基于單片機的溫濕度檢測控制系統設計

馮媛碩， 宋吉江

(山東理工大學 電氣與電子工程學院， 山東 淄博 255091)

隨著經濟和社會的不斷發展，人們對生活質量要求顯著提高，對植被的要求也越來越嚴格.如何種植出品種優良的植物，一直是人們研究的話題.而基于單片機的溫濕度控制系統對解決這些問題有著非常重大的意義.現代社會越來越多的實驗都要求在嚴格的環境條件下完成，而溫度和濕度是最基本的環境條件，也是影響較大的因素.一般溫濕度控制系統中的溫濕度測量均采用熱敏電阻與濕敏電容，這種傳統的模擬式溫濕度傳感器一般都需要設計信號調理電路并經過復雜的校準和標定過程，因此測量精度難以保證，且在線性度、重復性、互換性等方面也存在一定問題[1-2].

環境的監測與控制在工業、農業、國防等行業有著廣泛的應用.AT89C51單片機是常用于控制的芯片，在智能儀器儀表、工業檢測控制、機電一體化等方面取得了令人矚目的成果，用其作為溫濕度檢測控制系統的實例也很多.使用AT89C51單片機能夠實現溫濕度全程的自動檢測與控制，而且AT89C51單片機易于學習、掌握，性價比高.使用AT89C51型單片機設計溫濕度檢測控制系統，可以及時、精確的反映室內的溫度以及濕度的變化.完成諸如升溫到特定溫度、降溫到特定溫度、在溫度上下限范圍內保持恒溫等多種控制方式，在濕度控制方面也是如此[3].將此系統應用到溫室大棚當中無疑為植物的生活提供了更加適宜的環境.

本系統所要完成的任務是：(1)人性化的設計.根據植物的生活需求，把溫濕度值控制在一定的范圍內；(2)能夠實時、準確的顯示采樣溫度值與濕度值；(3)通過采集溫度及濕度值，準確的判斷標準值與當前值之間的差異，及時的啟動報警裝置進行報警，并采取相應的控制方案.

1 系統總體設計

1.1 系統功能設計

系統要完成的設計功能是：(1)實現對溫室大棚溫濕度參數的實時采集，測量空間的溫度和濕度，由單片機對采集的溫濕度值進行循環檢測、數據處理、顯示，實現溫濕度的智能檢測[4]；(2)實現超越數據的及時報警，并啟動控制系統，實現溫室的目的；(3)現場檢測設備應具有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力.測溫范圍：0℃～60℃；測溫精度：±0.5℃；測濕范圍：0～100%RH；測濕精度：±2.5%RH.

1.2 系統的組成和工作原理

1.2.1 系統的組成

以單片機為控制核心，采用溫濕度測量、通信技術、控制技術等技術、以溫濕度傳感器作為測量元件，構成智能溫濕度測量控制系統.可分為溫濕度測量電路，顯示電路，聲光報警電路，溫濕度控制電路(圖1).選用的主要器件有：AT89C51單片機、溫濕度傳感器AM2301、1602LCD顯示模塊、降溫裝置風扇、升溫裝置加熱器、増濕裝置噴霧器、除潮裝置除潮器、紅綠LED燈、報警裝置蜂鳴器等.

1.2.2 系統的工作原理

本系統以單片機AT89C51為核心，數據采集、傳輸、顯示、報警都要通過單片機.數據采集通過單總線的智能數字溫濕度傳感器AM2301完成；通過單片機把采集的數據顯示在1602LCD上；當采集的數據超出給定范圍時，有蜂鳴器實時報警，并顯示紅燈提示，并進行相應的控制處理.在整個系統中采用了AM2301單總線技術，單片機采用C語言編程.

本系統的核心為溫濕度控制系統，由AT89C51單片機、風扇、加熱設備、加濕設備、排潮設備、報警模塊組成.AT89C51作為中央控制裝置，負責中心運算和控制，協調系統各個模塊的工作[5].系統其他模塊工作原理在后文詳細介紹.

圖1 系統的組成

2 系統硬件設計

2.1 AT89C51單片機

AT89C51設計和配置了振蕩頻率，并可通過軟件設置省電模式.空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器，串行口，外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位.按照實際需要，同時也考慮到設計成本與整個系統的精巧性，本系統中選用價格較低、工作穩定的AT89C51單片機作為整個系統的控制器(圖2).

圖2 AT89C51單片機的片內硬件組成結構

2.2 時鐘電路

AT89C51單片機各功能部件的運行都以時鐘信號為準，有條不紊、一拍一拍地工作.因此時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量也直接影響單片機系統的穩定性.AT89C51單片機內部有一個用于構成振蕩的高增益反相放大器，它的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為XTAL2.這兩個引腳跨接石英晶體和微調電容，構成一個穩定的自己振蕩器.外部時鐘方式時外部時鐘電源直接接到XTAL1端，XTAL2端懸空(圖3).

圖3 時鐘電路

2.3 復位電路

復位是單片機的初始化操作，只需給AT89C51的復位引腳RST加上大于2個機器周期(即24個時鐘振蕩周期)的高電平就可使AT89C51復位.復位電路通常采用自動復位和按鈕復位兩種方式.上電復位是通過外部復位電路給電容C充電加至RST引腳一個短的高電平信號，次信號隨著VCC對電容C的充電過程而逐漸回落，即RST引腳上的高電平持續時間取決于電容C的充電時間.因此為保證系統能可靠地復位，EST引腳上的高電平必須維持足夠長的時間.復位電路如圖4所示.

