1、本 科 毕 业 设 计工厂环境智能监测系统所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要衡量农业、现代工业成功的基本原则是:有效的生产管理，高生产力以及改良的产品质量。要实现以上几点，传统的技术方法不再满足要求，因此采用新的，改良的温室、工厂环境监测控制技术是十分必要的。近年来，我国在这方面也了较大的发展。例如：温室面积不断增大，但目前我国的温室大棚多由人工依靠经验进行管理或以单片机控制的单参数单回路的较多，自动化程度不高，效率低下。从 80 年代起我国开始从国外引进现代化温室，通过消化、吸收与技术创新，取得一批重大科技成果，有力地推动了我国工厂
2、化农业的发展。环境测控系统的设计方法虽然不尽相同，但最终目的是通过对环境因素的监测控制，为工厂作业、生产、作物生长造出适宜的环境。本课程设计叙述了智能环境监测的设计，根据系统的功能需要，本着节约开发成本、增加系统可扩展性、提高系统可靠性、降低系统功耗的原则进行温湿度监测系统的硬件设计。本系统采用单片机 P89LPC930 作为整个系统的核心，利用单片机现有的接口组织外围硬件模块。为了减少系统面积，降低系统功耗，对于温度测量模块和湿度测量模块都需要进行筛选，选择美国 DALLAS 公司的一款可编程单总线数字式温度传感器 DS18B20 进行温度采集、法国 Humirel 公司推出的一款电容式相对
3、湿度传感器HS1101 接震荡电路实现湿度的测量、规格为 82（每行显示 8 个字符，共 2 行）的字符型LCM 作为 LCD 显示模块、采用 RS485 总线作为与其他设备通信的接口。以上系统不仅操作简单, 成本低，测温准确, 省时省力, 而且运行可靠, 抗干扰能力强。利用已有资源组织外围电路，系统具有可扩展性、外接其他传感器，并添加或修改相应的软件控制程序，就可以实现更多环境参数的参数的测量，也可以将这些系统应用在环境保护、控制、农业生产，以及军事等方面。 关键词：单片机；DS18B20 ；HS1101IIAbstractmeasure agriculture, the basic pri
4、nciples of modern industrial success is: effective production management, high productivity and improve product quality. To achieve all of the above, the traditional technology and methods is no longer meet the requirements, so adopt new, improved greenhouse, factory environment monitoring control t
5、echnology is very necessary. In recent years, our country in this respect is larger development. For example: greenhouse area in China at present, but increasing greenhouse shed much by artificially depend on experience with single-chip microcomputer control management or the single parameter single
6、 loop more, automation degree is not high, low efficiency. From the 1980s it China began to imported from abroad modernized greenhouse, through digestion and absorption and technology innovation, make a number of major scientific and technological achievement, has vigorously promoted the development
7、 of our factory farming.environment of measurement and control system design method is different, but final aim of environmental factors is through the monitoring control for factory operations, production, crop growth create suitable environment. This course design describes the design of intellige
8、nt environmental monitoring, according to the systems function need, in line with saving development costs, increase system scalability, improve the system reliability, reduce the system on the basis of temperature and humidity power monitoring system of hardware design. This system USES the monolit
9、hic P89LPC930 as the core of the whole system, the existing microcontroller hardware modules. Interface organization peripheral In order to reduce system area, reduce the power consumption, temperature measurement system for modules and humidity sensor module should be screened, the choice is one of
