单片机环境温室检测系统设计.docx
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单片机环境温室检测系统设计
2016届毕业设计说明书(论文)
单片机环境温湿度检测系统设计
院、部:
电气与信息工程学院
学生姓名:
王德赟
指导教师:
欧阳锋职称工程师
专业:
电气工程及其自动化
班级:
电气1203班
完成时间:
2016年5月
摘要
温度和湿度通常是人们生产生活中两个的重要参数指标。
温湿度监测在农业种植、家禽孵化,楼宇,档案馆,仓库等各个我们生产生活的方面都具有重要的意义。
传统的温湿度测量精度不高,随着科学技术的发展,运用单片机检测环境的温度及湿度技术越来越成熟。
本文设计了基于单片机的环境温湿度控制系统。
控制器采用STC89C52,传感器采用了温湿度一体化测量、精度高、价格便宜的SHT11传感器。
温度和湿度传感器采集的环境温度和湿度,转换为相应的数字量并发送到微控制器,微控制器进行处理,比较温度和湿度的阈值,当温度或湿度超过预设的阈值,单片机将使用报警指示的信号模块,报警指示,以提醒大家注意。
于此同时,微控制器使得温度和湿度在LCD1602的实时显示。
该设计测量简单准确,电路灵活方便,成本价格低,目前,越来越多的地方选择要安装的环境温湿度检测系统。
本文首先介绍了温湿度监测系统的设计的意义和国内外发展状况以及发展趋势,其次介绍了本设计的设计思想与方案,选择了STC89C52作为控制器,LCD1602显示器,DS1302为时钟芯片和SHT11为温湿度传感器,利用altiumdesigner设计绘制了原理图,然后选择c语言作为编程语言,编写了软件的程序,制作出了实物,再通过Proteus仿真及实物的不断调试,最终能够满足预期的设计目标。
最后对所设计的进行了总结反思,使系统更加完善,功能更加丰富。
关键词:
温湿度;单片机;传感器
ABSTRACT
Temperatureandhumidityareimportantinpeople'sdailylifeandproductionofthetwoparametersindicators.Temperatureandhumiditymonitoringinallaspectsofourproductionandlifeoffarming,poultryincubators,buildings,archivesandwarehousesareofgreatsignificance.Traditionaltemperatureandhumiditymeasurementaccuracyisnothigh,thedevelopmentoftechnology,theuseofsingle-chiptechnologytodetecttemperatureandhumidityenvironment,moreandmoremature.
Thisarticleisdesignedbasedonintelligentgreenhousetemperatureandhumiditycontrolsystemmicrocontroller.Thecontrollerusesahigh-performance,low-cost,low-powerSTC89C52,temperatureandhumiditysensorintegratedmeasurement,highaccuracy,cheapSHT11sensor.Temperatureandhumiditysensoracquisitionofambienttemperatureandhumidity,isconvertedtothecorrespondingdigitalandsenttothemicrocontroller,themicrocontrollerthresholdprocessing,comparisonoftemperatureandhumidity,whenthetemperatureorhumidityexceedsapresetthreshold,themicrocontrollerwillalarmindicationsignalmodule,alarmindicationtodrawattention.Atthesametime,themicrocontrollerenablesreal-timedisplayoftemperatureandhumidityinLCD1602's.Thedesignissimpleandaccuratemeasurement,circuitflexible,lowcostprice,atpresent,moreandmorelocalchoicetemperatureandhumiditydetectionsystemtobeinstalled.
Paperintroducesthesignificanceanddevelopmentofdomesticandinternationalsituationanddevelopmenttrendoftemperatureandhumiditymonitoringsystemdesign,followedbytheintroductionofthedesignideasanddesignsolutionschosenSTC89C52asacontroller,LCD1602-digitdisplay,DS1302clockchip,SHT11istemperatureandhumiditysensors,usealtiumdesignertodrawtheschematicdesign,andthenselectclanguageasaprogramminglanguage,writeasoftwareprogramproducedakind,kindofbyProteussimulationanddebuggingcontinue,eventuallyexpectedtomeetdesignobjectives.Finally,asummarydesignedtoreflect,tomakethesystemmoreperfect,morefeature-rich.
