蔬菜大棚溫度控制器設計

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學單片機原理及接口技術 課程設計（論文）題目： 蔬菜大棚溫度控制器設計 院（系）： 專業(yè)班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： （簽字）起止時間：2015.06.22-2015.7.05 課程設計（論文）任務及評語院（系）： 教研室： 學 號 學生姓名 專業(yè)班級 課程設計（論文）題目蔬菜大棚溫度控制器設計課程設計（論文）任務當監(jiān)測到蔬菜大棚溫度超過上限報警值時，可開啟220V供電的排風扇降溫；當溫度低于下限報警值時，可開啟加熱引風機提高溫室內(nèi)的溫度，直至符合要求時為止。大棚溫度范圍1530度，白天溫度控制在2530度，夜間溫度控制在15-20度。設計任務：1. CPU最小

2、系統(tǒng)設計（包括CPU選擇，晶振電路，復位電路）2. 溫度傳感器選擇及接口電路設計3. 溫度顯示及控制電路設計4 程序流程圖設計及程序清單編寫技術參數(shù)：1大棚溫度15-30度，白天25-30度，夜間15-20度2工作電源220V設計要求：1、分析系統(tǒng)功能，盡可能降低成本，選擇合適的單片機、AD轉換器、輸出電路等；2、應用專業(yè)繪圖軟件繪制硬件電路圖和軟件流程圖；3、按規(guī)定格式，撰寫、打印設計說明書一份，其中程序開發(fā)要有詳細的軟件設計說明，詳細闡述系統(tǒng)的工作過程，字數(shù)應在4000字以上。進度計劃第1天 查閱收集資料第2天 總體設計方案的確定第3-4天 CPU最小系統(tǒng)設計第5天 溫度傳感器選擇及接口電

3、路設計第6天溫度顯示及控制電路、電源電路設計第7天 程序流程圖設計第8天 軟件編寫與調(diào)試第9天 設計說明書完成第10天 答辯指導教師評語及成績 平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要 蔬菜大棚內(nèi)通過調(diào)節(jié)溫度可以有效地控制二氧化碳的濃度，二氧化碳是對植物生長起著重要的作用。因此，對棚內(nèi)溫度的控制是非常重要的。本文介紹的分布式單總線蔬菜大棚溫度監(jiān)測預警系統(tǒng)，采用全數(shù)字化設計，直接監(jiān)測每個棚內(nèi)不同部分的溫度，通過對溫度的良好控制，有效地提高蔬菜的產(chǎn)量。本溫度設計采用現(xiàn)在流行的AT89S52單片機，

4、配以DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該溫度傳感器可自行設置溫度上下限。單片機將檢測到的溫度信號與輸入的溫度上、下限進行比較，由此作出判斷是否啟動繼電器以開啟設備。實現(xiàn)對蔬菜大棚溫度的檢測與控制，從而有效提高蔬菜的產(chǎn)量。給出了電路圖和程序流程圖并附有源程序。由于利用了單片機及數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點，系統(tǒng)的各方面性能得到了顯著的提高。關鍵詞：溫度傳感器 ；AT89C51；LED顯示器；固態(tài)繼電器目 錄第1章 緒論11.1 溫度控制系統(tǒng)概況11.2 本文研究內(nèi)容1第2章 CPU最小系統(tǒng)設計22.1 蔬菜大棚溫度自動控制總體設計方案22.2 CPU的選擇32.3 數(shù)據(jù)存儲器擴展42.4 復位電路設

5、計52.5 時鐘電路設計52.6 CPU最小系統(tǒng)圖6第3章 溫度傳感器輸入輸出接口電路設計73.1 溫度傳感器的選擇73.2 溫度輸出接口電路設計83.3 人機對話接口電路設計8第4章 溫度控制器軟件設計114.1 軟件實現(xiàn)功能綜述11 主程序流程圖設計11 中斷系統(tǒng)流程圖設計12第5章 系統(tǒng)設計與分析135.1 系統(tǒng)原理圖135.2 系統(tǒng)原理綜述13第6章 課程設計總結15參考文獻16第1章 緒論1.1 溫度控制系統(tǒng)概況隨著社會的發(fā)展，科技的進步，以及測溫儀器在各個領域的應用，智能化已是現(xiàn)代溫 度控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向。特別是近年來, 溫度控制系統(tǒng)已應用到人們生活的各個方

