基于单片机MCU的蔬菜大棚温湿度监测系统设计.docx

1、基于单片机基于单片机 MCU 的蔬菜大棚温湿度监测系统设计的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 基于单片机(MCU)的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统设计 摘摘 要要 本设计首先给出了基于单片机的蔬菜大棚温湿度监测系统的总体方案，描述了温度传感器 DS18B20和湿度传感器 HS1101 的工作原理；其次，进行了硬件电路的设计，包括温度测量电路、湿度测量电路、键盘与显示电路以及报警电路；然后在硬件部分的基础上又进行了软件部分的设计，包括主程序流程图、按键扫描子程序流程图和温湿度程序流程图，最后运用 C 语言对各个部分进行了编程。通过实

2、践证明，该系统具有性能好、操作方便等优点，并且实现了对温湿度的测量、显示、调节和报警功能。关键词 单片机 温度传感器 湿度传感器 THE MONITORING SYSTEM OF THE TEMPERATURE AND HUMIDITY BASED ON SINGLE CHIP MIRCROCOMPUTER ABSTRACT In this paper,we first present the general scheme of the monitoring system of the temperature and humidity based on single chip microcom

3、puter,and describe the working principle of the temperature sensor DS18B20 and the humidity sensor HS1101.Secondly,this paper designed the hardware electric circuits which include temperature measurement circuit,humidity measurement circuit,key and display circuit and alarm circuit.Then on this basi

4、s,it designed the software,this software part includes main program flow diagrams,the key-press scanning subprogram flow diagrams and temperature and humidity program flow diagrams.Finally,using C language programmed each part of the scheme.Prove through practice the system has the advantage of bett

5、er performance and convenient operation,and also realized the measurement,display,regulation and alarm function of temperature and humidity.KEY WORDS single chip microcomputer the temperature sensor the humidity sensor 绪绪 论论 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,传统的方法

6、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。本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。在传统的温度测量系统设计中,往往采用模拟技术进行设计。温度传感器一般采用热电阻、热电偶等模拟器件，需要额外加补偿电路，安装复杂，成本较高。而且必须经过 A/D转换后才可以被微处理器识别和处理。这样就不可避免地遇到诸如引线误差补偿、多

7、点测量中的切换误差和信号调理电路的误差等问题;而其中某一环节处理不当,就可能造成整个系统性能的下降。而 DS1820 新型单总线数字温度传感器，采用 3脚(或 8 脚)封装，从 DS1820 读出或写入数据仅需要一根 I/O口线，而且测量精度达到 12位，最低精确到小数点后 4位有效数字。用这种智能化数字式传感器的优胜显而易见。现代湿度测量方案最主要的有两种：干湿球测湿法，电子式湿度传感器测湿法。下面对这两种方案进行比较:干湿球湿度计的特点：干湿球湿度计的准确度只有 57RH。干湿球测湿法采用间接测量方法，通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值，因此对使用温度没有严格限制，在高温环境下测湿

8、不会对传感器造成损坏。干湿球测湿法的维护相当简单，在实际使用中，只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。与电子式湿度传感器相比，干湿球测湿法不会产生老化，精度下降等问题。所以干湿球测湿方法更适合于在高温及恶劣环境的场合使用。电子式湿度传感器的特点：电子式湿度传感器的准确度可以达到 23RH。电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，电子式湿度传感器的长期稳定性和使用寿命不如干湿球湿度传感器。湿度传感器是采用半导体技术，因此对使用的环境温度有要求，超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。所以电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。系统完成后可以通过温度传感器 D

9、B18B20 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 AT89S51 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，其中温度可以有操作人员根据不同作物所需的最适宜温度进行调节，当环境温度和设置的最适宜温度之差大于 3时，报警装置即会启动。1 系统总体方案及传感器选型系统总体方案及传感器选型 1.1 系统总体设计方案简述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，显示器，键盘与报警电路等组成。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。1.2 系统的工作

10、原理系统的工作原理 温湿度测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，实现人机对话等多种功能。由数据采集及处理、单片机、控制和人机接口等 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，AT89S51 单片机、数据采集电路、LED显示器、发光二极管、蜂鸣器、键盘等。其原理结构图如图 1-1 所示：图 1-1 原理结构图 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

