基于單片機的大棚溫濕度控制系統(tǒng)的設計與制作開題報告.doc

基于單片機的大棚溫濕度控制系統(tǒng)設計與制作系 部： 電子與通信工程系 學生姓名： 孫芳 專業(yè)班級： 通信11C1 學 號： 112231114 指導教師： 羅紅艷 2014 年 3月 15 日 目錄摘要1一 引言2（一）課題研究背景及意義2（二）設計方案選擇2（三）設計的主要內容和設計思路2二 硬件設計3（一）硬件電路原理框圖3（二）核心元件選擇4（三）模塊電路設計7（四）總電路原理圖10三 軟件設計10 (一) 軟件設計總方案10（二）軟件程序流程圖11（三）程序設計11四 實物制作19（一）元器件清單19（二）電路的組裝20（三）電路功能測試20總結22致謝22參考文獻23附錄一：原理圖23附錄二：元器件清單24附錄三：實物制作的正面圖、背面圖25 摘要本文以單片機ST89C52為核心器件,通過對LCD1602溫濕度顯示模塊、時鐘模塊、復位模塊、報警模塊、溫濕度采集模塊、溫濕度調節(jié)模塊的設計，完成了一款基于STC89C52單片機的大棚溫濕度控制系統(tǒng)的設計與制作。該溫濕度控制系統(tǒng)實現了對整個大棚溫度和濕度控制系統(tǒng)的管理和報警功能,解決了人工種植大棚測量溫濕度誤差大的問題，同時也節(jié)省了大批的人力和物力，改進了大棚的種植技術，給大棚種植的用戶們帶來了一定的經濟效益。該設計成本低，經濟實用，操作簡單方便，具有一定的實用價值和推廣意義。 【關鍵詞】: STC89C52；模塊電路 ；溫濕度控制；報警功能；【ABSTRACT】This paper takes ST89C52 MCU as the core device, the display module,oscillator module, reset module, alarm module, temperature and humidity data acquisition module, temperature and humidity control module on the LCD1602 temperature and humidity, completed a based on the design and production ofgreenhouse temperature and humidity control system of STC89C52 single chip microcomputer. The control system of temperature and humidity in thegreenhouse temperature and humidity control system management and alarm function. To solve the artificial planting greenhouse temperature and humidity measurement error problems, but also save a lot of human and material resources, improve the greenhouse planting technology, for greenhouse plantingusers bring certain economic benefits. The design of low cost, economic and practical, simple and convenient operation, and has certain practical value and significance of the promotion. 