基于单片机的大棚温湿度监测报警系统.docx
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基于单片机的大棚温湿度监测报警系统
基于单片机的大棚温湿度监测报警系统
[摘要]本系统是一个专门为大棚温湿度控制而设计的智能系统。
通过对系统的硬件部分和软件部分设计来达到监控要求。
硬件部分实现了对温湿度传感器模块、A/D转换模块、显示模块、控制模块的设计；软件部分主要根据系统的设计思想设计出了主程序和子程序流程图，并通过汇编语言和C语言实现。
通过实践证明，系统具有性能好、操作方便等优点，实现了对温湿度的显示、调节、和控制。
[关键词]A/D转换；传感器；LED
GreenhousetemperatureandhumiditymonitoringalarmsystembasedonSinglechip
Abstract：
Thissystemisaspecializedforthegreenhousetemperatureandhumiditycontrolandthedesignoftheintelligentsystem.Throughthesystemhardwareandsoftwaredesigntoachievethemonitoringrequirements.Thehardwareimplementationofthetemperatureandhumiditysensormodule,A/Dconversionmodule,displaymodule,controlmodule;themainpartofthesoftwareaccordingtothesystemdesignideainthedesignofthemainprogramandsubroutineflowchart,whichisrealizedthroughtheassemblylanguageandClanguage.Provedbypractice,thesystemhastheadvantagesofgoodperformance,convenientoperation,therealizationoftemperatureandhumiditydisplay,adjustment,automaticcontrolandmanualcontrol.
Keywords：
A/Dconversion;Sensor;LED
目录
第一章绪论1
1.1课题背景1
1.2预期目标1
第二章设计方案及硬件电路设计2
2.1系统总体设计方案简述2
2.1.1基本功能2
2.1.2主要技术参数2
2.3系统的组成和工作原理2
2.3.1系统的组成2
2.3.2系统的工作原理3
第三章系统硬件设计4
3.1单片机介绍4
3.1.1AT89C51单片机简介4
3.1.2AT89C51引脚简单介绍6
3.2温湿度传感器的确定8
3.2.1温度传感器8
3.2.2湿度传感器10
3.3液晶显示器12864的介绍10
3.4声音报警系统与温湿度控制系统设计12
3.5整体电路13
第四章软件系统设计14
4.1温湿度检测模块与温湿度判断控制模块14
4.21602液晶显示模块15
4.3报警模块15
4.4系统整体软件程序15
4.4.1主程序模块15
4.4.218B20测温模块18
4.4.312864液晶显示模块20
第五章实物安装与调试23
5.1电路板模块连线23
5.2软件程序的调试23
5.3硬件测试26
总结.............................................................30
致谢31
参考文献:
32
第一章绪论
1.1本课题的研究背景
温湿度是衡量温室大棚的重要指标,它直接影响到栽培作物的的生长和产量,为了能给作物提供一个合适的生长环境,首要问题是加强温室内的温湿度的检测,但传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。
这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。
因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。
该设计即是针对这一问题,设计出了能够实现温湿度自动检测,显示,上下限报警等多功能的温湿度监测控制系统。
1.2本课题预期的目标
系统完成后可以通过温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1101对大棚温室内的温湿度进行测量，通过单片机AT89C51对采集到的数据进行处理，用LED显示出当前环境的温湿度状况，当环境温湿度和设置的最适宜温湿度出现相差时，报警装置即会启动。
第二章设计方案及硬件电路设计
2.1系统总体设计方案简述
该温湿度测控系统是由数据采集和处理系统和报警系统组成，由温度、湿度传感器，模拟量输入通道、A/D转换、显示器与报警电路等组成。
通过对信号的采集、分析、处理，然后输出信号来使执行部件进行动作，使温室大棚达到所要求指标。
2.1.1系统基本功能
1检测温度，湿度
2显示温度，湿度
3过限提示，报警
2.1.2系统主要技术参数
温度检测范围:
0℃-50℃
测量精度:
±0.5℃
湿度检测范围:
0%-100%RH
检测精度:
±2.5%RH
2.2系统的组成和设计思路
2.2.1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，报警电路。
见图2.1选用的主要器件有：
单片机AT89C51，HS1100/HS1101湿度传感器，温度传感器18B20，1602LCD显示模块，，红绿LED灯。
由温度传感器与湿度传感器测得实时温湿度送于单片机并与标准值进行比较，再由单片机发出指令驱动空调控制系统调节温湿度。
如图2-1所示。
图2-1系统的组成
2.2.2系统的工作原理
温湿度监控系统能完成数据采集和处理、显示、串行通信、输出控制信号等多种功能。
由数据采集、数据调理、单片机、控制等4个大的部分组成。
该测控系统具有实时采集（检测温室大棚内的温湿度）、实时处理（对监测到的温湿度值进行比较分析，决定下一步控制进程）、实时控制（根据处理的结果发出控制指令，指挥被控对象动作）的功能。
主要硬件包括温度传感器，湿度传感器，AT89C51单片机、数据采集电路、LED显示器、A/D转换器等。
首先充分考虑气候、环境因素对植物的影响，并根据温室大棚内植物保持正常状态所需的温度和湿度，设计出温湿度参考值预先存储于单片机中。
系统的数据采集部分是将温湿度传感器置于温室内部，测出室内的温湿度值，经过放大、A/D转换为数字量之后送入AT89C51单片机中，然后LED显示出温湿度测量值。
