51单片机毕设参考文献

基于单片机的大棚温湿度控制系统设计

发布: 2011-9-1 | 作者: —— | 来源:caiminghao| 查看: 530次| 用户关注：

摘要：针对研究蔬菜大棚智能温湿度控制，设计了一种基于计算机自动控制的智能蔬菜大棚温湿度控制系统。详细阐述了该系统的温湿度采集、温湿度显示、控制系统等系统软硬件的设计思想，以DS18B20和HM1500LF作为温湿度传感器，以AT89S52单片机为系统核心，最后利用DELPHI软件进行系统仿真。该研究设计的蔬菜大棚智能温湿度控制系统人机界面良好，操作简单方便，自动化程度高，造价低廉，具有良好的应用前景和推广价值。关键词：温度采

摘要：针对研究蔬菜大棚智能温湿度控制，设计了一种基于计算机自动控制的智能蔬菜大棚温湿度控制系统。详细阐述了该系统的温湿度采集、温湿度显示、控制系统等系统软硬件的设计思想，以DS18B20和HM1500LF作为温湿度传感器，以AT89S52单片机为系统核心，最后利用DELPHI软件进行系统仿真。该研究设计的蔬菜大棚智能温湿度控制系统人机界面良好，操作简单方便，自动化程度高，造价低廉，具有良好的应用前景和推广价值。

关键词：温度采集；湿度采集；LCD显示；单片机

0 引言

植物的生长都是在一定的环境中进行的，在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中影响最大的是温度和湿度。若昼夜的温度和湿度变化很大，其对植物生长极为不利。因此必须对温度和湿度进行监测和控制，使其适合植物的生长，以提高其产量和质量。

本系统就是针对大棚内温度、湿度，研究单片机控制的温室大棚自动控制，综合考虑系统的精度、效率以及经济性要求多方面因素之后，设计一种基于计算机自动控制的大棚温湿度控制系统。

本系统实现的蔬菜大棚温湿度控制系统的目标功能如下：

(1)系统能对大棚环境温湿度进行采集和显示(现场观温、湿度，软件记录)。

(2)能通过上位机端远程设定蔬菜的生长期适宜温湿度。由主控机统一设置系统时间和温度湿度修正值。

(3)当大棚的环境温湿度参数超过设定的上下限值时控制相应的系统启动。

(4)可实时显示当前温度、时间、报警阈值等信息，并可查询各时间段的温湿度情况，并加以控制。

1 系统各组成模块

本系统通过温度传感器DS18B20采集温度，HM1500LF采集湿度，经过含有单片机的检测系统的进一步分析处理，通过通信线路将信息上行到PC机，在PC机上可对温湿度信号进行任何分析、处理。用户可以通过下位机中的键盘输入温湿度的上下限值和预置值，也可以通过上位机进行输入，从而实现上位机对大棚内作物生长的远程控制。如果环境的实时参数超越上下限值，系统自动启动执行机构调节大棚内温度和湿度状态，直到温湿度状态处于上下限值内为止。如果有预置初值，且与当前状态不相等时，系统也会启动执行机构实时动态调节温湿度状态，直到所处的平衡状态与预置值相等为止。

上位机即PC机使用DELPHI软件编写的一个数据库管理系统，可直接设置温度的上下限值和读取下位机的数据，并对下位机内的控制设备进行操作，调节大棚内温湿度状态。形成作物生长的走势图，从而通过生长走势图得出适合各种作物生长的最佳环境参数条件，为今后的温室种植提供参考。

上下位机之间通过符合串行总线RS 232标准的通信通道以事先约定的协议进行通信。系统原理图如图1所示。

2 总体电路及工作过程说明

使用智能温度传感器DS18B20进行组网来测量各个采集点的温度，HM1500LF来采集湿度，单片机AT89S52作为该系统的处理核心，单片机根据温湿度传感器检测到的数据，把各个测量点的温湿度存储并显示在LCD液晶显示器上，同时显示在PC机上。

