基于AT89C51单片机的大棚温湿度控制系统的设计

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1、摘 要随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素是温湿度控制。温湿度太低，蔬菜就会被冻死或则停止生长，所以要将温湿度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，工人依据读取的温度值来调节大棚内的温度。如果仅靠人工控制既耗人力，又容易发生差错。现在，随着农业产业规模的提高，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局性。为此，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温湿度自动控制系统，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。 本论文主要阐述了基于AT89C51单片机的温室大棚温湿度控制系统设计原理，主要电路设计及软件设计等。该系统采用

2、AT89C51单片机作为控制器，SHT11作为温湿度数据采集系统，可对执行机构发出指令实现大棚温湿度参数调节，根据实际需求设计了单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集，数据处理，数值显示，键盘扫描等功能功能。同时介绍了温湿度传感器，单片机接口，及其应用软件的设计，该基于单片机和SHT11温湿度传感器的大棚温湿度控制系统，该系统性能可靠，结构简单，能实现对温室内温湿度的自动调节。关键词：AT89C51；SHT11；大棚；温湿度；控制系统；传感器；单片机AbstractWith the popularization of trellis technology, greenhouse trellis

3、 an ever-growing number, for vegetable shed speaking, one of the most important management factor is the temperature and humidity 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

4、. Traditional temperature control is in greenhouse trellis internal hanging a thermometer, workers according to regulate the 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

5、 agricultural industry scale, for larger quantity of trellis, traditional temperature control measures will show great bureau sex. Therefore, in modern vegetable shed management zhongtong often temperature and humidity automatic control system, in order to control the temperature, adapt to the trell

6、is vegetable production needs. This thesis mainly elaborated based on AT89C51 tomatoes canopy temperature and humidity control system design principle, main circuit design and software design, etc. This system USES AT89C51 single chip microcomputer as controller, SHT10 as temperature and humidity da

7、ta acquisition system, may to the actuator directives realize trellis temperature and humidity parameters adjustment, has the upper and lower level computer directly set temperature range, temperature and humidity real-time display, and other functions.According to the actual demand design the micro

8、controller hardware system, this system can realize data acquisition, data processing, the numerical display, keyboard scan function function. At the same time, temperature and humidity sensor is introduced, and its application software interface chip design, this based on SCM and SHT10 temperature

9、and humidity sensor shelter, temperature and humidity control system reliable performance, the system structure is simple, can realize the automatic adjustment of the temperature and humidity in a greenhouse.Key words：AT89C51; SHT10;vegetable shed; Temperature and humidity; Control System; sensor;Si

10、ngle-chip microcomputer目 录1.绪论41.1 系统设计背景41.2 系统功能、优势及特点42. 设计内容52.1 总体方案的设计52.1.1 设计思想52.1.2 系统组成及框图52.2 系统主要电路的设计62.2.1 主要芯片89C51的功能及引脚图62.2.2 温湿度检测电路的设计72.2.3 温湿度传感器SHT11的工作原理82.2.4 温湿度调节系统的设计92.2.5 X25045简介93. 硬件设计103.1 温湿度测量电路103.2 LCD显示电路113.3 键盘扫描电路123.4输出接口控制电路13 3.5单片机与X25045接口电路144. 系统软件的设

11、计154.1 系统主程序154.2 键盘扫描子程序，消抖程序流程图164.3 1602LCD液晶显示程序流程图194.4 温湿度读取子程序194.5 键盘扫描源程序204.6 显示程序224.7 温湿度采集程序26 参考文献27引 言在现代的温室种植技术中，温度、湿度是温室蔬菜能否茁壮成长的重要因素。现在我国温室生产规模虽然空前巨大，但是温室的设备比较陈旧，温度采集方式落后，广大农村采用煤油温度计的温度采集方式，不仅温度采集较为老套，并且费时费力，不利于温室生产规模的扩大，也不利于信息化程度的提高，不符合党中央提出的科技兴农的战略目标。农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类顿以

