土壤温湿度采集器 【毕业论文】

桂林电子科技大学 毕业设计（论文）报告用纸 摘 要 适宜的 土壤温湿度是农作物生长的重要环境条件 ,它不仅直接影响农作物根系的生长发育以及 土壤微生物的活动，而且土壤温湿度的变化还可以改变 土壤中水分的运动 ，造成灌溉的困难 。因此人们必须对土壤温湿度进行 采集 并加以控制 ,使之保持在一定范围之内，以适应农作物的生长。采用单片机 系统来设计的 土壤温湿度 采集器 ,不仅具有控制方便、简单、灵活性大等优点 ,而且 较之 使用 人工分别检测温度和湿度 再进行分析处理的方法 可以大幅度提高被控温湿度的技术指标 ，减小 中间 过程 的人为因素误差 ,从而能够大大提高数据 的质量 ， 进而使系统做出 正确的判断和进一步的控制动作。 本设计主要是针对 现代 农业生产 中 的 大棚温室种植 的 土壤 温湿度进行采集和显示 ， 并有简单的预置功能 和报警功能 。 本设计 以单片机为处理核心，对土壤 （ 也可以是周围的环境比如是空气 ） 进行温度和湿度的测量并进行采集 ，通过数码管 显示出来。在系统的硬件部分主要是采集 电路 和显示 电路。采集电路主要是 通过温湿度传感器 入单片机中进行处理。 显示电路 主要是将已经数据处理的温湿度数值利用数码管进行显示出来，配合系统的其他硬件部分如按键系统可以选择显示模式 。软件部分 的主要 工作 是 使温湿度传感器得到的温湿度数值与单片机之间正确的 进行信号的 周期性采集与 输送 ，之后 进行各种判断来控制硬件电路的显示模式和报警 电路 。 关键词 ： 温湿度 参数 ；单片机； 温湿度传感器 桂林电子科技大学 毕业设计（论文）报告用纸 he of of in in So to in is in to so it a in to to of of to of to of of is a to of of in is by be to is of of a of to 林电子科技大学 毕业设计（论文）报告用纸 目 录 引言 . 1 1 概述 . 2 湿度传感器 . 2 拟信号输出的温度传感器 . 3 度传感器 . 3 字信号输出的温湿度传感器 . 4 统元件的选择 . 4 2 硬件设计 . 5 件设计 思路 . 5 相关 电路 . 5 . 5 振 电路 与复位电路的连接 . 8 湿度采集电路 . 9 . 9 . 10 . 11 盘电路 . 13 示和报警电路 . 15 单的接口电路 . 16 3 软件设计 . 19 计主流程图 . 19 湿度采集子函数 . 21 示程序 . 22 据处理子函数 . 22 键扫描程序 . 23 . 电路制作设计过程 . 25 . 25 路图的设计 . 25 电路原理图的设计 . 25 . 25 路板的制作 . 25 桂林电子科技大学 毕业设计（论文）报告用纸 结论 . 27 谢 辞 . 28 参考文献 . 29 附 录 . 30 程序 . 30 原理图 . 44 . 45 桂林电子科技大学 毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 45 页 引言 适宜的温、湿度是人类及一切动植物生存生长所必需的两个最基本的环境参数，在现代生产生活中，温度和湿度的监测与控制有着十分重要的意义。传统的测试温度和湿度的方法是通过一定的测试仪器人工逐点进行检测，这种方法费时费力，效率低 而 且误差大。 随着社会的不断进步和科学技术、经济的不断发展，人们对各种仪器功能的要求也在不断的升高。在温度和湿度的采集方面也出现了许多新的高科技产品，有的传感器已经能够通过一个传感器就能 采集到温度和湿度，大大提高了采集的效率，而且精度也比传统的采集器有明显的提高，本文将对这种采集器做出介绍。 本文介绍的 土壤温湿度 检测装置 不仅具有可以自动检测温度和湿度的功能，而且还可以通过键盘选择 检测点 的温湿度 的 显示模式 ， 另外还具有初值设定及报警 等功能。 相对于旧方法这种采集器不仅提高了传统温度和湿度的检测性能，而且还可以进行软硬件的扩展，通过扩展实现可以实现控制室内或者生产环境的温湿度处于一定范围之内 ， 有利于农业的生产，因此这种采集器 可以使用于各种农业的生产过程。 该 采集测量系统 以 配合 数字式 温湿度传感器，以及相关的显示以及报警 电路组成。 通过采集电路可以检测所属环境的温度和湿度数值，这些数值可以通过动态显示的 数码 管显示出来 ， 实现 实时 采集并显示 所处 环境 或者是 土壤 的温度和湿度 变化 情况。所有的数据采集 和数据传送都可以通过单片机控制软 件来实现。