毕业设计基于单片机的温室大棚内温度检测与控制系统的设计.doc

XXX 大大学学 XXX 学学院院 本本科科毕毕业业论论文文 (设设计计) 题题 目：目：温室大棚内的温度检测与控制系统的设计温室大棚内的温度检测与控制系统的设计 学学 部：部： 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师姓名：指导教师姓名： 指导教师职称：指导教师职称： 201 年年 月月 日日 温室大棚内的温度检测与控制系统的设计 摘 要 本系统以 AT89C51 单片机为控制核心，利用温度传感器 AD590 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。 关键词：单片机；温度传感器；温度控制；温度显示；键盘输入；温室 Automatic Temperature-Control System of Greenhouse (College of Physics Science and Information Engineering, Jishou University, Jishou, Hunan 416000) Abstract This system takes the AT89C51 single chip as the control core, using the temperature sensor AD590 to carry on real-time gathering and controlling to the greenhouse of vegetables, so it can realizes auto-control to the greenhouses temperature. This system contains the miniature single chip system module, the temperature gathering module, the heater module, the drop- temperature module, the key pressed module and the display module. The gathering temperature or the setting temperature is displayed through the seven-seg LED. It can be established new temperature value in the greenhouse through pressing buttons, when this temperature value is higher than the gathering temperature value, then makes the heater work in order to achieve the defined value; Otherwise, the heater knocks off, and opens the ventilator as fast as to achieve the supposed temperature. It will be effective and reliable to exam and control the temperature of the greenhouse by using this system, thus guarants the crop growing fine under the best temperature condition, and enhances the crops quality and output. Key words: Single chip; Temperature sensor; Temperature control; Temperature display; Keyboard entry; Greenhouse 目目 录录 1 1 引言引言.1 2 2 硬件设计硬件设计.3 2.1 设计思路.3 2.2 总体设计框图.3 2.3 基于 AT89C51 的单片机小系统.4 2.3.1 时钟脉冲.4 2.3.2 复位电路.5 2.4 