温度与湿度控制系统设计

1、本 科 生 课 程 设 计 课课 程程 名名 称：称： 单片机课程实训单片机课程实训 题题 目：目： 温湿度控制温湿度控制 专专 业业 班班 级：级： 学学 生生 姓姓 名：名： 学学 生生 学学 号：号： 日日 期：期： 20142014 年年 6 6 月月 指指 导导 教教 师：师： 陈斯陈斯 ii 一、课程设计目的、任务和内容要求： 通过该课程设计使学生进一步了解和加深智能化仪器设计的一般原则；熟练掌握 智能化仪器与装置的软、硬件设计方法；掌握仪器的软件调试及软硬件联合统调方法 与技能。掌握仪器的接口技术和程控方法；熟练掌握仪表总线的工作原理、设计步骤、 编程及调试；掌握 c 设计软件的

2、编程与调试方法；掌握网络化仪器设计编程与调试方 法。 本课程设计的任务就是设计一个温度与湿度控制系统。鼓励学生在熟悉基本原理 的前提下，与实际应用相联系，提出自己的方案，完善设计。 具体设计任务如下： 1熟悉 dht11 温度与湿度传感器的工作原理； 2写出温度与湿度控制系统的设计方案； 3用硬件加以实现； 4写课程设计报告。 设计要求： 1.温度测量范围：0-50 摄氏度； 2.温度测量精度：2 摄氏度； 3.湿度测量范围：20%-90%rh； 4.湿度测量精度：5%rh； 5.显示当前测量到的温度与湿度的值； 6.设置温度上下限，湿度上下限。 iii 二、进度安排： 第 13 天： 查找资

3、料，熟悉 dht11 传感器的工作原理，给出总体设计方案； 第 46 天： 各模块的详细设计； 第 712 天：硬件连线，调试； 第 1314 天：写课程设计报告。 三、主要参考文献： 1丁元杰.单片微机的原理与应用.机械工业出版社 2童诗白,华成英，模拟电子技术基础，高等教育出版社 指导教师签字： 年 月 日 - 1 - 目目 录录 目目 录录.1 摘摘 要要.2 abstractabstract.2 1 1 绪论绪论.3 1.1 设计目的.3 1.2 设计背景.3 2 2 设计方案简述设计方案简述.4 2.1 方案设计.4 2.2 方案设计.4 3 3 设计部分设计部分.5 3.1 硬件设

4、计 .5 3.1.1mcs08qg8 芯片错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.1.2 液晶显示模块电路设计.6 3.1.3 蜂鸣器模块电路设计9 3.1.4 dht11 温度湿度传感器电路设计.9 3.2 软件设计.12 3.2.1 系统软件设计说明.12 2 3.2.2 编程语言的选择.13 3.2.3 主程序流程图.13 3.2.3 系统的软硬件的调试.15 4 4 设计结果及分析设计结果及分析.16 5 5 总结总结.17 参考文献参考文献.18 附录附录 1 1.19 附录附录 2 2.20 3 摘摘 要要 以 mc9s08qg8 单片机为核心,并通过 dht11 温湿度传感器的

5、工作原理，实现了对当 前环境中温度与湿度的测量，并且通过设置好的温度与湿度的上限、下限的值对当前 环境下的温度和湿度实施监控，超过预警值则实施自动报警。该系统由温度传感器模 块、湿度传感模块和液晶显示模块组成，应用温湿度传感器的工作原理对当前环境实 施监控，定时采集数据传送给单片机，单片机根据温湿度传感器采集到的数据进行处 理，再将接收的数据显示到 12864 液晶显示屏上，若是超过预期设置的上限和下限， 采用二极管模拟报警，由于制作和组合上的精细，使得本设计显得智能化、实用化。 关键词：单片机（mc9s08qg8） ；温度传感；湿度传感；12864 液晶显示 abstractabstract

6、 the design mc9s08qg8 microcontroller core, and through dht11 temperature and humidity sensor works to achieve in the current environment, temperature and humidity measurements, and a good temperature and humidity by setting the upper limit, lower limit value of the temperature on the current enviro

7、nment implementation of monitoring and humidity, more than the value of implementing an early warning alarm. the system consists of temperature sensor module, humidity sensing module and liquid crystal display module, the application of temperature and humidity sensor works by monitoring the impleme

8、ntation of the current environment, regularly collected data to the microcontroller, microcontroller based temperature and humidity sensor for processing the data collected, and then will receive the data to the lcd screen on the 12864, if more than expected to set the upper and lower 4 limits, the

