基于单片机的动物居室温湿度监控系统.docx

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基于单片机的动物居室温湿度监控系统

摘要

居室温湿度控制系统是以居室内的温湿度为输入量，以居室的调温和排湿装置（风机、步进电机、排气扇等）为控制对象，在单片机控制系统上用模糊控制的方法使居室中温湿度的变化满足居住需求，达到提高动物居室生活要求目的。

针对温湿度变化的非线性和相互耦合现象，本文设计了基于单片机和模糊控制技术的动物居室温湿度自动控制系统。

本论文的工作重点主要有以下几个方面：

第一，设计和实现了以Atmega16为核心的单片机系统，配有键盘、显示和干湿温度采集处理的控制系统，设计了基于GAL的步进电机驱动控制电路、基于1-wier总线的干湿温度多点采集电路、I2C总线器件AT24C02工艺参数存储等外围电路，可实现信号采集、数据显示、键盘控制、数据计算、排湿装置控制、调温装置控制等功能。

详细介绍了硬件电路设计和软件程序设计，并针对单片机系统的硬件和软件介绍了一些工程上实用的抗干扰技术；第二，针对干湿温度变化的非线性和相互耦合现象，具体研究了居室温湿度变化的规律，设计了基于模糊控制技术的模糊控制器并制定了模糊控制查询表。

关键词：

温湿控制模糊控制Atmega16GALSHT11

Abstract

Accordingtothetemperatureandhumidityofwarmroomandtemperature-controlandhumidity-controldevice（suchasfansteppingmotor,exhaustfanandsoon）,thetemperatureandhumiditycontrolsystemforwarmroom,whichusesfuzzycontrolbasedonMCUcontrolsystem,cansatisfytheprocessrequirementoftemperatureandhumiditychanceinwarmroom,improvequalityoflivingroom.Accordingtothetemperatureandhumiditynonlinearvariationandcouplingphenomena,IdesignedthecontrolsystembasedonMCUandfuzzycontrol.

Themainfocusofthispaperarethefollowingaspects:

Firstly，theMCUcontrolsystem，withkeyboardinputLEDdisplayandtemperature-humiditycollecting,withthecoreofatmega16isdesigned.Whatismore，pulsedistributorofsteppingmotorwithGAL,multi-temperature-humiditycollectingcircuitbasedon1-wirebusandtheprocessingparametermemorycircuitwithI2CbusinterfacedeviceAT24C02andsoondesignedforthissystemwhichhasthefunctionofsignalcollectingdatadisplaying,keyboardcontrolling,datacomputing,temperature-controldevicecontrolling,humidity-controldevicecontrollingandsoon.Thehardwaredesignandsoftwaredesignaredescribedindetail.AndsomepracticalhardwareandsoftwarereliabilitymeasuresofMCUsystemareintroduced.Secondly,accordingtothetemperatureandhumiditynonlinearvariationandcouplingphenomenainwarmroom,Istudythetemperatureandhumiditycharacteristicofwarmroom,anddesignthefuzzycontrollerandfuzzycontrolpollinglist.

Keywords:

