基于單片機溫室大棚智能監(jiān)測系統(tǒng)設計畢業(yè)設計

常州工學院學士學位論文目錄TOC\o"1-1"\h\u6503第一部分設計任務與調(diào)研 38033第二部分設計說明 525983第三部分設計成果 1322451第四部分結論 223422第五部分致謝 2331160第六部分參考文獻 24

第一部分設計任務與調(diào)研1畢業(yè)設計的主要任務本設計的主要任務設計一個溫室大棚的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，其應具有以下主要功能：可以自行設定所要監(jiān)測的溫度值；實際溫度與設定監(jiān)測的溫度相差在不同范圍內(nèi)做出不同的提示：不大于1℃時，綠燈常亮；不小于3℃時，紅燈常亮；大于1℃且小于3℃時，綠燈閃爍。LCD顯示溫室內(nèi)的實時溫度。2設計過程及其工藝要求設計一個以單片機為核心的溫度控制系統(tǒng)，需要實現(xiàn)的功能為：（1）能夠準確顯示當前的溫度值。溫度檢測的范圍10℃-40℃，測溫精度：±1℃。（2）能夠自主調(diào)節(jié)當前需要溫度值，在系統(tǒng)上面有調(diào)節(jié)按鈕，可隨時根據(jù)需要增加或者減少預設值。（3）系統(tǒng)的顯示方式均采用LCD顯示。3調(diào)研的意義隨著單片機和傳感技術的迅速發(fā)展，自動檢測領域發(fā)生了巨大變化，溫室環(huán)境自動監(jiān)測控制方面的研究有了明顯的進展，并且必將以其優(yōu)異的性能價格比，逐步取代傳統(tǒng)的溫度控制措施。但是，目前應用于溫室大棚的溫度檢測系統(tǒng)大多采用模擬溫度傳感器、多路模擬開關、A心轉換器及單片機等組成的傳輸系統(tǒng)[2]。這種溫度采集系統(tǒng)需要在溫室大棚內(nèi)布置大量的測溫電纜，才能把現(xiàn)場傳感器的信號送到采集卡上，安裝和拆卸繁雜，成本也高。同時線路上傳送的是模擬信號，易受干擾和損耗，測量誤差也比較大。為了克服這些缺點，本文參考了一種基于單片機并采用數(shù)字化單總線技術的溫度測控系統(tǒng)應用于溫室大棚的的設計方案，根據(jù)實用者提出的問題進行了改進，提出了一種新的設計方案。

數(shù)字化單總線技術是利用DALLAS公司生產(chǎn)的新型器件實現(xiàn)的。它將系統(tǒng)的地址線、數(shù)據(jù)線、控制線合為一根導線，允許在這根導線上掛接數(shù)百個控制對象，形成多點單總線測控系統(tǒng)。這些測控對象所用的芯片都由該公司提供。采用單總線協(xié)議后，可在檢測點將模擬信號數(shù)字化。這樣，在單總線上傳輸?shù)谋闶菙?shù)字信號。本文介紹的溫度測控系統(tǒng)就是基于單總線技術及其器件組建的。該系統(tǒng)能夠?qū)Υ笈飪?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，變換成電流的變化，再轉換為電壓變化輸入模數(shù)轉換器，其值由單片機處理，最后由單片機去控制數(shù)字顯示器，顯示溫室大棚內(nèi)的實際溫度，同時通過比較，對大棚內(nèi)的溫度是否超過溫度限制進行分析。如果超過我們預先設定的溫度限制，溫度報警系統(tǒng)將進行報警，并同時自動對大棚內(nèi)的溫度進行控制。

這種設計方案實現(xiàn)了溫度實時測量、顯示和控制。該系統(tǒng)抗干擾能力強，具有較高的測量精度，不需要任何固定網(wǎng)絡的支持，安裝簡單方便，性價比高，可維護性好。這種溫度測控系統(tǒng)可應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的溫室大棚，實現(xiàn)對溫度的實時控制，是一種比較智能、經(jīng)濟的方案，適于大力推廣，以便促進農(nóng)作物的生長，從而提高溫室大棚的畝產(chǎn)量，以帶來很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

