蔬菜大棚温度控制器设计
辽宁工业大学
单片机原理及接口技术课程设计（论文）题目：蔬菜大棚温度控制器设计
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起止时间：2015.06.22-2015.7.05
课程设计（论文）任务及评语
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注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要
蔬菜大棚内通过调节温度可以有效地控制二氧化碳的浓度，二氧化碳是对植物生长起着重要的作用。因此，对棚内温度的控制是非常重要的。本文介绍的分布式单总线蔬菜大棚温度监测预警系统，采用全数字化设计，直接监测每个棚内不同部分的温度，通过对温度的良好控制，有效地提高蔬菜的产量。本温度设计采用现在流行的AT89S52单片机，配以DS18B20数字温度传感器，该温度传感器可自行设置温度上下限。单片机将检测到的温度信号与输入的温度上、下限进行比较，由此作出判断是否启动继电器以开启设备。实现对蔬菜大棚温度的检测与控制，从而有效提高蔬菜的产量。给出了电路图和程序流程图并附有源程序。由于利用了单片机及数字控制系统的优点，系统的各方面性能得到了显著的提高。
关键词：温度传感器；AT89C51；LED显示器；固态继电器
目录
第1章绪论 (1)
1.1温度控制系统概况 (1)
1.2本文研究内容 (1)
第2章CPU最小系统设计 (2)
2.1蔬菜大棚温度自动控制总体设计方案 (2)
2.2CPU的选择 (3)
2.3数据存储器扩展 (4)
2.4复位电路设计 (5)
2.5时钟电路设计 (5)
2.6CPU最小系统图 (6)
第3章温度传感器输入输出接口电路设计 (7)
3.1温度传感器的选择 (7)
3.2温度输出接口电路设计 (8)
3.3人机对话接口电路设计 (8)
第4章温度控制器软件设计 (11)
4.1软件实现功能综述 (11)
4.1.1主程序流程图设计 (11)
4.1.2中断系统流程图设计 (12)
第5章系统设计与分析 (13)
5.1系统原理图 (13)
5.2系统原理综述 (13)
第6章课程设计总结 (15)
参考文献 (16)
第1章绪论
1.1温度控制系统概况
随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。特别是近年来, 温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，但温度控制一直是一个未开发的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。针对这种实际情况，设计一个温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。可见，温度的测量和控制是非常重要的。单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。
1.2本文研究内容
本设计是对蔬菜大棚内温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：当蔬菜大棚内温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使温度上升，同时绿灯亮。当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当蔬菜大棚内温度高于设定上限温度时，系统自动启动风扇降温，使温度下降，同时红灯亮。当温度下降到上限温度以下时，停止降温。温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。数码管即时显示温度，精确到小数点一位。该系统能够对大棚内的温度进行采集，利用温度传感器将温室大棚内温度的变化，变换成数字量，其值由单片机处理，最后由单片机去控制液晶显示器，显示温室大棚内的实际温度，同时通过与预设量比较，对大棚内的温度进行自动调节。
2.1 蔬菜大棚温度自动控制总体设计方案
图2.1 温度自动控制总体框图
表2.1 各模块功能表
晶振模块
复位模块
显示模块
温度调节模块
89C51
温度检测模块
2.2CPU的选择
CPU是单片机内部的核心部分，是单片机的指挥和执行机构，它决定了单片机的主要功能特性。从功能上看，CPU包括两个基本部分：运算器和控制器。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，本实验采用89C51单片机。
下面介绍89C51的内部资源及引脚结构图。
图2.2 89C51的引脚结构
RESET是复位信号输入端，高电平有效。当振荡器工作时，在此引脚上出现两个机器周期以上的高电平，就可以使单片机复位。
ALE引脚是地址锁存允许信号。
PSEN是外部程序存储器的读选通信号。
EA是内、外ROM选择端。
