仓库温湿度控制综合系统.docx

仓库温湿度控制系统

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目 录
摘要....................................................................2
1 仓库温湿度控制系统设计任务和性能指标 ..................................3
1.1 设计任务..........................................................3
1.2 性能指标..........................................................3
2 系统总体设计........ ..................................................3
3 硬件设计 ..............................................................4
3.1 单片机最小系统....................................................4
3.2 LCD1602显示模块...................................................5
3.3 温湿度传感器模块..................................................6
3.3.1 SHT10温湿度传感器介绍.......................................6
3.3.2 SHT10和单片机接口电路......................................7
3.4 报警模块..........................................................7
3.4 按键模块..........................................................8
3.4 控制模块..........................................................8
4 软件设计 .............................................................9
4.1 主程序步骤图 ....................................................9
4.2 SHT10子程序步骤图...............................................10
4.3 LCD1602子程序步骤图.............................................10
4.4 输出控制子程序步骤图.............................................11
4.5键盘扫描子程序步骤图.............................................11
5仿真和调试 ...........................................................12
5.1 调试环境 .......................................................12
5.2不足和优化.......................................................13
6 总结 ..................................................................13
7 参考文件 ..............................................................13
附件1系统仿真图.........................................................14

摘要
防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常 工作关键内容，是衡量仓库管理质量关键指标。它直接影响到贮备物资使用寿命和工作可靠性。为确保日常工作顺 利进行，首要问题是加强仓库内温度和湿度监测工作。
传统方法是用湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，经过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求库房进行通风、去湿和降温等工作。为处理这种传统温湿度检测关键以人为基础、依靠人工轮番值班,人工巡回查看等方法来测量和统计环境情况信息模式,避免很多由人为原因造成重大事故,处理效率低下不利于人才充足利用问题,让测量更含有科学性,本设计提供了一套更方便和正确度更高测控系统。
本设计是基于AT89C52单片机仓库温湿度自动控制系统，采取SHT10作为温湿度传感器，LCD1602液晶屏进行显示。SHT10使用类似于I2C总线时序和单片机进行通信，因为它高度集成，已经包含A/D转换电路，所以使用方便，而且正确、耐用。LCD1602能够分两行显示数据，第一行显示温度，第二行显示湿度。这个控制系统能够测量仓库中温度和湿度，并将其显示在液晶屏LCD1602上，同时将其和设定值进行对比，假如超出上下限，将进行报警并经过串口向PC端发送信息和开启温湿度调整设备。另外，还能够经过独立式键盘对设定温湿度上下限数值进行修改。经过整机调试，实现了仓库温湿度控制模拟。

1 仓库控制系统设计任务和性能指标
1.1设计任务
为了保护仓库储存物品质量，发明适宜储存环境，当库内温湿度适宜物品储存时，控制设备不用采取方法，温湿度传感器只是对库内进行检测。当库内温湿度不宜物品储存时，报警装置进行报警，控制设备采取对应方法对仓库温湿度进行调整，只至温湿度在限定范围内。
1.2性能指标
本文要设计仓库温湿度自动控制系统，要能够立即、正确地对仓库温度、湿度进行采集，将其显示在LCD1602液晶显示器上，然后和设定上下限值进行比较，假如超出限制则开启温度、湿度控制设备，并经过蜂鸣器报警，直到温湿度回到要求范围。另外，还要能够经过按键修改设定温湿度上下限，来满足不一样物品储存条件。为了满足仓库储存需要，此次设计要达成一下指标：
（1）工作环境：仓库；
（2）温度测量误差：±1℃；
（3）测温范围：-10~+55℃；
（4）湿度测量误差：±5%RH；
（5）测湿范围：0～100%RH；
（6）能否经过键盘电路修改上下限：能；
（6）有没有温湿度报警：有；

2 系统总体设计
本设计关键部件为AT89C51，信号采集及处理部分由SHT10组成，进入单片机后经处理后经过LCD1602显示温湿度，信号显示采取液晶屏为5×7点阵，一行可显示16字，两行，第一行显示温度，第二行显示湿度。经过上位机部分对测量温湿度进行上下值设定，应用RS-485通信方法完成测控电路和上位PC机数据交换。当测量超出限定值，经过超限报警处理电路对其进行处理分别显示不一样二极管灯亮，蜂鸣器产生长鸣，串口向PC端发送具体报警信息，控制设备采取对应方法使温湿度抵达设定范围内。
硬件中包含五个按键，对温湿度上下限进行修改。开机后，全部器件初始化，温湿度传感器SHT11开始进行温湿度测量和计算，最终经过LCD液晶显示器显示结果。在测量结果中有超出设定温湿度上下限，经过温湿度控制部分作出反应。
整体电路框图图1所表示：

