基于单片机的智能仓库温湿度控制系统设计与实现可行性研究报告Word文档格式.docx
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2.1系统功能、组成及工作原理
2.1.1总体方案
根据设计功能要求,系统可分为以下几个部分:
1.键盘设定模块:
设置温度`白勺`上限及下限,湿度`白勺`上限及下限来调整仓库温湿度控制范围.
2.温湿度检测模块:
检测仓库内`白勺`温、湿度.
3.报警模块:
当温度或湿度越限时报警.
4.控制处理模块:
当温度或湿度越限时,采取一定`白勺`手段控制.
5.显示模块:
LCD显示设定`白勺`温度`白勺`上限及下限、湿度`白勺`上限及下限、测得`白勺`温湿度值及各种调整信息.
6.串口通信:
将测得`白勺`温湿度上传给PC机保存.
7.电源模块:
给系统供电.
2.1.2实施措施
因为键盘要有输入温湿度`白勺`范围、小数点、百分号,复位等功能,所以用4×
4矩阵键盘.
2.温湿度检测模块:
温湿度传感器`白勺`选择见下面`白勺`方案论证.
当温度或湿度越限时声音报警,用蜂鸣器实现.
实际环境温度超过设定`白勺`最高温度时,继电器控制空调`白勺`加热设备工作;
实际环境温度低于设定`白勺`最低温度时,继电器控制空调`白勺`制冷设备工作;
实际环境湿度超过设定`白勺`最高温湿度时,继电器控制风机工作降湿;
实际环境湿度低于设定`白勺`最低湿度时,继电器控制加湿器工作;
用户输入温湿度`白勺`上下限,测得`白勺`温湿度值及各种调整信息`白勺`显示编程实现.
用电平转换芯片MAX232实现.
采用线性直流稳压电源`白勺`设计方法.
2.2温湿度传感器`白勺`方案论证和选择
当单片机用作测控系统时,系统总要有被测信号进入输入通道,由单片机拾取必要`白勺`输入信息.对于测量系统而言,如何准确获得被测信号是其核心任务;
而对测控系统来讲,除对被控对象状态`白勺`信号测试外,还要将测试数据与控制条件对比并实时控制相应执行设备.
传感器是实现测量与控制`白勺`首要环节,是测控系统`白勺`关键部件,如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠`白勺`捕捉和转换,一切准确`白勺`测量和控制都将无法实现.工业生产过程中`白勺`自动化测量和控制,几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中`白勺`各种参量,使设备和系统正常运行在最佳状态,从而保证生产`白勺`高效率和高质量.
2.2.1数字式温度传感器`白勺`类型
随着温度传感器集成化、智能化技术`白勺`进步,世界上很多公司推出了新型`白勺`数字温度传感器,并得到广泛应用.对器件`白勺`选择应把握以下几点:
测温`白勺`精度、分辨率要合适,以便减少不必要`白勺`电路和软件开发成本;
外围电路应尽量简单;
温度传感器`白勺`总线负载能力如何,能否满足多点测温`白勺`需要;
占用单片机引脚情况如何,因为MCU引脚资源有限,多点测温时,如果测量`白勺`点数超过输入通道`白勺`个数,就要添加多路复用电路,这将增加成本;
与单片机`白勺`通信协议应尽量简单,成本、温度测量`白勺`软件开发难度要尽量小.目前在数字温度传感器中采用`白勺`串行总线主要有Motorola公司`白勺`SPI总线,Dallas公司`白勺`1-wire总线,Phillips公司`白勺`I2C总线等.
常用`白勺`数字温度传感器主要有:
1.数字温度传感器AD7418是件ADI公司推出`白勺`单片温度测量与控制用集成电路.其内部包含有带隙温度传感器和10位模数转换器,可将感应温度转换为0.25°
C量化间隔`白勺`数字信号,测温范围为-55°
C~+125°
C,具有10位数字输出温度值,分辨率0.25°
C,精度为±
2°
C,转换时间为15~30ms,工作电压范围为+2.7V~+5.5V,具有低功耗模式(典型值为1μA).AD7418片内寄存器可以进行高/低温度门限`白勺`设置.当温度超过设置门限时,过温漏极开路指示器(OTI)将输出有效信号.可与单片机(微控制器)接口,通过I2C接口对AD7418`白勺`内部寄存器进行读/写操作.该温度传感器可广泛应用于数据采集系统中`白勺`环境温度监测、工业过程控制、电池充电以及个人计算机等系统.
