毕业设计论文-基于stc89c52单片机的大棚温湿度监测与报警系统设计

毕业设计论文-基于stc89c52单片机的大棚温湿度监测与报警系统设计内容摘要：

警系统的设计与制作 8 系数为 ℃。 湿度 监测 模块 结构 如图 27所示。 该模块的中心是将传感器接入一个 555非稳态电路，输出一个频率信号并由单片机直接采集、处理。 由按键输入极限值，超出该值则触发蜂鸣报警。 图 27 湿度 监测 模块 框 图 电源模块设计 系统供电总共需要 两 种电源， AD590 的工作电压为 9V， 小系统及各种芯片的工作电压为 5V，风扇供电 5V。 电源模块如图 25 所示，将 220V 交流电经变压器、桥路整流后，通过 78 系列的三端稳压集成芯片获得相应的常用电压输出。 图 25 电源模块框图 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 9 第三章 系统硬件设计 及 性能 分析 本章 为 核心内容之一 ，主要针对系统的硬件设计及调试过程进行详细介绍。 温度测量模块 温度测量电路原理 温度 监测 电路 主要由 AD590、 100uf 电容、 9K4 电阻、 1K 电位器、运放 LM324 组成 ，原理 如图 31 所示。 由图可知电容的作用是 保持 AD590 的工作状态，根据 AD590 的特性，其中由 AD590 、电位器 RP、 R 和运放组成电流电压转换电路 ， 运放连接为电压跟随器形式 ,主要为增加信号的输入电阻。 图 31 温度测量电路 首先介绍下 AD590 的基本工作原理，当被测温度一定时 ， AD590 则成为了一 个恒流源，把它与直流电源相连并在输出端串联一个标准 电阻，此时流经该电阻上的电流与被测热力学温度 将 成正比 [16]。 温度每升高 1K，电流增加 1uA，当负载电阻为 10KΩ，则电 阻上的压降将增加 10mV。 在室温 20 oC 时 调节电位器使 输出电压 为 （对应 293 K） ，经模数转换后输入单片机， 通过 软件编程 将电压值减去 ，直接 将热力学温度转换为摄氏温度。 当然这一 转换 过程 也可通过硬件实现。 其次是运放的选择，该电路选择了 LM324，其特点是价格便宜，工作电压范围较大，低至 高至 32V, 静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一； 共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性 ,另外具有短路保护输出、高增益频率补偿运算、真差动输入级、输入 端具有静电保护功能。 其 引脚排列如图 32 所示。 由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，价格低廉等优点，因此被广泛应用于家用电器，工业仪器，电子玩具，报警装置，自动控制等电路中。 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 10 图 32 LM324引脚排列 温度测量 模块性能分析 与评估 通过上述测温电路将温度这一非电物理量转换成电压信号，调试过程中还需对温度 ~电压进行定标处理。 实际操作过程 如下：（ 1）准备一 烧 杯冷水，一 烧 杯热水，一支温度计及万能表；（ 2）将温度计放入冷水中，再把热水加入冷水中，待温度到达 15℃便把 绝缘处理后的 AD590 放入杯中，然后用万能表测量 图 31 中 out 端 输出电压值；（ 3）缓慢将热水加入冷水， 均匀搅拌，待热平衡后，测量温度值并记录 当时的输出电压值。 由于 实验条件有限 ，定标过程中只 测量 了 10 组数 据； 考虑到 大棚内一般的温度要求，定标范围选择 1525℃。 测量数据 如 表 31 所示。 表 31 温度测量电路电压对应温度值 电压值（ V） 温度值 (℃ ) 图 33 温压曲线 将表格所记录的值绘成 温度与输出电压关系 曲线，如图 33所示。 其中 A 为实际测量 曲温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 11 线， B 为 模拟的 理想 情况下 AD590 的温度与电压 关系曲线。 由图可以看出，在温度范围为~ oC时，输出电压与温度基本保持线性关系。 在 oC 时曲线 A 出现拐点，且随温度进一步上升，线性度将有所下降。 