温室.docx
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温室
目录
摘要1
第一章系统方案设计2
1.1报警系统的总体构成2
1.2报警系统的功能及工作过程3
第二章报警系统探测电路设计4
2.1温度探测电路设计4
2.1.1温度探测电路器件选择4
2.1.2DS18B20工作原理5
2.1.3温度探测电路7
2.2湿度探测电路设计8
2.2.1湿度探测电路器件选择8
2.2.2HTF3223参数9
2.2.3湿度探测电路10
第三章报警系统电路设计11
3.1自动报警电路设计11
3.2微处理器电路的设计11
3.2.1微处理器器件的选择11
3.2.2微处理器电路的连接12
3.3报警提示电路设计14
3.4LCD显示电路14
3.4.1LCD显示电路器件的选择14
3.4.2LCD显示原理15
3.4.3LCD1602显示电路的连接16
3.5电源电路设计17
3.6电话报警电路17
3.6.1电话报警元器件选择18
3.6.2电话报警电路20
第四章报警系统硬件电路的调试21
4.1系统电路调试21
4.2工作电路调试21
4.3显示电路调试22
4.4结果分析22
结论23
致谢词．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
文献检索．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
附录原理图26
摘要
随着科学技术的飞速发展和人们生活水平的提高，人们对生活质量的要求越来越高，在这种情况下，温室得到了广泛的应用，特别是温室大棚的应用更加广泛，它涉及了生活的方方面面，如蔬菜种植、花卉种植等。
但不论是蔬菜种植还是花卉种植，对温室环境的要求都极为严格，特别是温度与湿度的影响尤为明显，大棚内温度、湿度过高或过低，都不利于温室中蔬菜或花卉的正常发育生长。
高温高湿引起植株徒长，抵抗能力弱，易引起病虫害的发生；高湿低温又易诱发沤根、植株冻伤等，从而引起植株死亡。
高湿时，为多种蔬菜的病害发生及蔓延创造了有利条件。
所以，温室大棚内适宜的温湿度对蔬菜的正常生长及产量有着重要的。
在市场上，各公司及厂家根据这一情况研究开发出了各种温室环境的报警系统，在国内外，温室环境报警系统的使用越来越普及，它随着温室的大规模广泛使用，它不论是在技术上还是在使用上都得到了很大提高，并日趋成熟。
但现在市场上卖的产品多存在价格昂贵，设备使用繁琐。
但本课题设计的温室环境监控报警系统，在除能满足对温室实施监控报警外，使用更简单化，并且能保证很好的灵活性，准确性和较低的成本，是建立在目前市场上常用的监控报警系统的基础上，设计出的一款更好的监控报警系统。
第一章系统方案设计
本文详细的说明了温室环境监控报警系统的总体设计方案和流程，为了方便读者的阅读，本文还分别介绍了各部分电路的组成、功能及工作过程，做到让读者对该文章的认识清晰、明了。
1.1报警系统的总体构成
本文主要介绍温室环境监控报警系统的重要性及基本理论和制作过程。
该报警系统是根据当前的社会发展状况和需求设计的，具有很强的实用性，它不仅测量精度高，而且使用也非常简便。
本温室环境监控报警系统的设计是将电子探测、LCD显示和报警技术相结合，从而形成一个温度、湿度报警系统。
系统总体构成包括温度探测系统、湿度探测系统、主控CPU、报警系统、显示系统五个部分组成，系统组成框图如图1-1所示。
图1-1温室环境监控报警系统组成框图
主控CPU采用AT89C51单片机，它是整个系统的核心，写入程序后对整个系统进行控制。
用于对温室各个不同部位的不同类型探测器（温度、湿度）进行监测与控制，并对从各个探测器采集来的数据进行处理。
当出现异常情况时，系统便自动报警。
1.2报警系统的功能及工作过程
本文所介绍设计的温室环境监控报警系统具有以下特点和功能：
（1）系统采用模块化设计。
（2）主控CPU能够快速、准确地检测到现场的异常状态，经确认后进行蜂鸣器
报警。
（3）LCD显示器对温室环境进行显示。
LCD1602采用双排输出字符的形式显示
温湿度值，直接通过单片机将数据并行送到显示芯片。
系统的基本工作过程：
该温室环境监控报警系统可由直流电供电进行工作。
该系统可有效的对环境的温度与湿度过高或过低进行报警。
当温室环境适宜时，报警系统处于警戒状态。
但当温室的温度或湿度过高或过低时，与之相应的报警探测器立即向主控CPU发出报警信号。
