1、鄭州輕工業學院鄭州輕工業學院本科畢業設計（論文）題 目 溫室大棚控制系統設計 學生姓名 專業班級 自動化 091 班 學 號 院 （系） 電氣信息工程學院 指導教師 完成時間 2013 年 6 月 1 日 鄭州輕工業學院電氣信息工程學院畢業設計（論文）任務書畢業設計（論文）任務書題目 溫室大棚控制系統設計 專業 學號 姓名 主要內容、基本要求、主要參考資料等：主要內容主要內容了解溫室大棚控制技術的發展現狀、技術特點。利用單片機、自動控制等技術設計溫室大棚控制系統。基本要求基本要求利用 PID 調節技術對加熱器的溫度進行控制，其加熱器功率 20KW。溫度測控范圍-1070，測控精度0.4；濕度測

2、控范圍 090RH，精度:3% RH；利用單片機作為控制器的 MCU，搭建相關外圍電路進行相應的控制；控制器系統具有溫濕度設定、溫濕度顯示、超溫報警、漏電檢測并自動關斷電源等功能。按照要求對設計進行說明，給出總體設計方案，設計原理。軟件編程必須給出流程圖，程序必須加注釋，各程序段的開始要注明該段功能和作用。主要參考資料主要參考資料1、李俊,張曉東.基于單片機的溫濕度檢測與控制系統研究J.微計算機信息，2008,24(17):116118.2、陶然,王樹文.智能化溫室環境控制系統的研究J.農機化研究，2003,33(2):5355.3、趙娜,趙剛.基于51單片機的溫度測量系統J.微計算機信息,2

3、007,23(1):146148.4、劉攀,俞杰.基于單片機的溫度測控系統J.蘭州交通大學學報,2005,6(12):103106.完完 成成 期期 限：限： 2 20 01 13 3. .0 02 22 20 01 13 3. .0 06 6 指指導導教教師師簽簽章章： 專業負責人簽章：專業負責人簽章： 20132013 年年 2 2 月月 2626 日日溫室大棚控制系統設計I溫室大棚控制系統設計摘 要隨著大棚技術的普及，溫室大棚數量不斷增多，對于蔬菜大棚來說，最重要的一個管理因素是溫濕度控制。溫濕度太低，蔬菜就會被凍死或則停止生長，所以要將溫濕度始終控制在適合蔬菜生長的范圍內。傳統的溫度控

4、制是在溫室大棚內部懸掛溫度計，工人依據讀取的溫度值來調節大棚內的溫度。如果僅靠人工控制既耗人力，又容易發生差錯。現在，隨著農業產業規模的提高，對于數量較多的大棚，傳統的溫度控制措施就顯現出很大的局性。為此，在現代化的蔬菜大棚管理中通常有溫濕度自動控制系統，以控制蔬菜大棚溫濕度適應生產需要。本文利用 89C51 單片機設計一個溫室大棚的溫濕度檢測控制系統，對濕室內的溫濕度進行檢測控制并實時顯示。其中溫濕度傳感器采用 AM2301 數字溫濕度傳感器，通過 89C51 單片機的處理把溫濕度值顯示在 1602 液晶上。并實時判斷溫濕度值是否滿足設定的溫濕度范圍，若超出設定范圍，通過 89C51 啟動溫

5、濕度控制系統，達到恒溫恒濕的目的。關鍵詞 89C51 單片機 AM2301 傳感器 1602 液晶 控制系統溫室大棚控制系統設計IIDESIGN OF CONTROL SYSTEMOF GREENHOUSEABSTRACT With the popularization of trellis technology, greenhouse trellis an ever-growing number, for vegetable shed speaking, one of the most important management factor is the temperature and hu

6、midity control. Temperature is too low, the vegetables will freeze to death or stop growing, so will always control temperature and humidity in a suitable vegetable growth range. Traditional temperature control is in greenhouse trellis internal hanging a thermometer, workers according to regulate th

7、e temperature reading the temperature inside the shelter. If only by artificial control both consumption manpower, and easy to place regular orders. Now, with the improvement of agricultural industry scale, for larger quantity of trellis, traditional temperature control measures will show great bure

8、au sex. Therefore, in modern vegetable shed management zhongtong often temperature and humidity automatic control system, in order to control the temperature and humidity, adapt to the trellis vegetable production needs.In this paper, using 89C51 MCU to design a greenhouse temperature and humidity m

9、easurement and control system. Detection and control the indoor temperature and humidity and real-time display. The temperature and humidity sensor using AM2301digital temperature and humidity sensor, The temperature and humidity are displayed in the 1602 LCD through the 89 C51 single chip computer

10、processing. And the real-time temperature and humidity value judgment whether meet the set the humidity and temperature of the range. If it exceeds the setting range, through the 89C51 start the temperature and humidity control system, to achieve the purpose of constant temperature and humidity.KEY

