基于单片机的温湿度控制系统设计

计算机控制设计课程设计报告班级B电气092姓名陈文雄学号09106012171课程设计题目：基于单片机的花房温湿度控制系统设计花卉的生长要在一定的环境中进行，其在生长过程中受到环境中很多因素的影响，其中对花卉生长影响最大的是环境中的温度和湿度。环境中昼夜温度和湿度变化很大，不利于花卉的生长。因此必须对环境的温度和湿度进行监测和控制，使其适合花卉的生长。本课程设计就是要求利用基于单片机来设计一个参数精度高，控制操作方便的花房温湿度控制系统。以前种植植被一般都用温室栽培，为了充分的利用好温室栽培这一高效技术，就必需有一套科学的，先进的管理方法，用以对不同种类植被生长的各个时期所需的温度及湿度等进行实时的监控。温湿度控制对于单片机的应用具有一定的实际意义，它代表了一类自动控制的方法。而且其应用十分广泛。技术参数和设计任务：1、显示部分的第1到4位显示出温度值，分辨率为0.01度，2位小数，第5、6位显示出湿度值，分辨率为1%H；2、设置湿度报警值，按1度增加，测量湿度到了设定值后，湿度指示LED灯关掉，高于设定湿度5度时报警LED灯打开，断电后能保存温度设定值；3、温度低于设定值时，输出加热控制信号；湿度大于设定值时，输出降湿控制信号；4、利用89C51单片机实现对温度和湿度的控制，以实现温湿度的采集和控制；5、完成SHT11温湿度传感器模块电路的设计；6、完成温湿度调节系统主要控制电路的设计；7、完成LED数码管显示模块电路的设计；8、完成声光报警模块电路的设计；9、完成按键模块电路的设计。2一、系统概述1、系统原理介绍该系统利用STC89C51单片机的软、硬件资源，辅以相应的测量电路和SHT11数字式集成温湿度传感器等智能仪器，能实现多任务、多通道的检测和输出。它具有测量范围广、测量精度高等特点。温湿度控制系统上电工作后，用户首先通过键盘输入温度及湿度的初值，单片机系统将用户设置的初值保存在X25045芯片中。单片机进入主程序后，开始以查询的方式检测温湿度传感器SHT11的温湿度状态，并将相应的数值通过液晶显示器显示输出。监控中心可向现场控制器发出控制指令，当温室内的温度或湿度小于设置的初值时，单片机将通过控制输出接口使加温设备或加湿设备开始工作；当温室内的温湿度大于或等于设置的初值时，单片机将通过控制输出接口使加温设备或加湿设备停止工作，从而保证花卉的最佳生长环境。同时监控中心也可以通过报警指令来启动现场监测仪上的声光报警装置，使报警指示LED灯闪烁，在设定值停止闪烁。其系统原理图如图1所示：单片机温湿度传感器温湿度调节系统键盘输入LED温湿度显示蜂鸣器报警电路图1系统原理图根据设计要求，整个系统由单片机、温湿度传感器、LED数码管、蜂鸣器以及键盘等5部分组成。单片机作为主控制器，主要负责处理由温湿度传感器送来的数据，并把处理好的数据送向显示器模块。温湿度传感器主要用来采集周围的环境参数，并把所采集到得数据送向单片机。键电路主要是用来完成单片机的复位操作3和温湿度初始值的设定。蜂鸣器电路就是用三极管来实现的，用来判断周围的温度或者湿度是否超出设定数值。显示电路主要用来显示当前的温湿度。2．系统所用主要芯片介绍（1）单片机STC89C51芯片STC89C51共有40个引脚，其中电源引脚有4个，控制引脚有4个，并行的I/O接口有32个，其引脚图如图2所示：()P3.2()P3.3()P3.7VCCP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)/EAVpp/ALEPROGPSENP2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)P2.4(A12)P2.3(A11)P2.2(A10)P2.1(A9)P2.0(A8)(T2)P1.0(T2EX)P1.1(RXD)P3.0(TXD)P3.1(T0)P3.4(T1)P3.5()P3.6XTAL2XTAL1GND0INT1INTWRRD12317418567891011121314151620192122232425262728293031323334353637383940RST图2STC89C51的引脚图（2）芯片X25045X25045是美国Xicor生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。X25045引脚如图3所示。412345678X25045SOCSWPVssVccRESETSCKSI图3X25045引脚图X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲，使CPU复位。看门狗定时器的预置时间是通过X25045的状态寄存器的相应位来设定的。如表1所示，X25045状态寄存器共有6位有含义，其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。表1X25045状态寄存器D7D6D5D4D3D2D1D0XXWD1WD0BL1BL0WELWIPWD1＝0，WD0=0，预置时间为1.4s。WD1＝0，WD0=1，预置时间为0.6s。WD1＝1，WD0=0，预置时间为0.2s。WD1＝1，WD0=1，禁止看门狗工作。看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复位。