基于单片机的动物居室温湿度监控系统本科毕业论文.docx

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基于单片机的动物居室温湿度监控系统本科毕业论文

摘要

居室温湿度控制系统是以居室内的温湿度为输入量，以居室的调温和排湿装置（风机、步进电机、排气扇等）为控制对象，在单片机控制系统上用模糊控制的方法使居室中温湿度的变化满足居住需求，达到提高动物居室生活要求目的。

针对温湿度变化的非线性和相互耦合现象，本文设计了基于单片机和模糊控制技术的动物居室温湿度自动控制系统。

本论文的工作重点主要有以下几个方面：

第一，设计和实现了以Atmega16为核心的单片机系统，配有键盘、显示和干湿温度采集处理的控制系统，设计了基于GAL的步进电机驱动控制电路、基于1-wier总线的干湿温度多点采集电路、I2C总线器件AT24C02工艺参数存储等外围电路，可实现信号采集、数据显示、键盘控制、数据计算、排湿装置控制、调温装置控制等功能。

详细介绍了硬件电路设计和软件程序设计，并针对单片机系统的硬件和软件介绍了一些工程上实用的抗干扰技术；第二，针对干湿温度变化的非线性和相互耦合现象，具体研究了居室温湿度变化的规律，设计了基于模糊控制技术的模糊控制器并制定了模糊控制查询表。

关键词：

温湿控制模糊控制Atmega16GALSHT11

Abstract

Accordingtothetemperatureandhumidityofwarmroomandtemperature-controlandhumidity-controldevice（suchasfansteppingmotor,exhaustfanandsoon）,thetemperatureandhumiditycontrolsystemforwarmroom,whichusesfuzzycontrolbasedonMCUcontrolsystem,cansatisfytheprocessrequirementoftemperatureandhumiditychanceinwarmroom,improvequalityoflivingroom.Accordingtothetemperatureandhumiditynonlinearvariationandcouplingphenomena,IdesignedthecontrolsystembasedonMCUandfuzzycontrol.

Themainfocusofthispaperarethefollowingaspects:

Firstly，theMCUcontrolsystem，withkeyboardinputLEDdisplayandtemperature-humiditycollecting,withthecoreofatmega16isdesigned.Whatismore，pulsedistributorofsteppingmotorwithGAL,multi-temperature-humiditycollectingcircuitbasedon1-wirebusandtheprocessingparametermemorycircuitwithI2CbusinterfacedeviceAT24C02andsoondesignedforthissystemwhichhasthefunctionofsignalcollectingdatadisplaying,keyboardcontrolling,datacomputing,temperature-controldevicecontrolling,humidity-controldevicecontrollingandsoon.Thehardwaredesignandsoftwaredesignaredescribedindetail.AndsomepracticalhardwareandsoftwarereliabilitymeasuresofMCUsystemareintroduced.Secondly,accordingtothetemperatureandhumiditynonlinearvariationandcouplingphenomenainwarmroom,Istudythetemperatureandhumiditycharacteristicofwarmroom,anddesignthefuzzycontrollerandfuzzycontrolpollinglist.

Keywords:

temperature-humiditycontrolfuzzycontrolAtmega16GALSHT11

目录

摘要1

Abstract2

目录3

第一章绪论5

1.1课题背景介绍5

1.2论文研究的目的与意义5

1.3系统设计简介5

1.3.1设计要求5

1.3.2功能简介6

第二章系统分析7

2.1系统设计原则7

2.2可行性分析7

2.3系统硬件总体设计以及说明8

第三章模糊控制理论9

3.1空气温湿度解耦理论依据9

3.2模糊控制特点10

3.3模糊控制的基本原理10

3.4模糊控制系统的组成11

3.5本温室温湿度模糊解耦控制算法的实现12

3.5.1温湿度模糊解耦器设计12

3.5.2清晰化处理17

3.5.3温湿度模糊控制20

第四章系统的设计与实现23

4.1系统硬件方案23

4.2单片机芯片的选用24

4.3电源转换电路的设计25

4.4键盘控制电路设计25

4.5显示电路设计26

4.6步进电机驱动控制电路设计27

4.6.1步进电机控制原理28

4.6.2GAL脉冲分配器30

4.6.4步进电机驱动控制电路31

4.7传感器模块的设计与实现32

4.7.1温湿度传感器的选择32

4.7.2SHT11（温湿度传感器）传感器描述33

4.7.3SHT11工作时序34

4.7.4SHT11与单片机的连接35

4.7.5湿度线性补偿和温度补偿36

4.7.6温度值输出37

4.7.7露点计算37

4.8参数存储电路设计38

4.8.1总线38

4.8.2参数存储芯片AT24C0240

4.9通信接口及声光报警电路41

第五章系统的软件设计与实现43

5.1初始化程序43

5.2按键处理模块44

5.3显示模块45

5.4模糊控制模块46

5.5温湿度测量模块47

第六章系统抗干扰技术49

6.1硬件抗干扰技术49

6.2软件抗干扰技术50

第七章系统仿真51

总结54

参考文献55

致谢58

第一章绪论

1.1课题背景介绍

温湿度的测控在工农业生产、日常生活及科学研究中有着广泛的应用，诸如农业生产中蔬菜大棚内温湿度测控，粮仓中的温湿度测控以及发电厂，电力部门等都需要温湿度测控。

由于常用的温湿度传感器的非线性输出，使温湿度的测量方法和手段相对比较复杂，也给电路的调试增加了难度；为此，采用一体化集成温湿度传感器有利于提高测控系统的抗干扰能力和可靠性。

1.2论文研究的目的与意义

目的：

对基于Atmega16单片机的温湿度监控系统进行研究和设计，能够对周围环境的温度和湿度进行实时测量；实现基于Atmega16单片机的温湿度监控系统的软、硬件设计。

其意义：

1、基于Atmega16单片机的温湿度监控系统可以为一些对温度、湿度比较敏感的场合提供准确的温度、湿度信息，还可以用于粮库、机房等场所。

能够创造一定的社会经济效益。

　　2、通过对温湿度监控系统的设计来学习并掌握有关单片机的知识和传感器通信技术以及数码管的显示原理，达到进一步巩固平时所学的专业知识。

3、将所学的理论知识和实践相结合，为以后在此基础上结合相关领域设计产品和改进某些产品性能具有很好的实践意义。

1.3系统设计简介

1.3.1设计要求

1、能对输入的温湿度传感器信号进行检测。

2、能判断检测的信号是否越界，在设计程序过程中，考虑到检测的信号在低于或高于设定温湿度的范围时应做些什么。

3、通过监控主机或PC来实时查看当前温度和湿度值，并可在监控主或PC上设置报警参数以便实时监控环境温度和湿度值。

4、温度测量范围：

-40℃~123.8℃，精度：

+0.4℃；

湿度测量范围：

0%RH~100%RH，精度：

+3%RH；

响应时间：

t<4s

1.3.2功能简介

本系统的设计是将智能传感器监测和单片机控制相结合，整个系统采用ATMEGA16单片机为核心配置，以温湿度传感器、数码管显示、按键、蜂鸣器报警驱动、计算机监控系统等部件。

通过单片机与智能传感器相连，采集并存储智能传感器的测量数据。

另一方面通过RS-232总线与监控计算机通信，将采集到的数据传输给监控计算机。

监控计算机将单片机传输的数据进行记录、存储、处理，供工作人员浏览、记录和进行相关处理。

第二章系统分析

2.1系统设计原则

要求系统具有可靠性高、操作维护方便、性价比性高等优点。

1、可靠性

高可靠性试单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要设计准则，提高系统可靠性一般从以下几个方面考虑：

使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出采用抗干扰措施，进行软硬件滤波，系统自诊断功能。

2、操作维护方便

在系统软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护的方便，尽量减少对操作人员专业知识的要求，以利于系统的推广。

因此，在设计时，要尽可能减少人机交换接口，多采用操作内置或简化的方法，同时系统应该配有现场故障程序诊断程序，一旦故障能有效准确的对故障进行定位，以便进行维修。

3、性价比

单片机除了体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。

一个单片机系统能否被广泛应用，性价比是其中一个关键因数。

因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度的允许的情况下尽可能用软件功能代替硬件功能。

2.2可行性分析

随着电子技术和单片机的发展，基于单片机的测量和控制技术也得到了迅速的发展和广泛的应用。

利用单片机对温湿度进行测控的技术，得到日益发展和完善，越来越显示出其优越性。

本设计主要用到的是Atmega16单片机和数字式温湿度传感器SHT11。

所用到的这些器材价格合理，市场上也容易买到。

所以设计出来的系统并不需要大的费用，制造的成本较低，经济上完全在可以承受的范围内，设计满足经济可行性。

单片机从诞生至今发展了几十年，已经是一种成熟的技术，它应用在工控、智能器表等很多领域，可以说现在社会上很多地方都能看到单片机应用的身影，有很多参考方面的资料可以学习，所以从技术上来说也完全可行。

2.3系统硬件总体设计以及说明

本温湿度监控系统设计以Atmega16单片机作为核心，通过温湿度传感器芯片（SHT11）对环境内的温度、湿度参数实时检测，经温湿度传感器芯片内A/D转换器转换成对应的二进制值存储于芯片的RAM中，单片机通过发送读取温湿度传感器温度/湿度命令码则温湿度传感器返回对应的参数值，系统实时地测量显示环境的温湿度值，实现温湿