11、WORDS 89C51MCU AM2301 sensor 1602LCD control system溫室大棚控制系統設計目 錄摘 要.IABSTRACT.II1 緒論.11.1 課題背景.11.2 立題的目的和意義.11.3 國內外的研究現狀和發展趨勢.21.4 系統主要研究內容.22 系統總體設計.32.1 系統設計技術要求.32.2 系統設計原則.32.2.1 可靠性 .32.2.2 操作維護方便 .32.2.3 性價比 .42.3 系統的組成和工作原理.42.3.1 系統的組成 .42.3.2 系統的工作原理.43 系統硬件設計.63.1 單片機外圍電路設計.63.1.1 AT89C5

12、1 單片機.63.1.2 時鐘電路 .73.1.3 復位電路 .73.1.4 5V 穩壓電源電路.83.2 傳感器的選型和接口電路設計.8溫室大棚控制系統設計3.2.1 傳感器的基本特性.83.2.2 AM2301 數字溫濕度傳感器 .93.3 人機接口電路設計.133.3.1 液晶顯示電路設計.133.3.2 按鍵電路的設計.173.4 光聲報警電路與溫濕度控制電路設計.183.4.1 光聲報警電路.183.4.2 溫濕度控制電路.194 軟件系統設計.214.1 初始化模塊.214.2 溫濕度檢測模塊.224.3 溫濕度控制模塊.234.4 1602 液晶顯示模塊.234.5 按鍵識別模塊

13、.244.6 報警模塊.25結束語.26致謝.27參考文獻.28附錄 1.29附錄 2.30溫室大棚控制系統設計11 緒論1.1 課題背景隨著經濟和社會的不斷發展，人們對生活質量要求顯著提高。對植被也要求越來越嚴格，如何種植出品種優良的植物，一直是人們研究的話題。而基于單片機的溫濕度控制系統對解決這些問題有著非常重大的意義。植被“設施栽培”，即“保護地栽培”。它是指在某種類型的保護設施內（如陽畦、溫室、大棚等），人為地創造適宜植被生長發育的最佳環境條件，在不同季節內，尤其是不利于植被生長的季節內進行植被栽培的一種措施。設施栽培是人類利用自然、改造自然的一種創造。由于設施內的條件是可以人為控制的

14、，使得植被調節的周年生產得以實現。玻璃溫室和塑料薄膜溫室出現后，植被生產出現了劃時代的變化。現在人們可以根據自己的意愿，隨時生產出所需要的各種植被。可以說，這是“設施栽培”的功勞。以前種植植被一般都用溫室栽培，為了充分的利用好溫室栽培這一高效技術，就必需有一套科學的，先進的管理方法，用以對不同種類植被生長的各個時期所需的溫度及濕度等進行實時的監控。溫濕度控制對于單片機的應用具有一定的實際意義，它代表了一類自動控制的方法。而且其應用十分廣泛。1.2 立題的目的和意義環境的監測與控制在工業、農業、國防等行業有著廣泛的應用。由于應用的場合不同監測對象的不同，其系統設計也是千差萬別。在實際生活中此類系

15、統有著廣泛的應用，室溫環境檢測系統中溫度和濕度是兩個重要的顯示和分析指標，必須定期抽樣檢查室溫環境溫度和濕度，以便采取相應的措施加以調整和一步步的提高系統的性能。89C51 單片機是常用于控制的芯片，在智能儀器儀表、工業檢測控制、機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控制系統的實例也很多。使用 89C51 單片機能夠實現溫濕度全程的自動檢測與控制，而且 89C51 單片機易于學習、掌握，性價比高。使用 89C51 型單片機設計溫濕度檢測控制系統，可以及時、精確的反映室內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、在溫度上下限溫室大棚控制系統設計2范圍內保持恒

16、溫等多種控制方式，在濕度控制方面也是如此。將此系統應用到溫室大棚當中無疑為植物的生活提供了更加適宜的環境。這對我國的農業生產，實現農業現代化，提高國民生產總值，改善人民生活水平起到了非常重要的作用。1.3 國內外的研究現狀和發展趨勢目前，我國絕大部分自主開發的大棚溫濕度控制或者進口的國外設備都屬于這種系統。雖然這種自動控制系統實現了自動化，適合規模化生產，提高了勞動生產率，通過改變大棚溫室度的設定目標，可以自動的對大棚內溫濕度進行調節，但是這種調節對作物的生長來說還是相對滯后的，難以介入作物生長的內在規律。所以在這種自動控制系統和實踐的基礎上，溫濕度自動控制向著適合不同作物生長的智能化控制發展

17、。 國外大棚業正致力于高科技發展，遙測技術，網絡技術，控制局域網已逐漸應用于大棚的管理和控制中。為了充分的利用好溫室栽培這一高效技術，就必須有一套科學的，先進的管理方法，用以對不同種類植被生長的各個時期所需的溫度及濕度等進行實時的監控。溫濕度控制對于單片機的應用具有一定的實際意義，它代表了一類自動控制的方法，而且其應用十分廣泛。近幾年各國溫度控制技術提出建立大棚行業標準，朝著網絡化，大眾化，大規模，無人化的方向發展的思路也更加完善和成熟。采用高性能的控制芯片 89C51，高精度數字溫濕度傳感器 AM2301，向模塊化、高速化、智能化的單片機數據采集系統靠近。將此系統應用到溫室大棚當中無疑為植物

