溫室大棚控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文.doc

鄭州輕工業(yè)學院鄭州輕工業(yè)學院 本科畢業(yè)設計 論文 題 目 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 學生姓名 專業(yè)班級 自動化 09 1 班 學 號 院 系 電氣信息工程學院 指導教師 完成時間 2013 年 6 月 1 日 鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院 畢業(yè)設計 論文 任務書畢業(yè)設計 論文 任務書 題目 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 專業(yè) 學號 姓名 主要內容 基本要求 主要參考資料等 主要內容主要內容 了解溫室大棚控制技術的發(fā)展現(xiàn)狀 技術特點 利用單片機 自動控制等技術設計溫室大棚控制系統(tǒng) 基本要求基本要求 利用 PID 調節(jié)技術對加熱器的溫度進行控制 其加熱器功率 20KW 溫度測控范圍 10 70 測控精度 0 4 濕度測控范圍 0 90 RH 精度 3 RH 利用單片機作為控制器的 MCU 搭建相關外圍電路進行相應的控制 控制器系統(tǒng)具有溫濕度設定 溫濕度顯示 超溫報警 漏電檢測并自動關斷電 源等功能 按照要求對設計進行說明 給出總體設計方案 設計原理 軟件編程必須給出流程圖 程序必須加注釋 各程序段的開始要注明該段功能 和作用 主要參考資料主要參考資料 1 李俊 張曉東 基于單片機的溫濕度檢測與控制系統(tǒng)研究 J 微計算機信息 2008 24 17 116 118 2 陶然 王樹文 智能化溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的研究 J 農機化研究 2003 33 2 53 55 3 趙娜 趙剛 基于51單片機的溫度測量系統(tǒng) J 微計算機信息 2007 23 1 146 148 4 劉攀 俞杰 基于單片機的溫度測控系統(tǒng) J 蘭州交通大學學報 2005 6 12 103 106 完完 成成 期期 限 限 2 20 01 13 3 0 02 2 2 20 01 13 3 0 06 6 指指導導教教師師簽簽章章 專業(yè)負責人簽章 專業(yè)負責人簽章 20132013 年年 2 2 月月 2626 日日 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 I 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 摘 要 隨著大棚技術的普及 溫室大棚數量不斷增多 對于蔬菜大棚來說 最重要的 一個管理因素是溫濕度控制 溫濕度太低 蔬菜就會被凍死或則停止生長 所以要 將溫濕度始終控制在適合蔬菜生長的范圍內 傳統(tǒng)的溫度控制是在溫室大棚內部懸 掛溫度計 工人依據讀取的溫度值來調節(jié)大棚內的溫度 如果僅靠人工控制既耗人 力 又容易發(fā)生差錯 現(xiàn)在 隨著農業(yè)產業(yè)規(guī)模的提高 對于數量較多的大棚 傳 統(tǒng)的溫度控制措施就顯現(xiàn)出很大的局性 為此 在現(xiàn)代化的蔬菜大棚管理中通常有 溫濕度自動控制系統(tǒng) 以控制蔬菜大棚溫濕度適應生產需要 本文利用 89C51 單片機設計一個溫室大棚的溫濕度檢測控制系統(tǒng) 對濕室內的 溫濕度進行檢測控制并實時顯示 其中溫濕度傳感器采用 AM2301 數字溫濕度傳感 器 通過 89C51 單片機的處理把溫濕度值顯示在 1602 液晶上 并實時判斷溫濕度 值是否滿足設定的溫濕度范圍 若超出設定范圍 通過 89C51 啟動溫濕度控制系統(tǒng) 達到恒溫恒濕的目的 關鍵詞 89C51 單片機 AM2301 傳感器 1602 液晶 控制系統(tǒng) 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 II DESIGN OF CONTROL SYSTEM OF GREENHOUSE ABSTRACT With the popularization of trellis technology greenhouse trellis an ever growing number for vegetable shed speaking one of the most important management factor is the temperature and humidity control Temperature is too low the vegetables will freeze to death or stop growing so will always control temperature and humidity in a suitable vegetable growth range Traditional temperature control is in greenhouse trellis internal hanging a thermometer workers according to regulate the temperature reading the temperature inside the shelter If only by artificial control both consumption manpower and easy to place regular orders Now with the improvement of agricultural industry scale for larger quantity of trellis traditional temperature control measures will show great bureau sex Therefore in modern vegetable shed management zhongtong often temperature and humidity automatic control system in order to control