自动化毕业论文-蔬菜大棚温湿度测控系统设计Word格式.doc
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第1章设计方案论证 2
1.1设计要求及框图 2
1.2元器件的选择 2
1.2.1单片机的选择 2
1.2.2温度传感器的选择 3
1.2.3湿度传感器的选择 3
1.2.4显示模块的选择 4
1.2.5系统设计方案的确定 4
第2章系统的硬件设计 6
2.1系统硬件的简述 6
2.2单片机模块的设计 6
2.2.1单片机的功能特性描述 6
2.2.2单片机的最小系统 8
2.3温湿度采集系统的设计 9
2.3.1温湿度传感器的概述 9
2.3.2传感器的接口说明 9
2.3.3硬件连接 10
2.4显示模块的设计 10
2.4.1LCD12864的概述 10
2.4.2LCD12864引脚说明 12
2.4.3LCD12864的主要技术参数 13
2.5报警电路的设计 14
2.6功能键的设计 15
2.7控制电路的设计 15
第3章软件系统设计 17
3.1软件设计的整体思想 17
3.2程序流程图设计 17
3.3DHT90软件系统设计 18
3.3.1DHT90测量流程图 18
3.3.2传感器的电气特性 20
3.3.3启动传感器指令 20
3.3.4发送命令 21
3.3.5测量时序 21
3.3.6通讯复位时序 21
3.4DHT90的温湿度补偿及转换 22
3.4.1相对湿度 22
3.4.2温度转换 22
3.5LCD12864软件系统设计 23
3.5.1LCD12864显示流程图 23
3.5.2写数据到模块 24
3.5.3从模块读出数据 25
3.6按键软件系统设计 26
第4章调试 28
4.1软件调试 28
4.2硬件调试 28
4.3液晶模块调试 29
4.4报警电路调试 29
结论 30
谢辞 31
参考文献 32
附录 33
外文资料翻译 46
58
前 言
改革开放以来，我国经济的迅速增长，使得农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。
现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行监测和控制。
例如：
空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。
在现代化农业生产中，以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。
大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。
国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。
当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的监测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。
为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境。
目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。
温室大棚是植物栽培生产中必不可少的设施之一，温湿度是衡量温室大棚的最重要的指标，它直接影响到栽培作物的的生长和产量，为了能给作物提供一个合适的生长环境，首要问题是加强温室内的温湿度的监测。
因此，为了实现高效农业的科学化和研究性，推动我国农业发展，解决我国农民普遍收入低的问题，缩小城乡差距，推动全面小康社会，迫切需要价格适中的、自动化程度高的农业设备。
由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得成本低性能稳定的这种要求变为可能。
本设计是针对这一问题，设计能够实现温湿度上下限设定、自动监测、显示和报警等多功能的温湿度测控系统。
该设计系统还可以推广到其他领域[1]。
第1章设计方案论证
1.1设计要求及框图
本设计需要设计一个大棚温湿度测控系统，设计选用单片机为执行器，通过温度监测电路，湿度监测电路，控制系统，报警电路，显示电路等组成这样一个系统[2]。
系统设计框图如图1-1所示。
图1-1系统电路设计框图
1.2元器件的选择
1.2.1单片机的选择
方案一：
采用MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片作为核心器件，有4K字节的内部FLASHPERAM，能于3V的超低压工作，而且与MCS-51系列单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏[3]。
方案二：
采用AT89S52芯片作为核心器件,片内ROM全都采用FlashROM；
能以3V的超低压工作；
同时也与MCS-51系列单片机完全兼容。
该芯片内部存储器为8KBROM存储空间，同样具有89C51的功能，并且具有在线编程技术，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，由此不会对芯片造成损坏。
所以设计采用AT89S52作为主控制系统。
1.2.2温度传感器的选择
采用数字式温度传感器DS18B20。
此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，由于其输出为数字量，所以不需要进行A/D转化，这样就降低了硬件成本，简化了系统电路。
另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。
采用数字式温湿度传感器DHT90。