9、use of diode analog alarm, due to a combination of production and fine, making the design is intelligent, practical. keywords：single chip（mc9s08qg8）； temperature sensor；humidity sensor；12864 lcd 1 1 绪论绪论 1.1 设计目的设计目的 近年来,我国的设施农业得到了较大发展,温室大棚钟植技术已突破了传统的农 作物种植受地域自然环境等诸多因素的限制,对农业生产有重大意义。但目前我 国温 室大棚的温湿度测

10、量和设备的操作大多还是由人工来完成,当温室较大时,操作人员的 劳动强度很大本温湿度控制系统是 以单片机控制为核心, 以瑞士生产的sht11单片集 成温湿度传感器作为温湿度检测元件,初步实现了温室大棚的自动化管理，大大降低了 工人的劳动强度。 1.2 设计背景设计背景 系统的一大特点是用户可以通过下位机中的键盘输入温湿度的上下限值和预置值， 也可以通过上位机对温湿度的上下限值和预置值进行输入，从而实现上位机对大棚内 作物生长的远程控制。系统下位机设在种植植物的大棚内，下位机中的温湿度传感器 可以将环境中的温湿度非电量参数转化成电量信号，再将这些信号进行处理后送至下 位机中的单片机，单片机读取数据

11、后将数据送到缓冲区内，通过 led 数码管进行实时 显示。同时与原先内部设定的参数值进行比较处理；单片机可以根据比较的结果对执 行机构发出相应的信号，并通过继电器的控制对相应的设备如喷水器、吹风机、加热 器、降温泵等进行操作，调节大棚内温湿度状态。用户直接通过键盘对温湿度的上下 限值和预置值进行设置后，如果环境的实时参数超越上下限值，系统自动启动执行机 构调节大棚内湿度和温度状态，直到温湿度状态处于上下限值以内为止。如果有预置 初值且与当前状态不相等时，系统也会启动执行机构动态调节温湿度状态，直到所处 的平衡状态与预置值相等为止。 5 2 2 设计方案简述设计方案简述 2.1 方案设计方案设计

12、 温湿度的测量模块 经过温湿度传感器 dht11 采集数据，再通过 qg8 单片机对其内部数字进行分析后， 将其数值送到 12864 液晶模块上进行显示，本系统可以设定温度范围 050 摄氏度，最 小区分度为一度，设定湿度范围为 20%-90%rh，最小区分度为 1%rh。其优点在于 dht11 1.湿温度传感器的一体化结构能相对的同时对相对湿度和温度进行测量 。 2.数字信号输出，从而减少用户信号的预处理负担。 3.单总线结构输出有效的节省用户控制器的i/o口资源。并且，不需要额外电器元件。 4.独特的单总数据传输线协议使得读取传感器的数据更加便捷。 5.全部校准。编码方式为8位二进制数。

13、6.40bit 二进制数据输出。其中湿度整数部分占1byte，小数部分1byte；温度整数部分 1byte，小数部分1byte。其中，湿度为高16位。最后1byte为校验和。 7.卓越的长期稳定性，超低功耗。 8.4引脚安装，超小尺寸。 9.各型号管脚完全可以互换。 2.22.2 方案设计方案设计 根据设计要求确定了系统的总体方案，整个系统由单片机、温湿度传感器、显示模 块、报警器、温湿度调节系统组成。用户预先输入温湿度报警值到程序中，该值作为 系统阈值。温湿度传感器监测值传输给单片机，当单片机比较监测到的数值超出所设 定阈值时，驱动蜂鸣器报警，并为温湿度调节系统提供控制信号，实现自动控制。

14、6 图 2-1 dht11 电路连接图 单片机发送一次开始信号后，dht11 从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始 信号结束后，dht11 发送响应信号，送出 40bit 的数据，并触发一次信号采集，如果没 有接收到单片机发送来的信号，dht11 不会主动进行温度采集，采集数据后转换到低速 模式。湿度测量范围 1%99%；最小进步为 1%； 3 3 设计部分设计部分 3.13.1 硬件设计硬件设计 单片机是整个系统的控制中枢，它指挥外围器件协调工作，从而完成特定的功能。 硬件实现上采用模块化设计，每一模块只实现一个特定功能，最后再将各个模块搭接 在一起。这种设计方法可以降低系统设计的复杂性

