仓库温湿度控制系统.docx
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仓库温湿度控制系统
仓库温湿度控制系统
仓库温湿度控制系统
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摘要....................................................................2
1仓库温湿度控制系统设计任务和性能指标..................................3
1.1设计任务..........................................................3
1.2性能指标..........................................................3
2系统总体设计..........................................................3
3硬件设计..............................................................4
3.1单片机最小系统....................................................4
3.2LCD1602显示模块...................................................5
3.3温湿度传感器模块..................................................6
3.3.1SHT10温湿度传感器的介绍.......................................6
3.3.2SHT10与单片机的接口电路......................................7
3.4报警模块..........................................................7
3.4按键模块..........................................................8
3.4控制模块..........................................................8
4软件设计.............................................................9
4.1主程序流程图....................................................9
4.2SHT10子程序流程图...............................................10
4.3LCD1602子程序流程图.............................................10
4.4输出控制子程序流程图.............................................11
4.5键盘扫描子程序流程图.............................................11
5仿真与调试...........................................................12
5.1调试环境.......................................................12
5.2不足与优化.......................................................13
6总结..................................................................13
7参考文献..............................................................13
附件1系统仿真图.........................................................14
1仓库控制系统设计任务和性能指标
1.1设计任务
为了保护仓库储存的物品的质量，创造适宜储存的环境，当库内温湿度适宜物品储存时，控制设备不用采取措施，温湿度传感器只是对库内进行检测。
当库内温湿度不适宜物品储存时，报警装置进行报警，控制设备采取相应的措施对仓库温湿度进行调节，只至温湿度在限定的范围内。
1.2性能指标
本文要设计的仓库温湿度自动控制系统，要能够及时、准确地对仓库的温度、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温湿度上下限，来满足不同物品的储存条件。
为了满足仓库储存的需要，此次设计要达到一下指标：
（1）工作环境：
仓库；
（2）温度测量误差：
±1℃；
（3）测温范围：
-10~+55℃；
（4）湿度测量误差：
±5%RH；
（5）测湿范围：
0～100%RH；
（6）能否通过键盘电路修改上下限：
能；
（6）有无温湿度报警：
有；
2系统总体设计
本设计核心部件为AT89C51，信号采集及处理部分由SHT10构成，进入单片机后经处理后通过LCD1602显示温湿度，信号显示采用的液晶屏为5×7点阵，一行可显示16字，两行，第一行显示温度，第二行显示湿度。
通过上位机部分对测量的温湿度进行上下值的设定，应用RS-485通信方式完成测控电路与上位PC机的数据交换。
当测量超过限定值，通过超限报警处理电路对其进行处理分别显示不同的二极管灯亮，蜂鸣器产生长鸣，串口向PC端发送具体的报警信息，控制设备采取相应的措施使温湿度到达设定的范围内。
硬件中包括五个按键，对温湿度上下限进行修改。
开机后，所有器件初始化，温湿度传感器SHT11开始进行温湿度测量和计算，最后通过LCD液晶显示器显示结果。
在测量结果中有超过设定的温湿度上下限的，通过温湿度控制部分作出反应。
整体电路框图如图1所示：
图1整体电路框图
3硬件设计
3.1单片机最小系统
图2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。
3.2LCD1602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4LCD1602与单片机的接口电路
3.3温湿度传感器模块
3.3.1SHT10温湿度传感器的介绍
SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。
该传感器内1个奄容式聚合体溺瀑元件和1个能隙式测温元件组成，并嗣1个14位A／D转换器以及1个2-wire数字接口在单芯片中无缝结合，使得该产品具有功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。
（1）SHT10的主要特点
◆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），响应速度快；
◆越低功耗，自动休眠；
◆出色的长期稳定性；
◆超小体积（表面贴装）；
◆测湿精度土4．5％RH，测温精度土0．5℃（25℃）。
◆测温范围-40~123℃，测湿范围0~100%RH
（2）SHT10的命令与时序
①）SHTl0命令
②；命令时序
发送一组“传输启动”序列进行数据传输初始化，如图5所示。
其时序为：
当SCK为高电平时DATA翻转保持低电乎，紧接着SCK产生1个发脉冲，随后在SCK为高电平时DATA翻转保持高电平。
