1　　绪论

　　1.1　设计背景

　　随着农业产业规模不断的扩大和大棚技术的不断普及，温室蔬菜大棚的数量不断增加，且大棚蔬菜的生长环境要求严格。温湿度过低，则会导致蔬菜的死亡或停止生长，因此应将温湿度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。温湿度控制是蔬菜大棚的一个重要的环节，传统的温度控制是在蔬菜大棚中悬挂一个温度计，工人根据读取的温度值调节大棚内的温度;而湿度的控制只能依靠工人的经验来决定是否需要对植物进行灌溉。这种靠人工控制温湿度的方式方法，既耗费人力又不准确。

　　植物生长都是在一定环境中进行的，在其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，对植物的生长极为不利，因此必须对环境的温度和湿度进行检测和控制，来保证蔬菜生长，以提高蔬菜的产量和质量。温湿度控制器以检测精度高、运用简单的优点代替了农业种植生产的蔬菜大棚温湿度检测系统。

　　在现代化得蔬菜大棚管理中通常有温湿度自动控制系统，用来控制蔬菜的温湿度，以适应生产需要。它以先进的技术和现代化设施，人为控制蔬菜生长的环境条件，使蔬菜生长不受自然气候的影响，做到常年工厂化，进行高效率，高产值和高效益的生产。

　　1.2　国内外发展及现状

　　采用单片机的温湿度控制器是含有微型计算机或者微型处理器的测量仪器，它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动操作等功能。它的出现，极大的扩充了传统仪器的应用范围。智能温湿度控制器凭借其体积小、功能强。功耗低等优势，迅速在蔬菜大棚中得到了普及。

　　伴随着网络技术的飞速的发展，Internet技术正在逐渐向智能仪器仪表设计领域渗透，实现智能仪器仪表系统基于Internet的通讯能力以及对设计好的仪表进行远程升级、功能重置和系统维护。因此温湿度控制器有着无限的发展前景。

　　1.3　课题研究的主要内容

　　本次课题主要是对蔬菜大棚中的温湿度进行检测并控制。这次设计主要实现了对温湿度的检测、数据显示、温湿度控制的功能。设计中分为温度检测模块、湿度检测模块、单片机主控模块、显示模块、报警模块及温湿度控制模块。

　　本设计重点解决以下问题：将湿度传感器HS1101采集到的湿度信号通过多谐振荡器转换成频率信号;设定温湿度报警值;控制温湿度;将温湿度显示在液晶显示器上。本课题大致过程是通过传感器对温湿度的采集，然后单片机对温湿度信号进行相应的处理，液晶显示器显示出温湿度数值并对其温湿度的实际值与预设值进行比较，超过或者低于预设值，单片机则发出信号对温湿度进行控制。软件部分有主程序、温度检测程序、湿度检测程序、显示程序、控制程序、报警程序。

　　本文将具体研究上述问题的解决方案和实现过程，并最终完成满足设计要求的温湿度检测控制器。

　　2　　硬件电路

　　2.1　总体设计思路

　　根据课题研究，设计硬件电路的大致思路是：首先将温度传感器DS18B20检测到的温度数字信号直接送入单片机，然后湿度传感器HS1101会把由电容变化引起的电压变化传递给多谐振荡器NE555，此电压信号通过NE555转换为频率信号，最后将湿度的数字信号送入单片机，单片机对检测值与设定值进行比较，若超出或低于设定值则引起报警，并对温湿度进行控制。系统硬件组成的框图如图2-1所示。

　　图2-1　　系统硬件框图

　　2.2　传感器的选择

　　方案一：选用DHT11作为温湿度检测模块，DHT11是一款数字输出的复合传感器，其中包含一个电阻式感湿元件和NTC式温度检测元件，可测20～90%RH范围内的湿度，误差为5%RH，可测温度为0～50℃，误差大约为2℃.

　　方案二：选用DS18B20温度传感器和HS1101湿度传感器作为温湿度检测模块，DS18B20是单线式数字温度传感器，具有独特的单线式接口方式，测量范围在-55℃～125℃，误差为±0.5℃。最高精度可达0.0625℃。HS1101是电容式传感器，可测相对湿度范围为0%～100%RH，误差为±2%RH。

　　方案选择：由上述数据可知，方案一中模块可集成化测量温湿度，方案二中模块的测试范围较大且精度比较高。首先本电路设计上并不复杂，所以没有必要选取高度集成的温湿度传感器DHT11。再者从设计要求的精度来看，温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1101的精度(温度测量单位为-55℃～100℃，湿度为0～100%RH，温度测量误差为0.1℃，湿度测量误差为2%RH)更加优秀。综上所述，方案二更加符合设计要求。