18、的生活提供了更加適宜的環境,符合植物的生活環境要求，具有良好的發展前景。1.4 系統主要研究內容本系統所要完成的任務是：(1) 人性化的設計。根據植物的生活需求，把溫濕度值控制在一定的范圍內。(2) 能夠實時、準確的顯示采樣溫度值與濕度值。(3) 通過采集溫度及濕度值，準確的判斷標準值與當前值之間的差異，及時的啟動報警裝置（包括警報燈的提示功能以及提示音等）進行報警，并采取相應的控制方案。溫室大棚控制系統設計3(4) 能夠根據植被在不同時間段內對溫濕度的不同要求，用戶可隨機更改溫度及濕度值，以滿足用戶不同的需求。2 系統總體設計2.1 系統設計技術要求系統要完成的設計功能是：(1) 實現對溫室

19、大棚溫濕度參數的實時采集，測量空間的溫度和濕度，由單片機對采集的溫濕度值進行循環檢測、數據處理、顯示，實現溫濕度的智能檢測。(2) 并能根據實際所需要的溫濕度值通過獨立按鍵設定，已達到更加理想的溫室大棚條件。(3) 實現超越數據的及時報警，并啟動控制系統，實現溫室的目的。(4) 現場檢測設備應具有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力。要求達到的技術指標要求： 測溫范圍：-1070 測溫精度：0.4 測濕范圍：090RH 測濕精度：3% RH2.2 系統設計原則要求單片機系統應具有可靠性高、操作維護方便、性價比高等特點。2.2.1 可靠性高可靠性是單片機系統應用的前提，在系統設計的每一個環節，都應該

20、將可靠性作為首要的設計準則。提高系統的可靠性通常從以下幾個方面考慮：使用可靠性高的元器件；設計電路板時布線和接地要合理；對供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出通道抗干擾措施；進行軟硬件濾波；系統自診判斷功能等。2.2.2 操作維護方便 在系統的軟硬件設計時，應從操作者的角度考慮操作和維護方便，盡量減少對操作人員專用知識的要求，以利于系統的推廣。因此在設計時，要盡可能減少人機溫室大棚控制系統設計4交換接口，多采用操作內置或簡化的方法。同時系統應配有現場故障自動診斷程序，一旦發生故障能保證有效地對故障進行定位，以便進行維修。2.2.3 性價比單片機除體積小、功耗低等特點外，最大的優勢在于高性能價格比。

21、一個單片機應用系統能否被廣泛使用，性價比是其中一個關鍵因素。因此，再設計時，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡化外圍硬件電路，在系統性能和速度允許的情況下盡可能使用軟件功能取代硬件功能等。2.3 系統的組成和工作原理2.3.1 系統的組成以單片機為控制核心，采用溫濕度測量，通信技術，控制技術等技術，以溫濕度傳感器作為測量元件，構成智能溫濕度測量控制系統。可分為溫濕度測量電路，顯示電路，聲光報警電路，溫濕度控制電路,選用的主要器件有：AT89C51，溫濕度傳感器 AM2301，1602LCD 顯示模塊，降溫裝置風扇，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，報警裝置蜂

22、鳴器等12。系統的組成方框圖如圖 2-1 所示。圖 2-1 系統的組成2.3.2 系統的工作原理本系統以單片機 Atmel89C51 為核心，數據采集、傳輸、顯示、報警都要通過單片機。數據采集通過單總線的智能數字溫濕度傳感器 AM2301 完成；通過單片機把采集的數據顯示在 1602LCD 上；當采集的數據超出給定范圍時，有蜂鳴器實時報溫室大棚控制系統設計5警，并顯示紅燈提示，并進行相應的控制處理。在整個系統中采用了 AM2301 單總線技術，單片機采用 C 語言編程。首先，系統啟動后，提示用戶輸入溫濕度的上限與下限的溫度值。用戶輸入之后，系統自動求出中間值，根據實際溫度的情況采取相應的方案。

23、如溫度的設定如下所示： 下限溫度 中間溫度 上限溫度28 - 32 - 36如果該時刻的實際溫度值低于用戶給定的下限溫度值時，系統立即啟動報警裝置，且系統處于升溫狀態，直到實際溫度達到用戶輸入的上下限溫度的中間值一定區間內時停止升溫。反之，如果實際溫度值高于用戶設定的上限值時，系統也會立即啟動報警裝置，且系統處于降溫狀態，直到實際溫度達到用戶輸入的上下限溫度的中間值一定區間內時停止降溫。選擇中間值作為控制參數，防止升溫降溫升溫的死循環，因為溫度低于下限時會一直升溫，可能會導致升溫之后溫度高于上限值系統又開始降溫，這樣系統便一直重復升溫降溫升溫過程，導致設備在某一個溫濕度點附近頻繁的啟停，使設備

