基于單片機(jī)的溫濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮媛碩， 宋吉江

(山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 山東 淄博 255091)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量要求顯著提高，對(duì)植被的要求也越來(lái)越嚴(yán)格.如何種植出品種優(yōu)良的植物，一直是人們研究的話題.而基于單片機(jī)的溫濕度控制系統(tǒng)對(duì)解決這些問(wèn)題有著非常重大的意義.現(xiàn)代社會(huì)越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)都要求在嚴(yán)格的環(huán)境條件下完成，而溫度和濕度是最基本的環(huán)境條件，也是影響較大的因素.一般溫濕度控制系統(tǒng)中的溫濕度測(cè)量均采用熱敏電阻與濕敏電容，這種傳統(tǒng)的模擬式溫濕度傳感器一般都需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路并經(jīng)過(guò)復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過(guò)程，因此測(cè)量精度難以保證，且在線性度、重復(fù)性、互換性等方面也存在一定問(wèn)題[1-2].

環(huán)境的監(jiān)測(cè)與控制在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用.AT89C51單片機(jī)是常用于控制的芯片，在智能儀器儀表、工業(yè)檢測(cè)控制、機(jī)電一體化等方面取得了令人矚目的成果，用其作為溫濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)的實(shí)例也很多.使用AT89C51單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度全程的自動(dòng)檢測(cè)與控制，而且AT89C51單片機(jī)易于學(xué)習(xí)、掌握，性價(jià)比高.使用AT89C51型單片機(jī)設(shè)計(jì)溫濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)，可以及時(shí)、精確的反映室內(nèi)的溫度以及濕度的變化.完成諸如升溫到特定溫度、降溫到特定溫度、在溫度上下限范圍內(nèi)保持恒溫等多種控制方式，在濕度控制方面也是如此[3].將此系統(tǒng)應(yīng)用到溫室大棚當(dāng)中無(wú)疑為植物的生活提供了更加適宜的環(huán)境.

本系統(tǒng)所要完成的任務(wù)是：(1)人性化的設(shè)計(jì).根據(jù)植物的生活需求，把溫濕度值控制在一定的范圍內(nèi)；(2)能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確的顯示采樣溫度值與濕度值；(3)通過(guò)采集溫度及濕度值，準(zhǔn)確的判斷標(biāo)準(zhǔn)值與當(dāng)前值之間的差異，及時(shí)的啟動(dòng)報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警，并采取相應(yīng)的控制方案.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要完成的設(shè)計(jì)功能是：(1)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚溫濕度參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，測(cè)量空間的溫度和濕度，由單片機(jī)對(duì)采集的溫濕度值進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、顯示，實(shí)現(xiàn)溫濕度的智能檢測(cè)[4]；(2)實(shí)現(xiàn)超越數(shù)據(jù)的及時(shí)報(bào)警，并啟動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫室的目的；(3)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備應(yīng)具有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力.測(cè)溫范圍：0℃～60℃；測(cè)溫精度：±0.5℃；測(cè)濕范圍：0～100%RH；測(cè)濕精度：±2.5%RH.

1.2 系統(tǒng)的組成和工作原理

1.2.1 系統(tǒng)的組成

以單片機(jī)為控制核心，采用溫濕度測(cè)量、通信技術(shù)、控制技術(shù)等技術(shù)、以溫濕度傳感器作為測(cè)量元件，構(gòu)成智能溫濕度測(cè)量控制系統(tǒng).可分為溫濕度測(cè)量電路，顯示電路，聲光報(bào)警電路，溫濕度控制電路(圖1).選用的主要器件有：AT89C51單片機(jī)、溫濕度傳感器AM2301、1602LCD顯示模塊、降溫裝置風(fēng)扇、升溫裝置加熱器、増濕裝置噴霧器、除潮裝置除潮器、紅綠LED燈、報(bào)警裝置蜂鳴器等.

1.2.2 系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C51為核心，數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示、報(bào)警都要通過(guò)單片機(jī).數(shù)據(jù)采集通過(guò)單總線的智能數(shù)字溫濕度傳感器AM2301完成；通過(guò)單片機(jī)把采集的數(shù)據(jù)顯示在1602LCD上；當(dāng)采集的數(shù)據(jù)超出給定范圍時(shí)，有蜂鳴器實(shí)時(shí)報(bào)警，并顯示紅燈提示，并進(jìn)行相應(yīng)的控制處理.在整個(gè)系統(tǒng)中采用了AM2301單總線技術(shù)，單片機(jī)采用C語(yǔ)言編程.