由温湿度传感器得到的温湿度 数值，经串行 数据线 输送到单片机进行 处理，经软件分析处理后送显示电路 ， 单片机根据检测到的温度和湿度结果，判断温度 是否在界定的范围 之 内，以 此 来决定是否 启动系统的报警， 以方便工作人员能够及时的采取相应的措施使温度保持在一定的范围以内 。 桂林电子科技大学 毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 45 页 1 概述 在 人们现实的生活 中，温度和湿度是一个极为重要的参数， 对生活的各个方面多有着很重要的 影响 。正如 每天的天气预报提醒人们提前做好准备 一样 ，在各种农作物的生长环境中土壤的温湿度指标亦是一组相当 重要 的 参数， 特别是 为适应 新 世纪发展高科技现代农业的 要求 ，农业生产中温湿度的精确控制在促进农作物的生长，提高农产品的产量尤其重要。要做到对温湿度的精确控制， 最基础的工作首先是要对土壤的温湿度 进行采集。在传统的方法当中， 对土壤的温湿度 进行 采集一般是采用人工检测，先对待检查点的温湿度进行采集 ，然后用人工 方法对所采集的数据进行整理 分析，根据分析 的情况对 所控制的对象进行特定的处理 。这种对温湿度采集和 处理 的方法显然与 当前 高科技 发展的要求不符 。 针对这一情况，研制 性能优良 、效能高、 可靠 而 实用 的土壤温湿度采集器显得更加有必要 。 目前市场 上设计 土壤温湿度采集器，大多数都是以 采用单片机作为处理核心，配合各种温度和湿度传感器进行采集，通过相应的 报警、显示电路和控制电路进行数据显示和达到实时的监控 。 本设计 也 遵循了这一设计 的思想 。为此在设计的初始阶段需要对各个功能模块中所需要用到的元件类型进行了解，之后根据实际情 况选择元件。根据其功能要求需要确定：首先是 处理核心单片机的选择； 其次是 温湿度传感器的选择； 当然还有 显示元件的选择。在单片机的选择当中，现在市面上各种型号的单片机基本上都具有相同的强大的 处理 功能 ，只是在存储和处理速度方面有所差别，而这又不影响其功能应用。 显示元件的选择，现在主要是有两个方向的选择，普通的数码管的显示，液晶 鉴于 编程和经济方面的 考虑 选择利用数码管显示是一个最优选择。 温湿度传感器的选择 也是很关键的 ，选择适当的温湿度传感器可以使硬件的设计简单 。 湿度传感器 温湿度传感器，现在基本 上分为两大类型 ：一 这两个类型的传感器基本上是现今温湿度采集系统的选择。而这当中这两个类型的传感器又各有特点。 温湿度传感器，有集温度和湿度为一体的传感器，而更多的是分别的温度传感器和湿度传感器。集温湿度为一体的传感器几乎都是数字型的。 集成的数字信号输出的传感器有其重要的特点，在采集温湿度之后其输出就是单片机能够识别处理的数字信号，而不需要中间的 信号 放大， A/D 转换等环节，而且有些集成的数字温湿度传感器已经对在常规环境下的输出已经做好校准，在一般的使用当中无需调试和重新设定。但是 这种集成数字 温湿度传感器 的输出较之用模拟信号输出再进行模数转换的温湿度传感器其精度就有所降低。 而这些区别就是模拟输出与数字输出 传感器 间的区别。 模拟输出的传感器在使用过程当中，因数据传送线的关系，需要做好补偿措施。并且需要放大和转换电路的配合。 桂林电子科技大学 毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 45 页 拟信号输出的温度传感器 温度的检测方法有多种， 采用的温度传感器 常用的有电阻式、热电偶式、 射型及石英谐振型等。它们都是基于温度变化引起其物理参数 (如电阻值 ，热电势等 )的变化的原理 ，再通过一定的函数关系式将电信号的变化转化 为温度的变化 。下面介绍几种常见的温度传感器。 电阻温度传感器：这种传感器以电阻作为温度敏感元件 ， 根据敏感材料不同又可分成热电阻式和热敏电阻式。热电阻式一般用金属材料制成 ,如铂、铜、镍等 。 热敏电阻是以半导体材料制成的陶瓷器件 ,如锰、镍、钴等金属的氧化物与其它化合物按不同配比烧结而成。热敏电阻具有体积小、灵敏度高、反应速度快、分辩率高等优点 ,在各个领域广泛用作测温控温及温度补偿的敏感元件。热敏电阻温度传感器的缺点是线性度低、稳定性差。 热电偶温度传感器：热电偶测温是基于“热电动势效应”的原理。 所谓热电动势效应是 指 A,若两结点温度不同则在回路中产生电动势 ,形成热电流 、 热端 )温度为 T,而另一端 (冷端 )温度为 热电动势为： E(T,(b)k/e 其中 与材料有关的常数。测量 E(T,大小便能确定被测温度 T。 型及集成电路式温度传感器：半导体 测温是近几年来发展起来的一种新型测温手段。集成电路温度传感器具有体积小、重量轻、精度高等特点 ,测温范围在 50 ,也正好是 最常见的温度范围。