基于单片机的温湿度检测系统的设计Word下载.docx

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包括传感器的静动态特征介绍，采用单总线技术的DS1820数字温度传感器测温时序、测温原理、测温电路以及测温系统软件设计，湿敏电容传感器HS1101的湿度测量电路，为防止模拟传感器采集湿度数据的失真，采用了线形插值算法：

三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系统设计。

内容包括采用的AT89ssl单片机的介绍，IZC总线的AT24C04的存储扩展，4数码管显示输出，超限数据的语音报警，模拟SPI总线辅助数据存储；

四是对计算机软件系统的设计思路、工作原理和实现方法进行了阐述。

首先通过RS-232C协议实现单片机和计算机的连接，借助Windows下串行通信编程的ActiveX控件通过串行接口收发数据，然后计算机作为监控机实现数据的显示、存储、查询、打印和系统设置功能。

本系统将信息采集、信息传输、信息处理等多种信息技术相互融合，采用了多种总线技术，将温室环境多种参数监测和单片机控制理论相结合，提出一种切实可行的温室环境监测系统，可以全面、实时、自动地对监测数据进行自动记录、存储和处理，并将有关信息根据现场实际情况，采用最有效方式送入计算机进行处理，并可对监测系统进行远程控制。

满足了对作物生长状态实行全面、实时、长期监测的要求。

实现了对温室环境的温湿度实时监测和控制，实现了温室环境温湿度检测的自动化和智能化。

关键字:

AT89S51;

总线技术；

DS1820；

HS1101；

ISD2560

Abstract

ModernagrieulturalProduetion15inscparablefromtheenvironmentaleontrol.inthelightofthecausesofgreenhouseintelligentcontrol，Basedonthoroughanalysisaboutournationalandabroadgreenhouseintelligntcontrol，combiningintelligentsensorstestwithmcucontrol.Thisthesisproposesadesignsehemeonmcutemperatureandhumiditytestingsystem.

Thissystemadoptshierarehieal，modulardesign.Itconsistsofdataacquisitionsystem，meueontrolsystem，computermonitoringsystem，andcentersaroundthemcu，withmany

temperature，humiditysensorsasmeasurementcomponents.Itcollectsandstoresintelligentsensormeasurementdatabyconnectingmcuwithintelligentsensors.Inmcusystem，some

functionsoftheexpansionstorageofprocedures，real-timedisp1ayofdata，overrunautoalarmandauxiliarydatastoragearerealized.Asthecenterofthemonitoringcomputerandsoftwaredesignofintelligentsensor，Includingtheintroduetionofthestaticanddynamiccharacteristiesofsensors.thesoftwaredesigningoftemperaturemeasurementphase，temperaturemeasurementprinciple，temperaturemeasurementcircuitandtemperaturemeasurementsystemofdigital

temperaturesensorDS1820whichadoptsone-wirebustechnology，humiditysensorcircuitofsensorHS1101，inordertopreventthedistortionofhumiditydatagatheredbymocksensor，the1inearinterpolationalgorithmisadopted.Thirdly，itdesignshardwarecircuitofeommunicationinterfaceandsoftwaresystem，includingtheintroductionofadoptedAT89551SCM，storageexpansionofAT24C04ofl’CBus，displayoutputof4digitaltubes，audioalarmofoverrundata，auxiliarydatastorageofmockSPIBus.Thelast，itelaboratestheworkingprinciple，designingthoughtsandrealizingmethodsofcomputersoftwaresystem.Atfirst，throughRS-232CprotocolSCMandcomputerareconnected，anddataisreceivedandsentbyserialinferfacewiththehelpofactiveXprogrammedbyserialcommunicationinwidowsenviorment.Computercandisplay，store，inquireandprintthedataandsettingasamonitor.

Thissystemintegratesmodernsignalgatheringtechnology，signaltransmittingtechnology，informationproeessingtechnology，combinesmanyparametersingreenhouseenvironmentmonitoringandcontroltheoryofSCMandbymanybustechnologies，Proposesonekindofpraetiealfeasiblegreenhouseenvironmentalmonitoringsystem.whichcanautomaticallyrecord，storgeandhandledata，completely，real-time，andautomaticly，andinputtherelativeinformationintothecomputerinaneffeetivewayaccordingtoreality.Besides,itcancontrol

themonitoringsystemlong-distace.Itmeetstheequirementofmonitoringoncropgrowthstatecompletely，real-time，long-term.Itcanmonitorandcontrolthegreenhouseenvironmenttimelyandrealizeautomationandintelligentizeoftemperatureandhumiditytestingingreenhouse.

