課程設(shè)計（論文）基于AT89C51單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、目錄摘 要2第1章 概述31.1系統(tǒng)設(shè)計背景31.2設(shè)計要求31.3蔬菜大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的簡圖41.3系統(tǒng)功能、優(yōu)勢及特點4第2章設(shè)計內(nèi)容42.1總體方案的設(shè)計42.1.1設(shè)計思想42.1.2系統(tǒng)組成及框圖52.2系統(tǒng)主要電路的設(shè)計62.2.1主要芯片89c51的功能及引腳圖62.2.2溫濕度檢測電路的設(shè)計72.2.3復(fù)位電路的設(shè)計102.2.4 報警電路10 2.2.5 鍵盤輸入電路112.3 sht10數(shù)據(jù)采集122.4超溫濕報警和溫濕度值的lcd顯示流程圖132.5系統(tǒng)上位機(jī)流程圖142.5系統(tǒng)的原理圖142.5.1 上位機(jī)的電路原理圖142.5.2 系統(tǒng)下位機(jī)原理圖15第 3 章 課

2、程設(shè)計總結(jié)16參考文獻(xiàn)17摘 要隨著大棚技術(shù)的普及，溫室大棚數(shù)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(nèi)。傳統(tǒng)的溫度控制是在溫室大棚內(nèi)部懸掛溫度計，工人依據(jù)讀取的溫度值來調(diào)節(jié)大棚內(nèi)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(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的提高，對于數(shù)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)，以控制蔬菜大棚溫度，適應(yīng)生產(chǎn)需要。 本論文主要闡述了基于at89c51單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計原理，主要電路設(shè)

3、計及軟件設(shè)計等。該系統(tǒng)采用at89c51單片機(jī)作為控制器，sht10作為溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實現(xiàn)大棚溫濕度的監(jiān)控。關(guān)鍵詞：at89c51；sht10；蔬菜大棚；溫濕度；控制系統(tǒng)；傳感器第1章 概述1.1系統(tǒng)設(shè)計背景植物的生長都是在一定的環(huán)境中進(jìn)行的，其在生長過程中受到環(huán)境中各種因素的影響，其中對植物生長影響最大的是環(huán)境中的溫度和濕度。環(huán)境中晝夜的溫度和濕度變化大，其對植物生長極為不利。因此必須對環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測和控制，使其適合植物的生長，提高其產(chǎn)量和質(zhì)量。本系統(tǒng)就是設(shè)計一個用于農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)蔬菜大棚溫濕度測控系統(tǒng)。本系統(tǒng)溫濕度的監(jiān)控包括以下步驟：感應(yīng)環(huán)境溫濕度；判斷感應(yīng)到的溫濕度是否異

4、常；若感應(yīng)到的溫濕度異常，若異常則出現(xiàn)異常報警。從而實現(xiàn)環(huán)境溫濕度管理的實時性和有效性。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)，以控制蔬菜大棚溫度，適應(yīng)生產(chǎn)需要。它以先進(jìn)的技術(shù)和現(xiàn)代化設(shè)施，人為控制作物生長的環(huán)境條件，使作物生長不受自然氣候的影響，做到常年工廠化，進(jìn)行高效率，高產(chǎn)值和高效益的生產(chǎn)。1.2設(shè)計要求（1）設(shè)計基于rs485總線的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，從節(jié)點即蔬菜大棚個數(shù)設(shè)計為3個，主控制器及從節(jié)點都以微控制器處理核心。（2）主節(jié)點除了具備數(shù)據(jù)通訊功能外，具有報警顯示設(shè)置等功能。（3）各從節(jié)點采集主要采集各大棚溫濕度信息及上傳數(shù)據(jù)。（4）可以通過主節(jié)點設(shè)計各從節(jié)點報警的閾值。

