单片机温室大棚温度监控系统的设计方案.docx

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单片机温室大棚温度监控系统的设计方案

基于单片机温室大棚温度监控系统的设计

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。

本系统以单片机小系统模块,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值打时，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。

从而保证大棚内的作物在最佳温度条下生长，提高质量和产量。

关键词：

单片机温室大棚温度控制

Abstract:

thesystemtoAT89C51SCMascontrolcore,real-timedataacquisitionandcontrolusingthetemperaturesensorAD590temperatureofthegreenhouse,realizetheautomaticcontrolofthegreenhousetemperature.Thesystemiscomposedofsinglechipmicroprocessorsystemmodule,thetemperatureacquisitionmodule,aheatingmodule,temperaturemodule,keyboardanddisplaymodulesixparts.Youcansetthekeygreenhousetemperaturevalue,thecollectionoftemperatureandsettemperaturebyLEDdigitaltubedisplay.Whenthesettemperaturevaluethantheacquisitionoftemperatureishigh,throughheating,inordertoreachthesetvalue。

otherwise,openthecoolingfan,toachievecoolingeffect.Throughthesystem,effective,reliabledetectionandcontrolofthegreenhousetemperature.Inordertoensurethegreenhousecropattheoptimumtemperatureofgrowth,improvequalityandyield.

Keywords:

singlechipmicrocomputer,greenhouse,temperaturecontrol

ABSTRACT

第一章绪论

1.1课题的背景和意义……………………………………...1

1.2单片机的前景与未来…………………………………...1

1.3温度测控技术的应用…………………………………3

第二章温度传感器的介绍

2.1传感器原理及前景简介……………………….….…8

2.2温度一体化传感器的发展和应用……………..…9

2.3温度传感器AD590.......................................10

2.3.1AD590简介.................................................11

2.3.2AD590的应用.........................................12

第三章硬件设计

3.1设计目的.............................................13

3.2设计思路..................................................13

3.3基于AT89C51的单片机小系统................14

3.4温度采集模块..............................15

3.5显示模块.................................16

3.6键盘扫描.................................17

3.7WP型温室加热器...............................18

3.8降温模块.......................................................................18

第四章软件部分设计

4.1软件设计

4.1.1主程序........................................................................

4.1.2定时器TO中断........................................................

4.1.3现实模块........................................................................

4.1.4按键扫描...........................................................................

4.1.5源程序..............................................................................

致谢 ………………………………………….…..………35

参考文献 …………………………………………….……………36

第一章绪论

1.1选题背景和意义

现在的精密测量和精密加工中，环境因素是影响精度的主要因素之一，其中的温度是环境的主要指标。

当前，已经开发了很多的温度测量系统，一些高精度温度传感器的精度可达到±0.01℃，然而价格非常昂贵一般只作为高分辨力的精度测量和用作测温仪器的标准。

而对于生产应用中的较低精度温度测量系统，现有的系统多采用了与计算机直接结合的工作模式，增加了系统的成本。

鉴于目前的情况，我们提出以价格低廉的单片机作为控制核心，以多个温度传感器作为测量元件，构成了低成本的智能温度测量系统。

在该系统中，根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度传感器对关键温度点进行测量，由安装于仪器内的单片机对各路数据进行循环检测、存储，实现温度的智能测量。

该系统具有与计算机的通讯功能，在长时间数据采集完成后，可以将数据在传送到计算机进行相关的研究分析。

因此，该系统即具有现有的计算机控制的智能测量功能，又节省硬件成本。

另外，我们所设计的智能温度测量系统外形尺寸小，即可用于实验室环境温度的测量，又可用于仪器、大型设备等的内部环境测量。

1.2单片机的前景与未来

单片机现在可以说是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：

<1）低功耗CMOS化

随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺>。

CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点。

<2）微型单片化

现在常规的单片机普遍都是将CPU、RAM、ROM、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路>、WDT（看门狗>、有些单片机将LCD（液晶>驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。

<3）主流与多品种共存

现在单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的系列单片机。

而Microchip公司的PIC精简指令集（RISC>也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增。

此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。

在一定的时期内，这种情形得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。

以前没有单片机时，只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。

在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。

这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。

所以，学习单片机在我国是有着广阔前景的。

1.3温度测控技术的应用

温度自动测控系统借助于温度传感器，测量大楼内的温度数据，并对大楼实现温度控制。

系统采用以可编程序控制器为核心，配置以各类温度传感器，外围接口电路，由可编程序控制器检测个传感器的信号，完成实时数据采集，开关量处理，超限报警信号检测与输出等，并根据采集的信号来控制前端设备的运转。