10、 DALLAS company American programmable digital temperature sensor DS18B20 single bus temperature gathering, France Humirel company launched one of capacitive relative humidity sensors pick concussion circuit implementation HS1101 moisture measurement, specifications for 82 (each line display 8 charac
11、ters, the characters of type 2) LCD module, as LCM by RS485 bus as with other equipment communication interface. Above system not only simple operation, low cost, temperature measurement accuracy, saves time and effort, and reliable operation, strong anti-jamming capability. Using existing resources
12、 organization peripheral circuit, the system has the extendibility, external other sensors, and add or modify the corresponding software control procedure, can achieve more environmental parameters in parameter measurement, also can use these systems used in environmental protection, control, agricu
13、ltural production, and military, etc.Keyword: singlechip；DS18B20；HS1101III目 录第 1 章 绪论 .11.1 选题背景、意义 .11.2 设计过程及工艺要求 .1第 2 章 系统整体设计方案 .22.1 环境监测系统整体结构 .22.2 系统硬件整体设计方案 .22.3 系统软件整体设计方案 .3第 3 章 硬件设计 .43.1 微控制器模块 .43.2 温度测量模块 .63.3 湿度测量模块 .93.4 LCD 显示模块 .123.5 通信模块 .15第 4 章 软件设计 .184.1 温度测量软件 .184.2 湿度
14、测量软件 .224.3 LCD 显示软件 .23小结 .24参考文献 .25附录 1 系统硬件电路原理图 .26附录 2 系统软件程序流程图 .27附录 3 系统设计源程序 .281第 1 章 绪论 1.1 选题背景、意义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，其系统设计也较为复杂、涉及面较广，包括自动化监测技术、过程控制技术、通信技术等。环境监测系统主要涉及一些信息的采集、显示与传输，由于应用场合的不同，环境监测的采集对象也有所不同。但是一般来说，对温度和湿度的采集必不可少；比如一个粮食仓库环境监测系统，温度和湿度值是两个重要的显示和分析指标，因为根据国家粮食保护法规定，必须
15、定期抽样检查粮库各点的粮食温度和湿度，以便及时采取相应的措施。传统的粮仓温度、湿度测量都是由人工完成的，由于监测分站比较分散，传统的温度测量方式周期长、成本较高，而且测量员必须到现场进行测量，因此工作效率非常低，且不便于管理。采用先进的技术监测这些环境因子，通过自动监测系统进行环境控制，降低生产成本，呈越来越流行的趋势。温度和湿度是十分重要的物理量，对他们的测量与控制有十分重要的意义。随着现代工农业技术的发展及人们对生活环境要求的提高，人们也迫切需要检测与控制这对物理量。在人们的环境中，温度，湿度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度，湿度打着交道。在冶金、钢
16、铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎 80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。温度、湿度对于工业如此重要，由此推进了温度、湿度传感器。本设计叙述了智能温度计的设计，包括硬件的组成和软件的设计，该系统在硬件设计上主要是通过温度、湿度传感器对温度、湿度进行采集、把温度湿度转换成变化的电压，然后由放大器将信号放大，通过 A/D 转换器。其硬件设计中最为 核心的器件是单片机 P89LPC930，它一方面控制 A/D 转化器，实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字温度、湿度电压值经计算机处理得到相应的值，送到 LED 显示器，以数字形式显示测量的温度。1.2 设计过程及工艺要
17、求整个的环境监测系统一般说来是一个大型的系统，其涉及的技术有底层的下位机开发，还包括上层上位机开发的数据库存储、图形显示界面。而本设计谈及的环境监测都是针对下位机的设计的，需要实现两种参量的测量、显示等。系统具体功能需求如下所述： 实现温度的采集，分辨率为 0.5； 实现湿度的采集，误差不大于3%RH； 实现两个测量值的本地显示； 能将采集的测量值通过通信接口转送到上位机； 操作简单，使用方便。2第 2 章 系统整体设计方案2.1 环境监测系统整体结构环境监控系统整体结构如图 2.1 所示。由单片机和传感器组成的下位机中的温度湿度监测就是本设计所要实现的。下位机要完成温湿度采集与处理，并通过总
18、线与中间机进行数据传递。中间机主要负责对下位机的控制，实现多点循环环境数据采集，并对其进行处理，将数据发送到上位机。中间机和下位机之间的通信采用 RS485 总线接口。用户设定上位机，使上位机按照设定向中间机发出读取温、湿度数据的指令，然后接收下位机上传所需的数据并显示。图 2.1 环境监测系统框图2.2 系统硬件整体设计方案整体温湿度监测系统的设计方案包括硬件设计方案和软件设计方案。硬件设计的核心是单片机，外接一系列所需的外围电路，如电源、晶振、复位电路、振荡电路、显示电路等。具体设计方案如图 2.2 所示。本系统采用的单片机是飞利浦公司的 P89LPC930。在该单片机外围添加外围各种所需