12、生存的最重要的行业，由传统农业向现代化农业转变，由粗放经营向集约经营转变，必须要求农业科技有一个大的发展，进行一次新的农业技术革命。科技的发展促进了农业的发展，温室大棚在农业中的应用越来越广泛。传统的温室大棚的自动化程度很低，基本是是粗放型的人工操作，即便对于所给定的量，在操作中无法进行有效的控制，很大程度上限制了温室大棚的经济效益。现代智能控制系统是进行温室大棚温湿度控制的有效手段和工具，它可以提高操作的准确性，有利于控制过程的科学管理，也降低了对操作者本身素质的要求和体力劳动强度。除此之外，它还能准确、定时、定量、高效的进行温湿度控制，可以节省人力、体力而提高质量和产量。智能温室大棚控制系

13、统在我国农业中的使用为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，有很多是基本停留在人工操作，即使有些使用的了自动控制系统，但是也是以经验来自行设定很多参数，使得不能物尽其用而又造成浪费。只有提高自动控制系统的智能，使得在农业生产中更加智能和方便并采用廉价的器材使其价格能被广大农业生产者所接受，才能促进智能温室大棚温湿度控制在农业中的广泛应用和提高其经济效益。随着微型计算机和传感器技术的迅猛发展，其价格低、可靠性高，给改造农业带来了很多便利。用高新技术改造农业生产，是我国农业和国民经济持续发展的根本大事。本文旨在对温室大棚温湿度监控系统的设计，一种基于51单片机的控制系统，通过高灵敏度的温湿度传感器

14、检测大棚内的温湿度，并通过控制系统进行温室度调节。第一章 绪论1.1 课题的提出和意义随着社会的发展, 各种园艺温室和农作物温室的数量在不断增加。这些温室有的也安装有各种加热、加湿、通风和降温的设备, 但对于相应设备的操作大多还是由人工来完成。当温室的面积达到上千平米甚至更大时, 操作人员的劳动强度会变的很大,并且光靠人工也已经无法完成温室内的温度和湿度的调节。该课题研究的温室控制系统可完成对温室内温湿度的自动测量和调节, 大大降低了操作人员的劳动强度, 并且使温室达到了比较先进的管理水平。并且在我国的发展过程中，我国的温、湿度自动调节及报警系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化

15、程度也越来越高。在我国的一些中小城市，就日光温室的现状来看，许多地方依然靠开关门窗来调节温湿度，这种方法不仅费时费力，效率低，准确度也不高，随机性大，当然也就不够科学。因此，需要研制一种结构简单、价格低廉的测控系统来达到自动调节温湿度调节及报警的目的。随着科技的迅猛发展，我国逐渐实现日光温室系统管理智能化，但是智能化程度与普及率过低。虽然有些也引进了一些国外的计算机智能控制系统，如温室环境控制系统。也真正实现了数字化、智能化、自动化，但投资过大，系统故障维护不便，且经济效益过低。因此实现开发低价位实用型日光温室系统已迫在眉睫，对于推进我国日光温室智能化管理以及最大限度的减少仓库火灾进程具有极为

16、重要的意义，同时也具有很大的市场商机。日光温室以其低成木、节能耗的优点被大而积推广，成为我国现阶段主要农业设施类型。近年来，单片机在我国的许多领域均得到了广泛的应用，其优良的性价比特别适合于日光温室的建设要求。因此，利用单片机实现日光温室内环境与水肥灌溉的自动控制，营造作物适宜的生长环境，是使日光温室生产能够持续快速发展和解决实际生产管理问题的重要手段。我国农业正处在从传统农业向以优质、高效、高产为目的的现代化农业转化的新阶段。农业环境控制工程作为农业生物速生、优质、高产手段是农业现代化的重要标志，农业设施的自动检测与控制是我国急待发展的项目。我国目前大多数温室内的环境仍靠人工根据经验来管理，

