大棚溫度單片機控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u26135大棚溫度單片機控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例 1117441.硬件的總體設(shè)計部分 2118841.1主控系統(tǒng) 2270121.1.1選擇方案 2298771.1.251單片機核心系統(tǒng)設(shè)計 214451.2溫度采集 5172721.2.1DS18B20的介紹 5244551.2.2DS18B20的測溫電路 6216211.3濕度采集 6320711.1.1DHT11濕度傳感器介紹 68151.1.2DHT11濕度檢測電路 7273471.4光強采集 762721.2.1具體工作原理 7121851.2.2光敏傳感器的電路設(shè)計 8246081.5顯示模塊 9108901.5.1LCD1602簡介 9161291.5.2LCD1602顯示電路 9203311.6報警系統(tǒng) 10312141.7控制裝置 10224151.7.1溫度控制系統(tǒng) 1055931.7.2濕度控制系統(tǒng) 11187921.7.3光照控制系統(tǒng) 11183431.8程序下載電路 1155211.9系統(tǒng)的實物制作 11224192軟件程序及相關(guān)測試驗證 12156792.1軟件開發(fā)環(huán)境介紹 12154422.2軟件程序編寫及下載 13218292.3實物測試介紹 141.硬件的總體設(shè)計部分1.1主控系統(tǒng)系統(tǒng)選用的是以一款8051為核心的ISP可編程芯片其型號為STC89C51RC,時鐘最頻率可到達80MHZ，片選芯片4k字節(jié)閃存只讀程度存儲器最大可完成每每1000次反復(fù)擦寫數(shù)據(jù)，ISP系統(tǒng)可編程芯片與MCS-51命令和80C51引腳的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)完全兼容，新一代的8051單片微信計算機與系統(tǒng)內(nèi)可編程芯片中的功能集成在一起無論是從速度上還是功耗消耗上都是極佳的。1.1.1選擇方案方案一：STC89C51在AT89C51的基礎(chǔ)上加入了AD數(shù)模轉(zhuǎn)換，集成程度更高；AT89C51是舊式的255位單片機。STC89C51具有6T模式，速度更快；AT89C51是12T模式，速度較慢有著處理數(shù)據(jù)比較高的性能，STC89C51的工作電壓是5.5V~1.3V；AT89C51的工作電壓是5.25V~2.75V,同時，只讀存儲器是可擦除的，為在低電壓下完成工作提供了更大的靈活性。同時，價格方面也很便宜。有很多分支來實現(xiàn)軟件。由于程序?qū)懭脒^程和運行中，必須通過許多標(biāo)志實現(xiàn)才能實現(xiàn)。方案二：AT89S52微型單片機也很便宜。它有強大的存儲性能。它具有32位I/O接口，它的行為可以減少到0Hz靜態(tài)行為，同時，也可以選擇2個軟件類型，在停電后通過A/D轉(zhuǎn)換存儲數(shù)據(jù)內(nèi)容的同時，它被廣泛使用，解決了許多復(fù)雜的使用方法。考慮到實用性，經(jīng)濟成本，以及對于系統(tǒng)所需要的實際功能，STC89C51完全可以滿足，故而采取了方案一來完成本次系統(tǒng)的設(shè)計。1.1.251單片機核心系統(tǒng)設(shè)計51單片機核心系統(tǒng)設(shè)計主要包括了單片機、晶振電路、復(fù)位電路以及供電電路這四部分組成，各個模塊的功能介紹如下。51單片機體積較小，價格便宜，因此也備廣泛的使用，其實物如下圖所示：圖1.1STC89C51該芯片有40個引腳，其原理結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：圖1.2原理結(jié)構(gòu)圖（1）復(fù)位電路單片微型計算機的復(fù)位電路通常通過電氣自動復(fù)位和手動按鈕復(fù)位來復(fù)位，當(dāng)單片微型計算機機的時鐘電路工作后，如果在激活時鐘電路后復(fù)位引腳在兩個機器周期內(nèi)保持高電平，則可以完成復(fù)位操作。由復(fù)位端給出，復(fù)位信號的持續(xù)時間必須大于或等于2us，復(fù)位方法為外部按鈕手動復(fù)位，原理圖如下圖所示：圖1.3復(fù)位電路（2）晶振電路晶振電路，又叫晶體振蕩器，他的作用是為了給單片機系統(tǒng)提供基準(zhǔn)的時鐘信號；STC89C51的18引腳和19引腳是晶振引腳，本系統(tǒng)我們采用了12MHz外接晶振，同時增加了兩個22pF的電容，該電容可以幫助晶體震動，并維持振蕩信號的穩(wěn)定。