分析原因，我们认为 主要 是由于整个定标过程在室温环境下进行，当杯中水温较高时，加入冷水 后 温度下降过快 所致。 当然电源不稳定或者其他的一些人为因素，也会影 响定标结果。 这些问题可以通过后续软件调试克服，比如采集多次数据做平均值或者改变算法等方式来弥补。 湿度测量模块 湿度测量电路 原理 湿度测量电路 主要由湿度传感器 HS110 NE555 芯片及一系列电阻组成。 HS1100 湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器 ,相对湿度的变化和电容值呈线性规律。 在自动测试系统中 ,电容值 会 随着空气湿度的变化而变化 ,因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化 ,才能进行有效地数据采集。 本次湿度测量模块采 用 以 555 芯片为中心的 振荡电路 ,将 HS1100 湿度传感器充当振 荡电容 ,从而完成湿度到频率的转换 ,电路 如图 34所示。 集成定时器 555 芯片外接电阻 R R R3 与湿敏电容 HS1101 ,构成了对 HS1101 的充电回路。 7 端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对 HS1101 的放电回路 ,并将引脚 2 、6 端相连引入到片内比较器 ,便成为一个典型的多谐振荡器 ,即方波发生器。 另外 , R6 是防止输出短路的保护电阻 , R4 和 R5 用于平衡温度系数。 图 34 湿度测量电路图 该 电路的核心是 NE555 芯片， 其 内部功能原理框图如图 35 所示。 NE555 具 有如下特点： 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 12 ，可与 TTL， CMOS 等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合； 、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。 其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久； 、温度稳定度佳，且价格便宜； 4. 其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载； 最大值 VCC = 5 V, RL = ∞ =6mA VCC =15 V, RL = ∞ =15mA。 图 35 NE555 内 部功能框图 因为湿度测量的不稳定性，所以记录很难在一个准确的值上，顾采用多次测量取平均值的方法来做这次定标 湿度 模块性能分析 与评估 湿度测量电路输出的是一个 与环境湿度相对应的 56KHZ 的方波 信号 ， 由示波器采集的信号波形 如图 36 所示。 湿度测量也需进行相应的定标处理，具体过程 如下 ： (1)准备一个湿度计 、电吹风、喷雾器、示波器；（ 2）将电路输出端接入示波器，先长时间置于一般环境内 （湿度计需要较长时间响应） ，待频率在某个值左右浮动时每隔一分钟记录一个数据 ，一共记录 5 次，然后做平均值；（ 3）增加湿度用 喷雾器，减小湿 度用电吹风并尽量维持在一个恒定的环境内，再按前面的步骤记录数据， 测量 数据记录如表 32 所示。 表 32 湿度测量电路频率对应湿度值 湿度（ %） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 频率（ HZ） 6642 6516 6392 6268 6145 6020 5892 5760 5622 5478 5325 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 13 图 36 湿度波形图 图 37 湿度 频率曲线 按照表格绘制了湿度 频率曲线，如图 37 所示。 由图可见两者之间 基本成线性关系。 数据测量时发 现，在某一实验条件下，示波器显示频率值会出现小抖动，因此我们采用在一段时间内取平均值的办法来处理。 造成这一现象的原因经分析后，认为主要应该是由于在实验过程中对环境的湿度控制比较难以掌握、以及传感器的灵敏度造成。 单片机小系统 及 相关 电路 单片机小系统 主要负责执行控制程序及各部件的驱动 、 数据 存储 、 环境 参数调节 等。 A/D 转换电路 A/D 转换本系统 选用 的是 10 位 的 A/D 集成 芯片 TLC1549，其引脚排列如图 38 所示。 