文献报导的一种电流输出型温度传感器在 0 20内灵敏度可达 ,线性误差不超过 ,稳定性为 。 度传感器 湿度传感器 ,基本上可分为电阻式和电容式两种 ： 电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定 ,国外有些产品还具备高温工作性能。但是达到上述性能的产品多为国外名牌 ,价格都较昂贵。市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品 ,往往达不到上述水平 ,线性度、一致性和重复性都不甚理想 ,30%下 ,80%些产品采用单 片机补偿修正 ,使湿度出现“阶跃”性的跳跃 ,使精度降低 ,出现一致性差、线性差的缺点。无论高档次或低档次的电容式湿敏元件 ,长期稳定性都不理想 ,多数长期使用漂移严重 ,湿敏电容容值变化为 ,1%值的漂移改变往往引起几十 误差 ,大多数电容式湿敏元件不具备 40以上温度下工作的性能 ,往往失效和损坏。电容式湿敏元件抗腐蚀能力也较欠缺 ,往往对环境的洁净度要求较高 ,有的产品还存在光照失效、静电失效等现象 ,金属氧化物为陶瓷湿敏电阻 ,具有湿敏电容相同的优点 ,但尘埃环境下 ,陶瓷细孔被封堵元件 就会失效 ,往往采用通电除尘的方法来处理 ,但效果不够理想 ,且在易燃易爆环境下不能使用 ,氧化铝感 桂林电子科技大学 毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 45 页 湿材料无法克服其表面结构“天然老化”的弱点 ,阻抗不稳定 ,金属氧物陶瓷湿敏电阻也同样存在长期稳定性差的弱点。 电阻型的湿敏温度传感器重要的一种是 氯化锂湿敏电阻 ,具有最突出的优点是长期稳定性极强 ,因此通过严格的工艺制作 ,制成的仪表和传感器产品可以达到较高的精度 ,稳定性强是产品具备良好的线性度、精密度及一致性 ,是长期使用寿命的可靠保证。 以上所述的 温度传感器和湿度传感器 都 有 一 个共同的特点， 那就是它们 的 数据信号的 输出都是微弱 的模拟信号电流或者电压， 即是电流型的或者是电压型的。一般情况下温度和湿度的变化都是很微小的， 因此需要进行发大和进行模数转换才能与单片机系统进行必要的数据交换。 字 信号输出的 温湿度 传感器 现在 市场上 使用较多的单一的集成的数字式温度传感器以 多。这是一种集成的数字式温度传感器。 美国达拉斯 (导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。该器件将半导体温敏器件、 A/D 转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上。使用这种温度传感器可以对系统的硬件设计带来许多方 便，使系统的硬件部分大大的。 单一的数字式的湿度传感器在市面上还是很少，数字型的湿度传感器多为是与温度一起的， 即检测为温度与湿度 一起 进行检测的，因此这样的才是 切合实际中的需要的。数字式温湿度传感器 有 系列，以及 列。 这些集成型的温湿度传感器都有很好的线性效果，在一般的环境下无需进行校正就可以输出单片机能够处理 和接收 的数字式信号， 在精度允许的范围内，省却了许多复杂的放大和转换电路，因此可以 很方便的进行应用 。 统元件的 选择 综上 进行考虑， 智能的土壤温湿度采集系统的设计处理核心单片机有多 种选择，在此选择了具有闪存的，而且运算处理速度很好的 种单片机的稳定性以及性价比都很高。 而对于温湿度传感器的选择，为了使整个系统更加的简单和便于 调试，在此选择了集成的数字式温湿度传感器 种传感器有着一般的数字温湿度传感器的特点，而且其线性度更好。 对于显示电路的设计，基于整个系统的考虑，只 需要 用到了一般的数字显示 即可，可以选择普通的 数码管 就能满足设计显示的要求 。 因此本设计 以 片机为处理核心，简单的可分为以下几个模块温湿度采集模块；单片机工作模块； 按 键控制模块，状态显示灯模块，数据 显示模块，报警模块。系统中主要的器件有核心处理器单片机 成温湿度传感器 片， 4码管。 桂林电子科技大学 毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 45 页 2 硬件 设计 根据所选的各个元件的型号 ,确定硬件设计的主体部分。 硬件系统以单片机为核心，集成的温湿度传感器 为系统的数据信号输入，为了很好的为单片机的程序下载和系统数据与外部计算机的通信， 还 需要设计一个相应的串口电路。 整个系统中温湿度传感器将采集到的数据以串行的方式输送到单片机进行数据处理， 单片机通过扫描键盘电路以确定显示模式 ， 可以用扫描电路进行温度的初值设定，这是作为报警电路的一个基准，当其温度超过这个设定值时可以驱动报警电路。