基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计毕业设计.docx
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基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计毕业设计
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基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计
摘要
本设计首先给出了基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统的总体方案，描述了温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1101的工作原理；其次，进行了硬件电路的设计，包括温度测量电路、湿度测量电路、键盘与显示电路以及报警电路；然后在硬件部分的基础上又进行了软件部分的设计，包括主程序流程图、按键扫描子程序流程图和温湿度程序流程图，最后运用C语言对各个部分进行了编程。
通过实践证明，该系统具有性能好、操作方便等优点，并且实现了对温湿度的测量、显示、调节和报警功能。
关键词单片机温度传感器湿度传感器
THEMONITORINGSYSTEMOFTHETEMPERATUREANDHUMIDITYBASEDON
SINGLECHIPMIRCROCOMPUTER
ABSTRACT
Inthispaper,wefirstpresentthegeneralschemeofthemonitoringsystemofthetemperatureandhumiditybasedonsinglechipmicrocomputer,anddescribetheworkingprincipleofthetemperaturesensorDS18B20andthehumiditysensorHS1101.Secondly,thispaperdesignedthehardwareelectriccircuitswhichincludetemperaturemeasurementcircuit,humiditymeasurementcircuit,keyanddisplaycircuitandalarmcircuit.Thenonthisbasis,itdesignedthesoftware,thissoftwarepartincludesmainprogramflowdiagrams,thekey-pressscanningsubprogramflowdiagramsandtemperatureandhumidityprogramflowdiagrams.Finally,usingClanguageprogrammedeachpartofthescheme.Provethroughpracticethesystemhastheadvantageofbetterperformanceandconvenientoperation,andalsorealizedthemeasurement,display,regulationandalarmfunctionoftemperatureandhumidity.
KEYWORDSsinglechipmicrocomputerthetemperaturesensorthehumiditysensor
绪论
温湿度是衡量温室大棚的重要指标,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检测,传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。
这种人工测试方法费时费力、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测量仪。
本设计即是针对这一问题,设计出了能够实现温湿度自动检测,显示,上下限报警等多功能的温湿度监测控制系统。
在传统的温度测量系统设计中,往往采用模拟技术进行设计。
温度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,就可能造成整个系统性能的下降。
而DS1820新型单总线数字温度传感器，采用3脚（或8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胜显而易见。
现代湿度测量方案最主要的有两种：
干湿球测湿法，电子式湿度传感器测湿法。
下面对这两种方案进行比较:
干湿球湿度计的特点：
干湿球湿度计的准确度只有5％—7％RH。
干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。
干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。
与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。
所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。
电子式湿度传感器的特点：
电子式湿度传感器的准确度可以达到2％—3％RH。
电子式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，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命不如干湿球湿度传感器。
湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。
所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。
系统完成后可以通过温度传感器DB18B20和湿度传感器HS1101对大棚温室内的温湿度进行测量，通过单片机AT89S51对采集到的数据进行处理，用LED显示出当前环境的温湿度状况，其中温度可以有操作人员根据不同作物所需的最适宜温度进行调节，当环境温度和设置的最适宜温度之差大于3℃时，报警装置即会启动。
1系统总体方案及传感器选型
1.1系统总体设计方案简述
该温湿度测控系统是由数据采集和处理系统和报警系统组成，由温度、湿度传感器，显示器，键盘与报警电路等组成。
通过对信号的采集、分析、处理，然后输出信号来使执行部件进行动作，使温室大棚达到所要求指标。
1.2系统的工作原理
