基于单片机的智能仓库温湿度控制系统

第一章引言

1.1 课题背景

在现代工业现场，随着科技的进步和自动化发展，温、湿度监测系统在某些行业中要求越来越高，特别是在大中型仓库管理系统中，由于温湿度过高或过低引起的仓库储藏物本身的水分过高或连续的高湿天气将导致储藏物新陈代谢加快而放出热量，放热引起的温升又是代谢进一步加剧以至发霉变质，因此仓库必须重视对空气温湿度精确的而又方便的实时监测，长期以来，由于受经济条件限制，我国仓库环境较差，而且管理落后。

仓库管理的重点之一就是要合理布置测温点，经常检查温度变化，以便及时发现储藏物发热点，减少损失。然而，堆积物的热传递又是那样的缓慢，使人感知极差，需要管理人员经常进入闷热、呛人的仓库内观察温、湿度，不断进行翻仓、加湿、通风和降温设备来控制温湿度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。这种繁重的体力劳动，不仅对人体有极大的伤害，而且不科学、不及时。所以，仓库储藏物虫蛀、霉变的情况时有发生。

我国的储藏物现均集中存放在地方或国家的仓库中。按照国家储藏物保护法，必须定期抽样检查粮食的温、湿度，以确保储藏质量。这就迫切需要温湿度监控系统来控制仓库。

本课题即以上述问题为出发点，设计仓库温、湿度监控系统，该系统不仅能采集仓库内的温、湿度值，而且能够迅速做出相应的处理，并将数据及处理结果显示给用户，并储存数据以方便以后的对比研究。

1.2 仓库温、湿度控制技术的国内外研究状况

近年来，由于超大规模集成电路技术、网络通信技术和计算机技术的发展，是监控系统在工农业生产等领域得到广泛引用，因此，仓库温、湿度监控技术的研究在软、硬件等方面都得到了一定的发展。

1.2.1 硬件技术

早期仓库温湿度检测主要采用温度计量算法，它是将温度计放入特定的插杆中，根据经验插入仓库的多个测温点，工作人员定期拔出读数，决定采取相应的措施。这种方法由于温度计精度、人工读数的人为因素等原因，温度检测不仅速度慢而且精度低，抽样不彻底，局部粮食温度过高不易被及时发现，局部粮食发

霉变质引起大面积坏掉的情况时有发生。

随着科技的发展，温、湿度检测系统有了很大的改善和提高，系统在布线上采用矩阵式布线技术，简化了数据采集部分的线路；在传感器方面应用了热电偶、半导体等器件；在数据传输方面减少了传输线的根数，采用串行传输方式，他可对仓库的各个测试点进行巡回检测，检测的速度、精度大大提高，但由于电阻传感器灵敏度低，使检测精度不够理想。

然后仓库使用单板机进行温、湿度监控，并采用各种手段提高数据传输及检测速度，通过软硬件技术的结合，检测的精度和可靠性有较大提高，能满足一般中小型仓库的需要。

近年来，随着网络通信技术和微处理器芯片的发展，为了简化仓库温、湿度监控系统的设计并降低成本，各公司的科研机构开始致力于相关领域的探索，是的仓库温湿度监控系统数字化，网络化成为可能。其中，美国达拉斯公司推出的单总线接口协议采用单根信号线，既可传输数据又可传输时钟，而且数据传输是双向的，因此单总线技术具有线路简单，硬件开销小，便于总线扩展和维护等优点。该公司所生产的单总线器件具有无需另附电源、在测试点直接将模拟信号数字化等特点，一方面减少了系统环节，另一方面也保证了系统的精度。同时各公司开发的可视化软件开发工具，更是向着效率高、功能强大的方向努力，从而为获得良好的用户界面奠定了基础。

国外仓库的监控技术已经发展的很成熟，高科技的数字传感器广泛应用于仓库温、湿度监控系统。这种传感器采用微控制器与半导体集成电路的最新技术，在一个芯片上集成了温度检测芯片、数据信号转换芯片、计算机接口芯片，存储芯片等，除完成温度检测功能外，还可完成预置范围温度、报警、多路A/D转换、温度补偿等功能。由于数字温度传感器直接输出数字量，从而解决了温度信号长距离传输问题及传输过程中因干扰和衰减而导致的精度降低等问题。