15、。系统电路原理图如图 2 所示。本 系统主要硬件设计包括电源电路、复位电路、lcd 显示电路以及温湿度传感器电路。 3.1.13.1.1mcs08qg8mcs08qg8 芯片芯片 7 图 3-1 mc9s08qg8 的 16 管脚分配 freescalefreescale 0808 系列发展简史及系列发展简史及 s08s08 系列系列 mcumcu 命名规则命名规则 目前，freescale 的 08 系列单片机主要有 hc08、hcs08 和 rs08 三种类型。 1999 年，hc08 面世-高性能 8 位单片机。2004 年，hcs08 诞生-资源丰富，功耗低， 性价比很高。2006 年

16、，rs08 涌现-内核体积比传统的内核小 30%，带有精简指令集， 满足用户对体积更小、更加经济高效的解决方案的需求 freescale s08 系列 mcu 的型号庞大，但同一系列的 cpu 是相同的，也就是说具有 相同的指令系统，多种型号只是为了适用于不同的场合。为了方便实际应用时选型， 需要了解 freescalemcu 的命名方法，其基本命名规则如下 产品状态 mcfully qualified （合格） pcproduct engineering (测试品) 存储器类型标志 8片内带 epprom 9-片内带 flash epprom 芯片内核 08hc08 s08 rs08 子系列

17、型号标志 aw qg gb dz jm 存储器大小 88kb 3232kb 6060kb 工作温度范围标志 “无”-0-70 c- -40-85 封装标志 pdip sd-ssop at89s52 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 xtal1 和 xtal2 分别为该反向放大器的输入端和输出端。这个反向放大器与作为反馈元件的片 8 外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。 外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容 c1、c2 接在放大器的反馈回路中构成并联振 荡电路。对外接电容 c1、c2 虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响 振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起

18、振的难易程度及温度稳定性。如果使用石 英晶体,电容应该使用 30pf。 还可以使用外部时钟。这种情况下,外部时钟脉冲接 xtal1 端,即内部时钟发生器 的输入端, xtal2 应悬空。 由于外部时钟信号是通过一个 2 分频触发器后作为内部时钟信号的,所以外部时钟 信号的占空比没有特殊要求,但最小高电平持续时间和最大低电平持续时间应符合产品 技术条件的要求。 3.1.23.1.2 液晶显示模块电路设计液晶显示模块电路设计 这部分设计液晶屏显示，包括显示温度、显示湿度以及设置温湿度上下限值。 lcd12864 内部提供 1282 字节的字符显示 ram 缓冲区（ddram） 。字符显示是通过 将

19、字符显示编码写入该字符显示 ram 实现的。根据写入内容的不同，可分别在液晶屏 上显示 cgrom（中文字库） 、hcgrom（ascii 码字库）及 cgram（自定义字形）的内容。 三种不同字符/字型的选择编码范围为：00000006h（其代码分别是 0000、0002、0004、0006 共 4 个）显示自定义字型，02h7fh 显示半宽 ascii 码字符， a1a0hf7ffh 显示 8192 种 gb2312 中文字库字形。字符显示 ram 在液晶模块中的地址 80h9fh。字符显示的 ram 的地址与 32 个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应 关系如下表 3 所示。 表 3

20、： 80h81h82h83h84h85h86h87h 90h91h92h93h94h95h96h97h 88h89h8ah8bh8ch8dh8eh8fh 98h99h9ah9bh9ch9dh9eh9fh lcd 通过 rs、r/w、e 构成的时序图实现数据的读与写，时序图如图 5-4、图 5-5 所示。 9 图 3-2 mpu 写资料到 st7920（8 位数据线模式） 图 3-3 mpu 从 st7920 读资料（8 位数据线模式） 模块控制芯片提供两套控制命令，基本指令和扩充指令如下表 4、表 5： 指令表 4：（re=0：基本指令） 指 指 令 码功 能 令 rsr/wd7d6d5d4d

21、3d2d1d0 清除 显示 0000000001 将ddram填满 20h,并且设定 ddram的地址计数器 (ac)到00h 地址 归位 000000001x 设定ddram的地址计数器 (ac)到 00h,并且将游标移到开头原点 位置;这个指令不改变 ddram 的内 容 显示状 态开/ 关 0000001dcb d=1: 整体显示 on c=1: 游标 on b=1:游标位置反白允许 进入点 设定 00000001i/ds 指定在数据的读取与写入时,设 定游标的移动方向及指定显示 的移位 游标或 显示移 位控制 000001s/c r/lxx 设定游标的移动与显示的移位 控制位;这个指令