3 数据采集模块

本模块主要采用DS18B20采集温度，HM1500LF采集湿度，由单片机AT89S52作总的控制并显示与传输。具体原理图如图2所示。

基于单片机的温湿度检测与控制系统研究

度则是系统常需要测量、控制和保持的量。文中介绍了一种

基于ATA9C51的单片机的温度和湿度检测与控制的方案,针

对被测对象的温度与湿度在不同变化范围需要不同的PID参

数的特点，根据检测温度和湿度自动选择合适的一组PID参

数进行控制的方案，整个设计简明、清晰。

关键词：单片机AT89C51; DS18B20温度传感器; 检测与控

制; PID; 看门狗

引言

温、湿度是工业生产中常见的被控参数，温度和湿度己不再是相互独立的量，而应在系统集成中综合考虑。利用单片机对温、湿度控制，具有控温、湿精度高、功能强、体积小、价格低，简单灵活等优点，很好的满足了工艺要求。本文介绍了利用AT89C51单片机进行温度和湿度的检测及其控制的智能化方法。

1系统的硬件结构及工作原理

工业中很多装置温度和湿度需要保持在一个既定的温度和湿度值上，本文针对实际需要，设计

了一套温度、湿度闭环检测与控制系统，系统整个硬件结构如图1：

图1 系统硬件结构图

系统的工作中，经过温度、湿度检测及变换电路把被测对象的温度、湿度转换成电压信号，该

电压信号经A/D变换器转换为数字信号后送入单片机中，与给定的对应所要控制的多组温度、

湿度值进行比较，找出现温度、湿度值所在范围，根据单片机AT89C51中设置的PID参数，输

出相应温度、湿度初值对应的受控对象电机的转速初值，经D/A转换器转换为模拟电压，通过

信号转化为变频器的频率，控制变频调速装置，带动被控对象，并且把被控对象的转速经变换

电路和A/D转换器反馈到单片机中，与输出的转速初值进行比较，其偏差被PID程序计算出后

重新输出，在规定的时间内循环，从而实现对温度、湿度的控制[1]，直到达到在误差允许的范

围内输出的转速值与转速初值相等。对于欠温度，控制加热功率；对于过温度，控制吹风冷却

装置，对于湿度则控制一个加湿、去湿装置[2]。

2硬件系统的组成

2.1温度传感器的选择[3]

本系统采用美国DALLAS公司生产的单总线数字式温度传感器DS18B20，由于具有结构简单不需要外接电路，可用一根I/0数据线既供电又传输数据，并且具有体积小，分辨率高，转换快等优点，被广泛用于测量和控制温度的地方。

2.2湿度传感器的选择

本系统采用的是电容式湿敏传感器HS1101，电容式湿度传感器的感湿机理是当基于电极间的感湿材料吸附环境中的水分时，其介电常数也随之变化，其电容量与环境中水蒸汽相对压（PV/P}关系可由下式表示：

电容式湿度传感器实用化程度高，工艺成熟，性能稳定，普遍用于各种情况下湿度测量。

2.3主控模块单片机的选择[4]

本系统单片机选用ATMEL公司的闪速存储器(flash ROM)型单片机芯片AT89C51。AT89C51是ATMEL公司的新一代8位的一片机产品，带有4KROM、128BRAM,最大工作频率24MHZ，同时，具有32条输入输出线，16位定时/计数器，5个中断源，一个串行口；它具有集成度高、系统结构简单，体积小可靠性高，处理功能强，速度快等特点。

2.4A/D芯片的选择

本系统采用Ti公司的串行A/D芯片TLC2543，A/D转换电路作为TLC2543与单片机的接口电路，它是一种利用12位开关电容逐次逼近模拟信号的模数转换器，片内有14位通道。具有12位分辨率A/D转换口，在标定转换温度范围内转换时间为10us，输出数据长度可编程，TLC2543自带采样、保持电路。所以输出引脚可以直接与单片机的并行I/0口连接。

2.5D/A芯片的选择

本系统采用带有缓冲基准输入的10位电压输出数据的模拟转换器TLC5615，D/A转换电路作为TLC5615与单片机的接口电路，它具有基准电压两倍的输出电压范围。通过3线串行总线和工业标准的微处理器和微控制器接口，接收16位数据字以产生模拟输出。

2.6报警电路简介

本设计的报警电路由一个自我震荡刑的蜂鸣器，只要在蜂鸣器两端加上超过3v的电压，蜂鸣器就会叫个不停和一个发光二极管组成。设计中蜂鸣器是通过ULN 2003达林顿管芯片电流放大IC 来控制。在要求的温度、湿度达到一定的上界或者下界时，报警电路开始工作。