目前，国内出现了丰富的数字传感器配套产品，如中继器、分线器、插接器、远程控制模块等。数字传感器技术、通信技术、计算机已成为当今计算机技术的三大基础，计算机监控技术已成为人们关注的热点。

1.2.2软件技术

近年来，各种计算机软件开发平台有了很大发展，特别是基于Windows环境下的Delphi、Power Builder、Visual Basic、Visual C++的不断升级，数据功能增强，能够使用ODBC驱动程序访问各种数据系统，并可使用ADO、DAO等各种应

用程序开发接口，操纵数据库中的数据，管理数据库，数据库对象与结构方便地对监测系统进行显示、打印、查询、自动控制等操作，为高性能的测控软件设计提供了基础。

1.3 课题设计目标

仓库温湿度控制系统是以AT89C52系列单片机为核心构成的监控系统。本课题提出了一种可以应用于中小型粮仓的温湿度控制系统的设计方案。

系统主要包括输入和输出两个大的模块，每个模块有包括几个小的功能模块。其中，输入模块主要包括电源模块、键盘设定模块、温湿度检测模块；输出模块主要包括LCD显示模块、报警模块、控制模块及串口通信模块。

第二章系统总体方案设计

2.1 系统功能、组成及工作原理

2.1.1 总体方案

根据设计功能要求，系统可分为以下几个部分：

1）键盘设定模块：设置温度的上限及下限，湿度的上限及下限来调整仓库温湿度控制范围。

2）温湿度检测模块：检测仓库内的温、湿度。

3）报警模块：当温度或湿度越限时报警。

4）控制处理模块：当温度或湿度越限时，采取一定的手段控制。

5）显示模块：LCD显示设定的温度的上限及下限、湿度的上限及下限、测得的温湿度值及各种调整信息。

6）串口通信：将测得的温湿度上传给PC机保存。

7）电源模块：给系统供电。

2.1.2 实施措施

1）键盘设定模块：因为键盘要有输入温湿度的范围、小数点、百分号，复位等功能，所以用4×4矩阵键盘。

2）温湿度检测模块：温湿度传感器的选择见下面的方案论证。

3）报警模块：当温度或湿度越限时声音报警，用蜂鸣器实现。

4）控制处理模块：实际环境温度超过设定的最高温度时，继电器控制空调的加热设备工作；实际环境温度低于设定的最低温度时，继电器控制空调的制冷设备工作；实际环境湿度超过设定的最高温湿度时，继电器控制风机工作降湿；实际环境湿度低于设定的最低湿度时，继电器控制加湿器工作；

5）显示模块：用户输入温湿度的上下限，测得的温湿度值及各种调整信息的显示编程实现。

6）串口通信：用电平转换芯片MAX232实现。

7）电源模块：采用线性直流稳压电源的设计方法。

2.2 温湿度传感器的方案论证和选择

当单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号进入输入通道，由单片机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，除对被控对象状态的信号测试外，还要将测试数据与控制条件对比并实时控制相应执行设备。

传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程中的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。

2.2.1数字式温度传感器的类型

随着温度传感器集成化、智能化技术的进步，世界上很多公司推出了新型的数字温度传感器，并得到广泛应用。对器件的选择应把握以下几点：测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本；外围电路应尽量简单；温度传感器的总线负载能力如何，能否满足多点测温的需要；占用单片机引脚情况如何，因为MCU引脚资源有限，多点测温时，如果测量的点数超过输入通道的个数，就要添加多路复用电路，这将增加成本；与单片机的通信协议应尽量简单，成本、温度测量的软件开发难度要尽量小。目前在数字温度传感器中采用的串行总线主要有Motorola公司的SPI总线，Dallas公司的1-wire总线，Phillips 公司的I2C总线等。

常用的数字温度传感器主要有：

1）数字温度传感器AD7418是件ADI公司推出的单片温度测量与控制用集成电路。其内部包含有带隙温度传感器和10 位模数转换器，可将感应温度转换为0.25°C 量化间隔的数字信号，测温范围为-55°C~+125°C，具有10 位数字输出温度值，分辨率0.25°C，精度为±2°C ，转换时间为15~30ms ，工作电压范围为+2.7V~+5.5V，具有低功耗模式（典型值为1μA）。AD7418 片内寄存器可以进行高/低温度门限的设置。当温度超过设置门限时，过温漏极开路指示

