毕业设计论文基于无线通信温湿度控制系统设计管理资料.docx
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毕业设计论文基于无线通信温湿度控制系统设计管理资料
华科学院
HUAKEINSTITUTEOFTAIYUANUNIVERSITYOF
SCIENCE&TECHNOLOGY
毕业设计（论文）
题目：
基于无线通信的温湿度控制系统设计
学生姓名
学号
班级自动化
所属院（系）电子信息工程系
指导教师
2016年6月20日
摘要
本设计选择AT89C51单片机为控制器，完成了基于无线通信的温湿度控制系统设计。
该系统主要包括主机和从机两个部分，其中从机利用DHT11温湿度复合传感器完成温湿度实时采集，并利用nRF903红外通信实现数据的无线传输，与主机构成闭环负反馈，主机利用给定值与反馈数据形成偏差，经PD控制器实时控制输出，并将接收到的温湿度值显示在LCD1602液晶显示屏上。
同时，主机还能够通过按键设定目标温湿度值，并且可以将实际温湿度值与目标温湿度值对比，过高或者过低都将产生报警，提示用户应及时采取措施，以免发生故障。
调试结果表明，该控制系统能够实现对温度和湿度的恒值控制，并且抗干扰能力强，稳定性高。
无线通信模块使系统的自动化程度更高，提高了系统的可靠性。
关键词：
无线通信，单片机，PWM
ABSTRACT
TheAT89C51Single-ChipMicrocomputerisselectedasthecontrollerforthisdesign,thetemperatureandhumiditycontrolsystemdesignofcompletedbasedonwirelesscommunication.ThesystemmainlyincludesthetwopartshostandSlave,whichtheslaveuseofDHT11temperatureandhumiditycomplexsensorstocompletereal-timeacquisitionoftemperatureandhumidity,Anduseofinfraredcommunicationtoachievedatawirelesstransmission,Andhostformaclosedloopnegativefeedback,hostusepointvalueandfeedbackdataformingdeviation,throughPIDcontrolleroutforReal-timecontrol,andwillreceivethevaluesoftemperatureandhumiditythendisplayontheLCD1602LCDscreen.Atthesametime,thehostcanalsosettingtemperatureandhumiditythroughthekeyvaluegoal,andcanbetheactualvaluecomparedwiththetargettemperatureandhumidity,temperatureandhumidityvaluetoohighortoolowwillgeneratealarm,promptingtheusertotaketimelymeasurestoavoidfailure.Inactualcontrolprocess,usingDHT11carriedonacquisitionfortemperatureandhumidity,byusingPDalgorithmtoconstantvaluecontroloftemperatureandhumidity,wirelesscommunicationmoduleUSESnRF903tocommunicate.Debuggingresultsshowthatthecontrolsystemcanrealizeconstantvaluecontroloftemperatureandhumidity,andstronganti-jammingcapability,highstability.Wirelesscommunicationmodulemakesthesystemofthehigherdegreeofautomation,improvesthereliabilityofthesystem.