the temperature and humidity adapt to the trellis vegetable production needs In this paper using 89C51 MCU to design a greenhouse temperature and humidity measurement and control system Detection and control the indoor temperature and humidity and real time display The temperature and humidity sensor using AM2301digital temperature and humidity sensor The temperature and humidity are displayed in the 1602 LCD through the 89 C51 single chip computer processing And the real time temperature and humidity value judgment whether meet the set the humidity and temperature of the range If it exceeds the setting range through the 89C51 start the temperature and humidity control system to achieve the purpose of constant temperature and humidity KEY WORDS 89C51MCU AM2301 sensor 1602LCD control system 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1 1 課題背景 1 1 2 立題的目的和意義 1 1 3 國內外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 2 1 4 系統(tǒng)主要研究內容 2 2 系統(tǒng)總體設計 3 2 1 系統(tǒng)設計技術要求 3 2 2 系統(tǒng)設計原則 3 2 2 1 可靠性 3 2 2 2 操作維護方便 3 2 2 3 性價比 4 2 3 系統(tǒng)的組成和工作原理 4 2 3 1 系統(tǒng)的組成 4 2 3 2 系統(tǒng)的工作原理 4 3 系統(tǒng)硬件設計 6 3 1 單片機外圍電路設計 6 3 1 1 AT89C51 單片機 6 3 1 2 時鐘電路 7 3 1 3 復位電路 7 3 1 4 5V 穩(wěn)壓電源電路 8 3 2 傳感器的選型和接口電路設計 8 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 3 2 1 傳感器的基本特性 8 3 2 2 AM2301 數字溫濕度傳感器 9 3 3 人機接口電路設計 13 3 3 1 液晶顯示電路設計 13 3 3 2 按鍵電路的設計 17 3 4 光聲報警電路與溫濕度控制電路設計 18 3 4 1 光聲報警電路 18 3 4 2 溫濕度控制電路 19 4 軟件系統(tǒng)設計 21 4 1 初始化模塊 21 4 2 溫濕度檢測模塊 22 4 3 溫濕度控制模塊 23 4 4 1602 液晶顯示模塊 23 4 5 按鍵識別模塊 24 4 6 報警模塊 25 結束語 26 致謝 27 參考文獻 28 附錄 1 29 附錄 2 30 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 1 1 緒論 1 1 課題背景 隨著經濟和社會的不斷發(fā)展 人們對生活質量要求顯著提高 對植被也要求越 來越嚴格 如何種植出品種優(yōu)良的植物 一直是人們研究的話題 而基于單片機的 溫濕度控制系統(tǒng)對解決這些問題有著非常重大的意義 植被 設施栽培 即 保護地栽培 它是指在某種類型的保護設施內 如 陽畦 溫室 大棚等 人為地創(chuàng)造適宜植被生長發(fā)育的最佳環(huán)境條件 在不同季 節(jié)內 尤其是不利于植被生長的季節(jié)內進行植被栽培的一種措施 設施栽培是人類 利用自然 改造自然的一種創(chuàng)造 由于設施內的條件是可以人為控制的 使得植被 調節(jié)的周年生產得以實現(xiàn) 玻璃溫室和塑料薄膜溫室出現(xiàn)后 植被生產出現(xiàn)了劃時 代的變化 現(xiàn)在人們可以根據自己的意愿 隨時生產出所需要的各種植被 可以說 這是 設施栽培 的功勞 以前種植植被一般都用溫室栽培 為了充分的利用好溫室栽培這一高效技術 就必需有一套科學的 先進的管理方法 用以對不同種類植被生長的各個時期所需 的溫度及濕度等進行實時的監(jiān)控 溫濕度控制對于單片機的應用具有一定的實際意 義 它代表了一類自動控制的方法 而且其應用十分廣泛 1 2 立題的目的和意義 環(huán)境的監(jiān)測與控制在工業(yè) 農業(yè) 國防等行業(yè)有著廣泛的應用 由于應用的場 合不同監(jiān)測對象的不同 其系統(tǒng)設計也是千差萬別 在實際生活中此類系統(tǒng)有著廣 泛的應用 室溫環(huán)境檢測系統(tǒng)中溫度和濕度是兩個重要的顯示和分析指標 必須定 期抽樣檢查室溫環(huán)境溫度和濕度 以便采取相應的措施加以調整和一步步的提高系 統(tǒng)的性能 89C51 單片機是常用于控制的芯片 在智能儀器儀表 工業(yè)檢測控制 機電一體化等方面取得了令人矚目的成果 用其作為溫濕度檢測控制系統(tǒng)的實例也 很多 使用 89C51 單片機能夠實現(xiàn)溫濕度全程的自動檢測與控制 而且 89C51 單片 機易于學習 掌握 性價比高 使用 89C51 型單片機設計溫濕度檢測控制系統(tǒng) 可以及時 精確的反映室內的 溫度以及濕度的變化 完成諸如升溫到特定溫度 降溫到特定溫度 在溫度上下限 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 2 范圍內保持恒溫等多種控制方式 在濕度控制方面也是如此 將此系統(tǒng)應用到溫室 大棚當中無疑為植物的生活提供了更加適宜的環(huán)境 這對我國的農業(yè)生產 實現(xiàn)農 業(yè)現(xiàn)代化 提高國民生產總值 改善人民生活水平起到了非常重要的作用 1 3 國內外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 目前 我國絕大部分自主開發(fā)的大棚溫濕度控制或者進口的國外設備都屬于這 種系統(tǒng) 雖然這種自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化 適合規(guī)?