大棚温湿度自动控制系统设计毕业设计

大棚温湿度自动控制系统设计摘 要：本设计是基于STC89C52RC单片机的大棚温湿度自动控制系统，采用SHT10作为温湿度传感器，LCD1602液晶屏进行显示。SHT10使用类似于I2C总线的时序与单片机进行通信，由于它高度集成，已经包括A/D转换电路，所以使用方便，而且准确、耐用。LCD1602能够分两行显示数据，第一行显示温度，第二行显示湿度。这个控制系统能够测量温室大棚中的温度和湿度，将其显示在液晶屏LCD1602上，同时将其与设定值进行对比，如果超出上下限，将进行报警并启动温湿度调节设备。此外，还可以通过独立式键盘对设定的温湿度进行修改。通过设计系统原理图、用Proteus软件进行仿真，证明了该系统的可行性。关键词：STC89C52RC，SHT10，I2C总线，独立式键盘，温湿度自动控制Abstract: This design is an automatic temperature and humidity controller for greenhouses, with the STC89C52RC MCU being its main controller. It uses the SHT10 as the temperature and humidity sensor, and the LCD1602 to display the messages. The SHT10 uses a timing sequence much like the I2C to communicate with the micro-controller. Because its a highly integrated chip, it already includes an analog to digital converter. Therefore, its quite convenient to use, and also accurate and durable. The LCD1602 can display two lines of messages, with the first line for temperature and the second line for humidity. The design can measure the temperature and humidity in a greenhouse, and then display it on a LCD1602. Meanwhile, it compares the data with the set limit. If the limit is exceeded, then the system will send out a warning using a buzzer and activate the temperature and humidity controlling equipment. Besides, the set limit can be modified with the independent keyboard. Through schematic design and Proteus simulation, the feasibility of this design has been proved.Keywords: STC89C52RC, SHT10, I2C bus, independent keyboard, temperature and humidity control目 录1 前言12 总体方案设计32.1 温湿度控制系统的设计指标要求32.2 系统设计的原则32.2.1 可靠性32.2.2 性价比32.3 方案比较42.3.1 方案一42.3.2 方案二42.4 方案论证52.5 方案选择53 单元模块设计63.1 各单元模块功能介绍及电路设计63.1.1 单片机最小系统63.1.2 液晶显示模块83.1.3 温湿度传感器模块83.1.4 报警电路的设计93.1.5 输出电路设计103.1.6 电源的设计123.1.7 按键电路设计133.1.8 串口通信电路143.2 元件清单153.3 关键器件的介绍173.3.1 STC89C52RC173.3.2 SHT10温湿度传感器194 系统软件设计224.1 软件设计的总体结构224.2 主要模块的设计流程框图244.2.1 主程序流程图244.2.2 SHT10子程序流程图254.2.3 LCD1602子程序流程图274.2.4 输出控制子程序流程图284.2.5 键盘扫描子程序流程图294.3 软件设计所用工具314.3.1 Keil uVision4314.3.2 Proteus315 系统调试325.1 用Proteus搭建仿真总图325.2 用Keil对程序进行调试、编译336 结论366.1 系统的功能366.2 系统的指标参数366.3 系统功能分析367 总结与体会388 致谢399 参考文献40附录1 系统的电路原理图41附录2 系统仿真总图42附录3 系统实物照片43附录4 系统源程序44附录5 英文参考资料461 中文翻译462 英文原文49 西华大学毕业设计说明书 1 前言温室大棚作为一种高效的农业生产方式，与传统农业生产方式相比具有很大的优点。