完整word版大棚温湿度自动控制系统设计毕业设计Word格式文档下载.docx
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温湿度的较大变化对农作物的生长十分不利,研究结果表明,由于植物体内水分不足导致气孔关闭,首先妨碍了CO2的交换,而使饱和作用显著下降,特别是在缺水状况加剧时,给细胞原生质的生化作用带来影响,光合作用显著下降。
而温度在夜间下降过低也会影响光合作用的效率。
因此,非常有必要使用一套温湿度控制系统,以维持温室大棚内的温度、湿度在一个合适的范围,实现大棚内农作物的水分、养分的有效供给,提高光合作用的效率,从而达到增产目的。
传统的温湿度控制是在温室大棚内部悬挂温、湿度计,通过读取温、湿度值进而了解实际的温度和湿度,然后根据现检测的温湿度与额定值进行比较,看温湿度是否超过限定值,然后进行相应的通风或者相应的洒水。
这些操作都是人工的,耗费了大量的人力以及物力。
现在,随着国家经济的迅速发展,农业产业规模的进一步提高,大棚中培育出的农产品品种数量的逐渐增多,对于数量较多而又大型的大棚,传统的温湿度控制措施就出现了局限性。
这要求我们提高温湿度检测与控制技术,来满足对温室大棚建设的需要。
在本设计中,采用单片机来控制温湿度,不仅具有廉价、配置简单和灵活的优势,而且可以大大提高所测温湿度的技术指标,从而可以提高产品的数量和质量。
单片机因为它具有功能强、高可靠性、体积小、造价便宜和开发周期短这些优势,广泛用于自动化测量和控制现场设备,特别是在日常生活中发挥的日益重要的作用。
这次选用STC89C52RC作为主控制器,可以从按键电路输入设定的温湿度,通过温湿度传感器SHT10对温度、湿度信号进行采集,然后通过I2C总线与单片机通信,并将温湿度显示在液晶屏LCD1602上,单片机把它们与设定的值进行对比后决定是否报警,并启动空调设备对温湿度进行调节。
2总体方案设计
2.1温湿度控制系统的设计指标要求
本文要设计的大棚温湿度自动控制系统,要能够及时、准确地对温室大棚内的温度、湿度进行采集,将其显示在LCD1602液晶显示器上,然后与设定的上下限值进行比较,如果超出限制则启动温度、湿度控制设备,并通过蜂鸣器报警,直到温湿度回到规定的范围。
另外,还要能够通过按键修改设定的上下限。
为了能够满足农业生产的需要,此次设计要达到一下指标:
(1)工作环境:
温室大棚;
(2)温度测量误差:
±
1℃;
(3)测温范围:
0~+55℃;
(4)湿度测量误差:
5%RH;
(5)测湿范围:
0~100%RH;
(6)通过键盘电路修改上下限:
有;
(6)温湿度报警:
2.2系统设计的原则
2.2.1可靠性
可靠性是在设计过程中应该优先考虑的一个因素,一个控制系统必须要能稳定、可靠地工作,才能投入到生产实践中去。
如果系统的可靠性不能达标,那么系统出现故障的可能就会增大,造成很大的损失。
这种损失不仅包括经济上和信誉上的损失,而且可能会对人身安全产生威胁。
要提高控制系统的可靠性,那么就要注意以下几个方面:
选用的元器件要有很高的可靠性;
由于供电电源很容易产生干扰,所以应该对其采用抗干扰措施;
对输入输出通道也一样,要采用抗干扰措施;
在对电路板的设计时,要合理的布线和接地;
软硬件都要进行滤波;
系统要有自己诊断功能等。
2.2.2性价比
性价比也是一个系统设计中所要考虑的重要因素。
性价比高的产品更容易被消费者接收,但是设计过程中不能盲目地追求性价比,它应该建立在对产品性能要求的基础上,首先要满足性能要求,然后再设法降低产品成本。
2.3方案比较
2.3.1方案一
采用PLC作为主控制器。
使用PLC的最大优点在于PLC使用梯形图进行编程,编程语言形象直观,难度较低,因此开发周期短,便于扩展。
而且PLC抗干扰能力强,工作稳定可靠,这一点已被长期的工业控制实践所证明。
图2.1用PLC作为主控制器的控制系统
2.3.2方案二
使用单片机进行控制。
采用STC89C52RC单片机作为主控制器,可以用C语言进行编程,由于它支持ISP在线编程,因此可以通过RS232串口将程序烧录到单片机中,很方便。
温湿度传感器SHT10通过I2C总线与单片机连接。
图2.2用单片机作为主控制器的控制系统
2.4方案论证
从功能上看,两种控制器都能满足要求。
PLC在工业控制领域用得比较多,编程简单,而且抗干扰能力强。
但是本系统是用于温室大棚,并没有其他大型工业设备的干扰。
单片机用C语言编程,相对PLC的梯形图要复杂得多,但是编程更为灵活,可以实现复杂的功能。
从价格方面上看,单片机就比PLC具有很大的优势。