该传感器为数字式传感器，可以同时采集温度和湿度，两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。
微小的体积和极低的功耗等优点，使其成为选择温湿度传感器时的首选。
1.2.3湿度传感器的选择
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。
该传感器具有高可靠性、长期稳定性和快速响应时间等特点，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。
该传感器为数字式传感器，采集湿度的精度是14位，端口少，只需要单片机的一个端口即可驱动，精度较高，除此之外，该传感器还可以同时采集温度和湿度，并能进行相对湿度补偿，易于应用，操作简单。
1.2.4显示模块的选择
采用LCD1602液晶显示器。
其显示容量为16*2个字符，而此次设计的是一个大棚温湿度测控系统，需要将设定的温湿度值以及采集过来的外界环境里的温度值和湿度值显示出来，而LCD-1602的显示容量只有两行，可以显示八个汉字，这样无法直接在一屏里面显示温度值和湿度值，需要分多次页数来显示，这样不便于观察温湿度的变化，所以在本次设计中不采用LCD1602液晶显示器。
采用LCD12864液晶显示器,可以显示四行汉字，每行为16个字符，八个汉字，这样可进行观察和比较，清晰明了，易于操作，占用的单片机口线少，可以满足本系统的设计要求。
因此在本次设计中的显示部分选用LCD12864液晶显示器[4]。
1.2.5系统设计方案的确定
综上所述，对本次设计系统的方案选定如下:
采用AT89S52作为主控制系统；
液晶显示模块LCD12864作为本次系统的显示；
DHT90温湿度传感器作为本次系统温度和湿度的信息采集[5]。
通过论证拟采用的设计方案内容包括以下几点：
1.选择AT89S52单片机作为整个系统的核心器件，发送并时时处理系统信息。
2.传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。
工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。
本设计选用集成温湿度传感器DHT90。
3.显示电路的设计：
设计采用液晶LCD12864进行显示，简单明了。
4.报警电路的设计：
在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。
其方法就是把计算机采集的数据通过计算机进行数据处理、数字滤波和标度变换，这些已经在软件程序里边处理过，所以显示温湿度即为外界采集的温湿度，和设定的值比较，如果高于上限值或低于下限值则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。
本设计采用声光报警电路。
温度和湿度任何一个超过设定范围，蜂鸣器均报警。
设计选用二极管的亮灭显示温度或者湿度是否过限，这样便于观察，可以更加直接的确定是要升降温还是要增减湿度，给工作人员减少了工作量。
蜂鸣器报警电路是通过MCS-52的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。
5.温湿度控制主程序的设计要考虑以下问题：
（1）温湿度采样，数字滤波；
（2）越限报警和处理；
（3）温度标度转换。
第2章系统的硬件设计
2.1系统硬件的简述
系统采用单片机对大棚的温度、湿度进行自动监测和控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等特点，而且还可以大大提高被控制温度、湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
本设计利用单片机的这些特点对大棚的温度、湿度进行控制，将其保持在一个合适的范围内。
若温度低于10℃，加热装置工作；
若温度高于40℃，通风装置工作；
湿度低于30%RH，喷灌装置工作；
湿度达到或超过70%RH，喷灌装置停止工作[6]。
2.2单片机模块的设计
2.2.1单片机的功能特性描述
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，存储器是采用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品的指令和引脚完全兼容。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
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，单片机停止一切工作，直到下一个中断或硬件复位为止[7]。
AT89S52的引脚结构图如图2-1所示。
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；
在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
图2-1AT89S52引脚图
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
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，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。
应注意的是：
每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
PSEN：
程序储存允许输出（PSEN）是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52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，在此期间，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（其地址为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。
