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大棚温湿度自动控制系统设计说明书
大棚温湿度自动控制系统设计
摘要：
本设计是基于STC89C52RC单片机的大棚温湿度自动控制系统，采用SHT10作为温湿度传感器，LCD1602液晶屏进行显示。
SHT10使用类似于I2C总线的时序与单片机进行通信，由于它高度集成，已经包括A/D转换电路，所以使用方便，而且准确、耐用。
LCD1602能够分两行显示数据，第一行显示温度，第二行显示湿度。
这个控制系统能够测量温室大棚中的温度和湿度，将其显示在液晶屏LCD1602上，同时将其与设定值进行对比，如果超出上下限，将进行报警并启动温湿度调节设备。
此外，还可以通过独立式键盘对设定的温湿度进行修改。
通过设计系统原理图、用Proteus软件进行仿真，证明了该系统的可行性。
关键词：
STC89C52RC，SHT10，I2C总线，独立式键盘，温湿度自动控制
Abstract:
Thisdesignisanautomatictemperatureandhumiditycontrollerforgreenhouses,withtheSTC89C52RCMCUbeingitsmaincontroller.ItusestheSHT10asthetemperatureandhumiditysensor,andtheLCD1602todisplaythemessages.TheSHT10usesatimingsequencemuchliketheI2Ctocommunicatewiththemicro-controller.Becauseit’sahighlyintegratedchip,italreadyincludesananalogtodigitalconverter.Therefore,it’squiteconvenienttouse,andalsoaccurateanddurable.TheLCD1602candisplaytwolinesofmessages,withthefirstlinefortemperatureandthesecondlineforhumidity.Thedesigncanmeasurethetemperatureandhumidityinagreenhouse,andthendisplayitonaLCD1602.Meanwhile,itcomparesthedatawiththesetlimit.Ifthelimitisexceeded,thenthesystemwillsendoutawarningusingabuzzerandactivatethetemperatureandhumiditycontrollingequipment.Besides,thesetlimitcanbemodifiedwiththeindependentkeyboard.ThroughschematicdesignandProteussimulation,thefeasibilityofthisdesignhasbeenproved.
Keywords:
STC89C52RC,SHT10,I2Cbus,independentkeyboard,temperatureandhumiditycontrol
1前言
温室大棚作为一种高效的农业生产方式，与传统农业生产方式相比具有很大的优点。
温室农业生产可以获得高产和优质的蔬菜、花卉、瓜果，不仅可改变这些产品按自然季节供应的模式，延长其供应期，而且可在不同地方进行种植，达到所谓“地不分东西南北，食不分春夏秋冬”。
温室农业可以改变传统农业劳动力冬闲夏忙的安排，以小面积获得高产，减轻大面积的土地压力。
温室农业采用适时适量供水的优化用水同时配以微灌和高湿环境，可达到农业用水高效高产，按产品的数量平均计算，节省水分量是很大的。
这种设施系统可以从简易到全自动控制，适宜各种状况下的选择，特别是对于日光温室、塑料大棚，相对投资较少。
若能降低成本、采用经久耐用的低成本采光材料，发展前景将更为广阔，即使在一些偏远地区的农村、场所，也可以修建单个的温室和塑料大棚，进行环境控制下的蔬菜和瓜果的生产，改变这些地区的生活条件。
要想实现温室大棚高效增产的作用，对温湿度的准确控制是极其重要的。
温室内空气湿度的日变化受天气、加温及通风换气量的影响，阴天或灌水后室内空气湿度几乎都在90％以上。
晴天在傍晚关窗至次日早晨开窗前温室维持在高湿度。
室内湿气遇冷后凝结成水滴附着在薄膜或玻璃的内表面上，待到加温或日出后，室内温度上升，湿度逐渐下降，附着在屋顶上的水滴随之消失。
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：
有；
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
1
温湿度传感器
SHT10
1
芯片底座
DIP40
1
光耦
TLP521-4
1
排针
10针
10
杜邦线
20
二极管
1N4007
4
三极管
9012
1
三极管
9013
4
电阻
10K
2
电阻
4.7K
9
电阻
1K
1
电阻
470
4
电位器
15K
1
瓷片电容
1uF
5
瓷片电容
0.1uF
1
点解电容
10uF
1
瓷片电容
30pF
2
电平转换芯片
MAX232
1
串口母头
DB9
1
电平转换芯片
MAX232
1
USB母座
1
晶振
12MHz
1
自锁开关
6*6*5
1
按键开关
6*6*5
6
蜂
升级会员 