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基于单片机恒温恒湿控制系统设计
摘要
随着经济和社会的不断发展，人们对自己的生活环境越来越严格。
特别在温室大棚中，对温湿度要求更为严格。
基于单片机的温湿度监测控制统设计，将对环境的温湿度监测控制系统做详细的设计与实现。
采用高性能的控制芯片89C51，高精度数字温湿度传感器AM2301。
向模块化、高速化、智能化的单片机数据采集系统靠近。
将此系统应用到温室大棚当中无疑为植物的生活提供了更加适宜的环境,符合植物的生活环境要求，具有良好的发展前景。
本文利用89C51单片机设计一个温室大棚的温湿度检测控制系统，对湿室内的温湿度进行检测控制并实时显示。
其中温湿度传感器采用AM2301数字温湿度传感器，通过89C51单片机的处理把温湿度值显示在1602液晶上。
并实时判断温湿度值是否满足设定的温湿度范围，若超出设定范围，通过89C51启动温湿度控制系统，达到恒温恒湿的目的。
关键词89C51单片机AM2301传感器1602液晶控制系统
基于单片机的恒温恒湿控制系统设计
第1章绪论
1.1课题背景
随着经济和社会的不断发展，人们对生活质量要求显著提高。
对植被也要求越来越严格，如何种植出品种优良的植物，一直是人们研究的话题。
而基于单片机的温湿度控制系统对解决这些问题有着非常重大的意义。
植被“设施栽培”，即“保护地栽培”。
它是指在某种类型的保护设施内（如阳畦、温室、大棚等），人为地创造适宜植被生长发育的最佳环境条件，在不同季节内，尤其是不利于植被生长的季节内进行植被栽培的一种措施。
设施栽培是人类利用自然、改造自然的一种创造。
由于设施内的条件是可以人为控制的，使得植被调节的周年生产得以实现。
玻璃温室和塑料薄膜温室出现后，植被生产出现了划时代的变化。
现在人们可以根据自己的意愿，随时生产出所需要的各种植被。
可以说，这是“设施栽培”的功劳。
以前种植植被一般都用温室栽培，为了充分的利用好温室栽培这一高效技术，就必需有一套科学的，先进的管理方法，用以对不同种类植被生长的各个时期所需的温度及湿度等进行实时的监控。
温湿度控制对于单片机的应用具有一定的实际意义，它代表了一类自动控制的方法。
而且其应用十分广泛。
1.2立题的目的和意义
环境的监测与控制在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用。
由于应用的场合不同监测对象的不同，其系统设计也是千差万别。
在实际生活中此类系统有着广泛的
应用，室温环境检测系统中温度和湿度是两个重要的显示和分析指标，必须定期抽样检查室温环境温度和湿度，以便采取相应的措施加以调整和一步步的提高系统的性能。
89C51单片机是常用于控制的芯片，在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果，用其作为温湿度检测控制系统的实例也很多。
使用89C51单片机能够实现温湿度全程的自动检测与控制，而且89C51单片机易于学习、掌握，性价比高。
使用89C51型单片机设计温湿度检测控制系统，可以及时、精确的反映室内的温度以及湿度的变化。
完成诸如升温到特定温度、降温到特定温度、在温度上下限范围内保持恒温等多种控制方式，在湿度控制方面也是如此。
将此系统应用到温室大棚当中无疑为植物的生活提供了更加适宜的环境。
这对我国的农业生产，实现农业现代化，提高国民生产总值，改善人民生活水平起到了非常重要的作用。
1.3国内外的研究现状和发展趋势
目前，我国绝大部分自主开发的大棚温湿度控制或者进口的国外设备都属于这种系统。
虽然这种自动控制系统实现了自动化，适合规模化生产，提高了劳动生产率，通过改变大棚温室度的设定目标，可以自动的对大棚内温湿度进行调节，但是这种调节对作物的生长来说还是相对滞后的，难以介入作物生长的内在规律。
所以在这种自动控制系统和实践的基础上，温湿度自动控制向着适合不同作物生长的智能化控制发展。
国外大棚业正致力于高科技发展，遥测技术，网络技术，控制局域网已逐渐应用于大棚的管理和控制中。
为了充分的利用好温室栽培这一高效技术，就必须有一套科学的，先进的管理方法，用以对不同种类植被生长的各个时期所需的温度及湿度等进行实时的监控。
温湿度控制对于单片机的应用具有一定的实际意义，它代表了一类自动控制的方法，而且其应用十分广泛。
近几年各国温度控制技术提出建立大棚行业标准，朝着网络化，大众化，大规模，无人化的方向发展的思路也更加完善和成熟。
采用高性能的控制芯片89C51，高精度数字温湿度传感器AM2301，向模块化、高速化、智能化的单片机数据采集系统靠近。
将此系统应用到温室大棚当中无疑为植物的生活提供了更加适宜的环境,符合植物的生活环境要求，具有良好的发展前景。
1.4系统主要研究内容
本系统所要完成的任务是：
（1）人性化的设计。
根据植物的生活需求，把温湿度值控制在一定的范围内。
（2）能够实时、准确的显示采样温度值与湿度值。
（3）通过采集温度及湿度值，准确的判断标准值与当前值之间的差异，及时的启动报警装置（包括警报灯的提示功能以及提示音等）进行报警，并采取相应的控制方案。
（4）能够根据植被在不同时间段内对温湿度的不同要求，用户可随机更改温度及湿度值，以满足用户不同的需求。
第2章系统总体设计
2.1系统设计技术要求
系统要完成的设计功能是：
（1）实现对温室大棚温湿度参数的实时采集，测量空间的温度和湿度，由单片机对采集的温湿度值进行循环检测、数据处理、显示，实现温湿度的智能检测。
（2）并能根据实际所需要的温湿度值通过独立按键设定，已达到更加理想的温室大棚条件。
（3）实现超越数据的及时报警，并启动控制系统，实现温室的目的。
（4）现场检测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力。
要求达到的技术指标要求：
测温范围：
-10～70℃
测温精度：
±0.4℃
测湿范围：
