基于单片机的温度测量系统设计方案.docx
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基于单片机的温度测量系统设计方案
基于单片机的温度测量系统设计方案
1绪论
1.1单片机温度测量系统的选题背景
在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。
无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。
自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。
在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
温度不但对于工业如此重要，在农业生产中温度的监测与控制也有着十分重要的意义。
我国人多地少，人均占有耕地面积更少。
因此，要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能实现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。
温室大棚技术就是其中一个好的方法。
温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的约束。
而且，温室大棚能克服环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长影响不大，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。
由于温室大棚能带来可观的经济效益，所以温室大棚技术越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段。
随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的温度控制便成为一个十分重要的课题。
传统的温度控制是在温室大棚部悬挂温度计，通过读取温度值来知道大棚的实际温度，然后根据现有温度与额定温度进行比较，看温度是否过高或过低。
如果过高，就对大棚进行降温处理；如果过低，就对大棚进行升温处理。
这些操作都是在人工情况下进行的，耗费了大量的人力物力。
现在，随着国家经济的快速发展，农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。
大型温室大棚的建设对温度检测技术也提出了越来越高的要求。
今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。
单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。
时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化己成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。
采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。
因此，单片机对温度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。
基于此，本课题围绕应用于温室大棚的基于单片机的温度测控系统展开应用研究工作。
1.2单片机温度测量系统选题的现实意义
随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温度控制措施。
但是，目前应用于温室大棚的温度检测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟开关、A心转换器及单片机等组成的传输系统[2]。
这种温度采集系统需要在温室大棚布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。
同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大。
为了克服这些缺点，本文参考了一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温度测控系统应用于温室大棚的的设计方案，根据实用者提出的问题进行了改进，提出了一种新的设计方案。
数字化单总线技术[4]是利用DALLAS公司生产的新型器件实现的。
它将系统的地址线、数据线、控制线合为一根导线，允许在这根导线上挂接数百个控制对象，形成多点单总线测控系统。
这些测控对象所用的芯片都由该公司提供。
采用单总线协议后，可在检测点将模拟信号数字化。
这样，在单总线上传输的便是数字信号。
本文介绍的温度测控系统就是基于单总线技术及其器件组建的。
该系统能够对大棚的温度进行采集，利用温度传感器将温室大棚温度的变化，变换成电流的变化，再转换为电压变化输入模数转换器，其值由单片机处理，最后由单片机去控制数字显示器，显示温室大棚的实际温度，同时通过比较，对大棚的温度是否超过温度限制进行分析。
如果超过我们预先设定的温度限制，温度报警系统将进行报警，并同时自动对大棚的温度进行控制。
这种设计方案实现了温度实时测量、显示和控制。
该系统抗干扰能力强，具有较高的测量精度，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。
这种温度测控系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对温度的实时控制，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，以带来很好的经济效益和社会效益。
1.3国外研究现状及其发展
1.3.1国外温室环境控制
国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。
先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。
80年代末出现了分布式控制系统。
目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。
现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。
像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。