器（OTI）将输出有效信号。可与单片机（微控制器）接口，通过I2C 接口对AD7418 的内部寄存器进行读/写操作。该温度传感器可广泛应用于数据采集系统中的环境温度监测、工业过程控制、电池充电以及个人计算机等系统。

2）LM74是美国国家半导体公司推出的集成了带隙式温度传感器、

Delta-Sigma型模/数转换器、并具有SPI/Microwire兼容总线接口的数字温度传感器。在传感器通电工作后，自动按一定速率对温度进行检测, 并在片内寄存器中存储转换的温度值，主机可以在任意时刻读出传感器温度值。LM74具有休眠模式, 在休眠时消耗的电流不超过10mA, 适用于对功耗有严格限制的系统。LM74的模/数转换器为12位外加符号位，有效工作范围为-55℃~+155℃，分辨率可达0.0625℃的分辨率。由于采用了SPI/ Microwire兼容总线接口, 可以将多个传感器挂接在总线上, 通过片选信号对特定器件进行读写操作。LM74采用3.0V~5.5V的供电电压。

3） DS18b20是Dallas公司推出的新一代数字温度传感器。通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和 DS1820 之间仅需一条连接线（加上地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。因为每个 DS1820 都有一个独特的片序列号，所以多只 DS1820 可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。这一特性在 HVAC 环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用

2.2.2 数字湿度传感器的类型

近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了较大发。湿敏传感器正向集成化、智能化、多参数监测的方向迅速发展。集成湿度传感器的选择应考虑以下几点：感湿性能好、响应速度快、灵敏度高、测量范围宽，线性度要好，要有较好的一致性、可重复性，湿滞小，有较强的抗污染能力，较高的稳定性和可靠性，使用寿命长。

目前，国外生产湿度传感器的主要厂家及典型产品主要有：

Honeywell公司（HIT3602、HIT3605、HIT3610型），Humeral公司(HM1500、HM1520、HF3223、HTF3223型)，Sensirion公司（SHT11、SHT15型）。

常用的集成湿度传感器主要有：

1） HIH-3610是Honeywell公司生产的具有信号处理功能的热固聚酯电容式相对湿度传感器，线性放大输出、工厂标定，独特的多层结构能非常有效地抵

抗环境的侵蚀。工作范围：温度-40~+85℃，相对湿度0~100%RH，精度达到±2%RH，激光修正互换性至5%RH，低功耗驱动电流设计为200μA，反应时间为15s，稳定性好，较低的飘移、抗化学腐蚀性能强。

2） HM1500是法国Humeral公司采用Humeral专利湿敏电容HS1101设计制造的相对湿度传感器。带防护棒式封装，5VDC恒压供电，1~4VDC放大线性电压输出，便于用户使用。湿度测试量程为0~100%RH，精度达到±3%RH（10~95%RH 范围），防灰尘，可有效抵抗各种腐蚀性气体物质，非常低的温度依赖性，长期稳定性好，反应时间5s。

3）与传统的温湿度传感器不同，SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技术的新型智能温湿度传感器，它将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、二线串行接口全部集成于一个芯片内，融合了CMOS芯片技术与传感技术，使传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比、使用方便、接口简单等优点，从而发挥出它们强大的优势互补作用。

（3 ）温湿度传感器的确定

综上所述，以上介绍的大都是单个的温、湿度传感器，而SHT11集温度传感器与湿度传感器于一体，并且采用SHT11进行温湿度实时监测的系统具有精度高、成本低、体积小、接口简单等好处；另外SHT11芯片内部集成14位A/D转换器，且采用数字信号输出，因此抗干扰能力也比同类芯片高。该芯片在温湿度监测、自动控制等领域均已得到广泛应用，所以选用SHT11。

第三章系统硬件设计

本系统硬件包括：单片机最小系统、LCD1602液晶显示、键盘、SHT11温湿度检测、报警电路、通讯芯片MAX232、通信串口、控制接口（空调、风机、加湿机）、电源模块。系统整体电路框图如图1所示。