0～90﹪RH
测湿精度：
±3%RH
2.2系统设计原则
要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。
2.2.1可靠性
高可靠性是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的设计准则。
提高系统的可靠性通常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；输入输出通道抗干扰措施；进行软硬件滤波；系统自诊判断功能等。
2.2.2操作维护方便
在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，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。
同时系统应配有现场故障自动诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。
2.2.3性价比
单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。
一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。
因此，再设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能使用软件功能取代硬件功能等。
2.3系统的组成和工作原理
2.3.1系统的组成
以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术，控制技术等技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量控制系统。
可分为温湿度测量电路，显示电路，声光报警电路，温湿度控制电路,选用的主要器件有：
AT89C51，温湿度传感器AM2301，1602LCD显示模块，降温装置风扇，升温装置加热器，増湿装置喷雾器，除潮装置除潮器，红绿LED灯，报警装置蜂鸣器等[1][2]。
系统的组成方框图如图2-1所示。
图2-1系统的组成
2.3.2系统的工作原理
本系统以单片机Atmel89C51为核心，数据采集、传输、显示、报警都要通过单片机。
数据采集通过单总线的智能数字温湿度传感器AM2301完成；通过单片机把采集的数据显示在1602LCD上；当采集的数据超出给定范围时，有蜂鸣器实时报警，并显示红灯提示，并进行相应的控制处理。
在整个系统中采用了AM2301单总线技术，单片机采用C语言编程。
首先，系统启动后，提示用户输入温湿度的上限与下限的温度值。
用户输入之后，系统自动求出中间值，根据实际温度的情况采取相应的方案。
如温度的设定如
下所示：
下限温度中间温度上限温度
28----32----36
如果该时刻的实际温度值低于用户给定的下限温度值时，系统立即启动报警装置，且系统处于升温状态，直到实际温度达到用户输入的上下限温度的中间值一定区间内时停止升温。
反之，如果实际温度值高于用户设定的上限值时，系统也会立即启动报警装置，且系统处于降温状态，直到实际温度达到用户输入的上下限温度的中间值一定区间内时停止降温。
选择中间值作为控制参数，防止升温—降温—升温的死循环，因为温度低于下限时会一直升温，可能会导致升温之后温度高于上限值系统又开始降温，这样系统便一直重复升温—降温—升温过程，导致设备在某一个温湿度点附近频繁的启停，使设备寿命下降，而且没有实际意义。
选择中间值的一定区间，是防止达到中间值时，采取了停止升温或者降温措施，温度还是会持续上升或下降一会儿，这时候温度可能不是正好在中间值处，系统便还是采取升温或者降温的措施，而此时的温度值可能已经是很适合植被生长的需要的温度值。
所以本方案选在中间值的正负一度区间内，认为此区间内都是适合的，不产生任何控制动作变化，这样就能解决设备频繁启停问题。
整个系统通过独立键盘给定温湿度的上下限值并通过LCD1602显示出来，首行显示温度，第二行显示湿度。
另外LCD除了显示上下限温湿度值，还显示实时的温湿度值。
·温室温湿度控制系统是以89C51单片机作为中央控制装置，风扇，加热设备，加湿设备，排潮设备等。
·89C51作为中央控制装置，负责中心运算和控制，协调系统各个模块的工作。
·风扇：
负责系统的降温工作。
·加热设备：
负责系统的加热工作。
·喷雾设备：
负责系统的加湿工作。
·排潮设备：
负责系统的去湿工作。
·双色灯，报警模块：
负责系统的报警功能。
如果当前的温度超过用户设定的上下值界限值时系统将自动警，双色灯在单片机的控制下有规律的切换，同时报警模块发出报警声，通知用户采取相应的措施。
·按键：
由四个独立按键构成，第一个键代表温湿度选择按键，第二个代表温湿度加按键，第三个代表温湿度减按键，第四个代表确定键。
它只在需要调整温湿度具体值时才会用到，此时液晶显示屏就会显示出温湿度数值设定界面。
第3章系统硬件设计
3.1单片机外围电路设计
经过上面的总体方案和实施措施的讨论后可以开始着手硬件系统的设计，硬件系统是应用系统的基础、软件系统设计的依据。
根据总体功能和性价比及其运行速度等因素的考虑，选用MCS-51系列的89C51为主机，满足上面的要求而且设计方便，不需要再存储扩展。
3.1.1AT89C51单片机
中央微处理器AT89C51：
AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
AT89C51具有如下特点：
40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，AT89C51设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。
AT89S51单片机综合了微型处理器的基本功能。
