基于stc89c52rc单片机的大棚温湿度自动控制系统毕业设计论文(含源文件)(编辑修改稿)

基于stc89c52rc单片机的大棚温湿度自动控制系统毕业设计论文(含源文件)(编辑修改稿)内容摘要：

第 6 页 3 单元模块设计 各单元模块功能介绍及电路设计 单片机最小系统 图 单片机最小系 统 单片机最小系统包括单片机、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须的时钟信号，单片机在时钟信号的节拍下逐条地执行指令。 单片机有两种时钟信号产生方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。 外部时钟方式是把已有的时钟信号从 XTAL1 或 XTAL2 送入单片，一般用于有多个单片机的情况，所以本设计中时钟电路采用内部时钟方式，选用 12M 的晶振和两个 30pF 的电容与片内的高增益反相放大器构成一个自激振荡器。 第 7 页 电源电路后面的模块中会单独提到，用 5V 的直流电源。 下面着重论述一下复位电路。 图 上电 +手动复位电路 单片机的复位主要有上电复位和手动复位，之所以要进行复位，目的就是为了让单片机进入初始状态，比如让 PC 指向 0000H，这样单片机才能从头运行程序。 因此上电的时候就要让单片机复位一次；在运行过程中，如果程序出错，也需要进行手动复位。 本设计中的复位电路就是上电 +手动复位电路，复位时要让 STC89C52RC 的 RST引脚得到 2 个机器周期以上的高电平。 先说说上电复位的工作原理，当单片机上电时，电源 +5V 的 Vcc 通过 10K 的电阻对 10uF 的电容进行充电。 刚上电时，有较大的电流从Vcc 经电容、电阻流向 GND，由于电容两端的电压不可突变，因此仍然为 0V，于是电阻的两端分得 5V 的电压，即 RST 引脚此时的电势为 5V。 随着充电的继续进行，电流会逐渐减小，电阻两端的电压 UR=IR 也逐渐减小，即 RST 引脚的电势逐渐减小。 过了一定时间， RST 引脚两端的电压下降到不再是高电平，只要这个充电的时间大于单片机两个机器周期，就能使单片机复位。 程序运行过程中如果跑飞了、 程序运行出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的电容两边并联一个微动开关，需要 第 8 页 手动复位时将其 按下，使之接通， RST 获得高电平，而且人按动按钮的时间肯定是超过两个机器周期的，于是单片机复位。 液晶显示模块 测量到的温湿度值将显示到液晶屏 LCD1602 上，它可以显示 2 行，每行 16 个字符。 LCD1602 共有三个存储器，它们是 CGROM、 CGRAM 和 DDRAM。 CGROM 用来保存LCD1602 内部固化的一些字符的字模，比如英文的 26 个字母的大小写； CGRAM 用来保存用户自己取的字模，比如，如果要显示汉字，就必须自己去汉字字模，在这里我们都用英语字母，故不用 CGRAM； DDRAM 用来存储要显示的 字符的字模，它和屏幕上的位置是对应的，第一行为 00H 到 0FH，第二行为 40H 到 4FH。 在这里需要注意的是，在向 LCD1602 写入显示数据存储器地址时，根据控制指令的格式，最高位 D7 为 1，所以写入的数据为，第一行 80H 到 8FH，第二行 C0H 到 CFH。 它与单片机的接口电路如下图所示： 图 LCD1602 与单片机的接口电路 温湿度传感器模块 温湿度传感器选用瑞士 Sensirion 公司生产的 SHT10。 SHT1X 系列共有三个型号：SHT SHT1 SHT15，他们 都是 SMD 贴片封装的，他们依次性能越来越好，其中SHT10 属于经济型的温湿度传感器。 三者的温湿度性能如下图所示。 第 9 页 图 SHT1X 系列各型号传感器的湿度、温度最大误差 从曲线中可以看出，无论是湿度还是温度， SHT10 的误差都是最大的， SHT15 误差最小，但是它们的价格也相差很大， SHT10 多为二三十元一个，而 SHT15 价格上百。 因此，从满足大棚温湿度监测的要求来看， SHT10 已经足够，故选用 SHT10。 SHT10 与单片机的接口电路如下所示： 图 SHT10 与单片机的接口电路 SHT10 采 用类似于 I2C 的两线制串行总线，一根是时钟线，一根是数据线。 数据线要通过一个上拉电阻接到 VCC，目的是避免信号冲突，使单片机的引脚只提供低电平，要得到高电平则使该引脚悬空，由上拉电阻提供高电平。 报警电路的设计 当大棚内的温湿度超过上下限时，除了需要启动温湿度调节器之外，还需要进行报警，这里用到的是蜂鸣器。 蜂鸣器为一种采用一体化结构的电子器件， 采用了直流电压来供电，广泛的应用到了计算机、报警器、复印机、电子玩具、电话机、汽车电子设备、定时器等电子产品之中用作发声器。 第 10 页 蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无 源蜂鸣器。 有源蜂鸣器由于内部集成了振荡源，所以使用直流电压就可以驱动它鸣叫；无源蜂鸣器内部没有振荡源，因此一般使用 2K～ 5K 方波来驱动。 本设计中使用的是有源蜂鸣器，在它两端加载 5V 的直流电压就可以使之鸣叫。 报警电路设计如下图： 图 报警电路图 蜂鸣器工作电流一般为 10mA，而单片机的 I/O 口只能承受几毫安的电流，因此需要加三极管进行驱动。 如上图所示，单片机的 I/O 口中的 接 PNP 型三极管的基极，当 为低电平时，三极管导通， 5V 的电压加载到蜂鸣器两端，于是蜂鸣器鸣叫；当 高 电平时，三极管截至，蜂鸣器不鸣叫。 