第1章緒論1.1課題背景及意義當人類步入“自動化時代”的時候，一個國家的工業自動化水平就是其技術水平的反映。其中，自動控制技術的作用不可忽視，它的應用范圍不斷擴大，為國家節省了大量的人力和物力，同時也降低了資源的消耗。同時，隨著“自動化”的來臨，對產品的質量提出了更高的要求。隨著人類對生活質量的不斷提高，培育具有良好特性的農作物已成為一個熱門課題。在食用菌、蔬菜、花卉、生物實驗室、畜舍等環境中，溫度、濕度都有很高的要求。當今社會，使用不同的傳感器來控制溫度、調整濕度，同時還需要對電路進行設計，而且需要經過精密的校驗和校正，所以很難保證測量的準確性和費用。室溫食物長期以來都是一種普通的生活必需品。室溫食物的優劣是關鍵，而食物的優劣取決于室溫環境的優劣。室內溫度主要由通風條件、溫度、濕度等因素決定。濕度-盡可能的高濕度，最好是90%或更高；通風-在室溫下，食物的生長需要大量的氧氣，在室溫下保持通風。在沒有自動化的年代，室溫的食物都是由人工監控的，很多時候都是依靠經驗和直覺來判斷室溫食物的質量。這一做法常常會帶來嚴重的錯誤，從而使室溫下的食物無法達到所需的標準。采用單片機實現溫度、濕度控制，可以有效地防止由第六感引起的感官誤差。該產品的用途很廣泛，不僅可以控制室溫濕度，還可以控制溫室內的溫濕度，還可以用于溫室內的溫濕度控制系統，比如智能家居的溫濕度控制系統，比如公共場所的火災報警系統，比如實驗室的溫濕度控制系統。1.2國內外研究現狀溫、濕度控制技術在國內外的應用和發展。近年來，隨著溫度、濕度的不斷提高，溫度、濕度的控制技術在國內外的發展也越來越成熟。然而，與國內外相比，中國在這方面的技術研發起步較晚，與國外先進水平存在著一定的差距，如：裝備適應性強、工業化水平不高、設備性能不穩定、軟件和軟件資源不足等。現在的溫度和濕度控制技術也在不斷的進步，多因素的綜合控制系統也在不斷的發展，包括溫度、濕度、溫度、濕度的單一控制、可編程控制器、可編程控制器、觸摸屏控制器、網絡遠程溫度、濕度控制等。在人工智能技術的發展下，或許在將來的溫度和濕度控制中，會有一個智能的AI控制和編輯。目前國內外傳感器技術的發展狀況和發展方向。隨著現代技術的發展，傳感技術也在不斷更新，不但功能越來越強，而且品種越來越多。在我們的日常生活和工作中，傳感器已經變得日益重要。如今，通過將傳感器與人工相分離，實現自動化，完全自動化，人工智能，極大地提高了人們的感知能力。中國的傳感器應用技術仍處于起步階段，因此在工業化水平上，與發達國家相比仍有一定的差距。盡管還有一些距離，但這種差距正在逐漸縮小。現在的傳感器已經進入了智能化的時代，隨著科學技術的發展，它的功能也越來越豐富，越來越專業，越來越集成。目前，國內外微控制器的發展狀況和發展方向。微處理器是一種高度集成的電路，它把處理器（中央處理器）、RAM（隨機存儲器）、ROM（ROM）以及多種輸入/輸出端口和終端系統、定時/定時器等集成到一個小型的、老化的計算機系統。20世紀70年代，隨著微/微電腦的研制，微/微電腦的發展，MCU應運而生。盡管一開始僅有4比特的單片機，但是它的發展速度很快，平均3-4年就會升級一次，升級處理速度更快，功能更強，整合能力也更強。微控制器的出現時間較短，但它的發展方向是顯而易見的。目前已廣泛用于各種電子產品，作為一種高性能的單芯處理器，其研究工作已相當繁雜。微控制器的發展趨勢是向大容量、高性能、低功耗、多樣化和功能完善的外部設備電路發展。單片機技術是一種以單片機為核心的自動控制系統。該系統在微機上的應用，使其更易于實現對溫度、濕度的控制。隨著微處理器技術的發展和LSI技術的發展，使得單片數據采集系統的高性能、高可靠性成為可能。在此基礎上，對以單片機為核心的溫度、濕度監控與控制系統進行了研究。隨著經濟、社會的發展，微控制器、高精度的數字溫度、濕度傳感器等設備的應用越來越貼近于模塊化、智能化的微控制器。在常溫下使用此系統，無疑為茶葉的發酵創造了更加適宜的環境，使產品的品質得到了進一步的改善，有著廣闊的市場前景。