蔬菜大棚溫度控制器設計.doc

遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學學 單片機原理及接口技術單片機原理及接口技術 課程設計 論文 課程設計 論文 題目 題目 蔬菜大棚溫度控制器設計蔬菜大棚溫度控制器設計 院 系 院 系 專業(yè)班級 專業(yè)班級 學學 號 號 學生姓名 學生姓名 指導教師 指導教師 簽字 起止時間 起止時間 2012015 5 06 22 201 06 22 2015 5 7 0 7 05 5 本科生課程設計 論文 I 課程設計 論文 任務及評語課程設計 論文 任務及評語 院 系 教研室 注 成績 平時20 論文質(zhì)量60 答辯20 以百分制計算 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 15 30 度 白天溫度控制在 25 30 度 夜間溫度控制在 15 20 度 設計任務 設計任務 1 CPU 最小系統(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) 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(zhuǎn)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 本科生課程設計 論文 II 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 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 本科生課程設計 論文 III 目 錄 第 1 章 緒論 1 1 1 溫度控制系統(tǒng)概況 1 1 2 本文研究內(nèi)容 1 第 2 章 CPU 最小系統(tǒng)設計 2 2 1 蔬菜大棚溫度自動控制總體設計方案 2 2 2 CPU 的選擇 3 2 3 數(shù)據(jù)存儲器擴展 4 2 4 復位電路設計 5 2 5 時鐘電路設計 5 2 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 7 3 1 溫度傳感器的選擇 7 3 2 溫度輸出接口電路設計 8 3 3 人機對話接口電路設計 8 第 4 章 溫度控制器軟件設計 11 4 1 軟件實現(xiàn)功能綜述 11 4 1 1 主程序流程圖設計 11 4 1 2 中斷系統(tǒng)流程圖設計 12 第 5 章 系統(tǒng)設計與分析 13 5 1 系統(tǒng)原理圖 13 5 2 系統(tǒng)原理綜述 13 第 6 章 課程設計總結(jié) 15 參考文獻 16 本科生課程設計 論文 1 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?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 可 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?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) 本科生課程設計 論文 2 第 2 章 CPU 最小系統(tǒng)設計 2 1 蔬菜大棚溫度自動控制總體設計方案 晶振模塊 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(jié)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 復位模塊顯示模塊 溫度調(diào)節(jié)模塊 89C51 溫度檢測模塊 本科生課程設計 論文 3 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(jié)構圖 圖 2 2 89C51 的引腳結(jié)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 0 P0 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) 驗證時 要接上拉電阻 P0 口能以吸收 電流的方式驅(qū)動 8 個 LSTTL 負載 本科生課程設計 論文 4 P1 0 P1 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(qū)動 4 個 LSTTL 負載 P2 0 P2 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(qū)動 4 個 LSTTL 負載 P3 0 P3 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獨立的定義為第一功能的 輸入輸出或第二功能 P3 口能驅(qū)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(jié)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 本科生課程設計 論文 5 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 P0 P3 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 本科生課程設計 論文 6 圖 2 4 復位電路圖 2 5 時鐘電路設計 AT89C51 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 1 12MHz 圖 2 5 時鐘電路圖 本科生課程設計 論文 7 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 并對溫度值 能夠把二進制轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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 本科生課程設計 論文 8 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 現(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(zhuǎn)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 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(zhuǎn)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 本科生課程設計 論文 9 3 2 溫度輸出接口電路設計 圖 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(zhuǎn) 當 PWM 端輸入低電平時 常開端 5 斷開 M4QA045 電機停止運轉(zhuǎn) 3 3 人機對話接口電路設計 非編碼鍵盤可以分為兩種結(jié)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 獨立式按鍵的電路的結(jié)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 本科生課程設計 論文 10 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 本科生課程設計 論文 11 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 圖4 1主程序流程圖 開始 設定溫度 當前溫度 啟動加熱引風機 啟動風扇降溫 結(jié)束 復位 本科生課程設計 論文 12 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CPU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 圖 4 2 中斷系統(tǒng)流程 中斷服務 開中斷 中斷返回 保護現(xiàn)場 開中斷 關中斷 恢復現(xiàn)場 本科生課程設計 論文 13 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 可以通 過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 開啟 本科生課程設計