接到警情事件后，主控CPU立即进行确认，当确认无误后进行事件的现场蜂鸣器提示报警。
自动报警器的面板上设有LCD显示器、可以显示出即时环境的温度与湿度。
第二章报警系统探测电路设计
探测电路设计是该系统电路的重要组成之一，探测电路由温度探测电路、湿度探测电路组成，本文将对其作重点介绍。
探测电路主要是对温室环境进行实时监测，当出现异常情况时，及时向主控CPU传递报警信号。
2.1温度探测电路设计
温度探测器能够敏感的探测温度，实时采集现场温度，传递给主控CPU并与预设温度值进行比较，当超出预设值时由CPU发出报警信号。
根据这一特性，温度探测器非常适用于温室环境的检测。
温度探测器原理如图2-1所示。
图2-1温度探测器原理示意图
2.1.1温度探测电路器件选择
在设计中，温度探测器我们选用的是数字温度传感器DS18B20。
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；并且其接口电路比较简单；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；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
我们的设计中，温度只需要精确到1℃，并且我们的设计需要对各个房间进行检测，所以有可能会用到好几个温度传感器，根据以上特点，可知DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。
因此我们最终选择数字温度传感器DS18B20作为我们温度探测电路中的器件。
DS18B20的管脚排列如图2-2所示，DQ为数字信号输入／输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。
图2-2DS18B20的管脚排列图
DS18B20特征：
（1）独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通信。
（2）每个器件有唯一的64位的序列号储存在内部储存器中。
（3）简单的多点分布式测温应用。
（4）无需外部器件。
（5）可通过数据线供电。
供电范围为3.0V到5.5V。
（6）测温范围为-55～+125℃。
（7）在-10～+85℃范围内精确度为±5℃。
（8）温度计分辨率可以被使用者选择为9～12位。
（9）最多在750ms内将温度转换为12为数字。
（10）用户可定义的非易失性温度报警设置。
（11）报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件。
（12）与DS1822兼容的软件。
（13）应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统。
DS18B20既可寄生供电也可由外部5V电源供电。
在寄生供电情况下，当总线为高电平时，DS18B20从总线上获得能量并储存在内部电容上，当总线为低电平时，由电容向DS18B20供电。
2.1.2DS18B20工作原理
DS18B20内部结构如图2-3所示，主要由4部分组成：
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
图2-3DS18B20内部结构图
DS18B20的测温原理是利用温敏振荡器的频率随温度变化的关系，把温度信号直接转换为串行数字信号，通过内部计数器对受温度影响的振荡器周期的计数可实现温度测量。
低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时振荡器的脉冲无法
图2-4DS18B20温度值格式
通过门电路。
DS18B20输出的温度数据用摄式温度校准；对于华氏温度的应用，可以通过一个转换程序查找。
温度数据存储在一个16位的扩展符号中的两个补充数目的温度寄存器中（见图2-4）。
符号位（S）指示温度的正负：
如果为正，S=0，否则S=1。
如果DS18B20的精度设为12位，则所有温度寄存器中的位将包含有效的数据。
对于11位的精度，位0没有定义。
对于10位的精度，位1和位0没有定义。
而对于9位的精度，位2、位1和位0没有定义。
表2-1给出了数字输出的数据和对应12位精度转换时读得的温度值。
表2-1温度/数据的关系
温度
数字输出（二进制）
数字输出（16进制）
+125°C
0000011111010000
07D0h
+85°C*
000010101010000
0550h
