1、翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵温、湿度控制系统设计说明书 1 前言1.1 翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵温、湿度控制系统的发展防潮通风等对温湿度的基本控制是仓库日常工作的重要内容，用来衡量仓库管理水平的重要指标。这直接关系到储备物资的使用寿命以及工作可靠性。为保证其日常工作的顺利开展，首要问题就在于加强关注仓库内温湿度的检测工作。因此我们需要一种使用方便并且测量准确的温湿度测控系统。 以往传统的检测方法是用温度计、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试工具，通过人工进行逐项检测，对超过设定温湿度范围的仓库进行通风、除湿和升降温等工作。像这种简单的人工测试方法费时费力然而效率又比较低，此外测试的温湿度误
2、差比较大，随机性也比较大。目前，我们国家大中型的库房在仓库管理中由于技术和资金上等多方面的原因，大多数还仅限于只对温度实施监测，当温度超过设定的范围时进行通风或者翻仓，有时处理不及时或者由于人工设备条件有限仍会造成极大损失。此外仓库温度的升高主要还有可能是湿度引起的，仓库储藏物本身的水分过高或连续的高湿天气加上通风条件较差将导致储藏物发霉变质等一系列不必要的损失。诸如此类的恶性循环一旦形成很难再对其进行有效控制和管理。特别是在一些仓库的管理上，对温湿度的综合检测尤为重要，因此，仓库在进行温度监测的同时，必须重视对空气湿度的检测，以利于提前采取有效措施控制仓库储藏物霉变。本次所设计的温湿度智能检
3、测控制系统是基于 AT89C52 单片机和上位机为控制核心，结合传感器、通讯和数字电子电路技术，实现了温度和湿度检测与仓库温湿度的有效检测报警，降低经济损失和劳动强度。 温湿度传感器在工农业生产、气象、环保、医学等领域都得到越来越广泛的应用。1.2 设计的主要内容综上所述，设计一个简易的翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵温、湿度控制系统，旨在设计方便全面的检测仓库温湿度控制系统，来达到保持仓库内温湿度在一个精准范围的目的。系统使用单片机配合上位机根据设定温湿度范围对当前温湿度进行检测控制，实现温湿度的显示报警和调节。此次设计应该达到以下几点要求：1.具有实时检测温湿度并显示的功能。2.具有可以设定温湿度
4、范围和报警功能。3.配合上位机进行实时传输实时调控的功能。翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵温、湿度控制系统设计说明书 2 总体方案设计2.1 方案论证2.1.1 方案一在方案一中，利用了 DS18B20 作为温度传感器，利用了湿敏电容 HS1101和 555 定时器组成的多谐振荡器作为湿度传感电路，采用了实时温湿度和设定温湿度范围同液晶屏同上位机显示，利用简单按键和上位机虚拟仪器按键都能对设定温湿度的范围进行调节，当温湿度超出所设定的温湿度范围时各子单片机将报警并控制外部设备进行调节。方案硬件结构框图如图 2.1 所示。PC 机（主机）at89c52 单片机模块（子机 0）温度传感模块（DS18B20
5、）外设模块湿度传感模块（HS1101）声光报警模块液晶显示模块图 2.1 方案一硬件结构框图2.1.1 方案二在方案二中，采用了温度传感器 AD590 对环境进行测温，再由 AD0809 进行模数转换，其他部分与方案一相同。方案硬件结构框图如图 2.2 所示。翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵温、湿度控制系统设计说明书 PC 机（主机）at89c52 单片机模块（子机 0）温度传感模块（AD590）外设模块湿度传感模块（HS1101）声光报警模块数模转换模块AD0809液晶显示模块图 2.2 方案二硬件结构框图2.2 方案比较经过理论分析和实际测试，发现两种方案都可以实现相同的功能。在方案一中，温度传感
6、器 DS18B20 将温度信号直接输入单片机，单片机将实际温度与设定温度范围相比较，当温度温度超出设定范围进行报警并操作外设进行调控。而在方案二中，温度传感器 AD590 将检测到的温度信号经过模数转换器AD0809 转换，然后输入给单片机 AT89C52，其也具有显示实时温度并监控报警的功能。2.3 方案选择在方案二中，采用 “AD590+AD0809”的温度检测模块，使得检测效率没有直接输出数值信号的 DB18B20 温度传感器高，精度不如 DS18B20 高，实际成本也高于 DS18B20。而在方案一中，实现了对于温度的精确设定，可以精确到一摄氏度。综上所述，从电路设计的难易程度，成本和
