基于单片机的大棚温湿度控制系统设计

收稿日期：２０１１－１１－１７；修回日期：２０１２－０５－０８基金项目：河南省教育厅自然科学研究计划项目（Ｎｏ．２００８Ｂ５１００２７，Ｎｏ．２０１１Ｂ５１００２１）；周口师范学院教学改革研究项目（Ｎｏ．Ｊ２０１００１６，Ｎｏ．Ｊ２０１００７２）作者简介：郭荣艳（１９７７－），女，河南淮阳人，讲师，硕士，主要研究方向为信号与信息处理．第２９卷第５期周口师范学院学报２０１２年９月Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．５Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｚｈｏｕｋｏｕ　Ｎｏｒｍａｌ　ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＳｅｐｔ．２０１２基于单片机的大棚温湿度控制系统设计郭荣艳，胡　翔（周口师范学院物理与电子工程系，河南周口４６６００１）摘　要：针对目前温湿度控制现状，设计了一种大棚温湿度控制系统，给出了系统的硬件电路、软件设计思路．该系统以单片机ＡＴ８９Ｃ５２为控制中心，采用ＳＨＴ７１为温湿度检测元件，实时监控温湿度的变化．单片机与智能传感器相连，采集并处理传感器的测量数据；通过ＬＣＤ１２８６４实时显示温湿度的数值；当温度超出允许范围时，电机开始启动来调节温度，从而实现对整个温湿度控制系统的管理．这种温湿度控制系统具有传感精度高、易于管理等优点．关键词：ＡＴ８９Ｃ５２；ＳＨＴ７１；ＬＣＤ１２８６４；温湿度控制系统中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－９４７６（２０１２）０５－００４４－０５ 温湿度是和人们生活环境有着密切关系的物理量，也是生产、生活、科研中需要测量和控制的重要物理量．温湿度的变化会给人们的生活、工作、生产等带来重大影响，因此对温湿度的测量和控制至关重要．在现代化的蔬菜大棚管理中通常需要温湿度自动控制系统，以控制蔬菜大棚的温度及湿度，来满足生产需要．温湿度控制系统以先进的技术和设施，人为地控制作物生长的环境条件，使作物的生长不受自然气候的影响．１　温湿度控制系统方案论证１．１　方案的选择与评定温湿度控制系统由单片机处理模块、温湿度采集模块、键盘设置模块、显示模块、及控制执行模块等组成．方案一：由于涉及温湿度两个物理量的测控，可采用一个温度传感器和一个湿度传感器分别对温湿度进行测量．在元器件的选择上，可选取ＤＳ１８Ｂ２０数字式温度传感器和ＨＳ１１０１湿敏电容作为信号的采集传感器．由湿度传感器ＨＳ１１０１采集湿度数据，然后经ＡＤＣ０８０９对所采集的湿度进行模数转换，并将转换后的数据和ＤＳ１８Ｂ２０所采集的温度数据在单片机里进行存储和处理，然后送显示模块进行显示［１］．方案二：采用瑞士Ｓｅｎｓｉｒｉｏｎ公司推出的新型数字式温湿度传感器ＳＨＴ７１作为温湿度检测元件．数字式温湿度传感器ＳＨＴ７１除了集成温度、湿度敏感元件，还包括一个放大器、Ａ／Ｄ转换器和数字接口，可以同时采集温度、湿度数据．单片机对ＳＨＴ７１检测数据进行存储和处理，然后送液晶显示模块进行显示，并发出信号对温度控制电路进行控制．综上分析，由于方案一使用的是模拟式湿度传感器，在和单片机进行连接时需要经过Ａ／Ｄ转换，这就造成硬件电路设计和软件电路设计都较方案二繁琐，而且方案一测量的精度不能完全达到温湿度控制系统的要求．因此采用方案二，整个系统由单片机、温湿度传感器ＳＨＴ７１、液晶显示和温度控制电路组成．１．２　系统的基本工作原理温湿度控制系统工作原理如下：ＳＨＴ７１测量外界温湿度，测量数据送入单片机，由单片机对数据进行处理，送ＬＣＤ液晶屏显示，并分析判断是否超出设定界限．如果超出设定界限，由单片机输出数字控制量控制电机的工作，从而实现了对温湿度的控制．１．３　器件的选取系统的单片机采用美国ＡＴＭＥＬ公司生产的高性能ＣＭＯＳ　８位单片机ＡＴ８９Ｃ５２．单片机内含８ＫＢｙｔｅｓ只读存储器（ＲＯＭ）和２５６Ｂｙｔｅｓ的随机存取数据存储器（ＲＡＭ）．器件采用ＡＴＭＥＬ公司的高密度兼容标准ＭＣＳ－５２指令系统，内置通用８位中央处理器（ＣＰＵ）和Ｆｌａｓｈ存储单元，功能强大，性价比高，可灵活应用于各种控制领域［２］．