17、从某种程度上也影响了其效益和发展。同时微型计算机强大的软、硬件逻辑功能、高性能价格比、高可靠性，为温室自动管理提供了强有力的手段，也为实现温室的标准化、自动化奠定了基础环境控制对作物生产的重要作用己为国内外大量的科学实验和生产实践所证实。只有在适宜的环境条件下，作物才能充分发挥其高产潜力。几十年来，有关作物生理和其生长环境的研究，不仅指导了农业生产，而且为温室环境工程及控制的研究提供了依据和参数。但如何把这类系统用计算机来实现监控，从而为作物提供最佳的生长环境，一直是研究者面临的一项重要的任务。鉴于上述，本文提出了温室自动控制系统的设计。系统以89C51单片机为中心，编制出一套温室自动控制系统

18、1.2 国内外研究发展概况温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，

19、一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。日本研制的蔬菜塑料大棚在播种、间苗、运苗、灌水、喷药等作业的自动化和无人化方面都有应用。日本利用计算机控制温室环境因素的方法，主要是将各种作物不同生长发育阶段所需要的环境条件输入计算机程序，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动作出相应修正或调整。一般以光照条件为始变因素，温度、湿度和CO2浓度为随变因素，使这四个主要环境因素随时处于最佳配合状态。美国和荷兰还利用差温管理技术，实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。英国伦敦大学

20、农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测50km以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。之后，我国的温室控制技术得到了迅速发展。20世纪80年代，由于当时只注重引进温室设备，而忽略了温室的管理技术和栽培技术，且引进的温室能耗过高，致使企业相继亏损或停产。90年代初，我国大型温室跌入了发展的低谷。“九五”初期，以以色列温室为代表的北京中以示范农场的建立，拉开了我国第二次学习和引进国外现代温

21、室技术的序幕。到90年代中后期，在对国外温室设备配置、温室栽培品种、栽培技术等各个方面进行研究的基础上，我国自主开发了一些研究性质的环境控制系统。1995年，北京农业大学研制成功了“WJG-1型实验温室环境监控计算机管理系统”，此系统属于小型分布式数据采集控制系统。1996年，江苏理工大学毛罕平等研制成功了使用工控机进行管理的植物工厂系统。该系统能对温度、光照、CO2浓度、营养液和施肥等进行综合控制，是目前国产化温室控制技术比较典型的研究成果。中国农业机械化科学研究院研制成功了新型智能温室系统。该系统由大棚本体及通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统、计算机环境参数测控系统等

22、组成。1997年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面也取得了一定的成果。90年代末，河北职业技术师范学院的闰忠文研制了蔬菜大棚，其能够对温、湿度进行实时测量与控制。但由于我国农业现代化水平较低，农业劳动力大量过剩，温室的一次性投资大，资金短缺以及对操作人员的素质要求比较高等因素，限制了温室控制技术在温室系统的扩展。1.3 本课题的主要研究内容本系统的设计的硬件主要包括：主要是单片机AT89C51，检测系统，显示电路，报警电路等。利用传感器测量大棚内的温湿度经过信号处理，将传感器测得的数据送至控制系统（AT89C51），与预设的农作物最适合生长的温湿度值的上下限进行对比，并通过显示电路

23、将测得的温湿度进行实时显示。如果不同作物的适合生长的温度不一样，可以通过键盘电路修改预设值。控制系统根据比较的结果对控制系统发出相应的指令，通过五个不同的LED灯发光，分别表示正常、加热、降温、加湿、干燥五个控制命令，并且如果测得的温度超过了预设温度的下限，则报警电路会报警。这样就实现了温室自动监控及低温预警的目的。本文主要研究内容如下：1.进行温湿度控制系统的整体研究与设计。2.利用键盘设置温湿度的上下限值。3.利用数字温湿度传感器测量大棚内的温湿度。4.利用LCD对温湿度进行实时显示。5.当温室温度低于温度下限时，系统可自动报警，并通过不同LED发光表示不同控制信号第二章 设计方案2.1