按照实际需要，同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性，所以在本系统中就选用价格较低、工作稳定的AT89C51单片机作为整个系统的控制器[3]。
3.1.2时钟电路
AT89C51单片机各功能部件的运行都以时钟信号为准，一拍一拍地工作。
因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
AT89C51单片机内部有一个用于构成震荡的高增益反相放大器，它的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为XTAL2。
这两个引脚构成一个稳定的自己振荡器。
外部时钟方式时外部时钟电源直接接到XTAL1端，XTAL2端悬空。
其电路如图3-1所示。
图3-1时钟电路
3.1.3复位电路
复位是单片机的初始化操作，只需给AT89C51的复位引脚RST加上大于2个机器周期的高电平就可使AT89C51复位。
复位电路通常采用上自动复位和按钮复位两种方式。
上电复位是通过外部复位电路给电容C充电加至RST引脚一个短的高电平信号，次信号随着VCC对电容C的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容的充电时间。
为保证系统可靠地复位，EST引脚上的高电平必须维持足够长的时间。
按键手动复位有电平和脉冲两种形式[4][5]。
其电路如图3-2所示。
图3-2复位电路
3.1.45V稳压电源电路
它由电源变压器，桥式整流电路D1-D4，滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C3和一只固定式三端稳压器（LM7805）极为简捷方便地搭成的。
220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1-D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。
此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。
本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。
三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件,在此5V稳压电源电路图中,经变压器后输出电压为8V,又经过D1-D4桥式整流电路变为之前的1.4倍为11.2V。
这样在LM7805的Vin和GND两端之间的压差为5.2V，一般气压差越小越好，这样对LM7805的损伤越小，但为了综合考虑有时则要这种考虑。
其电路如下图3-3中所示。
图3-35V稳压电源电路
3.2传感器的选型和接口电路设计
3.2.1传感器的基本特性
传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。
不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。
表征传感器静态特性的主要参数有：
线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
传感器的动态特性：
所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。
在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。
这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。
最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示[6][7]。
3.2.2AM2301数字温湿度传感器
（1）AM2301产品概述
AM2301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。
它运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与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
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AM2301传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用场合的最佳选则。
产品为4针单排引脚封装。
连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。
（2）产品亮点
超低能耗、传输距离远、全部自动化校准、采用电容式湿敏元件、完全互换、标准数字单总线输出、卓越的长期稳定性、采用高精度测温元件。
（3）AM2301接口定义
AM2301的引脚分配及各个引脚的简单描述分别如表3-1和图3-4所示。
表3-1AM2301的引脚分配
引脚
颜色
名称
描述
1
红
VDD
电源
2
黄
SDA
串行
3
黑
GND
地
4
NC
空脚
图3-4AM2301的引脚描述
引脚说明（VDDSDAGND）：
AM2301的供电电压范围为3.5V-5.5V,建议供电电压为5V。
数据线SDA引脚为三态结构，用于读/写传感器数据。
（4）单总线接口定义
AM2301器件采用简化的单总线通信。
单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由数据线完成。
设备（微处理器）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线；单总线通常要求外接一个约5.1kΩ的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。