；a 提高了勞動生產 率 通過改變大棚溫室度的設定目標 可以自動的對大棚內溫濕度進行調節(jié) 但是 這種調節(jié)對作物的生長來說還是相對滯后的 難以介入作物生長的內在規(guī)律 所以 在這種自動控制系統(tǒng)和實踐的基礎上 溫濕度自動控制向著適合不同作物生長的智 能化控制發(fā)展 國外大棚業(yè)正致力于高科技發(fā)展 遙測技術 網絡技術 控制局域網已逐漸應 用于大棚的管理和控制中 為了充分的利用好溫室栽培這一高效技術 就必須有一 套科學的 先進的管理方法 用以對不同種類植被生長的各個時期所需的溫度及濕 度等進行實時的監(jiān)控 溫濕度控制對于單片機的應用具有一定的實際意義 它代表 了一類自動控制的方法 而且其應用十分廣泛 近幾年各國溫度控制技術提出建立 大棚行業(yè)標準 朝著網絡化 大眾化 大規(guī)模 無人化的方向發(fā)展的思路也更加完 善和成熟 采用高性能的控制芯片 89C51 高精度數字溫濕度傳感器 AM2301 向 模塊化 高速化 智能化的單片機數據采集系統(tǒng)靠近 將此系統(tǒng)應用到溫室大棚當 中無疑為植物的生活提供了更加適宜的環(huán)境 符合植物的生活環(huán)境要求 具有良好的 發(fā)展前景 1 4 系統(tǒng)主要研究內容 本系統(tǒng)所要完成的任務是 1 人性化的設計 根據植物的生活需求 把溫濕度值控制在一定的范圍內 2 能夠實時 準確的顯示采樣溫度值與濕度值 3 通過采集溫度及濕度值 準確的判斷標準值與當前值之間的差異 及時的 啟動報警裝置 包括警報燈的提示功能以及提示音等 進行報警 并采取相應的控 制方案 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 3 4 能夠根據植被在不同時間段內對溫濕度的不同要求 用戶可隨機更改溫度 及濕度值 以滿足用戶不同的需求 2 系統(tǒng)總體設計 2 1 系統(tǒng)設計技術要求 系統(tǒng)要完成的設計功能是 1 實現(xiàn)對溫室大棚溫濕度參數的實時采集 測量空間的溫度和濕度 由單片 機對采集的溫濕度值進行循環(huán)檢測 數據處理 顯示 實現(xiàn)溫濕度的智能檢測 2 并能根據實際所需要的溫濕度值通過獨立按鍵設定 已達到更加理想的溫 室大棚條件 3 實現(xiàn)超越數據的及時報警 并啟動控制系統(tǒng) 實現(xiàn)溫室的目的 4 現(xiàn)場檢測設備應具有較高的靈敏度 可靠性 抗干擾能力 要求達到的技術指標要求 測溫范圍 10 70 測溫精度 0 4 測濕范圍 0 90 RH 測濕精度 3 RH 2 2 系統(tǒng)設計原則 要求單片機系統(tǒng)應具有可靠性高 操作維護方便 性價比高等特點 2 2 1 可靠性 高可靠性是單片機系統(tǒng)應用的前提 在系統(tǒng)設計的每一個環(huán)節(jié) 都應該將可靠 性作為首要的設計準則 提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個方面考慮 使用可靠性 高的元器件 設計電路板時布線和接地要合理 對供電電源采用抗干擾措施 輸入 輸出通道抗干擾措施 進行軟硬件濾波 系統(tǒng)自診判斷功能等 2 2 2 操作維護方便 在系統(tǒng)的軟硬件設計時 應從操作者的角度考慮操作和維護方便 盡量減少對 操作人員專用知識的要求 以利于系統(tǒng)的推廣 因此在設計時 要盡可能減少人機 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 4 交換接口 多采用操作內置或簡化的方法 同時系統(tǒng)應配有現(xiàn)場故障自動診斷程序 一旦發(fā)生故障能保證有效地對故障進行定位 以便進行維修 2 2 3 性價比 單片機除體積小 功耗低等特點外 最大的優(yōu)勢在于高性能價格比 一個單片 機應用系統(tǒng)能否被廣泛使用 性價比是其中一個關鍵因素 因此 再設計時 除了 保持高性能外 盡可能降低成本 如簡化外圍硬件電路 在系統(tǒng)性能和速度允許的 情況下盡可能使用軟件功能取代硬件功能等 2 3 系統(tǒng)的組成和工作原理 2 3 1 系統(tǒng)的組成 以單片機為控制核心 采用溫濕度測量 通信技術 控制技術等技術 以溫濕 度傳感器作為測量元件 構成智能溫濕度測量控制系統(tǒng) 可分為溫濕度測量電路 顯示電路 聲光報警電路 溫濕度控制電路 選用的主要器件有 AT89C51 溫濕度 傳感器 AM2301 1602LCD 顯示模塊 降溫裝置風扇 升溫裝置加熱器 増濕裝置 噴霧器 除潮裝置除潮器 紅綠 LED 燈 報警裝置蜂鳴器等 1 2 系統(tǒng)的組成方框 圖如圖 2 1 所示 圖 2 1 系統(tǒng)的組成 2 3 2 系統(tǒng)的工作原理 本系統(tǒng)以單片機 Atmel89C51 為核心 數據采集 傳輸 顯示 報警都要通過 單片機 數據采集通過單總線的智能數字溫濕度傳感器 AM2301 完成 通過單片機 把采集的數據顯示在 1602LCD 上 當采集的數據超出給定范圍時 有蜂鳴器實時報 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 5 警 并顯示紅燈提示 并進行相應的控制處理 在整個系統(tǒng)中采用了 AM2301 單總 線技術 單片機采用 C 語言編程 首先 系統(tǒng)啟動后 提示用戶輸入溫濕度的上限與下限的溫度值 用戶輸入之 后 系統(tǒng)自動求出中間值 根據實際溫度的情況采取相應的方案 如溫度的設定如 下所示 下限溫度 中間溫度 上限溫度 28 32 36 如果該時刻的實際溫度值低于用戶給定的下限溫度值時 系統(tǒng)立即啟動報警裝 置 