基于AT89S52单片机的蔬菜大棚温湿度检测装置的设计.doc
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摘要
随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素是温湿度的控制。
温湿度太低，蔬菜就会被冻死或停止生长，同时，温湿度过高亦不行，所以要将温湿度始终控制在适合蔬菜生长的范围内，这就首先需要一个温湿度检测装置来正确检测温湿度。
现在，随着农业生产规模的提高，大部分蔬菜大棚，都对温湿度的检测装置提出了更高的要求。
为此，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温湿度自动检测装置，以检测蔬菜大棚温湿度，来适应生产需要。
从而使人们在工农业生产、气象、环保、科研等部门以及在日常生活中，对温湿度的检测更加方便、快捷。
本论文主要阐述了基于AT89S52单片机的蔬菜大棚温湿度检测装置的设计，主要包括硬件电路设计及软件设计等。
该系统采用AT89S52单片机作为控制器，DS18B20、HS1101分别作为温度湿度数据采集系统，温度湿度实现LCD数字实时显示，按键调整上下限设置，超限报警等功能，通过软、硬件设计使得该款温湿度检测装置具有智能化、高精度、高可靠性等优势，具有广阔的应用前景。
关键词：
AT89S52；DS18B20；HS1101；蔬菜大棚；温湿度检测
ABSTRACT
Withthepopularizationoftrellistechnology,thenumberofgreenhousetrellisiscontinuouslygrowing,forvegetableshedspeaking;oneofthemostimportantmanagementfactoristhetemperatureandhumiditycontrol.Temperatureistoolow,thevegetableswillfreezetodeathorstopgrowing,meanwhile,hightemperatureisalsonotgood.Sotoalwayscontroltemperatureandhumidityinasuitablevegetablegrowthrange.Atemperatureandhumiditydetectiondevicestocorrecttestingtemperatureandhumidityisfirstneeded.Now,withtheimprovementofagriculturalindustryscale,formostvegetabletrellis,thedetectiondeviceoftemperatureandhumidityputforwardhigherrequest.Therefore,inmodernvegetableshedmanagementoftenhastemperatureandhumidityautomaticdetectionsystem,inordertodetectthetemperatureandhumidity,toadapttothetrellisvegetableproductionneeds.Sothatpeopleinindustrialandagriculturalproduction,meteorology,environmentalprotectionandscientificresearchdepartmentsandindailylife,thedetectionoftemperatureandhumiditymoreconvenient,fast.
ThisthesismainlyelaboratedbasedonAT89S52tomatoescanopytemperatureandhumiditycontrolsystemdesignprinciple,mainincludingcircuitdesignandsoftwaredesign,thissystemusesAT89S52singlechipmicrocomputerascontroller,DS18B20andHS1101astemperatureandhumiditydataacquisitionsystemseparately.TemperatureandhumidityrealizeLCDdigitalreal-timedisplay,overrunalarmfunctions.Throughthesoftandhardwaredesignmakesitalmostwithintelligenthumiditydetectiondevice,highprecision,highreliability,etcadvantages,andhaswideapplicationprospects.
Keywords：
AT89S52;DS18B20;HS1101;Vegetableshed;TemperatureandHumiditydetection
目录
摘要 I
ABSTRACT II
1绪论 1
1.1课题设计背景 1
1.2温度湿度检测技术发展现状 1
1.3预期目标 3
2设计方案的选择 4
2.1温度传感器的选择 4
2.2湿度传感器的选择 5
2.3显示模块的选择 6
2.4系统总体方框图 8
3系统硬件设计 10
3.1控制模块 10
3.2复位电路和时钟电路 12
3.3温度检测电路 14
3.4湿度检测电路 19
3.5显示电路 22
3.6按键及报警电路 24
3.7系统总电路 26
4软件设计 28
4.1主程序流程图 28
4.2温度检测子程序流程图 29
4.3按键扫描子流程图 29
5Proteus仿真与调试 31
5.1Proteus仿真图 31
5.2实物调试 34
6总结及展望 36
参考文献 37
附录 38
致谢 53
IV
1绪论
1.1课题设计背景
随着科技的进步和现代生活的快速发展，在工农业生产、气象、环保、国防、科研等部门及日常生活中，经常需要对环境温度与湿度进行检测及控制。
准确测量温湿度对于生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要。
在温湿度检测技术不断发展完善的今天，温湿度检测装置也正在朝着集成化、智能化的方向发展。
主要表现在以下两个方面：
（1）温湿度传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件，
（2）在温湿度检测系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等几项新技术。
本论文是以蔬菜大棚为研究对象来设计一款基于单片机的温湿度检测装置。
温湿度是衡量温室大棚的两项重要指标,它直接影响到栽培作物的生长和产量,植物的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对植物生长影响最大的是环境中的温度和湿度。
环境中昼夜的温度和湿度变化大，其对植物生长极为不利。
因此必须对环境的温度和湿度进行监测和控制，使其适合植物的生长，来提高其产量和质量。
但传统的人工温度湿度的测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。
