课程设计（论文）基于AT89C51单片机的蔬菜大棚温湿度控制系统设计.doc

目录摘 要2第1章 概述31.1系统设计背景31.2设计要求31.3蔬菜大棚温湿度监控系统的简图41.3系统功能、优势及特点4第2章设计内容42.1总体方案的设计42.1.1设计思想42.1.2系统组成及框图52.2系统主要电路的设计62.2.1主要芯片89C51的功能及引脚图62.2.2温湿度检测电路的设计72.2.3复位电路的设计102.2.4 报警电路10 2.2.5 键盘输入电路112.3 SHT10数据采集122.4超温湿报警和温湿度值的LCD显示流程图132.5系统上位机流程图142.5系统的原理图142.5.1 上位机的电路原理图142.5.2 系统下位机原理图15第 3 章 课程设计总结16参考文献17摘 要随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素是温湿度控制。温湿度太低，蔬菜就会被冻死或则停止生长，所以要将温湿度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，工人依据读取的温度值来调节大棚内的温度。如果仅靠人工控制既耗人力，又容易发生差错。现在，随着农业产业规模的提高，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局性。为此，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温湿度自动控制系统，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。 本论文主要阐述了基于AT89C51单片机的蔬菜大棚温湿度控制系统设计原理，主要电路设计及软件设计等。该系统采用AT89C51单片机作为控制器，SHT10作为温湿度数据采集系统，可实现大棚温湿度的监控。关键词：AT89C51；SHT10；蔬菜大棚；温湿度；控制系统；传感器第1章 概述1.1系统设计背景植物的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对植物生长影响最大的是环境中的温度和湿度。环境中昼夜的温度和湿度变化大，其对植物生长极为不利。因此必须对环境的温度和湿度进行监测和控制，使其适合植物的生长，提高其产量和质量。本系统就是设计一个用于农业种植生产蔬菜大棚温湿度测控系统。本系统温湿度的监控包括以下步骤：感应环境温湿度；判断感应到的温湿度是否异常；若感应到的温湿度异常，若异常则出现异常报警。从而实现环境温湿度管理的实时性和有效性。为此，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温湿度自动控制系统，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。它以先进的技术和现代化设施，人为控制作物生长的环境条件，使作物生长不受自然气候的影响，做到常年工厂化，进行高效率，高产值和高效益的生产。1.2设计要求（1）设计基于RS485总线的数据监控系统，从节点即蔬菜大棚个数设计为3个，主控制器及从节点都以微控制器处理核心。（2）主节点除了具备数据通讯功能外，具有报警显示设置等功能。（3）各从节点采集主要采集各大棚温湿度信息及上传数据。（4）可以通过主节点设计各从节点报警的阈值。1.3蔬菜大棚温湿度监控系统的简图上位机下位机1下位机2下位机31.3系统功能、优势及特点该检测系统充分利用AT89C51单片机的软、硬件资源,辅以相应的测量电路和SHT10数字式集成温湿度传感器等智能仪器,能实现多任务、多通道的检测和输出。温湿度检测系统采用SHT10为温湿度测量元件。系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性,经过一定的添加或改造,很容易增加功能。根据温室大棚内的温湿度采集到的信息，利用RS485 总线将传感器信息送给单片机进行显示。并将收到的采样数据与设定的报警值相比较，若实测值超出设定范围，则通过屏幕显示报警。使大棚管理人员采取相应措施来确保大棚内的环境正常。第2章设计内容2.1总体方案的设计2.1.1设计思想系统的一大特点是用户可以通过上位机中的键盘输入温湿度的预置值，从而实现上位机对大棚内作物生长的远程控制。系统下位机设在种植植物的大棚内，下位机中的温湿度传感器可以将环境中的温湿度非电量参数转化成电量信号，再将这些信号进行处理后送至下位机中的单片机，下位机通过RS485总线传给上位机，通过LED数码管进行实时显示。同时与原先内部设定的参数值进行比较处理；单片机可以根据比较的结果决定是否报警，用户直接通过键盘对温湿度的预置值进行设置。2.1.2系统组成及框图系统的上位机原理框图如下：复位电路RS485电路AT89C51电源显示电路报警电路按键电路 系统下位机原理图：AT89C51 温湿度检测电路复位电路RS485电路电源系统由电源电路、温湿度传感器SHT10、数据通讯转换部分(RS485)、上下位机模块（AT89C51）。 1、温湿度传感器：负责检测并采集各控制点温湿度数据。 2、数据通讯转换器：负责温湿度数据采集数据的信号转换。 3、软件部分：软件部分负责对所有数据进行读取分析，并执行各项管理功能。4、控制部分（即温湿度调节系统）：执行远程控制指令。 控制部分连接增湿装置、干燥装置、温度的控制装置等。