农业大棚温湿度检测.doc

本科生课程设计（论文）

辽 宁 工 业 大 学

单片机原理及接口技术课程设计（论文）

题目：农业大棚温湿度显示仪设计

院（系）： 电气工程学院
专业班级： 自动化103班
学 号： 100302075
学生姓名： 李航
指导教师： （签字）
起止时间： 07.03——07.12

III

课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院 教研室：自动化
学 号
100302075
学生姓名
李航
专业班级
自动化103班
课程设计（论文）题目
农业大棚温湿度显示仪设计
课程设计（论文）任务
课题完成的功能、设计任务及要求、技术参数
实现功能
以农业大棚温湿度检测为对象，设计一个单片机控制的农业大棚温湿度检测系统。
该系统实现的功能如下：
1、每到1分钟采集一次温度和湿度，温度检测2点、湿度检测2点，平均值作采样值。
2、标度变换精确到1℃，显示精度1℃。
3、正常情况下，系统循环显示采集的温、湿度值，显示器由3位LED显示器构成；
设计任务及要求
1、分析系统功能，确定系统硬件组成；
2、设计系统的硬件电路图；
3、编写相应的软件，完成控制系统的控制要求；
4、上机调试、完善程序；
5、按学校规定格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。
技术参数
温度范围0℃┈+50℃,检测精度为±1℃；湿度0％～100％，检测精度为±3℅。
进度计划
1、布置任务，查阅收集资料。（1天）
2、分析系统的控制功能，确定总体设计方案（1天）。
3、系统硬件设计（3天）
4、按系统的控制要求，设计软件流程图及软件。（2天）
5、上机调试、修改程序（1天）
6、撰写、打印设计说明书（1天）
7、答辩（1天）
指导教师评语及成绩

平时： 论文质量： 答辩：

总成绩： 指导教师签字：
年 月 日
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算

摘 要

植物的生长都是在一定的环境中进行的，在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对植物生长影响最大的是环境中的温度和湿度。环境中昼夜的温度和湿度变化大，其对植物生长极为不利。因此必须对环境的温度和湿度进行监测,使其适合植物的生长，提高其产量和质量。
本论文主要阐述了基于AT89C52单片机的蔬菜大棚温湿度检测系统的设计，主要包括硬件电路设计及软件设计等。该系统采用AT89C52单片机作为控制器，AD590、HS1101分别作为温度，湿度数据采集系统，温度，湿度用LED数字显示。

关键字：AT89C52；LED；AD590；HS1101

目 录

第1章 绪论 1
第2章 系统设计的方案 2
2.1 概述 2
2.2 系统组成总体结构 2
第3章 硬件设计 4
3.1 单片机最小系统设计 4
3.1.1 单片机选择 4
3.1.2 时钟电路设计 5
3.1.3 复位电路设计 6
3.1.4 单片机最小系统电路连接 7
3.2 温度检测电路 7
3.2.1 温度传感器 7
3.2.2 A/D转换电路 8
3.2.3 AD590电路连接 10
3.3 湿度检测电路 11
3.3.1 湿度传感器 11
3.3.2 HS1101电路连接 12
3.4 LED显示电路 12
3.4.1 LED简介 12
3.4.2 LED与单片机相连原理图 13
第4章 软件设计 14
4.1 软件设计流程图 14
4.2 程序设计 14
第5章 系统设计总结 17
参考文献 18

第1章 绪论
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。传统的温湿度控制是在温室大棚内部悬挂温度计和湿度计，工人依据读取的温湿度值来调节大棚内的温湿度。如果仅靠人工既耗人力，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，传统的温湿度检测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检测系统，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。
植物的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对植物生长影响最大的是环境中的温度和湿度。环境中昼夜的温度和湿度变化大，其对植物生长极为不利。因此必须对环境的温度和湿度进行监测，使其适合植物的生长，提高其产量和质量。本系统就是利用价格便宜的电子器件来设计一个参数精度高，控制操作方便，性价比高的应用于农业种植生产的温室大棚温湿度检测系统。
本系统采用AT89C52单片机作为控制器，AD590、HS1101分别作为温度，湿度数据采集系统，温度，湿度实现LED数字显示。通过软、硬件设计使得该款温湿度监测装置具有智能化、高精度、高可靠性等优势，将此系统应用到温室大棚当中无疑为植物的生活提供了更加适宜的环境,符合植物的生活环境要求，具有良好的发展前景。