本系統(tǒng)的核心為溫濕度控制系統(tǒng)，由AT89C51單片機(jī)、風(fēng)扇、加熱設(shè)備、加濕設(shè)備、排潮設(shè)備、報(bào)警模塊組成.AT89C51作為中央控制裝置，負(fù)責(zé)中心運(yùn)算和控制，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個(gè)模塊的工作[5].系統(tǒng)其他模塊工作原理在后文詳細(xì)介紹.

圖1 系統(tǒng)的組成

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 AT89C51單片機(jī)

AT89C51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率，并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式.空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位.按照實(shí)際需要，同時(shí)也考慮到設(shè)計(jì)成本與整個(gè)系統(tǒng)的精巧性，本系統(tǒng)中選用價(jià)格較低、工作穩(wěn)定的AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器(圖2).

圖2 AT89C51單片機(jī)的片內(nèi)硬件組成結(jié)構(gòu)

2.2 時(shí)鐘電路

AT89C51單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都以時(shí)鐘信號(hào)為準(zhǔn)，有條不紊、一拍一拍地工作.因此時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩的高增益反相放大器，它的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為XTAL2.這兩個(gè)引腳跨接石英晶體和微調(diào)電容，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自己振蕩器.外部時(shí)鐘方式時(shí)外部時(shí)鐘電源直接接到XTAL1端，XTAL2端懸空(圖3).

圖3 時(shí)鐘電路

2.3 復(fù)位電路

復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只需給AT89C51的復(fù)位引腳RST加上大于2個(gè)機(jī)器周期(即24個(gè)時(shí)鐘振蕩周期)的高電平就可使AT89C51復(fù)位.復(fù)位電路通常采用自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式.上電復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路給電容C充電加至RST引腳一個(gè)短的高電平信號(hào)，次信號(hào)隨著VCC對(duì)電容C的充電過(guò)程而逐漸回落，即RST引腳上的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容C的充電時(shí)間.因此為保證系統(tǒng)能可靠地復(fù)位，EST引腳上的高電平必須維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間.復(fù)位電路如圖4所示.

圖4 復(fù)位電路

2.4 傳感器設(shè)計(jì)

使用AM2301數(shù)字溫濕度傳感器.它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性.傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接[6].因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn).校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù).單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷.超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20m以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則.產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝.連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供.對(duì)于接口電路的設(shè)計(jì)，連接線長(zhǎng)度短于20m時(shí)用5kΩ上拉電阻,大于20m時(shí)根據(jù)實(shí)際情況使用合適的上拉電阻(圖5).

圖5 AM2301典型接口電路

2.5 光聲報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用紅綠LED燈作為光報(bào)警提示，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)符合給定的要求時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)始終綠燈顯示；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)不符合給定的要求時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化為紅燈報(bào)警提示；本系統(tǒng)采用蜂鳴器作為聲報(bào)警提示，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)符合給定的要求時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有蜂鳴器報(bào)警提示；當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)不符合給定的要求時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)蜂鳴器報(bào)警提示(圖6).

圖6 光聲報(bào)警系統(tǒng)電路圖

2.6 溫濕度控制系統(tǒng)

溫濕度控制系統(tǒng)主要組成有：AT89C51單片機(jī)、風(fēng)扇、加熱設(shè)備、加濕設(shè)備、排潮設(shè)備、報(bào)警模塊.當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)不符合給定的要求時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)溫濕度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒溫恒濕的目的[7-8].其中：風(fēng)扇負(fù)責(zé)系統(tǒng)的降溫工作；加熱設(shè)備負(fù)責(zé)系統(tǒng)的加熱工作；噴霧設(shè)備負(fù)責(zé)系統(tǒng)的加濕工作；排潮設(shè)備負(fù)責(zé)系統(tǒng)的去濕工作[4].報(bào)警模塊(雙色燈)：負(fù)責(zé)系統(tǒng)的報(bào)警功能.如果當(dāng)前的溫度超過(guò)用戶設(shè)定的界限時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，雙色燈在單片機(jī)的控制下有規(guī)律的切換，同時(shí)報(bào)警模塊發(fā)出報(bào)警聲，通知用戶采取相應(yīng)的措施，電路圖如圖7所示.