一个单片机只要几块钱,而一个很一般的PLC一般也要几百上千元。
另外,中国是农业大国,随着温室大棚越来越普及,农村对温湿度控制系统的需求也会越来越旺盛,因此虽然用单片机开发的周期较长,但是一旦完成开发,后期生产环节的边际成本很小;
而基于PLC的控制系统受制于PLC的高昂价格,价格难以降低。
2.5方案选择
PLC和单片机都能作为主控制器进行设计,但是在价格方面单片机具有巨大优势。
综上所述,本次设计采用单片机作为主控制器。
3单元模块设计
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
3.1.1单片机最小系统
图3.1单片机最小系统
单片机最小系统包括单片机、电源电路、时钟电路和复位电路。
时钟电路用于产生单片机工作时候所必须的时钟信号,单片机在时钟信号的节拍下逐条地执行指令。
单片机有两种时钟信号产生方式,一种是内部时钟方式,另一种是外部时钟方式。
外部时钟方式是把已有的时钟信号从XTAL1或XTAL2送入单片,一般用于有多个单片机的情况,所以本设计中时钟电路采用内部时钟方式,选用12M的晶振和两个30pF的电容与片内的高增益反相放大器构成一个自激振荡器。
电源电路后面的模块中会单独提到,用5V的直流电源。
下面着重论述一下复位电路。
图3.2上电+手动复位电路
单片机的复位主要有上电复位和手动复位,之所以要进行复位,目的就是为了让单片机进入初始状态,比如让PC指向0000H,这样单片机才能从头运行程序。
因此上电的时候就要让单片机复位一次;
在运行过程中,如果程序出错,也需要进行手动复位。
本设计中的复位电路就是上电+手动复位电路,复位时要让STC89C52RC的RST引脚得到2个机器周期以上的高电平。
先说说上电复位的工作原理,当单片机上电时,电源+5V的Vcc通过10K的电阻对10uF的电容进行充电。
刚上电时,有较大的电流从Vcc经电容、电阻流向GND,由于电容两端的电压不可突变,因此仍然为0V,于是电阻的两端分得5V的电压,即RST引脚此时的电势为5V。
随着充电的继续进行,电流会逐渐减小,电阻两端的电压UR=IR也逐渐减小,即RST引脚的电势逐渐减小。
过了一定时间,RST引脚两端的电压下降到不再是高电平,只要这个充电的时间大于单片机两个机器周期,就能使单片机复位。
程序运行过程中如果跑飞了、程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,就需要用到手动复位。
手动复位就是在上电复位电路的电容两边并联一个微动开关,需要手动复位时将其按下,使之接通,RST获得高电平,而且人按动按钮的时间肯定是超过两个机器周期的,于是单片机复位。
3.1.2液晶显示模块
测量到的温湿度值将显示到液晶屏LCD1602上,它可以显示2行,每行16个字符。
LCD1602共有三个存储器,它们是CGROM、CGRAM和DDRAM。
CGROM用来保存LCD1602内部固化的一些字符的字模,比如英文的26个字母的大小写;
CGRAM用来保存用户自己取的字模,比如,如果要显示汉字,就必须自己去汉字字模,在这里我们都用英语字母,故不用CGRAM;
DDRAM用来存储要显示的字符的字模,它和屏幕上的位置是对应的,第一行为00H到0FH,第二行为40H到4FH。
在这里需要注意的是,在向LCD1602写入显示数据存储器地址时,根据控制指令的格式,最高位D7为1,所以写入的数据为,第一行80H到8FH,第二行C0H到CFH。
它与单片机的接口电路如下图所示:
图3.3LCD1602与单片机的接口电路
3.1.3温湿度传感器模块
温湿度传感器选用瑞士Sensirion公司生产的SHT10。
SHT1X系列共有三个型号:
SHT10、SHT11、SHT15,他们都是SMD贴片封装的,他们依次性能越来越好,其中SHT10属于经济型的温湿度传感器。
三者的温湿度性能如下图所示。
图3.4SHT1X系列各型号传感器的湿度、温度最大误差
从曲线中可以看出,无论是湿度还是温度,SHT10的误差都是最大的,SHT15误差最小,但是它们的价格也相差很大,SHT10多为二三十元一个,而SHT15价格上百。
因此,从满足大棚温湿度监测的要求来看,SHT10已经足够,故选用SHT10。
SHT10与单片机的接口电路如下所示:
图3.5SHT10与单片机的接口电路
SHT10采用类似于I2C的两线制串行总线,一根是时钟线,一根是数据线。
数据线要通过一个上拉电阻接到VCC,目的是避免信号冲突,使单片机的引脚只提供低电平,要得到高电平则使该引脚悬空,由上拉电阻提供高电平。
3.1.4报警电路的设计