温湿度传感器选用高度集成的温湿度传感器芯片ＳＨＴ７１，包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件．这两个敏感元件与一个１４位的Ａ／Ｄ转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片上面．温湿度传感器ＳＨＴ７１品质卓越、响应超快、抗干扰能力强．湿度敏感元件在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参考．标准系数以程序形式储存在ＯＴＰ内存中，在标定的过程中使用．两线制的串行接口与内部的电压调整，使得外围系统集成变得快速而简单．液晶显示电路选用图形液晶显示器ＬＣＤ１２８６４，它主要有行驱动器、列驱动器及１２８×６４全点阵液晶组成，可以完成图形显示，也可显示８×４个（１６×１６点阵）汉字．利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可以构成全中文人机交互图形界面．２　硬件电路设计２．１　ＡＴ８９Ｃ５２时钟振荡电路及复位电路设计时钟振荡电路及复位电路如图１所示．时钟振荡电路采用内部时钟电路，单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚ＸＴＡＬ１和ＸＴＡＬ２分别是此放大器的输入和输出端．单片机的这个放大器与作为反馈元件的片外晶振一起构成稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部的时钟电路．复位电路采用上电复位．上电复位是利用电容充放电来实现的，只要ＶＣＣ的上升时间不超过１ｍｓ，振荡器建立时间不超过１０ｍｓ，这个时间常数足以保证完成复位操作．２．２　ＳＨＴ７１与ＡＴ８９Ｃ５２接口电路设计ＳＨＴ７１通过二线数字串行接口来访问，所以硬件接口非常简单，但需要注意的是ＤＡＴＡ数据线要外接上拉电阻．时钟线ＳＣＫ用于和微处理器之间的通讯，由于接口包含了完全静态逻辑，所以对ＳＣＫ最低频率没有要求［３］．ＳＨＴ７１与ＡＴ８９Ｃ５２接口电路设计如图２所示．２．３　ＬＣＤ１２８６４与ＡＴ８９Ｃ５２接口电路设计ＬＣＤ１２８６４的数据线ＤＢ０～ＤＢ７与单片机的Ｐ０口相连．由于Ｐ０口作为通用Ｉ／Ｏ口时，输出级是开漏电路，当它驱动负载时，需要外接上拉电阻才有高电平输出，所以在ＬＣＤ１２８６４数据线和Ｐ０口相连时要接一个排阻．ＬＣＤ１２８６４的ＣＳ１，ＣＳ２，ＲＳ，ＤＩ，Ｅ引脚可以和单片机其他的Ｉ／Ｏ口相连．ＬＣＤ１２８６４与ＡＴ８９Ｃ５２接口电路设计如图３所５４第２９卷第５期郭荣艳，等：基于单片机的大棚温湿度控制系统设计 示．２．４　电机与ＡＴ８９Ｃ５２接口电路设计电机控制部分与单片机的一个Ｉ／Ｏ口相连，由ＰＮＰ三极管实现电平转换，继电器实现弱电控制强电的功能．当这个Ｉ／Ｏ口是高电平时，由瞬间极性判别法可知ＰＮＰ的集电极为低电平，所以此时继电器的常开触点不会闭合；反之，若这个Ｉ／Ｏ口变为低电平时，继电器常开触点会闭合，电机电路导通，电机开始工作．电机与ＡＴ８９Ｃ５２接口电路如图４所示．２．５　按键与ＡＴ８９Ｃ５２接口电路设计温度上下限设置电路由一个开关和一个按键组成，开关接ＡＴ８９Ｃ５２的外部中断０，按键接ＡＴ８９Ｃ５２的一个Ｉ／Ｏ口，当开关闭合时，引起外部中断０，执行外部中断０程序，通过按键来改变温度设定值．按键与ＡＴ８９Ｃ５２接口电路如图５所示．３　软件电路设计３．１　系统总体设计流程本设计采用ＳＨＴ７１分辨率１２位的相对湿度和１２位的温度测量，先发送温度测量命令，再发送湿度测量命令，然后通过单片机对所测数据进行处理，再在ＬＣＤ１２８６４上实时显示；用软件查询的方式比较所测温度与设定的ＴＨ和ＴＬ的关系，从而判断是否超限；如果所测温度超出设定值时，开始启动电机调节温度，直到温度变为设定区域内［４］．系统流程如图６所示．６４ 周口师范学院学报２０１２年９月３．２　ＳＨＴ７１的操作方法１）发送命令．在程序开始时，用一组“启动传输”时序表示数据传输的初始化．