具體的晶振電路如下圖所示；圖1.4晶振電路（3）供電電路本系統(tǒng)給單片機所用的供電系統(tǒng)采用5V供電，設(shè)計了usb插電接口，通過外接充電頭給系統(tǒng)進行供電，由于該系統(tǒng)中的光敏傳感器等所用到了1.3V供電，所以另外又增加了5V轉(zhuǎn)1.3V降壓電路，該降壓芯片采用了ASM1117，因此所有的線性調(diào)壓器都是先對輸入電壓進行采樣，然后對采樣進行反饋，以調(diào)整穩(wěn)壓器電路輸出的穩(wěn)壓器管的阻抗。如果輸出電壓較低，然后降低阻抗以調(diào)節(jié)輸出電平，從而減小穩(wěn)壓器管的電壓降。當(dāng)輸出電壓較高時，應(yīng)調(diào)整輸出電平的阻抗，以保持輸出電壓的穩(wěn)定性，具體的電壓電路如下圖所示。圖1.5系統(tǒng)供電電路1.2溫度采集1.2.1DS18B20的介紹DS18B20是一款優(yōu)秀的溫度收集傳感器，熱敏電阻有多種采集信號，采集到的信號由DS18B20直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳遞到微控制器進行處理，通過傳輸?shù)綔囟葌鞲衅鳎梢詼y量得更高和更快的速度?？梢圆杉姆秶脖容^廣，同時分辨率也比較高，在+12℃～+80℃的范圍里采集的精度也比較高，大概為±0.5℃。結(jié)構(gòu)小，功率損耗小，DS18B20的一系列優(yōu)勢，對某些外部干擾功能等幾乎沒有影響，不需要額外的設(shè)備。同時，可以非常好的收集溫度，當(dāng)你發(fā)送信號時，微控制器只需要I/O口接線。對于DS18B20溫度傳感器，由于數(shù)字是唯一的，因此微控制器可以使用該數(shù)字精確地識別每個傳感器，因此，DS18B20溫度傳感器由于溫度傳感器的各種優(yōu)點，連接到總線上的多個此類溫度傳感器。其使用廣泛，如下圖所示：圖1.6DS18B20圖1.2.2DS18B20的測溫電路該系統(tǒng)將DS18B20的DQ的硬件連接到51單片機的P2.4引腳上，具體的電路圖如下圖所示。圖1.7DS18B20電路圖1.3濕度采集1.1.1DHT11濕度傳感器介紹DHT11溫濕度傳感器采用溫度和濕度傳感器技術(shù)和數(shù)字模塊技術(shù)形成新產(chǎn)品，有其獨特的優(yōu)勢，例如，A/D之間不需要，同時提高了部分性能。電路設(shè)計清晰簡易?？煽啃愿?。同時，產(chǎn)品可以長期使用，被廣泛使用。此外，DHT11傳感器的精度比相對較高，并進行了一系列校準(zhǔn)以提高傳感器的性能，DHT11是一套完全滿足人們生活需求所設(shè)的傳感器，比較好用，測量范圍也更廣，獲取時間更短。關(guān)于它的研究都是請求，修改后的系數(shù)以應(yīng)用程序的方式直接進行并保存到0TP的內(nèi)存中，假如一臺傳感器對溫濕度進行監(jiān)測和處理，只是根據(jù)需要自動調(diào)用一個標(biāo)準(zhǔn)的系數(shù)。最適合溫室栽培必要的濕度管理。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器具備了非常高的科學(xué)性和技術(shù)含量，尤其重要的是對阿拉伯?dāng)?shù)字及其溫濕度感知，所以它在國內(nèi)很多市場都買得起的。實際對象如下圖所示：。圖1.8DHT11實物圖1.1.2DHT11濕度檢測電路DHT11數(shù)字溫濕度傳感器具備了非常高的科學(xué)性和技術(shù)含量，它具備良好的性質(zhì)和功能、花很少的錢就可以買、接收到這些信號的干擾和干涉等諸多特點。有一些特殊的模塊，由這些模塊具有設(shè)計，支持設(shè)計，可以提高DHT11的一些性能，它可以在必要的環(huán)境中長期使用，并且具有出色的穩(wěn)定性，因此很好地應(yīng)用了，工作人員解決了許多問題，大大減輕了工作人員的體力，工作時間和負擔(dān)。其濕度檢測電路如下圖所示：圖1.9濕度檢測電路1.4光強采集1.2.1具體工作原理光敏傳感器位于光接收傳感器中，該光接收傳感器使用光接收元件將光信號轉(zhuǎn)換到電信號傳感器。接受波長接近可見光波長光感傳感器。例如，紅外波長和紫外波長不僅可用來檢測光，還可以作為檢測元件，用于形成其他傳感器。