1.3研究內容對室內環境的溫度和濕度進行實時監測，并能顯示測試結果；可以改變溫度和濕度的限制；當室內溫度與濕度大于或低于設定值時，控制系統蜂鳴器會發出閃爍的聲音，報警器具有開關，可開或關；當某一溫度或濕度值高于或低于規定值時，會發出蜂鳴聲，并發出LED警示燈，并啟動外部的機械裝置。該系統可對加熱器，制冷機，通風機，加濕器，抽濕器，警報器等進行自動控制；當溫度超過標準時，蜂鳴器將不再鳴叫，溫度控制裝置也會自動關閉，整個系統可以正常工作；該控制系統具有可靠性高、靈敏度高、抗干擾能力強、操作簡單、維護方便、性價比高等優點。第2章第2章室溫控制系統的功能分解2.1系統總功能分解該課題的硬件設計包括：單片機主模塊，傳感器模塊，顯示模塊，報警模塊，門限調整模塊。傳感模塊可以對周圍環境的溫度、濕度進行記錄，將測量結果傳送至微機進行分析、處理，并將其儲存于不同的陣列中。同時，每隔5秒，系統就會采集到大量的資料，以確保資料的準確性。該顯示模塊實現了對溫度、濕度的測量和門限的顯示，該系統分為兩個部分，一部分為溫度和濕度，一部分為狀態指示，并可設定控制區域。在探測到的數值超過臨界點時，由小型光電報警模塊發送對應的彩色光訊號，由多個不同的發光二極管來顯示外部機器的運行狀況，如果溫度或濕度超出此范圍，則會觸發發光二極管的報警。提示別人這個時候的數據異常，需要進行調整，適時的對加濕器，加濕器，冷卻風扇和除濕器進行有效的調節。該門限設定的四種門限設定功能，可在不同的環境下輕松設定門限，而無須每次變更及燃燒程式，從而簡化控制過程。單片機每隔2秒就會從溫度、濕度感應器中讀出一次溫度和濕度，并將其直接顯示在顯示屏上。為了防止斷電而丟失數據，還將其保存在外存儲器中。顯示器上所顯示的門限可以由四個按鍵來升降。當溫度、濕度超出上限時，警報線路會自動顯示并發出警報，并對外界的風機、暖氣等進行控制。2.2子功能求解方案設計2.2.1微控制器功能模塊方案一：該系統采用PLC作為主要技術，利用開關控制有關元件，對溫、濕度進行控制。但是，由于PLC的相關設備和模擬軟件的限制，使得PLC的設計被廢棄。方案二：采用電容、電感、晶體管等模擬離散器件，其電路設計簡單、易于理解、易于使用、成本低，但離散器件分布較分散，難以實現數碼一體化，且測量精度較高。于是，他放棄了這個計劃。方案三：本系統使用AT89C52作為一款高性能CMOS單片機，具有8K可編程閃存，具有很好的性能。它使用了ATMEL的高密度非光學存儲技術，完全符合80C51的產品說明書和插針。Flash-on-chip為一般的程序員提供了一個程序的函數。AT89S52單片機采用8位智能型CPU，系統內可編程Flash內存，為多種嵌入式應用系統提供了一個靈活、高效的解決方案。AT89C52單片機系統易于獲取，程序還能用匯編和C兩種在學校里學到的，便于操作，因此就選擇了第三種。2.2.2傳感器功能模塊方案一：溫度、濕度的測量精度、重復性和可靠性都不高，溫度、濕度的數值計算方法也比較繁瑣，給測量帶來了困難。所以，他放棄了這個計劃。方案二：溫濕度傳感器是由DHT11型數碼溫度和濕度傳感器組成，它是一種新型的溫度傳感器，該溫度傳感器具有標定的數字信號。該系統采用了專用的數字模組探測技術，溫度、濕度傳感器等技術，確保了系統的高可靠性及長時間的穩定性。它包括電阻式精密器件和NTC溫度測量器件，并與8位微控制器相連接。本發明的產品質量好，反應速度快，抗干擾能力強，性價比高，連接方便。所以，我們選擇了第二個方案。2.2.3顯示功能模塊方案一：LED顯示屏是一種用于控制LED顯示的技術。半導體LED通常包括大量的LED，這些LED是利用LED發出的光來顯示不同的信息。但因為其主要材料為有機物質，其使用壽命相對較短，故放棄了這一方案。方案二：LCD1602LCD,LCD結構，在兩個平行的玻璃襯底中間，在玻璃襯底的下面是TFT(TFT)，在玻璃襯底的上方，需要置于TFT上的信號和電壓會改變，從而實現對液晶光分子的轉動方向的控制，從而實現對各個象素的偏振度的控制。由于采用了無機材料，因此其老化速度較慢，使用壽命較長。