输出电路设计 当温湿度超出限定值后，单片机将输出控制信号，启动加热、制冷、加湿、除湿设备。 弱电控制强电，首先要用到继电器来控制这些大功率的设备，而且为了进一步加强弱电和强电的电气隔离，减少强电设备对单片机控制系统的干扰，需要在前一级加光耦进行隔离。 光耦的驱动能力有限，一般电流只能达到 30mA 左右，不足以驱动继电器，因此再加一个三极管放大电流。 原理如图 所示： 第 11 页 图 控制电路 输出电路有四组，每一组由一个光耦、一个三极管、一个继电器组成。 这四组输出电路分别控制加湿、除湿、加热、制冷的设备。 光耦选用 TLP5214，它是 Toshiba 公司生产的四路光耦，由单片机直接驱动。 51单片机 P0 口所能承受的灌电流最大，可以达到 26mA。 输出系统中的继电器最多同时有两个工作，控制温度的一个，控制湿度的一个。 如果设置光耦的发光二极管的电流为10mA，那么两个发光二极管同时导通时单片机的灌电流为 20mA，小于 26mA，符合要求。 所以把 P0 口的引脚接到光耦 TLP5214 输入测的发光二极管阴极。 继电器选用 5V 的，驱动继电器需要大约 100mA 的电流，也就是说驱动继电器 的三极管的集电极电流为 Ic=100mA。 三极管选用直流放大系数为 100 的 9013，根据 Ic=β Ib，可计算得三极管基极电流 Ib=1mA，而 Vbe=，又由于光耦中的光电三极管的集电极、发射极饱和压降 Vces= ，所以基极的限流电阻上的压降为（ 5VcesVbe)=4V， 4V/=4KΩ，由于没有标称值为 4KΩ 的电阻，所以选择 的。 还应该注意到的一点是，光耦有一个参数叫电流传输比（ CTR）， CTR=Io/IF，及输出端电流的最大值比上输入端的电流，体现了光耦输出电流的能力。 如 果输入端的电流为 20mA，电流传输比为 50%的话，那么输入端电流 Io 最大只能为 10mA。 在这里，TLP5214 的电流传输比为 50%，输出端我们刚才算出的电流 Io=Ib=1mA，所以输入端电流 IF 最小为 2mA，由于电流很小时光耦处于死区，因此要选大点，这里选择 IF=10mA。 于是，光耦输入端阳极上的限流电阻为 R=()/=430Ω，这里选择标称值为470Ω 的电阻。 第 12 页 此外，这里用的继电器是普通的电磁继电器。 通过对电磁继电器和固态继电器进行比较，虽然固态继电器具有无触电、动作速度快、使用寿 命长等特点，但是本设计中的继电器只在温湿度超过限定值时才动作，动作频率低，而且固态继电器的价格比电磁继电器高得多，所以综合考虑选择电磁继电器 SRD 一 05VDC 一 SLC。 电源的设计 图 电源 电路 电源电路是整个系统 中非常重要的一部分， 本 设计 中主要用到直流 5V 电源。 要得到 5V 的直流电源，要经过降压、整流、滤波、稳压四个环节。 由于最后的稳压环节， LM7805 要得到 5V的直流输出，输入与输出要有一定的压差，根据 LM7805 的数据手册，需要有 10V 的输入，因此在降压环节把 220V 的电压 降为 10V。 然后用桥式整流电路把交流电整流为直流电，此时的直流电只是方向不变，但仍按正弦方式变化，是脉动的直流电。 因此需要滤波电路将纹波滤掉。 C8 和 C2 都用来滤波，但是作用是不一样的。 C8是大电容，用电解电容，它的作用是低频滤波，通过充电放电，从而削峰填谷，使电压的脉动成分减少，电压基本保持稳定。 而 C2 是小电容，所以对于高频信号容抗很小，相当于短路，从而滤掉高频信号。 需要注意的是， 470uF 的大电容可以滤低频，为什么不能滤高频，还要单独加一个 第 13 页 的小电容来滤高频。 从理论上来说大电容应该高频、低 频都可以，但是由于制造工艺的原因，电解电容的容值做得很大时，它就不再是一个单纯的电容了，它等效于一个电容串联一个电感。 在频率较低时，电感 L=jwl 较小，可以忽略不计，但是当频率很高时，感抗就很大，相当于断路，所以此时这个 470uF 的大电容不能滤掉高频信号，必须单独加一个小电容。 小电容容值小，因此就不存在感抗的问题。 滤波完以后，电压的脉动成分已经下降了很多，但是仍有起伏，所以最后还需加上一个三端集成稳压器，这里选用 LM7805，它能将电压稳定在 5V。 并联在 LM7805 两端的二极管起保护作用，避免在短路等情况 下 LM7805 输出端的电压比输入端高，从而烧坏 LM7805。 三端集成稳压器后面又接了一大一小两个电容，再次进行滤波，使电压更稳定。 按键电路设计 图 按键 电路图 键盘分为编码式和非编码式键盘。 其中，非编码式键盘又包括矩阵式键盘和独立式键盘。 矩阵式键盘较为复杂，一般用于按键数目较多，而单片机可用的 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，并且可用的 I/O 口充足，故采用独立式键盘，一个按键对应一个单片机的 I/O 口管脚。 本设计中总共用到 5 个 按键式开关，他们用来改变设定的温湿度上下限数值。 从 第 14 页 S0 到 S4，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、确认并退出。 本设计中的键盘是低电平有效。 未按键时，上拉电阻保证了单片机的 I/O 口是确定的高电平；当某个键按下时， I/O 口变为低电平。 串口通信电路 串口通信可分为同步通信和异步通信，在单片机的应用系统中，主要是采用异步串行通信。 在设计通信接口时，应该采用标准接口，这样。