英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测50km以外温室的光、温、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。
1.3.2国温室控制技术
我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。
我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。
我国温室设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。
在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在较大差距。
我国温室现状还远远没有达到工厂化农业的境地，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着温室装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。
1.3.3温室环境控制技术的三个发展阶段
从国外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段：
1、手动控制。
这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。
生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。
通过对温室外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室环境。
但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要。
2、自动控制。
利用计算机技术及现代控制理论对温室的各种环境因子如温度、光照、湿度、C02浓度和施肥等，进行自动控制和调节成为温室控制的主要方式。
人为创造适宜作物生长最佳环境的自动控制技术手段成为主流。
此时的温室有比较完整的控制系统，有各种传感器采集温室环境数据，监控系统实时监测环境变化及控制执行机构的动作，良好的人机界面使种植者的操作过程形象而且简便。
计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。
3、智能化控制。
智能化的控制技术将农业专家系统与温室自动控制技术有机结合，以温室综合环境因子作为采集与分析对象，通过专家系统的咨询与决策，给出不同时期作物生长所需要的最佳环境参数，并且依据此最佳参数对实时测得的数据进行模糊处理，自动选择合理、优化的调整方案，控制执行机构的相应动作，实现温室的智能化管理与生产。
这种控制方式既能体现作物生长的在规律，发挥农业专家在农业生产中的指导作用，又可充分利用计算机技术的优势，使系统的调控非常方便和有效，实现温室的完全智能化控制。
1.3.4温室控制存在的问题
首先是农业专家系统自身的问题，农业专家系统的技术还不十分成熟。
各种专家系统在收集、整理农业专家知识时并没有把专家是如何学习和获得这些知识的过程整理出来，这样开发的专家系统并不具有真正的学习能力。
其次是采集数据的束缚，温室控制技术主要停留在对温室环境因子的监控上，并没有考虑温室作物本身的生理过程。
还有就是农业专家系统在温室实时控制中的应用的局限性，农业专家系统对温室环境因子进行实时监控，不同于开发单纯的农业专家系统，其中涉及与控制系统的“接口”问题。
在开发温室农业专家控制系统时，对农业知识的表达及推理策略等要认真考虑。
同时，将更多的农业知识用于温室生产的实时控制中，不仅仅局限于对环境因子的专家指导。
总之，随着计算机技术、农业应用电子技术、传感器智能化技术、机械电子一体化技术和计算机网络技术研究的发展，温室技术体系己经成为各个国家为合理利用农业资源、提高农产品产量、降低生产成本、保护生态环境、提高农产品在国际市场竞争力的前沿性研究领域。
1.4单片机温度测量系统主要研究的容
本设计主要做了如下几方面的工作：
一是确定系统的总体功能设计方案；二是进行智能传感器的硬件电路和软件系统的设计：
三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系统设计；四是对连接单片机的上位管理计算机软件系统的设计思路、工作原理和实现方法进行了阐述。
本文将信息采集技术、信息传输技术、信息存储技术及信息处理技术等相互融合，将温室环境多种参数监测和单片机控制理论相结合，提出一种切实可行的温室环境监测系统，可以全面、实时、自动地对监测数据进行自动记录、存储和处理，并将有关信息根据现场实际情况，采用最有效方式送入计算机进行处理，并可对监测系统进行远程控制。
满足了对作物生长状态实行全面、实时、长期监测的要求。
与传统监测系统相比，本系统具有以下优点：
◆传感器设计成智能型，可以增加系统数据采集速度，减轻监控计算机的负担。
◆增加了辅助存储功能，在监控计算机不工作的时候，采用多媒体存储卡存储采集数据。
◆单片机的设计提高了系统的监测速度，系统的可靠性、实时性都有很大提高
◆对模拟设备采集到的数据，为防止失真，采用了数据插值算法。
◆利用语音芯片，超限报警，实现了人性化管理。
2单片机温度测量系统总体设计
2.1单片机温度测量系统的功能设计
系统要完成的设计功能如下：
◆实现对温室温湿度参数的实时采集，测量空间多点的温度和湿度：
根据测量空间或设备的实际需要，由多路温度、湿度传感器对关键温、湿度敏感点进行测量，由单片机对各路数据进行循环检测、数据处理、存储，实现温湿度的智能、多空间点的测量。
◆实现超限数据的及时报警。
◆现场监测设备应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力并具有存储、远程通信功能。
◆通信系统具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。
与计算机通讯功能，采用RS232串行通讯方式最远传输距离为20米。
◆长时间测量数据记录功能：
可以根据需要设置数据记录时间间隔，数据存入数据存储器。
◆监控计算机软件设计管理软件既要具有完成数据采集、处理的功能，其软件编程应具有功能强大、界面友好、便于操作和执行速度快等特点。
要求达到的技术指标：
测温围：
-20℃—100℃
测温精度：
正负0.5℃
测温围：
0—100%RH
测温精度：
正负2.5%RH
2.2单片机温度测量系统的设计的原则