圖4 復位電路

2.4 傳感器設計

使用AM2301數字溫濕度傳感器.它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性.傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接[6].因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點.校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數.單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷.超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20m以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則.產品為 4 針單排引腳封裝.連接方便，特殊封裝形式可根據用戶需求而提供.對于接口電路的設計，連接線長度短于20m時用5kΩ上拉電阻,大于20m時根據實際情況使用合適的上拉電阻(圖5).

圖5 AM2301典型接口電路

2.5 光聲報警系統設計

采用紅綠LED燈作為光報警提示，當系統檢測到的數據符合給定的要求時，現場始終綠燈顯示；當系統檢測到的數據不符合給定的要求時，現場轉化為紅燈報警提示；本系統采用蜂鳴器作為聲報警提示，當系統檢測到的數據符合給定的要求時，現場沒有蜂鳴器報警提示；當系統檢測到的數據不符合給定的要求時，現場蜂鳴器報警提示(圖6).

圖6 光聲報警系統電路圖

2.6 溫濕度控制系統

溫濕度控制系統主要組成有：AT89C51單片機、風扇、加熱設備、加濕設備、排潮設備、報警模塊.當系統檢測到的數據不符合給定的要求時，系統啟動溫濕度控制系統實現恒溫恒濕的目的[7-8].其中：風扇負責系統的降溫工作；加熱設備負責系統的加熱工作；噴霧設備負責系統的加濕工作；排潮設備負責系統的去濕工作[4].報警模塊(雙色燈)：負責系統的報警功能.如果當前的溫度超過用戶設定的界限時系統將自動報警，雙色燈在單片機的控制下有規律的切換，同時報警模塊發出報警聲，通知用戶采取相應的措施，電路圖如圖7所示.

圖7 溫濕度控制系統電路圖

2.7 液晶顯示模塊設計

液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形.液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規模集成電路直接驅動、易于實現全彩色顯示的特點.在對液晶模塊的初始化中要先設置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標是自動右移的，無需人工干預.每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態.相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內部的電極和驅動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多.

3 系統軟件設計

軟件系統設計過程：系統初始化模塊，溫濕度檢測模塊，顯示模塊，報警模塊，溫濕度判斷控制模塊.系統軟件總體流程圖如圖8所示.

圖8 系統流程圖

3.1 溫濕度檢測模塊

溫濕度檢測模塊負責完成溫度和濕度的測量及模擬量轉換為數字量的全過程，這也是它為什么重要的原因.數字式溫濕度傳感器AM2301直接把檢測到的模擬量轉化為數字量送給單片機，在經過單片機的處理，把溫濕度值顯示在液晶屏上[8].溫濕度傳感器的精確度值直接影響到整個系統的檢測與控制，所以系統采用數字式溫濕度傳感器AM2301采集溫室內的溫濕度.

(1)系統主程序設計.系統上電，AT89C51首先完成對串口及 LCD1602的初始化工作，然后開始讀取 AM2301的溫濕度數據.對讀取的數據進行校驗，如果錯誤(不在范圍內)則重新讀取，如果數據正確則將讀取的溫濕度數據存入內部數據寄存器，然后對該數據進行數據轉換將結果存入數據顯示寄存區.將待顯示數據送 LCD1602顯示，并將該數據發送至串口，然后重新進行下一輪溫濕度數據讀取與顯示.

(2)AM2301溫濕度讀取程序設計.通過單總線訪問AM2301.首先主機發開始信號，然后主機等待接收 AM2301響應信號.當 AM2301發出響應信號后，主機則連續接收AM2301送出的 40位數據，對 40位數據校驗正確后則存入內部數據寄存區.

3.2 溫濕度判斷控制模塊

溫濕度判斷控制模塊是系統的核心模塊之一，所謂判斷控制模塊，就是對當前溫室內的實際溫濕度與給定的溫濕度范圍進行比較，先進行判斷，然后再進行控制，控制模塊是決定系統將要進行什么工作的.如溫度高于上限時需要降溫，低于下限時需要升溫，如濕度高于上限時需要降濕，低于下限時需要増濕，同時還要啟動警報等[9-10].溫濕度判斷控制系統程序整體設計流程圖如圖9所示.

圖9 溫濕度判斷控制系統程序整體思路

4 結束語

基于AM2301的溫濕度控制系統,經實驗驗證，溫濕度偏差小，精度更高，設計運行穩定.LCD顯示數字讀數方面，便于掌握環境溫濕度數據.

目前國內外的溫濕度檢測使用的溫濕度檢測元件種類繁多、應用范圍也較廣泛，加之單片機和大規模集成電路技術的不斷提高，出現了高性能、高可靠性的單片數據采集系統.隨著經濟和社會的不斷發展，人們對自己的生活環境越來越嚴格.特別在溫室大棚中，對溫濕度要求更為嚴格.基于單片機的溫濕度監測控制系統設計，對環境的溫濕度監測控制系統做了詳細的設計與實現.采用高性能的控制芯片AT89C51，高精度數字溫濕度傳感器AM2301.向模塊化、高速化、智能化的單片機數據采集系統靠近.將此系統應用到溫室大棚當中無疑為植物的生活提供了更加適宜的環境，符合植物的生活環境要求，具有良好的發展前景.

[1] 趙鴻圖.基于單片機的溫度控制系統設計與實現[J].微計算機信息，2008，24(9)：54-56.

[2] 易順明，趙海蘭，袁然.基于單片機的大棚溫濕度控制系統設計[J].現代電子技術，2011，34 (7):7-15.

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[8] 夏曉南.基于單片機的溫箱溫度和濕度的控制[J].現代電子技術,2008，24(5):117-119.

[9] 秦曾煌.電工學.電子技術[M].7版.北京：高等教育出版社,2008：34-39.

[10] 李俊，張曉東.基于單片機的溫濕度檢測與控制系統[J].微計算機信息，2008，24(6):116-118.