【正文】 ........................................................ 28 致 謝 .............................................................................................................................................. 29 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................... 30 附 錄 .............................................................................................................................................. 31 基于 51 單片機(jī)的溫濕度控制系統(tǒng)的研究 1 1 緒 論 課題背景 在現(xiàn)代的溫室種植技術(shù)中，溫度、濕度是溫室蔬菜能否茁壯成長的重要因素。第四部分為主要元器件的介紹 ，有溫度傳感器 DS18B濕度傳感器 HS110 51 單片機(jī)。第二部分為系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，主要通過對(duì)比集中方案來最終確定本次設(shè)計(jì)所下用的最佳方案。同時(shí)在設(shè)備出現(xiàn)故障的時(shí)候，語音報(bào)警電路和數(shù)字顯示電路的組合，會(huì)更好地是值班人員了解當(dāng)前的溫濕度的具體數(shù)值，并提醒維護(hù)人員及時(shí)采取相應(yīng)措施。其中溫度數(shù)據(jù)的采集是由溫度傳感器 DS18B20 將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，然后被送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。為此，我們引入了89C51 系列單片機(jī)。 基于 51 單片機(jī)的溫濕度控制系統(tǒng)的研究 I 摘 要 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開環(huán)境控制，隨著計(jì)算機(jī)自動(dòng)化和單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多地方都實(shí)現(xiàn)了無人值守或智能控制。溫度和濕度是日常生產(chǎn)中常見的被控參數(shù)，因此對(duì)溫度和濕度的控制對(duì)工農(nóng)業(yè)等日常生產(chǎn)的智能化及自動(dòng)化相當(dāng)重要。 本次設(shè)計(jì)的溫濕度控制系統(tǒng)可利用單片機(jī)對(duì)所采集的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與分析，并作出及時(shí)判斷，從而實(shí)現(xiàn)溫濕度控制的智能化及自動(dòng)化。濕度數(shù)據(jù)的采集是由濕度傳感器 HS1101 完成的，然后經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字量送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 本文共分為五部分，第一部分是引言，主要對(duì)選題背景、意義及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行簡單介紹。第三部分為主要單元電路的介紹，有溫度測(cè)控電路、濕度測(cè)控電路、數(shù)顯電路、報(bào)警電路、 51單片機(jī)的外圍電路等。第五部分為總結(jié)，是對(duì)本文的高度概括。現(xiàn)代我國的社會(huì)生產(chǎn)雖然規(guī)?？涨熬薮?，但是溫室的設(shè)備計(jì)較陳舊，技術(shù)比較落后， 現(xiàn)階段，廣大農(nóng)村仍采用煤油溫度計(jì)的溫度采集方式，逼近溫度采集較為老套，而且費(fèi)事費(fèi)力，不利于溫室生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，也不利于信息化程度的提高，也不符合黨中央提出的科技興農(nóng)的戰(zhàn)略目標(biāo)。這種人工測(cè)試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低，且測(cè)試的溫度及濕度誤差大，隨機(jī)性大。 選題意義 現(xiàn)代以 89C51 單片機(jī)為核心的智能控 制系統(tǒng)是進(jìn)行大鵬溫濕度控制的有效手段和工具，它不僅可以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，還有利于實(shí)現(xiàn)控制過程中的科學(xué)和無人化管理，比如，將單片機(jī)控制方法運(yùn)用到溫度濕度控制系統(tǒng)中，可以克服溫度濕度控制系統(tǒng)存在的嚴(yán)重滯后現(xiàn)象，同時(shí)在提高采樣頻率的基礎(chǔ)上可以很大程度的控制效果和控制精度。