其与单片机连接电路如图4所示：5EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U18051X1CRYSTALC122pFC222pFA1B2C3G16G2A4G2B5Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77U2SN74LS138VCCVcc8RST7SCLK6SIN5SOUT2WD3GND4CS1U3X25045CSY4图4X25045与单片机的连接电路图二、硬件设计1、温湿度传感器检测电路（1）SHT11芯片的工作原理本系统选择的是瑞士Sensirion公司推出的SHT11单片数字温湿度集成传感器，该传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件、一个用能隙材料制成的温度敏感元件，并在同一芯片上，与l4位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式存储在OTP内存中，在校正的过程中使用。两线制的串行接口，使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用的首选。这种芯片技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模/数转换器、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内。经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A/D转换器相连，可将装换后的数字6温湿度值送给I2C总线器件，从而将数字信号转换为符合I2C总线协议的串行数字信号。（2）SHT11芯片的优越性SHT11的温湿度检测运用电容式结构，由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了单一的个体，因而测量精度高，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器比其他类型的温湿度传感器具有更好的性能。首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而A/D转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程序。其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只温湿度传感器都具有相同的功能，即具有100%的互换性。它与单片机的连接图如图5所示：EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U18051NC8NC7NC5NC4GND1DATA2SCK3VDD4JP1SHT11VCCVCCR210KR110K图5SHT11与单片机的连接电路图SHT11的测量时序如下：当一个SCK为高电平时，DATA出现低电平，然后SCK变为低电平，接着当SCK再为高电平时，DATA也变为高电平则表示开始数据读写，温湿度传感器SHT11送出的温度、湿度数据必须经过数据转换才能表示实际的温度和湿度，其公式如下：7LinearRHcTrueRHRHLinearTcRHSOttTRHSOCSOCCRHSOddT)()25(21232121式中：Tc为温度；RHTrue为经过温度补偿的相对湿度；d1、d2与温度分辨率有关；C1、C2、C3、t1、t2与湿度分辨率有关；SOT表示从SHT11中读出的温度值；SORH表示从SHT11中读出的湿度值。2、温湿度调节系统的设计温湿度调节系统包括加湿模块和降湿模块、加温模块和制冷模块。它是由单片机的I/O口控制的，有效控制电平为+5V，执行机构的各种设备都是在市电下正常工作的，必须采用I/O口控制继电器的导通和切断来控制市电的通断，也即控制执行设备的工作状态。由于单片机的I/O不能提供足够的电流，不能直接驱动继电器导通。因此，我们采用达林顿管，将进行两级放大，提供了足够大的驱动电流，让继电器中的电感线圈产生足够大的磁力，将开关吸合。用户预先输入温湿度报警值到程序中，该值作为系统阈值。温湿度传感器监测值传输给单片机，当单片机比较监测到的数值超出所设定阈值时，驱动蜂鸣器报警，并为温湿度调节系统提供控制信号，实现自动控制。如图6所示：R11D1LEDQ2NPNDARD2DIODED3DIODER12RES2VCC温湿度调节器P17图6温湿度调节系统83、声光报警电路本设计采用把计算机采集的数据进行数据处理、标度变换、数字滤波之后，与该参数上下限与给定值进行比较，如果高于上限值则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示。如图7所示，蜂鸣器额定电流≤30Ma,而对于STC89C51单片机，P1口的灌电流为15mA,由此可见，仅靠单片机的P1口电流是不能驱动蜂鸣器的，必须使用晶体管放大电路，为了使单片机的功率更小，所以使用PNP型晶体管,当外部环境的温度或者湿度超过预设值的时候，基级变为低电平，蜂鸣器导通鸣叫。U6BELLQ1PNPR32kP13D1D2P15P14R91kR101kVCC图7声光报警电路报警模块具备两项功能，即为报警灯和声音报警。报警灯模块是完成LED有规律的转换，以便从视觉上提醒用户。LED是由单片机控制2个双色LED灯组成的，其转换规律为：1、系统温湿度值在给定的范围时，绿色LED亮。2、系统温湿度值超出给定的范围时，红色LED亮。在LED灯转换的同时，声音报警也会同时启动，可采用延时的方式来延长声音报警的声音。警报灯由2个双色的LED灯组成，一共需要2根数据线，使用单片机控制。要实现的功能是使2个双色LED灯有规律的转换，当系统上电后，系统进行实时的采样，并判断出当前温湿度与给定温湿度之间的差异，如果当前温湿度低于用户给定的下限温湿度值，则说明当前温湿度过低，系统自