基于单片机的温湿度检测控制系统设计

冯媛硕， 宋吉江

(山东理工大学 电气与电子工程学院， 山东 淄博 255091)

随着经济和社会的不断发展，人们对生活质量要求显著提高，对植被的要求也越来越严格.如何种植出品种优良的植物，一直是人们研究的话题.而基于单片机的温湿度控制系统对解决这些问题有着非常重大的意义.现代社会越来越多的实验都要求在严格的环境条件下完成，而温度和湿度是最基本的环境条件，也是影响较大的因素.一般温湿度控制系统中的温湿度测量均采用热敏电阻与湿敏电容，这种传统的模拟式温湿度传感器一般都需要设计信号调理电路并经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性等方面也存在一定问题[1-2].

环境的监测与控制在工业、农业、国防等行业有着广泛的应用.AT89C51单片机是常用于控制的芯片，在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果，用其作为温湿度检测控制系统的实例也很多.使用AT89C51单片机能够实现温湿度全程的自动检测与控制，而且AT89C51单片机易于学习、掌握，性价比高.使用AT89C51型单片机设计温湿度检测控制系统，可以及时、精确的反映室内的温度以及湿度的变化.完成诸如升温到特定温度、降温到特定温度、在温度上下限范围内保持恒温等多种控制方式，在湿度控制方面也是如此[3].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.

本系统所要完成的任务是：(1)人性化的设计.根据植物的生活需求，把温湿度值控制在一定的范围内；(2)能够实时、准确的显示采样温度值与湿度值；(3)通过采集温度及湿度值，准确的判断标准值与当前值之间的差异，及时的启动报警装置进行报警，并采取相应的控制方案.

1 系统总体设计

1.1 系统功能设计

系统要完成的设计功能是：(1)实现对温室大棚温湿度参数的实时采集，测量空间的温度和湿度，由单片机对采集的温湿度值进行循环检测、数据处理、显示，实现温湿度的智能检测[4]；(2)实现超越数据的及时报警，并启动控制系统，实现温室的目的；(3)现场检测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力.测温范围：0℃～60℃；测温精度：±0.5℃；测湿范围：0～100%RH；测湿精度：±2.5%RH.

1.2 系统的组成和工作原理

1.2.1 系统的组成

以单片机为控制核心，采用温湿度测量、通信技术、控制技术等技术、以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量控制系统.可分为温湿度测量电路，显示电路，声光报警电路，温湿度控制电路(图1).选用的主要器件有：AT89C51单片机、温湿度传感器AM2301、1602LCD显示模块、降温装置风扇、升温装置加热器、増湿装置喷雾器、除潮装置除潮器、红绿LED灯、报警装置蜂鸣器等.

1.2.2 系统的工作原理

本系统以单片机AT89C51为核心，数据采集、传输、显示、报警都要通过单片机.数据采集通过单总线的智能数字温湿度传感器AM2301完成；通过单片机把采集的数据显示在1602LCD上；当采集的数据超出给定范围时，有蜂鸣器实时报警，并显示红灯提示，并进行相应的控制处理.在整个系统中采用了AM2301单总线技术，单片机采用C语言编程.

本系统的核心为温湿度控制系统，由AT89C51单片机、风扇、加热设备、加湿设备、排潮设备、报警模块组成.AT89C51作为中央控制装置，负责中心运算和控制，协调系统各个模块的工作[5].系统其他模块工作原理在后文详细介绍.

图1 系统的组成

2 系统硬件设计

2.1 AT89C51单片机

AT89C51设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式.空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位.按照实际需要，同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性，本系统中选用价格较低、工作稳定的AT89C51单片机作为整个系统的控制器(图2).

图2 AT89C51单片机的片内硬件组成结构

2.2 时钟电路

AT89C51单片机各功能部件的运行都以时钟信号为准，有条不紊、一拍一拍地工作.因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性.AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡的高增益反相放大器，它的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为XTAL2.这两个引脚跨接石英晶体和微调电容，构成一个稳定的自己振荡器.外部时钟方式时外部时钟电源直接接到XTAL1端，XTAL2端悬空(图3).

图3 时钟电路

2.3 复位电路

复位是单片机的初始化操作，只需给AT89C51的复位引脚RST加上大于2个机器周期(即24个时钟振荡周期)的高电平就可使AT89C51复位.复位电路通常采用自动复位和按钮复位两种方式.上电复位是通过外部复位电路给电容C充电加至RST引脚一个短的高电平信号，次信号随着VCC对电容C的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C的充电时间.因此为保证系统能可靠地复位，EST引脚上的高电平必须维持足够长的时间.复位电路如图4所示.

图4 复位电路

2.4 传感器设计

使用AM2301数字温湿度传感器.它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性.传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接[6].因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点.校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数.单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷.超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20m以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则.产品为 4 针单排引脚封装.连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供.对于接口电路的设计，连接线长度短于20m时用5kΩ上拉电阻,大于20m时根据实际情况使用合适的上拉电阻(图5).