7、人性化等方面看，方案一明显优于方案二，所以我选择了方案一作为自己的设计方案。翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵温、湿度控制系统设计说明书 3 单元模块设计3.1 单元模块功能及电路设计3.1.1 单片机最小系统模块一个典型的单片机最小系统一般由时钟电路，复位电路，外部扩展接口等部分组成。如图 3.1 所示为本系统单片机最小系统。 EA/VP1X928RSTD.7W6IN045LCpFMhzuK_图 3.1 单片机最小系统时钟源电路：单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚 XTAL1 和 XTAL2 间跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，结构如图 3.1 中 C1，C2，C3
8、。根据情况可以选择 12MHz 或 24MHz 等频率的石英晶体，本系统为了使得串口通信时比较容易分频成常见的标准波特率，我选择了 11.0592MHz 的石英晶体，而补偿电容通常选择 10 到 30pF 左右的电容。复位电路：本单片机最小系统采用手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。复位是完成单片机内电路的初始化，使单片机从一种确定的状态开始工作。单片机的复位引脚 RST 保持两个时钟周期的高电平将使单片机复位，复位后片内各寄存器的状态如表 3.1 所示。表 3.1 复位后片内各寄存器的状态专用寄存器 复位状态 专用寄存器 复位状态PC 0000H T
9、MOD 00HACC 00H TCON OOHB 00H TH0 00H翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵温、湿度控制系统设计说明书 PSW 00H TL0 00HSP 07H TH1 00HDPTR 0000H TL1 00HP0-P3 0FFH SCON 00HIP XXX0 0000B SBUF XXXX XXXXBIE 0XX0 0000B PCON 0XXX 0000B注：X 代表随机状态另外，在复位有效期间（即高电平） ，单片机的 ALE 引脚为高电平，且内部 RAM 不受复位的影响。3.1.2 湿度传感模块把 HS1101 和 555 定时器同时接入电路中构成多谐振荡器的电路设计原理图如图
10、 3.2 所示。J 1 1C 4H S 1 1 0 1R 45 7 KR 31 KR 56 2 0 KR 61 MGND1T K2O U T3R4C L5T R6T C7VCC8I C 3N E 5 5 5G N DP 3 _ 5V C C图 3.2 湿度传感模块电路NE555 电路功能的简单概括为:当 6 端和 2 端同时输入为 “1”时,3 端输出为“0” ；当 6 端和 2 端同时输入为“0”时，3 端的输出为“1” 。在本电路，555 定时器就是根据这一功能用做多稳态触发器并输出频率信号的。 在电源接通时，由于 6 端和 2 端的输入为“0” ，则定时器 3 脚输出为“1” ；又由于
11、C1 两端的电压为 0，故 Vcc 通过 R4 和 R5 对 C1 充电，当 C1 两端的电压达到2ccV/3 时，定时电路翻转，输出变为“0” 。该时刻 555 定时器内部的放电 BJT的基极电压为“1” ，放电 BJT 导通，从而使湿敏电容 C4 通过 R5 和内部的放电 BJT 进行放电，当 C4 两端的电压降到 ccV/3 时，定时器再次翻转，让输出变为“1” ，内部的放电 BJT 截止，VCC 又开始通过 R4 和 R5 对 C4 充电，如此往复，形成振荡，成为一个典型的多谐振荡器即方波发生器。R3 是防止输出短路的保护电阻，R6 用于平衡温度系数。其工作循环中的充电时间为hT=0.
12、7(R4+R5)C4；放电时间为 1T = 0.7R3*C4；因而，输出的方波频率为：翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵温、湿度控制系统设计说明书 f=1/(hT+1T)=1/0.7C4(R4+R5),输出脉冲占空比为 q =(R4+R5)/(R4+2R5)，为了让输出的脉冲占空比大约为 50，R4 应该远小于 R5。而外界的湿度变化时，HS1101 电容值发生变化，继而改变该电路的输出频率。所以只要能测出该部分电路的输出频率，根据湿度和输出频率之间的关系，便可求得环境的湿度。如表 3.2 为空气湿度与电压频率的典型值。表 3.2 空气湿度与电压频率的典型值湿度 频率 湿度 频率%RH Hz %RH H
13、z0 7351 60 660010 7224 70 646820 7100 80 633030 6976 90 618640 6853 100 603350 67283.1.3 温度传感模块单片机的 P1.7 口和 DS18B20 的引脚 DQ 连接，作为单一数据线。本设计虽然只使用了一片 DS18B20，但由于不存在温度测量与子单片机距离远的考虑，所以为了简单起见，采用外部供电的方式，如下图 3.3 所示。测温电缆采用屏蔽 4 芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一对接 VCC 和地线，屏蔽层在电源端单点接地。 GND1Q2VC3*S8B.7KRP_图 3.3 温度传感器模块结构图3.1.