【 key words 】 : STC89C52; circuit; temperature and humidity control; alarm function;一、引言（1） 課題研究背景及意義1. 課題研究背景經濟的快速發(fā)展，導致了產業(yè)的大規(guī)?；?、集約化。勞動力成本的提高，也促進了農業(yè)現代化程度的不斷提高。在當今農業(yè)種植系統(tǒng)中，大棚種植已經成為非常普遍的種植模式。而在采用大棚種植模式時，最關鍵的因素就是大棚的溫度、濕度等環(huán)境因素。這些環(huán)境因素直接影響了農作物的生長。傳統(tǒng)的大棚種植業(yè)中，人們一般采用物理溫度計和濕度計來檢測大棚的種植環(huán)境。雖然用物理溫度計和濕度計測量大棚溫濕度值的穩(wěn)定性高，但是該測量方法的精確度較低，實施性也差。鑒于物理溫度計和濕度計的上述缺點，本設計擬采用單片機和溫濕度傳感器為核心器件，完成一個大棚溫濕度控制系統(tǒng)的設計與制作。2. 設計意義用單片機和傳感器來檢測、控制大棚溫濕度，能夠為大棚種植的用戶們節(jié)省了大量的時間和人力、物力，可以為他們帶來更好的經濟效益，具有一定的實際意義。同時通過自己動手設計基于單片機的大棚溫濕度控制系統(tǒng)，并對其進行實物制作、調試、排故、參數分析，不僅將我們在校所學的理論知識和實踐充分的結合起來，讓我們更加鞏固以前所學的知識，而且還可以通過發(fā)現問題、分析問題、解決問題，在提高自己專業(yè)技能的同時，訓練自身的邏輯思維能力。（2） 基于單片機的大棚溫濕度控制系統(tǒng)的設計方案選擇大棚溫濕度的檢測控制可以采用多種方法來實現，而使用不同的方法來設計系統(tǒng)所達到的效果也是各有不同。例如，在工業(yè)上通常采用PLC來作為主控制器，其優(yōu)勢在于其使用梯形圖編程，相對簡單，而且抗干擾能力強。但是考慮到本設計是針對普通大棚種植需求，而PLC在價格上就讓人有點難以承受，其經濟性較差。隨著當今世界電子技術的快速發(fā)展，數字芯片也越來越多樣化，其價格也比較便宜。因此，盡管使用C語言對單片機編程比較復雜，但是考慮到它可以實現較多的功能，價格實惠，性價比高，比較符合本設計的用戶需求，因此，本系統(tǒng)的設計制作將選用單片機作為主控制器。 （3） 設計的主要內容和設計思路 1.主要研究內容1)溫度和濕度控制系統(tǒng)的硬件部分設計，包括電路原理圖，繪制詳細電路圖；2)溫度和濕度控制系統(tǒng)的軟件部分設計，包括程序設計的流程圖，源程序；3)完成溫濕度大棚控制系統(tǒng)的制作；4)對系統(tǒng)的實物性能進行相關測試。2.設計思路1)根據設計要求，溫濕度的檢測采用SHT10作為溫濕度傳感器，將采集到的溫濕度信息傳給單片機；2) 選用STC89C52單片機作為核心元件，將SHT10傳感器采集到的溫濕度數據進行處理后，送給LCD1602液晶顯示器顯示數據；3）當大棚內溫濕度超過或低于用戶所設定的界限值時，系統(tǒng)就會立馬啟動報警器裝置；4)溫濕度的顯示采用了一種特殊的能顯示字母、數字、符號的液晶顯示器LCD1602作為核心元件，它分兩行顯示，一行顯示溫度值，一行顯示濕度值；5)通過三個按鍵：一個功能鍵、一個加鍵、一個減鍵來實現對系統(tǒng)溫濕度界限值的設置。二 、硬件設計（1） 硬件電路原理框圖硬件電路主要由LCD1602溫濕度顯示模塊、STC89C52單片機控制模塊、SHT10溫濕度采集模塊、時鐘模塊、復位模塊、報警模塊、按鍵調節(jié)溫度和濕度模塊組成。根據研究內容的具體要求，硬件電路的主體設計方案如下：采用STC89C52單片機芯片配合SHT10溫濕度傳感器，構成一個具有測量溫濕度的控制系統(tǒng)。