图3-1 系统整体电路框图

1 单片机最小系统设计

（1） AT89C52简介

AT89C52 是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统中可编程的Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU和在系统可编程 Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89C52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。具体引脚图如图3-2所示。

图3-2 AT89C52引脚图

（2）时钟电路和复位电路

时钟电路：内部时钟方式，在 XTAL1 和 XTAL2 之间跨接晶体振荡器和微调电容，组成并联谐振电路，构成稳定的自激振荡器，如图3-3所示，晶体振荡器的振荡频率决定单片机的时钟频率。外部时钟方式，在由多片单片机组成的系统中，为了各单片机之间时钟信号的同步，应当引入惟一的公用外部脉冲信号作为各单片机的振荡脉冲。这时，外部的脉冲信号是经 XTAL2 引脚注入，如图3-4所示。

复位电路：常见的复位电路有下列三种形式，如图3-5所示。

1）上电自动复位方式——是在单片机接通电源时，对电容充电来实现的。上电瞬间，RST 端的电位与 VCC 相同。只要在 RST 端有足够长的时间保持阈值电压，单片机便可自动复位。

2）按键电平复位方式——通过使RST 端经电阻与VCC 电源接通而实现。

图3-3 89C58RD+的内部时钟电路

图3-4 89C58RD+的外部时钟电路

（1）上电自动复位方式（2）按键电平复位（3）按键脉冲复位

图3-5 常见的复位电路

3. 按键脉冲复位方式——利用微分电路产生的正脉冲实现复位。

3.1.3 单片机最小系统电路图

其中时钟电路为内部时钟电路，复位电路为上电自动复位方式与按键电平复位方式的结合。

图3-6单片机最小系统3.2 LCD1602液晶显示

3.2.1 1602简介

1. 主要技术参数：

表3-3 主要技术参数

2. 接口信号说明

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，如表3-6所示。

表3-4 接口信号说明

3.2.2 1602与单片机连接图

图3-9 1602与单片机连接图

3.3 矩阵键盘

由于控制键位较多，方便程序设计，硬件安全可靠，本设计采用4×4矩阵键盘，与单片机P1口相连，电路图如图所示。

图3-10 矩阵键盘与单片机连接图

矩阵键盘的工作原理：

当无按键闭合时，P10~P13 与 P14~P17 之间开路。当有键闭合时，与闭合键相连的两条 I/O 口线之间短路。判断有无按键按下的方法是：第一步，置列线P14~P17 为输入状态，从行线 P10~P13 输出低电平，读入列线数据，若某一列线为低电平，则该列线上有键闭合。第二步，行线轮流输出低电平，从列线P14~P17 读入数据，若有某一列为低电平，则对应行线上有键按下。综合一二两步的结果，可确定按键编号。但是键闭合一次只能进行一次键功能操作，因此须等到按键释放后，再进行键功能操作，否则按一次键，有可能会连续多次进行

同样的键操作。

本设计矩阵键盘的功能图如图所示

图3-11 矩阵键盘的功能图

3.4 温湿度检测

3.4.1 SHT11简介

1. 概述

SHTxx 系列单芯片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。它应用专利的工业COMS 过程微加工技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个 14 位的 A/D 转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。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 SHTxx 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。两线制串行接口和内部基准电压，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品提供表面贴片 LCC （无铅芯片）或 4 针单排引脚封装。特殊封装形式可根据用户需求而提供。

2.引脚

SHT11温湿度传感器采用SMD(LCC)表面贴片封装形式，管脚排列如图1所示

图3-12 SHT11外形及引脚排列

(1)GND ：接地端；

(2)DATA ：双向串行数据线；

(3)SCK ：串行时钟输入；

(4)VDD 电源端：0.4~5.5V 电源端；

(5~8)NC ：空管脚。

4. 输出转换为物理量

（1）相对湿度

为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，建议使用如下公式修正输出数值：1212[][][][]T d d d SO d ℃℃℉℉