對許多非電量進行檢測，只要將這些非功率轉(zhuǎn)換為光信號可以改變內(nèi)部的光靈敏度傳感器，包含一個高精度的光電管，在光電管內(nèi)部有一個小面板的針式二管，當(dāng)在太陽能電池的兩端施加相反的固定壓力時，電子會在光的影響下發(fā)射，當(dāng)電阻兩端的電壓轉(zhuǎn)換為集電極的0-5V的電壓時，電流通過電阻的光強度越高。然后收集結(jié)果并將其保存為適當(dāng)?shù)母袷?。光敏電阻器又叫光感電阻，其工作原理是基于?nèi)部光電效應(yīng)。光敏電阻是由入射光強度影響而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光的測量通常用于光的控制和光電轉(zhuǎn)換的光學(xué)電阻器。其具體實物如下圖所示：圖1.10光敏傳感器實物1.2.2光敏傳感器的電路設(shè)計由于光接收傳感器收集的數(shù)據(jù)是模擬信號，因此需要設(shè)計將收集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的直流轉(zhuǎn)換電路。ADC0832的ADC轉(zhuǎn)換芯片是美國一家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的8位分辨率雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于容量小、兼容性強、性價比高，非常受芯片喜好者和企業(yè)的歡迎，使用ADC0832進行高滲透學(xué)習(xí)，已經(jīng)達到非常高的普及率。了解A/D轉(zhuǎn)換器的工作道理，能夠提高單片機的技術(shù)水平，有助于改進系統(tǒng)交流電轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)ADC轉(zhuǎn)化的具體電路如下圖所示。圖1.11ADC轉(zhuǎn)化電路1.5顯示模塊1.5.1LCD1602簡介LCD1602液晶顯示器是被推廣使用的文字液晶顯示模塊。人們能夠清晰的觀察到上面的16個字符，LCD數(shù)字顯示屏通過液晶顯示屏清晰準(zhǔn)確的展示了各種簡體英文字母和阿拉伯字母數(shù)字，使用整個科學(xué)研究系統(tǒng)顯示面積相對較小、顯示的信息內(nèi)容多、對系統(tǒng)過程中的能源電量消耗損失小。由字符型液晶LCD顯示熒屏控制和啟動，主電路HD44780及其增添驅(qū)動電路HD44100組裝在板上，此外，少量電阻和電容元件和結(jié)構(gòu)部件組裝在PCB板上。LCD1602芯片由不同廠家生產(chǎn)可能有不同之處，但使用方法都是相同的。絕大多數(shù)制造商為了降低成本，都直接將裸片做到板子上，具體實物如下圖所示。圖1.12LCD16021.5.2LCD1602顯示電路本系統(tǒng)中的LCD1602主要用來顯示采集到的溫度、濕度以及光照強度，與此同時增加了相應(yīng)的按鍵設(shè)置上下閾值的控制，該LCD1602的引腳從D0-D7分別接了單片機的P0口，所以需要將P0口進行上拉，本系統(tǒng)采用了10K的排阻將P0口進行上拉。該電路圖如下圖所示：。圖1.13LCD1602液晶顯示屏1.6報警系統(tǒng)為了防止部分設(shè)備在長時間工作過程中出現(xiàn)問題，不能控制相應(yīng)的驅(qū)動器開啟部分設(shè)備的電源，這樣可以更好地控制在示例文本中設(shè)置的某些參數(shù)。設(shè)計一個非常好的報警系統(tǒng)讓操作員知道在某些方面存在的問題，提高操作人員注意力，并選取相應(yīng)的方法實時解決現(xiàn)有問題。每個模塊收集的數(shù)據(jù)由計算機處理，并與輸入時設(shè)置的參數(shù)范圍進行比較。如果在輸入時超出了設(shè)定的范圍，報警設(shè)備將在未超出中設(shè)定的范圍時發(fā)出報警，輸入時報警裝置發(fā)出報警，以證明當(dāng)前指示器符合輸入時設(shè)定的要求，顯示當(dāng)前采集到的常規(guī)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行合理控制。這篇文章的系統(tǒng)設(shè)計主要是因為當(dāng)溫度和濕度指示器超過輸入時設(shè)定的范圍時，蜂鳴器會警告工作人員。二極管照明的設(shè)計超出溫度，濕度和光線的限制，易于觀察。同時，工作人員可以及時發(fā)現(xiàn)問題并迅速解決。用相應(yīng)的信號來驅(qū)動繼電器，開啟蜂鳴器并發(fā)出警報。