输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2和P3。
P0.0～P0.7：P0口是一个8位双向I/O端口。在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和作8位双向数据总线。在EOROM编程时，从P0口输入指令字节；在验证程序时，则输出指令字节（验证时，要接上拉电阻）。P0口能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。
P1.0～P1.7：P1是8位准双向I/O端口。在EPROM编程和程序验证时，它输入低8位地址。P1口能驱动4个LSTTL负载。
P2.0～P2.7：P2是8位准双向I/O端口。在CPU访问外部存储器时，它输出高8位地址，在对EPROM编程和程序检验时，它输入高8位地址。P2口可驱动4个LSTTL负载。
P3.0～P3.7：P3是8位准双向I/O端口。它是一个复用功能口，作为第一功能使用时，为普通I/O口，其功能和操作方法与P1口相同。作为第二功能使用时，各引脚的定义如下表。P3口的每一条条引脚均可以独立的定义为第一功能的输入输出或第二功能。P3口能驱动4个LSTTL负载。
2.3数据存储器扩展
AT89C51片内喊有28字节的数据存储器RAM，主要用工作寄存器、堆栈、软件标志和数据缓冲器。对于简单的测控系统，用它存放运算的中间结果，容量是够用的。但是对于大量数据采集处理系统，则需要在片外扩展RAM。
89C51片内有128B的RAM存储器，在实际应用中仅靠这128B的数据存储器是远远不够的。这种情况下可利用89C51单片机所具有的扩展功能，扩展外部数据存储器。89C51单片机最大可扩展64KBRAM。
图2.3 数据储存器扩展图
2.4复位电路设计
复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因此，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身不能自动复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现的。
当89C51通电，时钟电路开始工作，在单片机的RST引脚加上大于24个时钟周期以上的正脉冲，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0～P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其他专用寄存器被清0。RST由高电平降为低电平后，系统从0000H地址开始执行程序。
图2.4 复位电路图
2.5时钟电路设计
AT89C51芯片内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器。反向放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2。在TXAL1和XTAL2两端跨接由石英晶体及两个电容构成的自激振荡器。电容器C1和C2通常都取30pF左右，选用不同的电容量对振荡频率有微调作用。但石英晶体本身的标定频率才是单片机振荡频率的决定因素。其振荡频率范围是1～12MHz。
图2.5 时钟电路图
2.6 CPU 最小系统图
图2.6 CPU 最小系统图
3.1温度传感器的选择
温度传感器的作用是采集大棚内的温度，并进行判断和显示。由于智能温度传感器DS18B20既能对温度进行测量，又能设定所需要控制的温度，并对温度值能够把二进制转换成十进制，所以本设计系统中选用智能温度传感器DS18B20。信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，传感器和数字转换电路都被集成在一起，每个DS18B20在出厂时都已给定了唯一的64位序列号，并且DS18B20只有一个数据输入/输出口，因此，多个DS18B20可以并联到3或2根线上，CPU 只需一根端口线就能与诸多DS18B20进行通信，而它们只需简单的通信协议就能加以识别，这样就节省了大量的引线和逻辑电路。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。用户还可自设定非易失性温度报警上下限值，并可用报警搜索命令识别温度超限的DS18620。由于该温度计采用数字输出形式，故不需要A/D转换器。
图3.1 DS18B20的引脚图
DS18B20的主要特性，DS18B20有下列主要特性 :
1）只需一根I/O线就能完成通信 ;
2）多个分散的DS18B20可以共用一线进行通信;
3）不需外部元器件 ;
4）可以通过数据线供电 ;
5）检测温度范围为-55～+125°C ,精度在0.5度 ;
6）用9bit数字量来表示温度 ;
7）每次将温度转换成数字量需200ms。
8）可定义一个不变化的温度设置为报警温度;
9）有PR35T和SSOP两种封装型式。
