大棚恒温控制器的设计与实现设计本科论文.docx

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大棚恒温控制器的设计与实现设计本科论文

本科生毕业论文（设计）

题目（中文）：

塑料大棚恒温控制器的设计与实现

（英文）：

　ConstantTemperatureControllerDesignandImplementationofthePlasticGreenhouse

本科毕业论文（设计）诚信声明

作者郑重声明：

所呈交的本科毕业论文（设计），是在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

除文中已经注明引用的内容外，论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。

对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。

本声明的法律结果由作者承担。

本科毕业论文（设计）作者签名：

年月日

塑料大棚恒温控制器的设计与实现

摘要

塑料大棚恒温控制器的设计包括硬件电路设计和系统程序的设计。

硬件电路主要包括主控制器，温度测量电路，温度控制电路和显示电路。

主控制器采用单片机STC12C5A16S2，温度传感器采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20，温度控制电路采用的是继电器控制外部加热制冷设备，显示电路采用3个共阳极LED数码管。

测温控制电路由温度传感器和预置温度值比较组成，当实际测得的温度值大于预先设定的温度，导致光信号报警，并且驱动电风扇工作；当实际温度低于预先设定的温度，导致关信号报警，并驱动加热器工作。

系统程序主要包括主程序，测试程序和显示子程序等。

关键词

单片机；数码显示管；温度传感器DS18B20；控制电路

ConstantTemperatureControllerDesignandImplementationofthePlasticGreenhouse

Abstract

Plasticsconstanttemperaturecontrollerdesignincludeshardwarecircuitdesignandsystemprogramdesign.Thehardwarecircuitmainlyincludesthemaincontroller,temperaturemeasurementcircuit,temperaturecontrolcircuitanddisplaycircuit.MaincontrollerbysinglechipmicrocomputerSTC12C5A16S2,DS18B20temperaturesensorbyDALLASsemiconductorcompaniesintheUnitedStatesproduction,temperaturecontrolcircuitUSESisrelaycontrolexternalheatingrefrigerationequipment,usingthreecommonanodeLEDdigitaltubedisplaycircuit.Temperaturecontrolcircuitiscomposedoftemperaturesensorandthepresettemperaturecomparison,whentheactualmeasuredtemperaturevalueisgreaterthanthepre-settemperature,leadtolightalarmsignal,andworkdriveelectricfan;Whenactualtemperatureislowerthanthepresettemperature,resultinginawarningsignal,anddrivetheheaterwork.Systemprogrammainlyincludesthemainprogram,thetestprogramanddisplaysubroutine,etc.

Keywords

singlechipmicrocomputer;Digitaltubedisplay;TemperaturesensorDS18B20;Controlcircuit

1前言

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。

日常生活及工农业生产中经常要用到温度的检测及控制，在冶金、食品加工、化工等工业生产过程中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，都要求对温度进行严格控制。

温度控制，在自动化控制中占有非常重要的地位。

单片机系统的开发应用给现代农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[1]。

将单片机控制方法运用到温度控制系统[2]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。

在日常生活中，电烤箱、微波炉、电热水器、烘干箱等电器也需要进行温度检测与控制。

传统的测温元件有热电偶和热电阻。

而热电偶和热电阻测出的一般是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。

而采用单片机对温度进行控制，不仅具有控制方便，简单和灵活等优点，而且可以大幅度提高温度控制的技术指标。

测量温度的关键是温度传感器，温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化、网络化的方向发展。

在测温电路中，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，将随被测温度变化的电压或电流采集过来，先进行A/D转换，然后用单片机进行数据的处理，再在显示电路上，将被测温度显示出来。

这种设计需要用到A/D转换电路，因此感温电路的设计比较复杂。

进而想到采用智能温度传感器来设计数字温度控制器。

本数字保温控制的设计采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20作为检测元件[3]，继电器控制外部加热制冷设备，其温度值可以直接被读出来，通过核心器件单片机STC12C5A16S2控制温度的读写和显示，用LED数码管显示。