温室农业生产可以获得高产和优质的蔬菜、花卉、瓜果，不仅可改变这些产品按自然季节供应的模式，延长其供应期，而且可在不同地方进行种植，达到所谓“地不分东西南北，食不分春夏秋冬”。温室农业可以改变传统农业劳动力冬闲夏忙的安排，以小面积获得高产，减轻大面积的土地压力。温室农业采用适时适量供水的优化用水同时配以微灌和高湿环境，可达到农业用水高效高产，按产品的数量平均计算，节省水分量是很大的。这种设施系统可以从简易到全自动控制，适宜各种状况下的选择，特别是对于日光温室、塑料大棚，相对投资较少。若能降低成本、采用经久耐用的低成本采光材料，发展前景将更为广阔，即使在一些偏远地区的农村、场所，也可以修建单个的温室和塑料大棚，进行环境控制下的蔬菜和瓜果的生产，改变这些地区的生活条件。要想实现温室大棚高效增产的作用，对温湿度的准确控制是极其重要的。温室内空气湿度的日变化受天气、加温及通风换气量的影响，阴天或灌水后室内空气湿度几乎都在90以上。晴天在傍晚关窗至次日早晨开窗前温室维持在高湿度。室内湿气遇冷后凝结成水滴附着在薄膜或玻璃的内表面上，待到加温或日出后，室内温度上升，湿度逐渐下降，附着在屋顶上的水滴随之消失。温湿度的较大变化对农作物的生长十分不利，研究结果表明，由于植物体内水分不足导致气孔关闭，首先妨碍了CO2的交换，而使饱和作用显著下降，特别是在缺水状况加剧时，给细胞原生质的生化作用带来影响，光合作用显著下降。而温度在夜间下降过低也会影响光合作用的效率。因此，非常有必要使用一套温湿度控制系统，以维持温室大棚内的温度、湿度在一个合适的范围，实现大棚内农作物的水分、养分的有效供给，提高光合作用的效率，从而达到增产目的。传统的温湿度控制是在温室大棚内部悬挂温、湿度计，通过读取温、湿度值进而了解实际的温度和湿度，然后根据现检测的温湿度与额定值进行比较，看温湿度是否超过限定值，然后进行相应的通风或者相应的洒水。这些操作都是人工的，耗费了大量的人力以及物力。现在，随着国家经济的迅速发展，农业产业规模的进一步提高，大棚中培育出的农产品品种数量的逐渐增多，对于数量较多而又大型的大棚，传统的温湿度控制措施就出现了局限性。这要求我们提高温湿度检测与控制技术，来满足对温室大棚建设的需要。在本设计中，采用单片机来控制温湿度，不仅具有廉价、配置简单和灵活的优势，而且可以大大提高所测温湿度的技术指标，从而可以提高产品的数量和质量。单片机因为它具有功能强、高可靠性、体积小、造价便宜和开发周期短这些优势，广泛用于自动化测量和控制现场设备，特别是在日常生活中发挥的日益重要的作用。这次选用STC89C52RC作为主控制器，可以从按键电路输入设定的温湿度，通过温湿度传感器SHT10对温度、湿度信号进行采集，然后通过I2C总线与单片机通信，并将温湿度显示在液晶屏LCD1602上，单片机把它们与设定的值进行对比后决定是否报警，并启动空调设备对温湿度进行调节。 2 总体方案设计2.1 温湿度控制系统的设计指标要求本文要设计的大棚温湿度自动控制系统，要能够及时、准确地对温室大棚内的温度、湿度进行采集，将其显示在LCD1602液晶显示器上，然后与设定的上下限值进行比较，如果超出限制则启动温度、湿度控制设备，并通过蜂鸣器报警，直到温湿度回到规定的范围。另外，还要能够通过按键修改设定的上下限。为了能够满足农业生产的需要，此次设计要达到一下指标：（1）工作环境：温室大棚；（2）温度测量误差：1；（3）测温范围：0+55；（4）湿度测量误差：5%RH；（5）测湿范围：0100%RH；（6）通过键盘电路修改上下限：有；（6）温湿度报警：有；2.2 系统设计的原则2.2.1 可靠性可靠性是在设计过程中应该优先考虑的一个因素，一个控制系统必须要能稳定、可靠地工作，才能投入到生产实践中去。如果系统的可靠性不能达标，那么系统出现故障的可能就会增大，造成很大的损失。这种损失不仅包括经济上和信誉上的损失，而且可能会对人身安全产生威胁。要提高控制系统的可靠性，那么就要注意以下几个方面：选用的元器件要有很高的可靠性；由于供电电源很容易产生干扰，所以应该对其采用抗干扰措施；对输入输出通道也一样，要采用抗干扰措施；在对电路板的设计时，要合理的布线和接地；软硬件都要进行滤波；系统要有自己诊断功能等。2.2.2 性价比性价比也是一个系统设计中所要考虑的重要因素。性价比高的产品更容易被消费者接收，但是设计过程中不能盲目地追求性价比，它应该建立在对产品性能要求的基础上，首先要满足性能要求，然后再设法降低产品成本。2.3 方案比较2.3.1 方案一采用PLC作为主控制器。使用PLC的最大优点在于PLC使用梯形图进行编程，编程语言形象直观，难度较低，因此开发周期短，便于扩展。而且PLC抗干扰能力强，工作稳定可靠，这一点已被长期的工业控制实践所证明。继电器键盘输入加热器制冷器加湿器除湿器液晶显示 蜂鸣器报警温湿度传感器 PLC温室大棚 图2.1 用PLC作为主控制器的控制系统2.3.2 方案二使用单片机进行控制。采用STC89C52RC单片机作为主控制器，可以用C语言进行编程，由于它支持ISP在线编程，因此可以通过RS232串口将程序烧录到单片机中，很方便。温湿度传感器SHT10通过I2C总线与单片机连接。温湿度传感器 单片机加热器制冷器加湿器除湿器键盘输入 蜂鸣器报警继电器液晶显示温室大棚图2.2 用单片机作为主控制器的控制系统2.4 方案论证从功能上看，两种控制器都能满足要求。PLC在工业控制领域用得比较多，编程简单，而且抗干扰能力强。但是本系统是用于温室大棚，并没有其他大型工业设备的干扰。单片机用C语言编程，相对PLC的梯形图要复杂得多，但是编程更为灵活，可以实现复杂的功能。