能信号14DB7Data7DB0数据15BLA背光源正极8DB1数据16BLK背光源负极命令格式及功能说明LCD1602内部的寄存器有11条控制指令，以下是对这11条控制指令的说明。(1)清屏指令。清屏指令会将屏幕显示的字符清除，光标回归原始的位置。下面表格是命令格式。表2清屏命令RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00000000001(2)返回指令。该指令可以将地址位置0，并返回原来显示的位置。表3返回命令RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000000001X(3)输入方式设置指令。可以设置4种方式，分别是增量、减量、移位与不发生移位方式。具体命令格式如下：表4输入方式设置命令RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB000000001I/DS(4)显示开关控制指令。可以控制显示器的开和关以及光标的开或闭和光标所在位置的字符处的闪烁的开和闭。表5显示开关指令RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00000001DCB(5)光标移位指令。该指令的功能是，能够实现让光标发生移位或者使整体能够显示移位。表6光标移位指令RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000001S/CR/LXX(6)功能设置指令。可以设置数字总线位数和显示字形行数。表7功能设置指令RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB000001DLNFXX(7)CGRAM地址设置指令。可以设置数据显示存储器的地址。表8CGRAM设置指令RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00001CGRAMD的地址（低6位）(8)DDRAM地址设置指令。该指令的作用是用来设置数据显示存储器的地址。表9DDRAM设置指令RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0001CGRAMD的地址（低7位）(9)读取忙信号及地址计数器指令。该指令的作用是用来读取忙信号以及计数器的指令。表10读忙信号指令RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB001BFAC内容（低7位）(10)向DDRAM或者CGRAM写入数据指令。该指令的作用是，给DDRAM和CGRAM这两个数据显示储存器写入相应的指令。表11写数据指令RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0010要写入的数据D7～D0(11)从存储器DDRAM或者CGRAM中读出数据指令。可以从这两个存储器中读取数据。表12读数据指令RSRWDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0011要读出的数据D7～D0按键模块按键模块的主要任务是：判断是否有按键按下，如果检测到有按键按下，就进行下一步的工作，如果没有，就不工作，另外还要求按键模块要识别出是哪个键被按下，根据被按下的不同的按键进行调用相应的按键程序。在此温湿度检测系统中，采用的键盘是按键式键盘，此键盘上的一个个按键就相当于一个个开关，当按键没有被按下时，电压是高电平，当按键被按下时，稳定一段时间后，电压就会变成低电平。图8是按键按下时行线电压输出波形图。图8按键抖动现象根据按键按下时检测的电平的高低，可以判断按键是否被按下，当检测行线检测出的输出电平为高电平时，说明按键没有被按下；当检测行线检测出的输出电平为低电平时，说明按键已经被按下。因为按键的抖动现象会影响输出电平的判断，从而就会造成用户对按键是开还是闭的错误判断，所以要尽可能的消除按键抖动现象，从而可以进行精确判断，提高精确度和准确性。现在，比较成熟的消除键盘抖动的方式有三种：在原有的基础上加滤波电容用来消除抖动和利用软件进行延迟等。考虑到此系统的需要以及系统成本和应用场合，此系统采用的是利用软件对输入信号进行延迟的方法。