毕业设计(论文)-恒温恒湿控制系统的设计与实现-

Hebei Normal University of Science & Technology

本科毕业设计

（自然科学）

题目：恒温恒湿控制系统的设计与实现（偏硬）院（系、部）：河北科技师范学院机电科学与工程系

学生姓名：李浩儒

指导教师：刘士光职称教授

2012年 5 月 29 日

河北科技师范学院教务处制

资料目录

1. 学术声明………………………………………………………………～页

2. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）…………………………～页

3. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）任务书………………～页

4. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）开题报告……………～页

5. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）中期检查表…………～页

6. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）答辩记录表…………～页

7. 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）成绩评定汇总表……～页

8 河北科技师范学院本科毕业论文（设计）工作总结……………～页

9 其他反映研究成果的资料（如公开发表的论文复印件、效益

证明等）……………………………………………………………～页

河北科技师范学院

本科毕业设计

恒温恒湿箱控制系统的设计与实现（偏硬）

院（系、部）名称：河北科技师范学院

专业名称：电气工程及其自动化

学生姓名：李浩儒

学生学号：9310080411

指导教师：刘士光

2012年 5 月 19 日

河北科技师范学院教务处制

学术声明

本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于河北科技师范学院。

本人签名：日期：

指导教师签名：日期：

摘要

本文利用AT89C52单片机设计一个温室的温湿度控制系统，对给定的温湿度进行控制并实时显示，其中温湿度信号各有四路，系统采用一定的算法对信号处理以确定采取某种控制手段。系统硬件主要由电源电路、温度采集电路、湿度采集电路、键盘、显示电路、输出控制电路及其他辅助电路组成。使用温度传感变送器获得温度的感应电压，经处理后送给单片机。单片机将给定的温度与测量温度的相比较，得出偏差量，然后根据模糊控制算法得出控制量。执行器由开关频率较高的固态继电器开关担任，采用PWM 控制方法，改变同一个周期中电子开关的闭合时间。从而调节高温电磁阀开关的导通时间，达到蒸汽控制目的。通过键盘输入控制信息，并能将控制箱内的实时信息通过LED 显示出来，实现人机对话。

关键词：单片机；信号采集；温湿度控制；LED显示；

Abstract

This text uses the type AT89C52 one-chip computer to control the temperature and humidity, real-time control temperature and constant temperature permanent wet case control system of the humidity. " the constant temperature, permanent wet control cabinet" are gathered the temperature , humidity which test the case by No. two sensor , give to 8051 microprocessor dealing with by, lowering the temperature , humidification , dehumidifying , alarm ,etc. continue the electric device respectively. According to need , is it control information is and can real-time information of control cabinet through LED show come out to input through keyboard, realize man-machine dialogue.

Keywords:one-chip computer；signal gathering；temperature and humidity control；LED monitor

目录

摘要..................................................................... I Abstract.................................................................. I 1 绪论.. (1)

1.1 论文研究背景与意义 (1)

1.2 主要研究内容 (1)

2 系统总体设计 (2)

2.1方案设计 (2)

2.2控制系统测控设定 (2)

2.3控制系统组成 (2)

3.硬件设计 (3)

3.1单片机的选择 (3)

3.2 AT89C52系列单片机介绍 (4)

3.2.1 AT89C52基本特征 (4)

3.2.2 AT89C52单片机内部组成结构 (5)

3.2.3 AT89C52的引脚功能 (5)

3.2.4 AT89C52的储存器 (8)

3.3传感器的选型及其性能特征 (12)

3.3.1温度传感器DS18B20 (12)

3.3.2 湿度传感器HIH3610 (13)

3.4单片机外围电路设计 (15)

3.4.1 单片机最小电路 (15)

3.4.2温度传感器电路 (17)

3.4.3湿度传感器电路 (17)

3.4.4 A/D转换电路 ................................................................. 错误！未定义书签。

3.4.4 LED显示电路 ................................................................ 错误！未定义书签。

3.4.5 执行机构电路................................................................ 错误！未定义书签。

3.4.5键盘输入与报警............................................................. 错误！未定义书签。

4 软件设计............................................... 错误！未定义书签。结论 (28)

参考文献 (28)

致谢 (29)