且系統(tǒng)處于升溫狀態(tài) 直到實際溫度達到用戶輸入的上下限溫度的中間值一定 區(qū)間內時停止升溫 反之 如果實際溫度值高于用戶設定的上限值時 系統(tǒng)也會立 即啟動報警裝置 且系統(tǒng)處于降溫狀態(tài) 直到實際溫度達到用戶輸入的上下限溫度 的中間值一定區(qū)間內時停止降溫 選擇中間值作為控制參數 防止升溫 降溫 升溫的死循環(huán) 因為溫度低于下 限時會一直升溫 可能會導致升溫之后溫度高于上限值系統(tǒng)又開始降溫 這樣系統(tǒng) 便一直重復升溫 降溫 升溫過程 導致設備在某一個溫濕度點附近頻繁的啟停 使設備壽命下降 而且沒有實際意義 選擇中間值的一定區(qū)間 是防止達到中間值時 采取了停止升溫或者降溫措施 溫度還是會持續(xù)上升或下降一會兒 這時候溫度可能不是正好在中間值處 系統(tǒng)便 還是采取升溫或者降溫的措施 而此時的溫度值可能已經是很適合植被生長的需要 的溫度值 所以本方案選在中間值的正負一度區(qū)間內 認為此區(qū)間內都是適合的 不產生任何控制動作變化 這樣就能解決設備頻繁啟停問題 整個系統(tǒng)通過獨立鍵盤給定溫濕度的上下限值并通過 LCD1602 顯示出來 首行 顯示溫度 第二行顯示濕度 另外 LCD 除了顯示上下限溫濕度值 還顯示實時的溫 濕度值 溫室溫濕度控制系統(tǒng)是以 89C51 單片機作為中央控制裝置 風扇 加熱設備 加濕設備 排潮設備等 89C51 作為中央控制裝置 負責中心運算和控制 協(xié)調系統(tǒng)各個模塊的工作 風扇 負責系統(tǒng)的降溫工作 加熱設備 負責系統(tǒng)的加熱工作 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 6 噴霧設備 負責系統(tǒng)的加濕工作 排潮設備 負責系統(tǒng)的去濕工作 雙色燈 報警模塊 負責系統(tǒng)的報警功能 如果當前的溫度超過用戶設定的 上下值界限值時系統(tǒng)將自動警 雙色燈在單片機的控制下有規(guī)律的切換 同時報警 模塊發(fā)出報警聲 通知用戶采取相應的措施 按鍵 由四個獨立按鍵構成 第一個鍵代表溫濕度選擇按鍵 第二個代表溫 濕度加按鍵 第三個代表溫濕度減按鍵 第四個代表確定鍵 它只在需要調整溫濕 度具體值時才會用到 此時液晶顯示屏就會顯示出溫濕度數值設定界面 3 系統(tǒng)硬件設計 3 1 單片機外圍電路設計 經過上面的總體方案和實施措施的討論后可以開始著手硬件系統(tǒng)的設計 硬件 系統(tǒng)是應用系統(tǒng)的基礎 軟件系統(tǒng)設計的依據 根據總體功能和性價比及其運行速度等因素的考慮 選用 MCS 51 系列的 89C51 為主機 滿足上面的要求而且設計方便 不需要再存儲擴展 3 1 1 AT89C51 單片機 中央微處理器 AT89C51 AT89C51 是一個低功耗 高性能 CMOS 8 位單片機 片內含 4k Bytes ISP In system programmable 的可反復擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序 存儲器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存儲技術制造 兼容標準 MCS 51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結構 芯片內集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元 功能強大的微型計算機的 AT89C51 可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng) 提供高性價比的解決方案 AT89C51 具有如下特點 40 個引腳 4k Bytes Flash 片 內程序存儲器 128 bytes 的隨機存取數據存儲器 RAM 32 個外部雙向輸入 輸 出 I O 口 5 個中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷 2 個 16 位可編程定時計數器 2 個全雙工串行通信口 看門狗 WDT 電路 片內時鐘振蕩器 此外 AT89C51 設計和配置了振蕩頻率 并可通過軟件設置省電模式 空閑模 式下 CPU 暫停工作 而 RAM 定時計數器 串行口 外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作 掉 電模式凍結振蕩器而保存 RAM 的數據 停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 7 復位 同時該芯片還具有 PDIP TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式 AT89S51 單片機 綜合了微型處理器的基本功能 按照實際需要 同時也考慮到設計成本與整個系統(tǒng) 的精巧性 所以在本系統(tǒng)中就選用價格較低 工作穩(wěn)定的 AT89C51 單片機作為整個 系統(tǒng)的控制器 3 3 1 2 時鐘電路 AT89C51 單片機各功能部件的運行都以時鐘信號為準 一拍一拍地工作 因此 時鐘頻率直接影響單片機的速度 時鐘電路的質量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性 AT89C51 單片機內部有一個用于構成震蕩的高增益反相放大器 它的輸入端為芯片 引腳 XTAL1 輸出端為 XTAL2 這兩個引腳構成一個穩(wěn)定的自己振蕩器 外部時 鐘方式時外部時鐘電源直接接到 XTAL1 端 XTAL2 端懸空 其電路如圖 3 1 所示 12 Y1 11MHZ 30pF C1 30pF C2 GND X1 X2 圖 3 1 時鐘電路 3 1 3 復位電路 復位是單片機的初始化操作 只需給 AT89C51 的復位引腳 RST 加上大于 2 個 機器周期的高電平就可使 AT89C51 復位 復位電路通常采用上自動復位和按鈕復位 兩種方式 上電復位是通過外部復位電路給電容 C 充電加至 RST 引腳一個短的高電 平信號 次信號隨著 VCC 對電容 C 的充電過程而逐漸回落 即 RST 引腳上的高電 平持續(xù)時間取決于電容的充電時間 為保證系統(tǒng)可靠地復位 