temperature-humiditycontrolfuzzycontrolAtmega16GALSHT11

摘要1

Abstract2

目录3

第一章绪论5

1.1课题背景介绍5

1.2论文研究的目的与意义5

1.3系统设计简介5

1.3.1设计要求5

1.3.2功能简介6

第二章系统分析7

2.1系统设计原则7

2.2可行性分析7

2.3系统硬件总体设计以及说明8

第三章模糊控制理论9

3.1空气温湿度解耦理论依据9

3.2模糊控制特点10

3.3模糊控制的基本原理10

3.4模糊控制系统的组成11

3.5本温室温湿度模糊解耦控制算法的实现12

3.5.1温湿度模糊解耦器设计12

3.5.2清晰化处理17

3.5.3温湿度模糊控制20

第四章系统的设计与实现23

4.1系统硬件方案23

4.2单片机芯片的选用24

4.3电源转换电路的设计25

4.4键盘控制电路设计25

4.5显示电路设计26

4.6步进电机驱动控制电路设计27

4.6.1步进电机控制原理28

4.6.2GAL脉冲分配器30

4.6.4步进电机驱动控制电路31

4.7传感器模块的设计与实现32

4.7.1温湿度传感器的选择32

4.7.2SHT11（温湿度传感器）传感器描述33

4.7.3SHT11工作时序34

4.7.4SHT11与单片机的连接35

4.7.5湿度线性补偿和温度补偿36

4.7.6温度值输出37

4.7.7露点计算37

4.8参数存储电路设计38

4.8.1

总线38

4.8.2参数存储芯片AT24C0240

4.9通信接口及声光报警电路41

第五章系统的软件设计与实现43

5.1初始化程序43

5.2按键处理模块44

5.3显示模块45

5.4模糊控制模块46

5.5温湿度测量模块47

第六章系统抗干扰技术49

6.1硬件抗干扰技术49

6.2软件抗干扰技术50

第七章系统仿真51

总结54

参考文献55

致谢58

第一章绪论

1.1课题背景介绍

温湿度的测控在工农业生产、日常生活及科学研究中有着广泛的应用，诸如农业生产中蔬菜大棚内温湿度测控，粮仓中的温湿度测控以及发电厂，电力部门等都需要温湿度测控。

由于常用的温湿度传感器的非线性输出，使温湿度的测量方法和手段相对比较复杂，也给电路的调试增加了难度；为此，采用一体化集成温湿度传感器有利于提高测控系统的抗干扰能力和可靠性。

1.2论文研究的目的与意义

目的：

对基于Atmega16单片机的温湿度监控系统进行研究和设计，能够对周围环境的温度和湿度进行实时测量；实现基于Atmega16单片机的温湿度监控系统的软、硬件设计。

其意义：

1、基于Atmega16单片机的温湿度监控系统可以为一些对温度、湿度比较敏感的场合提供准确的温度、湿度信息，还可以用于粮库、机房等场所。

能够创造一定的社会经济效益。

　　2、通过对温湿度监控系统的设计来学习并掌握有关单片机的知识和传感器通信技术以及数码管的显示原理，达到进一步巩固平时所学的专业知识。

3、将所学的理论知识和实践相结合，为以后在此基础上结合相关领域设计产品和改进某些产品性能具有很好的实践意义。

1.3系统设计简介

1.3.1设计要求

1、能对输入的温湿度传感器信号进行检测。

2、能判断检测的信号是否越界，在设计程序过程中，考虑到检测的信号在低于或高于设定温湿度的范围时应做些什么。

3、通过监控主机或PC来实时查看当前温度和湿度值，并可在监控主或PC上设置报警参数以便实时监控环境温度和湿度值。

4、温度测量范围：

-40℃~123.8℃，精度：

+0.4℃；

湿度测量范围：

0%RH~100%RH，精度：

+3%RH；

响应时间：

t<4s

1.3.2功能简介

本系统的设计是将智能传感器监测和单片机控制相结合，整个系统采用ATMEGA16单片机为核心配置，以温湿度传感器、数码管显示、按键、蜂鸣器报警驱动、计算机监控系统等部件。

通过单片机与智能传感器相连，采集并存储智能传感器的测量数据。

另一方面通过RS-232总线与监控计算机通信，将采集到的数据传输给监控计算机。

监控计算机将单片机传输的数据进行记录、存储、处理，供工作人员浏览、记录和进行相关处理。

第二章系统分析

2.1系统设计原则

要求系统具有可靠性高、操作维护方便、性价比性高等优点。

1、可靠性

高可靠性试单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要设计准则，提高系统可靠性一般从以下几个方面考虑：

使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出采用抗干扰措施，进行软硬件滤波，系统自诊断功能。

2、操作维护方便

在系统软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护的方便，尽量减少对操作人员专业知识的要求，以利于系统的推广。

因此，在设计时，要尽可能减少人机交换接口，多采用操作内置或简化的方法，同时系统应该配有现场故障程序诊断程序，一旦故障能有效准确的对故障进行定位，以便进行维修。

3、性价比

单片机除了体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。

一个单片机系统能否被广泛应用，性价比是其中一个关键因数。

因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度的允许的情况下尽可能用软件功能代替硬件功能。

2.2可行性分析

随着电子技术和单片机的发展，基于单片机的测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。

利用单片机对温湿度进行测控的技术，得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。

本设计主要用到的是Atmega16单片机和数字式温湿度传感器SHT11。

所用到的这些器材价格合理，市场上也容易买到。

所以设计出来的系统并不需要大的费用，制造的成本较低，经济上完全在可以承受的范围内，设计满足经济可行性。

单片机从诞生至今发展了几十年，已经是一种成熟的技术，它应用在工控、智能器表等很多领域，可以说现在社会上很多地方都能看到单片机应用的身影，有很多参考方面的资料可以学习，所以从技术上来说也完全可行。