可编程序控制器是一种工业环境下应用的智能控制器件。

可用于执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数和算术操作等指令，并通过数字或模拟的输入输出方式控制各种类型的仪器设备。

可编程序控制器还具有通信，联网等功能，它的应用范围大致介于继电器控制装置与过程控制的计算机之间，它也可在一个大型的集散控制系统中，作为前端控制装置，在上位机的统一调度下工作。

测量温度时，温度传感器把温度信号转变为电量，为与可编程序控制器连接，测量的电信号应转化为工业标准信号0-5V或4-20mA。

当有多个传感器时，传感器信号之间最好不要共地，否则可编程序控制器的模拟量模块可能会工作不正常。

输出信号通过中间继电器控制强电信号，驱动空调运转，系统自动根据测量的温度值，确定是否开启或关闭空调。

例如，当温度度大于设定值30度时，开启空调，直至温度接近设定值20度时，切断电源。

为保证系统具有良好的测量精度，并能准确地对空调进行控制，必须在前端测量信号转换时具有较好的线性。

第二章温度传感器的介绍

2.1传感器原理及前景简介

传感器是能感受<或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。

通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成。

传感器有很多种类，包括电阻应变式传感器，压阻式传感器，热电阻传感器，温度传感器，光敏传感器等。

传感器的前景可以从以下几方面来看：

采用新原理，开发新型传感器；大力开发物性型传感器；传感器的集成化；传感器的多功能化；传感器的智能化（SmartSensor>。

2.2温度一体化传感器的发展和应用

温度一体化的传感器，适应于多种环境的温度测量。

采用专用温度补偿电路和线性化处理电路。

这种传感器性能可靠，使用寿命长，响应速度快，测量范围宽，目前已广泛应用。

适用于通讯机房，办公室，厂矿，车间，仓库，医院，档案馆，博物馆，暖通空调，楼宇自控等环境的温度测量。

温度一体的传感器节省资源，便于温度的测量和对湿度补偿，同时为保证结果真实可靠。

2.3温度传感器AD590

2.3.1AD590简介

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。

具有线性优良、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小、抗干扰能力强、可远距离测温且使用方便等优点。

可广泛应用于各种冰箱、空调器、粮仓、冰库、工业仪器配套和各种温度的测量和控制等领域。

特点：

1、流过器件的电流

mA/K式中：

—流过器件

2、AD590的测温范围为-55℃～150℃。

3、AD590的电源电压范围为4V～30V。

电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

4、输出电阻为710MW。

5、精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。

AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。

由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。

2.3.2AD590的应用1.AD590的工作原理　　在被测温度一定时，AD590相当于一个恒流源，把它和5～30V的直流电源相连，并在输出端串接一个1kΩ的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有1mV／K的电压信号。

其基本电路如图3所示。

　　图3是利用ΔUBE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。

其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但T3实质上是由n个晶体管并联而成，因而其结面积是T4的n倍。

T3和T4的发射结电压UBE3和UBE4经反极性串联后加在电阻R上，所以R上端电压为ΔUBE。

因此，电流I1为：

I1＝ΔUBE／R＝

　　对于AD590，n＝8，这样，电路的总电流将与热力学温度T成正比，将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。

由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。

图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到1μA／K的I值。

　　图4所示是AD590的内部电路，图中的T1～T4相当于图3中的T1、T2，而T9，T11相当于图3中的T3、T4。

R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。

T7、T8，T10为对称的Wilson电路，用来提高阻抗。

T5、T12和T10为启动电路，其中T5为恒定偏置二极管。

　　T6可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。

R1，R2为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。

T1～T4是为热效应而设计的连接方式。

而C1和R4则可用来防止寄生振荡。

该电路的设计使得T9，T10，T11三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流I的1／3。

T9和T11的发射结面积比为8：

1，T10和T11的发射结面积相等。

　　T9和T11的发射结电压互相反极性串联后加在电阻R5和R6上，因此可以写出：

ΔUBE＝

　　R6上只有T9的发射极电流，而R5上除了来自T10的发射极电流外，还有来自T11的发射极电流，所以R5上的压降是R5的2／3。

　　根据上式不难看出，要想改变ΔUBE，可以在调整R5后再调整R6，而增大R5的效果和减小R6是一样的，其结果都会使ΔUBE减小，不过，改变R5对ΔUBE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。