在实际的应用当中可以将其改为控制电路， 通过外界的设备来实施相应的控制，从而使控制对象的温度能够保持到适当的范围之内 。 件 设计 思路 图 2件 系统总体设计 对于硬件部分的设计， 按照 简单可靠的设计原则，尽量使得系统调试简单和软件编程简单。本次设计的对象是一个简单的智能应用系统，即对土壤 温度和湿度的 采集和控制 ，其 总的 系统构图 如图 1 示。系统中的电路主要用有 ： 片机的 晶振电路，复位电路， 温湿度传感器 集电路， 串口电路部分 ，显示及报警电路 。 采集电路通过检测 采集到数值并 将已经校准 的 数字化的温湿度数据 输送到单片机 进行处理 ，单片机通过扫描键盘电路选择显示的模式：温度和湿度同时显示；单独显示温度；单独显示湿度；温度初始值设置。 当传送到 单片机 的数据在系统进行处理与初始值进行比较，当超过设定值后发出一个低电平驱动报警电路工作，使蜂鸣器发声报警。 相关 电路 介 性能 的 有 8统可编程 用 工业 80品指令和引采集部分 键盘部分 显示部分 单 片 机 报警部分 接口部分 桂林电子科技大学 毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 45 页 脚完全兼容。片上 许 适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8位 其为众多嵌入式控制应用系统提供灵活的解决方案。其主要特性为： 与 8 1000次擦写周期； 全静态操作： 033 三级加密程序存储器； 32个可编程 I/O 口线； 三个 16位定时器 /计数器； 八个中断源； 全双工 低功耗空闲和掉电模式； 掉电后中断可唤醒； 看门狗定时器； 双数据指针； 掉电标识符。 图 图 2 0 1 2 3 0 14 1 15 R 16 D 17 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 桂林电子科技大学 毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 共 45 页 其中 的接入脚， 20 引脚 接 地 脚，和其他的单片机一样，其供电电压为 范围更广，使系统的稳定运行性能更好。 其本身具有 4个并行的 I/为系统与外界进行数据交换和电路扩展的端口操作，其各自的功 能如下： 8位漏极开路的双向 I/为输出口，每位能驱动 8个 1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时， 位地址 /数据复用。在这种模式下， 在 程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 ：具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动 4 个 辑电平。对 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ 此外， 计数器 2的外部计数输入（ 2） 和定时器 /计数器 2 的触发输入（ 2具体如下表所示。在 程和校验时， 接收低 8 位地址字节。 表 2引脚的第二功能 ：具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动四个 辑电平。对 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ 。在方位外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器时， 送出高八位地址。在这种应用中， 使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址访问外部数据存储器时， 2锁存器的内容 。 在 位地 址字节和一些控制信号。 ： 是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 出缓冲器能驱动四个 口写“ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ 二功能）使用，如下表所示。