要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。
l、可靠性
高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准则。
提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑：
使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出通道抗干扰措施；进行软硬件滤波：
系统自诊断功能等。
2、操作维护方便
在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利于系统的推广。
因此在设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作置或简化的方法。
同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。
3、性价比
单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。
一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。
因此，在设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能用软件功能取代硬件功能等。
2.3单片机温度测量系统的组成与工作原理
以单片机为控制核心，采用温湿度测量，通信技术，误差修正等关键技术，以温湿度传感器作为测量元件，构成智能温湿度测量系统。
该系统，可分为温度测量电路，湿度测量电路，A/D转换及滤波电路，数据存储及显示电路，语音报警电路，见图2.1。
选用的主要器件有：
温度传感器DS1820，湿度传感器HSll01，At89S51，A/D转换器TLCO834，数据存储器AT24C04，MMC存储卡，4数码管显示模块，语音报警芯片ISD2560，MAX232，集成定时器555芯片等。
图2.1硬件结构图
本系统以单片机Atme189S51为核心，数据采集、存储、显示、报警以及上传至计算机进行数据处理都要通过单片机。
数据采集通过单总线的智能温度传感器DS18B20。
和模拟的湿度传感器HS1101完成；当采集数据超出预警值时，有语音报警芯片ISD256o实时报警，然后进行相应处理；数据存储可以在计算机完成，在计算机不工作时还设置了辅助的多媒体卡MMC存储；由数码管实时显示接收的数值；数据处理主要是上位机完成的数据曲线显示、数据存储、数据打印等功能。
在整个系统中采用了多种总线、协议技术，如智能温度传感器DS1820的单总线技术，存储扩展的I2C总线技术，MMC的模拟SPI总线技术，单片机和计算机连接的RS232协议技术等。
为防止模拟传感器数据采集的失真，采用了线形插值算法。
在这个系统中单片机部分采用语言为汇编和C语言混合编程，计算机部分采用VC++。
3系统硬件电路的设计
3.1系统硬件电路构成及测量原理
由于系统要对大棚部的温度进行测量和控制，因此采用单片机对单总线系统进行现场长期监控是非常经济实惠的方案，其硬件连接非常简单，可用单片机并口P1、P2、P3中的任一位端口与单总线连接来实现双向数据传输，而且还可通过RS232/485转换器串行口使单片机与上位计算机（PC机）连接，以便在WINDOWS平台上进行高级的软件管理。
3.1.1系统硬件电路构成
本系统以单片机为核心，组成一个集温度的采集、处理、显示、自动控制为一身的闭环控制系统，其原理框图如图3—1所示。
系统硬件电路由温度传感器、单片机、RS—485串口通信和计算机组成。
图3.1温度测量系统硬件电路原理图
温度传感器的作用是采集大棚的温度，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。
该传感器是利用在板专利技术来测量温度的。
传感器和数字转换电路都被集成在一起，每个DS18B20都具有唯一的64位序列号。
并且DSl8B20只有一个数据输入/输出口，因此，多个DSl8B20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。
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DS18B20。
由于该温度计采用数字输出形式，故不需要A/D转换器。
单片机主要是对温度传感器DS18B20进行编程，读取温度传感器的温度值，并把温度值通过串口通信送入计算机。
由于AT89系列单片机与MCS—51系列单片机兼容，所以，本系统中的单片机选用AT89C2051。
串口通信的作用是把单片机送来的数据送到计算机里，起到传输数据的作用。
虽然RS232是串行通讯中目前最常用的接口，且在PC机系列中，每台微机均配有标准的RS232，但是这种共地传输，由于受距离与环境的影响，极易受到干扰。
因此，RS232方式的通讯，一般应用于速度低于20kb/s，距离20m以的条件下，不适合于高速、远距离通讯。
而RS485串行通讯是一种多发送器的电路新标准，它采用了差分平衡的电气接口，利用平衡驱动、差分接收的方法，从根本上消除了地线信号。
因此，RS485可用于距离1200m，速度为100kb/s的高速通讯。
由于从大棚到计算机的距离较长，因此，在本课题设计中，需要在PC机侧配置RS485转换器，以达到数据传输的目的。
计算机主要是进行编程，对温度进行显示、报警和控制等。
3.1.2系统工作原理
采用单总线技术设计的温度监测系统，如图3—2所示。
整个系统以AT89C2051单片机为主机，其他设备为从设备。
单片机通过RS485总线与PC机通讯。
PC机作上位机进行实时监控管理，控制器选用Max705组成上电复位和看门狗电路。
该系统只要一条双绞线（一根为信号线，一根为地线）从单片机拉向监控现场，然后将各种监控对象（传感器）挂接在一根总线上就可以了。
本系统通过单总线可以挂接很多个智能温度传感器DS18B20，用于温室大棚不同地方的温度测量和控制。
图3—2中只画出了一个监控现场的配置，其布线接头与通常线路使用的一样，插入和拔出都很方便。
图3.2用单总线器件组建温度测控系统示意图
该温度测控系统的工作原理就是进行计算机编程和单片机编程，使智能温度传感器DS18B20正常工作，去检测大棚实际的温度，并由数字显示电路显示出当时的温度值。
如果采集的温度值高于上限报警温度，系统将发出报警，并同时起动制冷设备，把温度降下来，当温度降到一定的程度，即低于上限复位值时，立即关闭制冷设备，使制冷设备停止工作。
