基于AT89C51单片机的蔬菜大棚温度控制系统设计.docx
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1、目 录摘要 :3关键词 :. 4引言 :. 5 1系.统方案选择和论证 . 6 1.1任务 . 6 1.2任务要求 . 6 1.3系统基本方案 . 6 1.3.1各模块电路的方案选择及论证61.3.2 系统各模块的最终方案92. 系统硬件设计. 10 2.1单片机型号选择 . . 10 2.2单片机最小系统电路设计 .13 2.3温度采集部分设计 .15 2.4按键电路设计 .24 2.3数码管显示电路设计. . 25 2.4温度控制电路设计 . .29 2.5 报警电路设计 .292.6 电源输入部分303. 系统软件设计32 3.1读取 DS18B20 温度模块子程序33 3.2数据处理子
2、程序.34 3.3键盘扫描子程序 .35 3.4主程序流程图36致谢39参考文献39附录 A : 本设计整体电路图 .40附录 B :程序清单41摘要 :本设计以 AT89C51 单片机为核心的温度控制系统的工作原理和设计方法。温度信 号由温度芯片 DS18B20 采集 , 并以数字信号的方式传送给单片机。 文中介绍了该 控制系统的硬件部分 ,包括 :温度检测电路、温度控制电路、温度显示电路。单片机通过对信号进行相应处理 , 从而实现温度控制的目的。 文中还着重介绍了软 件设计部分 ,在这里采用模块化结构 ,主要模块有 :数码管显示程序、键盘扫描 及按键处理程序、温度信号处理程序、继电器控制程
3、序、超温报警程序。通过对基于单片机的相对温度控制器设计,加深对传感器技术及检测技术的了解 ,巩固对单片机知识的掌握 ,并系统的复习本专业所学过的知识。关键词 :AT89C51 单片机 DS18B20 温度检测芯片 温度控制Abstract :This design as the core of the AT89C51 temperature control system of the working principle and design method. Temperature signal chipDS18B20collection by the temperature, and the
4、way to digital signal transfer to the microcontroller. The paper introduces the hardware part of the control system, including: temperature detection circuit, temperature control circuit, temperature display circuit. SCM through to signal processed, so as to achieve the purpose of temperature contro
5、l. This paper has mainly introduced the software design part, here the modularized structure, main module has: digital tube show program, keyboard scanning and key processing program, temperature signal processing program, relay control procedures, super temperature alarming program.Through to the r
6、elative temperature controller based on single chip design, deepen our understanding of the sensor technology and testing technology of understanding, consolidate the SCM grasp the knowledge and the system review this professional the learned knowledge.Keywords: AT89C51 single-chip microcomputer tem
7、perature detection chipDS18B20temperature control基于 AT89C51 单片机的蔬菜大棚温度控制系统设计09 级 机电一体化 田志营指导老师 :马力 崔茂齐引言 :蔬菜的生长与温度息息相关 , 对于蔬菜大棚来说 , 最重要的一个管理因素是温度控制。 温度太低 , 蔬菜就会被冻死或则停止生长 , 所以要将温度始终控制在适合 蔬菜生长的范围内。如果仅靠人工控制既费时费力 , 效率低 ,又容易发生差错 , 为此 , 在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温度自动控制系统 , 来监控采集大棚内 各个角落的温度变化情况 , 以控制蔬菜大棚温度 , 适应生产需要。