温度采集模块.5 2.4.1 与温度传感器 AD590 配合使用的各个运算放大器 OPA 的功能 .6 2.4.2 温度转换器 ADC0804 的功能.7 2.5 显示模块.9 2.5.1 译码 IC 7447.9 2.5.2 段 LED 数码七管 .10 2.6 键盘扫描.11 2.6.1 键盘.11 2.6.2 键盘扫描芯片.12 2.7 WP 型温室加热器.12 2.8 降温模块.13 3 3 软件设计软件设计.15 3.1 主程序.15 3.2 定时器 T0 中断.17 3.3 显示模块.19 3.4 按键扫描.20 4 4 测试分析测试分析.23 结束语结束语.24 参考文献参考文献.25 致致 谢谢.26 附附 录录.27 附录 1 系统电路图.27 附录 2 源程序代码.27 1 1 引言引言 温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量1。其中温度是一个非常重 要的过程变量，因为它直接影响工农业生产、国防建设、科学研究、对外贸易以及 人民生活各个领域。因此，作为温度控制系统的恒温系统广泛应用于农业、石油、 化工、冶金、食品、医药、商检、国防、教学、科研等领域。温度的合理、准确、 便捷的控制对提高产品质量和生产技术水平具有重要意义。作为人口大国，通过发 展高科技提高农产品的产量有着十分现实的实际意义。而运用农业恒温系统是现代 设施农业领域中的核心内容之一。运用于农业的恒温系统是一种通过计算机实现温 室环境因子实时调控的网络控制技术，集农业科技上的高、精、尖技术和计算机自 动控制技术于一体，是现代农业科技向产业转化的物质基础。 传统的恒温系统采用模拟电路设计，存在不可避免的缺陷，如温度控制的精度 差，易出现温度的漂移，电路结构复杂，缺乏友好的人机截面，温度控制的实时性 差等。随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高 生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。随着单片机及各种电子器件性价 比的迅速提高，使得这种要求变为可能。 温室环境控制是在充分利用自然资源的基础上，通过改变环境变量，如温度、 湿度、光度等来获得植物的最佳生长环境，从而达到增加作物产量、改善作物品质、 调节作物生长周期、提高经济效益的目的。温室控制应做到： 1）温室中承载的是有生命的植物，因此保证温室中培育对象的安全是最基本 的要求。 2）为了保证温室中培育对象的良性生长，温室的气候调节过程需缓慢进行， 应尽可能通过各种设施运作减少温室外部气候变化对温室环境气候的影响。 3）严格按照温室中培育对象的生长规律分阶段对温室进行控制，在每个阶段 都需保证环境气候、水肥、放病虫害等指标达到要求。 4）随时根据市场现有的信息预测市场未来的变化，从而决定对温室的投入， 控制产品的上市时间。5）实现农业可持续发展的根本保障是在农业生产过程中保 护生态环境，因此温室生产要考虑生态效益的要求，不施农药，保持土壤原有酸碱 度，保护地下水和空气不受污染等。 6）尽可能低成本运作，例如尽量利用太阳能，选择最适宜的加温温度，营养 液在线检测和循环使用，尽可能低成本通风、低消耗除湿。 7）温室控制系统的最理想目标是保证良好的综合效益，即在保证生态效益的 前提下，提高经济效益，也就是产量提高、能源消耗降低、资源消耗减少。 本文设计的恒温系统采用 AT89C51 单片机2控制技术对温度进行调节，具有操 作简单便捷、采集方便准确、适应性强、成本低以及节省能源的特点，可明显增加 使用者的经济效益。该系统不但可以推行到温室中，还可以应用于其他进行温度调 节的场合。随着科学技术的进步，这种温度控制系统已经有了越来越多的应用，给 人们的生活和生产带来了极大的便利。比如说温度控制系统可以应用在各种高档智 能连栋温室、日光温室生态酒店、生态洗浴工程设计、家庭休闲温室、异型温室、 楼顶温室设计、现代化畜禽舍的设计等等。 2 硬件设计 本系统要控制的对象为这样一个规模的温室。温室结构的参数为：屋脊高 5.2m，檐高 3m，单跨度 6.5m，长为 20m，地面面积为 130 平方米3。要实现的目标 是，使薄膜温室的温度保持在 2030之间，在这个区域内温度值是可设定的。 