Keywords:
Wirelesscommunication,Single-ChipMicrocomputer；PulseWidthModulation
第1章绪论
近几年来国家经济发展迅速，社会对生产环境和生活环境意识的要求也越来越高。
人们的日常生活和周围环境的温湿度紧密相连，而石油、化工电子、航天、食品工业、药品行业、冷链物流、粮食存储等行业对温湿度也有着比较高的要求。
所以，温湿度的监测和控制已经成为生产过程中比较重要的一环。
课题的背景
现在的时代是科学技术高速发展的信息时代，电子技术、通讯技术、单片机技术的应用已经是非常广泛，随着科学技术的快速进步和生产的不断发展，在社会生活中好多方面都需要进行温度测量和湿度测量。
因此温度和湿度这两个词在生产生活之中出现的频率越来越高，与之相对应的，温湿度控制和测量也成为了生活生产中频繁的使用技术，它们在各行各业中也发挥着非常重要的作用。
如在一如既往很好发展的工业行业中，用测量与控制温湿度的方法来确保产品的正常生产。
在农业生产中，用来确保蔬菜大棚的恒温恒湿保产等。
温度值是表现物体冷热程度的一个物理值，温度的测量是第一第二产业生产过程中一个很普遍也很重要的参数。
温度的测量和控制对确保产品的质量、生产效率的提高、节约能源、安全生产、经济发展的促进起到非常重要的作用。
因为温度测量非常普遍，从而使在各种传感器数量中温度传感器排首位。
并且科术的不断发展，温度传感器的类型一直在持续增加，达到人们生活中的大多数需求。
在单片机温度控制系统中的关键是温度的测量、控制和保持，温度被作为工业控制对象中最主要被控参数之一。
因此，单片机对于温度的测量是对其开展高效且精准的测量，同时很好的在工业研发中与实践中相结合，特别是在机械生产、电力化工生产、冶金工业等大规模领域中，在日常生活活动中，温度也被全面应用于空调器、电加热器等各种室内温度测量以及工业设备的温度测量。
但温度是一个模拟量，需要采用适当的技术和元件，将模拟的温度量转化为数字量，再使用计算机或单片机进行相对应的处理。
课题目的及意义
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。
适合许多行业制品检测质量之用。
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。
由于目前农业的发展，恒温恒湿箱的运用逐渐普遍（比如菌种的培养、幼苗的培育以及设施仪器仪表的校准等），并强调其性价比更高，使用期限更久，运行速度更快。
而通过单片机来对温度及湿度采取控制，同时可以更好的提升被控温湿度的技术标准，可以很大程度上提升产品的质量与数量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。
本文结构
本文第一章主要介绍恒温恒湿控制系统的背景、目的及意义。
第二章是恒温恒湿控制系统的功能需求分析与设计方案的确定，主要包括系统的功能要求和控制系统的设计方案。
第三章介绍恒温恒湿控制系统硬件的设计，从主机硬件设计和从机硬件设计两个方面进行分别具体阐述。
第四章主要介绍恒温恒湿控制系统软件的设计。
第五章介绍系统的调试。
第六章主要是对该系统的特色、存在的问题以及拟解决的方案进行总结。
第2章控制系统功能需求分析与设计方案的选择
设计基于无线通信温湿度控制系统设计，应该明确系统的具体功能要求，以及控制系统必要的技术性能指标，并且根据系统的功能要求和技术性能指标来确定系统的整体设计方案。
温湿度控制系统的功能要求
利用单片机设计一个基于无线通信温湿度控制系统设计，主要的功能就是对温度和湿度进行恒值控制，并且具有一定的远程监测功能。
1、控制系统应以单片机作为主控制器。
2、控制系统可以远程监测系统的实时温度值和湿度值。
3、控制系统应对温度和湿度进行恒值控制。
4、控制系统采用LCD液晶显示屏进行实时更新显示温度和湿度的变化情况，更新时间为1s.
5、控制系统可以通过按键来设置温度和湿度的给定值，当温度值和湿度值过高或者过低时，应当采用蜂鸣器进行报警，提示用户有故障发生，并且及时启动采取相应的措施。
系统的主要技术性能指标
基于无线通信温湿度控制系统设计除了完成预设的基本要求，还应该满足一定的技术性能指标。
下面将详细说明控制系统设备的具体性能指标。
1、系统整体的性能要求如下：
（1）控制系统的综合误差：
σ≤%；
（2）采集数据的准确率I＞98%；
