基于单片机的温湿度自动控制系统设计毕业设计.docx
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基于单片机的温湿度自动控制系统设计毕业设计
学校代码：
11517
学号：
0708071133
HENANINSTITUTEOFENGINEERING
毕业设计
题目基于单片机的温湿度自动控制系统设计
学生姓名王$邦
专业班级机械设计制造及其自动化1044班
学号201010614123
系（部）机械工程学院
指导教师（职称）郭%（教授）
完成时间2014年5月25日
河南工程学院毕业设计版权使用授权书
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矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
毕业设计作者签名：
2014年5月25日
河南工程学院毕业设计原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文，是本人在指导教师指导下，进行研究工作所取得的成果。
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本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
毕业设计作者签名：
2014年5月25日
河南工程学院
毕业设计任务书
题目基于单片机的温湿度自动控制系统设计
专业机械设计制造及其自动化学号201010614123姓名王%邦
主要内容
基于52单片机的温湿度自动控制系统主要用于检测温室大棚中温度湿度变化，当温湿度变化超出阀值时，控制部分驱动外围设备加（降）温度、加（除）湿度。
实现对温湿度的实时监测控制。
系统的硬件设计部分主要包括温湿度传感器设计，单片机模块设计，现实模块设计，报警提示以及温湿度控制模块设计。
软件设计主要为系统主程序设计以及温湿度检测和显示子程序及控制子程序。
残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
基本要求
实现温度湿度实时显示在温度湿度超出上下限蜂鸣器报警,控制升温或加湿等设备动作。
完成温湿度控制器实物，完成设计说明书。
酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
主要参考文献
[1]陈富安．单片机与可编程控制器应用技术[M]．北京：
电子工业出版社，2003，45-51．
[2]张齐．单片机应用系统设计技术[M]．北京：
电子工业出版社，2004，24-32．
[3]李刚．新型单片机接口器件与技术[M]．西安：
西安电子科技大学出版社，2005，54-60．
[4]李冰．80S51嵌入式系统编程[M]．北京：
清华大学出版社，2004，457-490．
[5]徐爱卿．MCS-51/96单片机原理及应用[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2006，802-831．彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
[6]蔡振江．单片机原理及应用[M]．北京：
电子工业出版社，2004，887-921．
[7]夏继强．单片机实验及实践教程[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2002，415-430．
[8]李广弟．单片机基础[M]．北京：
北京航空航天大学出版社，2005，200-217．
[9]何立明．单片机高级教程应用于设计[M]．北京：
电子工业出版社，2007，124-151．
完成期限：
2013年12月-2014年5月
指导教师签名：
专业负责人签名：
2013年12月25日
基于单片机的温湿度自动控制系统设计
摘要
本设计是专门为温室大棚实现实时温湿度自动控制而设计的系统。
该系统具有温湿度上下限设定、自动监测、显示和自动调节等多功能。
系统以51系列单片机为控制核心，DHT11传感器为温湿度监测元件，LCD1602液晶显示为显示部分。
继电器控制作为控制部分。
数字传感器传递温湿度变化信号给单片机，单片机将信号与设定的温湿度上下限对比判断，当温度或湿度超限后，报警信号灯点亮同时相应的继电器吸合。
继电器可以驱动打开或切断通风机，抽湿机，报警器等外部设备。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
系统设计包括硬件部分和软件部分的设计。
硬件设计主要包括温湿度采集模块设计、温湿度显示模块设计、控制模块设计等；画出了温湿度检测电路、显示电路、温湿度控制电路；并购买元件制作了单片机电路板；用C语言设计了系统的软件部分，画出了程序流程图、程序包括主程序设计、DHT11数据采集程序设计、LCD1602显示程序设计。
把程序输入制作的单片机电路板，检验了温湿度显示和调整功能。
本设计可以实现现对大棚温湿度的自动化控制，提高作物生长环境质量，为设施农业的实现提供保障。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
关键词：
温湿度控制；单片机；DHT11；LCD1602
TEMPERATUREANDHUMIDITY
CONTROLSYSTEMBASEDONSCM
ABSTRACT