EST 引腳上的高電平 必須維持足夠長的時間 按鍵手動復位有電平和脈沖兩種形式 4 5 其電路如圖 3 2 所示 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 8 1K R 6 10uF C3 V CC S1 10K R 5 G N D RST 圖 3 2 復位電路 3 1 4 5V 穩(wěn)壓電源電路 它由電源變壓器 橋式整流電路 D1 D4 濾波電容 C1 C3 防止自激電容 C2 C3 和一只固定式三端穩(wěn)壓器 LM7805 極為簡捷方便地搭成的 220V 交流市電 通過電源變壓器變換成交流低壓 再經過橋式整流電路 D1 D4 和濾波電容 C1 的整 流和濾波 在固定式三端穩(wěn)壓器 LM7805 的 Vin 和 GND 兩端形成一個并不十分穩(wěn) 定的直流電壓 該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發(fā)生變化 此直流電壓經過 LM7805 的穩(wěn)壓和 C3 的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產生了精 度高 穩(wěn)定度好的直流輸出電壓 本穩(wěn)壓電源可作為 TTL 電路或單片機電路的電源 三端穩(wěn)壓器是一種標準化 系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路 以其體積小 成 本低 性能好 工作可靠性高 使用簡捷方便等特點 成為目前穩(wěn)壓電源中應用最 為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件 在此 5V 穩(wěn)壓電源電路圖中 經變壓器后輸出電壓 為 8V 又經過 D1 D4 橋式整流電路變?yōu)橹暗?1 4 倍為 11 2V 這樣在 LM7805 的 Vin 和 GND 兩端之間的壓差為 5 2V 一般氣壓差越小越好 這樣對 LM7805 的損 傷越小 但為了綜合考慮有時則要這種考慮 其電路如下圖 3 3 中所示 Trans former D1 D4 220uF C4 220uF C6 0 1uF C5 0 1uF C7 12 3 Vin Vout GND LM7805 GND 220V 8V Vcc 5V 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 9 圖 3 3 5V 穩(wěn)壓電源電路 3 2 傳感器的選型和接口電路設計 3 2 1 傳感器的基本特性 傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號 傳感器的輸出量與輸入量之間所具 有相互關系 不含時間變量的代數方程 或以輸入量作橫坐標 把與其對應的輸出 量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述 表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數有 線性度 靈敏度 分辨力和遲滯等 傳感器的動態(tài)特性 所謂動態(tài)特性 是指傳感器在輸入變化時 它的輸出的特 性 在實際工作中 傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示 這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得 并且它對標準輸入信 號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系 往往知道了前者就能推 定后者 最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種 所以傳感器的動態(tài)特 性也常用階躍響應和頻率響應來表示 6 7 3 2 2 AM2301 數字溫濕度傳感器 1 AM2301產品概述 AM2301數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器 它運用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術 確保產品具有極高的可靠性與 卓越的長期穩(wěn)定性 傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件 并與一 個高性能8位單片機相連接 因此該產品具有品質卓越 超快響應 抗干擾能力強 性價比極高等優(yōu)點 每個AM2301傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準 校 準系數以程序的形式儲存在OTP內存中 傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調 用這些校準系數 單線制串行接口 使系統(tǒng)集成變得簡易快捷 超小的體積 極低 的功耗 信號傳輸距離可達20米以上 使其成為各類應用場合的最佳選則 產品為4 針單排引腳封裝 連接方便 特殊封裝形式可根據用戶需求而提供 2 產品亮點 超低能耗 傳輸距離遠 全部自動化校準 采用電容式濕敏元件 完全互換 標準數字單總線輸出 卓越的長期穩(wěn)定性 采用高精度測溫元件 3 AM2301接口定義 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 10 AM2301的引腳分配及各個引腳的簡單描述分別如表3 1和圖3 4所示 表 3 1 AM2301 的引腳分配 圖 3 4 AM2301 的引腳描述 引腳說明 VDD SDA GND AM2301的供電電壓范圍為3 5V 5 5V 建議供電電壓為5V 數據線SDA引腳為三 態(tài)結構 用于讀 寫傳感器數據 4 單總線接口定義 AM2301器件采用簡化的單總線通信 單總線即只有一根數據線 系統(tǒng)中的數 據交換 控制均由數據線完成 設備 微處理器 通過一個漏極開路或三態(tài)端口 連至該數據線 以允許設備在不發(fā)送數據時能夠釋放總線 而讓其它設備使用總 線 單總線通常要求外接一個約5 1k 的上拉電阻 這樣 當總線閑置時 其狀態(tài) 為高電平 由于它們是主從結構 只有主機呼叫傳感器時 