24、壽命下降，而且沒有實際意義。選擇中間值的一定區間，是防止達到中間值時，采取了停止升溫或者降溫措施，溫度還是會持續上升或下降一會兒，這時候溫度可能不是正好在中間值處，系統便還是采取升溫或者降溫的措施，而此時的溫度值可能已經是很適合植被生長的需要的溫度值。所以本方案選在中間值的正負一度區間內，認為此區間內都是適合的，不產生任何控制動作變化，這樣就能解決設備頻繁啟停問題。整個系統通過獨立鍵盤給定溫濕度的上下限值并通過 LCD1602 顯示出來，首行顯示溫度，第二行顯示濕度。另外 LCD 除了顯示上下限溫濕度值，還顯示實時的溫濕度值。溫室溫濕度控制系統是以 89C51 單片機作為中央控制裝置，風扇，加

25、熱設備，加濕設備，排潮設備等。 89C51 作為中央控制裝置，負責中心運算和控制，協調系統各個模塊的工作。 風扇：負責系統的降溫工作。 加熱設備：負責系統的加熱工作。溫室大棚控制系統設計6 噴霧設備：負責系統的加濕工作。 排潮設備：負責系統的去濕工作。 雙色燈，報警模塊：負責系統的報警功能。如果當前的溫度超過用戶設定的上下值界限值時系統將自動警，雙色燈在單片機的控制下有規律的切換，同時報警模塊發出報警聲，通知用戶采取相應的措施。 按鍵：由四個獨立按鍵構成，第一個鍵代表溫濕度選擇按鍵，第二個代表溫濕度加按鍵，第三個代表溫濕度減按鍵，第四個代表確定鍵。它只在需要調整溫濕度具體值時才會用到，此時液晶

26、顯示屏就會顯示出溫濕度數值設定界面。3 系統硬件設計3.1 單片機外圍電路設計經過上面的總體方案和實施措施的討論后可以開始著手硬件系統的設計，硬件系統是應用系統的基礎、軟件系統設計的依據。根據總體功能和性價比及其運行速度等因素的考慮，選用 MCS-51 系列的89C51 為主機，滿足上面的要求而且設計方便，不需要再存儲擴展。3.1.1 AT89C51 單片機中央微處理器 AT89C51：AT89C51 是一個低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機，片內含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用

27、ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51 指令系統及 80C51 引腳結構，芯片內集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能強大的微型計算機的 AT89C51 可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。AT89C51 具有如下特點：40 個引腳，4k Bytes Flash 片內程序存儲器，128 bytes 的隨機存取數據存儲器（RAM），32 個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5 個中斷優先級 2 層中斷嵌套中斷，2 個 16 位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內時鐘振蕩器。此外，AT89C51 設

28、計和配置了振蕩頻率，并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數器，串行口，外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存 RAM 的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件溫室大棚控制系統設計7復位。同時該芯片還具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式。AT89S51 單片機綜合了微型處理器的基本功能。按照實際需要，同時也考慮到設計成本與整個系統的精巧性，所以在本系統中就選用價格較低、工作穩定的 AT89C51 單片機作為整個系統的控制器3。3.1.2 時鐘電路AT89C51 單片機各功能部件的運行都以時鐘信號為準，一拍一拍地工作。因此時鐘頻率

29、直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統的穩定性。AT89C51 單片機內部有一個用于構成震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。這兩個引腳構成一個穩定的自己振蕩器。外部時鐘方式時外部時鐘電源直接接到 XTAL1 端，XTAL2 端懸空。其電路如圖 3-1 所示。12Y111MHZ30pFC130pFC2GNDX1X2圖 3-1 時鐘電路3.1.3 復位電路復位是單片機的初始化操作，只需給 AT89C51 的復位引腳 RST 加上大于 2 個機器周期的高電平就可使 AT89C51 復位。復位電路通常采用上自動復位和按鈕復位兩種方式。上電復

30、位是通過外部復位電路給電容 C 充電加至 RST 引腳一個短的高電平信號，次信號隨著 VCC 對電容 C 的充電過程而逐漸回落，即 RST 引腳上的高電平持續時間取決于電容的充電時間。為保證系統可靠地復位，EST 引腳上的高電平必須維持足夠長的時間。按鍵手動復位有電平和脈沖兩種形式45。其電路如圖 3-2所示。溫室大棚控制系統設計81KR 610uFC3V CCS110KR 5G N DRST圖 3-2 復位電路3.1.4 5V 穩壓電源電路它由電源變壓器，橋式整流電路 D1-D4，濾波電容 C1、C3，防止自激電容C2、C3 和一只固定式三端穩壓器(LM7805)極為簡捷方便地搭成的。220

31、V 交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經過橋式整流電路 D1-D4 和濾波電容 C1 的整流和濾波，在固定式三端穩壓器 LM7805 的 Vin 和 GND 兩端形成一個并不十分穩定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發生變化)。 此直流電壓經過 LM7805 的穩壓和 C3 的濾波便在穩壓電源的輸出端產生了精度高、穩定度好的直流輸出電壓。本穩壓電源可作為 TTL 電路或單片機電路的電源。三端穩壓器是一種標準化、系列化的通用線性穩壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點，成為目前穩壓電源中應用最為廣泛的一種單片式集成穩壓器件,