當溫濕度采集模塊采集到數據之后，進行A/D轉換后，由單片機進行數據處理，最終由LCD1602溫濕度顯示模塊顯示數據。再通過按鍵調節(jié)溫濕度模塊，對溫度和濕度進行調節(jié)。由STC89C52單片機輸出高低電平控制溫濕度報警模塊，當溫度超過35低于20，濕度超過70低于30時，STC89C52單片機輸出高電平，溫濕度報警模塊進行報警，反之，當溫度在20到35，濕度在30到70之間時，STC89C52單片機輸出低電平，溫濕度報警模塊關閉。其整體框圖如圖1-1所示。 圖1-1 硬件電路原理框圖（二）核心元件選擇 1、關于STC89C52單片機隨著電子技術的迅速發(fā)展，單片機在市場上的應用越來越廣泛，種類也越來越多樣化。但高性價比、編程簡單的單片機永遠是進行電路設計時的首選。本次設計擬采用性價比高、編程簡單的STC89C52作為控制系統(tǒng)的核心器件，它是一個抗干擾能力強、功率消耗低、性能高的CMOS 8位微控制器。它可組成單片機的最小應用系統(tǒng)，在一定程度上縮小了系統(tǒng)的體積，將系統(tǒng)成本降到了最低，其應用范圍非常的廣泛。主要特性如下：（1）低電壓，低功耗；（2） 具有高性能的價格比；（3） 全雙工串行口；（4） 最高運作頻率35MHz，6T/12T可選；（5） 內帶2K字節(jié)EEPROM存儲空間；（6） 應用程序空間為8K字節(jié)；（7） 具有看門狗功能；（8） 具有EEPROM功能；（9） 可編程串行通道；引腳功能說明STC89C52管腳排列如圖1-2所示圖1-2 ST89C52外部引腳圖VCC（40腳）供電電壓。GND（20腳）接地。 P0口P0端口是一個雙向的I/O端口，即地址和數據線的復用口，且為漏極開路，它的每一個引腳都可以驅動8個邏輯門電流。其高阻抗輸入可用端口寫“1”的方式實現，P0口訪問外部ROM、RAM時，它也可以作為數據和地址的低八位。P1口P1口同P0口是一個雙向的I/O口，其芯片中內置上拉電阻，它的緩沖器可以驅動4個TTL門電流。 P2口P2口也是一個雙向I/O口，其芯片中也有內置上拉電阻，它的輸出緩沖可以吸收四個TTL門電流。當是運用為輸入口，使用端口寫“1”，電阻跳到高電位，這就是由于內部上拉導致的。 P3口P3口同上面端口一樣也是一個雙向I/O口，其管腳內部帶有8個上拉電阻，可以同時接收和輸出4個TTL門電流。RST復位輸入。用此端口來完成單片機的復位操作，在高電平狀態(tài)下此端口有效。 ALE ALE是當訪問外部存儲器時，用來鎖存低8位地址的輸出脈沖。除此之外它也是可以作為輸入脈沖，那就是在Flash編程時。像一般情況下，ALE端以晶振1/6的恒定頻率周期輸出正脈沖信號。所以它可以用于定時目的或者是當時鐘使用。然而在每次訪問外部RAM時有一點還需強調一下，它會自動地跳過一個ALE脈沖。另外，此引腳被微微地拉高一些。該標志位的設置在執(zhí)行外部模式下時是無效的。 外部ROM的選通信號。 是低電平有效，當引腳為“0”狀態(tài)時，在此期間，使用外部ROM（0000H-FFFFH），不管MCU是否有內部ROM。請注意，當其鎖定內部復位引腳時，加密的方式為1；當該引腳保持“ 1”狀態(tài)，期間使用單片機的內部程序存儲器。 XTAL1它是一個輸入端口，主要用于反向振蕩放大器和單片機內部時鐘發(fā)生電路的輸入。 XTAL2反向振蕩器的輸出端。 2、關于SHT10溫濕度傳感器在目前的市場上，傳感器的種類各式各樣，但是考慮到本次設計是用于大棚的溫濕度測試，所以我們要選擇一個性價比高，購買方便，市場占有率高的產品。本設計采用的是SHT10傳感器作為核心元件，構成溫濕度采集模塊。該產品的功能并不復雜，但完全可以滿足此次設計任務需求，而且它的性價比在傳感器當中很高。此產品的穩(wěn)定性和可靠性都很高，其抗干擾能力也很強并且響應超快。