傳感器才會應答 因 此主機訪問傳感器都必須嚴格遵循單總線序列 如果出現(xiàn)序列混亂 傳感器將不 響應主機 5 單總線通信時序和AM2301通信格式說明 用戶主機 MCU 發(fā)送一次起始信號 微處理器把數據總線SDA拉低至少 800 s 后 AM2301從休眠模式轉換到高速模式 待主機的開始信號結束后 AM2301發(fā)送響應信號 從數據總線SDA串行并送出40Bit的數據 先發(fā)送字節(jié)的高 位 發(fā)送的數據依次為濕度高位 濕度低位 溫度高位 溫度低位 校驗位 發(fā)送 數據結束觸發(fā)一次信息采集 采集結束后傳感器自動轉入休眠模式 直到下一次的 通信來臨 如表3 2所示 引腳顏色名稱描述 1紅VDD電源 2黃SDA串行 3黑GND地 4NC空腳 名稱單總線格式定義 起始信號微處理器把數據總線 SDA 拉低一段時間 至少800 s 通知傳感器準備數據 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 11 表3 2 AM2301通信格式 6 傳感器的性能 傳感器AM2301的相對溫濕度性能分別如表3 3和3 4所示 而相對溫濕度的的最 大誤差則如圖3 5和圖3 6所示 表3 3 AM2301相對溫度性能表 表3 4 AM2301相對濕度性能表 參數MinTypMax單位 0 1 分辨率 16bit 精度 0 3 1 量程 4080 重復性 0 2 響應時間 10S 漂移 0 3 yr 參數條件Typ單位 0 1 RH 分辨率 16bit 精度 25 25 3 RH 重復性 1 RH 響應時間 6S 遲滯性 0 3 RH 漂移典型值 0 5 RH yr 圖 3 5 相對溫度最大誤差圖 3 6 相對濕度最大誤差 7 外設讀取步驟 步驟一 AM2301上電后 AM2301上電后要等待2S以越過不穩(wěn)定狀態(tài) 在此期 響應信號傳感器把數據總線 SDA 拉低80 s 再接高80 s以響應主機的起始信號 數據格式收到主機起始信號后 傳感器一次從數據總線 SDA 串出40位數據 高位先出 濕度 濕度分辨率是16Bit 高位在前 傳感器串出的濕度值是實際濕度值的10倍 溫度 溫度分辨率是16Bit 高位在前 傳感器串出的溫度值是實際溫度值的10倍 溫度最高位 Bit15 等于1表示負溫度 溫度最高位 Bit15 等于0表示正溫度 溫度除了最高位 Bit14 Bit0 表示溫度值 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 12 間讀取設備不能發(fā)送任何指令 測試環(huán)境溫濕度數據 并記錄數據 此后傳感器 自動轉入休眠狀態(tài) AM2301的SDA數據線由上拉電阻拉高并且一直保持高電平 此 時AM2301的SDA引腳處于輸入狀態(tài) 時刻檢測外部信號 電氣特性 如能耗 高 低電平 輸入 輸出電壓等 都取決于電源 步驟二 微處理器的I O設置為輸出 同時輸出低電平 且低電平保持時間不能 小于800us 典型值是拉低1MS 然后微處理器的I O設置為輸入狀態(tài) 釋放總線 由于上拉電阻 微處理器的I O即AM2301的SDA數據線也隨之變高 等主機釋放總 線后 AM2301發(fā)送響應信號 即輸出80us的低電平作為應答信號 緊接著輸出80us 的高電平通知外設準備接收數據 信號傳輸如圖3 7所示 圖3 7 單總線分解時序圖 步驟三 AM2301發(fā)送完響應后 隨后由數據總線SDA連續(xù)串行輸出40位數據 微處理器根據I O電平的變化接收40位數據 位數據 0 的格式為 50us的低電平加26 28us的高電平 位數據 1 的格式為 50us的低電平加70us的高電平 位數據 0 位數據 1 格式信號如圖3 8所示 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 13 圖3 8 單總線分解時序圖 AM2301的數據總線SDA輸出40位數據后 繼續(xù)輸出低電平50us后轉為輸入狀態(tài) 由于上拉電阻隨之變?yōu)楦唠娖?同時AM2301內部重測環(huán)境溫濕度數據 并記錄數據 測試記錄結束 單片機自動進入休眠狀態(tài) 單片機只有收到主機的起始信號后 才 重新喚醒傳感器 進入工作狀態(tài) 8 接口電路 建議連接線長度短于20米時用5K上拉電阻 大于20米時根據實 際情況使用合適的上拉電阻 電路如圖3 9所示 NC GND SDA VDD AM 2301 10K R 7 VCCVCC GND MCU P1 0 圖3 9 AM2301典型接口電路 3 3 人機接口電路設計 3 3 1 液晶顯示電路設計 3 3 1 1 LCD1602 簡介 在單片機系統(tǒng)中應用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點 1 顯示質量高 由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度 恒定發(fā)光 而 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 14 不像陰極射線管顯示器 CRT 那樣需要不斷刷新亮點 因此 液晶顯示器畫質高且不 會閃爍 2 數字式接口 液晶顯示器都是數字式的 和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單 可靠 操作更加方便 3 體積小 重量輕 液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液 晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的 在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多 4 功耗低 相對而言 液晶顯示器的功耗主要消耗在其內部的電極和驅動 IC 上 因而耗電量比其它顯示器要少得多 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶 它是一種專門用來顯示字母 數字 符號等 的點陣型液晶模塊它有若干個 5 7 或者 5 11 等點陣字符位組成 每個點陣字符位 都可以顯示一個字符 每位之間有一個點距的間隔 每行之間也有也有間隔 起到了 