当采集的温度值低于下限报警温度值时，系统又发出报警，并同时起动制热设备，使大棚的温度上升，当温度上升到一定的程度，即高于下限复位值时，立即关闭制热设备，使制热设备停止工作，从而使温室大棚的温度值维持在一定的围。
其具体的温度越限自动控制过程如图3—3所示。
图3.3温度越限自动控制示意图
温室控制系统的执行机构采用开关量控制，本系统选用了可寻址的单总线控制开关DS2405，由它送出1位。
或1作为控制码信息，去胜制报警设备、通风机执行机构（空调）等的开启与关闭。
当单片机发现温度传感器DS18B20采集到大棚的实际温度超过温度限制时，便让控制开关DS2405去开启声光报警器报警，同时开启空调机工作。
DS2405是DALLAS公司提供了一种可寻址的开关器件，其主要特性为：
·适用于单总线协议。
·由单总线上的数据作为开关信号，控制漏极开路输出端的通断状态。
·控制信号输出端PIO引脚吸收能力大于4mA/0.4V。
·不用外接电源。
·三种封装形式：
TO—92三脚塑封；SOT—223四脚平面封装和C—Lead六脚表面安装封装。
DS9502为防静电保护二极管。
为防止处在开路状态易受静电等干扰侵入，通常在单总线线路的末端都接上DS9502之类防静电保护电路。
图3—2中每个与单总线直接相连的测控对象的机构芯片均有一个64位（bit）的ROM，其中存有48位（hit）二进制编码的序列号，称之为，以确保芯片挂接在总线上可以被识别出来，这是在单总线上实现定位和寻址通信的关键所在。
单总线芯片入口示意图如图3—4所示。
由图3—4可见，芯片还含有收、发控制和电源电路，其耗电量都很小，从总线上获得一点电量存储在大电容中
就可以正常工作了，故一般不需要另附电源。
图3.4收、发控制和入口示意图
3.1.3系统主要技术指标
①测量围：
-55℃—+125℃，②测量精度：
0.5℃，③反应时间≤500ms。
3.2温度传感器的选择
测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展主要大体经过了三个阶段：
1.传统的分立式温度传感器（含敏感元件）：
2.模拟集成温度传感器/控制器；3.智能温度传感器。
模拟集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
它是目前在国外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMP17、LM135等。
模拟集成温度控制器主要包括温控开关和可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。
某些增强型集成温度控制器（例如TC652/653）
中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。
但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。
智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。
目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU）；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度也取决于软件的开发水平。
目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化和网络化的方向飞速发展。
智能温度传感器DS18B20正是朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
因此，智能温度传感器DS18B20作为温度测量装置己广泛应用于人民的日常生活和工农业生产中。
3.2.1DS18B20的介绍
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS18B20之后最新推出的一种数字化单总线器件，属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。
与传统的热敏电阻相比，它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9—2位数字值读数方式。
可以分别在93.75ms和750ms完成9位和12位的数字量，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，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。
因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。
同时其“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了全新的概念。
DS18B20“一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度围为-55℃—+125℃，在-10—+85℃围，精度为正负0.50℃。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，用符号扩展的16位数字量方式串行输出，大大提高了系统的抗干扰性。
因此，数字化单总线器件DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量，如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820都有了很大的改进，给用户带来了更方便和更令人满意的效果。
可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。
3.2.2DS18B20的性能特点
（1）采用DALLAS公司独特的单线接口方式：
DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DSI8B20的双向通讯。
（2）在使用中不需要任何外围元件。
（3）可用数据线供电，供电电压围：
+3.0—+5.5V。
（4）测温围：
-55—+l25℃。
固有测温分辨率为0.5℃。
当在-10℃—+85℃围，可确保测量误差不超过0.5℃，在-55—+125℃围，测量误差也不超过2℃。
（5）通过编程可实现9—12位的数字读数方式。
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