此外，由于具備體積小、功耗低的特點，SHT10傳感器已經成為各類電子應用的最佳選則。SHTXX系列分別有SHT1X系列、SHT7X系列，SHT10屬于SHT1X系列中的經濟型的溫濕度傳感器，其性能特點如（圖1-3）所示。圖1-3 相對溫度、濕度精度曲線由圖1-3可以得出，無論是從溫度來看還是濕度來看，SHT10都比其它傳感器的誤差大，但是若從市場價格方面來考慮，SHT10的價格都要比其它傳感器的價格低?？紤]到本次設計的適用場合是蔬菜大棚的種植系統(tǒng)，對環(huán)境溫濕度的檢測要求并十分嚴苛，允許適當范圍的誤差存在，其價格的優(yōu)勢完全可以彌補該缺陷，符合本次設計需求。3、關于LCD1602液晶顯示器隨著當今電子技術的快速發(fā)展，液晶顯示器被廣泛的應用于各行各業(yè)，隨之它的種類也更加的多樣化。但由于本設計是既要顯示溫度又要顯示濕度，所以我們選擇了一種特殊的能顯示字母、數字、符號的液晶顯示器LCD1602作為核心元件，構成了液晶顯示模塊。它功耗低、體積小、顯示內容非富，可以同時顯示兩行，每行16個字符液晶模塊，既可以是數字也可以是字符。主要特性如下：（1）電壓為+5；（2）內含復位電路；（3）體積小，重量輕，功耗低；（4）數字式接口，操作方便；（5）顯示各種控制命令；（6）顯示質量高；（三）模塊電路設計 1、溫濕度采集模塊的設計為了實現硬件測量溫濕度的功能，該模塊電路選用SHT10溫濕度傳感器為核心元件，構成了溫濕度采集模塊。該模塊主要就是通過傳感器采集溫濕度值，進行A/D轉換，再由單片機進行數據處理。其具體接法如圖2-2所示。圖2-2 SHT10的接口電路 SHT10的采用兩線制的串行接口，一根是串行時鐘線SCK，一根是數據線DATA,其中DATA 三態(tài)門用以讀取數據。STC89C52單片機的P2.0端口連接到SCK，實現與SHT10之間的同步通訊。電路上接了1個10K的上拉電阻，將信號提拉至高電平，避免了在數據傳輸過程中出現信號沖突的現象。因為當SCK 時鐘下降沿來臨時DATA 將改變狀態(tài)，它只有在SCK 時鐘上升沿時才有效。2、報警模塊的設計為了實現模塊的報警功能，該設計選用了有源蜂鳴器為核心器件，構成了報警模塊。該模塊主要就是根據傳感器所測的溫濕度值是否在界限值內，來判斷是否要啟動報警裝置。當所測得的溫度和濕度值高于或低于用戶所設定的范圍時，系統(tǒng)就會主動啟動報警裝置。反之系統(tǒng)就會關閉報警裝置。其具體電路圖2-3所示。 圖2-3 報警模塊電路該報警模塊電路主要有兩個電阻、9012三極管、一個蜂鳴器和LED燈組成，但是考慮到單片機引腳電流太小，還不足以驅動蜂鳴器，所以電路上接了一個1K的電阻，通過電阻給三極管一個偏置電壓，從而使三極管驅動蜂鳴器達到報警的效果。當三極管從單片機P4口獲得一個低電平時，三極管導通同時蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓，即而發(fā)出嗶嗶聲；反之，當獲得高電平時，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。3、按鍵模塊的設計該模塊設計相對簡單，為了讓人們操作起來能更加簡單，選用按鍵來作為調節(jié)溫濕度的元件，采用鍵盤掃描電路，利用簡單的低電平掃描方式，通過開關的每一端連接單片機，另一端接地，以是否是低電平來判斷按鍵是否被按下，進而調節(jié)溫濕度的上下值。該模塊電路如圖2-4所示 。 圖2-4 按鍵模塊電路當S1按鍵被按下時，單片機端口收到低電平信號，此時選擇S2、S3按鍵來完成對溫濕度上下限值的設置。4、時鐘模塊和復位模塊的設計當單片機一旦上電，就會立即復位；如果單片機在運行中因受到外界因素的干擾而出現程序跑飛或死機的狀態(tài)，可以通過上電復位使其恢復。