当大棚内的温湿度超过上下限时,除了需要启动温湿度调节器之外,还需要进行报警,这里用到的是蜂鸣器。
蜂鸣器为一种采用一体化结构的电子器件,采用了直流电压来供电,广泛的应用到了计算机、报警器、复印机、电子玩具、电话机、汽车电子设备、定时器等电子产品之中用作发声器。
蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。
有源蜂鸣器由于内部集成了振荡源,所以使用直流电压就可以驱动它鸣叫;
无源蜂鸣器内部没有振荡源,因此一般使用2K~5K方波来驱动。
本设计中使用的是有源蜂鸣器,在它两端加载5V的直流电压就可以使之鸣叫。
报警电路设计如下图:
图3.6报警电路图
蜂鸣器工作电流一般为10mA,而单片机的I/O口只能承受几毫安的电流,因此需要加三极管进行驱动。
如上图所示,单片机的I/O口中的P1.6接PNP型三极管的基极,当P1.6为低电平时,三极管导通,5V的电压加载到蜂鸣器两端,于是蜂鸣器鸣叫;
当P1.6高电平时,三极管截至,蜂鸣器不鸣叫。
3.1.5输出电路设计
当温湿度超出限定值后,单片机将输出控制信号,启动加热、制冷、加湿、除湿设备。
弱电控制强电,首先要用到继电器来控制这些大功率的设备,而且为了进一步加强弱电和强电的电气隔离,减少强电设备对单片机控制系统的干扰,需要在前一级加光耦进行隔离。
光耦的驱动能力有限,一般电流只能达到30mA左右,不足以驱动继电器,因此再加一个三极管放大电流。
原理如图3.7所示:
图3.7控制电路
输出电路有四组,每一组由一个光耦、一个三极管、一个继电器组成。
这四组输出电路分别控制加湿、除湿、加热、制冷的设备。
光耦选用TLP521-4,它是Toshiba公司生产的四路光耦,由单片机直接驱动。
51单片机P0口所能承受的灌电流最大,可以达到26mA。
输出系统中的继电器最多同时有两个工作,控制温度的一个,控制湿度的一个。
如果设置光耦的发光二极管的电流为10mA,那么两个发光二极管同时导通时单片机的灌电流为20mA,小于26mA,符合要求。
所以把P0口的引脚接到光耦TLP521-4输入测的发光二极管阴极。
继电器选用5V的,驱动继电器需要大约100mA的电流,也就是说驱动继电器的三极管的集电极电流为Ic=100mA。
三极管选用直流放大系数为100的9013,根据Ic=βIb,可计算得三极管基极电流Ib=1mA,而Vbe=0.7V,又由于光耦中的光电三极管的集电极、发射极饱和压降Vces=0.3V,所以基极的限流电阻上的压降为(5-Vces-Vbe)=4V,4V/0.001A=4KΩ,由于没有标称值为4KΩ的电阻,所以选择4.7KΩ的。
还应该注意到的一点是,光耦有一个参数叫电流传输比(CTR),CTR=Io/IF,及输出端电流的最大值比上输入端的电流,体现了光耦输出电流的能力。
如果输入端的电流为20mA,电流传输比为50%的话,那么输入端电流Io最大只能为10mA。
在这里,TLP521-4的电流传输比为50%,输出端我们刚才算出的电流Io=Ib=1mA,所以输入端电流IF最小为2mA,由于电流很小时光耦处于死区,因此要选大点,这里选择IF=10mA。
于是,光耦输入端阳极上的限流电阻为R=(5V-0.7V)/0.01A=430Ω,这里选择标称值为470Ω的电阻。
此外,这里用的继电器是普通的电磁继电器。
通过对电磁继电器和固态继电器进行比较,虽然固态继电器具有无触电、动作速度快、使用寿命长等特点,但是本设计中的继电器只在温湿度超过限定值时才动作,动作频率低,而且固态继电器的价格比电磁继电器高得多,所以综合考虑选择电磁继电器SRD一05VDC一SL-C。
3.1.6电源的设计
图3.8电源电路
电源电路是整个系统中非常重要的一部分,本设计中主要用到直流5V电源。
要得到5V的直流电源,要经过降压、整流、滤波、稳压四个环节。
由于最后的稳压环节,LM7805要得到5V的直流输出,输入与输出要有一定的压差,根据LM7805的数据手册,需要有10V的输入,因此在降压环节把220V的电压降为10V。
然后用桥式整流电路把交流电整流为直流电,此时的直流电只是方向不变,但仍按正弦方式变化,是脉动的直流电。
因此需要滤波电路将纹波滤掉。
C8和C2都用来滤波,但是作用是不一样的。
C8是大电容,用电解电容,它的作用是低频滤波,通过充电放电,从而削峰填谷,使电压的脉动成分减少,电压基本保持稳定。
而C2是小电容,所以对于高频信号容抗很小,相当于短路,从而滤掉高频信号。
需要注意的是,470uF的大电容可以滤低频,为什么不能滤高频,还要单独加一个0.33uF的小电容来滤高频?
