温室温度控制系统的设计与实现Word下载.docx

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Abstraet

Currently,thegreenhousehasbecomeanimportantpartofefficientagriculture.Inmodernagriculturalproduction,strengthentheagriculturalproductionofgreenhouseenvironmentparameterstodetectandcontrolisanimportantaspectofgreenhousemanagement.

ThesystemtoAT89C51controlcoretemperatureusingthetemperaturesensorDS18B20vegetablegreenhousesinreal-timeacquisitionandcontrol,automatictemperaturecontrolgreenhouse.Thesystemconsistsofsingle-chipsystemmodule,temperatureacquisitionmodule,theheatingmodule,coolingmodule,thebuttonsandthedisplaymoduleiscomposedofsixparts.Thesystemcanbesetthroughthekeygreenhousetemperature,collectingtemperatureandsettemperaturethroughtheLEDdigitaldisplay.Whenthesettemperaturevaluegreaterthantheacquisitionoftemperaturewhenheatedbytheheatertoreachthesetvalue;

contrary,thecoolingfanisturnedontorapidlyachievethecoolingeffect.

Withthissystem,thetemperatureinsidethegreenhousevegetableeffective,reliabledetectionandcontrol,inordertoensurethecropcanopytemperatureunderoptimumconditionsforgrowth,improvequalityandyield.

Keywords:

Singlechip；

Temperaturecontrol；

temperaturemeasurement

引言

温度是表征物体冷热程度的物理量。

在很多生产过程中，特别是在冶金、化工、农业、食品、机械、等产业中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。

中国是人口大国，也是农业大国，通过发展高科技提高农产品的产量与质量有着十分现实的实际意义。

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，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。

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。

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。

单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。

将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。

本文设计的恒温系统采用AT89C51单片机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。

1课题目的及内容

1.1温室控制系统的发展概况

温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。

它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。

温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。

而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。

对温室环境控制技术研究，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。

1.2课题的目的意义

中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。

现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。

例如：

空气的温度。

在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。

以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。

而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。

因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质高效益的重要环节。

目前，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。

由于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。

本文将使用STC89C51单片机对温度及湿度控制的基本原理实例化，利用现有资源设计一个实时控制温室大棚温度的控制系统。

目的是通过这次毕业设计，让我将课本知识与实践相结合，更加深刻的理解自动控制的运作模式及意义，也能够将所学知识和技能更多的运用于生活和工作中，学以致用。

1.3主要研究内容

本设计包括硬件设计和软件设计。

系统以单片机STC89C51为核心，制作一个温室温度的自动监控系统。

主要功能如下：

（1）温度的测量，使用DS18B20温度传感器，实现系统对温度的实时测量。

（2）温度的显示，使用LED1602，通过传感器对温度的测量，实现实时显示。

（3）可以自动调节温度，当温度低于预设温度时，加热系统启动；

高于预设温度时，降温系统启动。

（4）具有可调节监控温度范围功能，可实现在一定范围内的温度监控，亦可实现对恒温的监控，便于应对不同情形。

2系统整体设计方案

2.1主要性能指标

（1）测量精度：

±

0.5℃；

（2）测量温度范围：

室温～125℃；

（3）控制精度：

1℃。

2.2方案选择

温度传感器的选择 

。

方案一：

采用AD590温度传感器。

AD590温度传感器是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。

AD590性能描述：

测量范围在-50℃-- 

+150℃，满刻度范围误差为±

0.3℃，当电源电压在5—10V之间，稳定度为1﹪时，误差只有±

0.01℃ 

AD590为电流型传感器温度每变化1℃其电流变化1uA在35℃和95℃时输出电流分别为308.2uA 

和368.2uA 

方案二：

采用DS18B20温度传感器。

美国DALLAS公司的产品可编程单总线数字式温度传感器DS18B20可实现室内温度信号的采集，有很多优点：

如直接输出数字信号，故省去了后继的信号放大及模数转换部分，外围电路简单，成本低;

单总线接口，只有一根信号线作为单总线与CPU连接，且每一只都有自己唯一的64位系列号存储在其内部的ROM存储器中，故在一根信号线上可以挂接多个DS18B20,便于多点测量且易于扩展。

综合比较方案一和方案二，两方案都可以满足设计所要求的精度温度要求，但方案一的后续电路复杂，需要经过放大，数模转换等步骤，增加了设计的复杂度和成本，并需要占用单片机较多的I/O口。

