毕业设计温室大棚温湿度测控系统硬件设计.docx
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毕业设计温室大棚温湿度测控系统硬件设计
2010届毕业设计
题目温室大棚温湿度测控系统硬件设计
学院自动化与电气工程学院
专业电气工程及其自动化
班级电气062
学号
学生姓名
指导教师
完成日期2010年6月10日
二○一○年六月
*******学院毕业设计、学位论文
版权使用授权书
本人学号声明所呈交的毕业设计(论文)、学位论文《温室大棚温湿度测控系统硬件设计》,是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,与我一同工作的人员对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
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年月日签字日期:
年月日
摘要
温室坏境测控,即根据植物生长发育需要,自动调节温室内环境的总称。
进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证,通过对监测数据的分析,结合作物生长发育规律,控制环境条件,使作物在不适宜生长发育的反季节中,可获得比室外生长更优的环境条件,达到作物优质、高产、高效的栽培目的。
本文主要介绍AT89C52单片机的温湿度测控系统设计原理。
该系统采用AT89C52单片机作为控制器,采用DHT90专用芯片作为温、湿度传感器,通过其内部信号处理与模数转换,将输出数据送入AT89C52单片机进行数据处理与显示。
关键词:
单片机、温湿度、传感器
Abstract
Testingandcontrollingsystemoftheintelligentgreenhouseenvironmentcouldadjustautomaticallyallkindsofthecircumstanceconditionbythedemandofthevegetabledevelopment.Itisthebasisoftheautomationandscienceofthegreenhousemanagement.Itmakesthethegreenhousevegetabletogetbetterindoorconditionthanoutdoorintheunfitseasonbyanalyzingthedataandcombiningtherulesofthevegetablegrowthandcontrollingthecircumstanceconditioninordertoachievehighqualityandhighyield.
Inthispaper,temperatureandhumiditymonitoringAT89C52MCUsystemdesigntheory.ThissystemusesAT89C52singlechipmicrocomputerasthecontroller,DHT90waschosenasatemperatureandhumiditysensor.Afterseriesofinternalsignalprocessingandanalog-to-digitalconversion,digitalDATAweresentintoAT89C52single-chipmicrocomputerforthecalculationandfinallydisplayedonamonitor.
Keywords:
Microcontroller、TemperatureandHumidity、Sensors
1前言
1.1选题的背景与意义
中国农业的发展必须走现代化农业这条道路,随着国民经济的迅速增长,农业的研究和应用技术越来越受到重视,特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。
现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。
例如:
空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。
在农业种植问题中,温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关,进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证,通过对监测数据的分析,结合作物生长发育规律,控制环境条件,使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。
以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。
大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数,直接关系到蔬菜和水果的生长。
国外的温室设施己经发展到比较完备的程度,并形成了一定的标准,但是价格非常昂贵,缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。
而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理,这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端,容易造成不可弥补的损失,结果不但大大增加了成本,浪费了人力资源,而且很难达到预期的效果。
因此,为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性,推动我国农业的发展,必须大力发展农业设施与相应的农业工程,科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量,使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境,是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。
目前,随着蔬菜大棚的迅速增多,人们对其性能要求也越来越高,特别是为了提高生产效率,对大棚的自动化程度要求也越来越高。