字符間距和行間距的作用 正因為如此 所以他不能顯示圖形 用自定義 CGRAM 顯示效果也不好 LCD1602 是指顯示的內容為 16 2 即可以顯示兩行 每行 16 個 字符液晶模塊 顯示字符和數字 目前市面上字符液晶絕大多數是基于 HD44780 液 晶芯片的 其和 LCD1602 的控制原理是完全相同的 因此基于 HD44780 8 的控制程 序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶 LCD1602 的芯片及其接口電路 如圖 3 10 所示 Vss 1 BLK 16 DB2 9 R W 5 DB6 13 V0 3 DB0 7 DB4 11 BLA 15 Vcc 2 RS 4 EN 6 DB1 8 DB3 10 DB5 12 DB7 14 LCD1602 GND VCC VCCGND 10K R1 GND P2 0 P2 1 P2 2 圖3 10 1602LCD引腳圖 1602 LCD 主要技術參數 顯示容量 16 2 個字符 芯片工作電壓 4 5 5 5V 工作電流 2 0mA 5 0V 模塊最佳工作電壓 5 0V 字符尺寸 2 95 4 35 W H mm 3 3 1 2 LCD1602 各引腳及功能說明 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 15 1602LCD 在此處采用標準的 16 腳 帶背光 接口 各引腳接口說明如表 3 5 所 示 表3 5 1602各引腳說明 引腳符號引腳說明引腳符號引腳說明 1VSS電源地9D2數據 2VDD電源正極10D3數據 3VL液晶顯示偏壓11D4數據 4RS數據 命令選擇12D5數據 5R W讀 寫選擇13D6數據 6E使能信號14D7數據 7D0數據15BLA背光源正極 8D1數據16BLK背光源負極 第 1 腳 VSS 為地電源 第 2 腳 VCC 接 5V 正電源 第 3 腳 VO 為液晶顯示器對比度調整端 接正電源時對比度最弱 接地時對 比度最高 對比度過高時會產生 鬼影 可以通過一個 10K 的電位器調整對比度 第 4 腳 RS 為寄存器選擇 高電平選擇數據寄存器 低電平選擇指令寄存器 第 5 腳 R W 為讀寫信號線 高電平時進行讀操作 低電平時進行寫操作 當 RS 和 R W 共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址 當 RS 為低電平 R W 為高 電平時可以讀忙信號 當 RS 為高電平 R W 為低電平時可以寫入數據 第 6 腳 EN 端為使能端 當 EN 端由高電平變成低電平時 液晶模塊執(zhí)行命令 第 7 14 腳 DB0 DB7 為 8 位雙向數據線 第 15 腳 背光源正極 第 16 腳 背光源負極 3 3 1 3 LCD1602 的顯示操作 LCD1602 與單片機之間有四種基本操作如表 3 6 所示 表3 6 LCD1602與單片機之間有四種基本操作 RSR W操作 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 16 00寫命令操作 初始化 光標定位等 01讀狀態(tài)操作 讀忙標志位 10寫數據操作 要顯示內容 11讀數據操作 可以把顯示存儲區(qū)中的數據反讀出來 1 讀狀態(tài)字 由表 3 6 可知當 RS 0 R W 1 時 根據管腳功能 當為有效電平時 狀態(tài)命令 字可從 LCD 模塊傳輸到數據總線 同時可以保持一段時間 從而實現(xiàn)讀狀態(tài)字的功 能 圖 3 11 為讀操作時序圖 圖3 11 讀操作時序圖 2 1602 命令字 表 3 7 所示為控制指令表 其主要介紹了指令名稱 控制信號及控制代碼 其 指令名稱是指要實現(xiàn)的功能 控制代號是采用的十六進制的數值表示的 清屏操作是指輸入某命令字后即能將整個屏幕顯示的內容全部清除 歸 home 位 將光標送到初始位 其中的 號為任意 高低電平均可 輸入方式 設置光標移動方向并指定整體顯示是否移動 I D 1 光標右移 0 光標左移 S 屏幕上所有文字是否左移或者右移 高電平表示有效 低電平無 效 顯示狀態(tài)設置 D 控制顯示的開與關 高電平開顯示 低關顯示 C 控制光 標的開與關 高電平有光標 低無光標 B 控制光標是否閃爍 高電平閃 低不閃 光標畫面滾動 R L 指右或左移 S C 為高時移動顯示的文字 低時移動光 標 功能設置 DL 接口數位 L 指顯示行數 F 顯示字型 如 DL 1 8 位 0 4 位總線 L 1 2 行 0 1 行 F 1 5 10 0 5 7 點陣字符 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 17 CGRAM 地址設置 相當于一個數據庫 可以在其中選擇所需要的字符號 DDRAM 地址設置 置數據存貯器地址 即顯示定位 讀忙標志 BF 和地址 BF 為忙標志位 高電平時此模塊不能接受命令或者 數據 如果為低電平則表示不忙 讀寫數據 將數據按要求從對應的單元讀寫 即 CGRAM DDRAM 的地址 表3 7 LCD1602控制指令表 控制信號 控制代碼 指令名稱 RSR WD7D6D5D4D3D2D1D0 清屏0000000001 歸 HOME 位000000001 輸入方式設置00000001I DS 顯示狀態(tài)設置0000001DCB 無標畫面滾動000001S CRL 功能設置00001DLNF CGRAM 地址設置0001A5A4A3A2A1A0 DDRAM 地址設置001A6A5A4A3A2A1A0 讀忙標志 BF 和地址01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0 寫數據10數 據 讀數據11數 據 3 寫命令字 由表 3 7 可知當 RS 0 R W 0 時 才可以通過單片機或用戶指令把數據寫到 LCD 模塊 此時就對 LCD 進行調制 可采用查詢方式 先讀入狀態(tài)字 再判斷忙 標志位 最后寫命令字 圖 3 12 所示為寫操作時序圖 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 18 圖3 12 寫操作時序圖 定義光標位置 顯示數據的某位 就是把顯示數據寫在相應的 DDRAM 地址中 DDRAM 地址 占 7 位 Set DDRAM address 