单片机将预设的参考值与测量值进行比较，根据比较结果做出判断。
当温湿度值超过允许的误差范围，系统将发出报警，如果有必要，工作人员还可以根据实际的情况通过键盘或按钮来人工修改片内存储的预设值。
通过对整个系统的核心单片机部分的设计，达到优化控制温湿度的目标。
图2-2温湿度检测系统工作流程图
第三章系统硬件结构设计
本设计主要是基于AT89C51芯片为核心的温湿度自动调节的大棚控制器系统，DS18B20温度传感器与DS1100湿度传感器组成的温湿度测量电路、液晶显示等器件组成，包括单片机系统、温湿度测量电路、单片机复位电路、LCD显示电路。
主要实现温湿度测控功能。
本系统成本低廉，功能实用。
3.1单片机介绍
单片机的全称是单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）。
为了使用方便，它把组成计算机的主要功能部件：
中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM、EPROM、E2PROM或FLASH）、定时/计数器和各种输入/输出接口电路等都集成在一块半导体芯片上，构成了一个完整的计算机系统。
与通用的计算机不同，单片机的指令功能是按照工业控制的要求设计，因此它又被称为微控制器（Microcontroller）。
3.1.1AT89C51单片机的基本简介
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。
片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
AT89C51管脚图如图3-1所示。
图3-1AT89C51管脚图
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。
图3-2AT89C51单片机的片内硬件组成结构
3.1.2AT89C51引脚简单介绍
VCC：
供电电压
GND：
接地
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚写“1”时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部电位必须被拉高；
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收；
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号；
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL），也是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INT0（外部中断0）
P3.3INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
同时P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号；
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高平时间；
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效；
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。
但在访问内部部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现；
EA/VPP：
当EA保持低电平时，访问外部ROM；注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，访问内部ROM。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）；
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
图3-389C51的引脚封装图3-4时钟电路
3.2温度传感器湿度传感器的选择
3.2.1温度传感器DS18B20
常用的温度传感器有热敏电阻、热电偶、PN结温度传感器、集成温度传感器、热电阻等。
对于温室内部温度的检测，温度传感器选择DALLAS公司生产的一线制数字温度传感器DS18B20，它具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出。
DS18B20有三个引脚，GND接地；DQ数字信号的输出/输入；Vdd为电源输入端。
图3-5DS18B20引脚图
1.适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电
2.独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯
3.DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温
4.DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内
5.温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃
6.可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温
7.在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快
8.测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力
9.负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
DS18B20特点：
独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源测量温度范围为-55°C至+125℃。
DS18B20引脚定义：
（1）DQ为数字信号输入/输出端；
（2）GND为电源地；（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
3.2.2湿度传感器HS1101
本系统需要检测温室大棚内的湿度，目前已有许多湿敏器件，按感湿材料来分，大致有四类：
电解质，半导体陶瓷，高分子和其它型式。
温室内的相对湿度大，变化速度慢，不需要高的响应时间，但是对线性度和稳定性要求高，所以经过选择采用电容式集成湿度传感器HS1101来检测温室大棚内部的湿度。
图3-6a为湿敏电容工作的温、湿度范围。
