优秀毕业论文(设计):基于单片机(MCU)的蔬菜大棚温湿度监测系统设计16220.doc
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1、基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 目 录 中文摘要I 英文摘要.II 绪 论 .1 1 系统总体方案及传感器选型 .3 1.1 系统总体设计方案简述.3 1.2 系统的工作原理.3 1.3 传感器的选型.4 1.3.1 温度传感器的选型.4 1.3.2 湿度传感器的选择.5 2 传感器及其硬件电路设计 .6 2.1 温度传感器 DS18B20 介绍.6 2.2 湿度传感器 HS1101 介绍.11 2.3 硬件电路设计.16 2.3.1 温度测量电路16 2.3.2 湿度测量电路16 3 人机接口电路17 3.1 键盘部分.17 3.2 显示部分.17 3.3 报警电路设计.18 3.4
2、 RS-485 异步半双工通信总线19 4 软件设计20 4.1 主程序流程图.20 4.2 按键扫描子程序流程图.21 4.3 温度程序流程图.22 4.4 湿度程序流程图.24 结束语25 致 谢26 参考文献27 附录 1.28 附录 2.37 基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 I 基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 摘 要 本设计首先给出了基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统的总体方案,描 述了温度传感器 DS18B20 和湿度传感器 HS1101 的工作原理;其次,进行了硬件 电路的设计,包括温度测量电路、湿度测量电路、键盘与显示电路以及报警电 路;然后在硬件部分的基础上又进
3、行了软件部分的设计,包括主程序流程图、 按键扫描子程序流程图和温湿度程序流程图,最后运用 C 语言对各个部分进行 了编程。通过实践证明,该系统具有性能好、操作方便等优点,并且实现了对 温湿度的测量、显示、调节和报警功能。 关键词 单片机 温度传感器 湿度传感器 基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 II THE MONITORING SYSTEM OF THE TEMPERATURE AND HUMIDITY BASED ON SINGLE CHIP MIRCROCOMPUTER ABSTRACT In this paper, we first present the general sch
4、eme of the monitoring system of the temperature and humidity based on single chip microcomputer, and describe the working principle of the temperature sensor DS18B20 and the humidity sensor HS1101. Secondly, this paper designed the hardware electric circuits which include temperature measurement cir
5、cuit, humidity measurement circuit, key and display circuit and alarm circuit. Then on this basis, it designed the software, this software part includes main program flow diagrams, the key-press scanning subprogram flow diagrams and temperature and humidity program flow diagrams. Finally, using C la
6、nguage programmed each part of the scheme. Prove through practice the system has the advantage of better performance and convenient operation, and also realized the measurement, display, regulation and alarm function of temperature and humidity. KEY WORDS single chip microcomputer the temperature se
7、nsor the humidity sensor 基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 3 绪 论 温湿度是衡量温室大棚的重要指标,它直接影响到栽培作物的的生长和产量,为 了能给作物提供一个合适的生长环境,首要问题是加强温室内的温湿度的检测, 传统的方法是用与湿度表、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。这种人工测试方法费时费力、效率低,且测试的温度及湿度误差大, 随机性大。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。 本设计即是针对这一问题,设计出了能够实现温湿度自动检测,显示,上下限报
8、警 等多功能的温湿度监测控制系统。 在传统的温度测量系统设计中,往往采用模拟技术进行设计。温度传感器一 般采用热电阻、热电偶等模拟器件,需要额外加补偿电路,安装复杂,成本较 高。而且必须经过 A/D 转换后才可以被微处理器识别和处理。这样就不可避免 地遇到诸如引线误差补偿、多点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问 题;而其中某一环节处理不当,就可能造成整个系统性能的下降。而 DS1820 新 型单总线数字温度传感器,采用 3 脚(或 8 脚)封装,从 DS1820 读出或写入数 据仅需要一根 I/O 口线,而且测量精度达到 12 位,最低精确到小数点后 4 位有 效数字。用这种智能化数字式
9、传感器的优胜显而易见。 现代湿度测量方案最主要的有两种:干湿球测湿法,电子式湿度传感器测 湿法。下面对这两种方案进行比较: 干湿球湿度计的特点:干湿球湿度计的准 确度只有 57RH。干湿球测湿法采用间接测量方法,通过测量干球、湿 球的温度经过计算得到湿度值,因此对使用温度没有严格限制,在高温环境下 测湿不会对传感器造成损坏。干湿球测湿法的维护相当简单,在实际使用中, 只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。与电子式湿度传感器相比,干湿球 测湿法不会产生老化,精度下降等问题。所以干湿球测湿方法更适合于在高温 及恶劣环境的场合使用。 电子式湿度传感器的特点: 电子式湿度传感器的准 确度可以达到 23