命令如表 3 8 所示 光標定位 寫入一個顯示字符后 DDRAM 地址會自動加 1 或減 1 加或減由輸入方式設置 表3 8 Set DDRAM address命令 RS R WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 001AC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0 第 1 行 DDRAM 地址與第 2 行 DDRAM 地址并不連續(xù) 如表 3 9 所示 表3 9 DDRAM地址 row 12345 141516 line180H81H82H83H84H 8dH8eH8fH line20c0H0c1H0c2H0c3H0c4H 0cdH0ceH0cfH 3 3 2 按鍵電路的設計 鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤 鍵盤上閉合鍵的識別由專用的硬件編碼器實 現(xiàn) 并產生鍵編碼號或鍵值的稱為編碼鍵盤 如計算機鍵盤 而靠軟件編程來識別 的鍵盤稱為非編碼鍵盤 在單片機組成的各種系統(tǒng)中 用的較多的是非編碼鍵盤 非編碼鍵盤又分為獨立鍵盤和矩陣式鍵盤 在單片機的外圍電路中 通常用到的按鍵都是機械彈性開關 當開關閉合時 線路導通 開關斷開時 線路斷開 彈性小按鍵被按下時閉合 松手后自動斷開 自鎖式按鍵按下時閉合且會自動鎖住 有再次按下時才彈起斷開 通常我們把自鎖 式按鍵當做開關使用 比如 TX 1C 實驗板上的電源開關就使用自鎖按鍵 單片機的 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 19 外圍輸入控制用小彈性按鍵較好 單片機檢測按鍵的原理是 單片機的 I O 口既可 以作為輸出也可以作為輸入使用 當檢測按鍵時用的是它的輸入功能 我們把按鍵 的一端接地 另一端與單片機的某個 I O 口相連 開始時先給該 I O 口賦一高電平 然后讓單片機不斷地檢測該 I O 口是否變?yōu)榈碗娖?當按鍵閉合時 即相當于該 I O 口通過按鍵與地相連 變?yōu)榈碗娖?程序一旦檢測到 I O 口變?yōu)榈碗娖絼t說明按鍵 被按下 然后執(zhí)行相應的指令 此處用到的獨立式鍵盤的特點是 一鍵一線 各鍵相互獨立 每個按鍵各接一 條I O輸入線的電平狀態(tài) 可以很容易地判斷哪個按鍵被按下 在此處 用到了四個 獨立按鍵 1鍵表示溫濕度加 2鍵表示溫濕度減 3鍵表示溫濕度選擇 4鍵實現(xiàn)最 終數值確定功能 其連接電路如圖3 13所示 1 2 3 4 GND VCC 1K X4 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 MOSI P1 5 6 MISO P1 6 7 SCK P1 7 8 RST 9 RXD P3 0 10 TXD P3 1 11 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 Vss 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA Vpp 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 p0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 Vcc 40 AT89C51 VCC GND VCC 圖3 13 獨立按鍵圖 3 4 光聲報警電路與溫濕度控制電路設計 3 4 1 光聲報警電路 本系統(tǒng)采用紅綠 LED 燈作為光報警提示 當系統(tǒng)檢測到的數據符合給定的上下 限范圍要求時 51 單片機的 P2 5 口電平為高 三極管 Q7 導通 現(xiàn)場始終綠燈顯示 而 P2 6 口電平為低 Q6 不導通即紅燈呈滅狀態(tài) 當系統(tǒng)檢測到的數據不符合給定 的上下限范圍要求時 則 P2 5 口變?yōu)榈碗娖?綠燈滅 同時 P2 6 口變?yōu)楦唠娖?三 極管 Q6 導通 現(xiàn)場轉化為紅燈報警提示 繼而采取一系列的控制溫濕度措施 另外 采用蜂鳴器作為聲報警提示 當系統(tǒng)檢測到的數據符合給定的要求時 P2 7 口為低電平 現(xiàn)場沒有蜂鳴器報警提示 當系統(tǒng)檢測到的數據不符合給定的要 求時 則 P2 7 口變?yōu)楦唠娖?三極管 Q1 導通 現(xiàn)場蜂鳴器報警提示 9 其中 5V 蜂 溫室大棚控制系統(tǒng)設計 20 鳴器的型號為 YHE12 05 是一種電磁式蜂鳴器 由振蕩器 電磁線圈 磁鐵 振 動膜片及外殼等組成 光聲報警系統(tǒng)電路如圖 3 14 所示 VCC GND P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 M OSI P1 5 6 M ISO P1 6 7 SCK P1 7 8 RST 9 RXD P3 0 10 TXD P3 1 11 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 T0 P3 4 14 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 Vss 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE PROG 30 EA Vpp 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 p0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 Vcc 40 D2 D1 1K R2 1K R3 Q1 8550 1K VCC GND sp1 VCC Q6 Q7 GND 1K 1K GND VCC YHE12 05 圖3 14 光聲報警系統(tǒng)電路圖 3 4 2 溫濕度控制電路 本系統(tǒng)溫濕度控制系統(tǒng)主要組成有 風扇 加熱器 噴霧器 除潮器 當系統(tǒng) 檢測到的數據不符合設定的要求時 系統(tǒng)啟動溫濕度控制系統(tǒng) 10 實現(xiàn)精度范圍內的 恒溫恒濕的目的 其中各種控制設備對應到繼電器 11 的型號及參數如表 3 10 所示 表3 1