5、1.3蔬菜大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的簡圖上位機(jī)下位機(jī)1下位機(jī)2下位機(jī)31.3系統(tǒng)功能、優(yōu)勢及特點該檢測系統(tǒng)充分利用at89c51單片機(jī)的軟、硬件資源,輔以相應(yīng)的測量電路和sht10數(shù)字式集成溫濕度傳感器等智能儀器,能實現(xiàn)多任務(wù)、多通道的檢測和輸出。溫濕度檢測系統(tǒng)采用sht10為溫濕度測量元件。系統(tǒng)在硬件設(shè)計上充分考慮了可擴(kuò)展性,經(jīng)過一定的添加或改造,很容易增加功能。根據(jù)溫室大棚內(nèi)的溫濕度采集到的信息，利用rs485 總線將傳感器信息送給單片機(jī)進(jìn)行顯示。并將收到的采樣數(shù)據(jù)與設(shè)定的報警值相比較，若實測值超出設(shè)定范圍，則通過屏幕顯示報警。使大棚管理人員采取相應(yīng)措施來確保大棚內(nèi)的環(huán)境正常。第2章設(shè)計內(nèi)容2.

6、1總體方案的設(shè)計2.1.1設(shè)計思想系統(tǒng)的一大特點是用戶可以通過上位機(jī)中的鍵盤輸入溫濕度的預(yù)置值，從而實現(xiàn)上位機(jī)對大棚內(nèi)作物生長的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)在種植植物的大棚內(nèi)，下位機(jī)中的溫濕度傳感器可以將環(huán)境中的溫濕度非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化成電量信號，再將這些信號進(jìn)行處理后送至下位機(jī)中的單片機(jī)，下位機(jī)通過rs485總線傳給上位機(jī)，通過led數(shù)碼管進(jìn)行實時顯示。同時與原先內(nèi)部設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行比較處理；單片機(jī)可以根據(jù)比較的結(jié)果決定是否報警，用戶直接通過鍵盤對溫濕度的預(yù)置值進(jìn)行設(shè)置。2.1.2系統(tǒng)組成及框圖系統(tǒng)的上位機(jī)原理框圖如下：復(fù)位電路rs485電路at89c51電源顯示電路報警電路按鍵電路 系統(tǒng)下位機(jī)原理圖

7、：at89c51 溫濕度檢測電路復(fù)位電路rs485電路電源系統(tǒng)由電源電路、溫濕度傳感器sht10、數(shù)據(jù)通訊轉(zhuǎn)換部分(rs485)、上下位機(jī)模塊（at89c51）。 1、溫濕度傳感器：負(fù)責(zé)檢測并采集各控制點溫濕度數(shù)據(jù)。 2、數(shù)據(jù)通訊轉(zhuǎn)換器：負(fù)責(zé)溫濕度數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)的信號轉(zhuǎn)換。 3、軟件部分：軟件部分負(fù)責(zé)對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取分析，并執(zhí)行各項管理功能。4、控制部分（即溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)）：執(zhí)行遠(yuǎn)程控制指令。 控制部分連接增濕裝置、干燥裝置、溫度的控制裝置等。2.2系統(tǒng)主要電路的設(shè)計2.2.1主要芯片89c51的功能及引腳圖芯片89c51共有40個引腳，其中電源引腳有4個，控制引腳有4個，并行的i/o接口有3

8、2個，其引腳圖如圖所示：圖89c51引腳（1）電源及時鐘引腳（4個）vcc:電源接入引腳；vss:接地引腳；xtal1:晶體振蕩器接入的一個引腳（采用外部振蕩器時，此引腳接地）；xtal2:晶體振蕩器接入的另一個引腳（采用外部振蕩器時，此引腳作為外部振蕩信號的輸入端）。（2）控制線引腳（4個）rst/vpd:復(fù)位信號輸入引腳/備用電源輸入引腳；ale/prog:地址鎖存允許信號輸出引腳/編程脈沖輸入引腳(低電平有效）；ea/vpp:內(nèi)外存儲器選擇引腳（低電平有效）/片內(nèi)eprom（或flashrom）編程電壓輸入引腳；psen:外部存儲器選通信號輸出引腳（低電平有效）。(3)并行i/o引腳（3