　　2.3 湿度检测电路设计

　　2.3.1 湿度传感器HS1101简介

　　HS1101电容传感器是同一类湿度传感器的总称，它们之间具有完全互换性，湿度传感器HS1101 在湿度采集中具有灵敏度高、精度高、测量范围广的优点，进而在对环境湿度要求较高的场合可以得到很大的应用，其特点和实物图2-2如下。

　　(1) 完全互换性，在标准环境下不需要校准

　　(2) 长时间饱和下快速脱湿

　　(3) 可以自动化焊接

　　(4) 高可靠性与长时间稳定性

　　(5) 独有的固态聚合物结构

　　(6) 可以用于线性电压或频率输出回路

　　(7) 反应时间较快

　　图2-2　　HS1101实物图

　　HS1101具有高可靠性、长期稳定性和响应时间快的特点，HS1101测量的湿度范围为0%～100%RH，它的电容变化范围为163pF～202pF，误差约为±2%RH，响应时间小于5S，温度系数为0.4pF/℃。可以看出HS1101的湿度检测是十分精准的。湿度传感器HS1101的技术参数如表2-1所示。

　　表2-1　　HS1101技术参数表

参数	符号	参数值	单位
工作温度	Ta	-40～100	℃
储存温度	Tstg	-40～125	℃
供电电压	Vs	10	Vac
湿度范围	RH	0～100	%RH
焊接时间	t	10	s

　　2.3.2　HS1101与NE555组合的湿度检测电路

　　本次设计采用HS1101对湿度进行采集，在设计电路中相当于一个可变化的电容，设计中电路将电容变化的模拟信号转换成数字信号的方法有两种：一是将HS1101置于运放与阻容组成的桥式振荡电路，所产生的正弦信号进行整流，变成直流信号，经过放大，通过A/D转换为数字信号;二是将HS1101置于NE555多谐振荡电路中，NE555将电容的电压变化信号转换为频率变化信号，再通过示波器显示方波周期，按公式计算出湿度值。本设计采用HS1101与NE555的组合电路来对湿度进行采集。[7]

　　设计过程中，将电容和对应的湿度数据进行记录，可以发现电容与湿度大致成正比例变化。如图2-3所示。

　　图2-3　　电容湿度变化曲线

　　本设计的湿度测量电路如图2-4所示。湿度传感器HS1101通过外围电路将其电容变化引起的电压变化传递给多谐振荡器NE555，电压信号通过NE555转换为频率信号，最后将湿度的数字信号送入单片机。

　　图2-4　　湿度检测电路

　　在电路中，电路的测试条件是工作频率f=10KHZ，室温温度为25℃。测湿的电容在55%RH下为C0，当测量的湿度由0%RH变化到100%RH时，C0从163pF变化到202pF。如果湿度不为55%RH，可以用公式2-1来进行对其修改。

　　C=(0.90+0.208RH)C0 (2-1)

　　当C0=181.5pF、RH=0%、100%时，C依次为163.4pF、201.1pF，这也就是对HS1101实验的验证。

　　同理如果当工作频率f≠10KHZ时，应按公式2-2计算实际电容量：

　　C’=(1.027-0.01185lnf)C (2-2)

　　式中频率单位为KHZ，HS1101允许工作频率范围5KHZ-100KHZ，举例说明，当f=5KHZ时，利用式2-2，计算出C’=1.0079C;当f=100KHZ时，C’=0.972C。

　　以上是对设计中的电容进行了分析，接下来湿度传感器HS1101将电容信号送入多谐振荡器NE555中，通电后电流沿着电源→R2→R4→C→地的途径给C充电，经过t1时间湿敏电容的压降Uc 就被充电到NE555的高电平(UH =0.67UCC)，使内部比较器翻转，Q端的输出变成低电平。然后C开始放电，放电回路为C→R4→DC端→内部放电管→地，经过t2时间，UC降低到低触发电平(UL=0.33Ucc)，内部比较器再次翻转，使Q端放出高电平，这样周而复始的充、放电，就形成了震荡。[3]充电、放电时间分别为：

　　t1=C1(R2+R4)ln2 (2-3)

　　t2=CR2*ln2 (2-4)

　　输出波形的频率(f)和占空比(D)的计算公式为：

f= (2-5)

(2-6)

　　本次设计电路之所以让R2远远大于R4，是因为让形成的方波的占空比为50%。在以上标准的环境下频率和相对湿度如表2-2所示。

　　表2-2　　频率和相对湿度表

RH(%)	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
f/HZ	7351	7224	7100	6976	6853	6728	6600	6468	6330	6186	6033

　　2.4　温度检测电路

　　2.4.1　DS18B20简介

　　温度传感器DS18B20是一款集成的数字温度传感器，它的特性有：

　　(1)独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

　　(2)测温范围：-55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。

　　(3)支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的总线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，不能实现多点测温。