22、不改变 ddram 的内容 功能 设定 00001dlxrexx dl=0/1：4/8 位数据 re=1: 扩充指令操作 re=0: 基本指令操作 设定 cgram 0001ac5 ac4 ac3 ac2 ac1 ac0设定 cgram 地址 10 地址 设定 ddram 地址 0010ac5 ac4 ac3 ac2 ac1 ac0 设定 ddram 地址（显示位址） 第一行：80h87h 第二行：90h97h 读取忙 标志和 地址 01bfac6 ac5 ac4 ac3 ac2 ac1 ac0 读取忙标志(bf)可以确认内部 动作是否完成,同时可以读出地 址计数器(ac)的值 写数据 到 r

23、am 10 数据将数据 d7d0 写入到内部的 ram (ddram/cgram/iram/gram) 读出 ram 的 值 11 数据从内部 ram 读取数据 d7d0 (ddram/cgram/iram/gram) 指令表 5：（re=1：扩充指令） 指 指 令 码功 能 令 rsr/wd7d6d5d4d3d2d1d0 待命 模式 0000000001 进入待命模式,执行其 他指令都棵终止 待命模式 卷动地址 开关开启 000000001sr sr=1：允许输入垂直卷 动地址 sr=0：允许输入iram和 cgram地址 反白 选择 00000001r1r0 选择 2 行中的任一行 作反白

24、显示，并可决 定反白与否。初始值 r1r000，第一次设 定为反白显示，再次 设定变回正常 睡眠 模式 0000001slxx sl=0：进入睡眠模式 sl=1：脱离睡眠模式 扩充 功能 设定 00001clxreg0 cl=0/1：4/8 位数据 re=1: 扩充指令操作 re=0: 基本指令操作 g=1/0：绘图开关 设定绘 图 ram 地址 001 0 ac6 0 ac5 0 ac4 ac3 ac3 ac2 ac2 ac1 ac1 ac0 ac0 设定绘图 ram 先设定垂直(列)地址 ac6ac5ac0 再设定水平(行)地址 ac3ac2ac1ac0 将以上 16 位地址连续 写入即可

25、 备注：当 ic1 在接受指令前,微处理器必须先确认其内部处于非忙碌状态,即读取 bf 标 志时,bf 需为零,方可接受新的指令;如果在送出一个指令前并不检查 bf 标志,那么在前 一个指令和这个指令中间必须延长一段较长的时间,即是等待前一个指令确实执行完成。 11 3.1.33.1.3 蜂鸣器模块电路蜂鸣器模块电路 1蜂鸣器的作用 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电， 广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、 定时器等电子产品中作发声器件。 2蜂鸣器的分类 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂 鸣器两种类型。 3蜂鸣器的电路图形符号 蜂鸣器

26、在电路中用字母“h”或 “ha”（旧标准用“fm”、 “lb”、 “jd”等）表示。 （如右图为蜂鸣器实 物图） 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组 成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构 成。当接通电源后（1.515v 直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出 1.52.5khz 的音 频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶 瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈 钢片粘在一起。 图 3-5 蜂鸣器部分电路 图 3-4 蜂鸣器 12 3.1.43.1.4

27、 dht11dht11 温度湿度传感器电路设计温度湿度传感器电路设计 图 3-6 dht11 电路连接图 图 3-7 dht11 实物图 1、 电源引脚 dht11 的供电电压为35.5v。传感器上电后，要等待 1s 以越过不稳定状态在 此期间无需发送任何指令。电源引脚（vcc，gnd）之间可增加一个电容，用以去耦滤 波。 2、串行接口 (单线双向) data 用于微处理器与 dht11 之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时 间 4ms 左右,数据分小数部分和整数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后 扩展,现读出为零.操作流程如下:一次完整的数据传输为 40bit,高位先

28、出。数据格式: 8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bi 温度整数数据+8bit 温度小数数据 +8bit 校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bi 温度整数数据+8bit 温度小数数据”所得结果的末 8 位。 用户 mcu 发送一次开始信号后,dht11 从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始 信号结束后,dht11 发送响应信号,送出 40bit 的数据,并触发一次信号采集,用户可选择 读取部分数据.从模式下,dht11 接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到 主机发送开始信号,dht11 不会主动进行温湿度采集.