9、2個，分成4個8位口）p0.0p0.7:一般i/o引腳或數(shù)據(jù)/低位地址總線服用引腳；p1.0p1.7:一般i/o引腳；p2.0p2.7:一般i/o引腳或高位地址總線引腳；p3.0p3.7:一般i/o引腳或第二功能引腳。2.2.2溫濕度檢測電路的設(shè)計傳感器sht10的原理圖： d acalibration memerydigitalinter-facerh sensortempsensorsckdatagndvdd本系統(tǒng)選擇的溫濕度傳感器是由 瑞士sensirion公司推出了sht10單片數(shù)字溫濕度集成傳感器，采用cmos過程微加工專利技術(shù)（cmosens technology），確保產(chǎn)品具有極

10、高的可靠性和出色的長期穩(wěn)定性。該傳感器包括一個電容性聚合體濕度敏感元件、一個用能隙材料制成的溫度敏感元件，并在同一芯片上，與l4位的ad轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，以鏡面冷凝式濕度計為參照。校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存儲在otp內(nèi)存中，在校正的過程中使用。兩線制的串行接口，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。微小的體積、極低的功耗，使其成為各類應(yīng)用的首選。（1） 數(shù)字集成溫濕度傳感器sht10的主要特點a.相對濕度和溫度的測量兼有露點輸出；b.全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出；c.接口簡單（2-wire）,響應(yīng)速度快；d.超低功耗，自動休眠；e.出色的長期穩(wěn)定性；f

11、.超小體積（表面貼裝）；g.測濕精度±45%rh，測溫精度±0.5（25）。（2)引腳說明a.電源引腳（vdd、gnd） sht10的供電電壓為2.4v5.5v。傳感器上電后，要等待11ms，從“休眠”狀態(tài)恢復(fù)。在此期間不發(fā)送任何指令。電源引腳（vdd和gnd）之間可增加1個100nf的電容器，用于去耦濾波。b.串行接口 sht10的兩線串行接口（bidirectional 2-wire）在傳感器信號讀取和電源功耗方面都做了優(yōu)化處理，其總線類似i2c總線但并不兼容i2c總線。 串行時鐘輸入（sck）。sck引腳是mcu與shtio之問通信的同步時鐘，由于接口包含了全靜態(tài)邏輯

12、，因此沒有最小時鐘頻率。即微控制器可以以任意慢的速度與sht10通信。串行數(shù)據(jù)（data）。data三態(tài)引腳是內(nèi)部的數(shù)據(jù)的輸出和外部數(shù)據(jù)的輸入引腳。data在sck時鐘的下降沿之后改變狀態(tài)，并在sck時鐘的上升沿有效。即微控制器可以在sck的高電平段讀取有效數(shù)據(jù)。在微控制器向sht10傳輸數(shù)據(jù)的過程中，必須保證數(shù)據(jù)線在時鐘線的高電平段內(nèi)穩(wěn)定。為了避免信號沖突，微控制器僅將數(shù)據(jù)線拉低，在需要輸出高電平的時候，微控制器將引腳置為高阻態(tài)，由外部的上拉電阻(例如：lok)將信號拉至高電平。為避免數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，mcu應(yīng)該驅(qū)動data使其處于低電平狀態(tài)，而外部接1個上拉電阻將信號拉至高電平。傳感器sht1