利用软件进行延迟的主要思想如下：当检测单元检测到键盘单元有按键被按下，此时的行线输出检测结果应为低电平，接着执行一段延迟子程序，子程序的延迟时间为10ms，延迟之后要进行再一次检测，如果还是检测到行线的输出为低电平的话，可以的出此时按键确实被按下；如果行线输出电压检测到的是高电平，延迟一段时间后的子程序后检测到的输出行线电压仍为高电平，则可以得出键盘没有被按下或是已经被释放。通过加了这样一个延迟检测的子系统，可以消除按键抖动而造成的误判，从而大大提高了此系统的可靠性。根据设置需要有选择功能、上、下这三个功能的需要，采用的是三个机械按键，并接在单片机的P3口，这三个按键的作用是用户用来对预想的温湿度进行设置，可以达到对温湿度进行设置的目的。按键连接方式如图9所示：图9键盘电路本系统是通过SET和UP、DOWN这三个按键对温湿度进行设置上下限的，SET键的作用是用来选择和调整项目的选择，此按键可以用来选择温度上下限和湿度上下限，UP按键是用来进行加操作的，DOWN按键是用来进行减操作的。报警模块为了方便用户及时获得和警惕温湿度数据是否符合预设值，此系统设计了一个声光报警系统，对不符合设置的温湿度时，会启动蜂鸣器来提醒用户，另外，对于温湿度过高或过低的状况，会通过4个LED灯来显示，方便用户及时准确知道到底是哪一个参数出现了问题。蜂鸣器报警系统的连接图如下：图10声报警电路3.6继电器电路为了提醒用户及时对检测到的不符合预设值的温湿度做出相应的调整，此系统采用了继电器电路对4个外接的外设进行控制，当温室内的温湿度低于或高于预设值时，系统将会启动蜂鸣器报警模块，通过蜂鸣器的响声提醒用户及时做出调整；同时4个LED灯会在不符合预设值的相应位置进行闪烁，方便用户一下子就可以看出是哪个位置出现了问题，并进行下一步的调整。继电器电路的连接图如图11。图11继电器电路在此系统中，继电器的作用相当于一种开关，可以对电路起到调整、保护的作用，并通过PNP型的三极管对继电器进行驱动。图12为继电器的整体图。图12继电器系统软件设计系统主程序设计方法本系统使用的程序编写软件是Keil软件，在书写程序之前，要对系统的各个模块、各个接口的电路有一定的了解，了解各个模块工作的整个流程，并画出相应的流程图，使整个工作流程更加清晰明了，也更加方便后期对各个模块的程序书写。使用C51语言对各个模块进行程序的编写，相比其他语言更加简洁易懂，下载起来也更加的方便。主程序流程图如图13。图13主程序流程图LCD1602显示子程序要想显示模块进行显示，第一步就是要对LCD模块进行初始化操作，需要等待一段时间延迟，在操作前需要检测读忙标识，当检测到忙信号，才可以进行下一步的操作，并且低电平操作时才有效。LCD1602显示的子程序流图14所示。图14LCD1602子程序图DHT11温湿度采集子程序在系统进行温湿度采集时，首先要对温湿度采集模块进行初始化，看是否有应答脉冲回应，如果没有，则返回，如果有，则发送扫描信号，接着进行下一步，发送扫描信号，随后延迟等待温湿度转换，进行读操作，随后计算出温湿度数据，并不断进行循环来检测温湿度。图15为温湿度采集子程序图。图15DHT11温湿度采集子程序图系统测试软件测试本系统各个模块的程序采用Keil软件编写。整个程序的编写思路是，根据各个模块的流程图，在保证书写格式、逻辑正确的情况下，对各个模块进行整个系统的编写。虽然在刚开始书写的过程中会遇到很多的困难，在经过积极努力地进行研究和书写，以及老师的帮助下，我克服了种种困难，在一一解决了这些困难之后，每个模块的程序都顺利通过，也顺利运行。图16为其中一个模块的程序截图。图16Keil程序界面硬件测试在系统硬件的实现方面，利用各个模块的电路图进行连接以及对主控芯片的连接，也要完全对应好，方便程序通过串口进行输入，以及整个系统的仿真。图17为系统整体电路图。在刚开始系统电路仿真的过程中，遇到了很多自己没有想到的问题，从熟悉到不熟悉，有时还会出现电平接反的现象，经过我积极请教老师和同学们的热情帮助下，我克服了种种不熟悉的困难，对电路的调试，以及整个系统的仿真逐渐熟悉，解决了一个又一个问题。图17系统整体电路结束语随着人口数目的逐渐增多，人们对于粮食蔬菜等的需求量会越来越大，智能大棚的出现和逐渐应用能够帮助到大多数农户，因此温湿度检测系统这一设计具有十分广阔的应用前景。利用可以同时检测温度和湿度的传感器对温度和湿度进行实时检测，并能够通过液晶显示屏进行实时的显示数据，用户可以预先设置温湿度的上下限，当检测到的温湿度与用户预先设置的温湿度数值不相同时，系统就会启动报警系统，通过由蜂鸣器和4个LED小灯组成的声光报警系统给用户进行实时的反馈，方便用户做出及时的调整。当然，本设计还存在不足之处，例如能否给用户发送短