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 14 TLC1549 系列是美国德州仪器公司生产的具有串行控制、连续逐次逼近型的 模数转换器 , 它采用两个差分基准电压高阻输入和一个三态输出构成三线接口，其中三态输出分别为片选(CS 低电平有效 ) ，输入 /输出时钟 ( I/O CLOCK)，数据输出 (DATA OUT)。 TLC1549 能以串行方式送给单片机。 由于 TLC1549 采用 CMOS 工艺，内部具有自动采样保持、可按比例量程校准转换范围、抗噪声干扰功能，而且开关电容设计使在满刻度时总误差最大仅为177。 1LSB( )，因此可广泛应用于模拟量和数字量的转换电路。 A/D 转换电路原理如图39 所示。 图 38 TLC1549 引脚排列示意图 图 39 AD转换电路 TLC1549 工作原理： TLC1549 具有 6 种串行接口时序模式 , 这些模式是由 I/O CLOCK 周期和 CS 定义。 根据 TLC1549 的功能结构和工作时序 , 其工作过程可分为 3 个阶段 : 模拟量采样、模拟量转换和数字量传输。 图 310 所示为 TLC1549 的时序图。 图 310 TLC1549 时序图 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 15 系统时钟电路 系统时钟电路由两个 30 pf电容及一个 12兆晶振构成。 时钟电路用于产生单片机工作时所需的时钟控制信号（如图 311所示），本电路采用了非固定式的设计，因为在软件编写过程中，对程序的运行时间是有要求的，这时就需要根据实际情况更换晶振。 AT89C52芯片最高时钟频率可达 80MHZ，根据单片机的每十二个时钟周期为一个机器周期，即 Tcy =12Tosc ，所以时钟周期范围为： 1μs（ 12M晶振），可满足本课题 需求。 图 311 时钟电路 图 312 复位电路 系统复位电路 系统复位电路主要由一个按键、 一 个二级管、 一个 10uf 电容及一个 10K 电阻构成。 复位电路用于单片机的初始化操作，可 以使单片机由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时能够重新启动。 因此复位电路必不可少。 复位方式有上电自动复位和手动按钮复位两种， 本系统 选用的是手动按钮复位电路，图中 312 所示。 该复位电路能够在电源因某种干扰瞬间断电时使电容迅速放电，在二极管 DMCU1 上产生一个压降，从而保证了电源恢复后单片机可靠复位，使其适用于现场干扰强、电压波动大的工作环境。 系统报警电路（蜂鸣电路） 蜂鸣电路主要由两个 10K 电阻，三极管 9012 和一个蜂鸣器组成。 蜂鸣器在多种场合被作为发声器件，他可以实现报警、音乐演 奏等。 蜂鸣器分为有源和无源两种。 也称为直流蜂鸣器和交流蜂鸣器。 有源蜂鸣器通上电就会发出预定的声音，控制比较简单，但是发出的声音较局限。 电路如图 313 所示。 通过 CON1 接到 脚上，也可根据实际需要，用跳线跳接到其他接口上 ，实际电路中接 口。 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 16 图 313 蜂鸣电路 4 4 键盘和 8 位数码管显示电路 4 4 键盘和八位 LED 显示电路用于输入数据、控制信号和显示数字、字符。 该电路采用了数码管驱动及键盘控制芯片 CH451， CH451 是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及 up 监控的多 功能外围芯片。 CH451 内置 RC 振动电路，可以动态驱动 8 位数码管或者 64 位 LED，具有 BCD 译码、闪烁、移位等功能；同时还可以进行 64 键的键盘扫描；CH451 通过 1 线或者可以级联的 4 线串行接口与单片机等交换数据；并且提供上电复位和看门狗等监控功能。 CH451 引脚排列如图 314，引脚定义见表 33。 图 314 CH451 引脚排列 温州医学院本科毕业论文（设计） 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 17 表 33 CH451 引脚 定义 整体电路设计如图 315, 其中 DOUT 引脚最好连接到单片机的中断输入引脚 , 这样可。