24、温湿度传感器的选择温湿度传感器在工农业生产、气象、环保、医学等领域得到越来越广泛的应用。温湿度采集系统目前普遍采用的几种方案： 方案一：采用单总线的DS1820的温度传感器和HS110X相对湿度传感器组成的温湿度采集系统。 方案二：采用集温湿度传感器于一体的SHT11芯片为主要芯片的温湿度采集系统。 由于传统的模拟式湿度传感器（方案一）不仅要设计信号调理电路，还要经过复杂的校准和标定过程，其测量精度难以保证。而SHT11是瑞士Sensiri-on公司生产的具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路

25、及全互换的特点。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术融合，为开发高集成度、高精度、高可靠性的温湿度测控系统提供了解决方案。所以本设计采用的是方案二。 2.2 系统的整体设计温湿度监测系统要满足以下条件：温湿度监测系统能完成数据采集和处理、显示、输出控制信号等多种功能。由数据采集、键盘扫描、单片机、数据显示等部分组成。该测控系统具有实时采集（检测室内的温度）、实时显示、（对监测到的温湿度进行显示）、实时报警（根据监测的结果，低于预设定的值的进行蜂鸣警告）的功能。传感器是实现测量首要环节，是监测系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现

26、。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量系统的总体设计框图如图2-1所示：温湿度测量电路 键盘扫描电路复位和时钟电路AT89C51 报警电路 显示电路超限处理电路2-1 系统整体框图第三章 硬件设计 3.1 芯片介绍 3.1.1 单片机AT89C51为了设计此系统，我们采用了80c51单片机作为控制芯片。89C51是MCS-51系列单片机中CMOS工艺的一个典型品种 ；其它厂商以8951为基核开发出的CMOS工艺单片机产品统称为89C51系列。该系列单片机是采用高性能的静态89C51

27、设计 由先进CMOS 工艺制造并带有非易失性Flash 程序存储器 全部支持12时钟和6 时钟操作 P89C51X2 和P89C52X2/54X2/58X2 分别包含128 字节和256 字节RAM 32条I/O 口线3 个16位定时/计数器 6 输入4优先级嵌套中断结构1 个串行I/O 口可用于多机通信I/O 扩展或全双工UART以及片内振荡器和时钟电路。此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围，频率可降至0 。可实现两个由软件选择的节电模式，空闲模式和掉电模式，空闲模式冻结CPU但RAM定时器，串口和中断系统仍然工作掉电模式保存RAM的内容 但是冻结振荡器 导致所有其它的片内

28、功能停止工作。由于设计是静态的时钟可停止而不会丢失用户数据 运行可从时钟停止处恢复。 1、89c51的基本结构如图3-8所示：图3-8 89c51结构图2、89c51的引脚图如图3-9所示： 图3-9 89C51引脚图89C51的制作工艺为CMOS，采用40管脚双列直插DIP封装，引脚说明如下：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此

29、时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八

30、位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外

31、部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个

32、ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施

33、加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3、89c51的存储器配置图3-10 89C51存储器配置4、程序存储器与ROM密切相关的两个引脚地址锁存允许信号端外部程序存储器允许输出信号端当ROM容量不够时,尽量选择高容量存储器空间的单片机,如89C52,89C54,89C58等,应避免外扩程序存储器,因为会增加硬件负担.通过16位PC寻址,最大可寻址64kB地址空间5、数据存储器数据存储器用于存放运算中间的结果、数据暂存、缓冲、标志位、待测程序等功能。片内的128B的RAM地址为00H7FH，供用户做RAM用，但

34、是在这中间的前32单元，00H1FH即引用地址寻址做用户RAM用，常常做工作寄存器区，分做四组，每组由8个单元组成通用寄存器R0R7，任何时候都由其中一组作为当前工作寄存器，通过RS0，RS1的内容来决定选择哪一个工作寄存器。低128字节中的20H2FH共16字节可用位寻址方式访问各位，共128个位地址，30H7FH共80个单元为用户RAM区，作堆栈或数据缓冲用，片内RAM不够用时，须扩展片外数据存储器。此时单片机通过P2口和P0口选出6位地址，使用ALE作低8位的锁存信号，再由P0口写入或读出数据。写时用，读时用做外部数据存储器的选通信号6、特殊功能寄存器SFR表3-3 特殊功能寄存器SFR