2.7温度、湿度显示电路

本设计中用4个LED组成显示单元，采用静态显示方式。如图2所示，

图2 温、湿度显示模块图

AT89C51通过2-4译码器对4只MC14495芯片进行控制。MC14495的输出端与LED数码管的7段a,b,c,d,e,f,g相连。MC14495芯片的作用是输入被显示字符的二进制码(或BCD码)，井把他自动转换成相应的字形码，送给LED显示。

图2中，4个输出端口用于输出显示字符的二进制码(或BCD码)。1个输出端口用于控制2-4

译码器工作，还有2个输出口经译码器输出后控制哪一片MC14495显示输出，从而直观的看出温度、湿度经过闭环调节之后的效果值。如我们假定温度上限、下限为50，0，湿度为70，30。我们可根据现场检测直观的显示温、湿度值，超出系统将做报警处理。程序简单思路如下[5]：

#include

Void main( ){ int a,b,c,d,e,f,g,g;//设置检测点a,b用来检测温度上下限，c,d检测湿度上下限，e,f,g,h 对应显示温度与湿度的测量值。

If(a>0&&a<5&&c>3&&c<7)//如果温度、湿度都在我们设定的范围内，正常显示。

a=e;b=f;c=g;d=h;//把检测对应连接显示接口，显示温度、湿度值。

else

报警}

3系统软件设计

3.1数据采集

温度数据的采集经过DS18B20独特的功能，直接将采集的数据自动转化为数字量传入单片机，湿度数据是由传感器测得现场湿度信号经变送器转换成0~5V的直流信号，送到A/D模数转换器转换成数字量后，再送入单片机进行数据处理，处理后的数据进入PID算法比较做出控制量的选择。

3.2数字滤波

当采样过程完成后，要对采样所得的数据进行数字滤波。数字滤波程序用于滤去来自控制现场对采样值的干扰，数字滤波的算法很多，这里采用中值滤波。中值滤波原理很简单，就是对采样过程中的n个(一般是3个)采样值进行比较，取中间值放入指定的存储单元。

3.3单片机抗干扰电路的设计

在抗干扰方面的许多技术，如设计软件陷阱、加硬件看门狗电路等。若失控的程序进入“死循环”，通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过最大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理。“看门狗”技术大大提高了系统可靠性，本系统“看门狗”让系统运行更加稳定可靠。

3.4系统的PID控制算法[6]

控制算法是控制系统的核心部分，是控制系统能否稳定和调节品质是否优良的关键。本系统是一个闭环控制的单片机直接控制系统(DDC)，它的工作原理是按照一定的采样周期T去对被控量（温度、湿度）进行采样，并经过控制算法算出控制量，以此控制量作为输出控制执行器，实现对被控对象的控制，采用单片机作为控制器核心所构成的自动控制系统，软件算法流程图如图3。闭环温度、湿度控制程序，由求偏差E和偏差变化率Ec,数据量化算法、增量PID控制算法等程序模块组成。单片机首先读取数字化的实际转速，并与设定的转速相比较，得出差值，单片机再根据差值，调用PID程序，计算并输出模拟电压控制变频调速器，调节被控对象电机转速的大小，同时，寻找最优条件，改变PID参数。

PID的计算公式为：

U（K）=U（K-1）+K P[E（K）-E（K-1）]+K I×E（K）+K D[E（K）-2 E（K-1）+ E（K-2）]

= U（K-1）+P P+P I+P D （2）

K I=T/T K （3）

K D=T d/T（4）

式中：K P为比例系数；T为采样周期；T K为积分时间；T d为微分时间。

根据公式进行编程，相应的程序流程如图4

图3 软件算法流程图

图4 PID算法子程序流程图4 结束语

该闭环控制系统实现了AT89C51单片机为核心，通过PID算法达到对温度、湿度的检测及其控制，运行可靠，操作简单，精度高，响应速度快，可以满足温、湿度的控制。同时，通过LED 数码管直观的显示通过控制系统后的温、湿度值，当出现异常现象时，通过报警装置发出警告，及时得到处理，从而满足现场需要，具有广泛的应用前景。

本文创新点：采用单片机AT89C51性价比高，温度DS18B20转化温度简洁，整个闭环控制系统通过PID设置的参数，根据单片机自动修正启动温、湿度控制装置，调整满足现场需要，同时可通过数码显示，清楚的观测到温、湿度值，超过限定值进行报警处理。此套装置实施方便、可靠。

参考文献：

[1]刘攀,俞杰.基于单片机的温度测控系统[J]. 兰州交通大学学报,2005,6-12: 103-106.