从价格方面上看，单片机就比PLC具有很大的优势。一个单片机只要几块钱，而一个很一般的PLC一般也要几百上千元。另外，中国是农业大国，随着温室大棚越来越普及，农村对温湿度控制系统的需求也会越来越旺盛，因此虽然用单片机开发的周期较长，但是一旦完成开发，后期生产环节的边际成本很小；而基于PLC的控制系统受制于PLC的高昂价格，价格难以降低。2.5 方案选择PLC和单片机都能作为主控制器进行设计，但是在价格方面单片机具有巨大优势。综上所述，本次设计采用单片机作为主控制器。 3 单元模块设计3.1 各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1 单片机最小系统 图3.1 单片机最小系统单片机最小系统包括单片机、电源电路、时钟电路和复位电路。时钟电路用于产生单片机工作时候所必须的时钟信号，单片机在时钟信号的节拍下逐条地执行指令。单片机有两种时钟信号产生方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。外部时钟方式是把已有的时钟信号从XTAL1或XTAL2送入单片，一般用于有多个单片机的情况，所以本设计中时钟电路采用内部时钟方式，选用12M的晶振和两个30pF的电容与片内的高增益反相放大器构成一个自激振荡器。电源电路后面的模块中会单独提到，用5V的直流电源。下面着重论述一下复位电路。图3.2 上电+手动复位电路单片机的复位主要有上电复位和手动复位，之所以要进行复位，目的就是为了让单片机进入初始状态，比如让PC指向0000H，这样单片机才能从头运行程序。因此上电的时候就要让单片机复位一次；在运行过程中，如果程序出错，也需要进行手动复位。 本设计中的复位电路就是上电+手动复位电路，复位时要让STC89C52RC的RST引脚得到2个机器周期以上的高电平。先说说上电复位的工作原理，当单片机上电时，电源+5V的Vcc通过10K的电阻对10uF的电容进行充电。刚上电时，有较大的电流从Vcc经电容、电阻流向GND，由于电容两端的电压不可突变，因此仍然为0V，于是电阻的两端分得5V的电压，即RST引脚此时的电势为5V。随着充电的继续进行，电流会逐渐减小，电阻两端的电压UR=IR也逐渐减小，即RST引脚的电势逐渐减小。过了一定时间，RST引脚两端的电压下降到不再是高电平，只要这个充电的时间大于单片机两个机器周期，就能使单片机复位。程序运行过程中如果跑飞了、程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，就需要用到手动复位。手动复位就是在上电复位电路的电容两边并联一个微动开关，需要手动复位时将其按下，使之接通，RST获得高电平，而且人按动按钮的时间肯定是超过两个机器周期的，于是单片机复位。3.1.2 液晶显示模块测量到的温湿度值将显示到液晶屏LCD1602上，它可以显示2行，每行16个字符。LCD1602共有三个存储器，它们是CGROM、CGRAM和DDRAM。CGROM用来保存LCD1602内部固化的一些字符的字模，比如英文的26个字母的大小写；CGRAM用来保存用户自己取的字模，比如，如果要显示汉字，就必须自己去汉字字模，在这里我们都用英语字母，故不用CGRAM；DDRAM用来存储要显示的字符的字模，它和屏幕上的位置是对应的，第一行为00H到0FH，第二行为40H到4FH。在这里需要注意的是，在向LCD1602写入显示数据存储器地址时，根据控制指令的格式，最高位D7为1，所以写入的数据为，第一行80H到8FH，第二行C0H到CFH。它与单片机的接口电路如下图所示： 图3.3 LCD1602与单片机的接口电路 3.1.3 温湿度传感器模块温湿度传感器选用瑞士Sensirion公司生产的SHT10。SHT1X系列共有三个型号：SHT10、SHT11、SHT15，他们都是SMD贴片封装的，他们依次性能越来越好，其中SHT10属于经济型的温湿度传感器。三者的温湿度性能如下图所示。图3.4 SHT1X系列各型号传感器的湿度、温度最大误差从曲线中可以看出，无论是湿度还是温度，SHT10的误差都是最大的，SHT15误差最小，但是它们的价格也相差很大，SHT10多为二三十元一个，而SHT15价格上百。因此，从满足大棚温湿度监测的要求来看，SHT10已经足够，故选用SHT10。SHT10与单片机的接口电路如下所示：图3.5 SHT10与单片机的接口电路SHT10采用类似于I2C的两线制串行总线，一根是时钟线，一根是数据线。数据线要通过一个上拉电阻接到VCC，目的是避免信号冲突，使单片机的引脚只提供低电平，要得到高电平则使该引脚悬空，由上拉电阻提供高电平。3.1.4 报警电路的设计当大棚内的温湿度超过上下限时，除了需要启动温湿度调节器之外，还需要进行报警，这里用到的是蜂鸣器。蜂鸣器为一种采用一体化结构的电子器件， 采用了直流电压来供电，广泛的应用到了计算机、报警器、复印机、电子玩具、电话机、汽车电子设备、定时器等电子产品之中用作发声器。蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。有源蜂鸣器由于内部集成了振荡源，所以使用直流电压就可以驱动它鸣叫；无源蜂鸣器内部没有振荡源，因此一般使用2K5K方波来驱动。本设计中使用的是有源蜂鸣器，在它两端加载5V的直流电压就可以使之鸣叫。