　　(4)工作电源：3～5V/DC。

　　(5)在使用中不需要任何外围元件。

　　(6)测量结果以9～12位的数据方式串行传送。

　　(7)不锈钢保护管直径：6mm。

　　(8)适用于DN15～25, DN40～DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。

　　DS18B20引脚定义：DQ为数字信号输入/输出端;GND为接地端;VDD为外接电源输入端。

　　2.4.2　温度检测电路

　　本次设计使用DS18B20来进行温度采集，它里边的低温系数晶振受到温度的影响极小，所以用于产生固定频率的脉冲信号给减法计数器1，然而高温系数晶振的振荡频率随着温度的变化改变较大，将产生的脉冲送到减法计数器2中，当计数门打开时，DS18B20会对低温系数振荡器产生的脉冲进行计数，用来进行温度测量。计数门开启的时间和高温系数晶振有关，在每次测量前都会先将-55℃对应的基数送入减法计数器1和温度寄存器中，因此减法计数器1和温度寄存器会预先设置成这个基数值，减法计数器1对低温系数晶振进行减法计算，当减法计数器1的预设值被减到0时温度寄存器的值加1，减法计数器1的预设值将被重新写入，减法计数器1重新对低温系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环下去直到减法计数器2计数到0为止，则温度寄存器的计数停止，这个时候温度寄存器的数值即为我们所测的温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性干扰因素，其输出用于校正减法计数器的预设值，直到计数门关闭这个循环才会结束，得到的温度值也就是实际的温度。然后温度寄存器将其中保存的二进制温度数值发给单片机。温度传感器DS18B20的内部结构如图2-5所示。

　　图2-5　　DS18B20内部结构

本设计中DS18B20将采集到的数字温度信号直接送给单片机，在电路中需要连接一个4.7k的上拉电阻，来提高DS18B20的电压。单片机的P3.4I/O口与温度传感器相连，DS18B20将代表温度信号的8bit数据发送给单片机，然后单片机识别8bit数据并将数据转换成为温度值。温度检测电路如图2-6所示。

　　图2-6　　温度检测电路

　　2.5　温湿度显示电路

本设计采用LCDLM016L的液晶显示屏。它的特性如下，显示容量：6*12个字符;芯片工作电压：4.5-5.5V;工作电流：2.0mA;字符尺寸：2.95*4.35mm。将数据引脚设置在单片机P1.0-P1.7端口，用来显示所测的温湿度数值，分别将P2.0-P2.2端口设置成为对应液晶显示器的寄存器选择端、读写端、使能信号端，从而可以控制液晶显示器。将VEE端口接入一个10K电阻来保证液晶显示器背景亮度。VDD接口与5V电源相连进而为液晶显示器供电。它的设计中的电路图如图2-7所示。

　　图2-7　　温湿度显示电路

　　2.6　报警及控制信号输出电路

　　在本次设计中将报警的对应I/O口设置为P2.7端口，然后接一个蜂鸣器作为报警设备，当温湿度超过阈值的上下限时，则蜂鸣器会工作，以示报警。其间的三极管起到一个开关的作用，当温度在正常值之间则单片机的P2.7口输出高电平不会引发报警电路，当超出或者低于预设值时，则单片机会输出一个低电平从而使三极管导通，继而引发蜂鸣器工作。电路中控制接口设置为：高于预设温度值的控制接口为P0端口，低于温度预设值的控制接口为P0.1端口，高于湿度预设值的控制接口为P0.2端口，低于湿度预设值的控制接口为P0.3端口。通过这四个I/O口对设计中的温湿度进行控制。报警及其控制电路如图2-8所示。

　　图2-8　　报警及控制电路

　　2.7　单片机最小系统

　　设计中的单片机起到主控的作用，AT89C52是8位高性能CMOS单片机，其中内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8片内程序存储器ROM、32个输出输入双向口、3个16位计数器和两个中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟震荡电路。

　　复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。在设计中可以通过复位键重新开始对温湿度的检测。为确保电路稳定可靠工作，本次设计必须要采用复位电路。

　　时钟电路用于产生单片机的基本时钟信号，是用来配合外部晶体实现振荡的电路，这样可以为单片机提供运行时钟，如果运行时钟为0 的话，单片机就不工作，当然超出单片机的工作频率的时钟也会导致单片机不工作。时钟电路是微型计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，CPU就是通过复杂的时序电路完成不同的指令功能的。AT89C52的时钟信号可以由两种方式：一种是内部方式，利用芯片内部的振荡电路，产生时钟信号;另一种为外部方式，时钟信号由外部引入。如果没有时钟电路来产生时钟驱动单片机，单片机是无法工作的。AT89S51的时钟信号可由内部振荡器产生，也可由外部电路直接提供。单片机最小系统如图2-9所示。

　　图2-9　　单片机最小系统