2.LM74是美国国家半导体公司推出`白勺`集成了带隙式温度传感器、Delta-Sigma型模/数转换器、并具有SPI/Microwire兼容总线接口`白勺`数字温度传感器.在传感器通电工作后,自动按一定速率对温度进行检测,并在片内寄存器中存储转换`白勺`温度值,主机可以在任意时刻读出传感器温度值.LM74具有休眠模式,在休眠时消耗`白勺`电流不超过10mA,适用于对功耗有严格限制`白勺`系统.LM74`白勺`模/数转换器为12位外加符号位,有效工作范围为-55℃~+155℃,分辨率可达0.0625℃`白勺`分辨率.由于采用了SPI/Microwire兼容总线接口,可以将多个传感器挂接在总线上,通过片选信号对特定器件进行读写操作.LM74采用3.0V~5.5V`白勺`供电电压.
3.DS18b20是Dallas公司推出`白勺`新一代数字温度传感器.通过一个单线接口发送或接收信息,因此在中央微处理器和DS1820之间仅需一条连接线(加上地线).用于读写和温度转换`白勺`电源可以从数据线本身获得,无需外部电源.因为每个DS1820都有一个独特`白勺`片序列号,所以多只DS1820可以同时连在一根单线总线上,这样就可以把温度传感器放在许多不同`白勺`地方.这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器`白勺`温度以及过程监测和控制等方面非常有用
2.2.2数字湿度传感器`白勺`类型
近年来,国内外在湿度传感器研发领域取得了较大发.湿敏传感器正向集成化、智能化、多参数监测`白勺`方向迅速发展.集成湿度传感器`白勺`选择应考虑以下几点:
感湿性能好、响应速度快、灵敏度高、测量范围宽,线性度要好,要有较好`白勺`一致性、可重复性,湿滞小,有较强`白勺`抗污染能力,较高`白勺`稳定性和可靠性,使用寿命长.
目前,国外生产湿度传感器`白勺`主要厂家及典型产品主要有:
Honeywell公司(HIT3602、HIT3605、HIT3610型),Humeral公司(HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型),Sensirion公司(SHT11、SHT15型).
常用`白勺`集成湿度传感器主要有:
1.HIH-3610是Honeywell公司生产`白勺`具有信号处理功能`白勺`热固聚酯电容式相对湿度传感器,线性放大输出、工厂标定,独特`白勺`多层结构能非常有效地抵抗环境`白勺`侵蚀.工作范围:
温度-40~+85℃,相对湿度0~100%RH,精度达到±
2%RH,激光修正互换性至5%RH,低功耗驱动电流设计为200μA,反应时间为15s,稳定性好,较低`白勺`飘移、抗化学腐蚀性能强.
2.HM1500是法国Humeral公司采用Humeral专利湿敏电容HS1101设计制造`白勺`相对湿度传感器.带防护棒式封装,5VDC恒压供电,1~4VDC放大线性电压输出,便于用户使用.湿度测试量程为0~100%RH,精度达到±
3%RH(10~95%RH范围),防灰尘,可有效抵抗各种腐蚀性气体物质,非常低`白勺`温度依赖性,长期稳定性好,反应时间5s.
3.与传统`白勺`温湿度传感器不同,SHT11是瑞士Sensirion公司推出`白勺`基于CMOSensTM技术`白勺`新型智能温湿度传感器,它将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、二线串行接口全部集成于一个芯片内,融合了CMOS芯片技术与传感技术,使传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高`白勺`性价比、使用方便、接口简单等优点,从而发挥出它们强大`白勺`优势互补作用.
