仓库温湿度控制系统

仓库温湿度控制系统 姓 名 学 号 专 业 班 级 提 交 日 期 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 1 目 录 摘要 2 1 仓库温湿度控制系统设计任务和性能指标 3 1 1 设计任务 3 1 2 性能指标 3 2 系统总体设计 3 3 硬件设计 4 3 1 单片机最小系统 4 3 2 LCD1602显示模块 5 3 3 温湿度传感器模块 6 3 3 1 SHT10温湿度传感器的介绍 6 3 3 2 SHT10与单片机的接口电路 7 3 4 报警模块 7 3 4 按键模块 8 3 4 控制模块 8 4 软件设计 9 4 1 主程序流程图 9 4 2 SHT10子程序流程图 10 4 3 LCD1602子程序流程图 10 4 4 输出控制子程序流程图 11 4 5键盘扫描子程序流程图 11 5 仿真与调试 12 5 1 调试环境 12 5 2不足与优化 13 6 总结 13 7 参考文献 13 附件 1 系统仿真图 14 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 2 摘要 防潮 防霉 防腐 防爆是仓库日常 工作的重要内容 是衡量仓库管理质量的重要 指标 它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性 为保证日常工作的顺 利进行 首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作 传统的方法是用湿度表 毛发湿度表 双金属式测量计和湿度试纸等测试器材 通 过人工进行检测 对不符合温度和湿度要求的库房进行通风 去湿和降温等工作 为解 决这种传统温湿度检测主要以人为基础 依靠人工轮流值班 人工巡回查看等方式来测量 和记录环境状况信息的模式 避免许多由人为因素造成的重大事故 解决效率低下不利于人 才充分利用的问题 让测量更具有科学性 本设计提供了一套更方便和精确度更高的测控系 统 本设计是基于 AT89C52 单片机的仓库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 因为它高度集成 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 测量仓库中的温度和湿度 并将其显示在液晶屏 LCD1602 上 同时将其与设定值进行对 比 如果超出上下限 将进行报警并通过串口向 PC 端发送信息以及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的上下限数值进行修改 经过整机调试 实现了仓库温湿度控制的模拟 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 3 1 仓库控制系统设计任务和性能指标 1 1 设计任务 为了保护仓库储存的物品的质量 创造适宜储存的环境 当库内温湿度适宜物品储 存时 控制设备不用采取措施 温湿度传感器只是对库内进行检测 当库内温湿度不适 宜物品储存时 报警装置进行报警 控制设备采取相应的措施对仓库温湿度进行调节 只至温湿度在限定的范围内 1 2 性能指标 本文要设计的仓库温湿度自动控制系统 要能够及时 准确地对仓库的温度 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温湿度上下限 来满足不同物品的储存条件 为了 满足仓库储存的需要 此次设计要达到一下指标 1 工作环境 仓库 2 温度测量误差 1 3 测温范围 10 55 4 湿度测量误差 5 RH 5 测湿范围 0 100 RH 6 能否通过键盘电路修改上下限 能 6 有无温湿度报警 有 2 系统总体设计 本设计核心部件为AT89C51 信号采集及处理部分由SHT10 构成 进入单片机后经处 理后通过LCD1602显示温湿度 信号显示采用的液晶屏为5 7点阵 一行可显示16字 两行 第一行显示温度 第二行显示湿度 通过上位机部分对测量的温湿度进行上下值 的设定 应用RS 485 通信方式完成测控电路与上位PC 机的数据交换 当测量超过限定值 通过超限报警处理电路对其进行处理分别显示不同的二极管灯亮 蜂鸣器产生长鸣 串 口向PC 端发送具体的报警信息 控制设备采取相应的措施使温湿度到达设定的范围内 硬件中包括五个按键 对温湿度上下限进行修改 开机后 所有器件初始化 温湿 度传感器 SHT11 开始进行温湿度测量和计算 最后通过 LCD 液晶显示器显示结果 在测 量结果中有超过设定的温湿度上下限的 通过温湿度控制部分作出反应 整体电路框图如图 1 所示 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 4 图 1 整体电路框图 3硬件设计 3 1单片机最小系统 图 2 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 报警模块 键盘输入 LCD1602 显示 SHT10 温湿 度传感器 控制部分 AT89C52 单片机 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 5 图 3 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 2 LCD1602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 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 6 图4 LCD1602与单片机的接口电路 3 3 