第二部分設計說明1設計總體方案標準值，當環(huán)境溫度超過或低于標準值時，系統(tǒng)會以蜂鳴器鳴響的方式進行報警提示，并且控制設備（降溫系統(tǒng)與升溫系統(tǒng)）自動啟動，待達到標準值時，蜂鳴本設計要實現(xiàn)的功能是：實時顯示當前環(huán)境的溫度，并且允許用戶設定溫度器停止鳴響，控制設備停止運行，系統(tǒng)正常工作，工作指示燈亮，系統(tǒng)整體結構框圖如下圖2-1所示。5151單片機復位電路LCD顯示復位電路LCD顯示報警燈按鍵報警燈按鍵溫度采集蜂鳴器溫度采集蜂鳴器圖2-1系統(tǒng)整體結構框圖2硬件電路設計2.1單片機最小系統(tǒng)時鐘電路和復位電路是維持單片機最小系統(tǒng)運行的基本模塊。單片機最小系統(tǒng)是在以51單片機為基礎上擴展，使其能更方便地運用于測試系統(tǒng)中，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被測試的技術指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。單片機以其功能強、體積小、可靠性高、造價低和開發(fā)周期短等優(yōu)點，稱為在實時檢測和自動控制領域中廣泛應用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。2.1.1AT89C51單片機簡介MCS-51系列單片機最基礎的成果是8031/8051/8751（8031/8051/8751是對應的低功耗單片機以及其增強產(chǎn)品8032/8052/8752）。它們具有品種全、兼容性強、性價比高等特點，然而它們卻是8位的單片機，同時具有足夠齊全豐富的軟硬件應用設計內(nèi)容，在國內(nèi)外設計人員中都有所認識。在1980年到1990年期間，MCS-51系列單片機是中國設計運用非常普遍的單片機機型。

圖2-2AT89C51實物圖單片機AT89C51實物圖如圖2-2所示，中央微處理機AT89C51：它是一個消耗功率低、運行性能高的CMOS

8位單片計算機。擁有4K字節(jié)的ISP（在一些系統(tǒng)中可以編程成片狀）的Flash程序存儲器只讀反復1000次。使用Atmel高密度不容易丟失的存儲器設備、匹配準則、制造技術、一系列MCS-51指令系統(tǒng)和80C51引腳的基本結構，通用8位CPU和ISP閃存存儲單元，AT89C51強大的計算機可以為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高可比性的解決方案。AT89C51具有以下特點：看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器，2個16位可編程定時計數(shù)器，40個引腳，2層中斷嵌套中斷，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，2個全雙工串行通信口，128字節(jié)的RAM，4000字節(jié)Bytes

Flash片內(nèi)程序存儲器，5個中斷優(yōu)先級。

此外，振蕩頻率在AT89C51中，也相應地進行了設計和配置。而且運用軟件設置合理的省電模式。在掉電模式下，振蕩器停止工作來保護RAM的數(shù)據(jù)，阻止其他芯片功能，直到外部中斷或硬件復位被激活?？臻e模式下，RAM定時器/計數(shù)器、串行端口和中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作。但是中央處理器就會結束工作。而且，該芯片包含三種封裝：PDIP，TQFP和PLCC。根據(jù)現(xiàn)實的選擇需求，并且也考慮到了整個系統(tǒng)的設計和精致的成本，因此在本系統(tǒng)的設計中采用AT89C51單片機作為整個系統(tǒng)的控制器，因為它的價格便宜、運行也比較可靠。2.1.2AT89C51單片機管腳說明AT89C51單片機如下圖2-3所示，VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。圖2-3AT89C51管腳分布圖P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為特殊功能口，如下表2-1所示：表2-1P3口的第二功能端口引腳功能特點P3.0串行輸入口（RXD）P3.1串行輸出口（TXD）P3.2外中斷0（INT0）P3.3外中斷1（INT1）P3.4定時/計數(shù)器0的外部輸入口（T0）P3.5定時/計數(shù)器1的外部輸入口（T1）P3.6外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通（WR）P3.7外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通（RD）2.1.3時鐘電路設計

AT89C51單片機的每個模塊的運作均是依靠時鐘信號為統(tǒng)一標準，按先后順序、一定規(guī)則地操作。所以單片機的運行速度會被時鐘頻率非間接影響，單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會被時鐘電路的質(zhì)量非間接影響。在AT89C51單片機中，高增益反相放大器是為了產(chǎn)生內(nèi)部震蕩的，XTAL1是它的輸入端，XTAL2是它的輸出端。二者之間接有12M的石英晶體和30pF的電容，以此來形成一個相對穩(wěn)定的振蕩器。而外部時鐘方式時，XTAL2端懸空，它的外部時鐘電源將會接到XTAL1端。時鐘電路如圖2-5所示。圖2-4單片基時鐘電路2.1.4復位電路設計AT89C51有兩種復位方式，分別是上點復位和按鍵復位。本設計采用的是按鍵復位，即利用一個復位電容和按鍵的組合使得復位變得更加直接和簡單。引腳RST作用是復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。在按下按鍵后，系統(tǒng)自動復位，十分方便。在復位電路中添加按鍵主要是為了能夠使得復位更加方便，電容主要是在復位后進行充電，而上拉電阻起到限流的作用，保護了電路。復位電路如圖2-6所示。圖2-5復位電路2.2溫度采集電路設計2.2.1溫度傳感器常用的溫度傳感器有熱敏電阻、熱電偶、PN結溫度傳感器、集成溫度傳感器、熱電阻等。對于溫室內(nèi)部溫度的檢測，溫度傳感器選擇DALLAS公司生產(chǎn)的一線制數(shù)字，它具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出。