实际上就是利用激光修正R5以进行粗调，修正R6以实现细调，最终使其在250℃之下使总电流I达到1μA／K。

2.测温电路的设计

　　在设计测温电路时，首先应将电流转换成电压。

由于AD590为电流输出元件，它的温度每升高1K，电流就增加1μA。

当AD590的电流通过一个10kΩ的电阻时，这个电阻上的压降为10mV，即转换成10mV／K，为了使此电阻精确<0．1％），可用一个9．6kΩ的电阻与一个1kΩ电位器串联，然后通过调节电位器来获得精确的10kΩ。

图5所示是一个电流／电压和绝对／摄氏温标的转换电路，其中运算放大器A1被接成电压跟随器形式，以增加信号的输入阻抗。

而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标，给A2的同相输入端输入一个恒定的电压<如1．235V），然后将此电压放大到2．73V。

这样，A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。

　　将AD590放入0℃的冰水混合溶液中，A1同相输入端的电压应为2．73V，同样使A2的输出电压也为2．73V，因此A1与A2两输出端之间的电压：

　　2．73－2．73＝0V即对应于0℃。

3．2A／D转换和显示电路的设计

　　设计A／D转换和显示电路具有两种方案。

分述如下：

<1）用A／D转换器MC14433实现

　　首先将AD590的输出电流转换成电压，由于此信号为模拟信号，因此，要进行数码显示，还需将此信号转换成数字信号。

采用MC14433的转换电路如图6所示。

此电路的作用是通过A／D转换器MC14433将模拟信号转换成数字信号，以控制显示电路。

其中MC14511为译码／锁存／驱动电路，它的输入为BCD码，输出为七段译码。

LED数码显示由MC14433的位选信号DS1～DS4通过达林顿阵列MC1413来驱动，并由MC14433的DS1、Q2端来控制“＋”、“－”温度的显示。

当DS1＝1，Q2＝1时，显示为正；Q2＝0时，显示为负。

图6A/D转换和数码显示电路框图

<2）用ICL7106来实现

　　采用ICL7106的A／D转换及LCD显示电路框图如图7所示。

其中，ICL7106是3位半显示的A／D转换电路，它内含液晶显示驱动电路，可用来进行A／D转换和LCD显示驱动。

第四章硬件设计

4.1设计目标

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M。

要实现的目标是，使薄膜温室的温度保持在20℃——30℃之间，在这个区域内温度值是可设定的。

4.2设计思路

系统原理框图如图1所示。

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20℃——30℃，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。

AT89C51控制系统

温度采集

键盘扫描

WP型温室加热器

显示

图1系统原理框图

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。

4.3基于AT89C51的单片机小系统

本系统采用Atmel公司所生产的AT89C51单片机。

AT89C51单片机小系统如图2所示：

图2单片机小系统

这个小系统由时钟脉冲和复位电路组成，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。

AT89C51的复位引脚为第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1μs,两个机器周期为12μs,因此，在第9脚上连接一个12μs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+5V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。

4.4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所示，它的工作过程为：

系统通过AD590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ADC0804的转化变成数字量，以便单片机辨认接收。

图3AD590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：

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

3.302/10K=303.2微安培；

303.2-273.2=30微安培→30℃。

温度值

OPA1

OPA2

OPA3

ADCVIN

ADC输出值

0℃

2.732V

00H

10℃

2.832V

-0.1V

0.5V

19H

20℃

2.932V

-0.2V

32H

30℃

3.032V

-0.3V

1.5V

4BH

40℃

3.132V

-0.4V

64H

50℃

3.232V

-0.5V

2.5V

7DH

60℃

3.332V

-0.6V

96H

70℃

3.432V

-0.7V

3.5V

AFH

80℃

3.532V

-0.8V

C8H

90℃

3.632V

-0.9V

4.5V

E1H

100℃

3.732V

-1V

FAH

表1各温度与3个OPA及ADC0804的输入与输出关系

图4ADC0804

如图4，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。

ADC0804电压输入与数字输出关系如下表2所示：

十六进制

二进制码二

与满刻度的比率

相对电压值VREF=2.56伏

高四位字节

低四位字节

高四位字节电压

低四位字节电压

1111

15/16

15/256

4.800

0.300

1110

14/16

14/256

4.480

0.280

1101

13/16

13/256

4.060

0.260

1100

12/16

12/256

3.840

0.240

1011

11/16

11/256

3.520

0.220

1010

10/16

10/256

3.200

0.200

1001

9/16

9/256

2.880

0.180

1000

8/16

8/256

2.560

0.160

0111

7/16

7/256

2.240

0.140

0110

6/16

6/256

1.920

0.120

0101

5/16

5/256

1.600

0.100

0100

4/16

4/256

1.280

0.080

0011

3/16

3/256

0.960

0.060

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