恒温恒湿控制系统的设计与实现.docx
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恒温恒湿控制系统的设计与实现
本科毕业设计
（自然科学）
题目：
恒温恒湿控制系统的设计与实现（偏硬）
院（系、部）：
河北科技师范学院机电科学与工程系
学生姓名：
**********************************************
指导教师：
刘士光职称教授
2012年5月29日
河北科技师范学院教务处制
资料目录
1.
学术声明………………………………………………………………
～页
2.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）…………………………
～页
3.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）任务书………………
～页
4.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）开题报告……………
～页
5.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）中期检查表…………
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6.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）答辩记录表…………
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7.
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）成绩评定汇总表……
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8
河北科技师范学院本科毕业论文（设计）工作总结……………
～页
9
其他反映研究成果的资料（如公开发表的论文复印件、效益证明等）……………………………………………………………
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河北科技师范学院
本科毕业设计
恒温恒湿箱控制系统的设计与实现（偏硬）
院（系、部）名称：
河北科技师范学院
专业名称：
电气工程及其自动化
********
学生学号：
**********
********
2012年5月19日
河北科技师范学院教务处制
学术声明
本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。
本人签名：
日期：
指导教师签名：
日期：
摘要
本文利用AT89C52单片机设计一个温室的温湿度控制系统，对给定的温湿度进行控制并实时显示，其中温湿度信号各有四路，系统采用一定的算法对信号处理以确定采取某种控制手段。
系统硬件主要由电源电路、温度采集电路、湿度采集电路、键盘、显示电路、输出控制电路及其他辅助电路组成。
使用温度传感变送器获得温度的感应电压，经处理后送给单片机。
单片机将给定的温度与测量温度的相比较，得出偏差量，然后根据模糊控制算法得出控制量。
执行器由开关频率较高的固态继电器开关担任，采用PWM控制方法，改变同一个周期中电子开关的闭合时间。
从而调节高温电磁阀开关的导通时间，达到蒸汽控制目的。
通过键盘输入控制信息，并能将控制箱内的实时信息通过LED显示出来，实现人机对话。
关键词：
单片机；信号采集；温湿度控制；LED显示；
Abstract
ThistextusesthetypeAT89C52one-chipcomputertocontrolthetemperatureandhumidity,real-timecontroltemperatureandconstanttemperaturepermanentwetcasecontrolsystemofthehumidity."theconstanttemperature,permanentwetcontrolcabinet"aregatheredthetemperature,humiditywhichtestthecasebyNo.twosensor,giveto8051microprocessordealingwithby,loweringthetemperature,humidification,dehumidifying,alarm,etc.continuetheelectricdevicerespectively.Accordingtoneed,isitcontrolinformationisandcanreal-timeinformationofcontrolcabinetthroughLEDshowcomeouttoinputthroughkeyboard,realizeman-machinedialogue.
Keywords:
one-chipcomputer；signalgathering；temperatureandhumiditycontrol；LEDmonitor
1绪论
1.1论文研究背景与意义
恒温恒湿箱也称恒温恒湿试验机、恒温恒湿实验箱、恒温机，可用于检测材料在各种环境下性能的设备及试验各种材料耐热、耐寒、耐干、耐湿性能。
适合电子、电器、通讯、仪表、车辆、塑胶制品、金属、食品、化学、建材、医疗、航天等制品检测质量之用。
随着我国工业产品研制的需要，近几年来，我国从国外引进了大批试验系统，为我国工业产品的研制和定型发挥了重要作用，但由于其本身的复杂性，使得试验箱在运行中出现了许多问题，而且出现了问题不能及时解决，大大延长了试验周期，影响了产品的研制工作。
随着现代农业的发展，恒温恒湿箱的应用越来越广泛（比如菌种的培养、幼苗的培育以及设施仪器仪表的校准等），并要求其性价比更高，使用寿命更长，使用费用更少（省电），响应速度更快。
而采用单片机来对温度和湿度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
基于此，本课题围绕恒温恒湿箱系统的设计与实现进行研究。
1.2主要研究内容
恒温恒湿的控制系统主要有以下几个方面：
加热系统、制冷系统、除湿系统、加湿系统、电气控制系统。
具体的要根据恒温恒湿的温度范围、湿度范围去设计.以单片机为控制器，结合温度传感变送器、LED显示器等，组成一个恒温恒湿控制系统。
使用温度传感变送器获得温度的感应电压，经处理后送给单片机。
单片机将给定的温度与测量温度的相比较，得出偏差量，然后根据模糊控制算法得出控制量。
执行器由开关频率较高的固态继电器开关担任，采用PWM控制方法，改变同一个周期中电子开关的闭合时间。
从而调节高温电磁阀开关的导通时间，达到蒸汽控制目的。
2系统总体设计
2.1方案设计
恒温恒湿控制系统，主要要完成对温度、湿度的采集、显示以及设定等工作，从而实现对温湿度的控制，以达到恒温恒湿的目的。