DS18B20有三個引腳，GND接地；DQ數(shù)字信號的輸出/輸入；Vdd為外接電源輸入端。溫度傳感器DS18B20管腳如圖2-7所示。圖2-6溫度傳感器DS18B20管腳圖2.2.2溫度采集電路由于DS18B20只有一個串行通信接口，與單片機的連接電路非常簡單，只需和單片機的一個I/O端口連接即可，本系統(tǒng)選擇了接口接的是P2.0端口，其連接電路圖如圖2-8所示。DS18B20的I/O口屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后常態(tài)下呈高電平。該器件內(nèi)含寄生電源，其供電方式可以選擇寄生電源方式，也可以選用外部電源。為方便起見，采用外部電源供電。圖2-7溫度采集電路傳感器數(shù)據(jù)采集電路主要指DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路。DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式考慮到實際應用中寄生電源供電方式適應能力差且易損壞，此處采用電源供電方式，I/O口接單片機的P2.4口。2.3液晶顯示電路設計

LCD1602液晶是一類特定用來顯示符號、字母、數(shù)字等的點陣型液晶模塊，是由很多點陣字符位組成，但是只能顯示字符不能顯示圖像，而且只能顯示兩行。LCD1602實物圖如圖2-9所示。圖2-8LCD1602實物圖LCD1602主要技術參數(shù)如下：

(1)

顯示容量：16×2個字符；(2)

芯片工作電壓：4.5～5.5V；(3)

工作電流：2.0mA（5.0V）；(4)

模塊最佳工作電壓：5.0V；(5)

字符尺寸：2.95×4.35（W×H）mm；(6)

LCD1602采用標準的16腳（帶背光）或14腳（無背光）接口。以下是每個引腳端情況：

第1腳：VSS為地電源。

第2腳：VDD接5V正電源。

第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，當對比度比較高的時候會出現(xiàn)“鬼影”，調(diào)整對比度時便可調(diào)節(jié)一個10000的變阻器。

第4腳：RS是寄存器選擇端口，高電平是數(shù)據(jù)寄存器的選擇，低電平是指令寄存器的選擇。

第5腳：R/W為讀寫數(shù)據(jù)線，高電平為讀操作，低電平為寫操作。假如RS和R/W同一時間均是低電平，便可以寫入指令或者顯示地址。

第6腳：E端為使能端口，如果E端從高電平變?yōu)榈碗娖降臅r候，此液晶模塊執(zhí)行相應的命令。

第7～14腳：這八個腳為八位雙向通信的數(shù)據(jù)線。

第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。

LCD1602與AT89C51的電路連接方式如圖2-10所示。圖2-96LCD1602與AT89C51的電路連接2.4報警電路設計需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過MCS-51本設計采用峰鳴音報警電路如圖2-11所示。峰鳴音報警接口電路的設計只的1根口線經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動，P3.2P3.輸出高電平“1”時，晶體管導通，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓而鳴叫；當P3.2輸出低電平“0”時，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。NPNNPN5.6K3.3K+5VP3.2AT89S52PB2130UP002A圖2-10蜂鳴器3系統(tǒng)軟件設計3.1溫度監(jiān)測系統(tǒng)流程圖系統(tǒng)開始上電啟動，蜂鳴器得電鳴一聲，LCD顯示屏也得電初始化，用溫度采集模塊采集實時溫度，單片機自動檢測程序自動檢測，判斷實時溫度與設定溫度的差值，當實時溫度比設定溫度大于3℃時，紅燈長亮，報警器報警，控制設備（降溫系統(tǒng)）啟動，直到恢復設定值為止。當實時溫度比設定溫度小于1℃時，綠燈常亮，當實時溫度比設定溫度大于1℃且小于3℃時，綠燈閃爍，提醒人們溫度的范圍，經(jīng)過LCD顯示屏顯示出來，及結束程序。見下圖3-1。