除此之外，它還能準(zhǔn)確、高效、定時(shí)、定量地進(jìn)行溫濕度控制，可以節(jié)省人力、體力而提高農(nóng)產(chǎn)物的質(zhì)量和產(chǎn)量。因此只有提高自動(dòng)控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，使得在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中更加智能和方便并采用廉價(jià)的器材使其價(jià)格能夠被大多數(shù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者索賠接受，才能促進(jìn)智能溫室大棚控制在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用和提高其經(jīng)濟(jì)效益。用高新技術(shù)改造農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是我國農(nóng)業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的根本大事。基于單片機(jī)的溫濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)的研究案例較少。特別在工廠倉庫中，對(duì)溫濕度要求更為嚴(yán)格。采用高性能的控制芯片 89C51 高精度的溫度傳感器和濕度傳感器。將此系統(tǒng)應(yīng)用到工廠倉庫中，無疑為貨物的存放提供了更加適宜的環(huán)境 ，具有良好的發(fā)展前景。 1987 年，中國農(nóng)科院引進(jìn)了 FELIXC512 系統(tǒng)，并且建立了全國范圍內(nèi)第一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究機(jī)構(gòu)。但是這些研究基本上是溫室的單因素監(jiān)測(cè)和控制，沒有進(jìn)行全系統(tǒng)綜合的研究。目前我國關(guān)于這方面的研究基本上都是單項(xiàng)研究，涉及到光、熱、水、氣等環(huán)境因素的綜合研究還欠缺。同國外的先進(jìn)溫濕度控制技術(shù)相比，我國溫室研究仍處于較低的水平。 基于 51 單片機(jī)的溫濕度控制系統(tǒng)的研究 3 國外發(fā)展現(xiàn)狀 現(xiàn)代化溫室采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，采用連續(xù)生產(chǎn)方式和先進(jìn)管理方式，高效、均衡地生產(chǎn)各種農(nóng)作物，并且不受地點(diǎn)和氣候的影響。溫室實(shí)現(xiàn)控制自動(dòng)化的目的是加強(qiáng)控制及作業(yè)精度，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。溫室自動(dòng)控制設(shè)施的關(guān)鍵是環(huán)境控制、智能化。溫室控制技術(shù)隨著溫室農(nóng)業(yè)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，其中單片 機(jī)的采用代表著它發(fā)展的逐步成熟。 1974 年，荷蘭首次研制出單片機(jī)控制系統(tǒng) CECS。目前，日本、荷蘭、美國等發(fā)達(dá)國家可以根據(jù)溫室作物的特點(diǎn)和要求，對(duì)溫室內(nèi)的諸多環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。針對(duì)種苗生產(chǎn)設(shè)施 的高溫、多濕等不良環(huán)境因子，日本農(nóng)業(yè)相關(guān)部門進(jìn)行了如下幾種設(shè)施項(xiàng)目的研究，主要有設(shè)施內(nèi)播種裝置、苗接觸刺激裝置、苗灌水裝置、換氣扇的旋轉(zhuǎn)和遮光裝置的開閉裝置、缺苗不良苗的檢測(cè)及去除和補(bǔ)栽裝置、二氧化碳施肥裝置等方面得 自動(dòng)化研究。目前，英國溫室大量采用單片機(jī)控制與管理，主要控制的就是溫度和濕度。 另外，國外溫室正在致力于高速發(fā)展。 本文研究的主要內(nèi)容 一、 首先我們必須了解到溫濕度控制對(duì)溫室大棚提高農(nóng)作物產(chǎn)量的重要性，其次我們才能做出更好的判斷，更好地解決用戶面臨的問題。 三、 該系統(tǒng)通過按鈕設(shè)定最適應(yīng)的溫度和濕度，溫濕度傳感器向中央控制系統(tǒng)輸送監(jiān)控信號(hào)，超過上下閥值時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)聲光報(bào)警電路，控制系統(tǒng)開始工作，調(diào)整溫濕度至合適的范圍， 使系統(tǒng)正常運(yùn)行。