由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高,使得这种要求变为可能
1.2研究的基本内容与拟解决的主要问题
植物的生长都是在一定的温湿度环境中的,农业温室大棚为现代农业提供新的生产环境,取得了良好的经济和社会效益。
它可以提高农民收入,提高产业化水平,提高抵御自然灾害能力,延长作物生长时间,提高作物产量。
对于农作物来说,温度和湿度是两个非常重要的条件。
所以能够监控温度和湿度对农业大棚的生产有着十分重要的意义。
温度、湿度是农业生产的主要环境参数,对其进行适时准确的测量具有重要意义。
温室温湿度测控系统是对温室环境因素(温度、湿度)进行相应地修正或调整,使植物生长处于最佳或相对最佳的生长环境条件中。
而当今大多数对温室温度与湿度的控制采用人工管理,这不但大大增加了成本,浪费人力资源,而且很难达到希望的成效。
在温室中,温度和湿度很大程度影响着植物的生长发育。
适合的温湿度促进植物的生长发育,而不合适的温湿度不但对植物生长是不利的,还会增加病虫害。
温室是一个比较密闭的环境,其温湿度条件与露天有很大不同。
长期密闭或灌溉不当可能造成温湿度的不当,从而对作物生长不利还会增加病虫害。
随着传感器的发展,可以利用传感器将温度和相对湿度非电信号转化为相应的电信号,从而便于测控,这种方法省力、耗能小、准确,能在空气中温湿度不合理时采取相应的补救措施。
解决了人工检测的不准确性和经验性。
本文主要开发了采用AT89C52单片机对系统进行温度和湿度的监测控制。
其中温度信号和湿度信号都由温湿度传感器DHT90提供。
由DHT90内置存储器存储温湿度范围,当温湿度超出相应的范围,系统通过蜂鸣器来报警。
系统完成的温度和湿度的测量值在液晶显示器LCD1602上显示相应的温度和湿度,此系统具有较高的测量精度和控制精度。
2温湿度测量系统
2.1温湿度概念
2.1.1温度的定义
温度表示物体的冷热程度的物理量,物体的温度反映了物体内部分子运动平均动能的大小。
分子运动愈快,物体愈热,即温度愈高;分子运动愈慢,物体愈冷,即温度愈低,这种现象被描述为一个物体的热势,或能量效应,当以数值表示温度时,即称之为温度度数。
1.绝对零度
开氏温度标度是用一种理想气体来确立的,它的零点被称为绝对零度。
根据动力学理论,当温度在绝对零度时,气体分子的动能为零。
2.相对温度
我们常用的摄氏温度就是一种相对温度,把冰的熔点定义为0度,单位是摄氏度。
2.1.2湿度的定义
湿度的概念是空气中含有水蒸气的多少,它有三种表示方法。
第一是绝对湿度,它表示每立方米空气中所含的水蒸气的量,单位是千克/立方米。
第二是含湿量,它表示每千克干空气所含有的水蒸气量,单位是千克/千克·干空气。
第三是相对湿度,表示空气中的绝对湿度与同温度下的饱和绝对湿度的比值,得数是一个百分比。
(也就是指在一定时间内,某处空气中所含水汽量与该气温下饱和水汽量的百分比。
)日常生活中所指的湿度为相对湿度,%RH表示。
总言之,即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。
1.绝对湿度(Absolutehumidity)
单位体积(1m3)的气体中含有水蒸气的质量(g),表示为D=g/m3。
但是,即使水蒸气量相同,由于温度和压力的变化气体体积也要发生变化,即绝对湿度D发生变化,D为容积基准。
2.相对湿度(Relativehumidity)
气体中的水蒸气压(e)与其气体的饱和水蒸气压(es)的比,用百分比表示,表示为RH=e/es×100%。
但是,温度和压力的变化导致饱和水蒸气压的变化,相对湿度也将随之而变化,通常在工作和生活中我们使用的湿度即为相对湿度。
2.2温湿度传感器的分类及特点
2.2.1温度传感器的分类和特点
1.温度传感器的分类
温度传感器有四种主要类型:
热电偶、热敏电阻、电阻温度测量器(RTD)和IC温度传感器。
IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。
2.各温度传感器的特点
热电偶应用很广泛,因为它们非常坚固而且不太贵。
热电偶有多种类型,它们覆盖非常宽的温度范围,从200℃到2000℃。
它们的特点是:
低灵敏度、低稳定性、中等精度、响应速度慢、高温下容易老化和有漂移,以及非线性。
另外,热电偶需要外部参考端。
RTD精度极高且具有中等线性度。
它们特别稳定,并有许多种配置。
但它们的最高工作温度只能达到400℃左右。
它们也有很大的TC,且价格昂贵(是热电偶的4~10倍),并且需要一个外部参考源。
模拟输出IC温度传感器具有很高的线性度(如果配合一个模数转换器或ADC可产生数字输出)、低成本、高精度(大约1%)、小尺寸和高分辨率。
它们的不足之处在于温度范围有限(55℃~+150℃),并且需要一个外部参考源。
数字输出IC温度传感器带有一个内置参考源,它们的响应速度也相当慢(100ms数量级)。
虽然它们固有地会自身发热,但可以采用自动关闭和单次转换模式使其在需要测量之前将IC设置为低功耗状态,从而将自身发热降到最低。
与热敏电阻、RTD和热电偶传感器相比,IC温度传感器具有很高的线性,低系统成本,集成复杂的功能,能够提供一个数字输出,并能够在一个相当有用的范围内进行温度测量。
2.2.2湿度传感器的分类和特点
(1)湿度传感器的分类
湿度传感器分为电阻式和电容式两种。
产品的基本形式都是在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。
空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后,元件的阻抗、介质常数发生很大的变化,从而制成湿敏元件。
(2)湿度传感器的特性
国内外各厂家的湿度传感器产品水平不一,质量价格都相差较大,用户如何选择性能价格比最优的理想产品确有一定难度,需要在这方面作深入的了解。
湿度传感器具有如下特点:
1)精度和长期稳定性
湿度传感器的精度应达到±2%~±5%RH,达不到这个水平很难作为计量器具使用,湿度传感器要达到±2%~±3%RH的精度是比较困难的,通常产品资料中给出的特性是在常温(20℃±10℃)和洁净的气体中测量的。
在实际使用中,由于尘土、油污及有害气体的影响,使用时间一长,会产生老化,精度下降,湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断,一般说来,长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题,年漂移量控制在1%RH水平的产品很少,一般都在±2%左右,甚至更高。