11、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之后送入 AT89S51 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。1.3 传感器的选型传感器的选型 传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将

12、无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量，因此选择正确的温湿度传感器在设计中起着至关重要的作用。1.3.1 温度传感器的选型温度传感器的选型 方案一：采用热电阻温度传感器 热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在

13、还原介质中易被玷污变脆。按 IEC 标准其测温范围为-200650，XX电阻比 W（100）=1.3850时，R0为 100和 10，其允许的测量误差 A级为（0.15+0.002t），B级为（0.3+0.005t）。铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工，但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。在工业中用于-50180测温。方案二：采用 DS18B20 作为温度传感器 DS18B20是由 Dallas 半导体公司生产的“一线总线”接口的温度传感器。一线总线结构具有简洁且经济的特点，可使用户轻松地组建传感器网络，从而为测量系统的构建引入全新概念，DS18B20 的测温范围为-5

14、5+125，在-10+85范围内，精度为0.0625，现场温度可直接通过“一线总线”以数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。它工作在 3V5.5V的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设计更灵活、方便，设定分辨率及用户设定的报警温度存储在 EEPROM 中，掉电后依然保存。综合比较方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。1.3.2 湿度传感器的选择湿度传感器的选择 测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物

15、质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。方案一：采用 HOS-201 湿敏传感器 HOS-201 湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流 1V 以下，频率为 50HZ1KHZ，测量湿度范围为 0100%RH，工作温度范围为 050，阻抗在75%RH（25）时为 1M。这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。方案二：采用 HS1100/HS110

16、1 湿度传感器 HS1101 电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。相对湿度在 1%-100%RH 范围内；电容量由 16pF变到200pF，其误差不大于 2%RH；响应时间小于 5S；温度系数为 0.04 pF/。可见精度是较高的。综合比较方案一与方案二，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用

17、时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。而且还不具备在本设计系统中对温度-3050的要求，因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。2 传传感器及其硬件电路设计感器及其硬件电路设计 2.1 温度传感器温度传感器 DS18B20 介绍介绍 测温元件采用新型的温度传感器 DS18B20。DS18B20 是由 Dallas 半导体公司生产的“一线总线”接口的温度传感器。一线总线结构具有简洁且经济的特点，可使用户轻松地组建传感器网络，从而为测量系统的构建引入全新概念，DS18B20 的测温范围为-55+125，在-10+85范围内，精度为0.0625，现场温度可直接通过“一线总线”以数字方式传输

18、，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20 适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。它工作在3V5.5V的电压范围，采用多种封装形式，从而使系统设计更灵活、方便，设定分辨率及用户设定的报警温度存储在 EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20 的内部结构如图 2-1 所示：图 2-1 DS18B20 的内部结构 温度测量原理电路如图 2-2 所示：图 2-2 温度测量原理电路 DS18B20主要有 4 部分组成：64 为 ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器 TH和 TL、配置寄存器。DS18B20有三个引脚，GND接地；DQ 数字信号的输出/

19、输入；Vdd为外接电源输入端。DS18B20的封装形式及引脚排列如图 2-3 所示：图 2-3 DS18B20 的引脚排列图 DS18B20有 4 个主要的数据部件：(1)光刻 ROM中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20的地址序列码。64位光刻 ROM 的排列是：开始 8位（28H）是产品类型标号，接着的48 位是该 DS18B20 自身的序列号，最后 8位是前面 56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20的目的。(2)DS18B20中的温度

20、传感器可完成对温度的测量，以 12位转化为例：用 16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以 0.0625/LSB形式表达，其中 S 为符号位。其中 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(采用寄生电源供电方式时接地)。DS18B20温度数据如表 2-1所示：表 2-1 DS18B20 温度数据表 TEMPERATURE DIGITAL OUTPUT（Binary）DIGITAL OUTPUT(Hex)+125+85+25.0265+10.125+0.5 0-0.5-10.125-25.0625 0000 0111 1101 0000 0000 0101 010