[2]夏晓南.基于单片机的温箱温度和湿度的控制[J].现代电子技术,2005,215-24: 117-118.

[3]赵娜,赵刚.基于51单片机的温度测量系统[J].微计算机信息,2007,23-1:146-148.

[4]冯建华,赵亮.单片机应用系统设计与产品开发[M].北京：人民邮电出版社2004

[5]谭浩强.C语言程序设计[M].北京：清华大学出版社1999

[6]王德玉等.智能井控系统的控制研究[J].西南石油大学学报，2006,28-4:97-100.

引言

随着电力系统规模越来越大、电压等级越来越高，供电可靠性也要求更加严格。供配电设备环境的温度、湿度是影响设备运行的重要因素。温度过高会加速仪器设备元器件老化，缩短其使用寿命，甚至直接导致设备损坏；低温、潮湿，设备表面产生凝露则有可能发生爬电、闪络等事故。

基于以上考虑，在中高压开关柜、箱变、端子箱等供配电设备中进行温度、湿度控制是十分必要的。本文将介绍一种WHD型智能温湿度控制器的设计方法，最多实现三路温度、

湿度的测量与控制；结合RS485总线技术及上位机软件，可实现数据及状态信息远传，满足低压配电智能化及网络化发展的需求。

1硬件电路设计

1.1 硬件设计的总体思路

硬件系统以单片机为核心，按功能可划分为：电源供电、温湿度测量、控制输出、人机对话以及通讯五个部分，如图1所示。

电源供电电路将AC220V或其他类型辅助电源转化为系统工作所需的直流电源。单片机将传感器测得的温湿度值进行比较、处理，确定输出控制部分继电器的工作状态，并显示和发送温湿度数值及输出控制部分的工作状态信息。人机对话部分具有按键信息录入功能，用户可根据实际情况，通过按键编程设置系统的工作参数。

1.2 硬件的具体电路及原理

核心器件单片机选用STC公司的STC89C58RD+型单片机，它是一款兼容51内核的增强型8位机，片上资源丰富，抗干扰能力突出。STC89C58RD+（D版本）支持6时钟/机器周期，内含32K字节用户程序空间，片上集成1280字节RAM，16K字节EEPROM 空间；支持ISP/IAP功能，无须专用编程器；片上还集成了看门狗电路及MAX810专用复位电路。

温湿度的测量选用SENSIRION公司开发的数字式温湿度一体传感器芯片SHT11。该传感器可同时测温度、湿度，并提供全程标定的数据输出，所以使用该传感器既可以降低硬件成本，又方便了整机测试。其技术参数如下表所示：

温度参数：

湿度参数：

该传感器与CPU之间的通讯采用二线制方式，即DATA（数据）线和CLK（同步时钟脉冲）线。测量三路温度、湿度时，CPU与传感器的连接电路如图2所示。CPU通用I/O 口中的P1.0和P1.1，P1.2和P1.3，P1.4和P1.5分别与三路温湿度传感器SHT11连接，其中P1.0、P1.2、P1.4分别作为各路通讯的DATA（数据）线，P1.1、P1.3、P1.5分别作为各路通讯的CLK（同步时钟）线，DATA线需外加10KΩ的上拉电阻将信号提高至高电平（详情请参考SHT11数据手册）。实际使用时，传感器与控制器之间（即图中虚线部分）以屏蔽线连接，经验证，CPU与传感器之间的最大通讯距离为10米。如果使用74HC245或其他芯片提高I/O口的驱动能力，可增加通讯距离，但会降低系统的抗干扰性能，因此不予采纳。