所以，LCD1602的顯示被選中。2.2.4報警控制功能模塊方案一：報警控制模塊由PLC實現，通過開關控制發酵室內的溫度、濕度，實現對外機的控制。但是，由于PLC控制系統使用的是單片機、PLC相關設備和模擬軟件等方面的限制，所以該方案被廢棄。方案二：該電路設計簡報警控制模塊由PLC實現，通過開關控制發酵，易實現對外機于理解PLC控制系統使用的是單片機、PLC相關設備和模擬，操作方便，價格低廉。2.2.5閾值調節功能模塊方案一：采用觸摸屏來控制閾值設置，但由于該成本較高，維修更換不方便。故舍棄該方案。方案二：采用普通的按鍵來控制閾值的設置，方便維修更換，結構簡單。故選擇該方案。2.3組合求解方案評估總而言之，以AT89C52單片機為核心，實現了微處理器的功能模塊；該系統具有高精度的DTHdth11型數字溫度、濕度傳感器，可實現對發酵室內溫度、濕度的實時監測。表2-1組合方案表方案一方案二方案三微控制器功能模塊舍棄舍棄選擇傳感器功能模塊舍棄選擇顯示功能模塊舍棄選擇報警控制功能模塊舍棄選擇閾值調節功能模塊舍棄選擇LCD1602液晶顯示系統的溫度、濕度；報警控制功能模塊通過三極管和繼電器的結合，實現對外加濕器、加濕器、風扇、除濕器等的控制，實現對發酵室內溫度和濕度的控制；門限調整功能模塊使用常規的鍵來設定門限值。通過實際的討論，這個組合方案是最適合自己的。第3章第3章室溫微控制器功能模塊的設計3.1AT89C52引腳及功能特性圖3-1AT89C51引腳圖AT89C52的基本特點是：8字閃存，256字內存，32輸入/輸出端口，3條16比特計時/計數器，6向量2級中斷，全雙工串行通信端口，片上振蕩器，時鐘電路。AT89C52還能實現OHz的靜態邏輯操作，并能提供兩種不同的省電方式。閑置模式會使CPU停止運行，但是允許RAM，計時器，串行端口，中斷系統。斷電模式會保留RAM中的數據，但是振蕩器會不工作，并且在下一個硬件重新設置之前，其它部件都不能正常工作。3.2AT89C52內部框架及主要性能參數圖3-2AT89C52內部框架圖表3-1AT89C52主要性能參數表AT89C52主要性能參數與Mcs-51產品指令和引腳完全兼容8字節可重擦寫FLASH閃速存儲器1000次擦寫周期全靜態操作：0Hz-24MHz三級加密程序存儲器256X8字節內部RAM32個可編程I/0口線3個16位定時/計數器,8個中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式3.3AT89C52軟件設計AT89C51AT89C51溫濕度數據的檢測溫濕度閾值的設定溫濕度數據的顯示蜂鳴報警器的設定按鍵掃描處理繼電器的控制圖3-3主控模塊軟件結構圖圖3-3是主控制系統整體的結構設計思想，按照各個部件的設計功能，把整個系統的整體設計思想分成若干個小的模塊。該系統主要包括了若干個主要的設計模塊。硬件初始化開始硬件初始化開始溫濕度設定與檢查數據顯示與設定值比較不同設備調控報警相同圖3-4系統運行流程圖圖3-4為系統運行的軟件思路流程圖，根據系統運行流程圖的結構，進行程序設計編譯。由于溫度與熱敏電阻之間存在著簡單的數值關系，因此無法通過簡單的數學計算來確定各電壓信號的溫度。而電壓信號和溫度之間有一一對應關系，而AID變換的電壓信號與AID變換的結果成比例，因此能夠一一對應。將溫度與A/D轉換的數據映射到MCU的存儲器中，通過AID變換后的數據進行查找，即可獲得該數據的溫度。由于多種因素的影響，只取樣一次就無法精確地反映出實際的溫度，因此本程序采用了平均法。由于溫度測量數據的A/D變換結果可以判定過熱故障、傳感器短路故障、傳感器故障等，因此將故障判定程序添加到風溫度采集子程序中。該系統的AfD變換程序主要包括以下幾個步驟：設定ADC模塊，設定ADCONl，將其轉換結果保存在右側。AID模塊的啟動是通過設定控制寄存器ADCONO來選擇AID變換時鐘的時間為1，對輸入信道進行選擇（在室溫下是3，在風溫度下是1，在按鍵時是2）。當AlD取樣結束時，一個TADo將控制比特和狀態比特GO/DONE設為1，開始AID變換。