它包括：当ＳＣＫ时钟高电平时，ＤＡＴＡ翻转为低电平，随后是在ＳＣＫ时钟低电平时ＤＡＴＡ翻转为高电平．后续命令包含３个地址位和５个命令位．ＳＨＴ７１会以下述方式表示已正确地接收到指令：在第８个ＳＣＫ时钟的下降沿之后，将ＤＡＴＡ数据总线下拉为低电平；在第９个ＳＣＫ时钟的下降沿之后，释放ＤＡ－ＴＡ［５］．２）测量时序．发布一组测量命令（０ｘ０５表示相对湿度ＲＨ，０ｘ０３表示温度Ｔ），紧接着控制器需要等待测量结束．这个过程大约２１０ｍｓ，分别对应１４位测量．ＳＨＴ７１通过下拉ＤＡＴＡ至低电平，表示测量结束．接着传输２个字节的测量数据和１个字节的ＣＲＣ奇偶校验．单片机需要通过下拉ＤＡ－ＴＡ为低电平，确认每个字节，所有的数据从ＭＳＢ开始．用ＣＲＣ数据的确认位，表示通讯结束．如果不使用ＣＲＣ校验，控制器可以在测量ＬＳＢ后，通过保持确认位ＡＣＫ高电平，来中止通讯．在测量和通讯结束后，ＳＨＴ７１自动转入休眠模式．３．３　湿度补偿计算方法ＳＨＴ７１可以通过ＤＡＴＡ数据总线直接输出数字量湿度值．该湿度称作相对湿度，需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到较为精准的湿度值．线性补偿公式如公式（１）所示．ＲＨ１＝Ｃ１＋Ｃ２×ＳＯ＋Ｃ３×ＳＯ２．（１）式中ＲＨ１为经过线性补偿后的湿度值，ＳＯ为相对湿度测量值，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３为线性补偿系数（精度为１２位时，Ｃ１＝－４，Ｃ２＝０．４０５，Ｃ３＝－２．８×１０－６）．由于温度对湿度的影响十分明显，而实际温度和测试参考温度２５度有所不同，所以对线性补偿后的湿度再进行温度补偿很有必要．温度补偿公式如公式（２）所示．ＲＨ＝（Ｔ－２５）×（ｔ１＋ｔ２×ＳＯ）＋ＲＨ１．（２）式中ＲＨ为经过线性补偿和温度补偿后的湿度值，Ｔ为测试温度，ｔ１和ｔ２为温度补偿系数（ｔ１＝０．０１，ｔ２＝０．０００　０８）．３．４　露点计算露点是一个特殊的温度值，是空气保持在某一定湿度必须达到的最低温度．当空气中的温度低于露点时，空气容纳不了过多的水分，这些水分会变成雾、霜等．露点可根据当前相对湿度和温度计算得出，具体计算公式如公式（３）和（４）所示［６］．ＬｏｇＥＷ＝０．６６０　７７＋７．５×Ｔ÷（２３７．３＋Ｔ）＋ｌｏｇ１０（ＳＯ）－２；（３）Ｄ＝（０．６６０　７７－ｌｏｇＥＷ×２３７．３）÷（ｌｏｇＥＷ－８．１６０　７７））．（４）式中Ｔ为当前温度，ＳＯ为相对湿度测量值，Ｄ为露点．４　仿真与调试本温湿度控制系统的程序编写使用的是Ｃ５１语言，编程软件是Ｋｅｉｌｕ　Ｖｉｓｉｏｎ　４，硬件仿真是在Ｐｒｏｔｕｅｓ　７．７软件中进行．４．１　仿真结果与分析温湿度控制系统仿真图如图７和图８所示．本温湿度控制系统采用ＳＨＴ７１数字式温湿度传感器对温湿度进行实时监测，在仿真中可通过更改ＳＨＴ７１上的加减按钮来仿真外界的变化情况，还可变化温度模式和湿度模式．用ＬＣＤ１２８６４液晶显示屏显示温度、湿度数据．液晶显示屏的第一行显示“周口师范学院”，第三行显示湿度的数值，第四行显示温度的数值．因为对湿度进行了线性补偿和温度补偿，所以湿度显示数值和测量数值有些小的出入．在对温度进行调节时，可以看到当温度变化时，会引起湿度数值的变化．图７　温湿度控制系统仿真１本温湿度控制系统中设置的温度上下限分别为２７℃，３６℃．当温度的值增加并大于３６℃时，电机１开始启动，来调节温度；同理，当温度小于２７℃时，电机２开始工作．图８　温湿度控制系统仿真２７４第２９卷第５期郭荣艳，等：基于单片机的大棚温湿度控制系统设计 ４．２　按键功能仿真结果在本温湿度控制系统中，采用一个开关和一个按键来完成温度上下限的设定．当开关闭合时，执行中断服务子程序，此时液晶屏上第一行显示“周口师范学院”，第三行显示高温设置数值，第四行显示低温设置数值．设置完成后，断开开关．调节温度按钮，此时测量值是和重新设定值相比较而不是原来的设定值．温度上下限设置仿真如图９所示．图９　温度上下限设置仿真２５　结束语本设计对温湿度传感器ＳＨＴ７１的工作原理及其技术指标进行了深入分析，提出了一种基于单片机和ＳＨＴ７１的温湿度控制系统，克服了传统湿度传感器在技术方面、精度方面的局限性，避免了一些其他传感器可能出现的误差和失误，同时大大简化了软硬件的设计，使系统结构较为紧凑，实现了温湿度同时测量的功能．