21、1 0000 0000 0001 1001 0001 0000 0000 1010 0010 0000 0000 0000 1000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1000 1111 1111 0101 1110 1111 1110 0110 1111 07D0h 0550h 0191h 00A2h 0008h 0000h FFF8h FF5Eh FF6Eh-55 1111 1100 1001 0000 FC90H (3)DS18B20温度传感器的存储器 DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存 RAM和一个非易失性的可电擦除的 EEPRAM

22、，后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL和结构寄存器。(4)配置寄存器 该字节各位的意义如表 2-2 所示：表 2-2 配置寄存器结构 TM R1 R0 1 1 1 1 1 低五位一直都是 1，TM 是测试模式位，用于设置 DS18B20在工作模式还是在测试模式。在 DS18B20 出厂时该位被设置为 0，用户不要去改动。R1和 R0 用来设置分辨率，如下表所示（DS18B20 出厂时被设置为 12位）：表 2-3 分辨率设置 R1 R0 分辨率 温度最大转换时间 0 0 9 位 93075ms 0 1 10 位 187.5ms 1 0 11 位 375ms 1 1 12 位 750ms D

23、Sl8B20 工作过程中的协议如下：初始化：ROM操作命令；存储器操作命令；处理数据。初始化 单总线上的所有处理均从初始化开始。ROM操作命令 总线主机检测到 DSl820 的存在，便可以发出 ROM 操作命令之一，这些命令如：指令代码 Read ROM(读 ROM)33H Match ROM(匹配 ROM)55H Skip ROM(跳过 ROM CCH Search ROM(搜索 ROM)F0H Alarm search(告警搜索)ECH 存储器操作命令 指令代码 Write Scratchpad(写暂存存储器)4EH Read Scratchpad(读暂存存储器)BEH Copy Scra

24、tchpad(复制暂存存储器)48H Convert Temperature(温度变换)44H Recall EPROM(重新调出)B8H Read Power supply(读电源)B4H 时序 主机使用时间隙(time slots)来读写 DSl820 的数据位和写命令字的位 (1)初始化 时序见图 2-4。主机总线 T0时刻发送一复位脉冲(最短为 480us 的低电平信号)，接着在 tl 时刻释放总线并进入接收状态，DSl8B20 在检测到总线的上升沿之后，等待 15-60us，接着 DSl8B20 在 t2时刻发出存在脉冲(低电平持续 60-240us)，如图中虚线所示：图 2-4 主

25、机读时序(2)写时间隙 当主机总线 t0时刻从高拉至低电平时，就产生写时间隙，见图 2.5、图 2.6，从 t0时刻开始 15us 之内应将所需写的位送到总线上，DSl8B20 在 t0 后 15-60us 间对总线采样。若低电平，写入的位是 0，见图 2-5；若高电平，写入的位是 1，见图 2-6。连续写2 位间的间隙应大于 1us。图 2-5 DS18B20 写 0 图 2-6 DS18B20写 1(3)读时间隙 见图 2-7，主机总线 t0 时刻从高拉至低电平时，总线只须保持低电平 t0 一 t1。之后在 t1时刻将总线拉高，产生读时间隙，读时间隙在 t1 时刻后 t2时刻前有效。t2

26、距 t0为 15us,也就是说 t2 时刻前主机必须完成读位,并在 t0 后的 60us 一 120 us 内释放总线。图 2-7 主机读时序 2.2 湿度传感器湿度传感器 HS1101 介绍介绍 测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。下面介绍 HS1101 湿度传感器及其应用。HS1101 的特点是不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，具有快速响应时间，可以自动化焊接，包括波峰

27、焊或水浸，专利设计的固态聚合物结构，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。图 2-8 为湿敏电容工作的温、湿度范围。图 2-9为湿度-电容响应曲线。图 2-8 湿敏电阻工作的温、湿度范围 图 2-9 湿度-电容响应曲线 相对湿度在 1%-100%RH 范围内；电容量由 16pF变到 200pF，其误差不大于 2%RH；响应时间小于 5S；温度系数为 0.04 pF/。可见精度是较高的。HUMIREL 湿度传感器 HS1101 基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等