6、面， 但溫度控制一直是一個未開發(fā)的領域，卻又是與人們息息相關的一個實際問題。針對這種 實際情況，設計一個溫度控制系統(tǒng)，具有廣泛的應用前景與實際意義。 溫度是科學技術中最基本的物理量之一，物理、化學、生物等學科都離不開溫度。在 工業(yè)生產(chǎn)和實驗研究中，像電力、化工、石油、冶金、航空航天、機械制造、糧食存儲、 酒類生產(chǎn)等領域內(nèi)，溫度常常是表征對象和過程狀態(tài)的最重要的參數(shù)之一。比如，發(fā)電廠 鍋爐的溫度必須控制在一定的范圍之內(nèi)；許多化學反應的工藝過程必須在適當?shù)臏囟认虏?#160;能正常進行；煉油過程中，原油必須在不同的溫度和壓力條件下進行分餾

7、才能得到汽油、 柴油、煤油等產(chǎn)品。沒有合適的溫度環(huán)境，許多電子設備就不能正常工作，糧倉的儲糧就 會變質(zhì)霉爛，酒類的品質(zhì)就沒有保障。因此，各行各業(yè)對溫度控制的要求都越來越高?？?#160;見，溫度的測量和控制是非常重要的。 單片機在電子產(chǎn)品中的應用已經(jīng)越來越廣泛，在很多的電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測 和溫度控制。隨著溫度控制器應用范圍的日益廣泛和多樣，各種適用于不同場合的智能溫 度控制器應運而生。1.2 本文研究內(nèi)容本設計是對蔬菜大棚內(nèi)溫度進行實時監(jiān)測與控制，設計的溫度控制系統(tǒng)實現(xiàn)了基本的溫度控制功能：當蔬菜大棚內(nèi)溫度低于設定下限溫度時，系統(tǒng)自動啟

8、動加熱繼電器加溫，使溫度上升，同時綠燈亮。當溫度上升到下限溫度以上時，停止加溫；當蔬菜大棚內(nèi)溫度高于設定上限溫度時，系統(tǒng)自動啟動風扇降溫，使溫度下降，同時紅燈亮。當溫度下降到上限溫度以下時，停止降溫。溫度在上下限溫度之間時，執(zhí)行機構不執(zhí)行。數(shù)碼管即時顯示溫度，精確到小數(shù)點一位。該系統(tǒng)能夠對大棚內(nèi)的溫度進行采集，利用溫度傳感器將溫室大棚內(nèi)溫度的變化，變換成數(shù)字量，其值由單片機處理，最后由單片機去控制液晶顯示器，顯示溫室大棚內(nèi)的實際溫度，同時通過與預設量比較，對大棚內(nèi)的溫度進行自動調(diào)節(jié)。第2章 CPU最小系統(tǒng)設計89C512.1 蔬菜大棚溫度自動控制總體設計方案顯示模塊復位模塊 溫度調(diào)節(jié)模塊晶振模

9、塊溫度檢測模塊圖2.1 溫度自動控制總體框圖表2.1 各模塊功能表溫度檢測模塊能夠直接讀出被測溫度，可使系統(tǒng)結構更趨簡單，可靠性更高復位模塊使89C51數(shù)據(jù)清零，恢復初始狀態(tài)晶振模塊為89C51提供時鐘信號顯示模塊顯示溫度等數(shù)據(jù)，使觀察更加方便，有利于實驗記錄溫度調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)溫度，使溫度達到實驗要求89C51實驗數(shù)據(jù)處理，是實驗主要原件2.2 CPU的選擇CPU是單片機內(nèi)部的核心部分，是單片機的指揮和執(zhí)行機構，它決定了單片機的主要功能特性。從功能上看，CPU包括兩個基本部分：運算器和控制器。它把中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口電路以及定時器計數(shù)器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價格

10、低廉、抗干擾能力強且可靠性高等特點，因此，本實驗采用89C51單片機。下面介紹89C51的內(nèi)部資源及引腳結構圖。圖2.2 89C51的引腳結構RESET是復位信號輸入端，高電平有效。當振蕩器工作時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平，就可以使單片機復位。ALE引腳是地址鎖存允許信號。PSEN是外部程序存儲器的讀選通信號。EA是內(nèi)、外ROM選擇端。輸入/輸出（I/O）引腳P0、P1、P2和P3。 P0.0P0.7：P0口是一個8位雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它分時提供低8位地址和作8位雙向數(shù)據(jù)總線。在EOROM編程時，從P0口輸入指令字節(jié)；在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)（驗證

11、時，要接上拉電阻）。P0口能以吸收電流的方式驅動8個LSTTL負載。 P1.0P1.7：P1是8位準雙向I/O端口。在EPROM編程和程序驗證時，它輸入低8位地址。P1口能驅動4個LSTTL負載。 P2.0P2.7：P2是8位準雙向I/O端口。在CPU訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址，在對EPROM編程和程序檢驗時，它輸入高8位地址。P2口可驅動4個LSTTL負載。 P3.0P3.7：P3是8位準雙向I/O端口。它是一個復用功能口，作為第一功能使用時，為普通I/O口，其功能和操作方法與P1口相同。作為第二功能使用時，各引腳的定義如下表。P3口的每一條條引腳均可以

