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倉庫溫濕度控制系統(tǒng) 姓 名 學 號 專 業(yè) 班 級 提 交 日 期 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 1 目 錄 摘要 2 1 倉庫溫濕度控制系統(tǒng)設計任務和性能指標 3 1 1 設計任務 3 1 2 性能指標 3 2 系統(tǒng)總體設計 3 3 硬件設計 4 3 1 單片機最小系統(tǒng) 4 3 2 LCD1602顯示模塊 5 3 3 溫濕度傳感器模塊 6 3 3 1 SHT10溫濕度傳感器的介紹 6 3 3 2 SHT10與單片機的接口電路 7 3 4 報警模塊 7 3 4 按鍵模塊 8 3 4 控制模塊 8 4 軟件設計 9 4 1 主程序流程圖 9 4 2 SHT10子程序流程圖 10 4 3 LCD1602子程序流程圖 10 4 4 輸出控制子程序流程圖 11 4 5鍵盤掃描子程序流程圖 11 5 仿真與調(diào)試 12 5 1 調(diào)試環(huán)境 12 5 2不足與優(yōu)化 13 6 總結 13 7 參考文獻 13 附件 1 系統(tǒng)仿真圖 14 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 2 摘要 防潮 防霉 防腐 防爆是倉庫日常 工作的重要內(nèi)容 是衡量倉庫管理質(zhì)量的重要 指標 它直接影響到儲備物資的使用壽命和工作可靠性 為保證日常工作的順 利進行 首要問題是加強倉庫內(nèi)溫度與濕度的監(jiān)測工作 傳統(tǒng)的方法是用濕度表 毛發(fā)濕度表 雙金屬式測量計和濕度試紙等測試器材 通 過人工進行檢測 對不符合溫度和濕度要求的庫房進行通風 去濕和降溫等工作 為解 決這種傳統(tǒng)溫濕度檢測主要以人為基礎 依靠人工輪流值班 人工巡回查看等方式來測量 和記錄環(huán)境狀況信息的模式 避免許多由人為因素造成的重大事故 解決效率低下不利于人 才充分利用的問題 讓測量更具有科學性 本設計提供了一套更方便和精確度更高的測控系 統(tǒng) 本設計是基于 AT89C52 單片機的倉庫溫濕度自動控制系統(tǒng) 采用 SHT10 作為溫濕度 傳感器 LCD1602 液晶屏進行顯示 SHT10 使用類似于 I2C 總線的時序與單片機進行通 信 因為它高度集成 已經(jīng)包括 A D 轉(zhuǎn)換電路 所以使用方便 而且準確 耐用 LCD1602 能夠分兩行顯示數(shù)據(jù) 第一行顯示溫度 第二行顯示濕度 這個控制系統(tǒng)能夠 測量倉庫中的溫度和濕度 并將其顯示在液晶屏 LCD1602 上 同時將其與設定值進行對 比 如果超出上下限 將進行報警并通過串口向 PC 端發(fā)送信息以及啟動溫濕度調(diào)節(jié)設備 此外 還可以通過獨立式鍵盤對設定的溫濕度的上下限數(shù)值進行修改 經(jīng)過整機調(diào)試 實現(xiàn)了倉庫溫濕度控制的模擬 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 3 1 倉庫控制系統(tǒng)設計任務和性能指標 1 1 設計任務 為了保護倉庫儲存的物品的質(zhì)量 創(chuàng)造適宜儲存的環(huán)境 當庫內(nèi)溫濕度適宜物品儲 存時 控制設備不用采取措施 溫濕度傳感器只是對庫內(nèi)進行檢測 當庫內(nèi)溫濕度不適 宜物品儲存時 報警裝置進行報警 控制設備采取相應的措施對倉庫溫濕度進行調(diào)節(jié) 只至溫濕度在限定的范圍內(nèi) 1 2 性能指標 