29、采集数据后转换到低速模式。 图 3-8 dht11 内部通讯过程 13 总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待 dht11 响应,主机把总线拉低必须大于 18 毫秒,保证 dht11 能检测到起始信号。dht11 接收到主机的开始信号后,等待主机开 始信号结束,然后发送 80us 低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待 20- 40us 后, 读取 dht11 的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式,或者输出 高电平均可, 总线由上拉电阻拉高。 图 3-9 dht11 数据准备传送过程 总线为低电平,说明 dht11 发送响应信号,dht11 发送响应信号后,再把总线拉

30、高 80us,准备发送数据,每一 bit 数据都以 50us 低电平时隙开始,高电平的长短定了数据 位是 0 还是 1.格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平,则 dht11 没有响应,请检查 线路是否连接正常.当最后一 bit 数据传送完毕后，dht11 拉低总线 50us,随后总线由 上拉电阻拉高进入空闲状态。 图 3-10 数字 0 信号表示方法. 14 图 3-11 数字 1 信号表示方法. 3.23.2 软件设计软件设计 3.2.13.2.1 系统软件设计说明系统软件设计说明 进行测量控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个 测量对象的实际需要设计应用程序。因

31、此，软件设计在微机测量控制系统设计中占重 要地位。对于本系统，软件设计更为重要。 在单片机测量控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数 据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按 一定的方法进行计算，然后再输出，以便达到测量控制目的。 本软件设计主要是对距离进行测量、显示。因此，整个软件可分为按照硬件电路 对单片机位定义；温湿度设置子程序；温湿度接收子程序；显示子程序；延时子程序 等。 3.2.23.2.2 编程语言的选择编程语言的选择 本设计是硬件电路和软件编程相结合的设计方案，选择合适的编程语言是一个重 要的环节。在单片机的应用系统程序设计

32、时，常用的是汇编语言和 c 语言。汇编语言 是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器码的一种语言。其主 要优点是占用资源少、程序执行效率高,而且执行速度快。但是不同的 cpu，其汇编语 言可能有所差异，即依赖于计算机硬件，程序可读性和可移植性比较差。 c 语言是编译型程序设计语言，兼顾高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。c 语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化 程序设计技术。此外，c 语言程序具有完善的模块程序结构。c 语言执行效率没有汇编 语言高，但语言简洁，使用方便，灵活，运算丰富，表达化类型多样化，数据结构类 型丰富，具有结构化的控

33、制语句，程序设计自由度大，有很好的可重用性，可移植性 等特点。基于 c 语言的众多优点本设计选择此语言来编程。 15 3.2.33.2.3 主程序流程图主程序流程图 软件分为两部分，主程序和中断服务程序。主程序完成初始化工作、温湿度数据 接收处理控制。外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出 等工作。 开 始 设置温湿度 的上下限 设置参数键是否按 下？ dht11 测试当前 环境的温湿度 液晶屏显示测量 到的温湿度数据 结 束 n y 16 图 3-12 主程序流程图 图 3-13 设置温湿度内部流程 图 3-14 显示温湿度内部流程 系统延时等待初 始化 dth11 测

34、试环境 中的温湿度 单片机处理这些 数据 液晶屏显示数据 系统延时等待初 始化 用户设置温湿度 器的上下限 单片机处理用户 所设的数据 液晶屏显示用户 设置的数据 17 3.2.33.2.3 系统的软硬件的调试系统的软硬件的调试 硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据 实际情况可以修改温度和湿度的上限值和下限值，以达到监控的作用。根据所设计的 电路参数和程序，温湿度测量仪的温度测量范围为 0-50 摄氏度，温度测量的最大误差 不超过2 摄氏度；湿度的测量范围为 20%-90%rh，湿度测量的最大误差不超过 5%rh。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验

35、分析，不断优化系统 使其达到实际使用的测量要求。 4 4 设计结果及分析设计结果及分析 设计的最终结果是使温湿度测量仪测量并且显示温度，实现温湿度数据的发送与接 收，从而实现利用温湿度传感器进行测量，以数字的形式显示测量数据。 它的硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、系统电源、温度与湿度传感器 电路四部分。单片机采用 mc9s08qg8，单片机用 p0 口和 p2 口用来驱动液晶显示屏目显 示和设置温湿度的相关数据。显示电路采用简单实用的 12864 液晶显示屏，单片机的 数据口直接驱动。实现测量，并且在液晶上显示温度和湿度。 温湿度测量仪的软件设计主要由主程序、温度和湿度的传送程序以及显示子程序 组成。测量仪通过温湿度传感器采集到数据，送到单片机中进行数据处理，然后送到 液晶显示屏中显示。用户还可以通过液晶屏自行设置温湿度的上下限的值，待设置完 之后按下确定按键后，送往单片机中处理，超过上限或者低于下限给予相应的报警。 经过实验表明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，实验结果 完全符合预期要求。 18 5 5 总结总结 课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践 能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的 日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得