+25.0625°C
0000000110010001
0191h
+10.125°C
0000000010100010
00A2h
+0.5°C
0000000000001000
0008h
0°C
0000000000000000
0000h
-0.5°C
1111111111111000
FFF8h
-10.125°C
1111111101011110
FF5Eh
-25.0625°C
1111111001101111
FE6Fh
-55°C
1111110010010000
FC90h
DS1B20完成一次温度转换后，就拿温度值与和存储在TH和TL中一个字节的用户自定义的报警预置值进行比较。
标志位（S）指出温度值的正负：
正数S=0，负数S=1。
TH和TL寄存器是非易失性的，所以它们在掉电时仍然保存数据。
当TH和TL为8位寄存器时，4位温度寄存器中的11个位用来和TH、TL进行比较。
如果测得的温度高于TH或低于TL，报警条件成立，DS18B20内部就会置位一个报警标识。
每进行一个次测温就对这个标识进行一次更新；因此，如果报警条件不成立了，在下一次温度转换后报警标识将被移去（如图2-5所示）。
图2-5TH和TL寄存器格式
2.1.3温度探测电路
温度探测器使用5V直流电压供电。
探测器中DS18B20采用寄生电源供电方式，保证在有效的DS18B20时钟周期内能提供足够的电流，在图2-6中，DS18B20的输出端OUT接AT89C51的P1.0口，采用一个电阻和单片机的P1.0口来完成对DS18B20的总线上拉，该I/O口对DS18B20进行控制并取得温度值。
DS18B20采用的是串行数字传送，它是将温度以二进制数的形式一个一个进行传送，在传送的过程中，有的数字为高电平，为了在传送过程中，保证数据的长距离传送，所以要用一个上拉电阻将电平拉高。
系统中，DS18B20一直会不停的工作，对于温度的报警，要等待DS18B20将数据全部传到CPU中，并对CPU中设定的值进行比较后，才能做出是否报警的处理。
图2-6温度探测电路
2.2湿度探测电路设计
湿度探测电路用于对温室湿度进行监测，当温室湿度超过限定值时，探测电路向单片机发送报警信号。
湿度探测电路原理图如图2-7所示。
图2-7湿度探测电路原理图
2.2.1湿度探测电路器件选择
在湿度电路设计中，我使用HTF3223湿度采集模块，HTF3223是用电容式相对湿度传感器HS1101做的频率输出湿度模块，适用于需要精确可靠检测湿度的用户，有很小的易于安装的接头，可以非常节省成本的机械自动安装。
由于它是线性的频率输出湿度检测模块，因此可以直接与微处理器相接。
湿度采集模块HTF3223主要特性：
（1）瞬时饱和后长时间饱和阶段。
（2）快速响应时间。
（3）高化学抗性。
（4）不受水浸影响。
（5）专利的固态聚合物结构。
2.2.2HTF3223参数
HTF3223是一款电容式相对湿度采集模块，它以频率的形式输出数据。
最大额定值如表2-2所示。
表2-2最大额定值表
参数
符号
参数值
单位
储存温度
Tstg
-40—85
℃
存储湿度范围
RHstg
0—100
%RH
供电电压
Vs
7
Vdc
湿度范围
RH
0—99
%RH
温度范围
Ta
-30—80
℃
特征参数如表2-3所示。
表2-3特征参数表
特征参数
符号
Min
Typ
Max
单位
湿度测量范围
RH
10
95
%RH
相对湿度准确度
RH
+/-5
+/-10
%RH
供电电压
Vs
4.75
5.0
5.25
Vdc
标称输出@相对湿度=55％
Fout
8670
8570
8830
Hz
漏电流
Ic
0.1
mA
温度系数（0—60℃）
Tcc
+/-0.1
%RH/℃
平均灵敏度（33%—75%RH）
△C/%RH
0.34
Pf/%RH
灌电流能力
Is
100
uA
恢复时间@150结露
t
10
s
湿滞
+/-1.5
%RH
长时间稳定性
0.5
%RH/yr
响应时间（33至76％相对湿度，静态，@63％）
τ
10
s
湿度采集模块输出模拟信号频率为：
f=9740-18×RH（公式2-1）
其频率与湿度的关系表如表2-4所示。
表2-4频率与湿度关系表
RH（%）
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
f（Hz）
9560
9470
9380
9290
9190
9110
9020
8930
8840
RH（%）