本文要設計的倉庫溫濕度自動控制系統(tǒng) 要能夠及時 準確地對倉庫的溫度 濕度 進行采集 將其顯示在 LCD1602液晶顯示器上 然后與設定的上下限值進行比較 如果 超出限制則啟動溫度 濕度控制設備 并通過蜂鳴器報警 直到溫濕度回到規(guī)定的范圍 另外 還要能夠通過按鍵修改設定的溫濕度上下限 來滿足不同物品的儲存條件 為了 滿足倉庫儲存的需要 此次設計要達到一下指標 1 工作環(huán)境 倉庫 2 溫度測量誤差 1 3 測溫范圍 10 55 4 濕度測量誤差 5 RH 5 測濕范圍 0 100 RH 6 能否通過鍵盤電路修改上下限 能 6 有無溫濕度報警 有 2 系統(tǒng)總體設計 本設計核心部件為AT89C51 信號采集及處理部分由SHT10 構成 進入單片機后經(jīng)處 理后通過LCD1602顯示溫濕度 信號顯示采用的液晶屏為5 7點陣 一行可顯示16字 兩行 第一行顯示溫度 第二行顯示濕度 通過上位機部分對測量的溫濕度進行上下值 的設定 應用RS 485 通信方式完成測控電路與上位PC 機的數(shù)據(jù)交換 當測量超過限定值 通過超限報警處理電路對其進行處理分別顯示不同的二極管燈亮 蜂鳴器產(chǎn)生長鳴 串 口向PC 端發(fā)送具體的報警信息 控制設備采取相應的措施使溫濕度到達設定的范圍內(nèi) 硬件中包括五個按鍵 對溫濕度上下限進行修改 開機后 所有器件初始化 溫濕 度傳感器 SHT11 開始進行溫濕度測量和計算 最后通過 LCD 液晶顯示器顯示結果 在測 量結果中有超過設定的溫濕度上下限的 通過溫濕度控制部分作出反應 整體電路框圖如圖 1 所示 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 4 圖 1 整體電路框圖 3硬件設計 3 1單片機最小系統(tǒng) 圖 2 單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)包括單片機 電源電路 時鐘電路和復位電路 時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作時候所必須的時鐘信號 單片機在時鐘信號的節(jié)拍下 逐條地執(zhí)行指令 單片機有兩種時鐘信號產(chǎn)生方式 一種是內(nèi)部時鐘方式 另一種是外 部時鐘方式 外部時鐘方式是把已有的時鐘信號從 XTAL1 或 XTAL2 送入單片 一般用 于有多個單片機的情況 所以本設計中時鐘電路采用內(nèi)部時鐘方式 選用 12M 的晶振和 兩個 30pF 的電容與片內(nèi)的高增益反相放大器構成一個自激振蕩器 電源電路后面的模塊中會單獨提到 用 5V 的直流電源 下面著重論述一下復位電路 報警模塊 鍵盤輸入 LCD1602 顯示 SHT10 溫濕 度傳感器 控制部分 AT89C52 單片機 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 5 圖 3 上電 手動復位電路 單片機的復位主要有上電復位和手動復位 之所以要進行復位 目的就是為了讓單 片機進入初始狀態(tài) 比如讓 PC 指向 0000H 這樣單片機才能從頭運行程序 因此上電的 時候就要讓單片機復位一次 在運行過程中 如果程序出錯 也需要進行手動復位 本設計中的復位電路就是上電 手動復位電路 復位時要讓 STC89C52RC 的 RST 引 腳得到 2 個機器周期以上的高電平 先說說上電復位的工作原理 當單片機上電時 電 源 5V 的 Vcc 通過 10K 的電阻對 10uF 的電容進行充電 剛上電時 有較大的電流從 Vcc 經(jīng)電容 電阻流向 GND 由于電容兩端的電壓不可突變 因此仍然為 0V 于是電阻的兩 