基于单片机的温度控制系统的设计与实现Word文档格式.docx

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液晶显示器

一、引言

从我国国情来看，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不再产生过度影响，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，温室大棚的温湿度控制便成为一个十分重要的课题。

传统的温湿度控制是在温室大棚内部悬挂温度计和湿度计，通过读取温度值和湿度值了解实际温湿度，然后根据现有温湿度与额定温湿度进行比较，看温湿度是否过高或过低，然后进行相应的通风或者洒水。

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。

温室大棚的建设对温湿度检测与控制技术也提出了越来越高的要求。

所以温度的测量及控制变得越来越重要。

本文采用单片机STC89C52设计了温度实时测量及控制系统。

单片机STC89C52能够根据温度传感器DS18B20所采集的温度数据来控制加热器或致冷器的启停,从而把温度控制在设定的范围之内。

在温控开关被激活的情况下,当温度低于设定的下限时,单片机启动加热器加热,同时点亮绿色发光二极管,当温度高于设定的上限时,单片机启动致冷器降温,同时点亮红色发光二极管。

所有温度数据均通过液晶显示器LCM1602显示出来。

为了防止单片机掉电引起的数据丢失,温度上下限的设定值存储在AT24C02B中。

三、系统硬件电路的设计

3.1系统硬件电路整体框架图

单片机控制模块

LCD1602显示模块

复位模块

晶振模块

温度调节模块

温度数据采集模块

3-1系统硬件电路整体框架图

3.2单片机控制模块

单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。

它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器叶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，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。

正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器（MCU）代替单片微型计算机（SCM）这一名称。

“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。

1、单片机的主要特点有:

（1）具有优异的性能价格比。

（2）集成度高、体积小、可靠性高。

（3）控制功能强。

（4）低电压，低功耗。

因此，在本课题设计的温湿度测控系统中，采用单片机来实现。

在单片机选用方面，由于STC89系列单片机与MCS-51系列单片机兼容，所以，本系统中选用STC89C52单片机。

图3-2STC89C52单片机引脚图

STC89C52简介

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K

在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的

改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

STC89C52主要性能

8K字节程序存储空间；

512字节数据存储空间；

内带2K字节EEPROM存储空间;

可直接使用串口下载；

STC89C52单片机最小系统

图3-3晶振电路

图3-4复位电路

单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.晶振电路是给单片机提供时钟信号，复位电路的作用是使单片机的程序计数器清零（在单片机出现程序死机时很有用）。

3.3温度数据采集模块

1、DS18B20简介

图3-5DS18B20实物图

DS18B20数字温度传感器采用DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样等优点，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

2、DS18B20的性能特点

（1）.适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电;

（2）.独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；

（3）.DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；

（4）.DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；

（5）.测温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±

0.5℃；

（6）.可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；

（7）.在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；

（8）.测量结果直接输出数字温度信号，以”一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；

（9）.负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

3．DS18B20的管脚排列

（一）DS18B20的外形及管脚排列如下图：

图3-6DS18B20的外形及管脚排列

DS18B20引脚定义：

（1）I/O为数字信号输入/输出端；

（2）GND为电源地；

（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

（二）．DS18B20的内部结构图：

图3-7DS18B20的内部结构图

3.4温度显示模块

LCM1602是2行×

16个字符的字符型LCD显示器,它由32个字符点阵块组成,每个字符点阵块由5×

7或5×

10个点阵组成,可以显示ASCII码表中的所有可视的字符。

它内置了字符产生器ROM（CharacterGeneratorROM,CGROM）、字符产生器RAM（CharacterGeneratorRAM,CGRAM）和显示数据RAM（DataDisplayRAM,DDRAM）。

CGROM中内置了192个常用字符的字模,CGRAM包含8个字节的RAM,可存放用户自定义的字符,DDRAM就是用来寄存待显示的字符代码。

图3-9LCM1602的显示电路

3.5外部存储模块

外部存储模块采用美国ATMEL公司生产的低功耗CMOS型E2PROM器件AT24C02B,它内含256×

8位存储空间,具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。

它采用了I2C总线规程,使主/从机双向通信。

主机通过SCL引

脚产生串行时钟信号并发出控制字,控制总线数据传送的开始、方向和停止。

无论是主机还是从机,接收到一个字节后必须发出一个确认信号。

AT24C02B占用很少的资源和I/O线,并且支持在线编程,数据实时存取十分方便。

AT24C02B的读写时序及控制字见参考文献。

3.6温度调节模块设计

1．方案一

图3-10方案一电路图

如图2-9所示，由PWM控制温度调节模块，当PWM端输入高电平时，电流经Q1放大，光耦导通，光耦输出电流经Q2放大后，使双向可控硅导通，M4QA045电机运转，当PWM端输入低电平时，双向可控硅控制端输入电流为0，交流电过零以后，双向可控硅截止，M4QA045电机停止运转[4]。

2．方案二

图3-11方案二电路图

如图2-10所示，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．方案比较

方案一采用光耦隔离强电，方案二采用继电器隔离强电，但方案一没有实现强电与直流源的隔离，且方案一环节复杂，计算难度大，过多的环节延长响应时间，从而影响温度调整模块的性能，所以选择方案二。

图3-12电热器驱动电路

基于以上两个方案的分析，加热器驱动电路也同样选用继电器隔离，当温度低于18℃时，相应引脚输出高电平，电流经过三极管放大，继电器常开端闭合，电热器工作，当温度高于23℃时，相应引脚输出低电平，继电器常开端关闭，电热器不工作。

四、系统软件设计

系统硬件电路设计完成以后，进行系统软件设计。

分析系统对软件的要求，然后进行了软件的总体设计，包括程序总体结构设计和对程序进行模块化设计。

将系统整体功能划分成多个不同的模块，单独设计、编程、调试，然后将各个模块进行装配联调，组成完整的系统软件。

根据系统软件的功能需求，系统应用软件分为主程序、数据采集、数据处理（A/D转换）、数据显示等四大主要程序模块。

4.1主程序模块设计

主程序主要将各子模块组织起来成为一个有机的整体，主程序流程图如图4.1所示，主程序见附录所示

图4-1主程序模块框图

4.2数据采集模块设计

图4-2数据采集程序框图

4.3PWM程序设计

图4-3PWM程序框图

如图4-2所示，进行中断程序初始化，设置定时器T0中断时间为1ms，中断100次，即100ms作为一个脉冲周期，每中断一次，由变量T0_number进行计数，当变量T0_number大于100时，给变量T0_number赋值0，重新开始计数，当变量T0_number小于变量PWM_width_H时，输出高电平，当变量T0_number大于变量PWM_width_H时，输出低电平，以此控制脉宽。

4.4LCD1602显示模块程序设计框图

图4-4显示程序框图

如图4-3，初始化LCD1602显示模块，设置8位格式，2行，5*7矩阵显示，整体显示，关光标，不闪烁设定输入方式，增量不移位，清除屏幕显示，延时等待，将采集到的温湿度数据进行转换，十六进制转换成十进制，然后，判断是否在第一行显示，输入相应的地址数据，延时等待，输入需要显示的数据。

小结

本文详细讲述了系统设计方案,并给出了相关程序流程。

本设计主要应用于大棚温度的监控。

另外,如果把本设计方案扩展为多点温度控制,加上上位机,则可以实现远程温度监控系统,将具有更大的应用价值。

本文的创新点在于详细设计了基于单片机STC89C52的温度监控系统,