1.7控制裝置1.7.1溫度控制系統(tǒng)如果系統(tǒng)收集到的溫度數(shù)據(jù)小于我們所擬定的最小值時，蜂鳴器將發(fā)射警告，數(shù)據(jù)由單片機，溫度升高，設(shè)備開始工作。當(dāng)我們收集的溫度超過時，此時我們設(shè)定的最大值蜂鳴器還會發(fā)出警告，在高效，快速的處理計算后，打開冷卻系統(tǒng)和風(fēng)扇，開始運行。當(dāng)需要加熱時，加熱器有加熱芯片，通過電流產(chǎn)生熱量，當(dāng)電流增加時，加熱度它就會升高。當(dāng)電流減少時，加熱度也開始下降，此外，風(fēng)扇是被用來冷卻溫室的，由于風(fēng)扇的工作狀態(tài)是由開關(guān)信號控制的，因此加熱器和風(fēng)扇可以配合保持溫室內(nèi)的溫度，并將其控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。1.7.2濕度控制系統(tǒng)當(dāng)采集到的濕度數(shù)據(jù)高于設(shè)定的最大濕度值時，信號驅(qū)動繼電器開啟風(fēng)扇，開始工作，濕度開始下降。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)低于設(shè)定的最小濕度值時，信號驅(qū)動繼電器開啟加濕器。這里的加濕器主要是噴水器。因此，噴水和風(fēng)扇協(xié)同工作，將溫室中的濕度保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。當(dāng)然，如果超過設(shè)定范圍，報警裝置也會同時啟動，及時找到工作人員。1.7.3光照控制系統(tǒng)通過光敏傳感器采集光照強度，將采集到的數(shù)據(jù)進行ADC轉(zhuǎn)化，然后發(fā)送到51單片機系統(tǒng)中，系統(tǒng)進行實時的檢測。如果檢測到的數(shù)據(jù)大于預(yù)設(shè)定的值，則進行關(guān)閉控制繼電器關(guān)閉補光燈，如果所測量的值低于預(yù)設(shè)定的值，則打開補光燈，如果所采集到的數(shù)據(jù)在所設(shè)定的上下限之間，則維持相關(guān)光照，及繼電器不動作。1.8程序下載電路當(dāng)制作好硬件電路以及編寫好軟件程序以后，需要將編譯成的HEX文件寫到51芯片系統(tǒng)中，本系統(tǒng)采用的程序下載模塊為USB轉(zhuǎn)TTL模塊，其中TX接單片機的RX,RX接單片機的TX，GND接GND，VCC接5V,需要給PC機按裝CH340驅(qū)動，同時實現(xiàn)冷啟動下載程序，具體的USB轉(zhuǎn)TTL如下圖所示：圖1.14USB轉(zhuǎn)TTL模塊1.9系統(tǒng)的實物制作該系統(tǒng)設(shè)計完電路后，通過AD20平臺進行繪制原理圖和設(shè)計相關(guān)的PCB，將繪制好的PCB進行工廠大板，然后根據(jù)原理圖焊接各個器件，制作成所需要的實物，具體的PCB如下圖所示：圖1.15系統(tǒng)PCB圖圖1.163D效果圖4軟件程序及相關(guān)測試驗證2.1軟件開發(fā)環(huán)境介紹 本系統(tǒng)使用的軟件開發(fā)環(huán)境是基于keil5軟件開發(fā)環(huán)境來設(shè)計的，這個開發(fā)環(huán)境是一個以Kei15為核心的開發(fā)軟件環(huán)境，它本身是以以Keil語言進行編寫的，Keil5C51系統(tǒng)本身與C語言軟件開發(fā)環(huán)境和51系列的芯片兼容的開發(fā)環(huán)境，C語言比起匯編語言具有明顯的優(yōu)勢，從語言結(jié)構(gòu)和開發(fā)提供的API上來看。C語言開發(fā)的程序無論是從可讀性，和維護性來說都比匯編語言要好的多，使用Kile的話Keile提供了一個完整的開發(fā)程序，是以C編譯器和宏編譯器連接管理模擬調(diào)試器和其他調(diào)試器，系統(tǒng)將這些組件集成起來通過運行Keil5軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)的運作，系統(tǒng)中需要的開發(fā)環(huán)境具體有以下:WIN98、NT、WIN200、WINXP以及一些其他的主流操作系統(tǒng)，如果用戶使用過的是C語言開發(fā)可以不使用Keil進行開發(fā)，因為C語言比起Keil更具有優(yōu)勢，C只是使用語言，編程。在一個易于使用的集成環(huán)境中使用功能強大的軟件模擬和調(diào)試工具可以獲得