17

第2章 系统设计的方案
2.1 概述
以农业大棚温湿度检测为对象，设计一个单片机控制的农业大棚温湿度检测系统。
该系统实现的功能如下：
1、每到1分钟采集一次温度和湿度，温度检测2点、湿度检测2点，平均值作采样值。
2、标度变换精确到1℃，显示精度1℃。
3、正常情况下，系统循环显示采集的温、湿度值，显示器由3位LED显示器构成；
该检测系统充分利用AT89C52单片机的软、硬件资源,辅以相应的A/D转换器和温度传感器AD590和湿度传感器HS1101等智能仪器,能实现多任务、多通道的检测和输出。根据温室大棚内的温湿度传感器采集到的信息，利用数据总线将传感器信息送给单片机，以及进行LED显示，便于通知大棚管理人员采取相应措施来确保大棚内的环境正常。
2.2 系统组成总体结构
系统由温度传感器AD590、湿度传感器HS1101、A/D转换器、LED显示器
和单片机（AT89C52）组成。

图2.1 系统总体框图

1、温度传感器：负责检测并采集2点温度数据。
2、湿度传感器：负责检测并采集2点湿度数据。
3、A/D转换器：负责温湿度数据采集数据的信号转换。
4、LED显示器：负责显示传感器采集数据。
5、单片机：AT89C52为系统控制器。

第3章 硬件设计
3.1 单片机最小系统设计
3.1.1 单片机选择
本设计采用AT89C52。
AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

图3.1 AT89C52引脚图

（1）电源及时钟引脚（4个）   
VCC:电源接入引脚；
  GND:接地引脚； 
  XTAL1:振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 
  XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 
（2） 控制线引脚（4个）
RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
ALE/PROG:当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。
PSEN:程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。
（3）并行I/O口引脚（32个，分成4个8位口）
P0口：P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口，即地址/数据总线复用口。
P1口：P1口 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。
P2口：P2 口是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。
P3口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。除了作为一般
的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能。
3.1.2 时钟电路设计
内部时钟方式。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶振和陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。外接晶振时，C1 C2值通常选择为30pF左右；外接陶瓷谐振器，C1 C2约为47uF。C1 C2可稳定频率并对振荡频率有微调作用，震荡频率有微调作用，震荡频率范围是 0~24MHz。为了减少寄生电容，更好的保护震荡器稳定可靠的工作，谐振器和电容应尽可能得与单片机芯片靠近。 
内部时钟发生器实质上就是一个二分频的触发器，其输出是单片机工作所
需的时钟信号。

图3.2 时钟电路
3.1.3 复位电路设计
复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态。就像计算器的清零按钮的作用一样，当你进行完了一个题目的计算后肯定是要清零的是吧！或者你输入错误，计算失误时都 要进行清零操作。以便回到原始状态，重新进行计算。和计算器清零按钮有所不同的是，复位电路启动的手段有所不同。
复位电路主要包含:
1.上电复位。 
2.按键电平复位。 
3.按键脉冲复位。
本文系统采用按键复位电路。
在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。

图3.3 复位电路
3.1.4 单片机最小系统电路连接

3.4 单片机最小系统连接图
3.2 温度检测电路
3.2.1 温度传感器
本系统采用的温度传感器为AD590。
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流传感器,是一种已经IC化的温度感测器,它会将温度转换为电流。
其规格如下：
 a、温度每增加1℃,它会增加1μA输出电流  
 b、可测量范围-55℃至150℃  
 c、供电电压范围+4V至+30V

图3.5 AD590的引脚图

AD590相当于一个温度控制的恒流源，输出电流大小只与温度有关，且与温度成正比。只需一个精密电阻，就可以将电流（温度）信号转化为电压信号，总的灵敏度系数通过该电阻设定。AD590的温度系数是1μA/K，即温度每增加1K，它会增加1μA输出电流。其输出电流是以绝对温度零度-273℃为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此 -10℃到100℃时AD590输出电流为263μA到373μA。ADC0809的输入电压为0-5V，所以需要电流-电压转换电路。

图3.6 电路-电压转换电路

图中，AD590输出端输出电流，经过10K的电阻，转换为电压值。OP07为一射极
跟随器，A=1，用于提高输入阻抗。两个二极管用于隔离干扰。
3.2.2 A/D转换电路
模数转换器(ADC)，简称AD，是实现模拟量向数字量的转变的设备。A/D转换器位数的确定和系统所需测量控制的范围、精度有关。其一：实际选取的位数与其它环节所能获得的精度相适应，只要不低于它们就可以，不必太高。其二：如果微处理机是51系列单片机，采用8位以下的A/D转换器时，接口电路最简单。其三：由于温室大棚湿度变化相对于控制运行的速度来说是缓慢的，因此，在A/D转换的时候，也不要求有很快的转换速率。
ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