2、在时间参数方面系统的性能要求如下：
（1）主机查询响应时间t≤1s；
（2）系统报警响应时间t≤2s；
（3）主机发送命令响应时间t≤2s；
（4）实时数据更新时间t≤1s；
（5）控制指令的响应时间t≤2s。
系统的设计方案
根据以上所述系统的功能要求和技术性能指标来确定控制系统的设计方案。
基于无线通信温湿度控制系统设计的目的是使温度和湿度达到恒值，并且具有远程监测的功能，在进行方案设计时，首先确定系统控制的整体结构，然后确认系统的主要内容。
系统的整体结构
恒温恒湿温湿度控制系统主要包括两个大部分，分别为主机部分和从机部分。
，从机部分主要包括单片机控制模块、无线发送模块、恒温恒湿控制模块和温湿度采集模块，主机部分主要包括单片机控制模块、温湿度显示模块和报警模块。
系统的整体结构
系统设计的主要内容
下面是将对于从主机部分和从机部分具体阐述各模块的主要内容的详细阐述。
1、从机部分
从机部分的主要工作是对温度和湿度进行采集，并且实现恒值控制达到预定的数值，与此同时将实时的温度值和湿度值通过无线传输模块发送给主机。
（1）无线传输数据发送模块。
无线传输数据发送模块经过PCB板天线完成数据的传输。
（2）温湿度采集模块。
温湿度采集模块是由温湿度传感器负责采集环境的温度和湿度，然后通过I/0口直接发送给单片机温湿度数据处理模块，即温湿度数据处理模块单片机。
（3）恒温恒湿控制模块。
恒温恒湿控制模块主要就是对温度和湿度进行恒值控制，使之能达到设计值，当温度和湿度没有达到给定设计值时，采取相应措施，使之恒定。
当湿度比设定值高的时侯，启动风扇和加热器，当湿度比设定值低的时侯，启动加湿器；而温度的变化采取措施值需要和加湿器和加热器位置变一下就行了。
恒温恒湿均采用PID进行控制。
（4）单片机控制模块。
单片机控制模块将接收的数字信号转换成对应值，按一定的通信协议格式对数据进行打包处理，打包后的数据写入无线通讯模块的发送缓冲区。
2、主机部分
主机部分的主要工作是通过无线传输模块接收从机发送的温湿度值，并将其显示在液晶显示屏上，当温度值和湿度值其一过高或者过低时，采用蜂鸣器进行报警。
（1）无线传输数据接收模块。
无线传输数据接收模块将接收到的数据通过I/0口传给单片机温度处理模块，即温度处理模块单片机。
（2）温湿度显示模块。
温湿度显示模块将采集的实时温度和湿度按照系统设计的要求显示出来。
（3）报警模块。
报警模块采用蜂鸣器进行报警，当温度或者湿度过高或者过低时，蜂鸣器响，进行报警。
（4）单片机控制模块。
单片机控制模块将接收到的数据解包，将解包后的数据显示出来。
本章小结
本章主要介绍系的功能需求分析与设计方案的确定，首先明确系统的功能要求和系统的主要技术性能指标，然后根据功能要求来确定系统的整体结构和主要内容，对控制系统有的设计方案进行确定。
第3章控制系统的硬件设计
控制系统的硬件设计对于整个系统来说至关重要，硬件是系统运行的基本，硬件设计的好坏直接关系到整个系统的性能。
本章主要从主机和从机两方面分别介绍控制系统硬件的设计。
主机硬件设计
主机的主要作用是通过无线传输模块给从机发送命令和读取从机发送回来的温度值和湿度值，并将此时此刻的温湿度值在LCD1602液晶屏上进行显示。
主机的另外一个功能是将此时的温湿度值与设置值进行比较，如果超出或者低于设定值的范围，则进行报警，提示用户做出相应的防事故措施。
主机硬件设计的总体原理图
主机的电路原理图如附录一所示，主机以AT89S51为主控制器，根据主机的作用，可以将主机的硬件电路分为显示模块、无线传输模块、按键模块和报警模块。
下面将具体介绍各模块的硬件设计。
人机交互硬件设计
主机的显示模块采用的是LCD1602液晶显示屏，。
LCD1602显示屏的第4个管脚是为数据和命令的选择端口，，第5个管脚是为读和写的选择端，，第6个管脚为使能端，，这三个管脚都是液晶显示屏的控制线，为了使LCD1602显示屏正常工作，显示屏的数据线与单片机的P0口相连接，单片机则通过时序的变化将命令和数据写入，使之正常工作。
此外，电路原理图中滑动变阻器的主要功能是调节显示屏的亮度，使显示屏中的字符更加清晰。
主机显示模块电路图
无线通信模块的硬件设计
主机的无线传输模块采用的是nRF903，。
nRF903的SCS端是芯片选择端，，SDIO为外设接口或者数据缓存器的数据端，，，TRS为发送/接收模式选择端，，TRE为发送/接收模式使能端，，IRQ为中断请求端，。