参考文献：［１］张勃，屈保中．电容式湿度传感器设计［Ｊ］．传感器技术，２００４（９）：５７－５８．［２］李刚民．单片机原理及实用技术［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００５：１８－２７．［３］张敏．基于单片机的多通道温湿度检测［Ｊ］．机电产品开发与创新，２００８（２）：１４４－１４５．［４］金伟正．温湿度检测控制系统的研制［Ｊ］．电子与自动化，２０００（２）：２５－２７．［５］李群林．基于多传感器的温湿度检测系统［Ｊ］．中国仪器仪表，２００６（１１）：３８－４０．［６］张馨，乔晓军，刘恩，等．高精度便携式温湿度露点测量仪［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００６（３）：９－１１．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍｉｎ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＣＵＧＵＯ　Ｒｏｎｇｙａｎ，ＨＵ　Ｘｉａｎｇ（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｏｕｋｏｕ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｏｕｋｏｕ　４６６００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ａ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ，ｔａｋｉｎｇ　ＭＣＵ　ＡＴ８９Ｃ５２ａｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｒｅ　ａｎｄ　ＳＨＴ７１ａｓ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａ－ｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ．ＭＣＵ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｒｅ　ｌｉｎｋｅｄ　ｔｏｇｅｔｈｅｒ，ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｄａｔａｓ　ｗｉｔｈ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｓｅｎｓｏｒ．Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｖａｌｕｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｉｓｐｌａｙｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ＬＣＤ１２８６４．Ｗｈｅｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｅｘｃｅｅｄｓ　ｔｈｅ　ａｌ－ｌｏｗａｂｌｅ　ｒａｎｇｅ，ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｓｔａｒｔｅｄ　ｔｏ　ａｄｊｕｓｔ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｓｏ　ａｓ　ｔｏ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｅａｓｉｌｙ　ｍａｎａｇｅｄ　ｗｉｔｈ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＡＴ８９Ｃ５２；ＳＨＴ７１；ＬＣＤ１２８６４；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ８４ 周口师范学院学报２０１２年９月。