32、在此 5V 穩壓電源電路圖中,經變壓器后輸出電壓為 8V,又經過 D1-D4 橋式整流電路變為之前的 1.4 倍為 11.2V。這樣在 LM7805 的Vin 和 GND 兩端之間的壓差為 5.2V，一般氣壓差越小越好，這樣對 LM7805 的損傷越小，但為了綜合考慮有時則要這種考慮。其電路如下圖 3-3 中所示。Trans formerD1D4220uFC4220uFC60.1uFC50.1uFC7123Vin VoutGNDLM7805GND220V8V+Vcc5V-溫室大棚控制系統設計9圖 3-3 5V 穩壓電源電路3.2 傳感器的選型和接口電路設計3.2.1 傳感器的基本特性傳感器的靜

33、態特性是指對靜態的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關系。不含時間變量的代數方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態特性的主要參數有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。傳感器的動態特性：所謂動態特性，是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中，傳感器的動態特性常用它對某些標準輸入信號的響應來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應與它對任意輸入信號的響應之間存在一定的關系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態特性也常用階躍響應

34、和頻率響應來表示67。3.2.2 AM2301 數字溫濕度傳感器 (1) AM2301產品概述AM2301數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它運用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個AM2301傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超

35、小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用場合的最佳選則。產品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據用戶需求而提供。(2) 產品亮點超低能耗、傳輸距離遠、全部自動化校準、采用電容式濕敏元件、完全互換、標準數字單總線輸出、卓越的長期穩定性、采用高精度測溫元件。(3) AM2301接口定義溫室大棚控制系統設計10AM2301的引腳分配及各個引腳的簡單描述分別如表3-1和圖3-4所示。表 3-1 AM2301 的引腳分配圖 3-4 AM2301 的引腳描述引腳說明（VDD SDA GND）：AM2301的供電電壓范圍為3.5V-5.5V,建議供電電壓為5V。數據線S

36、DA引腳為三態結構，用于讀/寫傳感器數據。(4) 單總線接口定義AM2301器件采用簡化的單總線通信。單總線即只有一根數據線，系統中的數據交換、控制均由數據線完成。設備（微處理器）通過一個漏極開路或三態端口連至該數據線，以允許設備在不發送數據時能夠釋放總線，而讓其它設備使用總線；單總線通常要求外接一個約5.1k的上拉電阻，這樣，當總線閑置時，其狀態為高電平。由于它們是主從結構，只有主機呼叫傳感器時，傳感器才會應答，因此主機訪問傳感器都必須嚴格遵循單總線序列，如果出現序列混亂，傳感器將不響應主機。(5) 單總線通信時序和AM2301通信格式說明用戶主機（MCU）發送一次起始信號（微處理器把數據總

37、線SDA拉低至少800s）后，AM2301從休眠模式轉換到高速模式。待主機的開始信號結束后，AM2301發送響應信號，從數據總線SDA串行并送出40Bit的數據，先發送字節的高位。發送的數據依次為濕度高位、濕度低位、溫度高位、溫度低位、校驗位，發送數據結束觸發一次信息采集，采集結束后傳感器自動轉入休眠模式，直到下一次的通信來臨。如表3-2所示。引腳顏色名稱描述1紅VDD電源2黃SDA串行3黑GND地4NC空腳名稱單總線格式定義起始信號微處理器把數據總線（SDA）拉低一段時間(至少800s)，通知傳感器準備數據。溫室大棚控制系統設計11表3-2 AM2301通信格式 (6) 傳感器的性能傳感器A

38、M2301的相對溫濕度性能分別如表3-3和3-4所示，而相對溫濕度的的最大誤差則如圖3-5和圖3-6所示。表3-3 AM2301相對溫度性能表 表3-4 AM2301相對濕度性能表參數MinTypMax單位0.1分辨率16bit精度0.31量程-4080重復性0.2響應時間10S漂移0.3/yr參數條件Typ單位0.1RH分辨率16bit精度25253RH重復性1RH響應時間6S遲滯性0.3RH漂移典型值0.5RH/yr圖 3-5 相對溫度最大誤差圖 3-6 相對濕度最大誤差(7) 外設讀取步驟步驟一：AM2301上電后（AM2301上電后要等待2S以越過不穩定狀態，在此期響應信號傳感器把數據

39、總線（SDA）拉低80s，再接高80s以響應主機的起始信號。數據格式收到主機起始信號后，傳感器一次從數據總線（SDA）串出40位數據，高位先出濕度濕度分辨率是16Bit，高位在前；傳感器串出的濕度值是實際濕度值的10倍。溫度溫度分辨率是16Bit，高位在前；傳感器串出的溫度值是實際溫度值的10倍；溫度最高位（Bit15）等于1表示負溫度，溫度最高位（Bit15）等于0表示正溫度；溫度除了最高位（Bit14Bit0）表示溫度值。溫室大棚控制系統設計12間讀取設備不能發送任何指令），測試環境溫濕度數據，并記錄數據，此后傳感器自動轉入休眠狀態。AM2301的SDA數據線由上拉電阻拉高并且一直保持高電