13、0的電路連接圖：（3）命令與時序sht10命令如表所列:命令代碼保留0000x測量溫度00011測量濕度00101讀狀態(tài)寄存器00111寫狀態(tài)寄存器00110保留0101x1110x軟件復(fù)位，復(fù)位接口、清楚狀態(tài)寄存器為默認(rèn)值，下一個命令前等待至少11ms11110a.命令時序 發(fā)送一組“傳輸啟動”序列進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸初始化，如圖所示。其時序為：當(dāng)sck為高電平時dt翻轉(zhuǎn)保持低電平，緊接著sck產(chǎn)生1個發(fā)脈沖，隨后在sck為高電平時data翻轉(zhuǎn)保持高電平。緊接著的命令包括3個地址位（僅支持“000”）和5個命令位。sht10指示正確接收命令的時序為：在第8個sck時鐘的下降沿之后將data拉為低電平

14、（ack位）,在第9個sck時鐘的下降沿之后釋放data（此時為高電平）。 datasck命令時序b.測量時序（rh和t）“000 00101”為相對濕度（rh）量，“000 00101”為溫度（）測量。發(fā)送一組測量命令后控制器要等待測量結(jié)束，這個過程大約需要20/80/320ms對應(yīng)其8/12/14位的測量。測量時間隨內(nèi)部晶振的速度而變化，最多能夠縮短30%。sht10下拉data至低電平而使其進(jìn)入空閑模式。重新啟動sck時鐘讀出數(shù)據(jù)之前，控制器必須等待這個“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好”信號。接下來傳輸2個字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和1個字節(jié)的crc校驗。mcu必須通過拉低data來確認(rèn)每個字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)都從msb開

15、始，至lsb有效。例如對于12位數(shù)據(jù)，第5個sck時鐘時的數(shù)值作為msb位；而對于8位數(shù)據(jù)，第1個字節(jié)（高8位）數(shù)據(jù)無意義。確認(rèn)crc數(shù)據(jù)位之后，通信結(jié)束。如果不使用crc-8校驗，控制器可以在測量數(shù)據(jù)lsb位之后，通過保持ack位為高電平來結(jié)束本次通信。測量和通信結(jié)束后，sht10自動進(jìn)入休眠狀態(tài)模式。c.復(fù)位時序datasck傳輸開始121314-891復(fù)位時序如果與sht10的通信發(fā)生中斷，可以通過隨后的信號序列來復(fù)位串口，如圖所示。保持data為高電平，觸發(fā)sck時鐘9次或更多，接著在執(zhí)行下次命令之前必須發(fā)送一組“傳輸啟動”序列。這些序列僅僅復(fù)位串口，狀態(tài)寄存器的內(nèi)容仍然保留。2.2.

16、3復(fù)位電路的設(shè)計本系統(tǒng)采用rc復(fù)位電路，rc復(fù)位電路實質(zhì)是一階充放電電路。如圖所示。該電路提供有效的復(fù)位信號rst（高電平)直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后撤銷復(fù)位信號（低電平）。設(shè)t為保持高電平的時間，只要保證t=rc>2m（m為機(jī)器周期）即可。 復(fù)位電路圖2.2.4 報警電路系統(tǒng)采用聲音報警來實現(xiàn)溫濕度的越限報警，當(dāng)蔬菜大棚里的溫濕度超過人為的設(shè)定值時，與該大棚里溫濕度傳感器相連的單片機(jī)會輸出一個高電平給該報警電路中的三極管，從而使三極管工作帶動小喇叭發(fā)出聲音警報。2.2.5 鍵盤輸入電路本系統(tǒng)是通過鍵盤按鍵輸入電路實現(xiàn)對蔬菜大棚里的溫濕度設(shè)置。當(dāng)有人按鍵設(shè)置溫濕度后，設(shè)置的數(shù)據(jù)會傳送給主機(jī)。如果