从理论上来说大电容应该高频、低频都可以,但是由于制造工艺的原因,电解电容的容值做得很大时,它就不再是一个单纯的电容了,它等效于一个电容串联一个电感。
在频率较低时,电感L=jwl较小,可以忽略不计,但是当频率很高时,感抗就很大,相当于断路,所以此时这个470uF的大电容不能滤掉高频信号,必须单独加一个小电容。
小电容容值小,因此就不存在感抗的问题。
滤波完以后,电压的脉动成分已经下降了很多,但是仍有起伏,所以最后还需加上一个三端集成稳压器,这里选用LM7805,它能将电压稳定在5V。
并联在LM7805两端的二极管起保护作用,避免在短路等情况下LM7805输出端的电压比输入端高,从而烧坏LM7805。
三端集成稳压器后面又接了一大一小两个电容,再次进行滤波,使电压更稳定。
3.1.7按键电路设计
图3.9按键电路图
键盘分为编码式和非编码式键盘。
其中,非编码式键盘又包括矩阵式键盘和独立式键盘。
矩阵式键盘较为复杂,一般用于按键数目较多,而单片机可用的I/O口又比较有限时。
本控制系统中只需要用到5个按键,数目较少,并且可用的I/O口充足,故采用独立式键盘,一个按键对应一个单片机的I/O口管脚。
本设计中总共用到5个按键式开关,他们用来改变设定的温湿度上下限数值。
从S0到S4,分别控制进入温度上下限设置、进入湿度上下限设置、数值加、数值减、确认并退出。
本设计中的键盘是低电平有效。
未按键时,上拉电阻保证了单片机的I/O口是确定的高电平;
当某个键按下时,I/O口变为低电平。
3.1.8串口通信电路
串口通信可分为同步通信和异步通信,在单片机的应用系统中,主要是采用异步串行通信。
在设计通信接口时,应该采用标准接口,这样才能够方便而又准确的把单片机和外设有机的连接起来,从而能形成一个测控系统,目前异步串口通信标准有RS一232、RS一422、RS一485标准。
其中,RS一232是PC机与通信工业中使用最早的一种串行接口标准。
在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。
要让单片机和PC机通过串口进行通信,需要进行电平转换,因为尽管单片机有串行通信的功能,但单片机提供的TTL电平和RS232的电平不一样。
TTL电平中,电压小于0.8V为低电平,高于2.4V为高电平;
而RS232电平是负逻辑电平,电压在-3V~-15V时为高电平,电压在3V~15V时为低电平,因此要通过MAX232这种电平转换芯片进行转换。
MAX232是MAXIM公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5V电源供电。
适用于终端设备和数据通信设备间的接口,对于双向通信,只需要使用串行输入RXD(引脚2),串行输出TXD(引脚3)和地线GND(引脚5)。
其电路连接如图3.10所示;
图3.10串口通信电路
MAX232芯片内部有一个电源电压变换器,能够把输入的+5V电压变换为RS232输出电平所需的+10V电压,采用此芯片接口的串行通信系统值需要接+5V电压即可。
MAX232芯片中有两组电平转换的引脚,我们这里只需使用其中一组。
打头的字母“T”表示TTL电平,“R”表示RS232电平。
R1IN和R2IN表示输入RS232电平,因此与电脑的串口相连;
T1IN和T2IN表示输入TTL电平,因此与单片机相连。
所以,引脚T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT为接TTL∕CMOS电平的引脚,引脚T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN为接RS232电平的引脚。
MAX232芯片专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。
MAX232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供EIA/TIA-232-E电平。
可以分别接单片机的串行通信口。
MAX232是一种双组驱动器/接收器,片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。
3.2元件清单
本次设计需要用到的元器件如下表所示:
表3.1所需元件列表
元件
型号
个数
单片机
STC89C52RC
1
显示屏
LCD1602
温湿度传感器
SHT10
芯片底座
DIP40
光耦
TLP521-4
排针
10针
10
杜邦线
20
二极管
1N4007
4
三极管
9012
9013
电阻
10K
2
4.7K
9
1K
470
电位器
15K
瓷片电容
1uF
5
0.1uF
点解电容
10uF
30pF
电平转换芯片
MAX232
串口母头
DB9
USB母座
晶振
12MHz
自锁开关
6*6*5
按键开关
6*
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