报警电路设计如下图： 图3.6 报警电路图蜂鸣器工作电流一般为10mA，而单片机的I/O口只能承受几毫安的电流，因此需要加三极管进行驱动。如上图所示，单片机的I/O口中的P1.6接PNP型三极管的基极，当P1.6为低电平时，三极管导通，5V的电压加载到蜂鸣器两端，于是蜂鸣器鸣叫；当P1.6高电平时，三极管截至，蜂鸣器不鸣叫。3.1.5 输出电路设计当温湿度超出限定值后，单片机将输出控制信号，启动加热、制冷、加湿、除湿设备。弱电控制强电，首先要用到继电器来控制这些大功率的设备，而且为了进一步加强弱电和强电的电气隔离，减少强电设备对单片机控制系统的干扰，需要在前一级加光耦进行隔离。光耦的驱动能力有限，一般电流只能达到30mA左右，不足以驱动继电器，因此再加一个三极管放大电流。原理如图3.7所示：图3.7 控制电路输出电路有四组，每一组由一个光耦、一个三极管、一个继电器组成。这四组输出电路分别控制加湿、除湿、加热、制冷的设备。光耦选用TLP521-4，它是Toshiba公司生产的四路光耦，由单片机直接驱动。51单片机P0口所能承受的灌电流最大，可以达到26mA。输出系统中的继电器最多同时有两个工作，控制温度的一个，控制湿度的一个。如果设置光耦的发光二极管的电流为10mA，那么两个发光二极管同时导通时单片机的灌电流为20mA，小于26mA，符合要求。所以把P0口的引脚接到光耦TLP521-4输入测的发光二极管阴极。继电器选用5V的，驱动继电器需要大约100mA的电流，也就是说驱动继电器的三极管的集电极电流为Ic=100mA。三极管选用直流放大系数为100的9013，根据Ic=Ib，可计算得三极管基极电流Ib=1mA，而Vbe=0.7V，又由于光耦中的光电三极管的集电极、发射极饱和压降Vces=0.3V，所以基极的限流电阻上的压降为（5-Vces-Vbe)=4V，4V/0.001A=4K，由于没有标称值为4K的电阻，所以选择4.7K的。还应该注意到的一点是，光耦有一个参数叫电流传输比（CTR），CTR=Io/IF，及输出端电流的最大值比上输入端的电流，体现了光耦输出电流的能力。如果输入端的电流为20mA，电流传输比为50%的话，那么输入端电流Io最大只能为10mA。在这里，TLP521-4的电流传输比为50%，输出端我们刚才算出的电流Io=Ib=1mA，所以输入端电流IF最小为2mA，由于电流很小时光耦处于死区，因此要选大点，这里选择IF=10mA。于是，光耦输入端阳极上的限流电阻为R=(5V-0.7V)/0.01A=430，这里选择标称值为470的电阻。此外，这里用的继电器是普通的电磁继电器。通过对电磁继电器和固态继电器进行比较，虽然固态继电器具有无触电、动作速度快、使用寿命长等特点，但是本设计中的继电器只在温湿度超过限定值时才动作，动作频率低，而且固态继电器的价格比电磁继电器高得多，所以综合考虑选择电磁继电器SRD一05VDC一SL-C。3.1.6 电源的设计图3.8 电源电路电源电路是整个系统中非常重要的一部分，本设计中主要用到直流5V电源。要得到5V的直流电源，要经过降压、整流、滤波、稳压四个环节。由于最后的稳压环节，LM7805要得到5V的直流输出，输入与输出要有一定的压差，根据LM7805的数据手册，需要有10V的输入，因此在降压环节把220V的电压降为10V。然后用桥式整流电路把交流电整流为直流电，此时的直流电只是方向不变，但仍按正弦方式变化，是脉动的直流电。因此需要滤波电路将纹波滤掉。C8和C2都用来滤波，但是作用是不一样的。C8是大电容，用电解电容，它的作用是低频滤波，通过充电放电，从而削峰填谷，使电压的脉动成分减少，电压基本保持稳定。而C2是小电容，所以对于高频信号容抗很小，相当于短路，从而滤掉高频信号。需要注意的是，470uF的大电容可以滤低频，为什么不能滤高频，还要单独加一个0.33uF的小电容来滤高频？从理论上来说大电容应该高频、低频都可以，但是由于制造工艺的原因，电解电容的容值做得很大时，它就不再是一个单纯的电容了，它等效于一个电容串联一个电感。在频率较低时，电感L=jwl较小，可以忽略不计，但是当频率很高时，感抗就很大，相当于断路，所以此时这个470uF的大电容不能滤掉高频信号，必须单独加一个小电容。小电容容值小，因此就不存在感抗的问题。滤波完以后，电压的脉动成分已经下降了很多，但是仍有起伏，所以最后还需加上一个三端集成稳压器，这里选用LM7805，它能将电压稳定在5V。并联在LM7805两端的二极管起保护作用，避免在短路等情况下LM7805输出端的电压比输入端高，从而烧坏LM7805。三端集成稳压器后面又接了一大一小两个电容，再次进行滤波，使电压更稳定。3.1.7 按键电路设计 图3.9 按键电路图键盘分为编码式和非编码式键盘。其中，非编码式键盘又包括矩阵式键盘和独立式键盘。矩阵式键盘较为复杂，一般用于按键数目较多，而单片机可用的I/O口又比较有限时。本控制系统中只需要用到5个按键，数目较少，并且可用的I/O口充足，故采用独立式键盘，一个按键对应一个单片机的I/O口管脚。本设计中总共用到5个按键式开关，他们用来改变设定的温湿度上下限数值。从S0到S4，分别控制进入温度上下限设置、进入湿度上下限设置、数值加、数值减、确认并退出。本设计中的键盘是低电平有效。未按键时，上拉电阻保证了单片机的I/O口是确定的高电平；当某个键按下时，I/O口变为低电平。3.1.8 串口通信电路串口通信可分为同步通信和异步通信，在单片机的应用系统中，主要是采用异步串行通信。