传统采用铂电阻充当测温器件的方案，虽然其中段测量线性度好，精度较高，但是测量电路的设计难度高，且测量电路系统庞大，难于调试，而且成本相对较高。
鉴于上述原因，本系统采用DS18B20充当测温器件。
外部温度信号经DS18B20将输入的模拟信号转换成8位的数字信号，通过并口传送到单片机系统。
单片机系统将接收的数字信号译码处理，通过LED将温度显示出来，同时单片机系统还将完成键盘扫描、按键温度设定、超温报警等程序的处理，将处理的温度信号与系统设定温度值比较，形成可以控制制冷、制热与停止工作三种工作状态，从而实现温度的智能化。
湿度传感器选用HIH3610型传感器，将湿度信号由传感器进行采集，经单片机将其与设定湿度进行比较，进而控制加湿、干燥，达到恒湿控制。
2.2控制系统测控设定
1.能够实时采集与显示环境温度、湿度等参数。
2.能够根据要求变化通过键盘输入改变对参数的设置，以满足不同的要求达到最佳效果；
3.声音报警功能；
4.根据检测到的信号，实时控制执行机构的开启与关断。
2.3控制系统组成
本设计是以AT89C52单片机为核心的自动控制系统，硬件系统由键盘输入电路、LED显示电路、传感器、A/D转换、隔离开关和执行电路、报警电路等组成。
硬件系统原理框图如图2.1所示：
图2.1测控系统硬件组成原理框图
传感器一般输出的为模拟量，需要通过A/D转换，转换为单片机能够接收的数字信号，若模拟信号太弱，还需经过运算放大器放大信号。
键盘输入的是系统参数的上、下限极限值，若检测到的信号值出现不在此极限区间的情况，单片机就会驱动蜂鸣器产生报警，此时就需要执行机构控制室内环境相应的改变，使得环境参数重新回到设定的理想区间。
3.硬件设计
硬件元器件的选择，必须考虑到功能的实现、器件的适时性、价格和通用性等几个方面。
在电路的设计中，在实现所要求功能的基础上，尽量使电路简单。
3.1单片机的选择
计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积庞大。
单片机（微控制器）就是在这种情况下诞生的。
微控制器，亦称单片机或者单片微型计算机。
它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（1/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的，在智能控制系统中，微控制器得到了广泛的应用。
单片机目前己被广泛地应用于家电、医疗、仪器仪表、工业自动化、航空航天等领域。
市场上比较流行的单片机种类主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8051系列单片机，Motorola公司的M6800系列单片机，Intel公司的MCS96系列单片机,Microchip公司的PIC系列单片机等。
各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、I/O能力、功耗、功能、价格等方面各有优劣。
这些种类繁多的单片机家族，给我们单片机的选择也提供了很大的余地。
本设计选用AT89C52单片机，它是一种低功耗、低价格，高性能8位微处理器。
3.2AT89C52系列单片机介绍
AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
3.2.1AT89C52基本特征
AT89C52系列单片机主要性能参数如下：
·与MCS-51产品指令和引脚完全兼容
·8k字节可重擦写Flash闪速存储器
·1000次擦写周期
·全静态操作：
0Hz-24MHz
·三级加密程序存储器
·256字节内部RAM
·32个可编程I/O口线
·3个16位定时/计数器
·8个中断源
·可编程串行UART通道
·低功耗空闲和掉电模式。
AT89C52提供以下标准功能：
8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.2.2AT89C52单片机内部组成结构
AT89C52单片机的内部结构如图3.1所示：
图3.1AT89C52内部结构
3.2.3AT89C52的引脚功能
引脚功能说明如图3.2：
·Vcc：
电源电压
·GND：
地
·P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
图3.2AT89C52单片机封装图
·P1口：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表3.1。
表3.1引脚P1.0和P1.1的第二功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2（定时\计数器2外部计数脉冲输入）,时钟输出
P1.1
T2EX（定时\计数器2捕获\重装载触发和方向控制
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
·P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。
·P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.2所示：
表3.2引脚P3口的第二功能
端口引脚号
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INTO（外中断0）
P3.3
/INT1（外中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0）
P3.5
T1（定时/计数器1）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
/RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
·RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
·ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
·PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
·EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
·XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
·XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
3.2.4AT89C52的储存器
·中断寄存器：
AT89C52有6个中断源，2个中断优先级，IE寄存器控制各中断位，IP寄存器中6个中断源的每一个可定为2个优先级。
·数据存储器：
AT89C52有256个字节的内部RAM，80H-FFH高128个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高128字节的RAM和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。