端分得 5V 的電壓 即 RST 引腳此時的電勢為 5V 隨著充電的繼續(xù)進行 電流會逐漸減 小 電阻兩端的電壓 UR IR 也逐漸減小 即 RST 引腳的電勢逐漸減小 過了一定時間 RST 引腳兩端的電壓下降到不再是高電平 只要這個充電的時間大于單片機兩個機器周 期 就能使單片機復位 程序運行過程中如果跑飛了 程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時 就 需要用到手動復位 手動復位就是在上電復位電路的電容兩邊并聯(lián)一個微動開關 需要 手動復位時將其按下 使之接通 RST 獲得高電平 而且人按動按鈕的時間肯定是超過 兩個機器周期的 于是單片機復位 3 2 LCD1602顯示模塊 測量到的溫濕度值將顯示到液晶屏 LCD1602 上 它可以顯示 2 行 每行 16 個字符 LCD1602 共有三個存儲器 它們是 CGROM CGRAM 和 DDRAM CGROM 用來保存 LCD1602 內(nèi)部固化的一些字符的字模 比如英文的 26 個字母的大小寫 CGRAM 用來保 存用戶自己取的字模 比如 如果要顯示漢字 就必須自己去漢字字模 在這里我們都 用英語字母 故不用 CGRAM DDRAM 用來存儲要顯示的字符的字模 它和屏幕上的位 置是對應的 第一行為 00H 到 0FH 第二行為 40H 到 4FH 在這里需要注意的是 在向 LCD1602 寫入顯示數(shù)據(jù)存儲器地址時 根據(jù)控制指令的格式 最高位 D7 為 1 所以寫入 的數(shù)據(jù)為 第一行 80H 到 8FH 第二行 C0H 到 CFH 它與單片機的接口電路如下圖所示 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 6 圖4 LCD1602與單片機的接口電路 3 3 溫濕度傳感器模塊 3 3 1 SHT10溫濕度傳感器的介紹 SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片 該傳感器內(nèi)1個奄容 式聚合體溺瀑元件和1個能隙式測溫元件組成 并嗣1個14位A D 轉(zhuǎn)換器以及1個2 wire數(shù) 字接口在單芯片中無縫結合 使得該產(chǎn)品具有功耗低 反應快 抗干擾能力強等優(yōu)點 1 SHT10的主要特點 相對濕度和溫度的測量兼有露點輸出 全部校準 數(shù)字輸出 接口簡單 2 wire 響應速度快 越低功耗 自動休眠 出色的長期穩(wěn)定性 超小體積 表面貼裝 測濕精度土4 5 RH 測溫精度土0 5 25 測溫范圍 40 123 測濕范圍0 100 RH 2 SHT10的命令與時序 SHTl0命令 命令時序 發(fā)送一組 傳輸啟動 序列進行數(shù)據(jù)傳輸初始化 如圖5所示 其時序為 當SCK為高電 平時DATA翻轉(zhuǎn)保持低電乎 緊接著SCK產(chǎn)生1個發(fā)脈沖 隨后在SCK為高電平時DATA翻 轉(zhuǎn)保持高電平 緊接著的命令包括3個地址位 僅支持 000 和5個命令位 SHTl0指示正 確接收命令的時序為 在第8個SCK時鐘的下降沿之后將DATA拉為低電平 ACK位 在 第9 個SCK時鐘的下降沿之后釋放DATA 此時為高電平 圖 5 命令時序 復位時序 如果與SHTl0的通信發(fā)生中斷 可以通過隨后的信號序列來復位串口 如圖6所示 保持DATA為高電平 觸發(fā)SCK時鐘9次或更多 接著在執(zhí)行下次命令之前必須發(fā)送一組 傳輸啟動 序列 這些序列僅僅復位串口 狀態(tài)寄存器的內(nèi)容仍然保留 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 