2)湿度传感器的温度系数
湿敏元件除对环境湿度敏感外,对温度亦十分敏感,其温度系数一般在0.2~0.8%RH/℃范围内,而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下,其温度系数又有差别。
温漂非线性,这需要在电路上加温度补偿式。
采用单片机软件补偿,或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的,湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果,非线性的温漂往往补偿不出较好的效果,只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。
湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。
多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。
2.3基于51单片机的温湿度测控系统原理
由于基于单片机设计的测量系统具有算法精确、低功耗、数据处理功能强大、功能灵活和使用方便等特点,所以通常通过51单片机及其各种接口电路来实现温、湿度的测量。
其一般原理是:
采用集成温度和湿度传感器作为采集温度和湿度数据的主要元件。
在得到传感器采集到的信号和湿度信号后,经由A/D转换器转换为数字信号后送入到单片机中进行计算和温度补偿,然后得到将实际测量的温、湿度值显示在显示器上,如果温度或湿度超出门限值就给出报警信号。
3温湿度测控系统硬件选择
3.1系统的设计
现实生活中,温、湿度的测量在纺织工业、林业、化工、各种军用、民用库房以及气象和模拟人工气侯环境中都有着广泛的应用。
因此能否有效地对这些领域的环境温度和湿度进行实时监测,是一个必须解决的重要课题。
采用适宜的温、湿度传感器构成电子监控装置是一种较好的解决方案。
为此,利用MCS-5l系列单片机设计了一个度、湿度测量系统。
其基本原理图如图3-1所示:
图3-1基本原理图
3.2系统主要功能要求
设计温湿度测控系统主要有以下几个功能:
1.温度的测量
2.湿度的测量
3.当温湿度大于或低于门限值时,通过指示灯,蜂鸣器报警
4.时钟显示
3.3单片机AT89C52介绍
3.3.1内部结构、资源
AT89C52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。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,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AT89C52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。
其内部主要由CPU、RAM、ROM、通用I/O及总线构成,内部结构图如3-2所示:
图3-2内部结构
CPU:
由运算和控制逻辑组成,同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器;
RAM:
用以存放可以读写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据;
ROM:
用以存放程序、一些原始数据和表格;
AT89C52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,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89C52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内容被保存,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。
3.3.2机器周期和指令周期
(1)振荡周期:
也称时钟周期,是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。
(2)状态周期:
每个状态周期为时钟周期的2倍,是振荡周期经二分频后得到的。
(3)机器周期:
一个机器周期包含6个状态周期S1-S6,也就是12个时钟周期。
在一个机器周期内,CPU可以完成一个独立的操作。
(4)指令周期:
它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。
每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。
MCS-51系统中,有单周期指令、双周期指令和四周期指令。
以下是AT89C52单片机引脚图:
图3-3AT89C52引脚图
3.4DHT90温湿度传感器
DHT90温、湿度传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上,输出完全标定的数字信号。
传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件,并在同一芯片上,与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接,带有两线制的串行接口和内部的电压调整功能。
因此DHT90具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。
以下是DHT90传感器实物图:
图3-4DHT90温湿度传感器
DHT90温湿度传感器的主要特性如下:
(1)将温、湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片(CMOsenstm技术);
(2)可给出全校准相对湿度及温度值输出;
(3)带有工业标准的I2C总线数字输出接口;
(4)具有露点值计算输出功能;
(5)具有卓越的长期稳定性;
(6)湿度值输出分辨率为14位,温度值输出分辨率为12位,并可编程为12位和8位;
(7)小体积(7.65*5.08*23.5mm),可表面贴装;
(8)具有可靠的CRC数据传输校验功能;
(9)片内装载的校准系数可保证100%互换性;