2.1 设计思路 系统原理框图如图 2.1 所示，温室温度自动控制系统总体电路图见附录一。本 系统由单片机小系统模块、温度采集模块、WP 型温室加热器、降温模块、按键以及 显示模块六个部分组成。通过按键设定温度值，设定的温度值和采集的温度值都可 以通过 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。该系统对温度的控制 范围在 2030，温度控制的误差小于等于 0.5。通过使用该系统，对蔬菜 大棚内的温度进行有效、可靠地检测与控制,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。 2.2 总体设计框图 图 2.1 系统原理框图 温度采集 键盘扫描 显示 WP 型温室加热器 AT89C51 控制系统 降温模块 该系统分为六个模块，分别是单片机小系统模块、温度采集模块、显示模块、 键盘扫描模块、加热模块和降温模块。现分别介绍如下： 2.32.3 基于 AT89C51 的单片机小系统 本系统采用 Atmel 公司所生产的 MCS51 系列中的 AT89C51 单片机4。 AT89C51 单片机小系统如图 3.1 所示： 图 3.1 单片机小系统 这个小系统由两部分组成，现介绍如下： 2.3.1 时钟脉冲 AT89C51 内部已具备振荡电路，只要在接地引脚上面的两个引脚（即 19、18 脚） 连接简单的石英晶体即可。AT89C51 的时钟频率为 12MHz。 2.3.2 复位电路 AT89C51 的复位引脚（Reset）5为第 9 脚，当此引脚连接高电平超过 2 个机器 周期（一个机器周期为 6 个时钟脉冲） ，即可产生复位的动作。以 12MHz 的时钟脉 冲为例，每个时钟脉冲 1us,两个机器周期为 12us,因此，在第 9 脚上连接一个 12us 以上的高电平脉冲，即可产生复位的动作。对于上电复位，复位引脚上串接了一个 电容，当复位引脚接 +5 伏电压时，电容相当于短路，经过一段时间（在这段时间 内完成复位）后，电容处于充电状态，相当于断开。还有一种是手动复位,它的接 法是在 AT89C51 复位引脚所串连的电容上并联接一个按钮开关。当按钮没按下时， 电容处于充电状态；当按钮按下时，电容对复位引脚放电，从而在这个引脚上产生 高电平，达到复位的目的。 2.4 温度采集模块 本系统的温度采集和转换电路原理图如图 3.2 所示，它的工作过程为：系统通 过 AD5906采集外界的温度参数，并通过三个放大器的作用将温度转化为电流模拟 量；此模拟量通过 ADC08047的转化变成数字量，以便单片机辨认接收。 图 3.2 AD590 温度传感器工作的系统结构电路图 根据电路图，说明各个器件的功能如下： 2.4.1 与温度传感器 AD590 配合使用的各个运算放大器 OPA 的功能 如上图 3.2 所示： OPA1：以 0为标准，调节可变电阻 R10 使其输出电压为 2.73 伏特。 OPA2：减 2.73 伏特，并反相。 OPA3：放大 5 倍并反相。 例如：AD590 输出电压为 1.5 伏特，则其温度为：1.5/5（OPA3） +2.732（OPA2）=3.302 伏特； 3.302/10K=303.2 微安培； 303.2-273.2=30 微安培30。 注意：ADC0804 的 VREF=2.56V。 表 1 各温度与 3 个 OPA 及 ADC0804 的输入与输出关系 温度值OPA1OPA2OPA3ADC VINADC 输出值 0 2.732V0V0V0V00H 10 2.832V-0.1V0.5V0.5V19H 20 2.932V-0.2V1V1V32H 30 3.032V-0.3V1.5V1.5V4BH 40 3.132V-0.4V2V2V64H 50 3.232V-0.5V2.5V2.5V7DH 60 3.332V-0.6V3V3V96H 70 3.432V-0.7V3.5V3.5VAFH 80 3.532V-0.8V4V4VC8H 90 3.632V-0.9V4.5V4.5VE1H 100 3.732V-1V5V5VFAH 2.4.2 温度转换器 ADC0804 的功能 图 3.3 ADC0804 （1）如图 3.3 所示，所谓 A/D 转换器就是模拟/数字转换器，是将输入的模拟信号 转换成数字信号。