7 圖 6 復位時序 狀態(tài)寄存器讀寫時序 SHTl0 通過狀態(tài)寄存器實現(xiàn)初始狀態(tài)設定 圖 7 讀時序 圖 8 寫時序 3 3 2 SHT10 與單片機的接口電路 圖 9 SHT10 與單片機的接口電路 SHT10 采用類似于 I2C 的兩線制串行總線 一根是時鐘線 一根是數(shù)據(jù)線 為避免 信號沖突 微處理器應驅(qū)動 DATA 在低電平 需要一個外部的上拉電阻 例如 10k 將 信號提拉至高電平 上拉電阻通常已包含在微處理器的 I O 電路中 3 4 報警模塊 當倉庫的溫濕度超過上下限時 除了需要啟動溫濕度調(diào)節(jié)器之外 還需要進行報警 這里用到的是蜂鳴器 LED 和串口 蜂鳴器為一種采用一體化結構的電子器件 采用了直流電壓來供電 蜂鳴器分為有 源蜂鳴器和無源蜂鳴器 本設計中使用的是有源蜂鳴器 在它兩端加載 5V 的直流電壓就 可以使之鳴叫 LED 在這個模塊中主要是顯示溫濕度不在限定范圍內(nèi) 不同的 LED 亮 顯示對應的 物理量超限 串口主要是當溫室度超限 單片機不停地向 PC 端發(fā)出具體超限的物理量 報警電路圖 10 所示 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 8 圖10 報警電路圖 蜂鳴器工作電流一般為 10mA 而單片機的 I O 口只能承受幾毫安的電流 因此需要 加三極管進行驅(qū)動 如上圖所示 單片機的 I O 口中的 P3 5 接 PNP 型三極管的基極 當 P3 5 為低電平時 三極管導通 5V 的電壓加載到蜂鳴器兩端 于是蜂鳴器鳴叫 當 P3 5 高電平時 三極管截至 蜂鳴器不鳴叫 串口的 2 3 號腳分別接單片機的 P3 0 和 P3 1 便于與 PC 機進行通信 四個 LED 正極直接與 VCC 相連 當負極出現(xiàn)低電平時 對應的 LED 亮 3 5 按鍵模塊 按鍵電路圖如下圖所示 圖11 按鍵電路圖 鍵盤分為編碼式和非編碼式鍵盤 其中 非編碼式鍵盤又包括矩陣式鍵盤和獨立式 鍵盤 矩陣式鍵盤較為復雜 一般用于按鍵數(shù)目較多 而單片機可用的 I O 口又比較有限 時 本控制系統(tǒng)中只需要用到 5 個按鍵 數(shù)目較少 并且可用的 I O 口充足 故采用獨立 式鍵盤 一個按鍵對應一個單片機的 I O 口管腳 本設計中總共用到 5 個按鍵式開關 它們用來改變設定的溫濕度上下限數(shù)值 從 K1 到 K5 分別控制進入溫度上下限設置 進入濕度上下限設置 數(shù)值加 數(shù)值減 確認并 退出 本設計中的鍵盤是低電平有效 未按鍵時 上拉電阻保證了單片機的 I O 口是確定 的高電平 當某個鍵按下時 I O 口變?yōu)榈碗娖?本設計可以直接設定溫濕度參數(shù)的上下 限值 從而達到對溫濕度控制報警的功能 3 6 控制模塊 控制模塊電路圖如下所示 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 9 圖 12 控制模塊電路圖 控制模塊主要由直流電機 繼電器 加熱絲等構成 由于單片機的輸出電流一般為 30 40mA 輸出的低電平為 0 1V 左右 而直流電機的驅(qū)動電流為 200mA 驅(qū)動電壓為 5V 繼電器的驅(qū)動電流約為 90Ma 所以要用三級管放大 通過繼電器使電機開關吸合 避免電機不能正常工作 控制模塊的主要功能是當溫濕度不在限定范圍時 控制設備開 始工作 使溫濕度達到自己限定的范圍內(nèi) 4軟件設計 4 1 主程序流程圖 Yes 是否超限 將溫濕度與設定值比較 啟動溫濕度調(diào)節(jié)設備 對溫濕度數(shù)據(jù)進行修正 No 