2.3系统硬件总体设计以及说明

本温湿度监控系统设计以Atmega16单片机作为核心，通过温湿度传感器芯片（SHT11）对环境内的温度、湿度参数实时检测，经温湿度传感器芯片内A/D转换器转换成对应的二进制值存储于芯片的RAM中，单片机通过发送读取温湿度传感器温度/湿度命令码则温湿度传感器返回对应的参数值，系统实时地测量显示环境的温湿度值，实现温湿度自动控制，使其在较宽的温度范围内具有较高的测试精度，同时还可以根据用户设定报警阈值报警，一旦发现环境温湿度超限，立即报警。

系统功能框图如图2-1所示。

图2-1系统功能框图

第三章模糊控制理论

3.1空气温湿度解耦理论依据

设空气初始参数温度为T1，相对湿度为RH1，根据空气热力学原理，此时空气中水蒸气饱和分压力

与T1相对应，而水蒸气分压力

只与空气中的含水量有关，相对湿度可表示为：

（3-1）

若保持空气中的含水量d不变，温度变化为T2，空气状态焓湿图上可以看出，空气的相对湿度将变为RH2，则：

（3-2）

式中

为水蒸气分压力，

为温度T2下空气饱和水蒸气分压力。

若温度变化

很小，则大气压变化可以忽略，且含水量没有变化，则可认为

保持不变，即：

（3-3）

由上式可得：

，从而可知，温度对相对湿度的影响，只有在温度发生变化时才比较明显，其影响大小与温度变化幅度有关。

如果温度进入稳定状态（达到设定值），则其对相对湿度的影响就为零。

因此，以当前温、湿度为初始值，以设定温度为终态值，则有：

（3-4）

式中

为当前温度下的饱和水蒸气分压力，单位为：

，

为设定温度下的饱和水蒸气分压力，单位为：

。

以

代替

参与控制运算，可实现温度对湿度的解耦，我们称

为预估相对湿度值。

而空气中含水量的变化对空气温度影响极微，在此可忽略不计，使问题得到简化。

3.2模糊控制特点

模糊控制理论诞生后，由于它具有明显的优点，主要反映在对复杂的、机理不明的控制系统，它模仿和升华了人的控制经验与策略，因此与经典的控制方法比较更有工程意义。

它具有以下特点：

1、模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。

2、由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。

3、基于模糊的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异，但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。

4、模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。

5、模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。

因此，模糊控制被广泛的应用于工业锅炉、煤炭生产过程、金属冶炼、石油化工等方面，并取得了较为理想的效果。

3.3模糊控制的基本原理

模糊控制的基本原理可由图3-1表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线部分所示。

模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号（在此取误差反馈）。

一般误差信号作为模糊控制器的输入量。

把误差信号的精确量进行模糊化变成模糊量，误差的模糊量可用相应地模糊语言表示。

至此，就得到了误差的模糊语言集合的一个子集，再由该子集和模糊控制规则根据推理的合成规则做出控制决策，得到模糊控制量。

为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量转换为精确量，这一步在图3-1中称为非模糊化处理（也称为去模糊化或清晰化处理）。

得到了精确的数字控制量后，经数模转换，变为精确的模拟量后送给执行机构，对被控对象精确控制，然后，进行下一次信号采样，如此循环，从而实现了被控对象的模糊控制。

图3-1模糊系统原理图

3.4模糊控制系统的组成

模糊控制系统和常见的负反馈控制系统很相似，唯一不同之处是模糊控制装置是由模糊控制器来实现，模糊控制器通常由下列几个部分组成。

如图3-2所示。

1、输入、输出量的规范化。

输入输出量的规范化是指将规范化的控制器的输入输出限制在规定的范围内，以便于控制器的设计和实现。

2、输入量的模糊化。

模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制器输出的求解，模糊化的主要作用是将输入量规范化后的确定量转换成一个模糊矢量。

3、语言控制规则。

模糊控制器的控制规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。

模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，如if-then、or、also、and等，关系词必须经过“翻译”，才能将模糊控制规则数值化。

图3-2模糊系统的组成

4、模糊逻辑推理。

模糊推理是控制器中根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。

在模糊控制中考虑到推理时间，通常采用运算较简单的推理方法。

5、输出量的非模糊化（解模糊化）。

模糊推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能己经完成。

但是，至此所获得的结果仍是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须作一次转换，求得清晰的控制量出，即为解糊化。