当一条指令访问7FH以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高128字节RAM还是访问特殊功能寄存器。
如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。
例如，下面的直接寻址指令访问特殊功能寄存器0A0H（即P2口）地址单元。
MOV0A0H，#data
间接寻址指令访问高128字节RAM，例如，下面的间接寻址指令中，R0的内容为0A0H，则访问数据字节地址为0A0H，而不是P2口（0A0H）。
MOV@R0，#data
堆栈操作也是间接寻址方式，所以，高128位数据RAM亦可作为堆栈区使用。
·定时器0和定时器1：
AT89C52的定时器0和定时器1的工作方式与AT89C51的相同。
·定时器2：
定时器2是一个16位定时/计数器。
它既可当定时器使用，也可作为外部事件计数器使用，其工作方式由特殊功能寄存器T2CON的C/T2位选择。
定时器2有三种工作方式：
捕获方式，自动重装载（向上或向下计数）方式和波特率发生器方式，工作方式由T2CON的控制位来选择。
·波特率发生器：
当T2CON中的TCLK和RCLK置位时，定时/计数器2作为波特率发生器使用。
如果定时/计数器2作为发送器或接收器，其发送和接收的波特率可以是不同的，定时器1用于其它功能。
若RCLK和TCLK置位，则定时器2工作于波特率发生器方式。
波特率发生器的方式与自动重装载方式相仿，在此方式下，TH2翻转使定时器2的寄存器用RCAP2H和RCAP2L中的16位数值重新装载，该数值由软件设置。
·中断：
AT89C52共有6个中断向量：
两个外中断（INT0和INT1），3个定时器中断（定时器0、1、2）和串行口中断。
这些中断源可通过分别设置专用寄存器IE的置位或清0来控制每一个中断的允许或禁止。
IE也有一个总禁止位EA，它能控制所有中断的允许或禁止。
定时器2的中断是由T2CON中的TF2和EXF2逻辑或产生的，当转向中断服务程序时，这些标志位不能被硬件清除，事实上，服务程序需确定是TF2或EXF2产生中断，而由软件清除中断标志位。
定时器0和定时器1的标志位TF0和TF1在定时器溢出那个机器周期的S5P2状态置位，而会在下一个机器周期才查询到该中断标志。
然而，定时器2的标志位TF2在定时器溢出的那个机器周期的S2P2状态置位，并在同一个机器周期内查询到该标志。
·AT89C52的直流参数有一定的温度适用范围，见表3.3：
表3.3T=-40℃～+85℃和Vcc=5.0V±20%下的直流参数
符号
参数
条件
最小值
最大值
单位
输入低电压
（ExceptEA）
-0.5
0.2VCC-0.1
V
输入低电压
-0.5
0.2VCC-0.3
V
输入高电压
（ExceptXTAL1,RST）
0.2VCC+0.9
VCC+0.5
V
输入高电压
（XTAL,RST）
0.7VCC
VCC+0.5
V
输出低电压（P1,2,3）
I=1.6mA
0.45
V
输出低电压（P0,ALE/PSEN）
I=32mA
0.45
V
输出高电压
I=-25uA
0.75VCC
V
输出高电压
I=-300uA
0.75VCC
V
逻辑0输入电流（P1，2，3）
V=0.45V
-50
uA
逻辑1到0转换电流（P1,2,3）
V=2V
-650
uA
RST
复位下拉电阻
50
300
K
引脚电容
1MHz,
pF
消耗电流
ActiveMode,12MHz
25
mA
·Flash存储器的编程：
AT89C52单片机内部有8k字节的FlashPEROM，这个Flash存储阵列出厂时已处于擦除状态（即所有存储单元的内容均为FFH），用户随时可对其进行编程。
编程接口可接收高电压（+12V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。
低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用EPROM编程器兼容。
AT89C52单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压编程方式，用户可从芯片上的型号和读取芯片内的签名字节获得该信息，见表3.4。
表3.4顶面标记及签名字节
Vpp=12V
Vpp=5V
顶面标记
AT89C52
Xxxx
yyww
AT89C52
xxxx-5
yyww
签名字节
（030H）=1EH
（031H）=52H
（032H）=FFH
（030H）=1EH
（031H）=52H
（032H）=05H
AT89C52的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的PEROM程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除
图3.3AT89C52编程电路
·程程序序校验：
如果加密位LB1、LB2没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读回原编写的数据，采用如图3.3的电路。
加密位不可直接校验，加密位的校验可通过对存储器的校验和写入状态来验证。
·编程方法：
1．在地址线上加上要编程单元的地址信号。
2．在数据线上加上要写入的数据字节。
3．激活相应的控制信号。
4．在高电压编程方式时，将EA/Vpp端加上+12V编程电压。
5．每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG编程脉冲。
每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。
重复1—5步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。
·Ready/Busy：
字节编程的进度可通过“RDY/BSY输出信号监测，编程期间，ALE变为高电平“H”后，P3.4（RDY/BSY）端电平被拉低，表示正在编程状态（忙状态）。
编程完成后，P3.4变为高电平表示准备就绪状态。
·芯片擦除：
利用控制信号的正确组合并保持ALE/PROG引脚10mS的低电平脉冲宽度即可将PEROM阵列（4k字节）和三个加密位整片擦除，代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写入“1”，这步骤需再编程之前进行。
3.3传感器的选型及其性能特征
用于测温的传感器种类繁多，但大多是模拟传感器，在以往组建温度采集系统时，由于经传感器输出的是模拟信号，系统必须接入A/D转换器，由此增加了构件系统的复杂性且成本较高。
温度的检测方法，一般采用热电偶、热敏电阻以
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