40、平，此時AM2301的SDA引腳處于輸入狀態，時刻檢測外部信號。電氣特性，如能耗，高、低電平，輸入、輸出電壓等，都取決于電源。步驟二：微處理器的I/O設置為輸出，同時輸出低電平，且低電平保持時間不能小于800us，典型值是拉低1MS，然后微處理器的I/O設置為輸入狀態，釋放總線，由于上拉電阻，微處理器的I/O即AM2301的SDA數據線也隨之變高，等主機釋放總線后，AM2301發送響應信號，即輸出80us的低電平作為應答信號，緊接著輸出80us的高電平通知外設準備接收數據，信號傳輸如圖3-7所示。圖3-7 單總線分解時序圖步驟三：AM2301發送完響應后，隨后由數據總線SDA連續串行輸出40位

41、數據，微處理器根據I/O電平的變化接收40位數據。 位數據“0”的格式為：50us的低電平加26-28us的高電平； 位數據“1”的格式為：50us的低電平加70us的高電平；位數據“0”、位數據“1”格式信號如圖3-8所示。溫室大棚控制系統設計13圖3-8 單總線分解時序圖AM2301的數據總線SDA輸出40位數據后，繼續輸出低電平50us后轉為輸入狀態，由于上拉電阻隨之變為高電平。同時AM2301內部重測環境溫濕度數據，并記錄數據，測試記錄結束，單片機自動進入休眠狀態。單片機只有收到主機的起始信號后，才重新喚醒傳感器，進入工作狀態。 (8) 接口電路：建議連接線長度短于20米時用5K上拉電

42、阻,大于20米時根據實際情況使用合適的上拉電阻。電路如圖3-9所示。 NCGNDSDAVDDAM 230110KR 7VCCVCCGNDMCUP1.0圖3-9 AM2301典型接口電路3.3 人機接口電路設計3.3.1 液晶顯示電路設計3.3.1.1 LCD1602 簡介在單片機系統中應用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個優點：(1)顯示質量高，由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發光，而溫室大棚控制系統設計14不像陰極射線管顯示器(CRT)那樣需要不斷刷新亮點。因此，液晶顯示器畫質高且不會閃爍。(2)數字式接口，液晶顯示器都是數字式的，和單片機系統的接口更加簡單可靠

43、，操作更加方便。(3)體積小、重量輕，液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統顯示器要輕得多。(4)功耗低，相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內部的電極和驅動 IC 上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊它有若干個 57 或者 511 等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有也有間隔 起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此，所以他不能顯示圖形(用自定義 CGRAM，顯示效果也不好)。LCD1602

44、 是指顯示的內容為 162,即可以顯示兩行，每行 16 個字符液晶模塊(顯示字符和數字)。目前市面上字符液晶絕大多數是基于 HD44780 液晶芯片的，其和 LCD1602 的控制原理是完全相同的，因此基于 HD447808的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。LCD1602 的芯片及其接口電路如圖 3-10 所示。Vss1BLK16DB29R/W5DB613V03DB07DB411BLA15Vcc2RS4EN6DB18DB310DB512DB714LCD1602GNDVCCVCCGND10KR1GNDP2.0P2.1P2.2圖3-10 1602LCD引腳圖1602 LCD 主

45、要技術參數：顯示容量：162 個字符 芯片工作電壓：4.55.5V工作電流：2.0mA(5.0V) 模塊最佳工作電壓：5.0V字符尺寸：2.954.35(WH)mm3.3.1.2 LCD1602 各引腳及功能說明溫室大棚控制系統設計151602LCD 在此處采用標準的 16 腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表 3-5 所示。表3-5 1602各引腳說明引腳符號引腳說明引腳符號引腳說明1VSS電源地9D2數據2VDD電源正極10D3數據3VL液晶顯示偏壓11D4數據4RS數據/命令選擇12D5數據5R/W讀/寫選擇13D6數據6E使能信號14D7數據7D0數據15BLA背光源正極8D1數據16

46、BLK背光源負極第 1 腳：VSS 為地電源。 第 2 腳：VCC 接 5V 正電源。第 3 腳：VO 為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，可以通過一個 10K 的電位器調整對比度。第 4 腳：RS 為寄存器選擇，高電平選擇數據寄存器、低電平選擇指令寄存器。第 5 腳：R/W 為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS 和 R/W 共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當 RS 為低電平 R/W 為高電平時可以讀忙信號，當 RS 為高電平 R/W 為低電平時可以寫入數據。第 6 腳：EN 端為使能端，當 EN 端由高