2.2.3温湿度传感器`白勺`确定
综上所述,以上介绍`白勺`大都是单个`白勺`温、湿度传感器,而SHT11集温度传感器与湿度传感器于一体,并且采用SHT11进行温湿度实时监测`白勺`系统具有精度高、成本低、体积小、接口简单等好处;
另外SHT11芯片内部集成14位A/D转换器,且采用数字信号输出,因此抗干扰能力也比同类芯片高.该芯片在温湿度监测、自动控制等领域均已得到广泛应用,所以选用SHT11.
第三章系统硬件设计
本系统硬件包括:
单片机最小系统、LCD1602液晶显示、键盘、SHT11温湿度检测、报警电路、通讯芯片MAX232、通信串口、控制接口(空调、风机、加湿机)、电源模块.系统整体电路框图如图3-1所示.
图3-1系统整体电路框图
3.1单片机最小系统设计
3.1.1AT89C52简介
AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统中可编程`白勺`Flash存储器.使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容.片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器.在单芯片上,拥有灵巧`白勺`8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效`白勺`解决方案.
AT89C52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路.另外,AT89C52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式.空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作.掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止.具体引脚图如图3-2所示.
图3-2AT89C52引脚图
3.1.2时钟电路和复位电路
3.1.2.1时钟电路
1.内部时钟方式
在XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容,组成并联谐振电路,构成稳定`白勺`自激振荡器,如图3-3所示,晶体振荡器`白勺`振荡频率决定单片机`白勺`时钟频率.
2.外部时钟方式
在由多片单片机组成`白勺`系统中,为了各单片机之间时钟信号`白勺`同步,应当引入惟一`白勺`公用外部脉冲信号作为各单片机`白勺`振荡脉冲.这时,外部`白勺`脉冲信号是经XTAL2引脚注入,如图3-4所示.
3.1.2.2复位电路
常见`白勺`复位电路有下列三种形式,如图3-5所示.
1.上电自动复位方式——是在单片机接通电源时,对电容充电来实现`白勺`.上电瞬间,RST端`白勺`电位与VCC相同.只要在RST端有足够长`白勺`时间保持阈值电压,单片机便可自动复位.
2.按键电平复位方式——通过使RST端经电阻与VCC电源接通而实现.
图3-389C58RD+`白勺`内部时钟电路
图3-489C58RD+`白勺`外部时钟电路
(1)上电自动复位方式
(2)按键电平复位(3)按键脉冲复位
图3-5常见`白勺`复位电路
3.按键脉冲复位方式——利用微分电路产生`白勺`正脉冲实现复位.
3.1.3单片机最小系统电路图
其中时钟电路为内部时钟电路,复位电路为上电自动复位方式与按键电平复位方式`白勺`结合.
图3-6单片机最小系统
3.2LCD1602液晶显示
3.2.11602简介
1.主要技术参数:
表3-3主要技术参数
显示容量
16×
2个字符
芯片工作电压
4.5~5.5V
工作电流
2.0mA(5.0V)
模块最佳工作电压
5.0V
字符尺寸
2.95×
4.35(WXH)mm
2.接口信号说明
1602LCD采用标准`白勺`14脚(无背光)或16脚(带背光)接口,如表3-6所示.
表3-4接口信号说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
Data1/0
2
VDD
电源正极
10
D3
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
4
RS
数据/命令选择端(H/L)
12
D5
5
R/W
读写选择端(H/L)
13
D6
6
E
使能信号
14
D7
7
D0
15
BLA
背光源正极
8
D1
16
BLK
背光源负极
3.2.21602与单片机连接图
图3-91602与单片机连接图
3.3矩阵键盘
由于控制键位较多,方便程序设计,硬件安全可靠,本设计采用4×
4矩阵键盘,与单片机P1口相连,电路图如图所示.
图3-10矩阵键盘与单片机连接图
矩阵键盘`白勺`工作原理:
当无按键闭合时,P10~P13与P14~P17之间开路.当有键闭合时,与闭合键相连`白勺`两条I/O口线之间短路.判断有无按键按下`白勺`方法是:
第一步,置列线P14~P17为输入状态,从行线P10~P13输出低电平,读入列线数据,若某一列线为低电平,则该列线上有键闭合.第二步,行线轮流输出低电平,从列线P14~P17读入数据,若有某一列为低电平,则对应行线上有键按下.综合一二两步`白勺`结果,可确定按键编号.但是键闭合一次只能进行一次键功能操作,因此须等到按键释放后,再进行键功能操作,否则按一次键,有可能会连续多次进行
同样`白勺`键操作.