Thesystemisdesignedspecificallyforreal-timetemperatureandhumiditycontrolforthegreenhousesystem.Thesystemhasfunctionsaslimitingthetemperatureandhumidity,automaticmonitoringanddisplaying,automaticadjustmentandsoon.Systemincludesmicrocontrollercorebasedonthe51singlechipmicrocomputerandtemperatureandhumiditymonitoringdevicesknownasDHT11sensorandLCD1602displaysectionandrelayactingasthecontrolsection.Digitalsignaloftemperatureandhumiditysensorispassedtothemicrocontroller.Themicrocontrollerhastocontrastthesignalonthegiventemperatureandhumidity.Ifthetemperatureorhumidityofthesignaloverrun,warninglightslitandtherelaycorrespond.Therelaycandriveonoroffventilator,dehumidifiers,alarms,andotherexternaldevices.陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
Systemincludeshardwareandsoftwarecomponents.Hardwaredesignedtemperatureandhumidityacquisitionmodule,temperatureandhumiditydisplaymoduleandcontrolmodule.Temperatureandhumiditydetectioncircuitisdrawnsameasdisplaycircuitandcontrolcircuit.Microcontrollercircuitboardandpurchasedcomponentsisproduced.Aflowchartoftheprogramisdraw.SoftwarepartofthesystemdesignedbyClanguage,inwhichincludesamaindesignandDHT11dataacquisitionprogramdesignandLCD1602displayprogramdesign.Microcontrollercircuitboardtowhichprogramisinputtedismanufactured.Thenthetemperatureandhumiditydisplayfunctionisinspectionandadjustment.Thisdesigncanbeachievednowforgreenhousetemperatureandhumidityautomaticcontrol.Itcanimprovecropqualityoftheenvironmentwhichcanprovideprotectionfortherealizationoffacilityagriculture.沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
KEYWORDS：
Temperatureandhumiditycontrol;SCM;DHT11;LCD1602钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
1温湿度研究的意义和内容
植物的生长是在一定的环境中并且其在生长过程中被各种因素影响，其中对植物生长的影响最大的是环境温度和湿度，因此，必须对环境温度和湿度进行监测、控制、调节。
随着科技发展人们对生活衣食住行要求越来越越来越丰富，因此蔬菜大棚温湿度的检测对于满足人们绿色生活势在必行。
为了满足最适宜植物生长最佳温度和湿度，我们需要研究一种低成本，便于提醒和控制温湿度的装置，用户可以根据不同季节以及植物的需要进行不同的调节，以便达到最佳生长繁殖的环境从而提高作物品质。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
1.1温湿度研究的意义
随着城市居民生活节奏的加快以及人民生活水平的不断提高，人们对于亚健康的问题越来越关注，因此对于生活质量以及环境的要求也越来越高，饮食健康要求选用绿色高品质的蔬菜，因此需要对蔬菜生长的温湿度环境进行监测，提供适宜作物生长的大棚环境[1]。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
1.2本课题研究的主要内容
本设计包括硬件部分和软件部分设计。
本设计的硬件是以51系列单片机为核心、DHT11传感器为监测元件、LCD1602为显示元件构建的单总线多点温湿度监测显示系统。
包括单片机主模块设计、传感器采集模块设计、液晶显示模块设计、外围设备电路设计部分。
系统软件则是主程序模块、功能实现模块和控制模块。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
2系统元器件选择
当单片机被用作控制监测系统中，必须有温湿度数据信号的输入通道，再由计算机对输入信息挑选判断。
在监测系统中，核心任务是如何获得准确的测试信号;而在控制系统中，监控的受控对象的状态和测试条件必不可少，传感器是实现测量和控制的第一部分，精确的测量和控制的关键部分依赖传感器的准确性、可靠的转换、原始信号精确捕捉以及自动测量和工业过程有效控制[2]。
捕获主要依赖各种传感器的基本控制和各种检测的生产过程中系统和设备正常运行的最佳状态。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
2.1单片机选择
2.1.151系列单片机简介
51系列单片机是基本型，包括8031、8051、8751、8951这四个机种区别，仅在于内程序储存器。
其中8031/8051/8751是Intel公司早期的产品。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。
用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。
写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
8051片内有4kROM，无须外接外存储器和373，更能体现“单片”的简练。