19、模块。为了使系统面积小，功耗低，对温度传感器和湿度传感器进行筛选，最终选择美国DALLAS 公司的一款可编程单总线数字式温度传感器 DS18B20 实现温度检测和法国 Humirel公司推出的一款电容式相对湿度传感器接震荡电路实现湿度的测量、通信收发器芯片选用的是 Mxami 公司的 MAX487，采用 RS485 总线作为与其他设备通信的接口，最后显示模块的选择为规格是 8 乘 2 的字符型 LCM。以上所选硬件选择已满足功能需要，而且开发成本、扩展性强、可靠性高、功耗低。3图 2.2 系统硬件框图2.3 系统软件整体设计方案系统软件整体设计流程图如图 2.3 所示。系统通电后，实现对各器件
20、进行初始化，然后开始进行温度测量、湿度测量，进而显示温度和湿度值并进行数据的传送。本系统的主函数较为简单，主要是每个模块的软件实现。图 2.3 系统软件框图4第 3 章 硬件设计3.1 微控制器模块本系统采用 P89LPC930 作为核心控制器，它是一款单片封装的微控制器，适合许多要求高集成度、低成本的场合，可以满足多方面的性能要求。P89LPC930 采用了高性能的处理器结构，指令执行时间只需 24 个时钟周期，6 倍于 80C51 器件。P89LPC930 集成了许多系统级的，这样可大大减少元件的数目和电路板面积并降低系统的成本。其主要特征如下：（1）参考源和输入均可选择的 2 个模拟比较
21、器。（2）4KB/8KB Flash 字符可擦出程序存储器，具有 1KB 扇区和 64B 页规格。（3）28 脚 TSSOP 封装。（4）Flash 编程操作、擦除操作执行时间均小于 2ms。（5）当选择片内震荡器及其复位时，该单片机只需接地，连接电源。（6）系统定时器可选择为实时时钟。（7）两个 16 位定时/计时器的溢出均可设置相应端口的触发或选择 PWM 的输出。（8）VDD 操作电压范围为 2.43.6V。I/O 口可承受 5V（可上拉或驱动到 5.5V)。（9）当选择片内震荡器及其复位时，该单片机只需接地，连接电源。（10）I 2C 通信端口具有 400KHz 字节宽度。（11）最少
22、 23 个 I/O 口（28 脚封装） ，最多 26 个 I/O（选择片内震荡和片内复位） 。 。（12）用户可选择片内振荡器或 RC 振荡器（通过用户可编程 Flash 配置选择） 。当用户选择无需外接振荡器的 RC 振荡器（出厂校正为1%）时，其频率的调节有很好的效果。振荡器频率选项范围为 20KHz18KHz。（13）中断优先等级分四级。（14）由于片内独立振荡器，看门狗定时器无需外接元件。且有 8 种溢出时间的选择。（15）用户还可选择软件复位和硬件复位，硬件复位信号为低电平，当复位选择片内上电复 位无需外接元件，虚假和不完全的复位可由复位计数器和复位干扰抑制电路防止。（16）通用异步
23、接收器/发送器有波特率发生器 ,同时有间隔监测、帧错误监测等功能（17）可编程端口输出模式，包括： 准双向口； 开漏输出； 推挽输出； 仅为输入；（18）所有口线均有 LED 驱动能力（20mA） 。最大综合 I/O 口电流为 100mA。（19）三线的同步串行外围接口（Serial PeripheralInterface） 。（20）256B AM 数据存储器。（21）两个外部中断、八个键盘中断的输入。（22）字符擦除特征允许程序存储器用作数据存储器5图 3.1 P89LPC930 引脚图 由以上 P89LPC930 的介绍可以看出，它是一款功能强大的单片机，而在本系统中却只用到了单片机最基
24、本的功能。之所以选择此款单片机，最主要是从可扩展性考虑，温、湿的检测是环境监测的其中一部分。在本实例的基础上，利用此单片机的强大功能，再外接多种传感器实现环境的其他参量的监测。微控制器 P89LPC930 的连接原理图为如图 3.2 所示。P89LPC930 采用外部晶振，频率为 11.0592MHz。如果要使用其内部的晶振，用户只需在软件上设定，发光二级管为电池工作指示灯；P1.2 与湿度测量模，P0 口和 P2 口控制、驱动 LCM 模块，具体分配如下：P0.0连接输入寄存器选择端、P0.1 连接使能端、P0.2 连接读写控制选择端、P0.3 连接对比度调整端。P2 口与 LCD 的 8
25、根数据线相连；P1.0 为串行数据发送端、P1.1 为串行数据发送端，分别与通信模块的输入输出端相连，P1.7 与 RS485 的接收器输出使能端相连。 P1.6 与温度传感器直接相连。图 3.2 微控制器连接图63.2 温度测量模块温度的采集是整个系统的重点也是难点，在众多的环境监测中，温敏元件由于成本低而用的较多，但后续电路复杂，输出的模拟信号较弱，需要进行放大后再通过 A/D 转换电路得到温度值，不仅复杂。而且提高了系统的功耗，降低了整个系统的性能。所以，本系统采用美国 DALLAS 公司的一款可编程单总线数字式温度传感器 DS18B20 进行温度采集。DS18B20 数字式温度传感器可
26、以将测量到的温度结果以串行数字信号输出，易于为控制器连接。DS18B20 出厂时都刻有唯一的一个 64 位序列号并存入其 ROM 中，所以可以在一根总线上挂多个 DS18B20，这样就可以很方便地构成单线多点温度测量系统，从而节省大量的引线和逻辑电路。图 3.3 DS18B20 内部结构图DS18B20 内部结构框图见图 3-4 所示，DS18B20 的主要数据部件： （1）光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该 DS18B20 的地址序列码，这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的。（2）DS18B20 中的暂储存器的头两个字节表示测得的温度值数
27、据格式如表 3-1。表 3.1 DS18B20 温度值格式表Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Bit3 Bit2 Bit1 Bit0LS Byte 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit9 Bit8MS Byte S S S S S S S S当 S=0 时表示测得的温度为正，实际温度等于测得的数值乘于 0.0625；如果温度小于0，当 S=1 时表示测得的温度为负，实际温度等于测得数值反加 1 再乘于 0.0625。（3）暂储存器的第 3、第 4，两个字节是一个非易失性的可电擦除的 EEPRAM,用户可自设定非易失性温度报警上下限值 TH 和 TL。DS18B20 在完成温度变换后, 所测温度值将自动与贮