2.2.2单片机的最小系统
单片机的最小系统应包括振荡电路和复位电路等[8]。
振荡电路（时钟电路）的主要任务是为AT89S52单片机正常工作需要的时钟电路提供一个稳定的工作频率。
根据AT89S52单片机时钟周期的要求，回路需要选用频率为12MHz的晶振。
晶振回路由电容和陶瓷谐振器并联组成，作为单片机的时钟源。
AT89S52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2端口接上时钟电源即可构成时钟电路。
本设计中采用内部时钟产生方式，如图2.2所示。
在XTAL1和XTAL2两端跨接晶振，与内部的反相器构成稳定的自激振荡器。
其发出的时钟脉冲直接送入单片机内定时控制部件。
电容C8和C9对频率有微调作用。
电容C1和C3，应尽可能的安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠的工作。
复位电路的功能就是对CPU进行实时监测，当CPU落入死循环之后，能及时发现并使整个系统复位。
为确保微机系统中电路稳未定可靠工作，复位可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。
一般微机电路正常工作需要供电电源为4.75〜5.25V。
由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC上电时，只有当VCC超过4.75V，低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。
单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。
2.3温湿度采集系统的设计
2.3.1温湿度传感器的概述
DHT9x是数字温湿度传感器系列中插针型的传感器。
此类型传感器把传感元件和信号处理集成起来，输出全标定的数字信号。
传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。
传感器采用专利的CMOS技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
因此，该产品具有品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
传感器采用的是原装进口数字温湿度传感器芯片，引脚插针为标准2.54插针，使用时无需重新校准。
传感器直接与单片机相连，无需其他外部元件。
总之，极低的功耗、极高的性价比、卓越的品质等优点使其成为我们在选择温湿度传感器时的首选。
DHT90的基本特性如下：
测湿范围：
0～100%RH；
测温范围：
-40～123.8℃；
响应时间：
温度：
<
30s，湿度：
8s；
分辨率：
0.01℃，湿度：
0.03%RH；
重复性：
0.1℃
湿度：
0.1%RH；
测量精度：
±
0.5℃湿度：
4.5%RH；
安装方式：
2.54mm间距插针。
2.3.2传感器的接口说明
DHT90引脚结构如表2-1所示。
表2-1DHT90引脚结构
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1
SCK
时钟信号
2
VDD
电源
3
GND
地
4
DATA
数据输出
DHT90的供电电压为2.4-5.5V，建议供电电压为3.3V。
DHT90的串行接口，在传感器信号的读取及电源损耗方面，都做了优化处理；
传感器不能按照I2C协议编址，但是，如果I2C总线上没有挂接别的元件，传感器可以连接到I2C总线上，但单片机必须按照传感器的协议工作。
SCK用于微处理器与DHT90之间的通讯同步。
由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。
DATA三态门用于数据的读取。
DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并且仅在SCK时钟上升沿有效。
数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。
为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。
需要一个外部的上拉电阻（例如：
10kΩ）将信号提拉至高电平。
2.3.3硬件连接
设计采用数字式温湿度传感器DHT90。
它是数字式温度传感器，具有测量精度高，电路连接简单等特点，传感器仅需要一条数据线进行数据传输，另外SCK端用于微处理器与DHT90之间的通讯同步，设计中采用AT89S52的P3.7与DHT90的SCK相连，用P3.6与DATA端相连，Vcc接电源,Vss接地[9]。
DHT90的硬件连接图如图2-2所示。
图2-2DHT90硬件连接图
2.4显示模块的设计
2.4.1LCD12864的概述
显示器是最常用的输出设备。
显示器件使用最多的是发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）。
因为它们都具有结构简单、耗电少、价格低廉、接口简单、寿命长等优点，广泛应用于智能仪表场合，尤其是单片机系统中大量应用。
LCD以其功耗低、视觉范围广等特点也被广泛应用。
显示电路的设计是不可缺少的。
对于温湿度测控系统的设计而言，显示电路的设计也是不可缺少的。
在本设计系统中，不仅要显示测量的温湿度值，而且还有不同
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