在液晶屏上顯示溫濕度 測量溫濕度 是否有按鍵 初始化 LCD1602 Yes 開始 進入鍵盤掃描子程序 串口設置 No SHT10 復位 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 10 圖 13 主程序流程圖 4 2 SHT10子程序流程圖 圖 14 SHT10 子程序流程圖 4 3 LCD1602子程序流程圖 開始 發(fā)送啟動時序 發(fā)送控制字 接收數(shù)據(jù) 測量結束 接收校驗位 結束 No Yes 開始 LCD1602 初始化 設置首行數(shù)據(jù)指針 寫入首行字符 設置第二行數(shù)據(jù)指針 寫入第二行字符 結束 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 11 圖 15 LCD1602 子程序流程圖 4 4 輸出控制子程序流程圖 開始 返回主程序 溫度 濕度是否 超出上下限 啟動溫濕度調(diào)節(jié)設備 蜂鳴器報警 溫濕度是否回到 限定值內(nèi) 停止報警 停止溫濕度控制設備 溫濕度是否留有足 夠的裕量 結束 No Yes Yes Yes No No 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 12 圖 16 輸出控制子程序 4 5 鍵盤掃描子程序流程圖 圖 17 鍵盤掃描子程序 為了防止抖動 按鍵電路中都要消抖的措施 本設計中是采用的軟件消抖 在單片 機檢測到某個鍵按下后 延時 10ms 再監(jiān)測 如果仍然按下 才視為按下了該鍵 K1 K2 K3 K4 K5 分別對應單片機的 P2 3 P2 7 引腳 按下 K1 也就是使 P2 3 No Yes 開始 退出鍵盤子程序 延時 10ms 退出鍵盤子程序 上限或下限加一或減一 P2 3 或 P2 4 是 否按下 No P2 3 或 P2 4 是 否仍被按下 Yes Yes No P2 5 或 P2 6 是 否按下 P2 5 或 P2 6 是 否按下 Yes No 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 13 為低電平時 進入溫度上限的設置 再按一次進入溫度下限的設置 按下 K2 進入濕度 上限的設置 再按一下進入溫度下限的設置 在每個設置里面 按 K3 增加限值 按 K4 減小限值 設置好以后 按 K5 退出設置 5 仿真與調(diào)試 5 1 調(diào)試環(huán)境 本設計用到了 Keil uVision4 和 Proteus7 8 兩種軟件進行聯(lián)合調(diào)試 實驗中使用 C 語言 在 Keil uVision4 進行編寫源代碼 并通過編譯檢查源程序中的代碼是否正確 原理圖是 在 Proteus7 8 提供的環(huán)境中繪畫 在 Keil uVision4 編譯無誤后生成 HEX 文件 并將其導入 到原理圖中 在原理圖沒有錯誤后就可以進行仿真 通過仿真可以進行調(diào)試 使設計達 到要求 5 2 不足與優(yōu)化 不足 按鍵會出現(xiàn)抖動 延時時間過短致使按鍵按下時單片機可能沒來得及響應 SHT10 測量溫濕度最大誤差可達到 4 5 對于一些溫濕度要求較高的物品還存在較大的 誤差 優(yōu)化方案 對于按鍵出現(xiàn)抖動的情況 我們可以增大延時時間來 解決這個問題 對于一些對溫濕度要求比較高的物品 我們可以使用其它精度比較高而且比較有經(jīng)濟效 益的的傳感器 同時可以采取多點測量的方法來解決 6 總結 這次的課程設計是利用單片機 AT89C52 來設計倉庫溫濕度控制系統(tǒng) 設計中使用 LCD1602 進行對當前溫度和濕度進行顯示 使用溫濕度傳感器 