2.2系统主要电路的设计2.2.1主要芯片89C51的功能及引脚图芯片89C51共有40个引脚，其中电源引脚有4个，控制引脚有4个，并行的I/O接口有32个，其引脚图如图所示：图89C51引脚（1）电源及时钟引脚（4个）Vcc:电源接入引脚；Vss:接地引脚；XTAL1:晶体振荡器接入的一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚接地）；XTAL2:晶体振荡器接入的另一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端）。（2）控制线引脚（4个）RST/VpD:复位信号输入引脚/备用电源输入引脚；ALE/PROG:地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚(低电平有效）；EA/Vpp:内外存储器选择引脚（低电平有效）/片内EPROM（或FlashROM）编程电压输入引脚；PSEN:外部存储器选通信号输出引脚（低电平有效）。(3)并行I/O引脚（32个，分成4个8位口）P0.0P0.7:一般I/O引脚或数据/低位地址总线服用引脚；P1.0P1.7:一般I/O引脚；P2.0P2.7:一般I/O引脚或高位地址总线引脚；P3.0P3.7:一般I/O引脚或第二功能引脚。2.2.2温湿度检测电路的设计传感器SHT10的原理图： D ACalibration MemeryDigitalinter-faceRH SensorTempSensorSCKDATAGNDVDD本系统选择的温湿度传感器是由 瑞士Sensirion公司推出了SHT10单片数字温湿度集成传感器，采用CMOS过程微加工专利技术（CMOSens technology），确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件、一个用能隙材料制成的温度敏感元件，并在同一芯片上，与l4位的AD转换器以及串行接口电路实现无缝连接。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式存储在OTP内存中，在校正的过程中使用。两线制的串行接口，使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用的首选。（1） 数字集成温湿度传感器SHT10的主要特点a.相对湿度和温度的测量兼有露点输出；b.全部校准，数字输出；c.接口简单（2-wire）,响应速度快；d.超低功耗，自动休眠；e.出色的长期稳定性；f.超小体积（表面贴装）；g.测湿精度±45%RH，测温精度±0.5（25）。（2)引脚说明a.电源引脚（VDD、GND） SHT10的供电电压为2.4V5.5V。传感器上电后，要等待11ms，从“休眠”状态恢复。在此期间不发送任何指令。电源引脚（VDD和GND）之间可增加1个100nF的电容器，用于去耦滤波。b.串行接口 SHT10的两线串行接口（bidirectional 2-wire）在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理，其总线类似I2C总线但并不兼容I2C总线。 串行时钟输入（SCK）。SCK引脚是MCU与SHTIO之问通信的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有最小时钟频率。即微控制器可以以任意慢的速度与SHT10通信。串行数据（DATA）。DATA三态引脚是内部的数据的输出和外部数据的输入引脚。DATA在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并在SCK时钟的上升沿有效。即微控制器可以在SCK的高电平段读取有效数据。在微控制器向SHT10传输数据的过程中，必须保证数据线在时钟线的高电平段内稳定。为了避免信号冲突，微控制器仅将数据线拉低，在需要输出高电平的时候，微控制器将引脚置为高阻态，由外部的上拉电阻(例如：lOk)将信号拉至高电平。为避免数据发生冲突，MCU应该驱动DATA使其处于低电平状态，而外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平。传感器SHT10的电路连接图：（3）命令与时序SHT10命令如表所列:命令代码保留0000X测量温度00011测量湿度00101读状态寄存器00111写状态寄存器00110保留0101X1110X软件复位，复位接口、清楚状态寄存器为默认值，下一个命令前等待至少11ms11110a.命令时序 发送一组“传输启动”序列进行数据传输初始化，如图所示。其时序为：当SCK为高电平时DT翻转保持低电平，紧接着SCK产生1个发脉冲，随后在SCK为高电平时DATA翻转保持高电平。紧接着的命令包括3个地址位（仅支持“000”）和5个命令位。SHT10指示正确接收命令的时序为：在第8个SCK时钟的下降沿之后将DATA拉为低电平（ACK位）,在第9个SCK时钟的下降沿之后释放DATA（此时为高电平）。 DATASCK命令时序b.测量时序（RH和T）“000 00101”为相对湿度（RH）量，“000 00101”为温度（）测量。发送一组测量命令后控制器要等待测量结束，这个过程大约需要20/80/320ms对应其8/12/14位的测量。测量时间随内部晶振的速度而变化，最多能够缩短30%。SHT10下拉DATA至低电平而使其进入空闲模式。重新启动SCK时钟读出数据之前，控制器必须等待这个“数据准备好”信号。接下来传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC校验。MCU必须通过拉低DATA来确认每个字节。所有的数据都从MSB开始，至LSB有效。例如对于12位数据，第5个SCK时钟时的数值作为MSB位；而对于8位数据，第1个字节（高8位）数据无意义。确认CRC数据位之后，通信结束。