KeywordsAT89S51;

Bustechnology;

DS1820;

HS1101;

ISD2560

第1章绪论

1.1课题的提出和意义

目前我国农业正处于从传统农业向以优质、高产、高效益为目标的现代农业转化的新阶段。

环境控制工程作为农业生物速生、优质、高产的手段，是农业现代化的重要标志。

温室大棚中的环境由多个因子组成，如温度、光照、湿度及二氧化碳浓度等。

我国温室环境控制目前仍靠人工经验来管理，严重影响了农业生产的效益，阻碍了农业生产的发展，因此，采用先进的人工智能技术，科学、合理地控制影响作物的环境因子，通过计算机控制设备进行环境控制，以便给作物生长创造一个最佳的环境条件，做到既提高产品的质量、产量、经济价值和社会效益，同时尽量降低生产成本，这对温室环境施行自动检测和控制是非常必要的。

温室设施的关键技术是环境控制，其目的是提高控制及作业精度。

温室环境控制技术是随自动化检测技术、过程控制技术、通讯技术、计算机技术的发展而发展起来的。

1.2国内外研究现状

温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。

它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。

温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。

而温室设施术的最终目标是提高控制与作业精度。

1.2.1国外温室环境控制

国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。

先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。

80年代末出现了分布式控制系统。

目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。

现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。

像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。

英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测50km以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。

1.2.2我国温室控制技术

我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度环境因子的控制。

我国温室设施计算机应用，在总体上正从消化简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。

在技术单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。

我国温室现状还有达到工厂化农业的境地，生产实际中仍然有许多问题困扰着存在着温室装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。

1.2.3温室环境控制技术三个发展阶段

从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段：

1、手动控制。

这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其当时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。

生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。

通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。

但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要。

2、自动控制。

利用计算机技术及现代控制理论对温室内的各种环境因子如温度、光照、湿度、CO2浓度和施肥等，进行自动控制和调节成为温室控制的主要方式。

人为创造适宜作物生长最佳环境的自动控制技术手段成为主流。

此时的温室有比较完整的控制系统，有各种传感器采集温室环境数据，监控系统实时监测环境变化及控制执行机构的动作，良好的人机界面使种植者的操作过程形象而且简便。

计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。

目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。

3、智能化控制。

智能化的控制技术将农业专家系统与温室自动控制技术有机结合，以温室综合环境因子作为采集与分析对象，通过专家系统的咨询与决策，给出不同时期作物生长所需要的最佳环境参数，并且依据此最佳参数对实时测得的数据进行模糊处理，自动选择合理、优化的调整方案，控制执行机构的相应动作，实现温室的智能化管理与生产。

能够根据温室环境条件和作物生长状况，应用适当的知识表达和规则化，推理决策出最适合作物生长的温室环境。

这种控制方式既能体现作物生长的内在规律，发挥农业专家在农业生产中的指导作用，又可充分利用计算机技术的优势，使系统的调控非常方便和有效，实现温室的完全智能化控制。

1.2.4温室控制存在的问题

首先是农业专家系统自身的问题，农业专家系统的技术还不十分成熟。

各种专家系统在收集、整理农业专家知识时并没有把专家是如何学习和获得这些知识的过程整理出来，这样开发的专家系统并不具有真正的学习能力。

其次是采集数据的束缚，温室控制技术主要停留在对温室环境因子的监控上，并没有考虑温室作物本身的生理过程。

还有就是农业专家系统在温室实时控制中的应用的局限性，农业专家系统对温室环境因子进行实时监控，不同于开发单纯的农业专家系统，其中涉及与控制系统的“接口”问题。

在开发温室农业专家控制系统时，对农业知识的表达及推理策略等要认真考虑。

同时，将更多的

农业知识用于温室生产的实时控制中，不仅仅局限于对环境因子的专家指导。

总之，随着计算机技术、农业应用电子技术、传感器智能化技术、机械电子一体化技术和计算机网络技术研究的发展，温室技术体系己经成为各个国家为合理利用农业资源、提高农产品产量、降低生产成本、保护生态环境、提高农产品在国际市场竞争力的前沿性研究领域。

1.3主要研究内容

一是确定系统的总体功能设计方案；

二是进行智能传感器的硬件电路和软件系统的设计；

三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系统设计；

四是对连接单片机的上位管理计算机软件系统的设计思路、工作原理和实现方法进行了阐述。

本文将信息采集技术、信息传输技术、信息存储技术及信息处理技术等相互融合，将温室环境多种参数监测和单片机控制理论相结合，提出一种切实可行的温室环境监测系统，可以全面、实时、自动地对监测数据进行自动记录、存储和处理，并将有关信息根据现场实际情况，采用最有效方式送入计算机进行处理，并可对监测系统进行远程控制。

与传统监测系统相比，本系统具有以下优点：

●传感器设计成智能型，可以增加系统数据采集速度，减轻监控计算机的负担。

●增加了辅助存储功能，在监控计算机不工作的时候，采用多媒体存储卡存储采集数据。

●单片机的设计提高了系统的监测速度，系统的可靠性、实时性都有很大提高

●对模拟设备采集到的数据，为防止失真，采用了数据插值算法。

●利用语音芯片，超限报警，实现了人性化管理。

第2章系统总体设计

2.1系统功能设计

系统要完成的设计功能如下：

1．实现对温室温湿度参数的实时采集，测量空间多点的温度和湿度:

根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温、湿度敏感点进行测量，由单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，实现温湿度的智能、多空间点的测量。

2．实现超限数据的及时报警。

3．现场监测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力并具有存储、远程通信功能。

4．通信系统具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。

与计算机通讯功能，采用RS232串行通讯方式最远传输距离为20米。

5．长时间测量数据记录功能:

可以根据需要设置数据记录时间间隔，数据存入数据存储器。

6．监控计算机软件设计管理软件既要具有完成数据采集、处理的功能，其软件编程应具有功能强大、界面友好、便于操作和执行速度快等特点。

要求达到的技术指标：

测温范围：

-20℃-100℃

测温精度：

±

0.5℃

测湿范围：

0-100%RH

测湿精度：

2.5%RH

2.2系统设计原则

要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。

1．可靠性

高可靠性是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的设计准则。

提高系统的可靠性通常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；

输入输出通道抗干扰措施；

进行软硬件滤波；

系统自诊断功能等。

2．操作维护方便

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

因此在设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法。

同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。

3．性价比

单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。

一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个素。

因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能用软件代硬件功能等。

2.3系统组成与工作原理

以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统该系统，可分为温度测量电路，湿度测量电路，A/D转换及滤波电路，数据存储及显示电路，语音报警电路，见图2.1。

选用的主要器件有温度传感器DS1820，湿度传感器HSll01，At89S51，A/D转换器TLCO834，数据存储器AT24CO4，MMC存储卡，4数码管显示模块，语音报警芯片ISD2560，MAX23.定时器555芯片等。

图2.1硬件结构图

在整个系统中采用了多种总线、协议技术，如智能温度传感器DS1820的单总线技术，存储扩展的IZC总线技术，MMC的模拟SPI总线技术，单片机和计算机连接的RS232协议技术等。

为防止模拟传感器数据采集的失真，采用了线形插值算法。

在这个系统中单片机部分采用语言为汇编和C语言混合编程，计算机部分采用VC++。

第3章传感器设计

3.1传感器的基本特性

在监控系统中有各种不同的物理量需要监测和控制，这就要求传感器能感受被测非电量并将其转换成与被测量有一定函数关系的电量。

传感器所测量的非电量是处在不断的变化之中，传感器能否将这些非电量的变化不失真地转换成相应的电量，取决于传感器的输入一输出特性。

传感器这一基本特性可用静态特性和动态特性来描述。

3.1.1传感器的静态特性

1．线性度

传感器的线性度是指传感器实际输出---输入特性曲线与理论直之间的最大偏差与输出满度值之比，即

式中γ---线性度；

Δmax---最大非线性绝对误差；

yfs---输出满度值。

2．灵敏度

传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下，输出量的变化量与输入量的变化量之比，即

式中S0——灵敏度；

Y——输出量的变化量；

X——输入量的变化量。

3．迟滞

传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程中，输入特性曲线不重合的程度称为迟滞，迟滞误差一般以满的百分数表示，即

式中

——输出值在正、反行程间的最大差值。

迟滞特性一般由实验方法确定。

4．重复性

传感器在同一条件下，被测输入量按同一方向作全量重复测量时，所得输出——输入曲线的不一致程度，称重性误差用满量程输出的百分数表示，即

近似计算

--输出最大重复性误差；

5．分辨力

传感器能检测到的最小输入增量称分辨力，在输入零点附近的分辨力称为阂值。

6．零漂

传感器在零输入状态下，输出值的变化称为零漂，零漂可用相对误差表示，也可用绝对误差表示。

3.1.2传感器的动态特性

过程不受时间限制。

而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号，传感器的输出不仅需要精确地显示被测量的大小，还要显示被测量随时间变化的规律，即被测量的波形。

传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示。

动态特性是指传感器测量动态信号时，输出对输入的响应特性。

传感器动态特性的性能指标可以通过时域、频域以及试验分析的方法确定，其动态特性参数如:

最大超调量、上升时间、调整时间、频率响应范围、临界频率等。

动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时间的变化规律，即它们具有同一时间函数。

但是，除了理想情况以外，实际传感器的输出信号与输入信号不会具有相同的时间函数，由此引起动态误差。

3.2DS1820温度传感器

3.2.1DS1820温度传感器概述

美国DALLAS公司生产的DS1820数字温度传感器，可以直接将被测温度转化为串行数字信号供微机处理，通过简单的编程实现9位的温度读数。

并且多个DS1820可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。

由于每一个DS1820出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可以识别，从而节省大量的引线和逻辑电路。

与其它温度传感器相比，DS1820具有以下特性：

●独特的单线接口方式，DS1820在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS1820的双向通讯。

●DS1820支持多点组网功能，多个DS1820可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。

●DS1820在使用中不需要任何外围元件。

●温范围一55℃——+125℃，固有测温分辨率0.5℃。

●测量结果以9位数字量方式串行传送。

单线总线，即1——wire技术是DS1820的一个特点。

该技术采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。

单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。

主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。

当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；

当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作。

单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都由这根线完成。

主机或者从机通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其他设备使用总线，其内部等效电路如图3.2所示。

单总线通常要求外接一个约为4.7kΩ的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。

3.2.2DS1820的读写时序

对DS1820的使用，多采用单片机实现数据采集。

处理时，将DS1820信号线与单片机一位口线相连，单片机可挂接多片DS1820，从而实现多点