但是你编的程序你无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代你烧写，并是一次性的，今后你和芯片厂都不能改写其内容。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
8751与8051基本一样，但8751片内有4k的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准。
后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。
人们统称这些与8051内核相同的单片机为“51系列单片机”。
铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
2.1.2AT89C51和AT89S51的对比
在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51、AT89S51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMELAT89xx做的编程器均带有这些功能。
显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。
写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。
再者，AT89C51、AT89S51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
由于51系列单片机的内核都一样，所以在51单片机教材方面目前仍然沿用IntelMCS8051单片机的书籍。
开发软件和工具也是一样，我们统称为8051开发系统、环境等，如我们网站介绍的汇编程序ASM51、KeilC51、MedWin等均是针对8051内核单片机的开发软件。
趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，典型产品有8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和8751等通用产品，一直到现在，MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的89S51、89C51等）。
89S51相对于89C51增加的新功能包括：
夹覡闾辁駁档驀迁锬減。
--新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低！
--ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。
是一个强大易用的功能。
视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。
--最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。
偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
--具有双工UART串行通道。
--内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。
--双数据指示器。
--电源关闭标识。
--全新的加密算法，这使得对于89S51的**变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。
緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。
--兼容性方面：
向下完全兼容51全部字系列产品。
比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。
也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。
騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。
2.2温湿度传感器的选择
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。
DHT11传感器包含一个NTC电阻式的温度和一个湿度传感元件，并与一个高性能8位单片机连接的，在精确的校准室中，DHT11湿度传感器被校准后，存储在程序存储器0TP中。
检测信号的校准系数形式时，在此过程中，由内部传感器来调用这些校准系数。
采用单线串行接口系统，使系统集成商可以拥有更低的功耗，更简单和快速的信号，传输距离超过20米时，数字DHT11温湿度传感器具有响应速度快，抗干扰能力强，成本优势，其性能指标如下：
20%〜90％RH的湿度测量范围;±5％RH的湿度的测量精度;0〜50℃温度测量范围;测量精度：
湿度+-5%RH，温度+-2℃，分辨率：
湿度1%RH，温度1℃;互换性：
可完全互换,响应时间<5S，DHT1l4针单排引脚封装，传感器上电的±2℃温度测量精度，工作电压3.0〜5.5V，对应的时间，你需要等待1秒，这是由于交叉不稳定的状态造成的。
由传感器资料知连线长度短于20米时用5K上拉电阻，大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。
考虑本设计实际应用情况故使用5k上拉电阻。
典型的应用电路如图2-1：
疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。
图2-1应用电路
DHT11实物图如图2-2：
图2-2DHT11实物图
2.2.1串行接口（单线双向）
目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有I2C总线、SPI总线和SCI总线。
DHT11传感器连接单片机相对比较简单。
单片机的P2.0口用来发收串行数据，即数据口。
连接传感器的pin2（单总线，串行数据）。
传感器的电源口pin1和pin4分别接单片机的VDD端和GND端。
传感器第三脚悬浮放置。
采用单总线数据格式，数据被用于AT89S52和DHT11之间同步，一次大约4ms的通信时间，小数部分和整数部分构成数据整体。