紧接着的命令包括3个地址位（仅支持“000”）和5个命令位。
SHTl0指示正确接收命令的时序为：
在第8个SCK时钟的下降沿之后将DATA拉为低电平（ACK位），在第9
个SCK时钟的下降沿之后释放DATA（此时为高电平）。
图5命令时序
③复位时序
如果与SHTl0的通信发生中断，可以通过随后的信号序列来复位串口，如图6所示。
保持DATA为高电平，触发SCK时钟9次或更多，接着在执行下次命令之前必须发送一组“传输启动”序列。
这些序列仅仅复位串口，状态寄存器的内容仍然保留。
图6复位时序
④状态寄存器读写时序
SHTl0通过状态寄存器实现初始状态设定。
图7读时序
图8写时序
3.3.2SHT10与单片机的接口电路
图9SHT10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。
为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。
需要一个外部的上拉电阻（例如：
10kΩ）将
信号提拉至高电平。
上拉电阻通常已包含在微处理器的I/O电路中。
3.4报警模块
当仓库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、LED和串口。
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。
蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。
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。
LED在这个模块中主要是显示温湿度不在限定范围内，不同的LED亮，显示对应的物理量超限。
串口主要是当温室度超限，单片机不停地向PC端发出具体超限的物理量。
报警电路图10所示
图10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P3.5接PNP型三极管的基极，当P3.5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P3.5高电平时，三极管截至，蜂鸣器不鸣叫。
串口的2、3号脚分别接单片机的P3.0和P3.1，便于与PC机进行通信。
四个LED正极直接与VCC相连，当负极出现低电平时，对应的LED亮。
3.5按键模块
按键电路图如下图所示
图11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，它们用来改变设定的温湿度上下限数值。
从K1到K5，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。
本设计可以直接设定温湿度参数的上下限值，从而达到对温湿度控制报警的功能。
3.6控制模块
控制模块电路图如下所示
图12控制模块电路图
控制模块主要由直流电机、继电器、加热丝等构成。
由于单片机的输出电流一般为30-40mA,输出的低电平为0.1V左右，而直流电机的驱动电流为200mA，驱动电压为5V，继电器的驱动电流约为90Ma,所以要用三级管放大，通过继电器使电机开关吸合，避免电机不能正常工作。
控制模块的主要功能是当温湿度不在限定范围时，控制设备开始工作，使温湿度达到自己限定的范围内。
4软件设计
4.1主程序流程图
图13主程序流程图
4.2SHT10子程序流程图
图14SHT10子程序流程图
4.3LCD1602子程序流程图
图15LCD1602子程序流程图
4.4输出控制子程序流程图
图16输出控制子程序
4.5键盘扫描子程序流程图
图17
Yes
No
键盘扫描子程序
为了防止抖动，按键电路中都要消抖的措施，本设计中是采用的软件消抖，在单片机检测到某个键按下后，延时10ms再监测，如果仍然按下，才视为按下了该键。
K1、K2、K3、K4、K5分别对应单片机的P2.3-P2.7引脚。
按下K1，也就是使P2.3为低电平时，进入温度上限的设置，再按一次进入温度下限的设置；按下K2，进入湿度上限的设置，再按一下进入温度下限的设置。
在每个设置里面，按K3增加限值，按K4减小限值。
设置好以后，按K5退出设置。
5．仿真与调试
5.1调试环境
本设计用到了KeiluVision4和Proteus7.8两种软件进行联合调试。
实验中使用C语言在KeiluVision4进行编写源代码，并通过编译检查源程序中的代码是否正确。
原理图是在
Proteus7.8提供的环境中绘画。
在KeiluVision4编译无误后生成HEX文件，并将其导入到原理图中，在原理图没有错误后就可以进行仿真。
通过仿真可以进行调试，使设计达到要求。
5.2不足与优化
不足：
按键会出现抖动，延时时间过短致使按键按下时单片机可能没来得及响应。
SHT10测量温湿度最大误差可达到±4.5，对于一些温湿度要求较高的物品还存在较大的误差。
优化方案：
对于按键出现抖动的情况，我们可以增大延时时间来，解决这个问题。
对于一些对温湿度要求比较高的物品，我们可以使用其它精度比较高而且比较有经济效益的的传感器，同时可以采取多点测量的方法来解决。
6．总结
这次的课程设计是利用单片机AT89C52来设计仓库温湿度控制系统，设计中使用LCD1602进行对当前温度和湿度进行显示，使用温湿度传感器SHT10对温湿度测量，当温湿度超限时，蜂鸣器发出报警信号，同时，控制设备进行相应的操作使温湿度回到限定的范围内。
通过模拟，基本实现了对仓库温湿度的控制。
这次课程设计让我学习和了解了很多东西。
通过查找资料，我了解了SHT10温湿度传感器的使用方法，并对里面的一些函数和设计思路有了一定的认识，同时，了解了LCD1602后，我知道了1602该如何使用，并能够初步的使用它。
由于使用SHT10温湿度传感器时，单片机的P3.6和P3.7分别于SHT10的DATA和SCK直接相连，而单片机与SHT10的接口电路中，数据端DATA接了一个上拉电阻，让我加深了单片机内部的P1、P2、P3口有上拉电阻。
另外在这次实验中我知道蜂鸣器分为有源和无源两种，也知道了它们接入电路的区别。
这次课程设计体会最深的对软件和硬件的调试，软件调试过程中遇到了很多麻烦，如按键延时过短，导致单片机没来得及响应使液晶显示屏上还是按键按下前的字符，通过改正延时时间的长度，最终把这个问题解决了；在硬件调试中也遇到了一些问题，如蜂鸣器没有声音，最后经过查阅资料，是因为蜂鸣器的电压和电流不够，通过三极管的放大作用，最终蜂鸣器发出声音，其次还可以通过改变蜂鸣器的频率改变声音的音调。
通过这次课程设计，我知道我们在遇到问题时，我们应该多动脑，同时应该多查阅资料以便解决问题。
同时，在这次课程设计中，我知道我们的知识面很小，我们在今后学习中应该多阅读一些书来丰富我们的知识，这样在以后遇到问题时，我们能够快速的处理。
7．参考文献
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电子工业出版社,2008
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[13]李泉溪.单片机原理与应用实例仿真（第二版）.北京航空航天大学出版社,2011
附录一系统仿真图
单片机课程设计期末成绩评定表
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报告答辩记录：
成绩类别
考勤成绩（10%）
答辩成绩（20%）
报告成绩（50%）
实物成绩
（20%）
总分（百分制）
成绩
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