復位是指單片機系統(tǒng)的各個部件全部恢復為初始狀態(tài)的一種操作,具體電路如圖2-5（b）所示。 （a）時鐘電路 (b)復位電路圖2-5 STC89C52的復位模塊和時鐘模塊電路 圖中電容C1和電阻R1構成了上電復位，利用電容充電來實現重置功能。本次的設計系統(tǒng)采用的是內部時鐘的方式，利用單片機內部的高增益反相放大器構成時鐘電路，它的外部電路簡單，只需要電容(C2和C3)和12M的晶振即可，其具體接法如時鐘電路圖2-5（a）所示。時鐘電路中電容C3和C2可以用來微調振蕩的頻率，其取值范圍一般為3010pF，本次的設計系統(tǒng)選擇的電容值是30pF；石英晶振的值可以選擇的范圍是0到24MHz，它對單片機電路產生的時鐘信號的振蕩頻率起決定性作用，在本次的設計系統(tǒng)中選擇的是12MHz，所以單片機時鐘信號的震蕩頻率就是12MHz。 5、 LCD1602顯示模塊為了方便讀寫溫濕度值，這里選用LCD1602液晶顯示器來顯示溫濕度值，該模塊主要是將傳感器測量的溫濕度值在顯示屏上清晰的顯示出來，分兩行顯示，溫度和濕度各顯示一行。其具體電路圖2-6所示。圖2-6 顯示模塊電路LCD1602有三個存儲器，分別是CGROM、CGRAM、DDRAM，第一個用來存儲LCD1602固定的一些字符模式，第二個用來存儲用戶自己設置的字符，第三個用來存儲要顯示的字符。（4） 總電路原理圖綜上對各模塊電路的設計，繪制基于單片機的大棚溫濕度控制系統(tǒng)的設計的總原理圖，詳見附錄一。 3、 軟件設計軟件設計相對于硬件設計，其靈活性非常大，它可以根據系統(tǒng)的不同要求對程序進行相應的改變。讓我們在不改變硬件結構的情況下，只需要改變一下軟件程序就能實現各種想要的功能。單片機的很多功能都是通過軟件來控制完成的。在本設計中，軟件結構采用模塊化設計方法，主要包括SHT10溫濕度采集子程序、LCD1602液晶顯示子程序、輸出控制子程序、鍵盤掃描子程序等幾個子程序模塊，各子程序模塊最終由主程序來調用。(一)軟件設計總方案程序主要包括主程序、SHT10溫濕度采集子程序、LCD1602液晶顯示子程序、蜂鳴器報警子程序、鍵盤掃描子程序組成：1) 主程序：進行緩存初始化，以及對各個子程序進行合理運用；2) SHT10溫濕度采集子程序：收集測量得到的數據；3)LCD1602液晶顯示子程序：將測量得到的結果，清晰的在液晶顯示屏上顯示出來；4)蜂鳴器報警子程序：判斷溫濕度是否在用戶設置的界限值內，是否需要啟動報警裝置；5)鍵盤掃描子程序：設定溫濕度的界限值。 （二）軟件程序流程圖 圖3-1 軟件程序流程圖（3） 程序設計1. 主程序主程序進行緩存初始化，以及對各個子程序進行合理運用，該模塊流程圖設計如圖3-2所示。 圖3-2 主程序流程圖2. SHT10溫濕度采集子程序溫濕度采集的功能是測量大棚的溫度和濕度并將其結果轉換為數字量送給單片機。SHT10通過依次拉低或拉高時鐘線和數據線來實現復位時序和啟動傳輸時序，這個相對簡單；但讀時序和寫時序有點復雜，程序開始時由寫時序來發(fā)送命令，等測量結束后，由讀時序來讀回測量數據。該模塊流程圖設計如圖3-3所示。圖3-3 SHT10溫濕度采集子程序流程圖部分源程序如下： 3. LCD1602液晶顯示子程序LCD1602液晶顯示子程序用來顯示采集到的溫濕度值，其流程圖如圖3-4所示： 圖3-4 LCD1602液晶顯示子程序流程圖其部分源程序如下： 4.蜂鳴器報警子程序流程圖蜂鳴器報警子程序通過判斷溫濕度來決定是否要啟動報警裝置，其流程圖如圖3-5所示 圖3-5 輸出控制子程序流程圖 其部分源程序如下： /判斷溫度值是否超出設定范圍，如超出LED亮 /判斷濕度值是否超出設定范圍，如超出LED亮 5. 