SHT10 對溫濕度測量 當 溫濕度超限時 蜂鳴器發(fā)出報警信號 同時 控制設備進行相應的操作使溫濕度回到限 定的范圍內(nèi) 通過模擬 基本實現(xiàn)了對倉庫溫濕度的控制 這次課程設計讓我學習和了解了很多東西 通過查找資料 我了解了 SHT10 溫濕度 傳感器的使用方法 并對里面的一些函數(shù)和設計思路有了一定的認識 同時 了解了 LCD1602 后 我知道了 1602 該如何使用 并能夠初步的使用它 由于使用 SHT10 溫濕 度傳感器時 單片機的 P3 6 和 P3 7 分別于 SHT10 的 DATA 和 SCK 直接相連 而單片機 與 SHT10 的接口電路中 數(shù)據(jù)端 DATA 接了一個上拉電阻 讓我加深了單片機內(nèi)部的 P1 P2 P3 口有上拉電阻 另外在這次實驗中我知道蜂鳴器分為有源和無源兩種 也知 道了它們接入電路的區(qū)別 這次課程設計體會最深的對軟件和硬件的調(diào)試 軟件調(diào)試過 程中遇到了很多麻煩 如按鍵延時過短 導致單片機沒來得及響應使液晶顯示屏上還是 按鍵按下前的字符 通過改正延時時間的長度 最終把這個問題解決了 在硬件調(diào)試中 也遇到了一些問題 如蜂鳴器沒有聲音 最后經(jīng)過查閱資料 是因為蜂鳴器的電壓和電 流不夠 通過三極管的放大作用 最終蜂鳴器發(fā)出聲音 其次還可以通過改變蜂鳴器的 頻率改變聲音的音調(diào) 通過這次課程設計 我知道我們在遇到問題時 我們應該多動腦 同時應該多查閱 資料以便解決問題 同時 在這次課程設計中 我知道我們的知識面很小 我們在今后 學習中應該多閱讀一些書來豐富我們的知識 這樣在以后遇到問題時 我們能夠快速的 處理 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 14 7 參考文獻 1 張毅剛 單片機原理及應用 第二版 高等教育出版社 2009 2 陸榮鑑 李品 孫周 SHT10 傳感器在溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中的應用 J 傳感器與微系統(tǒng) 2012 31 3 孫環(huán) 滕召勝 基于 SHT10 單片集成傳感器溫濕度檢測模塊設計 J 國外電子測量技 術 2006 25 4 童詩白 華成英 模擬電子技術基礎 M 北京 高等教育出版社 2000 5 郭天祥 51單片機 C語言教程 北京 電子工業(yè)出版社 2008 6 隋清江 基于 PROTEUS 的 LCD1602 接口設計與仿真 J 仿真技術 2010 7 7 劉天時 劉賞 付春 一種單片機鍵盤電路設計與消抖處理 J 計算機與網(wǎng)絡 2010 10 8 趙亮 跟我學 51單片機 四 獨立 矩陣鍵盤應用與設計 J 電子制作 2011 4 9 黃震宇 溫濕度控制系統(tǒng)設計 J 糧油裝備與自動控制 2008 15 10 于志贛 劉國平 液顯 LCD1602 模塊的應用 J 計算機技術應用 2009 4 11 趙亮 液晶顯示模塊 LCD1602 應用 J 電子制作 2007 3 12 譚浩強 C 語言程序設計 第四版 清華大學出版社 2010 13 李泉溪 單片機原理與應用實例仿真 第二版 北京航空航天大學出版社 2011 附錄一 系統(tǒng)仿真圖 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 15 單片機課程設計期末成績評定表 姓 名 學 號 專業(yè)班級 報告題目 報告答辯記錄 成績類別 考勤成績 10 答辯成績 20 報告成績 50 實物成績 20 總分 百分制 成 績 電氣與電子信息工程學院 單片機課程設計 16 評語 指導教師簽字 年 月 日