报警模块
键盘输入
LCD1602
显示
SHT10温湿度传感器

控制部分

AT89C52
单片机

图1 整体电路框图
3硬件设计
3.1单片机最小系统

图2 单片机最小系统
单片机最小系统包含单片机、电源电路、时钟电路和复位电路。
时钟电路用于产生单片机工作时候所必需时钟信号，单片机在时钟信号节拍下逐条地实施指令。单片机有两种时钟信号产生方法，一个是内部时钟方法，另一个是外部时钟方法。外部时钟方法是把已经有时钟信号从XTAL1或XTAL2送入单片，通常见于有多个单片机情况，所以本设计中时钟电路采取内部时钟方法，选择12M晶振和两个30pF电容和片内高增益反相放大器组成一个自激振荡器。
电源电路后面模块中会单独提到，用5V直流电源。下面着重叙述一下复位电路。

图3 上电+手动复位电路
单片机复位关键有上电复位和手动复位，之所以要进行复位，目标就是为了让单片机进入初始状态，比如让PC指向0000H，这么单片机才能从头运行程序。所以上电时候就要让单片机复位一次；在运行过程中，假如程序犯错，也需要进行手动复位。
本设计中复位电路就是上电+手动复位电路，复位时要让STC89C52RCRST引脚得到2个机器周期以上高电平。先说说上电复位工作原理，当单片机上电时，电源+5VVcc经过10K电阻对10uF电容进行充电。刚上电时，有较大电流从Vcc经电容、电阻流向GND，因为电容两端电压不可突变，所以仍然为0V，于是电阻两端分得5V电压，即RST引脚此时电势为5V。伴随充电继续进行，电流会逐步减小，电阻两端电压UR=IR也逐步减小，即RST引脚电势逐步减小。过了一定时间，RST引脚两端电压下降到不再是高电平，只要这个充电时间大于单片机两个机器周期，就能使单片机复位。
程序运行过程中假如跑飞了、程序运行犯错或操作错误使系统处于死锁状态时，就需要用到手动复位。手动复位就是在上电复位电路电容两边并联一个微动开关，需要手动复位时将其按下，使之接通，RST取得高电平，而且人按动按钮时间肯定是超出两个机器周期，于是单片机复位。

3.2 LCD1602显示模块
测量到温湿度值将显示到液晶屏LCD1602上，它能够显示2行，每行16个字符。LCD1602共有三个存放器，它们是CGROM、CGRAM和DDRAM。CGROM用来保留LCD1602内部固化部分字符字模，比如英文26个字母大小写；CGRAM用来保留用户自己取字模，比如，假如要显示汉字，就必需自己去汉字字模，在这里我们全部用英语字母，故不用CGRAM；DDRAM用来存放要显示字符字模，它和屏幕上位置是对应，第一行为00H到0FH，第二行为40H到4FH。在这里需要注意是，在向LCD1602写入显示数据存放器地址时，依据控制指令格式，最高位D7为1，所以写入数据为，第一行80H到8FH，第二行C0H到CFH。
它和单片机接口电路以下图所表示：

图4 LCD1602和单片机接口电路
3.3 温湿度传感器模块
3.3.1 SHT10温湿度传感器介绍
SHT11是瑞士Scnsirion企业推出一款数字温湿度传感器芯片。该传感器内1个奄容式聚合体溺瀑元件和1个能隙式测温元件组成，并嗣1个14位A／D转换器和1个2-wire数字接口在单芯片中无缝结合，使得该产品含有功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。
（1） SHT10关键特点
◆相对湿度和温度测量兼有露点输出；
◆全部校准，数字输出；
◆接口简单(2-wire)，响应速度快；
◆越低功耗，自动休眠；
◆出色长久稳定性；
◆超小体积(表面贴装)；
◆测湿精度土4．5％RH，测温精度土0．5℃(25℃)。
◆测温范围-40~123℃，测湿范围0~100%RH
（2）SHT10命令和时序
①)SHTl0命令

②；命令时序
发送一组“传输开启”序列进行数据传输初始化，图5所表示。其时序为：当SCK为高电平时DATA翻转保持低电乎，紧接着SCK产生1个发脉冲，随即在SCK为高电平时DATA翻转保持高电平。紧接着命令包含3个地址位(仅支持“000”)和5个命令位。SHTl0指示正确接收命令时序为：在第8个SCK时钟下降沿以后将DATA拉为低电平(ACK位)，在第9
个SCK时钟下降沿以后释放DATA(此时为高电平)。

图5 命令时序
③复位时序
假如和SHTl0通信发生中止，能够经过随即信号序列来复位串口，图6所表示。保持DATA为高电平，触发SCK时钟9次或更多，接着在实施下次命令之前必需发送一组“传输开启”序列。这些序列仅仅复位串口，状态寄存器内容仍然保留。