DS1820I/O位数据输入/输出端（即单线总线），它属于漏极开路输出，外接上拉电阻后，常态下呈高电平。DDU是可供选用的外部+5V电源端，不用时需接地。GND为地，NC为空脚。
3.2温度输出接口电路设计
图3.2 排风扇输出电路图
由PWM控制温度调节模块，当PWM端输入高电平时，电流经Q4放大，常开端5闭合，M4QA045电机运转，当PWM端输入低电平时，常开端5断开，M4QA045电机停止运转。
3.3人机对话接口电路设计
非编码键盘可以分为两种结构形式：独立式按键和行列式按键。
独立式按键：是指直接用I/O口线构成单个按键电路，每一个按键占用一条I/O口线，每个按键的工作状态不会产生相互影响。图所示为一种独立式按键电路，当图中的某一个按键闭合时，相应的I/O口线就变成低电平。当程序查询到
为低电平的I/O口线时，就可以确定处于闭合状态的键。
独立式按键的电路的结构和处理程序简单，扩展方便，但占用的I/O口线相对较多，不适合在按键数量较多的场合下采用。
行列式键盘：将I/O口线的一部分作为行线，另一部分作为列线，按键设置在行线和列线的交叉点上，这就构成了行列式键盘。
本设计有三个按键，共需要三个I/O口线，占用的口线不多，因此可以采用独立式按键。
图3.3独立式按键电路
图3.4显示电路
为了方便管理者能明确的观察到某一路的温度，这里要有显示电路，共有七个数码管，两位是用来显示设定的最高温度，两位用来显示设定的最低温度，两位是用来显示当前某一路的温度，一位是用来显示当前的路数。
常用的数码管显示器为8段，每一段对应一个发光二极管，分为共阳和共阴两种。共阴极LED显示的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED的发光二极管的样机连接在一起，通常此公共阳极接高电平，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。
第4章温度控制器软件设计
4.1软件实现功能综述
本温度控制系统在设计过程中，遵循的是稳定化、高效化、简单化、小型化的特点，最大限度提高系统的性价比。应用软件采用模块化的程序设计方法，这种条理清晰的设计方法免去一部分软件的重复编程，然后组合成符合要求的应用程序，因此本应用软件分为两大部分：主程序和子程序设计。
本实验要实现的是蔬菜大棚温度控制。由89C51单片机和其他一些器件组成的控制系统，要实现的软件功能是将蔬菜大棚中的温度信息通过温度检测模块传送给89C51单片机，让单片机识别，并显示。然后温度进行判断，进行调节，通过显示模块显示温度，使大棚中的的温度一直维持在适合蔬菜生长的条件下。
4.1.1主程序流程图设计
图4.1主程序流程图
温度信号通过温度检测模块传送给89C51单片机，由单片机判断温度，当监测温度超过上限报警值时，可开启排风扇降温；当温度低于下限报警值时，可开启加热引风机提高温室内的温度。
4.1.2中断系统流程图设
当CPU正在处理数据时，外部发生紧急情况时，要求CPU停止当前工作，去处理紧急情况，而中断系统有许多的优点，实现分时操作采用中断技术后，快速的CPU和慢速的外设可以各做各的事情。进行实时处理在实时控制的过程中，CPU会根据当时的情况及时做出反应，进行实时控制。故障处理系统在运行过程中往往会出现一些异常情况。
图4.2中断系统流程
第5章系统设计与分析
5.1系统原理图
图5.1系统原理图
5.2系统原理综述
本系统以AT89C51单片机为控制核心，利用温度传感器对蔬菜大棚内的温度进行实时采集与控制，实现温室温度的自动控制。本系统由单片机小系统模块、温度采集模块、加热模块、降温模块、按键以及显示模块六个部分组成。可以通过按键设定温室的温度值，采集的温度和设定的温度通过LED数码管显示。当所设定的温度值比采集的温度大时，通过加热器加热，以达到设定值；反之，开启
降温风扇，以快速达到降温效果。通过该系统，对蔬菜大棚内的温度进行有效、可靠地检测与控制，从而保证大棚内作物在最佳的温度条件下生长，提高质量和
产量。
第6章课程设计总结
以上为本次课设的全部内容，该设计基本满足CPU最小系统设计（包括CPU 选择，晶振电路，复位电路）。温度传感器选择及接口电路设计温度显示及控制电路设计。程序流程图设计及程序清单编写等内容。
89C51单片机把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器计数器集成在一块芯片上，具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点。
89C51单片机最小系统由89C51单片机、数据扩展芯片、时钟电路和复位电路构成，形成了总控制中心,对数据进行处理。本文中详细介绍了89C51的引脚功能，为正确使用89C51提供了条件，同时也对最小系统中的替他部分进行了说明及描述。
对89C51单片机的软件编程，完成本文研究的内容，即蔬菜大棚的温度控制设计。
由于本人水平有限所设计内容、方法、取得的效果不是特别突出，在一些方面还是存在理想化。
参考文献
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