图3-6b为湿度-电容响应曲线。
HS1101是基于独特工艺设计的固态聚合物结构，在电路中等效于一个电容器，其电容随所测空气的相对湿度增大而增大。
HS1101具有极好的线性输出，在相对湿度为0～100％RH的范围内，电容的容量由163pF变化到202pF，其误差不大于±2％RH；湿度量程为1～99％RH，工作温度范围为-40℃～100℃；湿度输出受温度影响极小（温度系数仅为0.04pF／℃）；常温下使用无需温度补偿，无需校准。
3.3液晶显示器12864的基本介绍
液晶显示模块概述
YM12864R汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。
主要技术参数和显示特性:
电源：
VDD3.3V~+5V（内置升压电路，无需负压）；
显示内容：
128列×64行；显示颜色：
黄绿；显示角度：
6：
00钟直视；LCD类型：
STN与MCU接口：
8位或4位并行/3位串行；配置LED背光；多种软件功能：
光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。
图3-712864实物图
12864液晶引脚说明大致如下：
VSS、VCC分别是电源地与电源正极。
V0为屏幕的对比度与亮度的调整。
RS：
RS=“H”,表示DB7——DB0为显示数据。
RS=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据。
RW：
R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0。
R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR。
E：
使能信号。
DB0~DB7：
三态数据线。
PSB：
8位或4位并口方式。
NC为空脚。
RST：
复位端，低电平有效。
VR：
LCD驱动电压输出端。
LA、LK分别为背光源正端与负端。
图3-812864引脚说明图
3.4报警系统与温湿度控制系统设计
本系统采用红绿LED灯作为光报警提示，当系统检测到的数据符合给定的要求时，现场始终绿灯显示；当系统检测到的数据不符合给定的要求时，现场转化为红灯报警提示；本系统采用蜂鸣器作为声报警提示，当系统检测到的数据符合给定的要求时，现场没有蜂鸣器报警示；当系统检测到的数据不符合给定的要求时，现场蜂鸣器报警提醒。
图3-7报警系统电路图
3.5本系统的整体电路
根据本章前面对设计的各个相关模块的分别讲述讲述，再结合单片机的引脚功能，从而得到系统整体电路图，如图3-8所示。
图3-8电路原理图
第四章系统软件设计
本系统软件系统设计包过：
系统初始化模块，温湿度检测模块，1602LCD显示模块，报警模块，温湿度判断控制模块。
系统软件总体流程图如图17
图4-1系统流程图
4.1温湿度检测模块与温湿度判断控制模块
温湿度检测模块是本系统中的核心模块之一，它负责完成温度和湿度的测量及模拟量转换为数字量的全过程，这也是它为什么重要的原因。
温度传感器与湿度传感器直接把检测到的模拟量转化为数字量送给单片机，在经过单片机的处理，把温湿度值显示在12864液晶上。
温湿度传感器的精确度值直接影响到整个系统的检测与控制。
温湿度判断控制模块也是系统的核心模块之一，所谓判断控制模块，就是对当前大棚内的实际温湿度与给定的温湿度范围进行比较，先进行判断，然后再进行控制，控制模块是决定系统将要进行什么工作的。
如温度高于上限时需要降温，低于下限时需要升温，如湿度高于上限时需要降湿，低于下限时需要増湿，同时还要启动警报等等。
4.21602液晶显示模块
本系统采用1602液晶显示温湿度值，当系统刚开始上电时1602液晶不显示任何数据，等待18B20的监测数据，双行显示在1602液晶上。
第一行与第二行显示：
徐泰-毕业设计1001应用电子，第三行显示：
湿度:
--%，第四行显示：
温度:
--。
C。
4.3系统报警模块
报警模块具备两项功能，即为报警灯和声音报警。
报警灯模块是完成LED有规律的转换，以便从视觉上提醒用户。
LED是由单片机控制2个双色LED灯组成的，其转换规律为：
1系统温湿度值在给定的范围时，黄色LED灯不亮。
2系统温湿度值超出给定的范围时，黄色与红色LED亮。
在LED灯转换的同时，声音报警也会同时启动，可采用延时的方式来延长声音报警的声音。
警报灯由2个双色的LED灯组成，一共需要2根数据线，使用单片机控制。
要实现的功能是使2个双色LED灯有规律的转换，当系统上电后，系统进行实时的采样，并判断出当前温湿度与给定温湿度之间的差异，如果当前温湿度低于用户给定的下限温湿度值，则说明当前温湿度过低，系统自动启动双色警报灯，。
反之，如果当前温湿度高于用户设定的上限温湿度值，则说明当前温湿度过高，系统也会自动启动警报。
4.4系统整体软件程序
本设计采用的是模块化的思路来进行设计和编写程序，程序主要由系统主程序和显示程序构成。
系统程序设计的主要的功能是实时温湿度与标准值的对比，报警指令的发送和个人信息的液晶显示。
本系统采用C语言编程，使用单片机编程软件:
Keil软件[11]。
4.4.1主程序模块
实现温湿度传感器进行温湿度信息的采集，采用AT89C51单片机对信号进行对比，实时温湿度值显示在12864液晶显示屏上，当温湿度值在标准值范围内，液晶显示屏显示出个人信息与当前温湿度数值，当温湿度数值大于或低于标准值范围时，显示温湿度数值并进行声光报警。
#include
#include
#include"pcf8591.h"
#include"18b20.h"
#include"12864.h"
#include"delay.h"
sbitPAUSE=P3^0;//定义端口
sbitRLED=P1^4;
sbitBUZZER=P1^3;
sbitYLED=P1^5;
unsignedchartemp[]={"温度:
℃"};//定义数组
unsignedchartable[]={"湿度:
RH"};
unsignedcharhu,adchu;//定义字符变量
unsignedchartempreture;
voidinit_pcf8591（）//定义pcf8591的初始化
{
iic_start（）;
iic_sendbyte（0x90）;
iic_waitack（）;
iic_sendbyte（CHANNEL_3）;
iic_waitack（）;
iic_stop（）;
delay（10）;
}
voidRledBlink（void）//定义红灯闪烁
{
RLED=0;
delay（200）;
//RLED=1;
//delay（200）;
}
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