1 绪论

1.1 论文研究背景与意义

恒温恒湿箱也称恒温恒湿试验机、恒温恒湿实验箱、恒温机，可用于检测材料在各种环境下性能的设备及试验各种材料耐热、耐寒、耐干、耐湿性能。适合电子、电器、通讯、仪表、车辆、塑胶制品、金属、食品、化学、建材、医疗、航天等制品检测质量之用。随着我国工业产品研制的需要，近几年来，我国从国外引进了大批试验系统，为我国工业产品的研制和定型发挥了重要作用，但由于其本身的复杂性，使得试验箱在运行中出现了许多问题，而且出现了问题不能及时解决，大大延长了试验周期，影响了产品的研制工作。随着现代农业的发展，恒温恒湿箱的应用越来越广泛（比如菌种的培养、幼苗的培育以及设施仪器仪表的校准等），并要求其性价比更高，使用寿命更长，使用费用更少（省电），响应速度更快。而采用单片机来对温度和湿度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。基于此，本课题围绕恒温恒湿箱系统的设计与实现进行研究。

1.2 主要研究内容

恒温恒湿的控制系统主要有以下几个方面：加热系统、制冷系统、除湿系统、加湿系统、电气控制系统。具体的要根据恒温恒湿的温度范围、湿度范围去设计.以单片机为控制器，结合温度传感变送器、LED显示器等，组成一个恒温恒湿控制系统。使用温度传感变送器获得温度的感应电压，经处理后送给单片机。单片机将给定的温度与测量温度的相比较，得出偏差量，然后根据模糊控制算法得出控制量。执行器由开关频率较高的固态继电器开关担任，采用PWM控制方法，改变同一个周期中电子开关的闭合时间。从而调节高温电磁阀开关的导通时间，达到蒸汽控制目的。

2 系统总体设计

2.1方案设计

恒温恒湿控制系统，主要要完成对温度、湿度的采集、显示以及设定等工作，从而实现对温湿度的控制，以达到恒温恒湿的目的。传统采用铂电阻充当测温器件的方案，虽然其中段测量线性度好，精度较高，但是测量电路的设计难度高，且测量电路系统庞大，难于调试，而且成本相对较高。鉴于上述原因，本系统采用DS18B20充当测温器件。外部温度信号经 DS18B20将输入的模拟信号转换成8位的数字信号，通过并口传送到单片机系统。单片机系统将接收的数字信号译码处理，通过LED将温度显示出来，同时单片机系统还将完成键盘扫描、按键温度设定、超温报警等程序的处理，将处理的温度信号与系统设定温度值比较，形成可以控制制冷、制热与停止工作三种工作状态，从而实现温度的智能化。湿度传感器选用HIH3610型传感器，将湿度信号由传感器进行采集，经单片机将其与设定湿度进行比较，进而控制加湿、干燥，达到恒湿控制。

2.2控制系统测控设定

1. 能够实时采集与显示环境温度、湿度等参数。

2. 能够根据要求变化通过键盘输入改变对参数的设置，以满足不同的要求达到最佳效果；

3. 声音报警功能；

4. 根据检测到的信号，实时控制执行机构的开启与关断。

2.3控制系统组成

本设计是以AT89C52单片机为核心的自动控制系统，硬件系统由键盘输入电路、LED 显示电路、传感器、A/D转换、隔离开关和执行电路、报警电路等组成。

硬件系统原理框图如图2.1所示：

图2.1 测控系统硬件组成原理框图

传感器一般输出的为模拟量，需要通过A/D转换，转换为单片机能够接收的数字信号，若模拟信号太弱，还需经过运算放大器放大信号。键盘输入的是系统参数的上、下限极限值，若检测到的信号值出现不在此极限区间的情况，单片机就会驱动蜂鸣器产生报警，此时就需要执行机构控制室内环境相应的改变，使得环境参数重新回到设定的理想区间。

3.硬件设计

硬件元器件的选择，必须考虑到功能的实现、器件的适时性、价格和通用性等几个方面。在电路的设计中，在实现所要求功能的基础上，尽量使电路简单。

3.1单片机的选择

计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积庞大。单片机（微控制器）就是在这种情况下诞生的。微控制器，亦称单片机或者单片微型计算机。它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(1/0) 等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的，在智能控制系统中，微控制器得到了广泛的应用。