如果低于下閥值，則升溫；如果高于上閥值，則降溫。我們可以隨時(shí)對(duì)溫、濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)于不利情況能及時(shí)作出顯示，并通過報(bào)警電路提醒用戶采取相應(yīng)措施，以達(dá)到有利于作物生長的最適宜溫濕度。根據(jù)溫室大棚不同 作物的最適宜溫濕度的不同，可適當(dāng)調(diào)整溫濕度正常范圍的區(qū)間值。當(dāng)在正常范圍內(nèi)則顯示出溫濕度的具體溫濕度值。對(duì)于溫濕度傳感器而言主要分為溫度傳感器和濕度傳感器。對(duì)其的接口電路設(shè)計(jì)主要是通過端 口方向寄存器以及端口輸入方向就能對(duì)單片機(jī)加以設(shè)置。 對(duì)單片機(jī)溫濕度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為上位機(jī)通信，以及遠(yuǎn)端模塊軟件、無線傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)。例如對(duì)遠(yuǎn)程模塊的設(shè)計(jì)上，這一模塊的總體是采取結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后結(jié)合部分功能的不同再進(jìn)行分成小模塊，其中的報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，主要是采取多種報(bào)警的方式，主要有聲音報(bào)警和紅燈報(bào)警以及軟件報(bào)警，其中的軟件報(bào)警主要就是在 PC 端監(jiān)控開啟的基礎(chǔ)上，溫濕度越界的部分區(qū)縣就會(huì)以紅色線條進(jìn)行表示。一方面通過系統(tǒng)的學(xué)習(xí) 89C51 單片機(jī)以及 keil軟件的使用和溫度傳感器 DS18B20 和濕度傳感器 HS1101 的資料分析與研究確定編程思路，另一方面通過實(shí)物模擬，查看應(yīng)用效果，最終達(dá)到設(shè)計(jì)的總體要求。第二，直接通過上位機(jī)設(shè)置農(nóng)作物生長所需要最適宜的溫度和濕度。第三，在既定的指標(biāo)越過預(yù)先設(shè)定的上下限時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開啟。 該溫濕度控制利用溫度傳感器 DS18B20 和濕度傳感器 HS1101 分別對(duì)大棚內(nèi)的溫度和濕度信息進(jìn)行采集，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后利用 51 單片機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)與處理，接著通過通信線路把信息傳送到 PC 中，再 PC 上便可以根據(jù)這些指標(biāo)做出進(jìn)一步的分析。如溫濕度值不在上下限范圍內(nèi)，則啟動(dòng)報(bào)警電路，此時(shí)控制系統(tǒng)開始啟動(dòng)，調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫濕度，直至溫濕度處于預(yù)先設(shè)置的范圍內(nèi)。 系統(tǒng)整體框圖 本系統(tǒng)通過溫度傳感器 DS18B20 采集溫度， 濕度傳感器 HS1101 采集濕度，經(jīng)過含有 51 單片機(jī)的檢測(cè)系統(tǒng)的進(jìn)一步分析處理，通過 RS232 通信線路將信息上行到 PC 機(jī)，在 PC 機(jī)上可對(duì)溫濕度信號(hào)進(jìn)行任何分析、處理。如果環(huán)境的實(shí)時(shí)參數(shù)超越上下限值，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度和濕度狀態(tài)，直到溫濕度狀態(tài)處于上下限值內(nèi)為止。 基于 51 單片機(jī)的溫濕度控制系統(tǒng)的研究 7 圖 系統(tǒng)整體框圖 溫濕度控制系統(tǒng) 方 案比較及論證 總體方案的選擇與論證 方案一 ： 由溫度傳感器 DS18B20 和濕度傳感器 HS1101 實(shí)時(shí)實(shí)地地采集溫濕度參數(shù)，由 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 ADC0809 對(duì)做采集到的溫濕度模擬電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且將已轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的溫濕度數(shù)值送入 89C51 單片機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)與處理。