基于单片机的温湿度控制系统方案.docx
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基于单片机的温湿度控制系统方案
基于单片机的温湿度控制系统
一、主要容
以STC89系列单片机为核心,通过传感器测试实验室温湿度进而启动设备调整实验室温湿度以达到舒适的环境。
二、基本要求
1、以单片机为核心设计整个系统。
2、实现传感器采集的温湿度数据传输到单片机中进行数据分析处理,并启动相应设备来调整实验室温湿度。
3、使用KeilC编程实现相关逻辑控制。
4、电路原理图设计,protel印刷电路图设计。
三、主要技术指标
1、电压直流5V,工作电流小于500mA。
2、完成主要功能
3、电路原理图
4、使用说明书撰写
5、论文正文不少于1.5万字,查阅文献资料不少于15篇,其中外文文献2篇以上,翻译与课题有关的外文资料不少于3000汉字。
四、应收集的资料与参考文献
C语言开发
关于STC89系列相关单片机开发文档。
相关传感和显示器件使用手册和接口电路
电机驱动模块。
五、进度计划
2011年2月下旬。
单片机开发集训,单片机工程实习
2011年3月10日。
资料收集,文献阅读
2011年3月20日,系统设计,电路实现
2011年4月15日,程序逻辑开发以与编译烧录
2011年5月10日,系统统调完成
2011年5月15日,论文撰写
2011年6月10日,答辩准备,ppt设计
2011年6月15日,答辩
目 录
第1章 绪 论
1.1 课题研究的背景
温度、湿度和人类的生产、生活有着密切的关系,同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数,例如机械、电子、石油、化工等各类工业中广泛需要对温度湿度的检测与控制。
并且随着人们生活水平的提高,人们对自己的生存环境越来越关注。
而空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响,所以对温度湿度的检测与控制就非常有必要了。
随着科技的飞速发展和普与,高性能设备越来越多,各行各业对温湿度的要求也越来越高。
传统的温湿度检测模式是以人为基础,依靠人工轮流值班,人工巡回查看等方式来测量和记录环境状况信息。
在这种模式下,不仅效率低不利于人才资源的充分利用,而且缺乏科学性,许多重大事故都是由人为因素造成的,人工维护缺乏完整的管理系统。
而问世监控系统就可以解决这样人才资源浪费,管理不与时的问题,这是由于它的智能化设计所决定的。
故本次设计对于类似项目还具有普遍意义。
1.2 课题研究的意义
8051单片机是常用于控制的芯片,在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果,用其作为温湿度控制系统的实力也很多。
使用8051单片机能够实现温湿度全程的自动控制,而且8051单片机易于学习掌握,性价比高。
使用8051型单片机设计温湿度控制系统,可以即时精确的反应温室的温度以与适度的变化。
完成诸如升温到特定的温度、降温到特定的温度。
在温度上下限围保持恒温等多种控制方式,在湿度控制方面也是如此。
将此系统应用到温室当中无疑为植被生长提供了更加适宜的环境。
对于大棚种植和花圃、花卉栽培,必须在某些特定环境安装温湿度装置对其进行监控。
本系统可以与时、精确的反映室的温度以与湿度的变化,能够满足温湿度的控制要求。
1.3 课题研究的主要容
本系统所要完成的任务是:
1.3.1人性化的设计。
界限温度值与湿度值能够由用户根据不同植被的各种生长需求由键盘输入并通过显示器显示。
1.3.2能够实时、准确的显示采样温度值与湿度值。
1.3.3通过采集温度与湿度值,准确的判断标准值与当前值之间的差异,与时的启动报警装置(警报提示音提示音)进行报警,并采取相应的方案。
1.3.4能够根据环境在不同时间段对温湿度的不同要求,用户可随机人为的更改温度与湿度值,以满足用户不同的需求。
1.4 课题研究的工作原理
该电路的最关键部分是关于温度和湿度的采集以与检测、显示。
主控电路芯片采用学校统一制作的STC89C52单片机学习板。
STC单片机执行指令的速度很快,对工作环境的要求比较低;传感器模块我选择了DHT11数字温湿度传感器。
告别了以前的单独测量温度以与湿度的方式,更简洁,更方便。
连接好外围电路。
通过DHT11准确的检测出当前环境下的温湿度,并且将所测数据交给STC单片机进行分析和处理。
再将所得数据有单片机发送给HJ1602A液晶屏。
成功完成显示。
控制模块采用蜂鸣器报警方式。
预先设置好所需温度和湿度的限值(一个上限一个下限),将蜂鸣器接入电路。
通过温度和湿度的上下限值控制蜂鸣器的报警。
若逾越限值,实现蜂鸣器鸣响。
但是需要注意的是温度超标和湿度超标需设置两种不同的鸣响方式,用来加以区别(温度越限以与湿度越限蜂鸣器的领翔方式必须不一样)。
提醒工作人员此时温度湿度数据出现异常、需与时调整,与时启用升温器、加湿器、降温风扇以与喷雾器来有效的调整实验室温湿度。
从而简单实现了控制。
总体来说,本次设计主要涉与了温湿度的测量以与实现简单控制。