鍵盤掃描子程序流程圖通過對按鍵的調節(jié)來實現對溫濕度界限值的設置，其流程圖如圖3-6所示： 圖3-6 鍵盤掃描子程序流程圖其部分源程序如下： /清屏 /設置溫度上限位 四、實物制作（1） 元器件清單根據前面所述的原理圖選擇相應的元器件，各元器件的具體參數清單詳見附錄二。（2） 電路的組裝此次設計的大棚溫濕度控制系統(tǒng)是用萬用板板來進行實物制作的，其制作步驟如下： 1)用數字萬用表檢查各個元器件的好壞；2)將檢查好的各個元器件在萬用板上布局好，再對其進行焊接；3)對照原理圖，把各個元器件之間用導線連接好；4)再次照著原理圖檢查焊接好的電路板，看是否存在引腳虛焊漏焊的情況；5)實物制作完成進行相關性能的測試。完成制作后的大棚溫濕度控制系統(tǒng)的實物圖詳見附錄三。（3） 電路功能測試當把電路板對照原理圖焊接好以后，要對電路板上的每個部分的電路進行逐一的調試工作。對于硬件調試，在通電前應先檢查元件的安裝位置是否正確，各個元件間的連線是否連接正確，元件是否存在虛焊、漏焊、焊接錯誤等情況，測量核實電源電壓的數值和極性是否正確。只有這樣才能減少錯誤、保障調試順利進行。通電后觀察有無異常氣味，顯示器顯示是否正常，一旦有異常情況發(fā)生，應立馬切斷電源。在以上情況都正常的情況下方可進行軟件調試。當發(fā)現硬件電路有問題時，應該首先按照各單元電路功能依次進行調試排查。直到每個部分的電路檢查過，都保證沒有錯誤時，再進行整機調試。 此次設計的單片機大棚溫濕度控制系統(tǒng)，用戶們是可以根據自己需求來對溫濕度界限值進行設置，其具體調試結果如下所示：1、 首先按下S1鍵，進入系統(tǒng)預定溫度上限值設置狀態(tài)，調節(jié)S2、S3按鍵，再次按下S1鍵，進入系統(tǒng)預定溫度下限值設置狀態(tài)，調節(jié)S2、S3按鍵；再一次按下S1鍵，進入系統(tǒng)預定濕度上限值設置狀態(tài)，調節(jié)S2、S3按鍵，最后再按一次S1鍵，進入系統(tǒng)預定濕度下限值設置狀態(tài)，調節(jié)S2、S3按鍵；最終將溫濕度界限值設置為：溫度范圍在1835，濕度在40%69%之間 ，其顯示結果如圖4-1所示： （a） 溫度上下限值 （b） 濕度上下限值 （c）溫濕度的顯示結果 圖4-1 溫濕度界限值內的顯示結果由圖4-1（c）可知，當前的溫度為20.6，濕度為63.6%，其實測量值均在界限值內，屬于正常狀態(tài)，所以報警裝置處于關閉狀態(tài)，不報警。2、再次調節(jié)S2按鍵，改變溫度的下限值為22，改變濕度的下限值為65%，溫濕度的上限值都保持不變，其顯示結果如圖4-2所示。 （a）溫度下限值 （b）濕度下限值（c）溫濕度的顯示結果圖4-2 低于溫濕度下限值的顯示結果由圖4-2(c)可知，由于當前溫度是20.7，濕度是62.8%，都低于當前所設置的溫濕度下限值，指示燈L1、L3亮起，報警器報警。3、 再次調節(jié)S3按鍵，改變溫度的上限值為20，改變濕度的上限值為60%，溫濕度的下限值都保持不變，其顯示結果如圖4-3所示。 (a)溫度上限值 （b）濕度上限值 （c）溫濕度的顯示結果圖4-3 超過溫濕度上限值的顯示結果由圖4-3（c）可知，由于當前溫度為20.7，濕度依然為64.8%，都超出當前所設置的溫濕度上限值，指示燈L2、L4亮起，報警器報警?？偨Y 經過實物調測驗證，本設計能夠實現系統(tǒng)對溫濕度的實時檢測，可以根據用戶需求任意調節(jié)溫濕度的正常范圍，而且當環(huán)境溫濕度超過或低于用戶所設的界限值時，系統(tǒng)會自動報警，提醒用戶及時采取措施，保證大棚種植的環(huán)境需求。 本設計整體電路簡單，顯示清楚，成本較低，使用方便，用戶很容易掌握其使用方法，具有較高的實用價值。利用該