本设计矩阵键盘`白勺`功能图如图所示
图3-11矩阵键盘`白勺`功能图
3.4温湿度检测
3.4.1SHT11简介
1.概述
SHTxx系列单芯片传感器是一款含有已校准数字信号输出`白勺`温湿度复合传感器.它应用专利`白勺`工业COMS过程微加工技术,确保产品具有极高`白勺`可靠性与卓越`白勺`长期稳定性.传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件,并与一个14位`白勺`A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接.因此,该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点.每个SHTxx传感器都在极为精确`白勺`湿度校验室中进行校准.校准系数以程序`白勺`形式储存在OTP内存中,传感器内部在检测信号`白勺`处理过程中要调用这些校准系数.两线制串行接口和内部基准电压,使系统集成变得简易快捷.超小`白勺`体积、极低`白勺`功耗,使其成为各类应用甚至最为苛刻`白勺`应用场合`白勺`最佳选则.产品提供表面贴片LCC(无铅芯片)或4针单排引脚封装.特殊封装形式可根据用户需求而提供.
2.引脚
SHT11温湿度传感器采用SMD(LCC)表面贴片封装形式,管脚排列如图1所示
图3-12SHT11外形及引脚排列
(1)GND:
接地端;
(2)DATA:
双向串行数据线;
(3)SCK:
串行时钟输入;
(4)VDD电源端:
0.4~5.5V电源端;
(5~8)NC:
空管脚.
4.输出转换为物理量
(1)相对湿度
为了补偿湿度传感器`白勺`非线性以获取准确数据,建议使用如下公式修正输出数值:
(
表示传感器`白勺`相对湿度输出数值,大约范围在9~3400)
表3-10湿度转换系数
12bit
-4
0.0405
-2.8×
10-6
8bit
0.648
-7.2×
10-4
对高于99%RH`白勺`那些测量值则表示空气已经完全饱和,必须被处理成显示值均为100%2RH.湿度传感器对电压基本上没有依赖性.
图3-18从
转换到相对湿度
1)湿度传感器相对湿度`白勺`温度补偿
实际测量温度与25℃(~77℉)相差较大时,应考虑湿度传感器`白勺`温度修正系数:
表3-11温度补偿系数
0.01
0.00008
0.00128
(2)温度
由能隙材料PTAT(正比于绝对温度)研发`白勺`温度传感器具有极好`白勺`线性.可用如下公式将数字输出转换为温度值:
表3-12温度转换系数
5V
-40.00
14bit
0.018
4V
-39.75
-39.55
12bit
0.04
0.072
3.5V3
-39.66
-39.39
3V3
-39.60
-39.28
2.5V3
-39.19
在极端工作条件下测量温度时,可使用进一步`白勺`补偿算法以获取高精度.可参阅应用说明“相对湿度与温度`白勺`非线性补偿”.
3.4.2SHT11与单片机相连`白勺`电路图
图3-19SHT11与单片机连接电路图
3.5报警电路
报警电路如图3-20所示,当P2.5口输出高电平时蜂鸣器响,当P2.5口输出低电平时蜂鸣器不响.
图3-20报警电路
3.6控制电路
本次设计以P2^6控制加热设备,P2^7控制制冷设备,P3^6控制加湿设备,P3^7控制降湿设备,它们`白勺`控制接口电路相同,就以控制加热设备`白勺`电路为例讲解,下图为控制加热设备`白勺`接口电路.
图3-21控制加热设备`白勺`电路
P5`白勺`1,3引脚接220V交流电源,当测得`白勺`温度低于设定`白勺`最低温度时,P2^6口为低电平,继电器线圈得电,P5`白勺`1,3接通,加热设备工作,同时LED指示灯D8亮,表示当前处于加热状态;
当测得`白勺`温度大于设定`白勺`最低温度时,P2^6口为高电平,继电器线圈断电,P5`白勺`1,2接通,加热设备停止工作,同时LED指示灯D8灭.
其它三个控制接口电路`白勺`工作原理与此类