硬件方面有四个模块,即传感器模块、STC80C52单片机主控模块、LCD1602液晶显示模块以与报警模块,从硬件制作方面。
也相对简便。
原理清晰、连线方便,不需要额外的焊接等技术。
给硬件的制作带来了极大的便捷。
第2章 系统总体方案设计
2.1 功能要求
1、通过数字温湿度传感器DHT11采集温湿度数据,即时传输给单片机;
2、单片机将收到的信号进行分析和处理,将采集到时温湿度实时数据送给1602液晶显示屏;
3、通过1602LCD液晶屏完成温湿度的数据显示;
4、给定温度湿度上下限数值,设置不同的温湿度,接入蜂鸣器,实现越限报警;
2.2 设计思路
电路总体上分为温湿度采集部分、中央处理器、显示模块以与报警模块部分。
以STC89C52单片机最小系统作为核心控制电路,控制DHT11传感器采集的温湿度的转换,控制1602液晶屏的显示,以与蜂鸣器的报警。
具体显示容与方式由软件来完成。
采集温湿度方面由DHT11传感器来完成,它是一个数字温湿度传感器、置模数转换,可以直接与单片机相连接。
而1602液晶屏是插针式,也可以直接与单片机相连接。
因此不需要手动焊接等复杂的过程。
具体步骤是:
按照原理图将传感器、1602液晶显示屏分别接入单片机。
通过DHT11传感器采集当前的温湿度值、再经单片机,将处理后的数据传送到液晶屏上显示出来。
并且接入蜂鸣器。
设置温度的上下限值。
实现越限报警。
2.3 方案选择
2.3.1 传感器选择方案
方案一:
选用DS18B20温度传感器作为温度检测模块。
DS18B20是一线式数字温度传感器。
具有独特的单线式接口方式。
测量围在—55℃~125℃,—10℃~85℃,误差围在-\+0.5℃。
最高精度可达0.0625℃。
HS1101是电容式湿度传感器。
可测量相对湿度围在0%~100%RH。
误差为-\+2%RH。
方案二:
选用DHT11作为设计的温湿度检测模块。
DHT11是一款集成型的数字温湿度一体传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
测量围20%~90%RH,0℃~50℃。
测温精度为-\+2℃,测湿精度为-\+5%RH。
完全符合本次毕业设计的要求。
经上述分析,方案一虽然精度更精确。
却稍显复杂。
方案二即便不能实现方案一的高精度测量。
却也能满足设计要求。
且简便易行。
可靠稳定。
具有超高的性价比。
故选择方案二。
2.3.2 显示器选择方案
方案一:
采用12864液晶显示屏。
液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块,可显示汉字与图形,置8192个中文汉字(16X16点阵)、128个字符(8X16点阵)与64X256点阵显示RAM(GDRAM)。
可与CPU直接接口,提供两种界面来连接微处理机:
8-位并行与串行两种连接方式。
具有多种功能:
光标显示、画面移位、睡眠模式等。
方案二:
采用HJ1602液晶显示屏。
HJ1602A是一种工业字符型液晶,能够同时显示16x02即32个字符。
(16列2行)。
1602只能显示字母、数字和符号能显示16*2个字符,但寄存器不止32个,有一些显示效果,如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示等等,显示效果简单。
总结:
在编程使用方面,两者难度差不多,原理差不多,都是写指令、写地址、写数据等等。
当然12864液晶屏显示更全面、字符更多。
相比于1602液晶屏、12864能更形象具体的实现显示功能。
不过1602液晶屏也能实现设计的要求。
网上买比较廉价,最低的六块钱左右。
而12864液晶显示屏最便宜的也要四十块钱。
从造价方面考虑,当然是价格低廉的优先。
而HJ1602A就是最好的选择。
2.3.3 单片机主芯片选择方案
方案一:
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS型8位单片机,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大。
其片的4K程序存储器是FLASH工艺的,这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短。
写入单片机的程序还可以进行加密,这又很好地保护我们的劳动成果。
再者,AT89C51目前的售价比8031还低,市场供应也很充足。
AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统,缩小系统体积,增加系统的可靠性,降低系统的成本。
只要程序长度小于4K,四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程,而且擦写时间仅需lOms。
AT89C51芯片提供三级程序存储器加密,提供了方便灵活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制。
PO口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
方案二:
STC89C51系列单片机的指令系统和AT89C51系列的完全兼容,但实际操作起来却存在很多问题:
(1)AT89C51不带ISP下载,要用下载器才行,STC89C52可以用你的USB转串口下载,下载软件可以到STC厂家网上去下。
(2)STC单片机执行指令的速度很快,大约是AT的3-30倍,尽管快是好事,但这样一来,你在AT上好使的程序在STC上不一定好用,最典型的例子就是那些对时序有严格要求的模块,用STC时注意得加长延时,大约是AT的10—30倍就差不多,这一点自己调试就知道了。
(3)STC单片机对工作环境的要求比较低,电压低于5伏时仍然正常工作,甚至3伏到4伏之间都还可以工作,然而这样的环境下AT肯定不行了,所以当一个系统用STC单片机好用,但用AT的单片机不工作时,直接查最小系统,看单片机的供电是否正常。
比较这两种方案,由于在学校期间学过数字电路、单片机原理、C语言程序设计,综合考虑单片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源,经过对比此次设计要求,我选择用STC系列芯片完成。
而且学校也提供了相应的硬件操作平台,实际操作起来比较方便,故STC为更合理的选择。
2.4总体设计框图
按照系统功能的具体要求,在保证实现其功能的然础上,尽可能降低系统成本。
总体设计方案围绕上述思想,初步确定系统的方案如图2-1所示。
从图中可以看出,系统有微处理器模块、1602字符液晶显示模块、DHT11传感器模块和报警模块组成。
在方案设计中,遵循简洁至上的原则,因此所有的外围模块采用串行方式与微处理器模块接口。
该设计以STC89C51系列单片机为控制核心,实现温湿度采集与显示的基本功能。
在设计系统时,为了更好地采用模块化设计法,分步的设计各个单元功能模块,系统的硬件部分可以分为传感器的使用、单片机控制、1602液晶显示和实现报警四大部分。
第3章 系统硬件设计
3.1 概述
此次的毕业设计主要由4个大的模块构成,分别是主控模块、传感器模块、LCD液晶显示模块与报警模块,其中主控模块是此次毕业设计的核心模块,主要是指STC89C52芯片,它控制整个系统的运行,利用其各个口分别控制其他模块,使其他模块能够成为一个整体,实现功能的需要;报警模块主要指将蜂鸣器接入单片机电路。
通过对时时温度的检测,并给定所需要的温度区间,即给定上下限值,实现越限报警;传感器模块用于实验室实时温湿度的检测、由于DHT11的数字一体性,集成了模数转换等模块。
直接接单片机即可。
LCD液晶显示模块同样接入单片机,完成对单片机处理后的数据进行显示。
3.2 主控模块设计
3.2.1 STC89C52芯片的简介
功能特性:
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案,如图3-1所示。
STC89C52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片晶振与时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
主要性能:
与MCS51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作:
0Hz~33Hz 、三级加密程序存储器 、32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
图3-1 STC89C52芯片
管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被部上拉为高电平,并用作输入。
作为输由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口,如下表所示:
管脚备选功能:
表3-1 P3口的第二功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
/INT0(外部中断0)
P3.3
/INT1(外部中断1)
P3.4
T0(记时器0外部输入)
P3.5
T1(记时器1外部输入)
P3.6
/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7
/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片振荡器。
石晶振荡和瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.2.2 主控模块电路原理图
单片机主程序模块通过对DHT11传感器采集到信号的读取,将得到的数据信号进行分析和处理,再将处理后的信号发送给1602液晶显示模块。
完成信息的接收与发送。
并且连接蜂鸣器。
控制报警系统。
如图3-2所示。
图3-2 STC89C52模块电路原理图
3.3 DHT11传感器模块设计
3.3.1 DHT11传感器简介