8、要时刻对蔬菜 大棚的温度进行测量 ,就离不开温度传感器。传统的继电器调温电路简单实用 ,但由于继电器动作频繁 ,可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的 PID 控制方式 , 但 PID 控制对象的模型难以建立 , 并且当扰动因素不明确时 , 参数调整不便仍是普遍存在的问题。 而采用数字温度传感器 DS18B20,因其内部集成了 A/D 转换器 ,使得电路结构更加 简单 , 而且减少了温度测量转换时的精度损失 , 使得测量温度更加精确。 数字温 度传感器 DS18B20 只用一个引脚即可与单片机进行通信 ,大大减少了接线的麻 烦, 使得单片机更加具有扩展性。 由于 DS18B2
9、0 芯片的小型化 , 更加可以通过单 跳数据线就可以和主电路连接 , 故可以把数字温度传感器 DS18B20 做成探头 , 探 入到狭小的地方 ,增加了实用性。1. 系统方案选择和论证1.1 任务设计一个大棚温度自动控制系统。 系统温度可以在一定范围内由人工设定 , 并能 在环境温度降低时实现自动通风降温 , 在环境温度升高时实现自动加温 , 以保持设定的温度基本不变。1.2 任务要求设计基于 AT89C51 单片机的大棚温度温度控制器, 用于控制温度。 具体要求如下 :大棚温度控制在15 -28之间。控制 10 台 50KW 三相电阻炉为加热设备。采用 5 台单相 100W 通风机作为通风散
10、热设备。易于操作 ,方便人机对话。1.3 系统基本方案根据题目要求系统模块分可以划分为 :键盘模块 , 温度测量模块 , 显示电路模块 , 升温降温模块 , 报警模块。 为实现各模块的功能 , 分别做了几种不同的设计方案 并进行了论证。1.3.1 各模块电路的方案选择及论证(一键盘模块方案一 :采用 4*4 矩阵型按键在键盘中按键数量较多时, 为了减少 I/O 口的占用 , 通常将按键排列成矩阵形式。 矩阵按键对应独立按键 , 可以节约数据线 , 但需要特定的键盘扫描程序, 占用空间较大。通常在按键大于6 个的时候是用矩阵式按键。方案二 :采用独立按键 ,接线简单 ,易于理解 ,不需要特定的键
11、盘扫描程序,占用空间比 较少。在本设计中用到了5 个按键 ,所以选用独立按键比较合适。(二温度测量模块方案一 :利用热电阻传感器作为感温元件 , 热电阻随温度变化而变化 , 用仪表测量出热电阻的阻值变化 , 从而得到与电阻值相应的温度值。 最常用的是铂电阻传感器 , 铂 电阻在氧化介质中 , 甚至在高温的条件下其物理 , 化学性质不变。 由铂电阻阻值 的变化经小信号变送器 XTR101 将铂电阻随温度变化的转换为 420mA 线形变化 电路 , 再将电流信号转化为电压信号 , 送到 A/D 转换器 , 即将模拟信号转换为数 字信号。电路结构复杂 ,误差较大。方案二 :采用数字温度传感器DS18
12、B20。 DS18B20 为数字式温度传感器 ,无需其他外加电 路, 直接输出数字量。可直接与单片机通信 , 读取测温数据 , 电路简单。DS18B20 的测温范围 -55 125, 分辨率最大可达 0.0625 。 DS18B20 是 Dallas 半导 体公司的数字化温度传感器 ,它是一种支持 “一线总线 ”接口的温度传感器。 一线总线独特而且经济的特点 , 使用户可轻松地组建传感器网络 , 为测量系统的 构建引入全新概念。 一线总线将独特的电源和信号复合在一起 , 并仅使用一条线 , 每个芯片都有唯一的编码 , 支持联网寻址 , 简单的网络化的温度感知 , 零功耗等 待等特点。DS18B
13、20 与传统的热敏电阻相比 , 他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求 通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。 并且从 DS18B20 读出的信息或 写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线 (单线接口读写 , 因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单 ,可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率 等方面带来了令人满意的效果。所以比设计中选用 DS18B20 温度传感器 ,节省了 A/D 转换器 ,同时也节省了 I/O 输出口 ,误差小 ,测量准确。(三显示电路模块方案一 :使用静态显示 ,此方法不用另加外界驱动直接与单片机输出口相连 ,不需 要单独的程序来完成显