信号输入端的信号可以是传感器或是转换器的输出，而 ADC 输出 的数字信号可以提供给微处理器，以便更广泛地应用。 （2）ADC0804 电压输入与数字输出关系如下表 2 所示： 表 2 ADC0804 电压输入与数字输出关系 与满刻度的比率相对电压值 VREF=2.56 伏十六进制二进制码 二 高四位字节低四位字节高四位字节电压低四位字节电压 F111115/1615/2564.8000.300 E111014/1614/2564.4800.280 D110113/1613/2564.0600.260 C110012/1612/2563.8400.240 B101111/1611/2563.5200.220 A101010/1610/2563.2000.200 910019/169/2562.8800.180 810008/168/2562.5600.160 701117/167/2562.2400.140 601106/166/2561.9200.120 501015/165/2561.6000.100 401004/164/2561.2800.080 300113/163/2560.9600.060 200102/162/2560.6400.040 100011/161/2560.3200.020 0000000 例如：VIN=3V，由上表可知 2.880+0.120=3V，为 10010110B=96H。 （3）AD590 产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为 4V30V，检 测的温度范围为-55+150，它有非常好的线性输出性能，温度每增加 1， 其电流增加 1 微安培。当摄氏温度为 0时，AD590 的电流为 273.2 微安培，经 10 千欧姆电阻后其电压为 2.732 伏特。余者依上述方法类推。 （4）利用 AD590 以及接口电路把温度转换成模拟电压，经由 ADC0804 转换成数字 信号后传送给 AT89C51 处理。 （5）温度采集和 AD590 温度传感器工作的系统结构电路图为图 3.2。 2.5 显示模块 译码 IC 及温度显示的电路图如图 3.4 所示。显示部分的工作原理是，它将温 度转换的数字量，即温度值，经由 AT89C51 的 P1 口由两个译码 IC 输出并分别送入 两个七段数码管显示8，这两个 LED 都是共阳极的。 图 3.4 译码 IC 及温度显示 2.5.1 译码 IC 7447 BCD 码转换成 7 段 LED 数码管的译码驱动 IC，如图 3.5 所示，首推 7447 系列， 包括 7446、7449、74LS499。其中的 7446 及 7447 输出低电平驱动的显示码，用以 推动共阳极 7 段 LED 数码管；而 7448 及 74LS49 输出高电平驱动显示码，用以推动 共阴极 7 段 LED 数码管，7446、7447 与 7448 的引脚相同（双并排 16pins） 。7447 引脚说明： 1、D、C、B、A：BCD 码输入引脚。 2、a、b、c、g：7 段数码管输出引脚。 3、/LT：本引脚为测试引脚，当接高电平时，所连接的 7 段 LED 数码管全亮。 正常显示下应接低电平。 4、/RBI：本引脚为涟波淹没输入引脚，正常显示下应接低电平。 5、/BI 和/RBO：本引脚为淹没输入或涟波淹没输出引脚，正常显示下应接低电 平。 图 3. 5 译 码 IC 7447 2.5.2 段 LED 数码七 管 7 段 LED 数码管是利用 7 个 LED 组合而成的显示设备，可以显示 0 到 9 共 10 个数字。当 要显示多个数码管，可分别驱动每个数码管；当要利用人类的视觉暂留现象，则可 以采用快速扫描的方式，只要一组驱动电路即可达到显示多个数码管的目的。 一般来说，7 段 LED 数码管可分为共阳极和共阴极两种，共阳极就是把所有 LED 的阳极连接到共同的接点 com，而每个 LED 的阴极分别为 a、b、c、d、e、f、g 及 dp（小数点） ；同样的，共阴极就是把所有 LED 的阴极连 接到共同的接点 com，而每个 LED 的阳极分别为 a、b、c、d、e、f、g 及 dp（小数 点） 。 2.6 键盘扫描 图 3.6 是键盘扫描的电路图，其中 7492210是键盘扫描 IC。