28、。在需要湿度补偿的场合他也可以得到很大的应用。HS1101 的外部结构及符号如图 2-10所示：图 2-10 HS1101 的符号及外部结构 HS1101 电容式湿度传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常有两种方法：一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再 A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于 555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。空气湿度与电压频率的典型值如表 2-4所示：表 2-4 空气湿

29、度与电压频率的典型值 湿度 频率 湿度 频率%RH HZ%RH HZ 0 7351 60 6600 10 7224 70 6468 20 7100 80 6330 30 6976 90 6168 40 6853 100 6033 50 6728 本系统采用的是将 HS1101 接入 555定时器组成的震荡电路中，输出一定频率的方波信号，这种方法结构简单，使用方便，因此被广泛采用，具体结构图如 2-11下：图 2-11 HS1101 和 NE556 构成的湿度采集电路 集成定时器 NE555 一方面可以形成单稳态电路，另一方面可以形成多谐振荡电路，本系统选用的是 NE556，它内部含有两个 NE

30、555定时器，其中 R1，R2,C1,C2 和NE556构成多谐振荡器，外接电阻 R1,R2 和湿敏电容 C1构成了对湿敏电容 C1的充电回路，7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对 C1的放电回路，并将 2，6 端相连引入到片内比较器。该振荡电路的两个暂稳态过程交替如下：首先是电源 Ucc通过R1,R2 向 C2 充电，经 T1 充电时后，Uc2充至内比较器的高触发电平，约 2/3Ucc，此时输入引脚 3端由高电平突降为低电平，然后通过 R2放电，经 T2放电时间后，Uc2下降到比较器的低触发电平，约 1/3Ucc，此时输入引脚 3端又由低电平跃升为高电平，如此反复，形成方波输出，其中充

31、放电时间为：T1=C1(R1+R2)ln2 (2-1)T2=C1R2ln2(2-2)因而输出的方波频率为：f=1/(T1+T2)=1/C1(R1+2R2)ln2=50HZ(2-3)只要改变定时元件 R1和 R2就可以改变脉冲的频率，从多谐振荡器出来的信号又接入到单稳态触发器，单稳态触发器它有两个触发状态，一个稳定状态，一个暂稳定状态，在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳定状态，而暂稳定状态维持一段时间后，再自动的返回到稳定状态，且暂稳定状态持续时间长短取决与电路本身参数，图中，R3,C3 和传感器 HS1101 是外接地定时元件，触发脉冲 Ui 由 5端输出，由 8端输入，下降沿有效

32、，从 9端输出一个幅度，宽度都一定的矩形波信号，输出的脉冲宽度 Tp为：Tp=R3(C2+Cx)ln3 (2-4)虽然从 NE556输出的是标准的脉冲信号，为了减少外界对信号的干扰，设计中采用低通滤波器，过滤掉高频信号的干扰，然后直接用单片机的定时计数器 T1来测量脉宽 Tp，通过脉宽值，我们可以得到湿度传感器的电容值，知道了传感器的电容值，我们就可以分析电容与湿度的关系，下图为 HS1101 的典型输出曲线，相对湿度在 1%-99%RH之间，电容量由 163pf变化到 202pf，其误差不大于 2%RH，响应时间小于5S，温度系数为 0.04pf/。湿度传感器 HS1101 的典型输出曲线如

33、 图 2-12 所示：图 2-12 HS1101 的典型输出曲线 根据 HS1101 的典型输出曲线，以及传感器的相关资料，我们可以得到电容值与湿度值的近似关系为：RH(Cx-163）/0.39(2-5)我们可以根据前面测量出的 NE556输出的脉宽值，求出相应的电容值，再根据上式，我们就可以由相应的电容值求出湿度值。2.3 硬件电路设计 2.3.1 温度测量电路温度测量电路 温度测量采用 DS18B20，它是单线传输器件，不需校正温宿，接口接的是 P3.6,具体的温度测量电路如图 3-1 所示：图 3-1 温度测量电路 2.3.2 湿度测量电路湿度测量电路 湿度测量用的是 HS1101 电容式湿度传感器，他与 NE556组成一方波发生电路，湿度改变对应频率的变化，用单片机采集频率值进行转化得出湿度值，具体的湿度测量电路如图 3-2 所示：图 3-2 湿度测量电路 3 人机接口电路 3.1