35、的位置7、89C51的工作模式有四种工作模式：模式0，模式1，模式2，模式3模式0：选择定时器的高8位和低5位组成一个13位定时器/计数器。TL低5位溢出时向TH进位，TH溢出时向中断标志位TF进位，并申请中断。定时时间t=(213-初值)振荡周期12；计数长度位213=8192个外部脉冲模式1：与模式0的唯一差别是寄存器TH和TL以全部16位参与操作。定时时间t=(216-初值)振荡周期12；计数长度位216=65536个外部脉冲模式2：把TL0和TL1配置成一个自动重装载的8位定时器/计数器。TL用作8位计数器，TH用以保存初值。TL计数溢出时不仅使TF0置1，而且还自动将TH中的内容重新

36、装载到TL中。定时时间t=(28-初值)振荡周期12；计数长度位28=256个外部脉冲模式3：对T0和T1不大相同若设T0位模式3，TL0和TH0被分为两个相互独立的8位计数器。TL0为8位计数器，功能与模式0和模式1相同，可定时可计数。TH0仅用作简单的内部定时功能，它占用了定时器T1的控制位TR1和中断标志位TF1，启动和关闭仅受TR1控制。定时器T1无工作模式3，但T0在工作模式3时T1仍可设置为02。3.1.2 温湿度传感器SHT11 SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。温湿度传感器SHT11集温度传感器和湿度传感器于一体，因此采用SHT11进行温湿度

37、实时监测的系统具有精度高、成本低、体积小、接口简单等优点；另外SHT11芯片内部集成了14位A/D转换器，且采用数字信号输出，因此抗干扰能力也比同类芯片高。该芯片在温湿度监测、自动控制等领域均已得到广泛应用。该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。共主要特点如下： 高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上； 提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输可靠性高； 测量精度可编程调节，内置A/D转换器(分辨率为812位，可以通过对芯片内部寄存器编程选择)； 测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度

38、补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能； 封装尺寸超小(7.62 mm5.08mm2.5 mm)，测量和通信结束后，自动转入低功耗模式； 高可靠性，采用CMOSens工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。 SHT11温湿度传感器采用SMD(LCC)表面贴片封装形式，接口非常简单，引脚名称 及各引脚的功能如下： 脚1-GND和脚4-VDD信号地和电源，其工作电压范围是2.45.5 V； 脚2-DATA和脚3-SCK二线串行数字接口，DATA为数据线，SCK为时钟线； 脚58未连接。 SHT11的内部结构和工作原理： 温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成

39、到一个芯片上，其内部结构如图3所示。该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大；然后进入一个14位的A/D 转换器；最后经过二线串行数字接口输出数字信号。SHT11在出厂前，都会在恒湿或恒温环境巾进行校准，校准系数存储在校准寄存器中；在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号。此外，SHT11内部还集成了一个加热元件，加热元件接通后可以将SHT11 的温度升高5左右，同时功耗也会有所增加。此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度值，可以综合验证两个传感器元件的性能。在高湿(95

40、RH)环境中，加热传感器可预防传感器结露，同时缩短响应时间，提高精度。加热后SHT11温度升高、相对湿度降低，较加热前，测量值会略有差异。相对湿度传感器温度传感器放大器14位A/D转换器校准存储器I2C总线接口和CRC寄存器VDDGNDSCADATA图3 SHT11内部结构图 微处理器是通过二线串行数字接口与SHT11进行通信的。通信协议与通用的I2C总线协议是不兼容的，因此需要用通用微处理器I/O口模拟该通信时序。微处理器对SHT11的控制是通过5个5位命令代码来实现的，命令代码的含义如表2所示。表2 SHT11控制命令代码 命令代码 含 义 00011 测量温度 00101 测量湿度 00