单片机目前己被广泛地应用于家电、医疗、仪器仪表、工业自动化、航空航天等领域。市场上比较流行的单片机种类主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8051系列单片机，Motorola公司的M6800系列单片机，Intel公司的MCS96系列单片机,Microchip公司的PIC系列单片机等。各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、I/O能力、功耗、功能、价格等方面各有优劣。这些种类繁多的单片机家族，给我们单片机的选择也提供了很大的余地。本设计选用AT89C52单片机，它是一种低功耗、低价格，高性能8位微处理器。

3.2 AT89C52系列单片机介绍

AT89C52 是美国ATMEL 公司生产的低电压，高性能CMOS 8 位单片机，片内含8k bytes 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器和256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51 指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器（CPU）和Flash 存储单元，功能强大的AT89C52 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。

3.2.1 AT89C52基本特征

AT89C52系列单片机主要性能参数如下：

2与MCS-51产品指令和引脚完全兼容

28k字节可重擦写Flash闪速存储器

21000次擦写周期

2全静态操作：0Hz-24MHz

2三级加密程序存储器

2256字节内部RAM

232个可编程I/O口线

23个16位定时/计数器

28个中断源

2可编程串行UART通道

2低功耗空闲和掉电模式。

AT89C52 提供以下标准功能：

8k字节Flash 闪速存储器，256字节内部RAM，32 个I/O 口线，3 个16 位定时/计数器，一个6 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52 可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU 的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

3.2.2 AT89C52单片机内部组成结构

AT89C52单片机的内部结构如图3.1所示：

图3.1 AT89C52 内部结构

3.2.3 AT89C52的引脚功能

引脚功能说明如图3.2：

2Vcc：电源电压

2GND：地

2P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash 编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

图3.2 AT89C52单片机封装图

2P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表3.1。

Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8位地址。

2P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部

)。

信号拉低时会输出一个电流(I

IL

在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR 指令）时，P2口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX @RI 指令）时，P2口输出P2 锁存器的内容。

Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

2P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL 逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并

）。

可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I

IL P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.2所示：

表3.2 引脚P3口的第二功能Array

此外，P3 口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

2RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

2ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。

2PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

2EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash

存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V

编程电压Vpp。

2XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

2XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。

3.2.4 AT89C52的储存器

2中断寄存器：

AT89C52有6个中断源，2个中断优先级，IE寄存器控制各中断位，IP寄存器中6个中断源的每一个可定为2个优先级。

2数据存储器：

AT89C52有256个字节的内部RAM，80H-FFH高128个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高128字节的RAM和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。当一条指令访问7FH 以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高128 字节RAM还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。

例如，下面的直接寻址指令访问特殊功能寄存器0A0H（即P2 口）地址单元。

MOV 0A0H，#data

间接寻址指令访问高128 字节RAM，例如，下面的间接寻址指令中，R0 的内容为0A0H，则访问数据字节地址为0A0H，而不是P2口（0A0H）。

MOV @R0，#data

堆栈操作也是间接寻址方式，所以，高128 位数据RAM 亦可作为堆栈区使用。

2定时器0和定时器1：

AT89C52的定时器0和定时器1的工作方式与AT89C51的相同。

2定时器2：

定时器2 是一个16 位定时/计数器。它既可当定时器使用，也可作为外部事件计数器使用，其工作方式由特殊功能寄存器T2CON的C/T2 位选择。定时器2 有三种工作方式：捕获方式，自动重装载（向上或向下计数）方式和波特率发生器方式，工作方式由T2CON 的控制位来选择。

2波特率发生器：

当T2CON中的TCLK 和RCLK 置位时，定时/计数器2 作为波特率发生器使用。如果定时/计数器2 作为发送器或接收器，其发送和接收的波特率可以是不同的，定时器1 用于其它功能。若RCLK 和TCLK 置位，则定时器2工作于波特率发生器方式。