47、電平變成低電平時，液晶模塊執行命令。第 714 腳：DB0DB7 為 8 位雙向數據線。第 15 腳：背光源正極。 第 16 腳：背光源負極。3.3.1.3 LCD1602 的顯示操作LCD1602 與單片機之間有四種基本操作如表 3-6 所示。表3-6 LCD1602與單片機之間有四種基本操作RSR/W操作溫室大棚控制系統設計1600寫命令操作(初始化，光標定位等)01讀狀態操作(讀忙標志位)10寫數據操作(要顯示內容)11讀數據操作(可以把顯示存儲區中的數據反讀出來)(1) 讀狀態字由表 3-6 可知當 RS=0，R/W=1 時，根據管腳功能，當為有效電平時，狀態命令字可從 LCD 模塊傳

48、輸到數據總線,同時可以保持一段時間，從而實現讀狀態字的功能。圖 3-11 為讀操作時序圖。圖3-11 讀操作時序圖(2) 1602 命令字表 3-7 所示為控制指令表，其主要介紹了指令名稱、控制信號及控制代碼。其指令名稱是指要實現的功能；控制代號是采用的十六進制的數值表示的。 清屏操作是指輸入某命令字后即能將整個屏幕顯示的內容全部清除； 歸 home 位：將光標送到初始位；其中的號為任意，高低電平均可； 輸入方式：設置光標移動方向并指定整體顯示是否移動。I/D=1：光標右移=0：光標左移，S 屏幕上所有文字是否左移或者右移，高電平表示有效，低電平無效； 顯示狀態設置：D 控制顯示的開與關，高電

49、平開顯示，低關顯示；C 控制光標的開與關，高電平有光標，低無光標；B 控制光標是否閃爍，高電平閃，低不閃。 光標畫面滾動：R/L 指右或左移；S/C 為高時移動顯示的文字，低時移動光標； 功能設置：DL 接口數位，L 指顯示行數，F 顯示字型；如 DL=1：8 位=0：4 位總線，L=1：2 行=0：1 行，F=1：510=0：57(點陣字符)；溫室大棚控制系統設計17 CGRAM 地址設置：相當于一個數據庫，可以在其中選擇所需要的字符號； DDRAM 地址設置：置數據存貯器地址，即顯示定位； 讀忙標志 BF 和地址：BF 為忙標志位，高電平時此模塊不能接受命令或者數據，如果為低電平則表示不忙

50、； 讀寫數據：將數據按要求從對應的單元讀寫,即 CGRAM、DDRAM 的地址。表3-7 LCD1602控制指令表控制信號控制代碼指令名稱RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清屏0000000001歸 HOME 位000000001*輸入方式設置00000001I/DS顯示狀態設置0000001DCB無標畫面滾動000001S/CRL*功能設置00001DLNF*CGRAM 地址設置0001A5A4A3A2A1A0DDRAM 地址設置001A6A5A4A3A2A1A0讀忙標志 BF 和地址01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0寫數據10數 據讀數據11數 據 (3) 寫命令字

51、由表 3-7 可知當 RS=0，R/W=0 時，才可以通過單片機或用戶指令把數據寫到LCD 模塊，此時就對 LCD 進行調制。可采用查詢方式：先讀入狀態字，再判斷忙標志位，最后寫命令字。圖 3-12 所示為寫操作時序圖。溫室大棚控制系統設計18圖3-12 寫操作時序圖定義光標位置:顯示數據的某位，就是把顯示數據寫在相應的 DDRAM 地址中，DDRAM 地址占 7 位。Set DDRAM address 命令如表 3-8 所示。光標定位，寫入一個顯示字符后，DDRAM 地址會自動加 1 或減 1，加或減由輸入方式設置。表3-8 Set DDRAM address命令RSR/WDB7DB6DB5

52、DB4DB3DB2DB1DB0001AC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0第 1 行 DDRAM 地址與第 2 行 DDRAM 地址并不連續，如表 3-9 所示。表3-9 DDRAM地址row12345141516line180H81H82H83H84H8dH8eH8fHline20c0H0c1H0c2H0c3H0c4H0cdH0ceH0cfH3.3.2 按鍵電路的設計鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。鍵盤上閉合鍵的識別由專用的硬件編碼器實現，并產生鍵編碼號或鍵值的稱為編碼鍵盤，如計算機鍵盤。而靠軟件編程來識別的鍵盤稱為非編碼鍵盤，在單片機組成的各種系統中，用的較多的是非編碼鍵盤。非編碼鍵盤又

53、分為獨立鍵盤和矩陣式鍵盤。在單片機的外圍電路中，通常用到的按鍵都是機械彈性開關，當開關閉合時，線路導通，開關斷開時，線路斷開。彈性小按鍵被按下時閉合，松手后自動斷開，自鎖式按鍵按下時閉合且會自動鎖住，有再次按下時才彈起斷開。通常我們把自鎖式按鍵當做開關使用，比如 TX-1C 實驗板上的電源開關就使用自鎖按鍵。單片機的溫室大棚控制系統設計19外圍輸入控制用小彈性按鍵較好，單片機檢測按鍵的原理是：單片機的 I/O 口既可以作為輸出也可以作為輸入使用，當檢測按鍵時用的是它的輸入功能，我們把按鍵的一端接地，另一端與單片機的某個 I/O 口相連，開始時先給該 I/O 口賦一高電平，然后讓單片機不斷地檢測