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP存中,传感器部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口,使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗,信号传输距离可达20米以上,使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
产品为4针单排引脚封装。
连接方便,特殊封装形式可根据用户需求而提供。
DHT11传感器实物图如下3-3所示:
图3-3 DHT11传感器实物图
(1)引脚介绍:
Pin1:
(VDD),电源引脚,供电电压为3~5.5V。
Pin2:
(DATA),串行数据,单总线。
Pin3:
(NC),空脚,请悬浮。
Pin4(VDD),接地端,电源负极。
(2)接口说明:
建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。
图3-4 DHT11典型应用电路
(3)数据帧的描述:
DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:
一次完整的数据传输为40bit,高位先出。
数据格式:
8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据
+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据
数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。
(4)电气特性:
VDD=5V,T=25℃,除非特殊标注
表3-2DHT11的电气特性
参数
条件
Min
typ
max
单位
供电
DC
3
5
5.5
V
供电电流
测量
0.5
2.5
mA
平均
0.2
1
mA
待机
100
150
uA
采样周期
秒
1
次
注:
采样周期间隔不得低于1秒钟。
(5)时序描述:
用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。
通讯过程如下图3-5所示:
图3-5
总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。
DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后,读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出高电平均可,总线由上拉电阻拉高。
图3-6
总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后,DHT11拉低总线50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。
数字0信号表示方法如下图3-7所示:
图3-7
数字1信号表示方法如下图3-8所示
图3-8
3.3.2 DHT11传感器模块电路设计
DHT11传感器连接STC89C51系列单片机相对比较简单。
单片机的P2.0口用来发收串行数据,即数据口。
连接传感器的Pin2(单总线,串行数据)。
由于测量围电路小于20米,建议加一个5K的上拉电阻,因此在传感器的Pin2口与电源之间连接一个5K电阻。
而传感器的电源端口Pin1和Pin4分别接单片机的VDD和GND端。
传感器的第三脚悬浮放置。
DHT11传感器原件的电路原理图如下3-9所示:
图3-9DHT11电路原理图
3.4 1602液晶显示模块设计
3.4.1 1602液晶显示屏简介
HJ1602A是一种工业字符型液晶,能够同时显示16x02即32个字符。
(16列2行)。
在日常生活中,我们对液晶显示器并不陌生。
液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件,如在计算器、万用表、电子表与很多家用电子产品中都可以看到,显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机的人机交流界面中,一般的输出方式有以下几种:
发光管、LED数码管、液晶显示器。
发光管和LED数码管比较常用,软硬件都比较简单。
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点:
由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度,恒定发光,而不像阴极射线管显示器(CRT)那样需要不断刷新新亮点。
因此,液晶显示器画质高且不会闪烁。
液晶显示器都是数字式的,和单片机系统的接口更加简单可靠,操作更加方便。
液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的,在重量上比一样显示面积的传统显示器要轻得多。
相对而言,液晶显示器的功耗主要消耗在其部的电极和驱动IC上,因而耗电量比其它显示器要少得多。
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、
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