图6 复位时序
④状态寄存器读写时序
SHTl0经过状态寄存器实现初始状态设定。

图7 读时序

图8 写时序
3.3.2 SHT10和单片机接口电路

图9 SHT10和单片机接口电路
SHT10采取类似于I2C两线制串行总线，一根是时钟线，一根是数据线。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA 在低电平。需要一个外部上拉电阻（比如：10kΩ）将
信号提拉至高电平。上拉电阻通常已包含在微处理器I/O 电路中。
3.4 报警模块
当仓库温湿度超出上下限时，除了需要开启温湿度调整器之外，还需要进行报警，这里用到是蜂鸣器、LED和串口。
蜂鸣器为一个采取一体化结构电子器件， 采取了直流电压来供电。蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。本设计中使用是有源蜂鸣器，在它两端加载5V直流电压就能够使之鸣叫。
LED在这个模块中关键是显示温湿度不在限定范围内，不一样LED亮，显示对应物理量超限。串口关键是当温室度超限，单片机不停地向PC端发出具体超限物理量。
报警电路图10所表示

图10 报警电路图
蜂鸣器工作电流通常为10mA，而单片机I/O口只能承受几毫安电流，所以需要加三极管进行驱动。如上图所表示，单片机I/O口中P3.5接PNP型三极管基极，当P3.5为低电平时，三极管导通，5V电压加载到蜂鸣器两端，于是蜂鸣器鸣叫；当P3.5高电平时，三极管截至，蜂鸣器不鸣叫。串口2、3号脚分别接单片机P3.0和P3.1，便于和PC机进行通信。四个LED正极直接和VCC相连，当负极出现低电平时，对应LED亮。
3.5 按键模块
按键电路图以下图所表示

图11 按键电路图
键盘分为编码式和非编码式键盘。其中，非编码式键盘又包含矩阵式键盘和独立式键盘。矩阵式键盘较为复杂，通常见于按键数目较多，而单片机可用I/O口又比较有限时。本控制系统中只需要用到5个按键，数目较少，而且可用I/O口充足，故采取独立式键盘，一个按键对应一个单片机I/O口管脚。
本设计中总共用到5个按键式开关，它们用来改变设定温湿度上下限数值。从K1到K5，分别控制进入温度上下限设置、进入湿度上下限设置、数值加、数值减、确定并退出。本设计中键盘是低电平有效。未按键时，上拉电阻确保了单片机I/O口是确定高电平；当某个键按下时，I/O口变为低电平。本设计能够直接设定温湿度参数上下限值，从而达成对温湿度控制报警功效。
3.6 控制模块
控制模块电路图以下所表示

图12 控制模块电路图
控制模块关键由直流电机、继电器、加热丝等组成。因为单片机输出电流通常为30-40mA,输出低电平为0.1V左右，而直流电机驱动电流为200mA，驱动电压为5V，继电器驱动电流约为90Ma,所以要用三级管放大，经过继电器使电机开关吸合，避免电机不能正常工作。控制模块关键功效是当温湿度不在限定范围时，控制设备开始工作，使温湿度达成自己限定范围内。
4软件设计
4.1 主程序步骤图
Yes
是否超限？
将温湿度和设定值比较
开启温湿度调整设备
对温湿度数据进行修正
No
在液晶屏上显示温湿度
测量温湿度
是否有按键？

初始化LCD1602
Yes
开始
进入键盘扫描子程序
串口设置
No

SHT10复位

图13 主程序步骤图

4.2 SHT10子程序步骤图
开始
发送开启时序
发送控制字
接收数据
测量结束？
接收校验位
结束
No
Yes

图14 SHT10子程序步骤图
4.3 LCD1602子程序步骤图
开始
LCD1602初始化
设置首行数据指针
写入首行字符
设置第二行数据指针
写入第二行字符
结束

图15 LCD1602子程序步骤图
4.4 输出控制子程序步骤图
开始
返回主程序
温度、湿度是否超出上下限？

开启温湿度调整设备
蜂鸣器报警
温湿度是否回到限定值内？

停止报警
停止温湿度控制设备
温湿度是否留有足够裕量？

结束
No
Yes
Yes
Yes
No
No

图16 输出控制子程序

4.5 键盘扫描子程序步骤图

开始
退出键盘子程序
延时10ms
退出键盘子程序
上限或下限加一或减一
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

图17 Yes
No
键盘扫描子程序
为了预防抖动，按键电路中全部要消抖方法，本设计中是采取软件消抖，在单片机检测到某个键按下后，延时10ms再监测，假如仍然按下，才视为按下了该键。
K1、K2、K3、K4、K5分别对应单片机P2.3-P2.7引脚。按下K1，也就是使P2.3为低电平时，进入温度上限设置，再按一次进入温度下限设置；按下K2，进入湿度上限设置，再按一下进入温度下限设置。在每个设置里面，按K3增加限值，按K4减小限值。设置好以后，按K5退出设置。