温湿度传感器模块 3 3 1 SHT10温湿度传感器的介绍 SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片 该传感器内1个奄容 式聚合体溺瀑元件和1个能隙式测温元件组成 并嗣1个14位A D 转换器以及1个2 wire数 字接口在单芯片中无缝结合 使得该产品具有功耗低 反应快 抗干扰能力强等优点 1 SHT10的主要特点 相对湿度和温度的测量兼有露点输出 全部校准 数字输出 接口简单 2 wire 响应速度快 越低功耗 自动休眠 出色的长期稳定性 超小体积 表面贴装 测湿精度土4 5 RH 测温精度土0 5 25 测温范围 40 123 测湿范围0 100 RH 2 SHT10的命令与时序 SHTl0命令 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5所示 其时序为 当SCK为高电 平时DATA翻转保持低电乎 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 SHTl0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 图 5 命令时序 复位时序 如果与SHTl0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6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 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 7 图 6 复位时序 状态寄存器读写时序 SHTl0 通过状态寄存器实现初始状态设定 图 7 读时序 图 8 写时序 3 3 2 SHT10 与单片机的接口电路 图 9 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 为避免 信号冲突 微处理器应驱动 DATA 在低电平 需要一个外部的上拉电阻 例如 10k 将 信号提拉至高电平 上拉电阻通常已包含在微处理器的 I O 电路中 3 4 报警模块 当仓库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 LED 和串口 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 蜂鸣器分为有 源蜂鸣器和无源蜂鸣器 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 LED 在这个模块中主要是显示温湿度不在限定范围内 不同的 LED 亮 显示对应的 物理量超限 串口主要是当温室度超限 单片机不停地向 PC 端发出具体超限的物理量 报警电路图 10 所示 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 8 图10 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 P3 5 接 PNP 型三极管的基极 当 P3 5 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 P3 5 高电平时 三极管截至 蜂鸣器不鸣叫 串口的 2 3 号脚分别接单片机的 P3 0 和 P3 1 便于与 PC 机进行通信 四个 LED 正极直接与 VCC 相连 当负极出现低电平时 对应的 LED 亮 3 5 按键模块 按键电路图如下图所示 图11 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 它们用来改变设定的温湿度上下限数值 从 K1 到 K5 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 本设计可以直接设定温湿度参数的上下 限值 从而达到对温湿度控制报警的功能 3 6 控制模块 控制模块电路图如下所示 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 9 图 12 控制模块电路图 控制模块主要由直流电机 继电器 加热丝等构成 由于单片机的输出电流一般为 30 40mA 输出的低电平为 0 1V 左右 而直流电机的驱动电流为 200mA 驱动电压为 5V 继电器的驱动电流约为 90Ma 所以要用三级管放大 通过继电器使电机开关吸合 避免电机不能正常工作 控制模块的主要功能是当温湿度不在限定范围时 控制设备开 始工作 使温湿度达到自己限定的范围内 4软件设计 4 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 LCD1602 Yes 开始 进入键盘扫描子程序 串口设置 No SHT10 复位 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 10 图 13 主程序流程图 4 2 SHT10子程序流程图 图 14 SHT10 子程序流程图 4 3 LCD1602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 No Yes 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 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 11 图 15 LCD1602 子程序流程图 4 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 No Yes