单片机通过控制各个端口高低电平的不同，根据无线传输模块的时序要求进行发送或者接收数据，实现主机和从机之间的通信。
输入模块的硬件设计
主机的按键模块采用的是独立按键，。
按键模块的作用主要是设定温度值和湿度值，K1的功能是温度和湿度的选项设置，K2的功能是选位，K3的功能是加，K4的功能是减，K5为确认键。
报警模块的硬件设计
主机的报警模块采用的是蜂鸣器，。
当温度值过高或者过低时，蜂鸣器响，发出报警声，当湿度过高或者过低时也将发生报警声，提醒示用户系统发生故障，应及时采取安全措施。
主机报警模块电路图
从机硬件设计
从机的主要作用是对温度和湿度进行恒值控制，同时将当前的温度值和湿度值通过无线通信模块发送给主机，并在主机的显示屏上进行显示出数值。
温度和湿度的数据采集使用DHT11传感器，当温度太高时，使用风扇和加湿器，当温度太低时，使用加热器加热；当湿度太高时，使用风扇和加热器，当湿度太低时，使用加湿器。
这样就可以实现恒温恒湿控制。
从机硬件设计的总体原理图
从机的电路原理图如附录二所示，从机也是以AT89S51单片机为主控制器，根据从机的作用，可以将从机的硬件电路分为无线传输模块、温湿度采集模块、电机风扇模块、加湿器模块和加热模块。
下面将具体介绍各模块的硬件设计。
无线通信模块的硬件设计
从机的无线传输模块采用nRF903，与主机的无线传输模块相同。
，接线原理与主机相同，可参考主机的硬件设计思路，此处将不再累述。
从机无线传输模块电路图
温湿度采集模块的硬件设计
从机的的温湿度采集模块采用的是DHT11，DHT11为温湿度复合传感器，所以对温度和湿度的采集仅用需一个芯片即可就可以了。
。
DHT11的第2个管脚为数据端，，第3个管脚悬空，其他两个管脚分别接VCC和地。
。
从机温湿度采集模块电路图
电机模块的硬件设计
从机的风扇模块采用的是直流电机，。
因为单片机不能直接驱动直流电机，所以在硬件设计时采用驱动器来驱动电机转动。
本系统采用ULN2003驱动芯片来驱动电机，，电阻R10的作用是控制灌电流的大小，使之小于500mA，用以保护芯片，以免芯片因电流过大而损坏。
在控制电机时，采用PWM技术进行调速。
从机电机风扇模块电路图
加湿器模块的硬件设计
从机的加湿器模块采用继电器控制加湿器运行，。
，，三极管导通，继电器上有电流通过，开关K1吸合，这时，加湿器工作；，三极管不导通，继电器上无电流通过，因此加湿器不工作。
在电路图中，二极管D1起到保护继电器的作用，当电路频繁通断电时，电流可通过二极管回流，对继电器进行保护。
从机加湿模块电路图
加热模块的硬件设计
从机的加热模块采用电阻丝进行加热，。
，第一个三极管则导通，光电耦合器发光，，再转化为电信号，光电耦合器在这里主要起到了电气隔离的作用，将单片机电路与电阻丝电路进行电气隔离，对整个电路进行保护。
此时，耦合器电阻很小，第二个三极管支路短路不导通，而双向晶闸管控制端的输入电压达到开启电压，晶闸管导通，加热丝开始加热，也就是说，，加热丝开始加热，同理，，加热丝停止加热。
从机加热模块电路原理图
本章小结
本章主要介绍了系统的硬件设计，包括主机硬件的设计和从机硬件的设计两部分。
主机硬件的设计又分为显示模块、无线传输模块、按键模块和报警模块的具体硬件的设计。
从机硬件的设计除了与主机硬件相同部分之外，又包括温湿度采集模块、电机风扇模块、加湿器模块和加热模块的硬件的设计。
第4章控制系统的软件设计
本文设计的恒温恒湿控制系统，通过DHT11传感器对环境的温度和湿度进行采集，并且采用PID算法对对温度和湿度进行恒值控制，可以将密闭空间内的温度和湿度值控制在设定值范围内，并且抗干扰能力好，鲁棒性强。
与此同时，采用无线模块实现温湿度的远程监控，自动化程度高。
系统的整体软件设计
，主要分为主机程序和从机程序两个大部分。
（a）是主机程序流程图，当主机与从机机握手通信成功后，主机接收从机发送的数据，并且对数据进行综合分析和整理综合，主要包括解压数据包，判断温度和湿度的范围，同时驱动LCD显示和报警电路；（b）是从机程序流程图，主要任务是温湿度采集，并将数据打包，当与主机握手成功后，发送数据包，同时对采集回来的温度和湿度进行分析计算，采取相应措施，达到恒值控制。
系统的整体软件设计流程图
温湿度采集模块的软件设计
，。