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
F（Hz）
8750
8660
8570
8480
8390
8300
8210
8120
8030
由表2-4可知，频率与湿度呈线性关系，且湿度越大对应的频率越小。
2.2.3湿度探测电路
湿度探测电路如图2-8所示，电源是由5V直流电源供电，HTF3223湿度采集模块将采集到的频率送到单片机内，单片机对其进行处理，根据频率计算出当前的湿度值，然后将所得的湿度值与单片机预设值进行比较，如果计算值在预设值范围内，单片机循环上次工作，如果计算值超过预设值，单片机则将报警信号传递给报警系统进行蜂鸣器报警。
图2-8湿度探测电路
第三章报警系统电路设计
3.1自动报警电路设计
用户端自动报警电路是整个报警系统的重中之中，自动报警电路如图3-1所示，它是由电源模块、LCD显示模块和报警电路模块组成。
图3-1自动报警电路组成框图
3.2微处理器电路的设计
3.2.1微处理器器件的选择
系统微处理器采用美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机。
这是因为AT89C51采用COMS工艺，是一种低功耗、高性能的，与INTEL8051系列单片机完全兼容的8位微控制器。
AT89C51内部带有4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
并且对于AT89C51我们比较熟悉，使用起来比较熟练。
AT89C51提供以下标准功能：
4k字节可重擦写Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保持RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
它的引脚图如图3-2所示。
图3-2AT89C51引脚图
3.2.2微处理器电路的连接
微处理器电路硬件设计见图3-3所示。
振荡电路由两个33P的电容和12MHz的晶振构成，是电路中定时信号的产生方法。
它接的是AT89C51的XTAL1和XTAL2两个端口，XTAL1和XTAL2分别是振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端和振荡器反相放大器的输出端。
P1.0、P3.4分别与温度、湿度传感器相连，实现对各种警情数据的采集。
对于P1.0、P3.4，它们警情数据送入CPU，因此在系统中是AT89C51的输入端。
为防止环境干扰信号对触发中断的影响，当响应中断后，对中断信号多次巡检，确认是中断信号时，才去执行中断处理子程序，否则认为是外界干扰信号不执行报警处理，有效降低误报机率。
图3-3微处理器电路硬件连接图
REST是接单片机复位电路，复位电路如图3-4所示，它是对单片机进行复位，在设计中我们使用的是按键复位。
AT89C51的复位需出现两个机器周期以上高电平，也就是高电平复位。
当按下开关时，RST端口接通+5V的电源，电压会上升到与电源相同的电位。
同时，由于电容有储存电量的作用，因此电容也有了电量，所以在开关断开以后，电容会放出能量，使RST端继续为高电平，当电压持续达到单片机工作的两个机器周期时，单片机就会实现复位，当电容中储存的电量放完以后，RST端恢复低电平，复位结束。
图3-4开关复位电路
3.3报警提示电路设计
对于报警提示功能的实现，本系统在设计上使用蜂鸣器，当灾情发生时，蜂鸣器会发出声音向人们进行提示。
使用蜂鸣器只是提示危险信号，人们可以通过显示部分查询报警类型。
这样不但简短了开发周期，同时也节约了成本。
蜂鸣器硬件连接图如图3-5所示。
其中采用3极管放大信号，目的是为了增加蜂鸣器的响度。
使用单线与单片机的P2.1端口连接，只实现蜂鸣器的开与关，其中低电平有效。
也就是说，当P2.1为低电平时，蜂鸣器发出声音，实行报警。
图3-5蜂鸣器电路连接图
3.4LCD显示电路
LCD显示电路对报警的种类进行显示。
当正常时LCD显示当前温湿度，事件发生时可通过LCD显示查看报警类型。
LCD（LiquidCrystalDisplay）显示器即常说的液晶显示器，具有耗电省、体积小等特点，被广泛应用于嵌入式系统中。
常见的LCD有TN（TwistNematic）、STN、TFT（TinFilmTransistor）等。
LCD的主要参数有分辨率、背光、接口、色彩、刷新率等。
3.4.1LCD显示电路器件的选择
显示电路在该设计中占有比较重要的地位。