41、111 读内部状态寄存器 00110 写内部状态寄存器 11110 复位命令，使内部状态寄存器恢复默认值。下一次命令前至少等待11ms 其他 保留 SHT11应用设计： 微处理器采用二线串行数字接口和温湿度传感器芯片SHT11进行通信，所以硬件接门设计非常简单；然而，通信协议是芯片厂家自己定义的，所以在软件设计中，需要用微处理器通用I/O口模拟通信协议。 硬件设计： SHT11通过二线数字串行接口来访问，所以硬件接口电路非常简单。需要注意的地方是：DATA数据线需要外接上拉电阻，时钟线SCK用于微处理器和SHT11之间通信同步，由于接口包含了完全静态逻辑，所以对SCK最低频率没有要求；当工作电

42、压高于4.5V时，SCK频率最高为10MHz，而当工作电压低于4.5V 时，SCK最高频率则为1MHz。 软件设计： 微处理器和温湿度传感器通信采用串行二线接口SCK和DATA，其中SCK为时钟线，DATA为数据线。该二线串行通信协议和I2C协议是不兼容的。在程序开始，微处理器需要用一组“启动传输”时序表示数据传输的启动，如图4所示。当SCK时钟为高电平时，DATA翻转为低电平；紧接着SCK变为低电平，随后又变为高电平；在SCK时钟为高电平时，DATA再次翻转为高电平。 DATA SCK图4 数据传输启动时序 3.1.3 液晶显示LCD16021602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来

43、显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个57或者511等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形。1602LCD是指显示的内容为162,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低。1602LCD 主要技术参数： 显示容量:162个字符； 芯片工作电压:4.55.5V； 工作电流:2.0mA(5.0V)； 模块最佳工作电压:5.0V； 字符尺寸:2.954.35(W

44、H)mm。 1602采用标准的16脚接口，其中： 第1脚：VSS为电源地。 第2脚：VDD接5V电源正极。 第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比 度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）；第5脚：RW为读写信号线，高电平“1”时进行读操作，低电平“0”时进行写操作； 第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。 第714脚：D0D7为8位双向数据端。 第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。 1602LCD的指令说明及时序：1602 液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3所示。16

45、02液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平） 表3 1602LCD控制指令序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开、关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存储器地址0001字符发生存储器地址8置数据存储器地址001显示数据存储器地址9读忙标志活地址01BF计数器地址10写数到CGRA,M或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据

46、内容指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。 指令3：光标和显示模式设置。I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移；S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示；C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标；B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位。S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令6：功能设置命令。DL：高电平时为4 位总线，低电平时为8 位总线；N：低电平时为单行

47、显示，高电平时双行显示；F：低电平时显示57 的点阵字符，高电平时显示510 的点阵字符。 指令7：字符发生器RAM地址设置。 指令8：DDRAM地址设置。 指令9：读忙信号和光标地址。BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令10：写数据。指令11：读数据。3.2 模块功能介绍 3.2.1 复位电路和时钟电路 此复位电路的工作原理是：单片机的复位电路在刚接通电时，刚开始电容是没有电的，电容内的电阻很低，通电后，5V的电通过电阻给电容进行充电，电容两端的电会由0V慢慢的升到4V左右（此时间很短一般小于0.3秒），RC构成的微分电路在上电瞬间产生一

48、个微分脉冲，其宽度大于两个机器周期，89C51将复位。正因为这样，复位脚的电由低电位升到高电位，引起了内部电路的复位工作，RST端电压慢慢下降，降到一定电压值以后，即为低电平，单片机开始正常工作（这是单片机的上电复位，也叫初始化复位）；当按下复位键时，电容两端放电，电容又回到0V了，于是又进行了一次复位工作（这是手动复位原理）。如图5所示。 单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的，在单片机的XTAL1和XYAL2两个管脚接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，如图5所示。 图5 手动复位及时钟电路 3.2.2 温湿度测量电路 此模块是整个电路设计的信号采集及初步处理的模块，由温湿度传感器