10、RH。电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定 性去判断,一般说来,电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命不如干湿球 湿度传感器。湿度传感器是采用半导体技术,因此对使用的环境温度有要求, 基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 4 超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。所以电子式湿度传感器测湿方法 更适合于在洁净及常温的场合使用。 系统完成后可以通过温度传感器 DB18B20 和湿度传感器 HS1101 对大棚温 室内的温湿度进行测量,通过单片机 AT89S51 对采集到的数据进行处理,用 LED 显示出当前环境的温湿度状况,其中温度可以有操作人员根据不同作物所 需的最适宜温度进行调节,当
11、环境温度和设置的最适宜温度之差大于 3时, 报警装置即会启动。 基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 5 1 系统总体方案及传感器选型 1.1 系统总体设计方案简述 该温湿度测控系统是由数据采集和处理系统和报警系统组成,由温度、湿 度传感器,显示器,键盘与报警电路等组成。通过对信号的采集、分析、处理, 然后输出信号来使执行部件进行动作,使温室大棚达到所要求指标。 1.2 系统的工作原理 温湿度测控系统能完成数据采集和处理、显示、串行通信、输出控制信号, 实现人机对话等多种功能。由数据采集及处理、单片机、控制和人机接口等 4 个大的部分组成。该测控系统具有实时采集(检测温室大棚内的温湿度) 、
12、实时 处理(对监测到的温湿度值进行比较分析,决定下一步控制进程) 、实时控制 (根据处理的结果发出控制指令,指挥被控对象动作)的功能。主要硬件包括 温度传感器,湿度传感器,AT89S51 单片机、数据采集电路、LED 显示器、发 光二极管、蜂鸣器、键盘等。其原理结构图如图 1-1 所示: 复位电路 湿 度 传 感 器 处 理 电 路 温度传感器 AT89S51 单 片 机 键盘显示电路 报警电路 485 半双工 收发器 图 1-1 原理结构图 基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 6 首先充分考虑气候、环境因素对植物的影响,并根据温室大棚内植物保持 正常状态所需的温度和湿度,设计出温湿度参考
13、值预先存储于单片机中。系统 的数据采集部分是将温湿度传感器置于温室内部,测出室内的温湿度值之后送 入 AT89S51 单片机中,然后 LED 显示出温湿度测量值。单片机将预设的参考 值与测量值进行比较,根据比较结果做出判断。当温湿度值超过允许的误差范 围,系统将发出报警,如果有必要,工作人员还可以根据实际的情况通过键盘 来人工修改片内存储的预设值。通过对整个系统的核心单片机部分的设计,达 到优化控制温湿度的目标。 1.3 传感器的选型 传感器是实现测量与控制的首要环节,是测控系统的关键部件,如果没有 传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换,一切准确的测量和控制都 将无法实现。工业生产过程
14、的自动化测量和控制,几乎主要依靠各种传感器来 检测和控制生产过程中的各种参量,使设备和系统正常运行在最佳状态,从而 保证生产的高效率和高质量,因此选择正确的温湿度传感器在设计中起着至关 重要的作用。 1.3.1 温度传感器的选型 方案一:采用热电阻温度传感器 热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。现应用较多 的有铂、铜、镍等热电阻。其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离 测量。 铂的物理、化学性能极稳定,耐氧化能力强,易提纯,复制性好,工业性 好,电阻率较高,因此,铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。缺点 是价格贵,温度系数小,受到磁场影响大,在还原介质中易被玷污变
15、脆。按IEC 标准其测温范围为-200650,百度电阻比W(100)=1.3850时,R0为100 和10,其允许的测量误差A级为(0.15+0.002t),B级为(0.3 +0.005t)。 基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 7 铜电阻的温度系数比铂电阻大,价格低,也易于提纯和加工,但其电阻率 小,在腐蚀性介质中使用稳定性差。在工业中用于-50180测温。 方案二:采用DS18B20作为温度传感器 DS18B20是由Dallas半导体公司生产的“一线总线”接口的温度传感器。一线 总线结构具有简洁且经济的特点,可使用户轻松地组建传感器网络,从而为测 量系统的构建引入全新概念,DS18B2
16、0的测温范围为-55+125,在-10 +85范围内,精度为0.0625,现场温度可直接通过“一线总线”以数字方式 传输,大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量, 如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。它工作在3V5.5V的 电压范围,采用多种封装形式,从而使系统设计更灵活、方便,设定分辨率及 用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存。综合比较方案一与 方案二,方案二更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。 1.3.2 湿度传感器的选择 测量空气湿度的方式很多,其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水 分后引起的物理或化学性质的变化,间
17、接地获得该物质的吸水量及周围空气的 湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介 电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。 方案一:采用HOS-201湿敏传感器 HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器,它的工作电压为交流1V以下, 频率为50HZ1KHZ,测量湿度范围为0100%RH,工作温度范围为050, 阻抗在75%RH(25)时为1M。这种传感器原是用于开关的传感器,不能在 宽频带范围内检测湿度,因此,主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。 然而,这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性,可有效地利用其 线性特性。 方案二:采用HS1100/