2

123linear RH RH RH c c SO c SO =+?+?（R H SO 表示传感器的相对湿度输出数值，大约范围在9~3400）

表3-10 湿度转换系数

对高于 99%RH 的那些测量值则表示空气已经完全饱和，必须被处理成显示值均为 100%2RH 。湿度传感器对电压基本上没有依赖性。

图3-18 从RH SO 转换到相对湿度

1） 湿度传感器相对湿度的温度补偿

实际测量温度与25℃ (~77℉)相差较大时，应考虑湿度传感器的温度修正系数：

12(-25)()ture RH linear RH T t t SO RH =?+?+℃

表3-11温度补偿系数

（2）温度

由能隙材料 PTAT (正比于绝对温度) 研发的温度传感器具有极好的线性。可用如下公式将数字输出转换为温度值：

12T Temperature d d SO =+?

表3-12 温度转换系数

在极端工作条件下测量温度时，可使用进一步的补偿算法以获取高精度。可参阅应用说明“相对湿度与温度的非线性补偿”。

3.4.2 SHT11与单片机相连的电路图

图11 SHT11与单片机连接电路图

3.5 报警电路

报警电路如图12所示，当P2.5口输出高电平时蜂鸣器响，当P2.5口输出低电平时蜂鸣器不响。

图12报警电路

3.6 控制电路

本次设计以P2^6控制加热设备，P2^7控制制冷设备，P3^6控制加湿设备，P3^7控制降湿设备，它们的控制接口电路相同，就以控制加热设备的电路为例讲解，下图为控制加热设备的接口电路。

图13 控制加热设备的电路

P5的1,3引脚接220V交流电源，当测得的温度低于设定的最低温度时，P2^6

口为低电平，继电器线圈得电，P5的1,3接通，加热设备工作，同时LED指示灯D8亮，表示当前处于加热状态；当测得的温度大于设定的最低温度时，P2^6口为高电平，继电器线圈断电，P5的1,2接通，加热设备停止工作，同时LED 指示灯D8灭。

其它三个控制接口电路的工作原理与此类似。

3.7 单片机与PC之间的通信

PC内部通常都装有一个RS-232异步通信适配器版，其主要器件为可编程的UART芯片，如8250等，从而使PC有能力与其他具有标准RS-232串行通信接口的计算机设备进行通信。AT89C52单片机本身具有一个全双工的串行口，但单片机的串行口为TTL电平，需要外接一个TTL-RS-232电平转换器才能够与PC的RS-232串行口连接，组成一个简单可行的通信接口。

由于RS-232的逻辑电平与TTL电平不兼容，为了与TTL电平的AT89C52单片机器件连接，必须进行电平转换。美国MAXIM公司生产的MAX232系列RS-232收发器是目前应用较为普遍的串行口电平转换器件。

3.7.1 电平转换芯片MAX232简介

1.概述

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电。图14所示为MAX232芯片的引脚排列和典型工作电路，芯片内部包含两个收发器，采用“电荷泵”技术，利用4个外接电容C1~C4（通常取值为1μF）就可以在单+5V电源供电的条件下，将输入的+5V电压转换为RS-232输出所需要的±12V电压。在实际应用中，由于器件对电源噪声很敏感，因此必须在电源Vcc与地之间加一个去耦电容C5。收发器在短距离（电缆容量<1000pF）通信时，通信速率最高可达120kbit/s。

3.7.2 串口通信电路

采用三线制连接串口，即单片机只连接电脑9针串口的3根线；第5脚的GND、第二脚的RXD、第三脚的TXD，具体电路如下图：

图14 串口通信电路

3.8电源电路

3.8.1线性直流稳压电源的基本原理

线性稳压电源是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源，该类电源的优点是稳定性高，纹波小，可靠性高。

1. 线性直流稳压电源的组成

线性直流稳压电源通常由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等几部分组成如图3-24所示。

图3-24 直流稳压电源结构框图

变压器的初级一侧一般为 220V 交流电压，次级一侧电压可以根据所需直流电压的大小，通过选择适当的变压比来得到。整流电路利用二极管的单向导电性将交流电变换成脉动直流电，利用滤波电路将脉动直流电压滤为较平滑的直流电压。由于整流、滤波电路输出的直流电压稳定性较差，当电网电压波动或负载变化时输出电压也随之而变化，采用稳压电路后，输出电压的稳定程度将大为提高。