系统采用LED数码管显示温度、湿度值，界面简洁明了。三路传感器测得的温度、湿度值以循环方式依次显示，显示部分共有7位数码管，其中4位用于显示温度值（显示范围：-40.0～100.0），并在编程状态下显示菜单及参数，2位用于显示湿度值（显示范围：0～99），1位用于显示当前显示或操作对应的传感器的编号（1～3）。数码管显示采用动态扫描方式，其驱动电路由集成电路74HC595及74HC164构成。74HC595是一款带有输出门锁功能的8位串行输入、并行输出（或串行输出）的移位寄存器，用于数码管的段驱

动；74HC164的串行输入、并行输出功能用于扫描显示每一位数码管，如图3所示。

系统采用继电器或可控硅作为控制输出，电源部分采用开关电源方案，通讯部分采用RS485接口，具体电路设计请参考相关书籍，此处不予赘述。

2软件设计方法

系统软件设计包括以下四个部分：主程序、测量控制模块、显示模块及通讯模块。

主程序完成上电或复位初始化，复位看门狗，查询按键信息等功能，程序设计流程如图4所示。

程序初始化包括配置CPU的SFR，设置I/O口初始状态，从EEPROM读取工作参数，设置看门狗定时器的复位时间等。需要注意的是，一般只在主程序中喂狗，看门狗的复位时间时要设置的比测量程序中可能出现的最长等待时间还要长。以下给出主程序的部分C语言源代码。

void Main ()

{

WDT_CONTR = 0x00;//关闭看门狗

InitialEeprom();//读EEPROM

InitialIO();//初始化I/O状态

InitialSFR();//设置SFR

InitialSHT11();//初始化传感器

InitialComm ();//初始化通讯口

WDT_CONTR = 0x35;//喂狗1.25秒

while(1)

{

WDT_CONTR = 0x35;

KeyScan();//按键查询

KeyProcess();//按键信息处理

}

}

通讯收发处理、显示和温湿度测量控制均以中断方式实现，优先级顺序为：串口通讯中断（最高）→显示中断→测量控制中断（最低）。

系统通讯采用标准MODBUS-RTU规约，便于上位机管理软件设计，与其他网络仪表组网使用，实现对供配电系统的完整监测。

3产品应用

在电力供配电环境中进行温湿度控制，一般采取如图5所示的方案。

通过温湿度传感器采集开关柜或箱式变电站中的温度、湿度信息，经控制器处理后输出继电器触点信号（断开或导通），再将触点信号连接到温湿度调节设备（一般使用加热器或风扇）的电源回路中，用于控制其工作或停止，以实现对温湿度的智能化控制。

WHD型智能温湿度控制器通用技术指标如下：

此类温湿度控制器可控制一路、二路或三路温湿度，每一路温湿度传感器对应一组（二个）继电器输出触点，其中一个触点用于控制加热器，实现升温或除湿控制，另一触点用于控制风扇，实现排风控制。当传感器或加热器发生故障时，控制器会发出报警信号。

控制器中还可设置温湿度控制的回滞量，即调节设备的启动条件与停止条件之差。如图6所示，以加热升温为例，当环境温度降低到预先设置“加热启动温度”以下时，控制器输出触点导通信号，加热器工作，环境温度逐渐上升；当环境温度上升至“加热停止温度”以上时，控制器输出触点断开信号，加热器停止加热。根据经验，回滞量一般设置在4～10（℃或RH％）范围内较合适。

铝合金加热器是电力供配电系统中最常用的温湿度调节设备，下面是由经验总结的环境空间大小与加热器功率选择的关系，供读者参考。

WHD型智能温湿度控制器可将测量的温湿度值及控制系统中的各种状态信息通过

RS485通讯接口向上位机远传，由上位机管理软件实现遥测、遥控，满足了智能化、网络化发展的要求。

4 结束语

本文介绍了一种智能温湿度控制器的设计方法及应用，可实现最大三路温湿度的采集、控制，并具有编程参数设置和RS485（MODBUS-RTU）通讯功能。经实践验证，参照此方法设计的WHD系列产品在实际应用中易于用户使用，控温及控湿效果显著。同时，该产品的抗电磁干扰性能突出，例如，5kHz和100kHz频段抗脉冲群干扰可达到三级，适合在电磁环境相对恶劣的电气设备中使用。