14、4 单片机与上位机串口通信模块AT89C52 单片机内部含有一个可编程全双工串行通信接口。其接口的电路不但能同时进行数据的接收和发送，还可以作为一个同步的移位寄存器来使用。在进行异步的通信时，数据的接收和发送分别在各自的时钟（TCLK 和RCLK）控制下进行的，但是他们都必须与字符位数的波特率保持一致。MCS-51 串行口的接收和发送时钟可由两种方式产生，一种是由主机频率的晶振频率经过分频后产生，另一种方式则由内部的定时器 T1 或者 T2 的溢出频率经过 16分频以后提供。翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵温、湿度控制系统设计说明书 由于上位机上只有传统的 9 针 D 型串口，要和多个下位机节点组成数
15、据通信网络，需要将 RS-232 通信协议转换， RS-485 协议方式，需要用到 MAX232和 MAX485 芯片各一块，其电路原理图如图 3.4 所示。串行口在发送过程用一条写发送缓冲器的指令把数据（字符）写入到串行口的发送缓冲器 SBUF（发）中，再通过硬件电路自动在该字符的始末加上起始位（低电平） 、停止位（高电平）及其他另外的控制位（奇偶位等） ，之后在移位脉冲 SHIFT 的控制下，低位在前，高位在后，从 TXD 端（方式 0 除外）一位一位的向外发送。串行口的接收与否受制于允许接收位 REN 的状态，若 REN 被置“1” ，允许接收器的接收。接收端 RXD 一位一位地接收数据
16、，直到接收到一个完整的字符数据以后，控制电路进行最后一次的移位，自动删除掉起始位，让接收的中断标志 RI 置“1” ，同时向 CPU 申请中断。TI 和 RI 是由硬件置位的，但需要用软件复位。 ROEIGNABVCU5MX4832T+-67JSZKP.?es图 3.4 单片机串口连接电路RS-232-485 转换电路主要涵盖了电源、RS-232 电平转换、RS-485 电平转换三个部分。此电路的 RS-232 电平转换电路运用了很常见的 MAX232 集成电路，而 RS-485 电平转换电路则采用了 MAX485 集成电路。为了方便，电源部分被设计成了无源的方式，整个部分的电路供电直接从 P
17、C 机的 RS232 接口中的DTR（4 脚）和 RTS（7 脚）取出。PC 串口每条线大约可以提供 9mA 电流，所以两条线供给的电流也就足以供给本块电路使用。经实验，电路仅用一条线就已经能正常工作。使用该电路要注意 PC 的程序必需让串口的 DTR 和 RTS 输出高电平，经过 Z1 稳压后得到 VCC，经过实际测试，VCC 电压大约在 4.9V左右。因此，电路中要说 Z1 起的作用是稳压和限压功能。翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵温、湿度控制系统设计说明书 AT89C52 的内部 RAM 只有 256 字节，不能存储太多的数据包；其次，单片机的外接晶振选用 11.0592MHz，片内 CPU 的
18、速度不理想，控制多个时钟，CPU 资源消耗太多，会大大降低系统性能。因此，取消了停止等待协议有发送窗口这一机制，而采用发送一个数据包就等待当前数据包的确认包，超时再发。从机通信协议如下：置 SM2=1，接收主机发来的地址，若不符合本机地址，则返回；若符合本机地址，则回送本机地址作为响应。关串口中断，置 SM2=0 准备接收命令。接收到主机发来的命令，先判断，若不是合法命令则置 SM2=1 并返回；若为合法命令则继续。将命令分类，若为 0x00 则发送本机接收就绪信号转（5） ，若为 0x01 则发送本机发送就绪信号转（4） 。发送数据，等待发送结束，转到（6） 。接收数据，等待接收完成。接收主
19、机号，发送收发长度，等待主机的响应。收到主机发来的响应后，做些处理后，返回置 SM2=1,开串口中断。从机状态字如下表：表 3.3 从机状态字ERR 0 0 0 0 0 TRDY RRDYERR 0 时为合法命令，ERR1 时为非法命令；TRDY 0 时表示从机发送未就绪，TRDY1 表示从机发送就绪。RRDY 0 表示从机接收未就绪；RRDY=1 表示从机接收已经就绪。单片机串口的四种工作方式：方式 0：同步移位寄存器方式，他的波特率为固定振荡频率 fosc 的 1/12。在此工作方式下，接收和发送的串行数据都要通过 RXD（P3.0）进行，从TXD（ P3.1）输出移位脉冲，控制外部的移位