键盘扫描电路的原 理是，将键盘接在一个键盘扫描 IC 74922 上，当在键盘上按下键时，相关的键码 将通过 74922 的 A、B、C、D 口线传递给 AT89C51 单片机。 图 3.6 键盘扫描电路 2.6.1 键盘 本键盘采用电话式键盘，其结构如图 3.7 所示。键盘是接在键盘扫描 IC 74922（上图 3.6 所示）上面的，键盘的输入通过 74922 的 X1X4 和 Y1Y4 输入。 X1 X2 X3 图 3.7 电话式键盘 但鉴于键盘扫描 IC 为 4*4 形式，以下键盘编码每行后面都有 0FFH，以配合硬 123 456 789 *0# Y1 Y2 Y3 Y4 件使用。 按键及分别对应的键盘编码如表 3 所示： 表 3 键盘编码 按键123456 对应编码01H02H03H04H05H06H 按键789*0# 对应编码07H08H09H0AH00HOBH 2.6.2 键盘扫描芯片 键盘扫描芯片 74922 的图形如图 3.6 所示。键盘扫描 IC 74922 的工作过程是 这样的：X1X4 接键盘的行，Y1Y4 接键盘的列，按键信息由这几个口输入， 由 A、B、C、D 四个口输出到 P3 口的低四位，再通过 P1 口经过译码 IC 显示在 LED 上。键盘扫描芯片不断查询是否有按键输入，当查询到有按键时，DA 置 1，同时执 行相应的程序，比较温度是否超出上、下限，进而决定是加热还是降温。 2.7 WP 型温室加热器 如图 3.6 所示，在 AT89C51 的 P2.1 口上接一个继电器，将加热器接在此继电 器上。需要提高温度时，单片机控制 P2.1 口，使之置 1，进而控制加热器加热。 传统的空气对流加热系统，通过反复循环，重复加热冷空气，加热空气时自上 而下，先加热温室的上层，然而地板处在最后，所以很难加热，因此十分耗费能量。 WP 型温室加热器是从下至上进行加热的。温室中的物体和地面由表面吸收热量，同 时又向四周的空气辐射，从而保持整个空间很暖和，这种方式，可以节约能量并减 少运行费用。WP 型温室加热器具有如下特点： (1) 高效节能。本产品消耗的能量比锅炉供暖减少 25%，比传统煤炉降低 40%以上, 从而大大降低了加热运行成本。 (2) 传热效率高。产品由于采用了高科技热超导技术，升温速度特别快。 (3) 投资成本低廉。与传统的利用锅炉干燥方式相比，省去了专用锅炉房、水处理、 水分析、管道、阀门、换热器等设施，投资减少近一半，因而价格便宜。 (4) 本产品结构简单、操作方便、安全可靠、使用寿命长。WP 型温室加热器特别适 合寒冷地区各类蔬菜温室大棚、花房、家禽动物养殖场等需要加热保温的场所。在 温室加热器充分保证棚温室适宜温度后，选择附加值高的蔬菜、花卉必将切实提高 广大用户的经济效益。 2.8 降温模块 如图 3.6 所示，在 AT89C51 的 P2.2 口上接一个继电器,将降温风扇接在此继电 器上。需要降温时，单片机控制 P2.2 口，使之置 1，进而控制降温风扇降温。 当室内温度较高需要降温时，就要用到降温模块了。在此处的温室中，降温模 块包含了两个部分： (1) 自然通风 由于这里的温室周围和顶层留了通风窗（侧窗与天窗），故可以采用自然通风 的方式来降温。当室内温度由于日照而提高时，热空气会因密度降低而上浮，由天 窗溢出，而外界空气由侧窗流入造成对流，温度差异愈大时其流速愈快。自然通风 在冬天效果最好，因为此时内外空气的温差最大。由于空气温差，可使屋顶排气孔 成为绝佳的出气口，侧面排气孔则成为绝佳的进气口。当天气很热时，内外的空气 温差就很小，甚至不存在。事实上，当最需要通风的时候往往是自然通风最小的时 候。若通风是外界风所引起，则较温暖的地区，使用自然通风会有较佳的效果。 (2) 机械通风 机械式通风一般指的是使用降温风扇等降温设备将温室内的热空气强制抽出， 同时由于压差而将大气吸入，达到通风的效果。这个方案需要维持适当的气密性， 才能使空气由进气口进，由排气风机出；但是也因为气密而容易有热累积的现象， 是以在设计上需注意通风量的大小，至少其降温效果要优于自然通风，即要比在同 一地点采用侧窗配合天窗的温室的降温效果要好。利用风扇在温室内产生负压的强 行通风方式比自然通风系统可靠，通常将通风率设计为每一分钟一个温室体积(1 AC, Air Change)的通气风量率。