3.5本温室温湿度模糊解耦控制算法的实现

3.5.1温湿度模糊解耦器设计

采用模糊解耦控制实际上就是加进一个合适的补偿器，以消除耦合回路对主回路的影响，使各主回路能分别独立控制，达到解耦控制的目的。

在温湿度耦合中，主回路是温度控制回路，副回路是湿度控制回路。

由于模糊解耦器有其本身的因素，所以不可能做到而且也没有必要做到使温度回路和湿度回路完全独立，实际上只需将湿度耦合对温度回路产生的影响降到最低程度，使它不至于影响温度主回路的正常调节就可以了。

模糊解耦器如图3-3所示。

图3-3温湿度模糊解耦算法原理图

图3-3中Kl、K2为量化因子，al、a2为解耦补偿系数，eT、eH为温度偏差和湿度偏差，分别等于测量值减去设定值，cT、cH今为温度回路补偿量和湿度回路补偿量。

模糊解耦器是个两输入两输出的模糊解耦器。

解耦器的输入为温度偏差和湿度偏差。

解耦器的输出为对温度回路的补偿和湿度回路的补偿值。

在模糊控制算法中，把温度偏差和湿度偏差的实际变化范围叫做输入变量的基本论域，基本论域常用区间表示，通用公式为[-x，x]。

根据实际情况和实践经验，在本课题中，温度偏差的量化范围：

最大值5℃，最小值-5℃，湿度偏差的量化范围为：

最大值20%，最小值-20%。

与基本论域对应的是模糊集的论域，通用公式表示为[-n，-n+l，....，0，....，n-1，n]，可以通过量化因子（常用K表示）将基本论域中的偏差转化到模糊集的论域上。

由于n值过大会使控制规则变得复杂，太小会使模糊处理结果粗糙而破坏控制性能，同时根据实际控制情况，将温度偏差分为七档：

负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（Z），正小（PS），正中（PM），正大（PB）。

与此对应将偏差分为：

[-5，-4，-3，-2，-l，0，l，2，3，4，5]。

同样，将湿度偏差也分为七档：

负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（Z），正小（PS），正中（PM），正大（PS）。

与此对应将湿度偏差分为：

[-5，-4，-3，-2，-l，0，l，2，3，4，5]。

为了简化计算，在满足系统控制精度的前提下，定义输入采用三角隶属函数；根据温室实际控制经验的总结，其隶属函数曲线如图3-4所示。

图3-4对应eT、eH隶属函数

由此可确定温度偏差eT、湿度偏差eH各语言变量的隶属度赋值如表3-1所示。

量化因子K反映了输入变量的基本论域元素值与模糊集的论域元素值之间的比例关系可用公式K=n/x表示，因此此处温度偏差量化因子Kl=5/5=1，湿度偏差量化因子K2=5/20=0.25。

温度偏差和湿度偏差的量化域如表3-2所示。

表3-1温度偏差eT和湿度偏差eH隶属度赋值表

ET/EH

变量

-5

-4

-3

-2

-1

0.8

0.2

0.1

0.5

0.1

0.8

0.1

1.5

0.5

0.1

0.8

0.1

0.5

0.1

0.2

0.8

表3-2温度偏差eT和湿度偏差eH量化域表

eT、eH量化等级

eT量化域（单位：

℃）

eH量化域（单位：

%RH）

-5

-4

-3

-2

-1

将对温度回路补偿量分为七档：

负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（Z），正小（PS），正中（PM），正大（PB）。

湿度回路补偿量也分为七档。

与此对应将补偿量分为（补偿系数al、a2都取2）：

[-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5]。

定义输出也采用三角隶属函数；参照实际控制经验，其隶属函数曲线如图3-5所示。

图3-5cT、cH隶属函数

温度补偿量cT、湿度补偿量cH各语言变量的隶属度赋值如表3-3所示。

表3-3隶属度赋值

cT/cH

变量

-5

-4

-3

-2

-1

0.7

0.2

0.1

0.4

0.1

0.7

0.1

1.5

0.5

0.1

0.7

0.1

0.4

0.1

0.2

0.7

表3-4温度补偿cT模糊规则表

在这里对温度回路补偿量、湿度回路补偿量所分七档：

负大（NB），负中（NM），负小（NS），零（Z），正小（PS），正中（PM），正大（PB）作以说明。

正小（PS），正中（PM），正大（PB）表示补，就是加大控制量；零（Z）表示不补；负大（NB），负中（NM），负小（NS）表示减，就是减小控制量。

根据实际经验得出解耦温度补偿cT规则表如表3-4所示，解耦湿度cH补偿规则表如表3-5所示。

表3-5湿度补偿cH模糊规则表

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