20、寄存器移位。1 帧信息为 8 位，没有起始和停止位。方式 1：8 位 UART，1 帧的信息为 10 位，其中一位起始位 “0”、八位数据位（先低位后高位）和一个停止位“1” ，波特率可以改变，通过定时器 1 的溢出率计算。方式 2：9 位 UART，1 帧信息为 11 位，其中一位起始位 “0”、八位数据位（先低位后高位） ，一位控制位（第九位）和一个停止位“1” 。波特率是振荡频率的 1/64 或 1/32方式 3：9 位 UART，1 帧信息为 11 位，其中一位起始位 “0”、八位数据位（先低位后高位） ，一位控制位（第九位）和一个停止位“1” 。波特率可以改变，根据定时器 1 的溢出
21、率计算。翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵温、湿度控制系统设计说明书 附加的第 9 位数据为 SCON 中的 TB8 的值，它由软件置位或清零，可作为多机通信中地址/数据信息的标志位，也可作为数据的奇偶校验位。单片机的串行通信传输方式有三种：单工制式、半双工制式和全双工制式。3.1.5 按键控制模块采用独立按键接口，这种方式是各种按键相互独立，每个按键接一根输入线，一根输入线按键的工作状态不会影响到其他的输入线上的工作状态。所以，检测输入线上的电平状态就可以很轻易的判断哪个按键按下。独立方式按键的电路设置灵活，软件简单。但每个按键要占用一条的输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，
22、故此种键盘用于按键比较少的场合。独立方式按键电路按键直接与单片机的 I/O 口连接，通过读 I/O 口，判定每个 I/O 口电平状态，即可识别按下的键如图 3.5。P2_736KsetadubGND图 3.5 单片机按键电路K 键，按此键系进入设定温度模式的按键。K2 键，按此键系上调设定温度的按键。K3 键，按此键系下调设定温度的按键。3.1.6 声光报警模块本设计采用峰鸣器报警电路，其工作过程就是把传感器采集的数据通过单片机处理后，与该参数上下限给定温湿度值进行比较，如果高于上限温湿度值（或低于下限温湿度值）则进行报警，否则就作为采样的正常值进行显示。 在本系统中通过 AT89C52 的
23、P2.6 口控制导线经驱动器驱动蜂鸣音发声。蜂鸣器大约需 10mA 的驱动电流，即可用一个晶体三极管来驱动，如下图 3.6 所示。在该图中，P2.6 接晶体管的基极输入端。当 P2.6 输出低电平“0”时，晶体管导通，蜂鸣器的两端获得大约+5V 电压而鸣叫；而当 P2.6 输出高电平“1”时，三极管截止，蜂鸣器便停止发声。液晶显示电路正常显示表示正常工作。翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵温、湿度控制系统设计说明书 P2_6R10KDLEQNSG9VC图 3.6 声光报警电路3.1.7 直流稳压电源模块本设计采用三端式稳压集成元件 LM7809 和 LM7805 构成的电源电压输出串联型稳压电源的实验电
24、路图如图 3.7 所示，用以给单片机，继电器和蜂鸣器等供电。其滤波电容 C17、C15 一般选取几百几千微法。当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器 C14（数值为 470F ） ，以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。输出端电容 C16(2200F)用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。2 2 0 V 交流输入V D DC 1 72 2 0 0 u fC 1 62 2 0 0 u f1 32V VG N DI NO U TU 9L M 7 8 0 5C 1 44 7 0 u f C 1 54 7 0 u f9 V C CB G N DACACV+V-T T 1B
25、R I D G E 39 V C CC 72 2 0 0 u fC 62 2 0 0 u f1 32V VG N DI NO U TU 1 9L M 7 8 0 9C 1 94 7 0 u f C 54 7 0 u fV C CB G N D5 V 电源输出9 V 电源输出 2 2 0 V 2 2 0 VH O TC O L DI 1 O 1I 2 O 2T 1P K B 0 5 D - I 变压器图 3.7 直流稳压电源电路3.1.8 继电器开关模块本设计由继电器开关操作外部电机等设备对仓库的温湿度进行调节，实现了由弱电控制强电的设计，当单片机给一个低电平时，三级管导通，从而使常开继电器开关闭合，使得外部电机工作，如图 3.8 所示。