方案二的后续电路简单，占用的I/O口数量少，为整体设计留出了足够的I/O口资源。

故我们采用方案二作为本系统的温度传感器。

2.3主要芯片的选择

2.3.1单片机的选择

STC系列单片机是晶宏公司推出的新型51内核的单片机类型。

片内主要含有[1]：

中央处理器（CPU），程序存储器（Flash），数据存储器（SRAM），定时器等模块。

该器件的基本功能与普通的51单片机完全兼容。

内置标准51内核，机器周期：

增强型为6时钟，普通型为12时钟;

工作频率范围：

0~40MHZ，相当于普通8051的0~80MHZ;

STC89C5xRC对应Flash空间：

4KB\8KB\15KB;

内部存储器（RAM）：

512B;

定时器\计数器：

3个16位；

通用异步通信口（UART）1个；

中断源:

8个；

有ISP（在系统可编程）\IAP（在应用可编程）,无需专用编程器\仿真器；

通用I\O口：

32\36个；

工作电压：

3.8~5.5V。

引脚结构如图2-1所示。

图2-1引脚结构图

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复位，在访问期间激活内部上拉电阻。

P1口:

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTE逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入和输入。

P2口:

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

P3口:

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。

2.3.2温度芯片的选择

DS18B20，常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

引脚结构如图2-2所示。

图2-2温度芯片引脚结构

主要特性[2]：

1.1、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

1.2、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

1.3、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

1.4、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

1.5、温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±

0.5℃

1.6、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

1.7、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

1.8、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

1.9、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。

引脚定义：

DQ为数字信号输入/输出端；

GND为电源地；

VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

2.3.3液晶显示器LCD1602

LCD1602液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的应用。

根据显示内容可以分为字符型液晶，图形液晶。

根据显示容量又可以分为单行16字，2行16字，两行20字等等。

其引脚结构如图2-3所示。

图2-3LCD1602引脚图

LCD1602特性：

3.3V或5V工作电压，对比度可调；

内含复位电路；

提供各种控制命令,如：

清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；

有80字节显示数据存储器DDRAM；

内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM；

8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM。

LCD管脚功能[3]：

第1脚：

GND为电源地。

第2脚：

VCC接5V电源正极。

第3脚：

V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，可以通过一个10K的电位器调整对比度）。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平

（1）时进行读操作，电平（0）时进行写操作。

第6脚：

EN端为使能端,高电平时读取信息，负跳变时执行指令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：

空脚或背灯电源。

15脚背光正极，16脚背光负极。

2.3.4光电耦合器

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。

它由发光源和受光器两部分组成。

把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。

发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端。

亦称光电隔离器，简称光耦。

光电耦合器以光为媒介传输电信号。

它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。

目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。

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特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