一间 10m x 33m 的温室大约需 700 m3/min 的通气 风量率。由kW 马达带动的风机（系统负压为 2.5 厘米水柱）可提供此风量率。 若风扇以平均每天消耗 1 元计算，则业者每月每平方米温室面积的电费应为 1 元。 电费会随季节、作物种类和地理位置的不同而有所差异。由于这种降温方法需要耗 电，相比于自然通风，这是它的缺点。 在这个温室大棚中，运用的是自然通风和机械通风相结合的方式。当需要降温 的幅度不大时，则打开天窗和侧窗，利用自然通风来降温，这样既可达到很好的降 温效果，又节省了开支。而当要降温的幅度偏高或者自然条件下不适合用自然通风 降温时，就采取机械通风的方式来降温。当然，在自然条件允许的条件下，采用自 然通风和机械通风相结合的降温方式可以达到更好的降温效果。 3 软件设计 本系统的工作流程是，操作人员可以从键盘上输入要设定的温度值。当此温度 值与当前温度不同时，单片机控制系统采取调节的动作。当设定温度大于测定温度 时，则使加热器工作；当设定温度小于测定温度时，则开启降温风扇。此程序流程 包括 4 个部分。第一部分是主程序，它描述的是程序的总体结构；第二部分是定时 器 T0 的描述，它的功能是将实际温度和设定的温度比较，再作出相应的动作；第 三部分是键盘扫描部分；第四部分是显示部分，用于显示温度值（系统总程序见附 录 2） 。 3.1 主程序 主程序流程图如图 3.8 所示： 图 3.8 主程序 本温度控制系统的总体设计思路见图 3.8 的主程序流程图，系统采用温度传感 器 AD590 采集温度数据，再由 ADC0804 模数转换器将温度转化为单片机可以处理的 数据。本系统将温度总体控制在 20到 30之间，并且可以通过键盘输入要设定 的温度值，并通过 7 段数码管显示出来。在整个系统的运行期间，有一个定时器 T0 中断每隔 20ms 扫描一次，用于当前温度与设定温度的比较，然后发出加温或降温 的命令。程序代码如下： ORG 00H JMP START ORG 0BH JMP TIM0 ;定时器 T0 中断子程序 START: MOV TMOD,#01H ;选择 TIMER0，MODE1 MOV TH0,#60 MOV TL0,#76 SETB TR0 ;启动定时器 T0 MOV IE,#82H MOV R4,#09H ;(30H)-(38H)寄存器 Y N Y N 开始 系统初始化 A/D 转换 判断有无按键？ A/D 转换完成否？ 显示 按键程序 MOV R0,#30H CLEAR: MOV R0,#00H ;清除 RAM(30H)-(38H) DJNZ R4,CLEAR MOV A,#00H MOV DPTR,#TABLE1 MOVC A,A+DPTR MOV 34H,A ;(34H)为上限温度-30 度 MOV A,#01H MOV DPTR,#TABLE1 MOVC A,A+DPTR MOV 35H,A ;(35H)为下限温度-20 度 MOV 36H,#0FFH ;(36H)为存储的旧温度值 START0: MOVX R0,A ; /WR=0,ADC0804 开始转换 WAIT: JB P3.4,KEYIN ; P3.4=1 表示有按键，转往按键子程序 JB P2.0,ADC ;检测 ADC0804 转换完成否？P2.0=1， ; 则完成 JMP WAIT ADC: MOVX A,R0 ;将转换好的数据送入累加器 MOV 37H,A ;温度的比较。将现温度值存入 37H CLR C SUBB A,36H ;现温度值减去旧温度寄存器的值 JC TDOWN TUP: MOV A,37H ;将现温度值存入 A CLR C SUBB A,34H ;与上限温度作比较 JNC POFF ;C=0 表示比上限温度大，必须停止加热 JMP LOOP PON: CLR P2.1 JMP START0 POFF: SETB P2.1 ;继电器不动作，即停止加热 JMP LOOP TDOWN: MOV A,37H ;将现温度值存入 A CLR C SUBB A,35H ;与下限温度作比较 JC PON ;C=1 表示比下限温度小，须加热 JMP LOOP LOOP: MOV 36H,37H ;将现温度值存入 36H 中 CLR A MOV R4,#0FFH ;延迟 DJN