因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度检测装置。
该论文即是针对这一问题,设计出了能够实现温湿度自动检测,LCD数字实时显示,按键调整上下限设置，超限报警等多功能的温湿度检测装置。
1.2温度湿度检测技术发展现状
在传统的温度检测装置的设计中,往往采用模拟技术进行设计。
传感器一般采用热电阻、热电偶等模拟器件，需要额外加补偿电路，安装复杂，成本较高,而且必须经过A/D转换后才可以被微处理器识别和处理，这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题。
而其中某一环节处理不当,就有可能造成整个系统性能的下降。
目前，温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。
超小的体积，超低的硬件开销，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。
此外DS18B20作为新型数字温度传感器，采用3脚封装，从DS1820读出或写入数据仅需要一根I／O口线，而且测量精度达到12位，最低精确到小数点后4位有效数字。
用这种智能化数字式传感器的优势显而易见。
近十年来随着时代的发展，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门，越来越需要采用湿度传感器，对产品质量的要求越来越高，对环境温、湿度的控制以及对工业材料水分值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。
湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业，湿度传感器，分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都为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。
目前，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，而且，湿度传感器普遍存在着互换性差的现象，同一型号的传感器不能互换，严重影响了使用效果，给维修、调试增加了困难，有些厂家在这方面做出了种种努力，但互换性仍很差。
而且校正湿度要比校正温度困难得多，温度标定往往用一根标准温度计作标准即可而湿度的标定标准较难实现，干湿球湿度计和一些常见的指针式湿度计是不能用来做标定的，精度无法保证，因其要求环境条件非常严格，一般情况，（最好在湿度环境适合的条件下）在缺乏完善的检定设备时，通常用简单的饱和盐溶液检定法，并测量其温度。
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。
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。
1.3预期目标
本设计装置完成后可以通过温度传感器DB18B20和湿度传感器HS1101对蔬菜大棚内的温度湿度进行实时检测，通过单片机AT89S52对采集到的温度湿度数据进行处理，用LCD显示出当前蔬菜大棚内的温度湿度的测量值，其中温度湿度的设定值可由工作人员根据蔬菜大棚内种植的具体作物所需的最适宜温度湿度进行按键调整，当测量到的温度湿度值超过设定值时，报警器（蜂鸣器）则会动作报警。
本设计装置完成封装后正面视图应如下图1-1所示：
显示检测到的实时温度、湿度
工作状态指示灯及报警
按键调整区
图1-1装置正面封装视图
2设计方案的选择
2.1温度传感器的选择
温度传感器：
能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。
温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。
传统的温度传感器主要包括热电阻温度传感器和模拟温度传感器。
方案一：
采用热电阻温度传感器
导体的电阻值随温度变化而改变，通过测量其阻值推算出被测物体的温度，利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器。
（如图2-1所示）
100.00
E+
S+
S-
E-
图2-1热电阻温度传感器
这种传感器主要用于-200—500℃温度范围内的温度测量。
纯金属是热电阻的主要制造材料，热电阻的材料应具有以下特性：
（1）电阻温度系数要大而且稳定，电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。
（2）电阻率高，热容量小，反应速度快。
（3）材料的复现性和工艺性好，价格低。
（4）在测温范围内化学物理特性稳定。
目前，在工业中应用最广的铂和铜，并已制作成标准测温热电阻，其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量，但在腐蚀性介质中使用稳定性差。
方案二：
采用模拟温度传感器
AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器，供电电压范围为3—30V，输出电流223μA（-50℃）—423μA（+150℃），灵敏度为1μA/℃。
当在电路中串接采样电阻R时，R两端的电压可作为输出电压。
注意R的阻值不能取得太大，以保证AD590两端电压不低于3V。
AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。
作为一种高阻电流源，最高可达20MΩ，所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。
适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。
方案三：
采用DS18B20温度传感器
DS18B20是“一线总线”接口的温度传感器，一线总线结构具有简洁且经济的特点，可使用户轻松地组建传感器网络，从而为测量系统的构建引入全新概念，DS18B20的测温范围为-55℃—+125℃，在-10℃—+85℃范围内，精度为±0.0625℃，现场温度可直接通过“一线总线”以数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
它工作在3V---5.5V的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设计更灵活、方便，设定分辨率及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
（如图2-2所示）
27.0
DQ
2
VCC
3
GND
1
图2-2DS18B20仿真图
综合比较方案一、方案二及方案三，则方案三更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。
2.2湿度传感器的选择
湿度传感器：
能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。
测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。