(10)电源电压范围为2.4~5.5V;
(11)电流消耗,测量时为550uA,平均为28uA,休眠时为3uA。
温度传感器部分:
测量范围:
-40℃—+124℃;
允许偏差值:
±0.5℃
由能隙材料PTAT(正比于绝对温度)研发的温度传感器具有极好的线性。
可用如下公式将数字输出(SOt)转换为实际温度值:
T=d1+d2*Sot
其中在5V标准电压下,d1=-40,d2=0.01
表3-1为温度转换系数表:
表3-1温度转换系数表
VDD
d1(℃)
d2(℃)
5V
-40.1
0.01
4V
-39.8
0.04
3.5V
-39.7
0.04
湿度传感器部分:
敏感元件(湿度):
电容性聚合体测湿敏感元件;
分辨率:
8bitmin,12bitmax;
湿度变送范围:
0~100%RH;
精度(湿度准确度):
±3%RH;
湿度值输出DHT90可通过I2C总线直接输出数字量湿度值,DHT90的输出特性呈一定的非线性,为了补偿湿度传感器的非线性,可按如下公式修正湿度值:
RHlinear=c1+c2*SORH+c3*SORH²
表3-2为湿度转换系数表:
表3-2湿度转换系数表
SORH
C1
C2
C3
12bit
-2.0468
0.0367
-1.5955E-6
8bit
-2.0468
0.5872
-4.0845E-4
考虑湿度型号的温度补偿,由于实际温度于测试参考温度25℃的显著不同,湿度型号需要温度补偿。
温度校正粗略对应于0.12%RH/℃@50%RH。
RHtrue=(T℃-25)*(t1+t2*SORH)+RHlinear
表3-3为0温度补偿系数表:
表3-3温度补偿系数表
SORH
t1
t2
12bit
0.01
0.00008
8bit
0.01
0.00128
DHT90数据串口DATA:
DATA引脚为三态结构,用于读取传感器数据。
当向传感器发送命令时,DATA在SCK上升沿有效且在SCK高电平时必须保持稳定。
DATA在SCK下降沿之后改变。
为确保通讯安全,DATA的有效时间在SCK上升沿之前和下降沿之后应该分别延长至TSUandTHO。
当从传感器读取数据时,DATATV在SCK变低以后有效,且维持到下一个SCK的下降沿。
DHT90工作指令:
(1)传输开始初始化传输时,应首先发出“传输开始”命令,该命令可在SCK为高时使DATA由高电平变为低电平,并在下一个SCK为高时将DATA升高。
接下来的命令顺序包含三个地址位(目前只支持“000”)和5个命令位,当DATA脚的ack位处于低电位时,表示DHT90正确收到命令。
(2)连接复位顺序如果与DHT90传感器的通讯中断,下列信号顺序会使串口复位:
即当DATA线处于高电平时,触发SCK9次以上(含9次),此后应接着发一个“传输开始”命令。
初始化命令和传输开始命令如图3-5所示:
图3-5初始化命令和传输开始命令
(3)温湿度测量时序当发出了温(湿)度测量命令,控制器就要等到测量完成。
使用8/12/14位的分辨率测量分别需要大约11/55/210ms的时间。
为表明测量完成,DHT90会使数据线为低,此时控制器必须重新启动SCK,然后传送两字节的测量数据与1字节CRC校验和。
控制器必须通过使DATA为低来确认每一个字节,所有的量均从右算,MSB列于第一位。
通讯在确认CRC数据位后停止。
如果没有用CRC校验和,则控制器就会在测量数据LSB后保持ack为高来停止通讯,DHT90在测量和通讯完成后会自动返回睡眠模式。
需要注意的是:
为使DHT90的温升低于0.1℃此时的工作频率不能大于标定值的15%。
如表3-4所示温湿度测量命令:
表3-4温、湿度测量命令
温度测量
00000011
湿度测量
00000101
图3-6描述了整个湿度测量和数据读取的通讯过程:
图3-6湿度测量和数据读取的通讯过程
3.5LCD1602显示器
3.5.11602字符型LCD简介
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD,目前常用16*1,16*2,20*2和40*2行等的模块。
下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例,介绍其用法。
一般1602字符型液晶显示器实物如图3-7:
图3-71602字符型液晶显示器实物图
在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件的几个优点:
(1)显示质量高:
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。
(2)数字式接口:
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。
(3)体积小,重量轻:
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,在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
(4)功耗低:
相对而言,液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上,因而耗电量比其它显示器要少得多。
3.5.2液晶显示器的原理和分类
1.液晶显示原理:
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性,通过电压对其显示区域进行控制,有电就有显示,这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点,目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
2.液晶显示器的分类:
液晶显示的分类方法有很多种,通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。
除了黑白显示外,液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。
如果根据驱动方式来分,可以分为静态驱动(Static)、单纯矩阵驱动(SimpleMatrix)和主动矩阵驱动(ActiveMatrix)三种。
3.液晶显示器各种图形的显示原理:
线段显示:
点阵
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