5．仿真和调试
5.1 调试环境
本设计用到了Keil uVision4和Proteus7.8两种软件进行联合调试。试验中使用C语言在Keil uVision4进行编写源代码，并经过编译检验源程序中代码是否正确。原理图是在
Proteus7.8提供环境中绘画。在Keil uVision4编译无误后生成HEX文件，并将其导入到原理图中，在原理图没有错误后就能够进行仿真。经过仿真能够进行调试，使设计达成要求。
5.2 不足和优化
不足：按键会出现抖动，延时时间过短致使按键按下时单片机可能没来得及响应。SHT10测量温湿度最大误差可达成±4.5，对于部分温湿度要求较高物品还存在较大误差。
优化方案：对于按键出现抖动情况，我们能够增大延时时间来，处理这个问题。对于部分对温湿度要求比较高物品，我们能够使用其它精度比较高而且比较有经济效益传感器，同时能够采取多点测量方法来处理。

6．总结
这次课程设计是利用单片机AT89C52来设计仓库温湿度控制系统，设计中使用LCD1602进行对目前温度和湿度进行显示，使用温湿度传感器SHT10对温湿度测量，当温湿度超限时，蜂鸣器发出报警信号，同时，控制设备进行对应操作使温湿度回到限定范围内。经过模拟，基础实现了对仓库温湿度控制。
这次课程设计让我学习和了解了很多东西。经过查找资料，我了解了SHT10温湿度传感器使用方法，并对里面部分函数和设计思绪有了一定认识，同时，了解了LCD1602后，我知道了1602该怎样使用，并能够初步使用它。因为使用SHT10温湿度传感器时，单片机P3.6和P3.7分别于SHT10DATA和SCK直接相连，而单片机和SHT10接口电路中，数据端DATA接了一个上拉电阻，让我加深了单片机内部P1、P2、P3口有上拉电阻。另外在这次试验中我知道蜂鸣器分为有源和无源两种，也知道了它们接入电路区分。这次课程设计体会最深对软件和硬件调试，软件调试过程中碰到了很多麻烦，如按键延时过短，造成单片机没来得及响应使液晶显示器上还是按键按下前字符，经过更正延时时间长度，最终把这个问题处理了；在硬件调试中也碰到了部分问题，如蜂鸣器没有声音，最终经过查阅资料，是因为蜂鸣器电压和电流不够，经过三极管放大作用，最终蜂鸣器发出声音，其次还能够经过改变蜂鸣器频率改变声音音调。
经过这次课程设计，我知道我们在碰到问题时，我们应该多动脑，同时应该多查阅资料方便处理问题。同时，在这次课程设计中，我知道我们知识面很小，我们在以后学习中应该多阅读部分书来丰富我们知识，这么在以后碰到问题时，我们能够快速处理。

7．参考文件
[1] 张毅刚. 单片机原理及应用（第二版）. 高等教育出版社，
[2] 陆荣鑑，李品，孙周. SHT10传感器在温湿度监测系统中应用[J]. 传感器和微系统，，（31）
[3] 孙环,滕召胜. 基于SHT10 单片集成传感器温湿度检测模块设计[J]. 国外电子测量技术，，（25）
[4] 童诗白.华成英. 模拟电子技术基础[M].北京.高等教育出版社，
[5] 郭天祥. 51单片机C语言教程.北京：电子工业出版社,
[6] 隋清江. 基于PROTEUSLCD1602接口设计和仿真[J]. 仿真技术，，（7）
[7] 刘天时，刘赏，付春. 一个单片机键盘电路设计和消抖处理[J]. 计算机和网络,,(10)
[8] 赵亮. 跟我学51单片机（四）独立-矩阵键盘应用和设计[J]. 电子制作，，（4）
[9] 黄震宇. 温湿度控制系统设计[J]. 粮油装备和自动控制，,(15)
[10] 于志赣，刘国平. 液显LCD1602 模块应用[J]. 计算机技术应用，，（4）
[11] 赵亮. 液晶显示模块LCD1602应用[J]. 电子制作，，（3）
[12]谭浩强. C语言程序设计（第四版）.清华大学出版社,
[13]李泉溪. 单片机原理和应用实例仿真（第二版）.北京航空航天大学出版社,

附录一 系统仿真图

单片机课程设计期末成绩评定表
姓 名

学 号

专业班级

汇报题目：
汇报答辩统计：

成绩类别

考勤成绩（10%）

答辩成绩（20%）

汇报成绩（50%）

实物成绩
(20%)

总分（百分制）

成 绩

评语：

指导老师签字：

年 月 日