光电耦合器引脚结构如图2-4所示。

图2-4光电耦合器引脚结构

当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，CE导通；

当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，CE不通。

对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；

当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。

2.4整体设计框图

本课题要设计的温室温度控制系统主要包括：

（1）单片机控制模块：

ATC89C51；

（2）数据显示模块（3）加热模块（4）降温模块（5）温度采集模块（6）按键模块。

系统总的电路框图如图2-5所示。

图2-5系统总的电路框图

（1）单片机控制模块

主要采用STC89C52芯片设计，为本设计的核心模块，主要负责对其他部分进行数据处理和控制。

（2）DS18B20温度采集模块

采用数字DS18B20的温度传感器负责测量当前室内空气的温度，并输送到单片机由其进行数据处理。

（3）加热与降温模块

负责对制冷和加热设备启动与关闭的控制，当温度高于所设计的上限温度时，负责制冷的设备的继电器闭合，负责制热的设备的继电器断开；

当温度低于所设计的下限温度时，启动加热模块。

（4）数码管温度显示模块

由LCD1602组成，负责对当前温度和设定的上下限温度显示，并实时显示当前温度。

（5）按键调节模块

通过按键的按下，实现可调节上下限温度值，以达到自己想要的温度范围，并通过外接的制冷设备或加热设备，进行调节室内的温度在所设定的范围之内。

3硬件模块的设计实现

3.1整体电路结构

由STC89C51单片机构成的核心处理模块；

由DS18B20构成的温度测量模块；

由LCD1602液晶屏组成温度显示模块；

由5个按键组成功能按键功能设置模块，用于设置需要监控的温度范围；

由风扇和制冷制热片组成的制冷和加热设备模块，以实现自动控制调温度；

以及控制电压输出的电源模块。

系统总电路图如图3-1所示。

图3-1系统总电路图

单片机处理模块内含了震荡电路和复位电路，该模块主要负责整个系统的数据处理，实现对系统功能的控制；

LCD1602组成的显示模块主要负责对实时温度的显示，还显示需要监控的温度范围数据。

DS18B20的温度检测模块负责对模拟温室温度的测量，把数据返回单片机进行处理，及时的做出相应的调整；

加热模块则由陶瓷加热片负责加热，小型电风扇则通过通风散热达到降温的目的；

电源模块则可以把高电压转变成合适的电压供各个模块正常运行。

3.2系统控制模块

控制和数据处理模块采用STC89C51片构成，由于该单片机算术运算能力强，而且利用软件编程灵活，具有功耗低、体积小、I/O口资源丰富、通用性强和成本低等优点。

单片机最小系统如图3-2。

图3-2单片机最小系统

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XT1、XT2脚）连接石英晶体与电容即可。

引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体一起构成自激振荡器，

为确保单片机机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。

一般单片机机电路正常工作需要供电电源为5V±

5%，即4.75～5.25V。

由于单片机机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才会撤除，单片机机电路开始正常工作。

复位电路工作原理：

VCC上电时，C充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位；

几个毫秒后，C充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。

工作期间，按下开关，电容C放电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位。

单片机复位电路要求有一个持续时间，加上电容可以利用其两端电压不能突变的特性，使复位电平维持一定时间，使单片机复位。

单片机一般有两种复位方式：

上电复位，在系统一上电时利用电容两端电压不能突变的原理给系统一个短时的高电平；

按键复位，通过按键接通高电平给系统复位。

本设计中采用的是上电复位和按键复位同时有效。

在MCS-51系列单片机内部有一个时钟电路，其核心是一个高增益单极反相放大器，将晶体振荡器提供的振荡信号放大。

XTAL1引脚和XTAL2引脚就分别是此放大器的输入端和输出端。

单片机内部虽然有这个时钟电路，但要形成时钟，必须外接附加电路。

用不用这个内部放大器，就形成了单片机时钟产生的不同方式：

若采用这个放大器，即为内部方式；

若采用外部放大器，即为外部方式。

本系统采用内部方式，振荡器在加电10ms开始起振，XTAL2输出3V左右的正弦波。

晶振频率可以在1.2~12MHz之间任选，由于制造工艺的改进，有些单片机的振荡频率范围正向两端延伸，可达到40MHz。

振荡频率越高表示单片机的运行速度越快，但同时对存储器的速度和印刷电路板的要求也就越高。

如果存储器的存储速度跟不上的话，再快的CPU也是没用。

这个并联谐振电路对电容的值没有严格的要求，但电容的大小多少会影响振荡器的稳定性、振荡器频率的高低、起振的快速性等。

所以一般外接晶体时，C1、C2的值通常选为20~100pF，在60~70pF时振荡器有较高的频率稳定性。

本系统选用石英晶体振荡器，晶振频率为12MHz，目的是方便计算；

C1、C2的值为30PF。

在设计电路板时，晶振、电容等均应尽可能靠近芯片，以减小分布电容，进一步保证振荡器的稳定性。

3.3温度采集模块

温度采集模块的核心器件是DS18B20，通过2管脚连接单片机P1.1端口，而取测量到的温度值。

DS18B20是1-Wire总线数字温度传感器，它将数据线、控制线、地址线合为一根信号线，并且允许在这根信号线挂接多个1-Wire总线器件。

1-Wire总线技术具有结构简单、节省I/O资源、便于总线扩展、成本低廉和便于维护等优点。

最典型的DS18B20是DALLS公司生产的，它是采用1-Wire总线技术的典型产品，其内部由以下4个主要的数据部件组成。

64位激光ROM：

64位光刻ROM的排列是：

开始8位（28H）是该产品类型标号，接着的48位是产品的自身序列号，最后8位是其前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现在一根总线上挂多个DS18B20的目的。

灵敏部件：

DS18B20温度传感器可完成对温度的测量；

非易失性温度报警触发器TH与TL：

可通过软件编程写入用户设