温湿度测控系统能完成数据采集和处理、显示、串行通信、输出控制信号，实现人机对话等多种功能。
由数据采集及处理、单片机、控制和人机接口等4个大的部分组成。
该测控系统具有实时采集（检测温室大棚内的温湿度）、实时处理（对监测到的温湿度值进行比较分析，决定下一步控制进程）、实时控制（根据处理的结果发出控制指令，指挥被控对象动作）的功能。
主要硬件包括温度传感器，湿度传感器，AT89S51单片机、数据采集电路、LED显示器、发光二极管、蜂鸣器、键盘等。
其原理结构图如图1-1所示：
图1-1原理结构图
首先充分考虑气候、环境因素对植物的影响，并根据温室大棚内植物保持正常状态所需的温度和湿度，设计出温湿度参考值预先存储于单片机中。
系统的数据采集部分是将温湿度传感器置于温室内部，测出室内的温湿度值之后送入AT89S51单片机中，然后LED显示出温湿度测量值。
单片机将预设的参考值与测量值进行比较，根据比较结果做出判断。
当温湿度值超过允许的误差范围，系统将发出报警，如果有必要，工作人员还可以根据实际的情况通过键盘来人工修改片内存储的预设值。
通过对整个系统的核心单片机部分的设计，达到优化控制温湿度的目标。
1.3传感器的选型
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，因此选择正确的温湿度传感器在设计中起着至关重要的作用。
1.3.1温度传感器的选型
方案一：
采用热电阻温度传感器
热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。
现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。
其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。
铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。
缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。
按IEC标准其测温范围为-200℃～650℃，XX电阻比W（100）=1.3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±（0.15℃+0.002︱t︱），B级为±（0.3℃+0.005︱t︱）。
铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工，但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。
在工业中用于-50℃～180℃测温。
方案二：
采用DS18B20作为温度传感器
DS18B20是由Dallas半导体公司生产的“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。
综合比较方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。
1.3.2湿度传感器的选择
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
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/℃。
可见精度是较高的。
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。
而且还不具备在本设计系统中对温度-30～50℃的要求，因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。
2传感器及其硬件电路设计
2.1温度传感器DS18B20介绍
测温元件采用新型的温度传感器DS18B20。
DS18B20是由Dallas半导体公司生产的“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。
DS18B20的内部结构如图2-1所示：
图2-1DS18B20的内部结构
温度测量原理电路如图2-2所示：
图2-2温度测量原理电路
DS18B20主要有4部分组成：
64为ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20有三个引脚，GND接地；DQ数字信号的输出/输入；Vdd为外接电源输入端。
DS18B20的封装形式及引脚排列如图2-3所示：
图2-3DS18B20的引脚排列图
DS18B20有4个主要的数据部件：
（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是：
开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。
其中DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（采用寄生电源供电方式时接地）。
DS18B20温度数据如表2-1所示：
表2-1DS18B20温度数据表
TEMPERATURE
DIGITALOUTPUT
（Binary）
DIGITALOUTPUT
（Hex）
+125℃
+85℃
+25.0265℃
+10.125℃
+0.5℃
0℃
-0.5℃
-10.125℃
-25.0625℃
-55℃
0000011111010000
0000010101010000
0000000110010001
0000000010100010
0000000000001000
0000000000000000
1111111111111000
1111111101011110
1111111001101111
1111110010010000
07D0h
0550h
0191h
00A2h
0008h
0000h
FFF8h
FF5Eh
FF6Eh
FC90H
（3）DS18B20温度传感器的存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
（4）配置寄存器
该字节各位的意义如表2-2所示：
表2-2配置寄存器结构
TMR1R011111
低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。
R1和R0用来设置分辨率，如下表所示（DS18B20出厂时被设置为12位）：
表2-3分辨率设置
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93075ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