Keywords:
thetemperatureandhumidity;MCU;sensor
1绪论
1.1课题背景
在现代化农业中,大棚可以改善传统农业受自然条件的影响,可以改善温度和湿度等条件,所以对大棚中温度和湿度的监测对现代农业具有重要的意义。
在家禽孵化中,温度和湿度对家禽孵化也是至关重要的两个因素,过高过低的温度和湿度对会降低家禽孵化率,只有保证合适的温湿的情况下,才能保证家禽孵化率,因此也需要对温度和湿度的监测系统。
在仓管中,也需要恰当的温度才能使货物存储的时间更长更加的安全。
由于控制温度和湿度不当造成经济损失不可估计,温度和湿度监测系统需要被安装,以减少由于在温度和湿度变化我们带来的经济损失。
温度和湿度是环境的基本参数,人们的生活与它们密切相关。
在工业生产过程中需要对温度以及湿度进行实时测量,农产品的产量也要对温度和湿度进行实时测量。
因此,温度和湿度的研究的测量具有重要意义。
1.2国内外发展现状与趋势
将计算机应用到大棚,自动检测环境的温度和湿度的国家是美国。
运用传感器实时采集大棚内的温度湿度等环境因素,根据大棚内的农作物的种类、生长阶段等设定合适的温度湿度的参数,当传感器把检测到的信号发送出去给控制器后,控制器经过处理运算,与预先设定的参数进行比较,如果超出或者低于设定的值都将进行报警,并执行相应的加热加湿或者通风散热等措施,以满足农作物生长的需要。
这一种控制系统实现自动的控制,大大的提高了效率同时也改善了农作物的生长环境,能够增加农作物的产量,不在受到自然环境的制约。
随着科学技术的发展,这种自动控制系统更加朝着面向不同的农作物智能化方向发展。
目前,国内大棚也正在研究利用遥感、网络、通信等技术,将这些技术应该到大棚的自动管理中,朝着多样化,无线化,无人化、智能化的方向发展。
如今可以常见的关于温湿度的测量有:
1.基于单片机控制的温湿度测量系统
2.基于PLC的温湿度测量系统
3.集散型温湿度测量系统
4.基于FPGA控制的温湿度测量系统
5.基于DSP控制的温湿度测量系统
1.3设计内容及要求
1.3.1设计目标
本篇论文是基于单片机环境温湿度检测系统的设计。
系统设计的目标:
温湿度传感器采集环境的温度和湿度并进行处理模数转化再到单片机进行处理,当检测到温度或湿度超过阈值时,蜂鸣器会发出滴滴的报警声,报警指示灯会变亮。
另外要求系统的按键得具有连加、减功能。
并且要求可以用液晶实时显示温度和湿度,可以分别设置温度湿度的上限值和下限值,当超过阈值时可以产生报警指示功能,并且通过LED灯显示是哪种情况产生的,其中led1为温度超过上限值,led2为温度低于下限值,led3为湿度超过上限值,led4为湿度低于下限值,另外可以显示时钟。
1.3.2设计步骤
这次设计需要充分了解多方面的知识,单片机,传感器,时钟芯片,液晶显示器等一些重要知识点,这些模块对本次设计起到至关重要的作用,是整个系统的重要组成,任何一个模块出现问题都会导致系统功能不能达到预期要求。
同时还需要熟练运用编程类的一些基本知识。
主要步骤:
1、设计整体方案
整体设计得尽可能的准确及完整,在节约成本的原则下保证所选的芯片能够满足所有的条件。
特别是芯片的选择,既要简洁明了,又要准确实用,所以选材一定要细心仔细。
2、设计流程图
首先再脑中得有一个大致的框架,画出流程图,开始时要先把每一个模块进行演练模拟,然后把他们连接起来组成一个完整的模板。
构成的系统一定得包含传感器信息采集,数码管显示,报警指示等,系统的程序要用模块来体现,这样接下来容易调试运行。
3、设计原理调试
论文设计过程中全部用实物来展示,首先原理图我们可以用protel99SE来做,接下来我们要完成仿真测试,不断修改程序进行调试,最终实现设计目标。
通过硬件电路及软件的综合调试,检验是否达到了系统最终的设计目标。
2设计思想与方案
2.1设计思想
本设计是基于单片机的环境温湿度检测系统设计。
根据任务分析,制定设计思想。
设计任务:
(1)实时检测环境的温度和湿度,并显示。
(2)可以设置温度和湿度报警的阈值。
(3)可以实现时钟显示。
(4)熟练掌握STC89C52单片机。
(5)熟悉所用开发软件和工具箱的使用方法。
(6)进行电路图设计。
(7)实现设计电路,编写DSP程序,并进行仿真测试。