Yes Yes No No 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 12 图 16 输出控制子程序 4 5 键盘扫描子程序流程图 图 17 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 K1 K2 K3 K4 K5 分别对应单片机的 P2 3 P2 7 引脚 按下 K1 也就是使 P2 3 No Yes 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 No P2 3 或 P2 4 是 否仍被按下 Yes Yes No P2 5 或 P2 6 是 否按下 P2 5 或 P2 6 是 否按下 Yes No 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 13 为低电平时 进入温度上限的设置 再按一次进入温度下限的设置 按下 K2 进入湿度 上限的设置 再按一下进入温度下限的设置 在每个设置里面 按 K3 增加限值 按 K4 减小限值 设置好以后 按 K5 退出设置 5 仿真与调试 5 1 调试环境 本设计用到了 Keil uVision4 和 Proteus7 8 两种软件进行联合调试 实验中使用 C 语言 在 Keil uVision4 进行编写源代码 并通过编译检查源程序中的代码是否正确 原理图是 在 Proteus7 8 提供的环境中绘画 在 Keil uVision4 编译无误后生成 HEX 文件 并将其导入 到原理图中 在原理图没有错误后就可以进行仿真 通过仿真可以进行调试 使设计达 到要求 5 2 不足与优化 不足 按键会出现抖动 延时时间过短致使按键按下时单片机可能没来得及响应 SHT10 测量温湿度最大误差可达到 4 5 对于一些温湿度要求较高的物品还存在较大的 误差 优化方案 对于按键出现抖动的情况 我们可以增大延时时间来 解决这个问题 对于一些对温湿度要求比较高的物品 我们可以使用其它精度比较高而且比较有经济效 益的的传感器 同时可以采取多点测量的方法来解决 6 总结 这次的课程设计是利用单片机 AT89C52 来设计仓库温湿度控制系统 设计中使用 LCD1602 进行对当前温度和湿度进行显示 使用温湿度传感器 SHT10 对温湿度测量 当 温湿度超限时 蜂鸣器发出报警信号 同时 控制设备进行相应的操作使温湿度回到限 定的范围内 通过模拟 基本实现了对仓库温湿度的控制 这次课程设计让我学习和了解了很多东西 通过查找资料 我了解了 SHT10 温湿度 传感器的使用方法 并对里面的一些函数和设计思路有了一定的认识 同时 了解了 LCD1602 后 我知道了 1602 该如何使用 并能够初步的使用它 由于使用 SHT10 温湿 度传感器时 单片机的 P3 6 和 P3 7 分别于 SHT10 的 DATA 和 SCK 直接相连 而单片机 与 SHT10 的接口电路中 数据端 DATA 接了一个上拉电阻 让我加深了单片机内部的 P1 P2 P3 口有上拉电阻 另外在这次实验中我知道蜂鸣器分为有源和无源两种 也知 道了它们接入电路的区别 这次课程设计体会最深的对软件和硬件的调试 软件调试过 程中遇到了很多麻烦 如按键延时过短 导致单片机没来得及响应使液晶显示屏上还是 按键按下前的字符 通过改正延时时间的长度 最终把这个问题解决了 在硬件调试中 也遇到了一些问题 如蜂鸣器没有声音 最后经过查阅资料 是因为蜂鸣器的电压和电 流不够 通过三极管的放大作用 最终蜂鸣器发出声音 其次还可以通过改变蜂鸣器的 频率改变声音的音调 通过这次课程设计 我知道我们在遇到问题时 我们应该多动脑 同时应该多查阅 资料以便解决问题 同时 在这次课程设计中 我知道我们的知识面很小 我们在今后 学习中应该多阅读一些书来丰富我们的知识 这样在以后遇到问题时 我们能够快速的 处理 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 14 7 参考文献 1 张毅刚 单片机原理及应用 第二版 高等教育出版社 2009 2 陆荣鑑 李品 孙周 SHT10 传感器在温湿度监测系统中的应用 J 传感器与微系统 2012 31 3 孙环 滕召胜 基于 SHT10 单片集成传感器温湿度检测模块设计 J 国外电子测量技 术 2006 25 4 童诗白 华成英 模拟电子技术基础 M 北京 高等教育出版社 2000 5 郭天祥 51单片机 C语言教程 北京 电子工业出版社 2008 6 隋清江 基于 PROTEUS 的 LCD1602 接口设计与仿真 J 仿真技术 2010 7 7 刘天时 刘赏 付春 一种单片机键盘电路设计与消抖处理 J 计算机与网络 2010 10 8 赵亮 跟我学 51单片机 四 独立 矩阵键盘应用与设计 J 电子制作 2011 4 9 黄震宇 温湿度控制系统设计 J 粮油装备与自动控制 2008 15 10 于志赣 刘国平 液显 LCD1602 模块的应用 J 计算机技术应用 2009 4 11 赵亮 液晶显示模块 LCD1602 应用 J 电子制作 2007 3 12 谭浩强 C 语言程序设计 第四版 清华大学出版社 2010 13 李泉溪 单片机原理与应用实例仿真 第二版 北京航空航天大学出版社 2011 附录一 系统仿真图 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 15 单片机课程设计期末成绩评定表 姓 名 学 号 专业班级 报告题目 报告答辩记录 成绩类别 考勤成绩 10 答辩成绩 20 报告成绩 50 实物成绩 20 总分 百分制 成 绩 电气与电子信息工程学院 单片机课程设计 16 评语 指导教师签字 年 月 日