单片机每隔1s开一次中断，对温湿度数据采集一次，然后读取采集的温度值和湿度值，因为采集回来的数据是40bit，包括温度值和湿度值的整数部分和小数部分以及校验的和部分，所以单片机还要对读取的数据进行解析，计算区分出温度值和湿度值。
还要注意的地方是在进行数据采集时，单片机与DHT11传感器之间要采用单总线数据的格式。
温湿度采集软件设计流程图
下边面将具体介绍温湿度采集的数据计算，单片机在与DHT11进行通信时，一次完整的数据传输为40bit，高位先出。
，40bit的数据包括：
8bit湿度值整数部分+8bit湿度值小数部分+8bit温度值整数部分+8bit温度值小数部分+8bit校验和。
温湿度采集软件设计流程图
其中校验和的计算公式如下：
温湿度控制模块软件设计
本文所设计的温湿度控制系统对温度和湿度均为恒值控制，在软件设计时，以PD算法进行调节。
首先给定目标温度值和湿度值，接着与实际温湿度的采集值进行作差，将偏差值作为PD调节的输入量，用偏差的值代入，来控制风扇、电阻丝以及加湿器的运行，从而减小偏差，使之达到恒值控制。
温湿度控制系统的软件设计将在下面详细介绍，。
系统初始化完成后，首先应读取主机设定的目标温度值和湿度值，从而在目标值的基础上进行控制。
然后单片机通过DHT11对实际环境中的温度和湿度进行采集，先判断实际温度值和给定温度值的大小关系，当实际温度值大于给定温度值时，单片机通过PD算法控制风扇和加湿器运行，当实际温度值小于给定温度值时，单片机通过PD算法控制加热器运行。
然后再判断实际湿度值和给定湿度值的大小关系。
当实际湿度值大于给定湿度值时，单片机通过PD算法控制风扇运行和加热器运行，当实际湿度值小于设定湿度值时，单片机则需要通过PD算法控制加湿器运行，直至温度值和湿度值达到设定值。
单片机采用PWM调节脉冲宽度从而实现对风扇、加热器以及加湿器的控制，其实不然，实现温湿度的恒值控制是调节它们的平均电压。
无线传输模块的软件设计
本文设计的温湿度控制系统具有远程监测功能，采用nRF903进行无线通信。
无线传输模块在进行软件设计时，首先应该清楚无线传输的通信协议，。
通信协议总共包括四个部分，分别为字头（1~4个字节）、IDCode（2~4个字节）、数据（最大256个字节）和校验码CRC（2个字节）。
要想实现主机和从机之间的通信，必须保证正确的通信协议，这样确保数据传输无误。
无线通信协议
字头
IDCode
数据
校验码CRC
1~4字节
2/4字节
最大256字节
2字节
下面将具体介绍无线传输的软件设计流程。
nRF903一共有两种工作模式，FIFOmode和Directmode。
通过Modecontrol寄存器的FMS位可设置，为0时是Directmode（直接模式），为1时是FIFOmode。
nRF903收发流程分以下几步：
1、FIFOTX发送流程
（1）当微控制器有数据需要发送时，通过SPI接口，按照时序把接收机的地址和要发送的数据送传给nRF903，SPI接口的速率当在通信协议和器件配置时确定SPI的接口速率才可以确定；
（2）微控制器置Modecontrol寄存器，且TRS为高，激发nRF903的FIFO发送模式；
（3）nRF903的FIFO模式发送：
a.射频寄存器自动开启；
b.数据打包（加字头和CRC校验码）；
c.发送数据包；
d.当数据发送完成，IRQ有相应指示。
4）nRF903发送过程完成，可选择进入任何模式，可通过SPI或管脚控制。
2、FIFORX接收流程
（1）当通过SPI指令（或者管脚控制）使nRF903进入接收模式；
（2）nRF903不断监测，等待接收数据；
（3）当nRF903检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高（根据配置IRQ有不同的表现）；
（4）当一个个正确检测无错误的数据包接收完毕，nRF903自动去掉移去字头、地址和CRC校验位，接着然后把IRQ引脚置为高
（5）微控制器通过SPI口，，通过以一定的速率把数据移动到微控制器里内；
本章小结
本章着重主要介绍温湿度控制系统软件的软件设计，包括系统的整体软件设计、温湿度采集模块的软件设计、温湿度控制模块的软件设计以及无线传输模块的软件设计。
第5章系统的调试
本系统以AT89C51单片机和nRF903无线传输模块相结合，构成了基于无线通信温湿度控制系统设计，实采用PD算法实现了对温度和湿
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