图5 AM2301典型接口电路

2.5 光声报警系统设计

采用红绿LED灯作为光报警提示，当系统检测到的数据符合给定的要求时，现场始终绿灯显示；当系统检测到的数据不符合给定的要求时，现场转化为红灯报警提示；本系统采用蜂鸣器作为声报警提示，当系统检测到的数据符合给定的要求时，现场没有蜂鸣器报警提示；当系统检测到的数据不符合给定的要求时，现场蜂鸣器报警提示(图6).

图6 光声报警系统电路图

2.6 温湿度控制系统

温湿度控制系统主要组成有：AT89C51单片机、风扇、加热设备、加湿设备、排潮设备、报警模块.当系统检测到的数据不符合给定的要求时，系统启动温湿度控制系统实现恒温恒湿的目的[7-8].其中：风扇负责系统的降温工作；加热设备负责系统的加热工作；喷雾设备负责系统的加湿工作；排潮设备负责系统的去湿工作[4].报警模块(双色灯)：负责系统的报警功能.如果当前的温度超过用户设定的界限时系统将自动报警，双色灯在单片机的控制下有规律的切换，同时报警模块发出报警声，通知用户采取相应的措施，电路图如图7所示.

图7 温湿度控制系统电路图

2.7 液晶显示模块设计

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形.液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点.在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预.每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态.相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多.

3 系统软件设计

软件系统设计过程：系统初始化模块，温湿度检测模块，显示模块，报警模块，温湿度判断控制模块.系统软件总体流程图如图8所示.

图8 系统流程图

3.1 温湿度检测模块

温湿度检测模块负责完成温度和湿度的测量及模拟量转换为数字量的全过程，这也是它为什么重要的原因.数字式温湿度传感器AM2301直接把检测到的模拟量转化为数字量送给单片机，在经过单片机的处理，把温湿度值显示在液晶屏上[8].温湿度传感器的精确度值直接影响到整个系统的检测与控制，所以系统采用数字式温湿度传感器AM2301采集温室内的温湿度.

(1)系统主程序设计.系统上电，AT89C51首先完成对串口及 LCD1602的初始化工作，然后开始读取 AM2301的温湿度数据.对读取的数据进行校验，如果错误(不在范围内)则重新读取，如果数据正确则将读取的温湿度数据存入内部数据寄存器，然后对该数据进行数据转换将结果存入数据显示寄存区.将待显示数据送 LCD1602显示，并将该数据发送至串口，然后重新进行下一轮温湿度数据读取与显示.

(2)AM2301温湿度读取程序设计.通过单总线访问AM2301.首先主机发开始信号，然后主机等待接收 AM2301响应信号.当 AM2301发出响应信号后，主机则连续接收AM2301送出的 40位数据，对 40位数据校验正确后则存入内部数据寄存区.

3.2 温湿度判断控制模块

温湿度判断控制模块是系统的核心模块之一，所谓判断控制模块，就是对当前温室内的实际温湿度与给定的温湿度范围进行比较，先进行判断，然后再进行控制，控制模块是决定系统将要进行什么工作的.如温度高于上限时需要降温，低于下限时需要升温，如湿度高于上限时需要降湿，低于下限时需要増湿，同时还要启动警报等[9-10].温湿度判断控制系统程序整体设计流程图如图9所示.

图9 温湿度判断控制系统程序整体思路

4 结束语

基于AM2301的温湿度控制系统,经实验验证，温湿度偏差小，精度更高，设计运行稳定.LCD显示数字读数方面，便于掌握环境温湿度数据.

目前国内外的温湿度检测使用的温湿度检测元件种类繁多、应用范围也较广泛，加之单片机和大规模集成电路技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统.随着经济和社会的不断发展，人们对自己的生活环境越来越严格.特别在温室大棚中，对温湿度要求更为严格.基于单片机的温湿度监测控制系统设计，对环境的温湿度监测控制系统做了详细的设计与实现.采用高性能的控制芯片AT89C51，高精度数字温湿度传感器AM2301.向模块化、高速化、智能化的单片机数据采集系统靠近.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.

[1] 赵鸿图.基于单片机的温度控制系统设计与实现[J].微计算机信息，2008，24(9)：54-56.

[2] 易顺明，赵海兰，袁然.基于单片机的大棚温湿度控制系统设计[J].现代电子技术，2011，34 (7):7-15.

[3] 张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社2008：12-14.

[4] Atmel. Atmel 89C51 microcontrollers hardware manual[Z].[S.l]:Atmel,2010:35-36.

[5] 陈桂友,柴远斌.单片机应用技术[M].北京：机械工业出版社,2008:53-58.

[6] 熊诗波.机械工程测试技术基础[M].4版.北京：机械工业出版社,2008:60-62.

[7] 张新荣.基于单片机的多路温度监测系统设计[J].工业控制计算机，2010，23(7):95-98.

[8] 夏晓南.基于单片机的温箱温度和湿度的控制[J].现代电子技术,2008，24(5):117-119.

[9] 秦曾煌.电工学.电子技术[M].7版.北京：高等教育出版社,2008：34-39.

[10] 李俊，张晓东.基于单片机的温湿度检测与控制系统[J].微计算机信息，2008，24(6):116-118.