图3.7 ADC0809引脚图

各引脚定义如下：
IN0-IN7:模拟信号输入端；
START：启动端；
EOC：转换结束信号输出，转换期间，EOC为低电平，转换结束，EOC为高电平；
D7-D0：A/D转换结果数据输出端；
OE：输出有效控制位；
CLOCK：时钟输入端；
VCC：正电源输入端；
REF(+)：正参考电源输入端；
GND：接地端；
REF(-)：负参考电源输入端；
ALE：地址锁存控制位；
ADDC-ADDA：模拟通道选择地址码输入。

图3.8 单片机与ADC0809连接图
3.2.3 AD590电路连接

图3.9 AD590与单片机连接图
3.3 湿度检测电路
3.3.1 湿度传感器
本系统采用的湿度传感器为HS1101。
目前已有许多湿敏器件，按感湿材料来分，大致有四类：电解质，半导体陶瓷，高分子和其它型式。温室内的相对湿度大，变化速度慢，不需要高的响应时间，但是对线性度和稳定性要求高，所以经过选择采用电容式集成湿度传感器HS1101来检测温室大棚内部的湿度。湿度传感器HS1101是法国Humirel生产的电容式湿度传感器。
HS1101是基于独特工艺设计的固态聚合物结构，在电路中等效于一个电容器，其电容随所测空气的相对湿度增大而增大。HS1101具有极好的线性输出，在相对湿度为0～100％RH的范围内，电容的容量由163 pF变化到202 pF，其误差不大于±2％RH；湿度量程为1～99％RH，工作温度范围为-40℃～100℃；湿度输出受温度影响极小(温度系数仅为0.04 pF／℃)；常温下使用无需温度补偿，无需校准。该器件具有不需校准的完全互换性、高度可靠性、长期稳定性、快速响应的固态聚合物结构，适用于线性电压输出和频率输出两种电路。

图3.10湿敏电容工作的温、湿度范围

图3.11 电容—湿度响应曲线
3.3.2 HS1101电路连接
HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常有两种方法：一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集 
本系统采用的是将HS1101接入555定时器组成的震荡电路中，输出一定频率的方波信号，这种方法结构简单，使用方便，因此被广泛采用。

图3.12 HS1101和NE556构成的湿度采集电路连接图

3.4 LED显示电路
3.4.1 LED简介
发光二极管（英语：Light-Emitting Diode，简称LED） 是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着技术的不断进步，发光二极管已被广泛的应用于显示器、电视机采光装饰和照明。
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
3.4.2 LED与单片机相连原理图

图3.13 LED与单片机相连原理图

第4章 软件设计
4.1 软件设计流程图

图4.1 软件设计流程图

4.2 程序设计
ORG 0100H  
MOV TMOD,#20H ； 
MOV TH1,#0FAH ；
MOV TL1,#0FAH ；
MOV PCON,#80H ；
MOV SCON,#0F0H ； 
SETB TR1 ； 
SETB PS ；
SETB EA ；
SETB ES ；
SETB IT0 ；
SETB EXO ；
SAMPLE: SETB 00H ； 
MOV  DPTR,#0F00H ；    
MOV  R6,#02H ；  
MOV  R7,#08H ； 
MOV R0,#40H ；              
TRAN_S: MOVX @DPTR,A ；
WAIT:   JB 00H,WAIT ； 
SETB 00H  ；    
INC  DPTR ；  
INC  R0 ；   
DJNZ R6,#TRAN_S ；  
MOV  DPTR,#0F00H ；   
INC  R0 ；
DJNZ R7,TRAN_S ； 
MOV A，R3 ；
MOV B，#100 ； 
DIV AB ；
MOV R2，A ；
MOV A，B ；
MOV B，#10 ；
DIV AB ；
SWAP A ；
ORL A，B ；
MOV R3，A ；    
 RETI ；
MOV TL0,#0B0H ；   
MOV  30H,#08H ；    
SETB IT0 ；   
SETB EX0 ；   
SETB ET0 ；  
SETB EA ；
SETB TR0 ；
HERE: AJMP HERE ； 
第5章 系统设计总结
近两周的课程设计结束了，这次的课程设计不仅检验了我以前所学习的知识，还让我学到了很多以前不是很熟悉的知识。
本设计是大棚温湿度检测系统。使用AT89C52单片机和温度传感器AD590和湿度传感器HS1101对大棚内的温湿度进行采集和显示。能实现远程监控，大大的节省了人力和物力。更能有效的监控大棚内的温湿度，对植物的产量的提高，有很大的帮助。
正所谓“实践是检验真理的唯一标准”，这次的课程设计对我来说无疑是一次实践课程的真实体验。所能够学到的东西是平时课本中所没有的。我想，只有把理论知识和实践知识相结合才能有更大的收获。这次的设计任务让我从中获益很多，虽然有些知识掌握的还不是特别清晰，但是这两周里，通过大量资料的查阅还是很有收获的，
我知道在这次的设计中还存在着很多的不足之处，希望老师给予见谅。

参考文献
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