在 程和校验时， 引脚号 第二功能 2（定时器 /计数器 外部计数输入），时钟输出 2时器 /计数器 捕捉 /重载触发信号和方向控制） 系统编程用） 系统编程用） 系统编程用） 桂林电子科技大学 毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 共 45 页 表 2引脚的第二功能 引脚号 第二功能 行输入） 行输出） 0外部中断 0） 外部中断 1） 0（定时器 0 外部输入） 1（定时器 1 外部输入） R （外部数据存储器写选通） D （外部数据存储器读选通） 位输入。晶振工作时， 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后， 输出 96个晶振周期的高电 平。特殊寄存器 址 8的 位高电平有效。 控制信号（ 访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出脉冲。在 引脚（ 也用作编程输入脉冲。 在一般情况下， 晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时， 果需要，通过将地址为 8 第 0 位置“ 1”， 作将无效。这一位置“ 1”，在执行 令时有效。否则， 被微弱拉高。这个 能标志位（地址为 8第 0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 外部程序存储器选通信号（ 是外部程序存储器选通信号。当 89每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器 时， 不被激活。 问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到 外部程序存储器读取指令， 须接地。 为执行内部程序指令， 该接 在 接收 12伏 荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 荡 器反相放大器的输出端。 路 与复位电路连接 片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器， 出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。从外部时钟源驱动器件的话， 以不接，而从 入 。在本设计系统中采用的是外部振荡电路连接法， 其电路接法如下图所示： 桂林电子科技大学 毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 共 45 页 2晶振 电路连接图 与复位电路 （石英晶振 2=3010） 湿度采集电路 介 在本设计当中参数采集部分 采用了集成度较高的数字化的温湿度传感器 精度允许的范围内 省却了 信号 放大和模数转换的诸多外围电路 ， 整个系统就显得更加的简单，因此可以方便的进行电路的调试 ，而且 简单的硬件电路可以使软件编程变得更加方便。 字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。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。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 温元件，并与一个高性能 8位单片机相连接。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。每个 准系数以程序的形式储存在 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20 米以上，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 。 相对湿度和温度测量 桂林电子科技大学 毕业设计（论文）报告用纸 第 10 页 共 45 页 全部校准， 数字输出 卓越的长期稳定性 无需额外部件 超长的信号传输距离 超 低能耗 4引脚安装 完全互换 图 2表 2 型号 测量范围 测湿精度 测温精度 分辨力 封装 0H 0 5%1 1 4脚单排直插 封装信息： 表 2 称 注释 1 电 C 2 行数据，单总线 3 脚，可悬空 4 地，电源负极 3 感器上电后，要等待 1s 以越过不稳定状态 ，此期间无需发送任何指令。电源引脚（ 间可增加一个 100电容，用以去耦滤波。 桂林电子科技大学 毕业设计（论文）报告用纸 第 11 页 共 45 页 图 2湿度采集电路 这是 采集 部分的电路，此时的温湿度传感器 1脚连接到电源， 4脚为接地。在数据端的 2脚需要有个上拉电阻， 2脚直接与单片机的 I/ 3脚可以悬空。 采集部分是一个很简单的连接电路 ，但是作为检测部分需要将其置于被测的坏境中才能保证其准确性，但是 系统