49、芯片SHT11构成，如图6所示。主要的功能结构在前面的芯片介绍中已有，这里不重新介绍。下面介绍多点温湿度采集系统的设计，对于多点采集只需在单个采集的基础上作一点程序上的改动，所以本文只作介绍不作仿真，只对单个采集仿真16。 图6 SHT11传感器电路 多点采集系统设计 由于每个SHT11占用单片机两个I/ O口，所以单片机有限的I/ O口资源将制约着单个微控制器上所能测量的最大点数；由于每个SHT11的测量所需时间是固定不变的，采用单独操作的逐个测量方式在多点测量系统中必然导致数据采集时间过长、控制滞后，从而影响控制系统性能的提高。在仓库测控应用系统中，要求所采集的温湿度数据是反应整个仓库相同

50、时间点的总体情况的，所以多个SHT11必须同时开始测量，即单片机必须同时向多个SHT11发送测量命令。结合仓库应用的具体要求，本文对多个SHT11传感器和微控制器的连接方式采取如下方案：各SHT11的SCK线接到微控制器的同一个I/ O 口上, 而DATA线则分别接到不同I/ O口线上。这种连接方式有几个优点：首先，n个传感器只占用n+1个I/ O口，比前述方式节省了n-1个I/ O口，解决了多点测量系统中单片机I/ O口资源短缺和尽可能增加测量点之间的矛盾问题；其次，由于多个SHT11共用一条时钟线所以在每次测量中可以同时发出测量命令，多个传感器同时进行测量，只需一次等待时间则完成了整体数据

51、的收集，大大缩短了数据采集时间，为控制系统快速响应提供了条件17。下面以三点测量为例详细介绍该设计方案的实现，如图7所示。测量部分中3个SHT11的SCK时钟线均连接到AT89S52的P2.6口，而各DATA线分别接到P2.7、P2.5和P2.4。当需要再增加测量点时只需要增加对应的I/ O口数即可以，而且只需对程序作很少的修改即可实现系统的灵活扩展。图7 SHT11多点采集设计3.2.3 LCD显示电路 LCD显示电路用LCD1602字符型液晶显示模块与单片机连接进行数值显示，其电路图如33所示： 图33显示电路图 1602LCD采用标准14脚或16脚接口，RS为寄存器选择器，RS为高电平时

52、选择数据寄存器，为低电平时选择指令寄存器。R/W为读写信号线，为高电平时进行读操作，为低电平时进行写操作，当RS和R/W同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当RS为低电平时，R/W为高电平时可以读忙信号；当RS为高电平，R/W为低电平时可以写入数据。E为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。D0D7为8位双向数据线。3.2.4 键盘扫描电路 KEY1为温度和湿度设定切换，KEY2为温度或湿度加1，KEY3为温度或湿度减1，KEY4当前状态与设定状态切换，KEY5为上下限设定切换。接口电路如图34所示。 图343.2.5 超限处理电路此部分电路是由5个发光二极管和一个蜂鸣报警

53、器构成，分别是D0、D1、D2、D4和D5，蜂鸣器接单片机的P1.0口，发光二极管与单片机的连接部分如图所示。D0、D1、D2、D4、D5分别代表着发光、降温、加热、干燥和加湿，一旦传感器测定的温湿度超过设定的限额，就会产生不同的发光反应，起控制警示作用，同时当温度低于所设温度下限时，蜂鸣报警器连续发出“滴” 的声音，起到低温预警的作用。如图9所示。 图9 超限处理警示电路和蜂鸣器电路部分 3.6 整体电路图 图10 整体电路图第四章 系统软件的设计 软件设计主要分为主程序、温湿度传感器数据读取子程序、LCD显示程序、键盘扫描，按键去抖动的处理。4.1系统主程序本系统的智能核心是AT89C51