(8)提高动手设计能力、学习能力和学会团队之间的合作。
(9)了解生活日常中接触到仪器的原理,复习回顾大学学习的知识。
(10)培养正确的人生观和严谨的工作态度以及求真务实的价值观。
设计思路:
(1)利用温度湿度传感器将温湿度信号转化为电压信号。
(2)将模拟电压信号转换成数字信号,并进行等级划分然后传送给单片机。
(3)对单片机进行信号处理,比较和控制。
(4)使用液晶将温度和湿度进行显示。
(5)利用按键可以设置温度和湿度的阈值。
(6)当温度或者湿度超过设定阈值,此时蜂鸣器会产生报警指示灯变亮。
(7)利用时钟芯片计时。
2.2设计方案
基于单片机的温湿度监测系统的设计能够采集检测外界环境中的温度和湿度,当超过设置的报警阈值时可以产生报警提醒的系统。
该系统的组成部分应包括一下模块:
电源、数据采集处理、单片机控制、温湿度显示、声光报警指示和安全保护等。
从设计系统任务分析,该设计系统应该必须包含如下一下结构:
电源电路、温湿度检测采集电路、单片机主控电路、报警指示电路等。
系统的组成框如图1所示:
图1系统组成框图
在本设计系统中,温湿度传感器的选择决定着整个系统信号的输入是否正确,单片机的选择决定着整个系统的运行速度,控制系统的好坏,因此本设计首先要进行温湿度传感器和单片机方案的选择,另外人际交互中显示模块与按键模块也需要进行方案选择。
2.2.1温湿度传感器选型
温湿度传感器是整个设计系统中重要的一个环节,传感器的信号采集是整个系统的信号输入。
温湿度传感器能够测量到并将感受到的信息有转换为电信号,将这些信号经过一系列的处理比较,从而达到检测、监控、报警的功能。
如果不能选择正确的传感器,就无法得到精确的测量数据,从而系统没有正确的输入信号,控制器也就无法做出正确的判断。
温湿度传感器的选择原则
1要根据测量的物理量和测量环境选择合适的传感器。
2要注意传感器的灵敏度以及检测极限。
一般来说传感器的灵敏度越高就越好,如果当灵敏度太大,那么会对干扰信号也会太灵敏的。
3要注意传感器的准确度和精密度。
要根据设计的要求选择具有合适准确度和精密度的传感器,因为如果不能选择正确的传感器,就无法得到精确的测量数据,从而系统没有正确的输入信号,控制器也就无法做出正确的判断。
4要注意传感器的动态范围、直线性和响应速度、滞后特性以及时漂等问题。
根据系统的设计目标,需要检测实时检测环境的温度和湿度,所以需要选择合适的温度和湿度传感器。
我们可以采用独立的温度和湿度传感器分别测量温度和湿度,也可以采用温湿一体化传感器。
方案一:
独立的温度以及湿度传感器用来测量温度以及湿度。
(1)温度传感器的选择
目前测量温度的传感器有好多种。
最常见的有热电偶构成的测温电路,把热敏电阻构成测温的电路,直接用DS18B20来测温度。
利用热电偶构成测温电路的方法系统组成框图如图2所示:
图2热电偶温度测量系统图
用DS18B20温度检测系统方法如图3所示:
图3DS18B20温度检测电路
(2)湿度传感器的选择
测量环境中的相对湿度的方法也有很多,可以选择采用湿敏电阻,也可以采用湿敏电容还可以采用高湿度开关传感器H0S-201。
如图4为湿敏电阻构成测试系统,图5为湿敏电容构成桥式振荡电路。
图4湿敏电阻构成测试系统
图5湿敏电容构成桥式振荡电路
方案二利用温湿度一体化传感器
采用SHT11温湿度一体的数字传感器。
测量湿度的精度为±5%RH,测量温度的精度在25度的条件下是±2℃(25℃),测量湿度的量程从20到90%,测量温度的量程从0度到50度。
经上述分析,方案一复杂。
方案二可以满足设计要求,简单。
2.2.2单片机选型
单片机是温湿度监测的核心部分,传感器把采集到的信号经过处理然后发送给单片机,单片机则经过一系列的处理比较确定是否是超过阈值并发出一系列控制信号。
在本设计系统中需要单片机运算速度较快,同时,在能够满足温湿度检测系统的计算速度及接口功能要求的同时还要,要考虑价格,稳定性,以及稳定性。
方案一:
选用DSP,该控制器运算能力速度快
方案二:
选用ARM,该芯片的处理器是32位,运算能力虽然比不上上DXP,但是也不错。
方案三:
51单片机,该单片机资源丰富,价格便宜,容易上手
经过比较分析,选择方案三,采用STC89C52.