这是因为报警系统包括盗情、灾情、有害气体泄露的探测报警，我们使用的蜂鸣器声音提示报警只能提示用户有危险信号，但不能直接告诉用户是什么灾情，这样不能给用户准确的报警，使用户不能采取有效的措施，所以显示电路就尤其重要。
目前，在日常应用中，常用的显示有：
LED显示和LCD显示。
而他们的优缺点如下。
（1）LED显示的硬件电路设计简单、价格便宜，缺点是显示消耗的电流较高，体积大，在低功耗手持式仪器中很少使用。
（2）液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。
在我们的设计课题中，要求显示灾情的类型，因此我们将选用LCD显示。
在LCD的器件选择中，我们选用LCD1602。
LCD1602是常见的1602B字符型LCD模块，它的资料比较好找，学起来比较容易。
并且1602B可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、E三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光。
表3-1说明了LCD1602的引脚功能。
表3-1LCD1602引脚说明
管脚
名称
引脚说明
管脚
名称
引脚说明
1
GND
电源地
9
DB2
双向数据
2
VDD
电源正极
10
DB3
双向数据
3
VL
对比度调节
11
DB4
双向数据
4
RS
数据/命令选择
12
DB5
双向数据
5
R/W
读/写选择
13
DB6
双向数据
6
E
模块使能端
14
DB7
双向数据
7
DB0
双向数据口
15
BLK
背光源地
8
DB1
双向数据口
16
BLA
背光源正
3.4.2LCD显示原理
液晶显示器LCD的显像原理，是将液晶置于两片导电玻璃之间，靠两个电极间电场的驱动，引起液晶分子扭曲排列的电场效应，以控制光源透射或遮蔽功能，在电源关开之间产生明暗而将影像显示出来，若加上彩色滤光片，则可显示彩色影像。
在两片玻璃基板上装有配向膜，所以液晶会沿着沟槽配向，由于玻璃基板配向膜沟槽偏离90度，所以液晶分子成为扭转型，当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90度扭转，通过下方偏光板，液晶面板显示白色（如图3-6左所示）；当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配列变化，光线通过液晶分子空隙维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，液晶面板显示黑色（如图3-6右所示）。
液晶显示器便是根据此电压有无，使面板达到显示效果。
图3-6液晶显示原理图
3.4.3LCD1602显示电路的连接
本系统的LCD1602硬件连接图如图3-7所示。
其中，VCC连接+5V电源，LCD1602的工作电压为4.5～5.5V，GND连接地。
LCD的7引脚～LCD的14引脚直接接AT89C51的P0.0～P0.7引脚，用于数据的传送，7引脚～14引脚为8位数据总线，三态双向。
LCD4引脚、LCD5引脚、LCD6引脚分别接AT89C51的P2.5、P2.6、P2.7，是对LCD1602数据/指令命令的选择。
RS为MCU写入数据或者指令选择端。
MCU要写入指令时，使RS为低电平；MCU要写入数据时，使RS为高电平。
R/W为读写控制端。
R/W为高电平时，读取数据；R/W为低电平时，写入数据。
E为LCD模块使能信号控制端。
通过这三个引脚，LCD1602可以完成MCU对它的操作，完成显示功能。
第三引脚VL为LCD对比度调节端，电压调节范围为0～5V。
接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，R13是为了调整亮度设置的滑动变阻器，当R13变大，亮度变小；反之则变大。
LCD1602芯片电路的连接比较简单，它主要是对软件的设计。
图3-7LCD显示硬件电路图
3.5电源电路设计
电源电路如图3-8所示，因为本系统采用是5V电压供电，故可以采用USB端口直接供电。
USB是英文UniversalSerialBUS的缩写，中文含义是“通用串行总线”。
它不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的接口技术。
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