由于它们是主从结构，只有主机呼叫传感器时，传感器才会应答，因此主机访问传感器都必须严格遵循单总线序列，如果出现序列混乱，传感器将不响应主机。
（5）单总线通信时序和AM2301通信格式说明
用户主机（MCU）发送一次起始信号（微处理器把数据总线SDA拉低至少800μs）后，AM2301从休眠模式转换到高速模式。
待主机的开始信号结束后，AM2301发送响应信号，从数据总线SDA串行并送出40Bit的数据，先发送字节的高位。
发送的数据依次为湿度高位、湿度低位、温度高位、温度低位、校验位，发送数据结束触发一次信息采集，采集结束后传感器自动转入休眠模式，直到下一次的通信来临。
如表3-2所示。
名称
单总线格式定义
起始信号
微处理器把数据总线（SDA）拉低一段时间（至少800μs），通知传感器准备数据。
响应信号
传感器把数据总线（SDA）拉低80μs，再接高80μs以响应主机的起始信号。
数据格式
收到主机起始信号后，传感器一次从数据总线（SDA）串出40位数据，高位先出
湿度
湿度分辨率是16Bit，高位在前；传感器串出的湿度值是实际湿度值的10倍。
温度
温度分辨率是16Bit，高位在前；传感器串出的温度值是实际温度值的10倍；
温度最高位（Bit15）等于1表示负温度，温度最高位（Bit15）等于0表示正温度；
温度除了最高位（Bit14~Bit0）表示温度值。
表3-2AM2301通信格式
（6）传感器的性能
传感器AM2301的相对温湿度性能分别如表3-3所示，而相对温湿度的的最大误差则如图3-5和图3-6所示。
图3-5相对温度最大误差
图3-6相对温度最大误差
表3-3AM2301相对湿度性能表
参数
Min
Typ
Max
单位
分辨率
0.1
℃
16
bit
精度
±0.3
±1
℃
量程
-40
80
℃
重复性
±0.2
℃
响应时间
<10
S
漂移
±0.3
℃/yr
条件
Typ
单位
分辨率
0.1
％RH
16
bit
精度
25℃
25℃
±3
％RH
重复性
±1
％RH
响应时间
<6
S
迟滞性
±0.3
％RH
漂移
典型值
<0.5
％RH/yr
（7）外设读取步骤
步骤一：
AM2301上电后（AM2301上电后要等待2S以越过不稳定状态，在此期间读取设备不能发送任何指令），测试环境温湿度数据，并记录数据，此后传感器自动转入休眠状态。
AM2301的SDA数据线由上拉电阻拉高并且一直保持高电平，此时AM2301的SDA引脚处于输入状态，时刻检测外部信号。
电气特性，如能耗，高、低电平，输入、输出电压等，都取决于电源。
步骤二：
微处理器的I/O设置为输出，同时输出低电平，且低电平保持时间不能小于800us，典型值是拉低1MS，然后微处理器的I/O设置为输入状态，释放总线，由于上拉电阻，微处理器的I/O即AM2301的SDA数据线也随之变高，等主机释放总线后，AM2301发送响应信号，即输出80us的低电平作为应答信号，紧接着输出80us的高电平通知外设准备接收数据，信号传输如图3-7所示。
图3-7单总线分解时序图
步骤三：
AM2301发送完响应后，随后由数据总线SDA连续串行输出40位数据，微处理器根据I/O电平的变化接收40位数据。
位数据“0”的格式为：
50us的低电平加26-28us的高电平；
位数据“1”的格式为：
50us的低电平加70us的高电平；
位数据“0”、位数据“1”格式信号如图3-8所示。
图3-8单总线分解时序图
AM2301的数据总线SDA输出40位数据后，继续输出低电平50us后转为输入状态，由于上拉电阻随之变为高电平。
同时AM2301内部重测环境温湿度数据，并记录数据，测试记录结束，单片机自动进入休眠状态。
单片机只有收到主机的起始信号后，才重新唤醒传感器，进入工作状态。
（8）接口电路：
建议连接线长度短于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。
电路如图3-9所示。
图3-9AM2301典型接口电路
3.3人机接口电路设计
3.3.1液晶显示电路设计
3.3.1.1LCD1602简介
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：
（1）显示质量高，由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
（2）数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
（3）体积小、重量轻，液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
（4）功耗低，相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5×7或者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。
每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此，所以他不能显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
LCD1602是指显示的内容为16×2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，其和LCD1602的控制原理是完全相同的，因此基于HD44780[8]的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
LCD1602的芯片及其接口电路如图3-10所示。
图3-101602LCD引脚图
1602LCD主要技术参数：
显示容量：
16×2个字符芯片工作电压：
4.5—5.
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