2.2.3键盘电路的选择
由于要对温度、湿度的阈值进行设定,因此需要使用按键。
方案一:
使用独立式键盘。
单片机的I/O口直接接按键,每个接口就一个按键构成一种功能。
这样的电路比较灵活且简单,软件结构也很容易编程。
方案二:
使用矩阵式的键盘。
其特点为简单而且不增加任何成本,这一种按键适合按键次数比较多的场合。
根据以上论述,因为本系统需要的按键不多,一共需四个按键其中包括第一个是设置键、第二个是加键按一下加1、第三个是减键按一下减1、第四个是模式切换按键。
设计要求简单。
所以采用的方案一独立式键盘即直接用I/O口线构成的单个按键电路,这样的电路配置灵活,且软件结构简单。
2.2.4显示电路的选择
在电子设计中常用的显示电路有两种:
数码管显示和LCD液晶显示。
方案一:
采用数码管显示
数字馆显示数据清晰,当很少数字显示时,有简单的电路设计和软件编程更加容易的优点。
数码管显示的缺点是当显示位数很多时,显示速度变慢,不够灵活。
方案二:
采用液晶屏显示
LCD显示器相比数码显示,液晶屏幕小,显示效果更加丰富。
当需要显示的内容多且复杂时,液晶屏显示的有点就会立显无疑。
购买液晶显示器的价格更贵,而且还有更复杂的编程软件初始化
本设计为了更加直观,电路设计的简单,所以选择采用液晶屏显示。
2.2.5时钟芯片的选择
方案一:
采用单片机的定时计数器。
单片机内部的定时器可以实现系统的时间设置。
方案二:
采用专用时钟芯片。
DS1302时钟芯片是一种专门的时钟芯片,其功能强大,可以实现准确自动对时。
经过比较分析,选择方案一虽然可以减少芯片的使用数量,节约成本,但是由于单片机自身设置系统时间会产生比较大的误差,而采用单独的时钟芯片,精度高且价格也不贵,所以采用DS1302。
3硬件系统的设计
本章主要的介绍了系统的硬件设计,其中包括传感器的设计,微处理器控制设计,电路设计显示器,报警指示灯电路设计,电源系统的设计等。
3.1主要元器件介绍
3.1.1STC89C52单片机
STC89C52是目前市场上面广泛运用的芯片。
起初在工业方面为了让计算机的系统变小,科学家们尽量让设备和CPU全部集中在一点,但是这样比较单一,后来由于工业领域要求不断提高,特别是现在的电子市场发展潜力巨大,对芯片的功能要求严格,单片机的性能目前最大已经达到32位数据处理,频率已经达到很高HZ,一块芯片相当于一台计算机。
引脚图如图6所示。
图6STC89C52单片机引脚图
STC89C52的参数如下:
(1)该单片机是现在常见的51内核,具有12时钟的机器周期;
(2)0~40MHZ的工作频率;
(3)Flash:
4KB;
(4)RAM:
512B;
(5)3个16位的定时/计数器;
(6)一个UART接口;
(7)中断源:
8个;
(8)可以进行系统编程和应用编程;
(9)通用I/O端口:
32、36;
(10)工作时电压:
3.8~5.5V;
3.1.2DS1320时钟芯片
DS1302芯片是自动校准的时钟芯片。
1.具有很高的性能,可自动对时和进行计数。
2.精度高,31*8位RAM数据暂存区
3.工作电压范围在2.5V到5.5V之间。
4.功耗很低,2.5V时耗电小于300nA。
3.1.3SHT11温湿度传感器
本设计采用SHT11温度湿度一体化传感器。
如图6为SHT11的内部框图,表1为SHT11测量的量程和精度。
图6SHT10内部框图
表1参数介绍
SHT10
量程
精度
测量温度
-40-123.8℃
±0.5℃(25℃)
测量湿度
0-100%RH
±4.5%RH
SHT11的主要特点如下:
◆相对湿度和温度的测量兼有露点输出;
◆全部校准,数字输出;
◆接口简单(2-wire)且响应速度很快;
◆超低功耗,自动休眠;
◆出色的长期稳定性;
◆超小体积(表面贴装);
◆测湿精度±4.5%RH,测温精度±0.5℃(25℃)。