波特率发生器的方式与自动重装载方式相仿，在此方式下，TH2 翻转使定时器2 的寄存器用RCAP2H 和RCAP2L 中的16位数值重新装载，该数值由软件设置。

2中断：

AT89C52 共有6 个中断向量：两个外中断（INT0 和INT1），3 个定时器中断（定

时器0、1、2）和串行口中断。这些中断源可通过分别设置专用寄存器IE 的置位或清0 来控制每一个中断的允许或禁止。IE 也有一个总禁止位EA，它能控制所有中断的允许或禁止。定时器2 的中断是由T2CON 中的TF2 和EXF2 逻辑或产生的，当转向中断服务程序时，这些标志位不能被硬件清除，事实上，服务程序需确定是TF2 或EXF2 产生中断，而由软件清除中断标志位。定时器0 和定时器1 的标志位TF0 和TF1 在定时器溢出那个机器周期的S5P2 状态置位，而会在下一个机器周期才查询到该中断标志。然而，定时器2 的标志位TF2 在定时器溢出的那个机器周期的S2P2 状态置位，并在同一个机器周期内查询到该标志。

2AT89C52的直流参数有一定的温度适用范围，见表3.3：

表3.3 T=-40℃～+85℃和 Vcc=5.0V±20%下的直流参数

2Flash存储器的编程：AT89C52单片机内部有8k字节的Flash PEROM，这个Flash存储阵列出厂时已处于擦除状态（即所有存储单元的内容均为FFH），用户随时可对其进行编程。编程接口可接收高电压（+12V）或低电压（Vcc）的允许编程信号。低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用EPROM编程器兼容。AT89C52单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压编程方式，用户可从芯片上的型号和读取芯片内的签名字节获得该信息，见表3.4。

表3.4 顶面标记及签名字节

AT89C52的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的PEROM程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除

图3.3 AT89C52编程电路

2程程序序校验：如果加密位LB1、LB2没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读回原编写的数据，采用如图3.3的电路。加密位不可直接校验，加密位的校验可通过对存储器的校验和写入状态来验证。

2编程方法：

1．在地址线上加上要编程单元的地址信号。

2．在数据线上加上要写入的数据字节。

3．激活相应的控制信号。

4．在高电压编程方式时，将EA/Vpp端加上+12V编程电压。

5．每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG 编程脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。重复1—5步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。

2Ready/Busy：字节编程的进度可通过“RDY/BSY输出信号监测，编程期间，ALE 变为高电平“H”后，P3.4（RDY/BSY）端电平被拉低，表示正在编程状态（忙状态）。编程完成后，P3.4变为高电平表示准备就绪状态。

2芯片擦除：利用控制信号的正确组合并保持ALE/PROG引脚10mS的低电平脉冲宽度即可将PEROM阵列（4k字节）和三个加密位整片擦除，代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写入“1”，这步骤需再编程之前进行。

3.3传感器的选型及其性能特征

用于测温的传感器种类繁多，但大多是模拟传感器，在以往组建温度采集系统时，由于经传感器输出的是模拟信号，系统必须接入A/D转换器，由此增加了构件系统的复杂性且成本较高。

温度的检测方法，一般采用热电偶、热敏电阻以及集成温度传感器等测温元件。热电偶的工作原理: 两种不同成份的导体两端经焊接，形成回路，直接测温端叫工作端，接线端叫冷端，也称参比端。当工作端和参比端之间存在温差时，就会在回路中产生热电动势，接上显示仪表，仪表上就会指示出热电偶所产生的热电动势的对应温度值。热敏电阻的工作原理:热敏电阻的阻值随温度的升高而成非线性急剧变化，一般具有负的温度系数，其阻值随温度升高而急剧减小，只有少数具有正的温度系数。

3.3.1 温度传感器 DS18B20

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

技术性能：

①独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

②测温范围－55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。

③支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

④工作电源: 3~5V/DC

⑤在使用中不需要任何外围元件

⑥测量结果以9~12位数字量方式串行传送

⑦不锈钢保护管直径Φ6

⑧适用于DN15~25, DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温

⑨标准安装螺纹M10X1, M12X1.5, G1/2”任选

⑩PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。

DS18B20的外形及管脚排列如图3.4：

图3.4DS18B20外形及管脚排列

DS18B20引脚定义：

(1)DQ为数字信号输入/输出端；

(2)GND为电源地；

(3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

3.3.2 湿度传感器 HIH3610

本系统的湿度传感器选用Honeywell公司的集成湿度传感器HIH3610，该传感器内部集成了信号处理功能电路，可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容值转换成线性电压输出的任务．输出电压为：