DHT11与AT89S52之间的通讯过程如图2-3所示镞锊过润启婭澗骆讕瀘。
图2-3DHT11和AT89S52单片机之间通讯过程
总线空闲状态为高电平时，总线被拉低等待DHT11的反应，DHT11能检测到启动信号，主机必须把总线拉低，至少超过18毫秒。
DHT11接收到主机的启动信号，然后他们等待开始信号的结束，然后发送一个响应信号，读取了80us低电平响应信号后的DHT11不能立即接受，时间上滞后约20-40us，然后开始接受主机传送开始信号，这时候你可以输出高或切换到输入模式，然后通过一个上拉电阻拉高总线[3]。
榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。
发送响应信号时，DHT11总线低，总线被DHT11拉高80us之前，必须等待，直到响应信号时，每bit数据准备好时以一个低电平的50微秒时隙发送，高电平的长短决定数据位是0或1。
如果读出的响应信号是高电平的，可能会由于接线不正确导致DHT11不能响应，当数据传输的最后一个比特结束后，总线被DHT11拉低到拉到50微秒，随后是上拉电阻器使总线进入空闲状态。
数字0信号表示方法如图2-4。
邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。
图2-4数字0信号表示方法
数字1信号表示方法.如图2-5所示：
图2-5信号1表示方法
2.2.2电器特征
DHT11的主要电器特征如表2-1所示：
表2-1DHT11电器特征
参数
条件
Min
Typ
Max
单位
供电
DC
3
5
5.5
V
供电电流
测量
0.2
2.5
Ma
平均
0.5
1
Ma
待机
100
150
Ua
采样周期
秒
1
次
2.2.3DHT11接口引脚
表2-2DHT11引脚说明
Pin
名称
注释
1
VDD
供电3-5.5v
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，悬空
4
GND
接地，电源负极
DHT11封装信息如图2-6
如图2-6DHT11的封装信息
2.2.4应用信息
电阻式温湿度传感器的灵敏度容易受到化学物质的干扰，常常保存在远离化学物质的地方，传感器具有自动程序化功能，所以在极端状态下，传感器可以返回到初始校准状态，禁止在不合乎标准的环境中使用传感器，否则会产生3%的信号漂移，传感器硬件生命周期缩短。
温度和湿度都会影响监测结果，因此可以隔离影响因素，单独改变一个环境因素，再分别测量温度和湿度的变化[4]。
嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。
2.3LCD1602液晶显示器
LCD1602是一块专门显示数值、字母、符号的点阵液晶显示模块，被广泛应用的有40*2行、16*2行、16*1行模块。
该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。
2.3.1LCD1602引脚概述
表2-3LCD1602引脚
LCD160引脚
符号
引脚说明
1
VDD
正极
2
VSS
地
3
VL
液晶显示偏压
4
RS
数据/命令选择
5
R/W
读/写选择
6
E
使能信号
7
DO
数据
8
D1
数据
9
D2
数据
10
D3
数据
11
D4
数据
12
D5
数据
13
D6
数据
14
D7
数据
15
BLA
背光源正极
16
BLK
背光源负极
注：
CD1602可以通过编写指令程序实现屏幕、光标、读写等操作功能
2.3.2LCD1602技术指标
表2-4LCD1602技术指标
基本参数
数值
工作电压
4.5-5.5v
容量
16x2个字符
最佳工作电压
5.0v
工作电流
2.0Ma
字符尺寸
2.95x4.35（WxH）mm
2.3.3LCD1602管脚图
图2-7LCD1602的管脚图
LCD1602实物照片如图2-8所示
图2-81602液晶字符型显示器
背光LCD1602的控制器主要是HD44780,比不背光显示器轻薄，两者在现实实践应用中功能上没有明显差别，实物图2-9所示：
劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。
图2-91602LCD尺寸图
液晶显示模块功能反应迟缓单一，执行指令要先调整模块至低电平空闲状态，否则指令失效，输入指令后只显示输入的字符串。
图2-10是LCD1602的显示地址。
臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。
图2-101602内部显示地址
2.4继电器
继电器（英文名称：
relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。
它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。
自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动运行。
温度或湿度超限后，报警信号灯点亮同时相应的继电器吸合[5]。
继电器可以驱动打开或切断通风机、抽湿机、加热器、制冷器、加湿器、报警器等外部设备。
本设计模拟了一个除湿风扇，通过继电器控制。
鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。
3系统硬件设计
3.1系统硬件设计总体方案
系统采用单片机对大棚的温度、湿度进行自动监测和控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等特点，而且还可以大大提高被控制温度、湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。
图3-1系统整体框架图
本设计利用单片机电路对大棚的温度、湿度进行控制，温度测量范围0℃-50℃，DHT11测量范围是20%-90%。
若温度低于0℃，加热装置工作；若温度高于50℃，通风装置工作；湿度低于20%R
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