3.1.4LCD1602液晶显示屏
液晶显示屏具有显示内容直观丰富的特点,本设计需要实时显示温度和湿度,所以选择LCD1602位人际交互的显示模块。
液晶屏的显示原理是:
两块玻璃之间加入的液晶等材料在因电极移动下而产生磁场的效应下运动。
单片机环境温湿度检测系统的设计采用LCD1602来显示温度以及湿度的信息。
它的主要技术参数为:
1.显示容量:
16×2个字符
2.芯片工作电压:
4.5V到5.5V
3.工作电流:
2.0mA(5.0V)
4.模块最佳工作电压:
5.0V
图7LCD1602实物图
3.2硬件单元电路的设计
3.2.1STC89C52单片机最小系统
单片机、电源、时钟、复位等电路构成了正常工作的最小单片机。
这是核心部分,同时可对其进行扩展,使得单片机完成更复杂的功能。
其结构如图8所示。
图8单片机最小系统电路
(1)晶振电路
如图9所示,在外部微控制器连接晶体振荡器和两个匹配电容器构成的自激振荡器;其中,匹配电容根据石英振荡器选择的要求,一般选择20〜30pF的陶瓷电容器。
振荡频率工作速度的要求,是从几百KHz到24MHz中选取的某一频率,本系统频率要选用11.0592MHz,瓷片电容则选用30pF。
图9晶振电路
(2)复位电路
单片机的RST引脚是在两个机器周期内都是高电平的情况下,此时单片机就会进行复位,也就是各个寄存器都恢复到初始状态,但是谨记不能使RST始终等于1,否则芯片就会一直复位,而导致单片机无法正常工作。
RST引脚与VCC引脚接通为电平复位。
下图10为复位电路。
图10复位电路
(3)电源模块
该设计的单片机控制器,时钟芯片DS1302,传感器SHT11等都需要供电,如图11所示,设计了电源供电模块。
图11电源模块
3.2.2温湿度传感器模块电路
本设计采用SHT11实时检测环境的温度和湿度,该模块采集到的信息是系统的信号输入,SHT11能够测量到并将感受到的信息有转换为电信号,然后经过处理转化成数字信号发送到单片机,单片机把这些信号经过一系列的处理比较,从而达到检测、监控、报警的功能。
如果不能正确采集环境的温度和湿度,从而系统没有正确的输入信号,控制器也就无法做出正确的判断。
因此温湿度传感器模块电路的设计至关重要。
如图12、13分别是SHT11的实物图及原理图。
图12SHT11实物图
图13SHT11原理图
如图14为温湿度采集电路原理图。
引脚4VDD接到5V电源,引脚1GND接地,引脚3SCK串行时钟输入接到单片计的P2.0口,和单片机进行同步通讯,引脚2DATA串行数据接单片机的P2.1口,单片机可以通过此连接进行读取传感器测得的数据。
图14温湿度采集电路原理
3.2.3DS1302时钟电路
DS1302在本系统中主要提供时间。
如图15所示:
引脚8-Vcc1为备用电源接纽扣电池,引脚1-Vcc2为主电源,用USB5V供电。
双电源供电的目的是保证在主电源不供电时,该时钟也可以正常的连续运行。
引脚2-X1和引脚3-X2是振荡源,外接32.768KHz晶振。
引脚5-CE是复位/片选线,当该引脚接高电平是,启动数据传送功能。
引脚6-I/O是串行数据输入端,是双向端口,既可以进行数据的传送也可以进行数据的接收。
引脚7-SCLK是输入端。
图15DS1302电路图
3.2.4按键模块电路
按键模块是本设计的人际交互模块之一。
人们通过按键可以设置温度和湿度的报警阈值。
单片机上电运行之后就会提取单片机程序中设置的默认温度及湿度的参数,并且开始输出温湿度的控制信号。
在特殊状况下,是可以根据需通过的按键来修改存默认温度及湿度的参数值。
本系统采用独立式的键盘设计,按键S1是设置键,按键S2是加1键,
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