电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。
方案一：
采用HOS-201湿敏传感器
HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ～1KHZ，测量湿度范围为0～100%RH，工作温度范围为0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。
这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。
然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。
方案二：
采用HS1100（HS1101）湿度传感器
HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。
相对湿度在1%---100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于±2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04pF/℃[4]。
可见精度是较高的。
且其在仿真时可用一电容代替。
综合比较方案一与方案二，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。
因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。
2.3显示模块的选择
方案一：
采用LED数码管显示
LED数码管以发光二极管作为发光单元，颜色有单红，黄，蓝，绿，白，七彩效果。
LED数码管可均匀排布形成大面积显示区域，可显示图案及文字。
（如图2-3所示）
图2-3四位LED数码管
半导体数码光分共阳极数码管和共阴极数码管。
LED数码管（LEDSegmentDisplays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。
LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。
共阴和共阳极数码管，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已，颜色有红，绿，蓝，黄等几种。
LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，而且根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。
方案二：
采用LCD1602显示器显示
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线。
（如图2-4所示）
VSSVDDVEERSWRED0D1D2D3D4D5D6D7
图2-4LCD1602
LCD显示器都是数字式的，恒定发光，不需要刷新新亮点，显示器显示质量高且不闪烁，抗干扰能力强，和单片机系统的接口比较可靠，可以节省软件中断资源，显示信息丰富，其缺点是显示内容需要存储字摸信
息，需要一定存储空间，而且程序的编写也稍微复杂。
虽然LED数码管
能在低电压、小电流条件下驱动发光，高频特性好，单色性好，亮度高等特点，而且其程序的编写较容易，但是其显示信息有限，只能显示数字信息，若采用LED数码管显示则需要两片四位的LED数码管，从而需要更多的I/O口来进行控制。
综合考虑方案一和方案二，本设计决定采用方案二。
2.4系统总体方框图
若在蔬菜大棚的实际应用中，需要同时采集多处的温度湿度值，这只需将温度传感器湿度传感器安装在需要检测的部位，再将其接入CD4051多路开关，它是一种单片、COMS、8通道开关。
该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器，带有8选1译码器输入，分别加上控制的8个COMS模拟开关TG组成，这样便可以检测到多路温度与湿度信号输入。
再将检测到的模拟量经过A/D转换输入到单片机AT89S52进行处理，将处理过的数据通过显示器显示出来。
本设计为仅就单路温度、湿度信号进行采集设计的温度湿度检测装置。
系统硬件设计的原理框图如图2-5所示：
通过系统方框图可以清楚到看到本设计的全部思路为：
温度传感器和湿度传感器分别将检测到的环境中的温度量和湿度模拟量，经过其内部的各种计算处理为数值量送入单片机AT89S52处理，再在LCD显示器中显示结果，并且设置了上下限和按键调整上下限设置，当超过了上下限范围即会发出报警声，便可根据显示值进行相应的处理。
显示及报警电路
湿度检测模块HS1101
温度检测模块DS18B20
AT89C52
按键：
调整温湿度设定值
图2-5系统总体方框图
3系统硬件设计
3.1控制模块
本系统选用AT89S52作为控制器，AT89S52是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89S2052是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器，AT89S52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
其引脚排列如图3-1所示
图3-1AT89S52引脚图
（1）电源及时钟引脚（4个）
VCC:
电源接入引脚；
GND:
接地引脚；
XTAL1:
晶体振荡器接入的一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚接地）；
XTAL2:
晶体振荡器接入的另一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端）。
（2）控制线引脚（4个）
RST/VPD:
复位信号输入引脚/备用电源输入引脚；
ALE/PROG:
地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚（低电平有效）；
EA/Vpp:
内外存储器选择引脚（低电平有效）/片内EPROM（或FlashROM）编程电压输入引脚；
PSEN:
外部存储器选通信号输出引脚（低电平有效）。
（3）并行I/O引脚（32个，分成4个8位口）
P0.0～P0.7:
一般I/O引脚或数据/低位地址总线服用引脚；
P1.0～P1.7:
一般I/O引脚；
P2.0～P2.7:
一般I/O引脚或高位地址总线引脚；
P3.0～P3.7:
一般I/O引脚或第二功能引脚。
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；
AT89S52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，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。
3.2复位电路和时钟电路
本系统采用上电+按键复位，是上电复位和按键电平复位的组合，无论是上电还是按动按键都能使单片机复位。
如图3-3所示：
R2
1K
R3
10K
C3
10uf
RESET
图3-3复
升级会员 