在等待A/D變換結束時，可以根據下列兩種方式中的一種進行判定：軟件循環查詢狀態位和控制位GO/DONE的狀態為0：等待A/D轉換結束中斷的生成。將AlD變換結果寄存器ADRESH和ADRESL進行合并，得出10比特的變換結果。A/D轉換結束后的ADIF信號為0。按需要，插入2TAD，為下一個A/D變換做好準備。第4章第4章室溫傳感器功能模塊的設計4.1DHT11引腳及主要參數圖4-1DHT11簡視圖表4-1DHT11的引腳說明表Pin名稱注釋1VDD供電3－5.5VDC2DATA串行數據，單總線3NC空腳，請懸空4GND接地，電源負極表4-2DHT11的主要參數表參數條件MinTypMax單位濕度分辨率111%RH8Bit重復性±1%RH精度25℃±4%RH0－50℃±5%RH互換性可完全互換量程范圍0℃3090%RH25℃2090%RH50℃2080%RH響應時間1/e(63%)25℃，1m/s空氣61015S遲滯±1%RH長期穩定性典型值±1%RH/yr溫度分辨率111℃888Bit重復性±1℃精度±1±2℃量程范圍050℃響應時間1/e(63%)630S溫度不屬于電量信號，需要將其轉換成電子信號，便于進行處理。溫度傳感器根據其本身的特性，可以把溫度信號轉換成電信號，目前的傳感器主要有集成溫度、電阻、熱敏電阻、熱電溫度傳感器等。實際測試中，電阻溫度是最準確的，但反饋很差，對溫度的響應很快，反饋也很好。溫差電偶測量精度高，溫度測量范圍廣，但是在測量時要注意到放大和冷端的處理。在常規的溫度控制電路中，一般都是通過熱電偶、熱敏電阻、PN結測溫，然后通過信號處理電路將其轉換為A/D變換所能接收的模擬數據，然后通過A/D變換，最后送到MCU進行檢測，從而實現對溫度的監測。然而，這種方法存在著電路復雜、易受干擾、難以控制、精度不高等缺點。基于以上原因，本課題所使用的測溫儀，主要采用達拉斯半導體公司研制的單行溫度傳感器。這種傳感器無需A/D變換就能將采集到的數據進行模數變換，并能輸出一定數量的數據，并且易于與MCU進行接口，使用起來十分方便。4.2DHT11數據處理表3-1DHT11數據格式表濕度溫度校驗整數小數整數小數8Bit8Bit8Bit8Bit8BitDHT11與單片機之間的通訊與同步使用。數據格式為單一的總線。通訊時間大約為4毫秒。它的分組包括5個字節（40個比特）。資料分成十進制和整型制，一次完成的資料傳送為40比特，高優先出。在正確傳送資料時，所得到的資料與「八比特的濕度整型資料、八比特的濕度十進制、八比特的溫度整數、八比特的十進制。」測量分辨率為8比特（溫度）,8比特（濕度）。圖4-2DHT11與微處理器連接圖4.3DHT11室溫檢測軟件設計主機啟動主機啟動向DHT11發送工作信號應答信號溫濕度檢測并進行計算處理溫濕度數據傳輸返回圖4-3溫濕度檢測流程圖微控處理器啟動工作，將工作信號傳送給DHT11,DHT11的溫度、濕度傳感器進行數字修正，然后用AT89C52單片機將LCD1602的LCD1602作為電子信號，由LCD1602對其進行相應的處理和顯示。鍵盤是一種便宜的輸入設備，它通常分為密碼式鍵盤，鍵盤上的關鍵功能由專門的硬件設備來實現；沒有代碼的鍵盤，一般都是用具有重要功能的軟件裝置來實現。本研究使用無編碼鍵盤。在設計中有一個按鈕。按下不同的按鍵時，按下不同的開關，會產生相應的電壓。將不同的電壓變換為不同的數值，由單片機來區分不同的按鍵。在電路中，采用具有同樣阻值的高精度貼片電阻器，使其結構更加簡單。S3-S9的按鈕與S13-S19的按鈕功能類似。該系統基本上是由11個鍵構成，12個等阻電阻構成的串聯電路即可完成11個鍵的作用。本發明所示的遙控和主控制都采用了圖3.3所示的按鈕，R3和R11代替了3個1K電阻器。這樣，當控制器或遠程控制器上的“自動加熱，連續加熱，通風，停止復位，1級風扇，2級風扇，3級風扇”時，可以實現同樣的控制效果。控制臺上的“風溫設定++風溫-”按鈕，遙控器上的“溫度++”按鈕互不影響。