18、HS1101湿度传感器 HS1101电容传感器,在电路构成中等效于一个电容器件,其电容量随着所 测空气湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性,高可靠性和长期稳定性, 基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 8 快速响应时间,专利设计的固态聚合物结构,由顶端接触(HS1100)和侧面接 触(HS1101)两种封装产品,适用于线性电压输出和频率输出两种电路,适宜 于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。相对湿度在1%-100%RH范围 内;电容量由16pF变到200pF,其误差不大于2%RH;响应时间小于5S;温度 系数为0.04 pF/。可见精度是较高的。 综合比较方案一与方案二,方案一虽然满
19、足精度及测量湿度范围的要求, 但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性,可有效地利用其线性特性。而 且还不具备在本设计系统中对温度-3050的要求,因此,我们选择方案二来 作为本设计的湿度传感器。 2 传感器及其硬件电路设计 2.1 温度传感器 DS18B20 介绍 测温元件采用新型的温度传感器DS18B20。DS18B20是由Dallas半导体公司 生产的“一线总线”接口的温度传感器。一线总线结构具有简洁且经济的特点, 可使用户轻松地组建传感器网络,从而为测量系统的构建引入全新概念, DS18B20的测温范围为-55+125,在-10+85范围内,精度为0.0625, 现场温度可直接通过“一
20、线总线”以数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。 DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量,如环境控制、设备或过程控制、测 温类消费电子产品等。它工作在3V5.5V的电压范围,采用多种封装形式,从 而使系统设计更灵活、方便,设定分辨率及用户设定的报警温度存储在 EEPROM中,掉电后依然保存。DS18B20的内部结构如图2-1所示: 基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 9 图2-1 DS18B20的内部结构 温度测量原理电路如图2-2所示: 低温度系数 振荡器 斜率累加器 计数比较器 预置 减法计数器 减至 0温度寄存器 预置 高温度系数 振荡器 减法计数器减至 0 图2-2 温度测量
21、原理电路 DS18B20 主要有 4 部分组成:64 为 ROM、温度传感器、非易失性温度报 警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。DS18B20 有三个引脚,GND 接地;DQ 数字 信号的输出/输入;Vdd 为外接电源输入端。DS18B20 的封装形式及引脚排列如 图 2-3 所示: 图 2-3 DS18B20 的引脚排列图 DS18B20有4个主要的数据部件: 基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 10 (1) 光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该 DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是:开始8位(28H)是产品类型 标号,接着的48位是该DS18
22、B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余 校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不 相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 (2) DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例:用16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625/LSB形式表达,其中S为符 号位。其中DQ为数字信号输入/输出端;GND为电源地;VDD为外接供电电源 输入端(采用寄生电源供电方式时接地)。DS18B20温度数据如表2-1所示: 表2-1 DS18B20温度数据表 TEMPERATUREDIGITAL OUTP
23、UT (Binary) DIGITAL OUTPUT (Hex) +125 +85 +25.0265 +10.125 +0.5 0 -0.5 -10.125 -25.0625 -55 0000 0111 1101 0000 0000 0101 0101 0000 0000 0001 1001 0001 0000 0000 1010 0010 0000 0000 0000 1000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1000 1111 1111 0101 1110 1111 1110 0110 1111 1111 1100 1001 0000 07D0h 05
24、50h 0191h 00A2h 0008h 0000h FFF8h FF5Eh FF6Eh FC90H (3) DS18B20温度传感器的存储器 DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性 的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。 (4) 配置寄存器 该字节各位的意义如表2-2所示: 表2-2 配置寄存器结构 TM R1 R0 1 1 1 1 1 低五位一直都是1,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在 基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 11 测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改
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