圖7 溫濕度控制系統(tǒng)電路圖

2.7 液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過(guò)電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形.液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn).在對(duì)液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時(shí)光標(biāo)是自動(dòng)右移的，無(wú)需人工干預(yù).每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài).相對(duì)而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng)IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程：系統(tǒng)初始化模塊，溫濕度檢測(cè)模塊，顯示模塊，報(bào)警模塊，溫濕度判斷控制模塊.系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖8所示.

圖8 系統(tǒng)流程圖

3.1 溫濕度檢測(cè)模塊

溫濕度檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)完成溫度和濕度的測(cè)量及模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的全過(guò)程，這也是它為什么重要的原因.數(shù)字式溫濕度傳感器AM2301直接把檢測(cè)到的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量送給單片機(jī)，在經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理，把溫濕度值顯示在液晶屏上[8].溫濕度傳感器的精確度值直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)與控制，所以系統(tǒng)采用數(shù)字式溫濕度傳感器AM2301采集溫室內(nèi)的溫濕度.

(1)系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì).系統(tǒng)上電，AT89C51首先完成對(duì)串口及 LCD1602的初始化工作，然后開(kāi)始讀取 AM2301的溫濕度數(shù)據(jù).對(duì)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，如果錯(cuò)誤(不在范圍內(nèi))則重新讀取，如果數(shù)據(jù)正確則將讀取的溫濕度數(shù)據(jù)存入內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器，然后對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將結(jié)果存入數(shù)據(jù)顯示寄存區(qū).將待顯示數(shù)據(jù)送 LCD1602顯示，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送至串口，然后重新進(jìn)行下一輪溫濕度數(shù)據(jù)讀取與顯示.

(2)AM2301溫濕度讀取程序設(shè)計(jì).通過(guò)單總線訪問(wèn)AM2301.首先主機(jī)發(fā)開(kāi)始信號(hào)，然后主機(jī)等待接收 AM2301響應(yīng)信號(hào).當(dāng) AM2301發(fā)出響應(yīng)信號(hào)后，主機(jī)則連續(xù)接收AM2301送出的 40位數(shù)據(jù)，對(duì) 40位數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確后則存入內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存區(qū).

3.2 溫濕度判斷控制模塊

溫濕度判斷控制模塊是系統(tǒng)的核心模塊之一，所謂判斷控制模塊，就是對(duì)當(dāng)前溫室內(nèi)的實(shí)際溫濕度與給定的溫濕度范圍進(jìn)行比較，先進(jìn)行判斷，然后再進(jìn)行控制，控制模塊是決定系統(tǒng)將要進(jìn)行什么工作的.如溫度高于上限時(shí)需要降溫，低于下限時(shí)需要升溫，如濕度高于上限時(shí)需要降濕，低于下限時(shí)需要増濕，同時(shí)還要啟動(dòng)警報(bào)等[9-10].溫濕度判斷控制系統(tǒng)程序整體設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示.

圖9 溫濕度判斷控制系統(tǒng)程序整體思路

4 結(jié)束語(yǔ)

基于AM2301的溫濕度控制系統(tǒng),經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，溫濕度偏差小，精度更高，設(shè)計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定.LCD顯示數(shù)字讀數(shù)方面，便于掌握環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù).

目前國(guó)內(nèi)外的溫濕度檢測(cè)使用的溫濕度檢測(cè)元件種類繁多、應(yīng)用范圍也較廣泛，加之單片機(jī)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷提高，出現(xiàn)了高性能、高可靠性的單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)自己的生活環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)格.特別在溫室大棚中，對(duì)溫濕度要求更為嚴(yán)格.基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)環(huán)境的溫濕度監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).采用高性能的控制芯片AT89C51，高精度數(shù)字溫濕度傳感器AM2301.向模塊化、高速化、智能化的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)靠近.將此系統(tǒng)應(yīng)用到溫室大棚當(dāng)中無(wú)疑為植物的生活提供了更加適宜的環(huán)境，符合植物的生活環(huán)境要求，具有良好的發(fā)展前景.

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