12、獨立的定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。P3口能驅動4個LSTTL負載。2.3 數(shù)據(jù)存儲器擴展AT89C51片內(nèi)喊有28字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器RAM，主要用工作寄存器、堆棧、軟件標志和數(shù)據(jù)緩沖器。對于簡單的測控系統(tǒng)，用它存放運算的中間結果，容量是夠用的。但是對于大量數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，則需要在片外擴展RAM。89C51片內(nèi)有128B的RAM存儲器，在實際應用中僅靠這128B的數(shù)據(jù)存儲器是遠遠不夠的。這種情況下可利用89C51單片機所具有的擴展功能，擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。89C51單片機最大可擴展64KBRAM。圖2.3 數(shù)據(jù)儲存器擴展圖2.4 復位電路設計復位電路和時鐘電路是維持單片機最小系統(tǒng)運行的基

13、本模塊。復位是單片機的初始化操作。單片機系統(tǒng)在上電啟動運行時，都需要先復位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。因此，復位是一個很重要的操作方式。但單片機本身不能自動復位的，必須配合相應的外部復位電路才能實現(xiàn)的。 當89C51通電，時鐘電路開始工作，在單片機的RST引腳加上大于24個時鐘周期以上的正脈沖，系統(tǒng)即初始復位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0P3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入07H，其他專用寄存器被清0。RST由高電平降為低電平后，系統(tǒng)從0000H地址開始執(zhí)行程序。圖2.4 復位電路圖2.5 時鐘電路設計AT89C5

14、1芯片內(nèi)部有一個高增益反向放大器，用于構成振蕩器。反向放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2。在TXAL1和XTAL2兩端跨接由石英晶體及兩個電容構成的自激振蕩器。電容器C1和C2通常都取30pF左右，選用不同的電容量對振蕩頻率有微調(diào)作用。但石英晶體本身的標定頻率才是單片機振蕩頻率的決定因素。其振蕩頻率范圍是112MHz。圖2.5 時鐘電路圖2.6 CPU最小系統(tǒng)圖圖2.6 CPU最小系統(tǒng)圖第3章 溫度傳感器輸入輸出接口電路設計3.1 溫度傳感器的選擇溫度傳感器的作用是采集大棚內(nèi)的溫度，并進行判斷和顯示。由于智能溫度傳感器DS18B20既能對溫度進行測量，又能設定所需要控制的溫度，并對

15、溫度值能夠把二進制轉換成十進制，所以本設計系統(tǒng)中選用智能溫度傳感器DS18B20。信息經(jīng)過單線接口送入DS18B20或從DS18B20送出，傳感器和數(shù)字轉換電路都被集成在一起，每個DS18B20在出廠時都已給定了唯一的64位序列號，并且DS18B20只有一個數(shù)據(jù)輸入/輸出口，因此，多個DS18B20可以并聯(lián)到3或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20進行通信，而它們只需簡單的通信協(xié)議就能加以識別，這樣就節(jié)省了大量的引線和邏輯電路?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。用戶還可自設定非易失性溫度報警上下限值，并可用報警搜

16、索命令識別溫度超限的DS18620。由于該溫度計采用數(shù)字輸出形式，故不需要A/D轉換器。圖3.1 DS18B20的引腳圖DS18B20的主要特性，DS18B20有下列主要特性 : 1）只需一根I/O 線就能完成通信  2）多個分散的 DS18B20可以共用一線進行通信;      3）不需外部元器件       4）可以通過數(shù)據(jù)線供電  5）檢測溫度范圍為-55+125°C&#

17、160;,精度在0.5度       6）用9bit數(shù)字量來表示溫度      7）每次將溫度轉換成數(shù)字量需 200ms。8）可定義一個不變化的溫度設置為報警溫度; 9）有 PR35T和SSOP 兩種封裝型式。 DS1820I/O位數(shù)據(jù)輸入/輸出端（即單線總線），它屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后，常態(tài)下呈高電平。DDU是可供選用的外部+5V電源端，不用時需接地。GND為地，NC為空腳。3.2 溫度輸出接口電路設計圖