在设计通信接口时，应该采用标准接口，这样才能够方便而又准确的把单片机和外设有机的连接起来，从而能形成一个测控系统，目前异步串口通信标准有RS一232、RS一422、RS一485标准。其中，RS一232是PC机与通信工业中使用最早的一种串行接口标准。在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。要让单片机和PC机通过串口进行通信，需要进行电平转换，因为尽管单片机有串行通信的功能，但单片机提供的TTL电平和RS232的电平不一样。TTL电平中，电压小于0.8V为低电平，高于2.4V为高电平；而RS232电平是负逻辑电平，电压在-3V-15V时为高电平，电压在3V15V时为低电平，因此要通过MAX232这种电平转换芯片进行转换。MAX232是MAXIM公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V电源供电。适用于终端设备和数据通信设备间的接口，对于双向通信，只需要使用串行输入RXD（引脚2），串行输出TXD（引脚3）和地线GND（引脚5）。其电路连接如图3.10所示；图3.10 串口通信电路MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，能够把输入的+5V电压变换为RS232输出电平所需的+10V 电压，采用此芯片接口的串行通信系统值需要接+5V电压即可。MAX232芯片中有两组电平转换的引脚，我们这里只需使用其中一组。打头的字母“T”表示TTL电平，“R”表示RS232电平。R1IN和R2IN表示输入RS232电平，因此与电脑的串口相连；T1IN和T2IN表示输入TTL电平，因此与单片机相连。所以，引脚T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT为接TTLCMOS电平的引脚，引脚T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN为接RS232电平的引脚。MAX232芯片专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。MAX232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供EIA/TIA-232-E电平。可以分别接单片机的串行通信口。MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。 3.2 元件清单本次设计需要用到的元器件如下表所示：表3.1 所需元件列表元件型号个数单片机STC89C52RC1显示屏LCD16021温湿度传感器SHT101芯片底座DIP401光耦TLP521-41排针10针10杜邦线20二极管1N40074三极管90121三极管90134电阻10K2电阻4.7K9电阻1K1电阻4704电位器15K1瓷片电容1uF5瓷片电容0.1uF1点解电容10uF1瓷片电容30pF2电平转换芯片MAX2321串口母头DB91电平转换芯片MAX2321USB母座1晶振12MHz1自锁开关6*6*51按键开关6*6*56蜂鸣器1继电器SRD一05VDC一SL-C43.3 关键器件的介绍3.3.1 STC89C52RCSTC89C52RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。 STC89C52RC的主要性能参数（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码与传统8051单片机是兼容的。（2）通用I/O口（32个）：P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。 （3）ISP（在线编程）/IAP（在应用可编程）：可通过串口下载程序，不需要使用专门的下载器，非常方便快捷。（4）内含8KB的程序存储器，1000次写擦写周期；（5）内含512字节的RAM；（6）32个可编程I/O口线；（7）3个16位定时器/计数器，即定时器 T0、T1、T2（8）6个中断源、5个中断矢量、2级优先权的中断结构；（9）具有一个全双工UART串行通道；（10）掉电模式和低功耗空闲； STC89C52RC主要引脚功能STC89C52RC的管脚排列如图2一2所示：图3.11 STC89C52RC引脚图P0口（P0.0P0.7）：P0端口（P0.0P0.7，3932 引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O 口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入每个引脚能驱动写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时 在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线位数据的复用总线。在进行程序校验的时候，输出指令字节；而在Flash ROM 编程时，接收指令字节。P1口（P1.0P1.7）： P1端口（P1.0P1.7，18 引脚）：P1口是一个8位双向I/O口，内部已经自带有一个几十K的上拉电阻。对端口写入“1”时，该引脚被悬空，由内部的上拉电阻把引脚拉到高电平，这时候可以作为输入口使用，此时，因为内部自带上拉电阻，所以被外部器件拉低电压的引脚会输出一个电流。