在温度传感器的选择上我们采用温度芯片DS18B20测量温度。

该芯片的物理化学性很稳定，且此元件线形较好。

在0—100摄氏度时，最大线形偏差小于1摄氏度。

该芯片直接向单片机传输数字信号，便于单片机处理及控制。

本设计的最大特点之一就是直接采用温度芯片对温度进行测量，使数据传输和处理简单化。

采用温度芯片DS18B20测量温度，体现了作品芯片化这个趋势。

部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。

而且，集成块[4]的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。

所以芯片的使用将成为电路发展的一种趋势。

本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。

对于温度的调节系统[5]，我们才用的只是简单的升温和降温方法，当温度低于我们设定的最低温度值时，则单片机系统则会通过一个高电平的脉冲电流直接送给继电器，使连接在继电器上的加热器通电产生热量来提高温度。

如果当温度高于我们设定的最高温度值时，则单片机会通过另一个口发出一个高电平的脉冲电流送个继电器，使连在继电器上的电风扇启动，来降低温度。

在此过程中，我们通过单片机将传感器所测量出来的温度通过数码管显示出来。

这样就能观察到即时的温度情况，以便更好的验证系统的性能。

按照上述设计功能的要求，确定系统有6个部分组成：

主控制器、显示电路、报警电路、按键预置温度值电路、继电器输出电路及温度传感电路。

控制器使用STC12C5A16S2，温度传感器使用DS18B20，显示电路用3位共阳极LED数码管以动态扫描法实现温度显示，继电器外接控制加热制冷设备。

系统程序[6,7]主要包括主程序、温度控制子程序及显示子程序等等。

综上所述，本设计以智能集成温度传感器DS18B20为检测元件，以单片机STC12C5A16S2为主控器，用继电器控制外部的加热制冷设备，对大棚塑料内的温度进行控制，便于大棚内的植物生长。

该设计同时也适用于人们的日常生活及工农业生产中用于温度的检测及控制。

2任务分析与方案论证

2.1任务分析

本设计是对温度进行实时监测与控制，即可以测试塑料大棚中的温度和可设置塑料大棚内适合植物生长的温度。

当温度低于设定下限温度时，系统自动报警且自动启动加热继电器加温，使温度上升，同时指示灯亮，当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当温度高于设定上限温度时，系统自动报警且自动启动电风扇降温，使温度下降，同时指示灯亮。

当温度下降到上限温度以下时，停止降温。

温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。

三个数码管即时显示温度，精确到小数点一位。

具体要求如下：

（1）、能够测量温度，温度用数字显示。

（2）、测量温度范围-10～60℃，测量精度为0.5℃。

（3）、能够设置塑料大棚温度并控制温度，设定范围5～40℃，且连续可调。

设置温度用数字显示。

（4）、温度控制精度≤±2℃。

（5）、当超过设定的温度5℃时，产生声、光报警。

2.2两种方案的比较

2.2.1方案一

测温电路的设计，可以使用热敏电阻之类的器件，利用其感温效应，将被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，用单片机进行数据的处理，在显示电路上显示被测温度，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。

2.2.2方案二

考虑使用温度传感器，结合单片机进行电路设计，温度传感器采用DS18B20，这种芯片可直接读取被测温度值，然后再通过单片机STC12C5A16S2控制继电器，进而控制外部的加热制冷设备，以达到预设的温度值。

比较以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计容易实现，故采用方案二。

2.3实现方法简述

硬件系统应包括四大模块：

单片机最小系统，测温电路，继电器输出电路和电源电路。

单片机最小系统负责设置温度的上下限，数据的处理和温度的显示；温度测量电路测量实时温度；当温度高于上限温度或者低于下限温度时，报警电路产生光和声音报警，此时继电器控制加热制冷设备，只至达到上下限范围以内，警报电路和继电器输出

电路停止工作。

设计的方框图如图2.1所示。

图2.1设计方框图

3硬件电路的设计

3.1单片机最小系统

3.1.1单片机STC12C5A16S2

STC12C5A16S2单片机是以51内核为主的系列单片机，STC单片机是宏晶生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8—12倍，内部集成MAX810专用复位电路。

高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。

STC12C5A16S2单片机引脚[2]如图3.1所示。

图3.1STC12C5A16S2单片机主要性能

它的主要性能有：

（1）高速：

1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8～12倍。

（2）宽电压：

5.5～3.8V。

（3）低功耗设计：

空闲模式，掉电模式（可由外部中断唤醒）。

（4）16K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上。

（5）芯片内有EEPROM功能。

（6）在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器。

（7）高速SPI通信端口。

（8）先进的指令集结构，兼容普通8051指令集。

引脚的功能：

P0.0—P0.7（39—32）：

P0口是一个漏极开路型准双向I/O口。

在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）和数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。

在EPR