54、，其监控程序和应用软件全部固化在EPROM内。他的工作过程是：当系统接通电源后，AT89C51单片机进入监控状态，同时完成对各个端口的初始化工作，当有按键按下时，产生申请中断，进入响应的中断程序，完成键盘处理工作。当没有外部控制信息的输入时，系统会自动采集温湿度传感器的电压值，最终数据在LCD显示屏上显示。主程序流程图如图41所示:初始化各端口开始初始化温湿度传感器调用湿度检测电路测量温湿度值控制电路调节温湿度显示查询键盘，是否有键按下？温湿度值是否符合正常值？延时程序YYNN图41 主程序流程图4.2 键盘扫描子程序，消抖程序流程图键盘扫描子程序流程图如图4-2：初始化开始键1是否按下键3是

55、否按下键2是否按下温湿度是否正常键4是否按下键5是否按下结束温，湿度切换温，湿度加1当前与设定切换温，湿度减1上，下限切换报警，控制电路调节温湿度YYYYYYNNNNNN图42 键盘扫描程序流程图消抖程序流程图如图43：延时去抖开始是否有键闭合是否有键闭合扫描取得键值闭合键释放否结束YYYNNN 图43 键盘扫描流程图4.3 1602LCD液晶显示程序流程图LCD显示流程图如图44所示：LCD初始化延时设第一行显示位置显示第一行内容设第二行显示位置显示第二行内容结束开始 图44 LCD显示程序流程图4.4 温湿度读取子程序温湿度读取子程序流程图如图45所示：结束显示温湿度值控制程序调节温湿度计

56、算温湿度值读取温湿度值SHT11初始化开始温湿度是否正常YN 图45 温湿度读取子程序流程图第四章 仿真与调试4.1 仿真软件介绍 本设计用到了Proteus和Keil c51两种软件，两者能完美的结合在一起，实现虚拟的实物效果，为以后的实物焊接提供了保障。 4.1.1 Proteus简介 Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的

57、虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等。 Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于15年来的持续开发，被电子世界在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品“The Route to PCB CAD”。Proteus产品系列也包含了革命性的VSM技术，用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。 其功能模块：

58、个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真；ARES PCB设计。 PROSPICE仿真器的一个扩展PROTEUS VSM：便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LED甚至LCD显示CPU模型。 支持许多通用的微控制器，如PIC，AVR，HC11以及8051最新支持ARM 交互的装置模型包括：LED和LCD显示，RS232终端，通用键盘，I2C，SPI器件 强大的调试工具，包括寄存器和存储器，断点和单步模式 IAR C-SPY和Keil uVision2等开发工具的源层调试 应用特殊模型

59、的DLL界面-提供有关元件库的全部文件 最新版支持非常丰富仿真元件共7000多种，还有很多第三方模型。如MMC卡，以太网卡，ATA硬盘，麦克风，等等。 4.1.2 Keil C51 编译器简介 1、8051开发工具 Keil C51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效，快速的特点。C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。 2、uVisi

60、on2集成开发环境 (1)项目管理 工程(project)是由源文件、开发工具选项以及编程说明三部分组成的。 一个单一的uVision2工程能够产生一个或多个目标程序。产生目标程序的源文件构成“组”。开发工具选项可以对应目标，组或单个文件。 uVision2包含一个器件数据库(device database)，可以自动设置汇编器、编译器、连接定位器及调试器选项，来满足用户充分利用特定微控制器的要求。此数据库包含：片上存储器和外围设备的信息，扩展数据指针(extra data pointer)或者加速器(math accelerator)的特性。 uVision2可以为片外存储器产生必要的连接选项：确定起始地址和规模。 (2)集成功能 uVision2的强大功能有助于用户按期完工。A.集成源极浏览器利用符号数据库使用户可以快速浏览源文件。用详细的符号信息来优化用户变数存储器。 B.文件寻找功能：在特定文件中执行全局文件搜索。 C.工具菜单：允许在V2集成开发环境下启动用户功能。 D.可配