17、下位機(jī)經(jīng)rs485總線傳送過來的數(shù)據(jù)會在主機(jī)內(nèi)與該數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若超過該數(shù)據(jù)則會啟動語音報警電路。2.3 sht10數(shù)據(jù)采集開始設(shè)置傳感器分辨率狀態(tài)發(fā)送“啟動傳輸”發(fā)送測量指令指令判斷？讀測量值測量值判斷？error是否為0測量值轉(zhuǎn)換為物理量一次測量結(jié)束error=error+1ynerror=error+1yynynsht10數(shù)據(jù)采集流程圖溫濕度傳感器shtl0完成一次測量的工作順序一般為：設(shè)置傳感器分辨率發(fā)送“啟動傳輸”命令發(fā)送測量命令讀輸出的測量值將輸出測量值轉(zhuǎn)換為物理量。微控制器首先發(fā)布一個啟動傳輸時序，接著調(diào)用寫時序發(fā)布溫度或濕度(取決于人口參數(shù))的測量命令，之后等待測量的完成，在測

18、量完成后，調(diào)用讀時序讀回測量結(jié)果。需要注意的一點是，僅當(dāng)通信錯誤標(biāo)志error為0時，才說明通信正確，讀回的結(jié)果有效。在主程序中若檢測到通信錯誤標(biāo)志error非零，需要使用復(fù)位時序，來復(fù)位串行端口，然后重新進(jìn)行測量shtlo數(shù)據(jù)采集程序流程圖如上圖。sht10讀寫數(shù)據(jù)的規(guī)則是：data在sck時鐘的下降沿之后改變狀態(tài)，并在sck時鐘的上升沿有效。從微控制器向sht10寫數(shù)據(jù)的角度來看，可以理解為上升沿將觸發(fā)sht10鎖存數(shù)據(jù)，即微控制器在下降沿輸出數(shù)據(jù)，再給出上升沿觸發(fā)sht10鎖存數(shù)據(jù)。下降沿和上升沿之間的時間間隔需要滿足sht10的數(shù)據(jù)建立時間1 (最小值為loons)，上升沿之后數(shù)據(jù)也需

19、要保持一段時間，這段時間用于滿足sht1 0的數(shù)據(jù)保持時間th(典型值為lons)。 當(dāng)sht10完成測量后，微控制器需要發(fā)布讀時序?qū)y量結(jié)果讀回。實現(xiàn)讀時序首先需要實現(xiàn)8個數(shù)據(jù)位的讀取。sht10讀寫數(shù)據(jù)的規(guī)則是：data在sck時鐘的下降沿之后改變狀態(tài)，并在sck時鐘的上升沿有效。從微控制器讀數(shù)據(jù)的角度理解，時鐘線的下降沿將觸發(fā)sht10接口內(nèi)的鎖存器輸出數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)在時鐘線上升沿之后達(dá)到穩(wěn)定，下降沿和上升沿之間的時間間隔要大于sht10的輸出數(shù)據(jù)有效時間tv(典型值為250ns)，即微控制器需要先給出下降沿，延時一段時間待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再讀取數(shù)據(jù)。此外，微處理器需要在第9個時鐘給出應(yīng)答位，

20、這屬于寫時序，寫時序可參考前文的論述。讀時序的c語言程序代碼如下，程序的人口參數(shù)為0或1，0代表給出應(yīng)答位，繼續(xù)接收后續(xù)數(shù)據(jù)；1表示終止通信。2.4超溫濕報警和溫濕度值的lcd顯示流程圖開始端口初始化nnnyyy有鍵按下調(diào)用延時程序報警報警顯示濕度大于輸入值溫度大于輸入值調(diào)用溫濕度檢測函數(shù)測量溫濕度值 2.5系統(tǒng)上位機(jī)流程圖開始系統(tǒng)初始化顯示更新鍵盤中斷軟件抗干擾讀鍵盤中斷返回串行口中斷傳遞信息中斷返回2.5系統(tǒng)的原理圖2.5.1 上位機(jī)的電路原理圖2.5.2 系統(tǒng)下位機(jī)原理圖第 3 章 課程設(shè)計總結(jié)通過這次設(shè)計實踐。我學(xué)會了計算機(jī)設(shè)計系統(tǒng)的基本思路，對系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計原理和設(shè)計原則也有了更深刻的理解。在對理論的運(yùn)用中