P1的输出缓冲器可驱动4个TTL逻辑门。P2 口(P2.0P2.7)：P2和P1一样，是一个8 位双向I/O口，内部自带上拉电阻。端口进行写“1”时，该管脚被悬空，由内部自带的上拉电阻将电平拉到高电平。当它被当作输入口使用时，因为内部自带上拉电阻，该引脚在被外部元器件拉低电平的时侯会有电流输出。在对程序存储器（ROM）或16位的外部数据存储器进行读写时，P2口会送出一个高8位地址数据。在进行访问8 位地址的外部数据存储器的时侯，P口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器内容），在整个访问期间不改变。它的输出缓冲级可以驱动4个TTL逻辑门P3口（P3.0P3.7）：P3口，和P1、P2一样，是一个8 位双向I/0 口，内部自带弱上拉。对P3口进行写入“l”时，被内部的上拉电阻拉高且可以作为一个输入端口。作输入端口时，被外部元器件拉低电平的P3口将通过上拉电阻提供电流。P3口除了作为一个一般的I/0口线外，它的第二功能有更重要的用途。P3口输出缓冲级可用来驱动4个TTL逻辑门。RST：复位输入端。在震荡期稳定有效运行情况下，RST端维持两个机器周期的高电平，便可复位器件。PSEN：外部程序存储器的选通信号。低电平有效，在片外程序存储器取指期间，当PSEN有效时，程序存储器的内容将会被送至P0口，在访问外部RAM时，PSEN无效。EAVPP：当EA保持低电平时，则在此期间外部存储器（0000HFFFH），不论是否有内部程序存储器。VCC：电源电压。XTALI：单芯片系统时钟的反向放大器输入端。使用外部振荡器时，连接外部石英晶体和微调电容。XTAL2：系统时钟的反向放大器输出端。当使用片内振荡器时，外部接石英晶体和微调电容。3.3.2 SHT10温湿度传感器SHT10是瑞士Sensirion公司推出的超小型、自校型、高精度、多功能式的智能传感器，采用SMD贴片封装。SHT10温湿度传感器品质卓越，具有很明显的优点，如抗干扰能力强、反应快等。传感器在一块微型电路板上集成了信号处理电路和传感元件，由于自带ADC，所以输出数字信号。传感器采用瑞士Sensirion公司持有专利的CMOSens 技术，因此有极高的稳定性、准确性、靠性性。SHT10包含一个电容性聚合体湿敏器件、一个基于能隙材料的温度测量元件。SHT10可以用来测量相对湿度、温度和露点等参数。这类智能传感器广泛用于工农业生产、环境监测、通风及空调设备等领域。SHT10的主要性能参数如下：(1)采用两线制数字接口，类似于I2C总线的时序；(2) 测量温湿度的范围广。湿度测量范围为0100%RH，温度测量范围为-40123.8；(3) 测量精度较高，温度的测量误差为0.5，湿度的测量误差为4.5%RH； (4) 湿度值分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可以变成12位和8位；(5)将温湿度传感器、信号放大器、A/D转换、IC总线接口全部集成于一个芯片；(6)小体积，可表面贴装；(7)具有可靠的CRC数据传输校验功能；(8)片内装载的校准系数可保证100%互换性；(9)电流消耗低，测量时550A,平均28A，休眠时3A；(10)可给出全校准相对湿度计温度值输出；(11)具有漏点值计算输出功能；电源引脚（VDD），SHT10的供电电压为2.45.5V，这里选择5V；在电源引脚（VDD，GND）之间须加一个100nF的电容，用于去耦滤波。（串行输入（SCK），用于微处理器与SHT10之间的同步通信；串行数据（DATA），用于三态门的数据读取，DATA在SCK时钟下降沿后会发生状态改变，并且在SCK时钟为上升沿时有效。也就是微控制器可在SCK为高电平段去读取有效的数据。在微控制器向SHT10进行数据传送的过程中，必须要保证数据线在时钟线为高电平段时稳定。为了避免发生信号冲突，微控制器仅仅把数据线拉低，在需输出高电平时，微控制器会将引脚置成高阻态，由外部上拉电阻把信号拉为高电平，这里选择10K。SHT10在使用时，在数据线上用一组“启动传输”的时序来表示初始化数据传输。包括：当SCK时钟为高电平的时侯，DATA翻转至低电平，紧接着SCK变成低电平，随后在SCK时钟为高电平的时侯DATA翻转为高电平。后续的命令包含3个地址（目前支持“000”）和5个命令位，具体命令集见表4。SHT10会用下述来方式表示已经正确接受到了指令：在第8个SCK的时钟下降沿后，将DATA下拉至低电平（ACK位）；在第9个SCK的时钟下降沿后，释放DATA（恢复为高电平）。表3-2 SHT10的命令集命令代码预留0000x温度测量00011湿度测量00101读状态寄存器00111写状态寄存器00110预留0101x1110x软复位，复位接口、清空状态寄存器为默认值，下一个命令前等待至少11ms11110根据上表的命令集，SHT10测量时，发布测量命令（00000101表示的是相对湿度RH，00000011 表示的是温度T）后，控制器等待测量停止后。此过程大约需要11、55、210ms，分别会对应8、12、14位的测量。确切时间与内部的晶振速度有关，最多会有15%的变化。SHT10通过下拉DATA变为低电平，表示测量已结束。控制器在触发SCK时钟前，必须要等待“数据备妥”的信号。接着会传输2个字节的测量数据以及1个字节的CRC奇偶校验。uC需要用下拉DATA为低电平，来确认每个字节。