14、示。但是占用 I/O 借口多。方案二 :使用动态显示 ,节省了 I/O 输出口 ,但是此方法需加外加外部驱动以此增加输出电流来更好的驱动数码管显示 , 电路简单 , 成本稍高 , 需要特定的编程来 完成动态刷新。本设计中使用的是动态显示 , 因为没有太多的输出口来完成静态显示 , 故选动态显示。(四升温降温模块根据题目 , 可以使用电热炉进行加热, 控制电热炉的功率即可以控制加热的速度。 当温度过高时 , 关掉电热炉打开通风机进行降温处理。当需要加热时开启电炉关 闭通风机。 由于电热炉和通风机的功率较大, 考虑到简化电路的设计 , 我们直接采用 220V 电源。对升温降温模块有以下两种方案:方
15、案一 :采用继电器控制。 使用继电器可以很容易实现地通过较高的电压和电流 , 在正常 条件下 ,工作十分可靠。继电器无需外加光耦 ,自身即可实现电气隔离。这种电 路无法精确实现电热丝功率控制 , 电热丝只能工作在最大功率或零功率 , 对控制 精度将造成影响。方案二 :应用了光耦合器 , 光耦合器一般由三部分组成 :光的发射、 光的接收及信号放大。 输入的电信号驱动发光二极管 (LED , 使之发出一定波长的光 ,被光探测器接 收而产生光电流 , 再经过进一步放大后输出。 这就完成了电 光 电的转换 , 从 而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离 ,电信号传 输具有单向性等
16、特点 , 因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。 又由于光耦合 器的输入端属于电流型工作的低阻元件 ,因而具有很强的共模抑制能力。所以 , 它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。 在计算机数字通信 及实时控制中作为信号隔离的接口器件 , 可以大大增加计算机工作的可靠性。 所 以选择光耦合器更安全控制更准确。通过比较 ,我们选择方案二。(五报警模块按照设计要求 , 当温度低于下限或高于上限时 , 应具有报警功能。 这样就可以用 一只蜂鸣器作为三极管 VT1 的集电极负载 , 当 VT1 导通时 , 蜂鸣器发出鸣叫声 ; VT1 截止时 ,蜂鸣器不发声。1.3.2 系统各模块的最终
17、方案根据以上分析 ,结合器件和设备等因素 ,确定如下方案 :1. 采用 AT89C51 单片机作为控制器 , 分别对温度采集、 数码管显示、 温度设定、 升温降温控制。2. 温度测量模块采用数字温度传感器 DS18B20。此器件经软件设置可以实现高 分辨率测量。3. 电热炉和通风机控制采用光耦合器控制。4. 显示用数码管显示实时温度值。系统的基本框图如图1.1 所示。CPU (AT89C51 首先写入命令给DS18B20,然后 DS18B20 开始转换数据 ,转换后通过 AT89C51 来处理数据。 数据处理后的结果就显示到数码管上。另外由键盘设定温度值送到单片机 ,单片机通过数据处理发出温度
18、控制信息到继电器。2. 系统硬件设计2.1 单片机型号选择单片机型号的选择是根据设计的内容而定的 , 并不是什么单片机都可以用。 一方 面要考虑选用的单片机能否在不需要外扩的情况下就可以满足要实现的功能。比 如:单片机的存储器空间的大小、单片机的 I/O 口数等。另一方面还要考虑单 片机的性价比 ,是否容易买到等一些外部因素。由于实现该系统功能的程序不会超过4K,而 AT89C51 单片机内部有 4K 的FlASH 程序存储器和 2K 的数据存储器 , 因而不需要外扩程序存储器和数据存储器。并且该型号单片机程序下载方便、价格便宜的优点,因而被广泛的应用。AT89C51 单片机引脚排列及功能见图
19、2-3 所示。由图可知该单片机共有40 个引脚 ,按其功能类别将他们分为三类:1. 电源和时钟引脚。如 Vcc 、 GND 、 XTAL1 、 XTAL2 。2. 编程控制引脚。如 RST、 PSEN 、 ALE 、 EA/Vpp 。3.I/O 口引脚。如 P0、 P1、 P2、 P3, 4 组 8 位 I/O 口。管脚说明 :VCC :供电电压。GND :接地。P0 口:P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口,每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P0 口的管脚第一次写 1 时,被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器 , 它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 FIASH
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