同時(shí)在89C51 單片機(jī)中，將采集到的數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)定的法制范圍進(jìn)行比較。如果 采集到的溫濕度值在預(yù)設(shè)的閥值范圍之內(nèi)，則通過數(shù)碼管顯示出來。 方案二：采用瑞士 Sensirion 公司推出的新型的數(shù)字式溫濕度傳感器 SHT71 作為溫濕度檢測(cè)元件，數(shù)字式溫濕度傳感器 SHT71 除了集成溫度、濕度敏感元件，還包括一個(gè)放大器、 A/D 轉(zhuǎn)換器件和數(shù)字接口，可以同時(shí)采集溫度、濕度數(shù)據(jù)， 51 單片機(jī)對(duì)采集到的溫濕度數(shù)值進(jìn)行存儲(chǔ)與處理然后送 LED 顯示模塊進(jìn)行顯示，并發(fā) 出信號(hào)對(duì)溫度控制電路進(jìn)行控制。方案二采用了先進(jìn)的數(shù)字式溫濕度傳感器 SHT71，雖然省去了 A/D 變換過程，對(duì)我們來說卻較于陌生。 溫度傳感器 DS18B20 A/D 轉(zhuǎn)換 濕度傳感器 HS1101 上 位 機(jī) 51 單 片 機(jī) 通信接口 顯示電路 報(bào)警電路 沈陽工程學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 8 顯示模塊的選擇與論證 方案一：采用 12864 液晶模塊顯示測(cè)得的數(shù)據(jù)，可顯示較多組的數(shù)據(jù)，字體較大，可清晰讀數(shù)。 方案二：采用 1602 液晶模塊顯示所測(cè)數(shù)據(jù)， 1602 液晶接線簡單方便，且價(jià)格遠(yuǎn)低于12864 液晶模塊。 基于 51 單片機(jī)的溫濕度控制系統(tǒng)的研究 9 3 單元硬件電路的設(shè)計(jì) 溫度測(cè)控單元 溫度檢測(cè)系統(tǒng)原理 溫度檢測(cè)電路采用寄生電源供電方式，為保證在有效的 DS18B20 時(shí)鐘周期內(nèi)，提供足夠的電流，用一個(gè) MOSFET 管和單片機(jī)的一個(gè) I/O 口來完成對(duì) DS18B20 總線的上拉。采用寄生電源供電方式時(shí)， VDD 必須接地。為了操作方便使用單片機(jī)的 口作為發(fā)送口 Tx， 口作為接收口 Rx。 DS18B20 內(nèi)部暫存器的分布方式如表所示，其中第 7個(gè)字節(jié)存放的是當(dāng)溫度寄 存器停止增值時(shí)計(jì)數(shù)器 1 的計(jì)數(shù)剩余值，第 8字節(jié)存放的是每度所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值，從而可以通過如下方法獲得高分辨率的溫度測(cè)量結(jié)果。 NE555 電路功能簡單介紹為：當(dāng) 6 端和 2 端同時(shí)輸入為“ 1”時(shí)， 3 端輸出為“ 0”；當(dāng) 6 端和 2 端同時(shí)輸入為“ 0”時(shí)， 3 端輸出為“ 1”。 當(dāng)電源接通時(shí)，由于 6 端和 2 端的輸入為“ 0”，則定時(shí)器 3 端輸出為“ 1”；又由于 C1 兩端電壓為 0，故 VCC 通過 R R3 對(duì) C1 充電，當(dāng) C1 兩端電壓達(dá)到 2VCC/3 時(shí)，定時(shí)電路翻轉(zhuǎn)，輸出變?yōu)椤?0”。當(dāng) C1 兩端電壓降到 VCC/3時(shí)，定時(shí)器又翻轉(zhuǎn)，使輸出變?yōu)椤?1”，內(nèi)部放電 BJT 截止， VCC 又開始通過 R R3 對(duì)C1 進(jìn)行充電，如此周而復(fù)始，形成振蕩。當(dāng)外界濕度變化時(shí)， HS1101 兩端的電容值也發(fā)生變化，從 而改變定時(shí)電路的輸出頻率。 圖 濕度檢測(cè)電路 報(bào)警電路 溫濕度控制系統(tǒng)的觸發(fā)關(guān)鍵是報(bào)警系統(tǒng)。低電平持續(xù)一分鐘結(jié)束 ,I/O 口的電平恢復(fù)到高電平 ,發(fā)光二極管不再發(fā)光 ,蜂鳴聲音停止。 基于 51 單片機(jī)的溫濕度控制系統(tǒng)的研究 11 圖 聲光報(bào)警電路 數(shù)字顯示電路 在日常生活中，我們對(duì)液晶顯示器并不陌生，液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的顯示器件，如在計(jì)算器、萬用表、電子表等很多家用電子都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用字符和圖形，在 51 單片機(jī)的人機(jī)交互界面中，一般的輸出方式有以下幾種：發(fā)光管、 LED 數(shù)碼管、液晶顯示器。將 LCD1602 作為液晶顯示屏，屬于一類點(diǎn)陣型液晶模塊，能夠?qū)⒆帜?、?shù)字及符號(hào)清晰地顯示出來。工作電流 ，字符尺寸 *（