第5章第5章室溫顯示功能模塊的設計5.1LCD1602引腳功能及基本參數圖5-1LCD1602液晶引腳圖表5-1LCD1602引腳功能簡介表編號符號引腳功能簡介編號符號引腳功能簡介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16BLK背光源負極表5-2LCD1602主要技術參數表LCD1602主要技術參數顯示容量:16×2個字符芯片工作電壓:4.5—5.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm整個系統的工作流程如下：啟動后，首先對系統進行初始化，然后進行溫度采集，然后通過顯示子程序對采集到的數據進行處理，然后發送給左邊的LED顯示屏，用于顯示溫度。這時，當顯示預定溫度的右邊LED顯示屏顯示的溫度不滿足所需溫度時，請按S1鍵，進入鍵盤處理程序，重設設定溫度；當預設溫度達到要求時，系統會將所獲得的溫度信息發送給系統的控制子程序，由該子程序進行判定，然后再輸出一個控制信號，對該執行器進行驅動，該執行機構有三個操作：一是控制子程序判定溫度太高，要快速冷卻；當溫度太低時，啟動電吹風進行加熱；在溫室模式中，當溫度達到規定時，風扇和電吹風將不能正常工作。同時，該系統還具有與PC機的串行通信、數據的發送和接收等功能。5.2LCD1602顯示原理LCD1602LCD是一種字符顯示。字庫LCD顯示模塊是一種點陣式LCD，專門用于顯示字母、數字和符號。現在最常見的是16*1,16*2,20*2,40*2。LCD1602LCD的工作原理：LCD中的文字是一種非常復雜的文字，它是由6x8或8x8的陣列構成，它不但可以在顯示屏上發現和顯示與若干位相對應的8字節的顯示RAM區，并且可以將各字節的不同位設為“1”，其它的位是“0”，“1”是亮的，“0”是不亮的。這就是個性的形成。但是，使用文字產生器的控制器，可以很容易地實現字符的顯示。該控制器能夠工作于文字方式。通過LCD上的行數、列數和列數，找到與RAM相對應的地址。5.3LCD1602軟件設計有有LCD1602初始化開始按鍵操作請求顯示按鍵操作數值無讀寫數據是否是否讀寫完顯示數值圖5-2LCD1602軟件運行流程圖在主機開機后，LCD1602的工作就開始了，完成了對AT89C52的信號的讀取和寫入指令的轉換，最終以文字的形式顯示。第6章第6章系統驗證6.1軟件編譯工具以51系列C語言為核心的MCU軟件開發系統keilc51進行編程運行和調試。該軟件使用C語言編制，16進制文件的編制要求在keilc51中進行編譯。Hex是用c產生的十六進制文件，它是keil編譯的。可以在Proteus的硬件模擬中使用。圖6-1溫濕度控制系統程序編譯圖圖6-2DHT11溫濕度檢測子程序編譯圖6.2硬件仿真開發工具溫濕度控制系統采用英國實驗室中心電子公司的EDA工具軟件Proteus進行仿真。圖aProteus仿真效果圖圖bProteus仿真效果圖圖cProteus仿真效果圖致謝第7章總結本文設計的溫濕度控制系統以AT89C52單片機為主控模塊，采用DHT11型溫濕度數字傳感器實時檢測發酵室的溫濕度變化，LCD1602實時顯示發酵室檢測到的溫濕度，并對關鍵模塊進行閾值限制，設有蜂鳴報警功能，并由繼電器控制外部設備調控的一個系統。本文介紹了溫濕度控制系統的整體設計方案，并且詳細地介紹了設計思路流程，對開發工具也進行了相關描述。該設計針對每個模塊的不同功能，對其進行了軟件編譯，并對其進行了模擬實驗，并對其進行了記錄和分析，以確定該方案能否滿足設計的需要。經過分析和試驗，結果表明，溫度、濕度控制達到了設計的目的，可以調節發酵室內的溫度和濕度。大量的科學試驗和生產實踐表明，調節環境指數對提高農作物產量具有明顯的效果，而在合適的生長條件下，作物的產量才能得到最大程度的提高。本課題設計的溫度值及測量均需由感測器進行檢測；當溫度達不到要求時，對其進行調整和控制；根據測量的溫度，精確地判定設置和取樣的差異，并能及時觸發警報。但是，由于自身技術水平的局限，這個系統的設計