如果不使用CRC-8校验，控制器可以在测量数据LSB位之后，通过保持ACK位为高电平来结束本次通信。测量和通信结束后，SHT10自动进入休眠状态模式。c.复位时序DATASCK传输开始121314-891复位时序如果与SHT10的通信发生中断，可以通过随后的信号序列来复位串口，如图所示。保持DATA为高电平，触发SCK时钟9次或更多，接着在执行下次命令之前必须发送一组“传输启动”序列。这些序列仅仅复位串口，状态寄存器的内容仍然保留。2.2.3复位电路的设计本系统采用RC复位电路，RC复位电路实质是一阶充放电电路。如图所示。该电路提供有效的复位信号RST（高电平)直至系统电源稳定后撤销复位信号（低电平）。设t为保持高电平的时间，只要保证t=RC>2M（M为机器周期）即可。 复位电路图2.2.4 报警电路系统采用声音报警来实现温湿度的越限报警，当蔬菜大棚里的温湿度超过人为的设定值时，与该大棚里温湿度传感器相连的单片机会输出一个高电平给该报警电路中的三极管，从而使三极管工作带动小喇叭发出声音警报。2.2.5 键盘输入电路本系统是通过键盘按键输入电路实现对蔬菜大棚里的温湿度设置。当有人按键设置温湿度后，设置的数据会传送给主机。如果下位机经RS485总线传送过来的数据会在主机内与该数据进行比较，若超过该数据则会启动语音报警电路。2.3 SHT10数据采集开始设置传感器分辨率状态发送“启动传输”发送测量指令指令判断？读测量值测量值判断？Error是否为0测量值转换为物理量一次测量结束Error=error+1YNError=error+1YYNYNSHT10数据采集流程图温湿度传感器SHTl0完成一次测量的工作顺序一般为：设置传感器分辨率发送“启动传输”命令发送测量命令读输出的测量值将输出测量值转换为物理量。微控制器首先发布一个启动传输时序，接着调用写时序发布温度或湿度(取决于人口参数)的测量命令，之后等待测量的完成，在测量完成后，调用读时序读回测量结果。需要注意的一点是，仅当通信错误标志error为0时，才说明通信正确，读回的结果有效。在主程序中若检测到通信错误标志error非零，需要使用复位时序，来复位串行端口，然后重新进行测量SHTlO数据采集程序流程图如上图。SHT10读写数据的规则是：DATA在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并在SCK时钟的上升沿有效。从微控制器向SHT10写数据的角度来看，可以理解为上升沿将触发SHT10锁存数据，即微控制器在下降沿输出数据，再给出上升沿触发SHT10锁存数据。下降沿和上升沿之间的时间间隔需要满足SHT10的数据建立时间1 (最小值为lOOns)，上升沿之后数据也需要保持一段时间，这段时间用于满足SHT1 0的数据保持时间TH(典型值为lOns)。 当SHT10完成测量后，微控制器需要发布读时序将测量结果读回。实现读时序首先需要实现8个数据位的读取。SHT10读写数据的规则是：DATA在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并在SCK时钟的上升沿有效。从微控制器读数据的角度理解，时钟线的下降沿将触发SHT10接口内的锁存器输出数据，输出数据在时钟线上升沿之后达到稳定，下降沿和上升沿之间的时间间隔要大于SHT10的输出数据有效时间Tv(典型值为250ns)，即微控制器需要先给出下降沿，延时一段时间待数据稳定后再读取数据。此外，微处理器需要在第9个时钟给出应答位，这属于写时序，写时序可参考前文的论述。读时序的C语言程序代码如下，程序的人口参数为0或1，0代表给出应答位，继续接收后续数据；1表示终止通信。2.4超温湿报警和温湿度值的LCD显示流程图开始端口初始化NNNYYY有键按下调用延时程序报警报警显示湿度大于输入值温度大于输入值调用温湿度检测函数测量温湿度值 2.5系统上位机流程图开始系统初始化显示更新键盘中断软件抗干扰读键盘中断返回串行口中断传递信息中断返回2.5系统的原理图2.5.1 上位机的电路原理图2.5.2 系统下位机原理图第 3 章 课程设计总结通过这次设计实践。我学会了计算机设计系统的基本思路，对系统设计的设计原理和设计原则也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，提高了我们的工程素质，在没有做实践设计以前，我们对知道的撑握都是思想上的，对一些实际问题不加重视，当我们把自己想出来的设计与现实相结合的时候，问题出现了，不是不能实现，就是实现效果和我们理想的效果不符合。本次设计使我看到实际与想象的差距。    通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。在本次设计中，由于我们需要的知识是多方面的还有以前没有接触过的知识，于是图书馆和INTERNET成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学习的知识是有限的，在以后的工作中我们肯定会遇到许多未知的领域，这方面的能力便会使我们受益非浅。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。为以后的工作积累了经验，增强了信心。参考文献1余永权，汪明慧，等.单片机在控制系统中的应用M.北京：电子工业出版社，2003.2谢运祥，欧阳森，等.电力电子单片机控制技术M.北京：机械工业出版社，2007.3沙占友，孟志永，等.单片机外围电路设计M.北京：电子工业出版社，2006.4孙肖子.实用电子电路手册M.北京：高等教育出版社，1991.5郑学坚，周斌.微型计算机原理及应用M.北京：清华大学出版社，1999.