DSl8B20工作过程中的协议如下：
初始化：
ROM操作命令；存储器操作命令；处理数据。
初始化
单总线上的所有处理均从初始化开始。
ROM操作命令
总线主机检测到DSl820的存在，便可以发出ROM操作命令之一，这些命令如：
指令代码
ReadROM（读ROM）[33H]
MatchROM（匹配ROM）[55H]
SkipROM（跳过ROM][CCH]
SearchROM（搜索ROM）[F0H]
Alarmsearch（告警搜索）[ECH]
存储器操作命令
指令代码
WriteScratchpad（写暂存存储器）[4EH]
ReadScratchpad（读暂存存储器）[BEH]
CopyScratchpad（复制暂存存储器）[48H]
ConvertTemperature（温度变换）[44H]
RecallEPROM（重新调出）[B8H]
ReadPowersupply（读电源）[B4H]
时序
主机使用时间隙（timeslots）来读写DSl820的数据位和写命令字的位
（1）初始化
时序见图2-4。
主机总线T0时刻发送一复位脉冲（最短为480us的低电平信号），接着在tl时刻释放总线并进入接收状态，DSl8B20在检测到总线的上升沿之后，等待15-60us，接着DSl8B20在t2时刻发出存在脉冲（低电平持续60-240us），如图中虚线所示：
图2-4主机读时序
（2）写时间隙
当主机总线t0时刻从高拉至低电平时，就产生写时间隙，见图2.5、图2.6，从t0时刻开始15us之内应将所需写的位送到总线上，DSl8B20在t0后15-60us间对总线采样。
若低电平，写入的位是0，见图2-5；若高电平，写入的位是1，见图2-6。
连续写2位间的间隙应大于1us。
图2-5DS18B20写0图2-6DS18B20写1
（3）读时间隙
见图2-7，主机总线t0时刻从高拉至低电平时，总线只须保持低电平t0一t1。
之后在t1时刻将总线拉高，产生读时间隙，读时间隙在t1时刻后t2时刻前有效。
t2距t0为15us,也就是说t2时刻前主机必须完成读位,并在t0后的60us一120us内释放总线。
图2-7主机读时序
2.2湿度传感器HS1101介绍
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。
下面介绍HS1101湿度传感器及其应用。
HS1101的特点是不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，具有快速响应时间，可以自动化焊接，包括波峰焊或水浸，专利设计的固态聚合物结构，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。
图2-8为湿敏电容工作的温、湿度范围。
图2-9为湿度-电容响应曲线。
图2-8湿敏电阻工作的温、湿度范围图2-9湿度-电容响应曲线
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/℃。
可见精度是较高的。
HUMIREL湿度传感器HS1101基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。
可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。
在需要湿度补偿的场合他也可以得到很大的应用。
HS1101的外部结构及符号如图2-10所示：
图2-10HS1101的符号及外部结构
HS1101电容式湿度传感器，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。
如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常有两种方法：
一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。
空气湿度与电压频率的典型值如表2-4所示：
表2-4空气湿度与电压频率的典型值
湿度
频率
湿度
频率
%RH
HZ
%RH
HZ
0
7351
60
6600
10
7224
70
6468
20
7100
80
6330
30
6976
90
6168
40
6853
100
6033
50
6728
本系统采用的是将HS1101接入555定时器组成的震荡电路中，输出一定频率的方波信号，这种方法结构简单，使用方便，因此被广泛采用，具体结构图如2-11下：
图2-11HS1101和NE556构成的湿度采集电路
集成定时器NE555一方面可以形成单稳态电路，另一方面可以形成多谐振荡电路，本系统选用的是NE556，它内部含有两个NE555定时器，其中R1，R2,C1,C2和NE556构成多谐振荡器，外接电阻R1,R2和湿敏电容C1构成了对湿敏电容C1的充电回路，7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对C1的放电回路，并将2，6端相连引入到片内比较器。
该振荡电路的两个暂稳态过程交替如下：
首先是电源Ucc通过R1,R2向C2充电，经T1充电时后，Uc2充至内比较器的高触发电平，约2/3Ucc，此时输入引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电，经T2放电时间后，Uc2下降到比较器的低触发电平，约1/3Ucc，此时输入引脚3端又由低电平跃升为高电平，如此反复，形成方波输出，其中充放电时间为：
T1=C1（R1+R2）ln2（2-1）
T2=C1R2ln2（2-2）
因而输出的方波频率为：
f=1/（T1+T2）=1/C1（R1+2R2）ln2=50HZ（2-3）
只要改变定时元件R1和R2就可以改变脉冲的频率，从多谐振荡器出来的信号又接入到单稳态触发器，单稳态触发器它有两个触发状态，一个稳定状态，一个暂稳定状态，在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳定状态，而暂稳定状态维持一段时间后，再自动的返回到稳定状态，且暂稳定状态持续时间长短取决与电路本身参数，图中，R3,C3和传感器HS1101是外接地定时元件，触发脉冲Ui由5端输出，由8端输入，下降沿有效，从9端输出一个幅度，宽度都一定的矩形波信号，输出的脉冲宽度Tp为：
Tp=R3（C2+Cx）ln3（2-4）
虽然从NE556输出的是标准的脉冲
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