文章来源于：《电工技术》2006年第10期。

参考文献

[1] 数字温湿度传感器SHT1X/SHT7X应用指南，瑞士SENSIRION公司，2005

[2] STC89C51RC/RD+系列单片机使用指南，宏晶科技，2006

[3] 戴佳，戴卫恒51单片机C语言应用程序设计，2006

基于AT89S52的温湿度检测系统的设计

AT89S52模拟ADC0809传感器温度传感器

引言

温度、湿度是工农业生产的主要环境参数．对其进行适时准确的测量具有重要意义。利用单片机对温、湿度控制。具有控温、湿精度高、功能强、体积小、价格低，简单灵活等优点，很好的满足了工艺要求。本文介绍了利用AT89S52单片机进行温度和湿度的检测及其控制的智能化方法。

l系统基本方案

本系统采用AT89S52单片机作为控制核心．对采集到的湿度模拟电压信号通过ADC08 09进行分析处理．实现A／D转换．以便数码管显示其湿度值。本设计可以手动设置温度／湿度的上、下限值，如只要有一样与设定的值不符合时，即温度／湿度过高或过低，则该系统会发出语音报警，同时继电器立即切断电源．实现系统的保护。

2硬件系统的组成

(1)主控模块：采用AT89S52单片机作为系统的控制器。Pl口控制数码管显示温度和湿度值。P2口与ADC0809连接．实现湿度模拟电压量转换为数字量便于单片机处理。键盘控制采用PO口．其中PO．O是温度的设置，PO．1是湿度的设置，PO．2／PO．3是分别对温度与湿度的上／下限值进行设置。P0．4是DS18820温度传感器的接线口．PO．6是ISD1420语音芯片的接线口。原理如图l：

(2)显示模块：系统采用动态显示方式驱动6个数码管工作，其中4个数码管用来显示温度值，2个用来显示检测到的湿度值。用74LSl38的输入端来选择位码．单片机的P1口控制数码管的断码。如检测到的温度与湿度发生变化时，数码管即会发生相应的变化，起到实时显示功能，电路如图2。

（省去）(3)语音播报模块：采用语音芯片ISD1420，该芯片能够高质量地完成声音录制与还原，最大录音时间为20秒，具备分段录音功能．其工作电压在4．5V～5．5V范围，使用直接电平／边缘存储技术，省去了A／D、D／A转换。其内部集成了大容量的EEPRO

M，不再需要扩展存储器，便于与单片机连接。语音播报模块电路如图3。

该电路的S3键为录音键，Sl、S2键为播放键，A0-A7为地址选择端，将ISDl420的A 0一A7直接与单片机的P1口相连，就可以实现录音地址选择功能，再将播放键接于PO．6口以实现单片机控制的实时播放功能。电源VCCA、VCCD其内部的模拟和数字电路使用不同的电源总线，但由于该芯片的干扰较小，因此两者可短接在一起。

(4)A／D转换模块：采用ADC0809转换芯片，用于实现模拟量向数字量的转换，由于模拟转换电路的种类很多，选择A／D转换器从速度，精度和价格方面考虑．其内部是8路模拟选通开关。以及相应的通道抵制锁存译码电路，转换时间是128μS左右，单电源供电。

(5)温度和湿度采集模块：温度传感器采用DALLAS半导体公司生产的智能温度传感器D Sl8B20，采集的数据可直接送入微处理器而无需A／D转换．能直接读出被测温度。它仅需要l条接口线即可实现与微处理器的双向通信；只需要外接1个4．7k的上拉电阻。无需其它外部器件。本系统对Dsl8B20采用数据线供电，温度测量范围为-50℃～125℃。通过编程可实现9～12位的数字值读数方式，测量精度为士0．5，用户可自行设定非易失性报警上下限。由于采用单总线方式，可在该控制总线上挂接多个DSl8B20进行不同部位的温度检测。湿度传感器采用HSM一20G，其原理是每变化0．03V湿度所增加的值为l％，其输出的电压值需经过ADC0809转换为数字量，以便单片机处理从而让数码管显示湿度值。其工作电压范围为直流电压5．0±0．2V，测试精度为土5％RH．工作电流(最大值)为2mA，

储存环境湿度范围为0至99％RH，工作环境湿度范围为lO至90％(瞬间可达100％RH)，