全部数据会从MSB开始，右值有效（例如：对于12位数据，从第5个SCK时钟起算作MSB；而对于8位数据，首字节则无意义）。 4 系统软件设计系统的工作流程是，操作人员在计算机上输入需要设定的温湿度限定值，当设定的温湿度值与检测温湿度值不同时，单片机控制系统则会采取相应的调节动作。此程序流程包括五个部分，第一部分是主程序，其描述总体结构；第二部分是SHT10温度采集程序，其功能是通过SHT10传感器采集温湿度值，并进行修正；第三部分是LCD1602显示子程序，对LCD1602进行初始化，将温湿度进行显示；第四部分是输出控制子程序，对设定值和实际值进行判断以决定是否进行温湿度的调节；第五部分是按键输入电路，用来修改温湿度上下限值。4.1 软件设计的总体结构本次设计的大棚温湿度自动控制系统由一个主程序调用多个子程序，它们包括SHT10温湿度采集子程序、LCD1602液晶显示子程序、输出控制子程序、键盘扫描子程序，如下图所示：主程序SHT10温湿度采集子程序LCD1602液晶屏显示子程序输出控制子程序键盘扫描子程序 图4.1 程序总体结构主程序主要就是调用各个子程序的C语言文件中定义的函数，实现SHT10、LCD1602初始化等操作，然后测量温湿度，调用函数对数据进行处理，最后进行显示并输出控制信号。在Keil工程中编写程序的时候，为了让整个工程看起来条理清晰，要按照各个模块分别新建C文件写子程序。某个C文件要调用其它C文件中的函数时，要在当前C语言文件中先进行声明，然后再调用，或者也可以把每个C文件中定义的函数都写到相同名字下的.h头文件中，其他C文件要调用该函数时要在前面加上#include ，将头文件包括进来。对于变量也是如此，如果某个变量也在其他C文件中使用，那么要在一个C文件总将它定义为全局变量，即在函数外面定义。其他C文件要使用该变量时，要先使用extern将全局变量的作用域扩展到本C语言文件。4.2 主要模块的设计流程框图4.2.1 主程序流程图Yes是否超限？将温湿度与设定值比较启动温湿度调节设备对温湿度数据进行修正No在液晶屏上显示温湿度测量温湿度是否有按键？初始化LCD1602Yes开始进入键盘扫描子程序SHT10复位No 图4.2 主程序流程图4.2.2 SHT10子程序流程图开始发送启动时序发送控制字接收数据测量结束？接收校验位结束NoYes图4.3 SHT10子程序流程图温湿度传感器SHT10使用类似于I2C总线的时序与单片机通信，由于51单片机没有I2C接口，所以需要编写程序，用单片机的某两个I/O口管脚模拟I2C总线的时序，从而与SHT10通信。SHT10有4种时序：启动传输时序、写字节时序、读字节时序及复位时序。复位时序和启动传输时序可通过依次拉低或拉高时钟线和数据线，因而实现起来比较简单；而写时序和读时序就比较复杂。写时序用来发送控制字，即发送命令，测量结束后，发出读时序读回测量数据。向SHT10的8个数据位的写入，于第9个时钟周期之后，读取应答位，应答位为0时，表示SHT10正确接收。SHT10读写数据的规则是：在时钟线的下降沿之后数据线改变状态，并在时钟线的上升沿有效。4.2.3 LCD1602子程序流程图开始LCD1602初始化设置首行数据指针写入首行字符设置第二行数据指针写入第二行字符结束图4.4 LCD1602子程序流程图4.2.4 输出控制子程序流程图开始返回主程序温度、湿度是否超出上下限？启动温湿度调节设备蜂鸣器报警温湿度是否回到限定值内？停止报警停止温湿度控制设备温湿度是否留有足够的裕量？结束NoYesYesYesNoNo图4.5 输出控制子程序4.2.5 键盘扫描子程序流程图开始退出键盘子程序延时10ms退出键盘子程序上限或下限加一或减一P2.3或P2.4是否按下？NoP2.3或P2.4是否仍被按下？YesYesNoP2.5或P2.6是否按下？P2.5或P2.6是否按下？YesNo图4.6 YesNo键盘扫描子程序为了防止抖动，按键电路中都要消抖的措施，本设计中是采用的软件消抖，在单片机检测到某个键按下后，延时10ms再监测，如果仍然按下，才视为按下了该键。S0、S1、S2、S3、S4分别对应单片机的P2.3-P2.7引脚。按下S0，也就是使P2.3为低电平时，进入温度上限的设置，再按一次进入温度下线的设置；按下S1，进入湿度上限的设置，再按一下进入温度下线的设置。在每个设置里面，按S2增加限值，按S3减小限值。设置好以后，按S4退出设置。4.3 软件设计所用工具4.3.1 Keil uVision4本次设计采用Keil uVision4来编写C语言程序，通过它的编译器进行编译、连接，最后将生成的机器码下载到单片机上。Keil编译器是目前最流行的单片机开发的软件，它是美国Keil Software公司开发的C语言开发系统。它提供了一个完整的开发方案，包括宏汇编、C编译器、库管理、连接器和一个功能强大的仿真调试器等，通过一个集成开发环境将这些部份组合在一起。Keil C51整合了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具。此外，Keil C51生成的目标代码效率非常高，这一点从生成的汇编语言就可以看出，大多生成的汇编语句很紧凑，容易理解。4.3.2 ProteusProteus用来对电路进行仿真，它的功能强大，包括单片机在内的众多元器件都可以仿真。把Keil编译、连接后生成的hex文件导入Proteus单片机中即可对单片机进行仿真。Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件，它不仅具有其它EDA软件的仿真功能，还可以对单片机及其外围器件进行仿真，是目前在这方面做得最好的EDA工具软件。Proteus在国内已受到众多单片机开发者的喜爱。Proteus实现了从概念到产品的完整设计，可以实现从原理图绘制和代码调试到单片机与其外围电路仿真，一键切换到印刷电路板的设计。目前世界上只有Proteus做到了将电路仿真、印刷电路板设计和虚拟模型仿真整合到一个设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、AVR、ARM、8086和MSP430、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。 5 系统调试5.1 用Proteus搭建仿真总图 打开Proteus ISIS，在 Proteus ISIS 编辑窗口中单击元件列表之上的“P”按钮 ，添加元件及放置元件。得到界面如图5.1图5.1元器件的选择选好元器件后，要对元器件进行一个重新的布局，使之看起来很清晰，并且所占面积较小。若想移动某个元件或多个，单击其元件，待其颜色变红后，在按下鼠标左键不放，即可拖动元件。 为了使仿真图看起来更整洁，我们部分电路连线选择连线标签模式，以单片机19引脚为例，将其用线引出，如然后再点击左侧任务栏中再单击引线得到对话框如图5.2所示，在窗口中输入X1得到此效果 图5.2连线标签窗口若要对某个元件或一部分电路做出说明，则单击任务栏中的Text Script Mode得到如图5.3效果，在界面中输入文字即可。 图5.3说明窗口按照正确的方法将元器件进行合理的排布及连线后，得到图5.4 图5.4系统仿真电路图5.2 用Keil对程序进行调试、编译先打开keil uvision4 这款软件，新建工程，点击菜单栏里的 new uvision project ，然后对工程进行保存。再新建文件，点击菜单栏中File 下的 new 新建文件，进行保存。最后把新建的文件添加到工程文件里，右键点击project视图窗口里的Source Group1，选择Add files to group “source group1”，如图所示： 图5.5 添加文件到工程 这样，刚才新建的文件便添加到了Source Group1中。现在开始在右边的主界面编写C语言程序，编写完成后为了把程序烧录到单片机上，还需要把它转换成机器码，生成hex文件：右击工程视图窗口中的Target1，选择Options for Target “target1” 把Output选项卡里面的Create HEX File 前面的勾打上，这样编译后会生成机器码，如图所示。图5.6 生成机器码6 结论6.1 系统的功能本系统能测量温室大棚内的温湿度数据，将其显示在液晶屏上。如果温湿度超出了设定的上下限，将进行报警，并启动温湿度调节设备。温度回到限定值内后，停止报警。当温度不仅回到上下限以内，而且留有一定裕量后，停止温湿度调节设备。如果需要修改温湿度上下限，可以通过按键进行修改。6.2 系统的指标参数系统的指标参数完成情况如下表所示：表6.1 系统指标参数表实现功能结果完成程度测量温度范围-40123.8完成测量温度误差0.5%完成测量湿度范围0100%RH完成测量适度误差4.5%完成液晶屏显示用LCD1602显示完成超限报警用蜂鸣器报警完成修改上下限通过独立式键盘修改完成输出控制通过光耦、继电器控制完成6.3 系统功能分析该大棚温湿度自动控制系统能通过独立式键盘设置温湿度上下限，通过LCD1602显示温湿度，并在超限的情况下报警、启动调节设备。其中输出控制和通过键盘设置上下限都是通过调用子程序实现的。键盘的工作方式分两种，一种是查询方式，一种是中断方式。中断方式比较节省系统资源，只有当有按键按下时才会进入键盘中断子程序，进一步扫描是那些键被按下；而查询方式则是在主程序中调用键盘扫描子程序，不管有没有键按下，每次程序循环中都要一一判断每个键是否按下，故这种方式占用的单片机的处理时间更多。但是由于本次设计用到的按键不多，只有五个，功能比较简单，而且单片机工作比较空闲，因此使用的是查询方式来处理键盘的输入。此外，还应注意到的是，当温湿度超限后，要报警并启动温湿度调节设备。当温湿度回到规定范围内时，只是停止报警，而温湿度调节设备应该继续保持工作，直到温湿度留有一定裕量时才停止。本设计中的输出控制子程序中设置了温度5和湿度5%RH的裕量，这样当温度上限是30度时，如果超出上限，那么温度回到30度时停止报警，当温度降到25度以下时才停止制冷设备的运行。这样可以避免温湿度调节设备反复不停地通断，以致影响使用寿命。7 总结与体会这次毕业设计使我收获良多，以前偏重于理论知识的学习，但是做了毕业设计才发现在动手实践上的不足，无论是画电路原理图、做仿真、做实物都牵涉到很多自己以前没有接触过的内容。通过这次毕业设计，我感觉我实际应用知识的能力有了很大提高。尤其让我感受颇多的是使用万能板焊接实物。这个看似简单的事情花了我三天的时间，而且板子还有很多问题。以前焊过PCB板，于是想当然地以为焊万能板也很容易，不就是用飞线连接吗，还不用画PCB图，不用考虑怎么布线，于是就选择了使用万能板来焊接实物。用导线焊了很久，刚开始还好，到了后来线越来越多，要放置新的元器件都很困难。有些焊点焊多了锡都很难焊上去。由于飞线太多，容易产生很多虚焊，这