54、該 I/O 口是否變為低電平，當按鍵閉合時，即相當于該 I/O口通過按鍵與地相連，變為低電平。程序一旦檢測到 I/O 口變為低電平則說明按鍵被按下，然后執行相應的指令。此處用到的獨立式鍵盤的特點是：一鍵一線，各鍵相互獨立，每個按鍵各接一條I/O輸入線的電平狀態，可以很容易地判斷哪個按鍵被按下。在此處，用到了四個獨立按鍵，1鍵表示溫濕度加，2鍵表示溫濕度減，3鍵表示溫濕度選擇，4鍵實現最終數值確定功能。 其連接電路如圖3-13所示。1234GNDVCC1K X4P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45MOSI/P1.56MISO/P1.67SCK/P1.78RST9RXD/P3.010

55、TXD/P3.111INT0/P3.212INT1/P3.313T0/P3.414T1/P3.515WR/P3.616RD/P3.717XTAL218XTAL119Vss20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/Vpp31P0.732P0.633P0.534P0.435p0.336P0.237P0.138P0.039Vcc40AT89C51VCCGNDVCC圖3-13 獨立按鍵圖3.4 光聲報警電路與溫濕度控制電路設計3.4.1 光聲報警電路本系統采用紅綠 LED 燈作為光報警提示，當系統檢測到的數

56、據符合給定的上下限范圍要求時，51 單片機的 P2.5 口電平為高，三極管 Q7 導通，現場始終綠燈顯示，而 P2.6 口電平為低，Q6 不導通即紅燈呈滅狀態；當系統檢測到的數據不符合給定的上下限范圍要求時，則 P2.5 口變為低電平，綠燈滅，同時 P2.6 口變為高電平，三極管 Q6 導通，現場轉化為紅燈報警提示，繼而采取一系列的控制溫濕度措施。另外，采用蜂鳴器作為聲報警提示，當系統檢測到的數據符合給定的要求時，P2.7 口為低電平，現場沒有蜂鳴器報警提示；當系統檢測到的數據不符合給定的要求時，則 P2.7 口變為高電平，三極管 Q1 導通，現場蜂鳴器報警提示9。其中 5V 蜂溫室大棚控制系

57、統設計20鳴器的型號為 YHE12-05，是一種電磁式蜂鳴器，由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。光聲報警系統電路如圖 3-14 所示。VCCGNDP1.01P1.12P1.23P1.34P1.45M OSI/P1.56M ISO/P1.67SCK/P1.78RST9RXD/P3.010TXD/P3.111INT0/P3.212INT1/P3.313T0/P3.414T1/P3.515WR/P3.616RD/P3.717XTAL218XTAL119Vss20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG3

58、0EA/Vpp31P0.732P0.633P0.534P0.435p0.336P0.237P0.138P0.039Vcc40 D2D11KR21KR3Q185501KVCCGNDsp1VCCQ6Q7GND1K1KGNDVCCYHE1205圖3-14 光聲報警系統電路圖3.4.2 溫濕度控制電路本系統溫濕度控制系統主要組成有：風扇、加熱器 、噴霧器、除潮器。當系統檢測到的數據不符合設定的要求時，系統啟動溫濕度控制系統10實現精度范圍內的恒溫恒濕的目的。其中各種控制設備對應到繼電器11的型號及參數如表 3-10 所示。表3-10 各控制設備及對應的繼電器的特性線圈電壓負載參數生產廠家型號加熱器31

59、10V DC10A、20A/ 220V AC巨人JQX-14FX-1Z風扇3110V DC20A、30A/ 220V AC巨人JQX-16F(T91)噴霧器348V DC20A /220V AC亞洲龍JQX-16FS(T92)除潮器3V、5V、6V DC7A、10A/220V AC福特4123(T71)(1) 加熱器:負責整個溫室大棚的加熱工作, 根據實際效果和成本預算，選用組合式加熱管，其額定功率為 20KW。足見是功率相當大的，220V 的電壓是不能直接作為輸入電壓，應選用 380V 交流電壓。經計算得到其額定電流為 52.63A，當然此繼電器控制設備溫室大棚控制系統設計21處還要接觸器作

60、為開關電路,此處選用接觸器的型號為西門子 3TF5244-0XQ0 型號產品，額定電流為 170A，的定電壓為 220V。 (2) 風扇:負責系統的降溫工作，其額定功率為 1500W，由于其在額定交流電壓220V 下工作，同上計算得額定電流為 6.8A。因為電機在啟動瞬間其實際運行電流為額定值的 47 倍，所以在選擇繼電器的時候其額定電流應偏大，此處則選用繼電器負載電流參數值為 20A 左右即可。(3) 噴霧設備:負責系統的加濕工作，選用海美鉅 HTY-12 型號產品，其額定功率為 1200W。當其在 AC220V 電壓下工作時，額定電流為 5.5A，選用亞洲龍 JQX-16FS(T92)型號