綠燈常亮溫度判定紅燈常亮LCD顯示綠燈閃爍蜂鳴器報警自動檢測溫度采集LCD初始化蜂鳴器鳴叫系統(tǒng)開始程序結束綠燈常亮溫度判定紅燈常亮LCD顯示綠燈閃爍蜂鳴器報警自動檢測溫度采集LCD初始化蜂鳴器鳴叫系統(tǒng)開始程序結束T>3℃T<1T>3℃T<1℃11℃<T<3℃圖3-1溫度監(jiān)測系統(tǒng)流程圖

第三部分設計成果1仿真結果運行圖如圖3-1所示，我們建立了一個以單片機，溫度傳感器，LCD顯示屏，A/D轉換器，按鍵設置溫度值，及報警器為一個整體來監(jiān)測溫室大棚內(nèi)的溫度變化，實現(xiàn)自控控制及智能監(jiān)測。圖3-1整體仿真電路圖2程序清單DQBITP3.7;1wireline（p3.7引腳接DS18B20并置位）swpHequ0d2H（等值偽指令賦值高溫與低溫）swpLequ0ffHWDLSBDATA30H;WDMSBDATA31H;***************************************************************ORG0000H（設置目標程序起始地址）LJMPMAINORG000BHLJMPTMR0;Timer0isr********************************************************（T0中斷服務循環(huán)）TMR0:MOVTH0,#swpHMOVTL0,#swpLJB21H,DSLMOVP0,42HORLP0,#00100000BSJMPEXITDSL:MOVP0,43HORLP0,#00010000BEXIT:CPL21HRETI（主程序）MAIN:TOINIT:CLREAMOVTMOD,#01H（定時計數(shù)器T0初始化）MOVTH0,#swpHMOVTL0,#swpLSETBEASETBET0SETBTR0***********************************************************MOVR2,#2MOVR0,#42H;OVER:MOV@R0,#00H;INCR0DJNZR2,OVER（循環(huán)判斷）LOOP:LCALLDSWD;（調(diào)用子程序從DS18B20中讀取溫度）SJMPLOOP;**********************************************************（從DS18B20中讀溫度）DSWD:LCALLRSTSNR;InitoftheDS18B20JNBF0,KENDMOVR0,#0CCHLCALLSEND_BYTEMOVR0,#44HLCALLSEND_BYTE;SendaConvertCommandSETBEAMOV48H,#1SS2:MOV49H,#255SS1:MOV4AH,#255SS0:DJNZ4AH,SS0DJNZ49H,SS1DJNZ48H,SS2CLREALCALLRSTSNRJNBF0,KENDMOVR0,#0CCHLCALLSEND_BYTEMOVR0,#0BEHLCALLSEND_BYTE;SendReadScratchpadcommandLCALLREAD_BYTE;ReadthelowbytefromscratchpadMOVWDLSB,A;保留低溫LCALLREAD_BYTE;ReadthehighbytefromscratchpadMOVWDMSB,A;保留高溫LCALLTRANS12KEND:SETBEARET;**********************************************************;TRANS12:MOVA,30HANLA,#0F0HMOV3AH,AMOVA,31HANLA,#0FHORLA,3AHSWAPAMOVB,#10DIVAB ;MOV42H,AMOV43H,B;MOVb,#10DIVabMOV42H,BMOV41H,ARET;*************************************************;Sendabytetothe1wirelineSEND_BYTE:;MOVA,R0MOVR5,#8SEN3:CLRCRRCAJCSEN1LCALLWRITE_0SJMPSEN2SEN1:LCALLWRITE_1SEN2:DJNZR5,SEN3;RET;*************************************************;Readabytefromthe1wirelineREAD_BYTE:MOVR5,#8READ1:LCALLREADRRCADJNZR5,READ1;MOVR0,ARET;*************************************************;Reset1wirelineRSTSNR:SETBDQNOPNOPCLRDQMOVR6,#250;DJNZR6,$MOVR6,#50DJNZR6,$SETBDQ;MOVR6,#15DJNZR6,$CALLCHCK;MOVR6,#60DJNZR6,$SETBDQRET;*************************************************（低溫子程序）CHCK:MOVC,DQJCRST0SETBF0;SJMPCHCK0RST0:CLRF0;CHCK0:RET;*************************************************WRITE_0:CLRDQMOVR6,#30DJNZR6,$SETBDQRET;*************************************************WRITE_1:CLRDQNOPNOPNOPNOPNOPSETBDQMOVR6,#30DJNZR6,$RET;*************************************************READ:SETBDQ;NOPNOPCLRDQNOPNOPSETBDQ;NOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPMOVC,DQMOVR6,#23DJNZR6,$RET;**********************************************DELAY10:MOVR4,#20（動態(tài)顯示用于延時）D2:MOVR5,#30DJNZR5,$DJNZR4,D2RETend

第四部分結論本設計綜