18、3.2 排風扇輸出電路圖由PWM控制溫度調(diào)節(jié)模塊，當PWM端輸入高電平時，電流經(jīng)Q4放大，常開端5閉合，M4QA045電機運轉，當PWM端輸入低電平時，常開端5斷開，M4QA045電機停止運轉。3.3 人機對話接口電路設計非編碼鍵盤可以分為兩種結構形式：獨立式按鍵和行列式按鍵。 獨立式按鍵：是指直接用I/O口線構成單個按鍵電路，每一個按鍵占用一條I/O口線，每個按鍵的工作狀態(tài)不會產(chǎn)生相互影響。圖   所示為一種獨立式按鍵電路，當圖中的某一個按鍵閉合時，相應的I/O口線就變成低電平。當程序查詢到為低電平的I/O口線時，就可以確定處于閉合狀態(tài)的鍵。 

19、;獨立式按鍵的電路的結構和處理程序簡單，擴展方便，但占用的I/O口線相對較多，不適合在按鍵數(shù)量較多的場合下采用。 行列式鍵盤：將I/O口線的一部分作為行線，另一部分作為列線，按鍵設置在行線和列線的交叉點上，這就構成了行列式鍵盤。 本設計有三個按鍵，共需要三個I/O口線，占用的口線不多，因此可以采用獨立式按鍵。圖3.3獨立式按鍵電路圖3.4顯示電路為了方便管理者能明確的觀察到某一路的溫度，這里要有顯示電路，共有七個數(shù)碼管，兩位是用來顯示設定的最高溫度，兩位用來顯示設定的最低溫度，兩位是用來顯示當前某一路的溫度，一位是用來顯示當前的路數(shù)。常用的數(shù)碼管顯示器為8段，每一段對應一個

20、發(fā)光二極管，分為共陽和共陰兩種。共陰極LED顯示的發(fā)光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地。當發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示。同樣，共陽極LED的發(fā)光二極管的樣機連接在一起，通常此公共陽極接高電平，當某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應的段被顯示。第4章 溫度控制器軟件設計4.1 軟件實現(xiàn)功能綜述本溫度控制系統(tǒng)在設計過程中，遵循的是穩(wěn)定化、高效化、簡單化、小型化的特點，最大限度提高系統(tǒng)的性價比。應用軟件采用模塊化的程序設計方法，這種條理清晰的設計方法免去一部分軟件的重復編程，然后組合成符合要求的應用程序，因此本應用軟件分為兩大部分：主程序和

21、子程序設計。本實驗要實現(xiàn)的是蔬菜大棚溫度控制。由89C51單片機和其他一些器件組成的控制系統(tǒng)，要實現(xiàn)的軟件功能是將蔬菜大棚中的溫度信息通過溫度檢測模塊傳送給89C51單片機，讓單片機識別，并顯示。然后溫度進行判斷，進行調(diào)節(jié)，通過顯示模塊顯示溫度，使大棚中的的溫度一直維持在適合蔬菜生長的條件下。4.1.1 主程序流程圖設計開始 設定溫度啟動加熱引風機當前溫度啟動風扇降溫復位結束圖4.1主程序流程圖溫度信號通過溫度檢測模塊傳送給89C51單片機，由單片機判斷溫度，當監(jiān)測溫度超過上限報警值時，可開啟排風扇降溫；當溫度低于下限報警值時，可開啟加熱引風機提高溫室內(nèi)的溫度。4.1.2 中斷系統(tǒng)流程圖設當C

22、PU正在處理數(shù)據(jù)時，外部發(fā)生緊急情況時，要求CPU停止當前工作，去處理緊急情況，而中斷系統(tǒng)有許多的優(yōu)點，實現(xiàn)分時操作采用中斷技術后，快速的CPU和慢速的外設可以各做各的事情。進行實時處理在實時控制的過程中，CPU會根據(jù)當時的情況及時做出反應，進行實時控制。故障處理系統(tǒng)在運行過程中往往會出現(xiàn)一些異常情況。中斷發(fā)生保護現(xiàn)場開中斷中斷服務關中斷恢復現(xiàn)場開中斷中斷返回圖4.2中斷系統(tǒng)流程第5章 系統(tǒng)設計與分析5.1 系統(tǒng)原理圖圖5.1系統(tǒng)原理圖5.2 系統(tǒng)原理綜述本系統(tǒng)以AT89C51單片機為控制核心，利用溫度傳感器對蔬菜大棚內(nèi)的溫度進行實時采集與控制，實現(xiàn)溫室溫度的自動控制。本系統(tǒng)由單片機小系統(tǒng)模塊、溫度采集模塊、加熱模塊、降溫模塊、按鍵以及顯示模塊六個部分組成?？梢酝ㄟ^按鍵設定溫室的溫度值，采集的溫度和設定的溫度通過LED數(shù)碼管顯示。當所設定的溫度值比采集的溫度大時，通過加熱器加熱，以達到設定值；反之，開