温室大棚控制系统设计.docx
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温室大棚控制系统设计
摘要
关键词:
STC89C52单片机、DS-18B20数字温度传感器、ULN-2003A集成芯片、温室、自动控制、自动检测
第二章系统硬件电路的设计
2.1系统硬件构成及其测控原理
2.1.1系统硬件电路构成系统整体框图
图2-1系统整体框图
2.1.2系统整体电路图
图2-2系统整体电路图
2.1.3系统工作原理
本系统由如图2-1、图2-2所示，DHT11温湿度传感器采集数据，STC89C52单片机进行数据处理，LCD1602显示模块显示温湿度。
由PWM控制温度调节模块进行温度调节，当温度小于18℃时，M4QA045电机停止运转，当温室大于28℃时，M4QA045电机全速运转，当温度处于18℃和28℃之间时，通过PWM控制M4QA045电机转速。
由STC89C52单片机输出高低电平控制湿度报警模块，当湿度大于65%RH或者小于45%RH时，STC89C52单片机输出高电平，湿度报警模块报警，当湿度处于45%RH和65%RH之间时，STC89C52单片机输出低电平，湿度报警模块关闭。
2.2显示模块的选择
2.2.1DS18B20简介
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。
2.2.2DS18B20的性能特点
2.2.2.1、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
2.2.2.2、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
2.2.2.3、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
2.2.2.4、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
2.2.2.5、温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃
2.2.2.6、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
2.2.2.7、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
2.2.2.8、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
2.2.2.9、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。
2.2.3DS18B20的管脚排列
2.2.3.1、DS18B20的外形及管脚排列如下图：
DS18B20引脚定义：
（1）DQ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）。
2.2.4DS18B20的内部结构
DS18B20内部结构图：
2.2.5DS18B20的控制方法
2.2单片机的选择
2.2.1单片机概述
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。
2、单片机的主要应用领域:
（1）工业控制
（2）仪器仪表
（3）电信技术
（4）办公自动化和计算机外部设备
（5）汽车和节能
（6）制导和导航
（7）商用产品
（8）家用电器
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。
2.2.2STC89C52单片机的引脚说明
图2-3STC89C52单片机引脚图
芯片引脚如图2-3所示：
VCC:
电源。
GND:
地。
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表1所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如上表2-1所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/PROG：
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。
在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。
如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。
这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则，ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
PSEN:
外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。
当STC89C52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。
EA/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。
为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。
在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
程序存储器：
如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。
对于89S52，如果EA接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：
2000H~FFFFH。
数据存储器：
STC89C52有256字节片内数据存储器。
高128字节与特殊功能寄存器重叠。
也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。
当一条指令访问高于7FH的地址时，寻址方式决定CPU访问高128字节RAM还是特殊功能寄存器空间。
直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）
定时器2：
定时器2是一个16位定时/计数器，它既可以做定时器，又可以做事件计数器。
其工作方式由特殊寄存器T2CON中的C/T2位选择（如表2所示）。
定时器2有三种工作模式：
捕捉方式、自动重载（向下或向上计数）和波特率发生器。
工作模式由T2CON中的相关位选择。
定时器2有2个8位寄存器：
TH2和TL2。
在定时工作方式中，每个机器周期，TL2寄存器都会加1。
由于一个机器周期由12个晶振周期构成，因此，计数频率就是晶振频率的1/12。
中断：
STC89C52有6个中断源如表2-2所示：
两个外部中断（INT0和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。
IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。
定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或逻辑触发。
程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清0。
实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2或EXF2激活中断，标志位也必须由软件清0[1]。
表2-2中断控制寄存器
符号
位地址
功能
EA
IE.7
中断总允许控制位。
EA=0,中断总禁止；EA=1，各中断由各自的控制位设定
-
IE.6
预留
ET2
IE.5
定时器2中断允许控制位
ES
IE.4
串行口中断允许控制位
ET1
IE.3
定时器1中断允许控制位
EX1
IE.2
外部中断1允许控制位
ET0
IE.1
定时器0中断允许控制位
EX0
IE.0
外部中断1允许控制位
2.2.3STC89C52单片机最小系统
图2-4晶振电路
图2-5复位电路
如图2-4、图2-5所示，复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块。
单片机最小系统是在以51单片机为基础上扩展，使其能更方便地运用于测试系统中，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测试的技术指标，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，称为在实时检测和自动控制领域中广泛应用的器件，在工业生产中称为必不可少的器件，尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大[2]。
2.5温度调节模块设计
1、方案一
图2-12方案一电路图
如图2-12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2-13方案二电路图
如图2-13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[5]。
图2-14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[6]。
2.6湿度报警模块设计
图2-14湿度报警模块电路图
如图2-14所示，由STC89C52单片机在BUZZER端输入信号控制湿度报警模块。
当湿度大于65%RH或者小于45%RH时，BUZZER端输入高电平，电流经Q3放大，使蜂鸣器工作；当湿度处于45%RH和65%RH之间时，BUZZER端输入低电平，蜂鸣器不工作[7]。
第三章温室大棚控制系统软件设计
3.1KeilC软件概述
单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。
机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。
运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。
掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。
KeilC51开发系统基本知识KeilC51开发系统基本知识：
1.系统概述
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。
另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
下面详细介绍KeilC51开发系统各部分功能和使用。
2.KeilC51单片机软件开发系统的整体结构
C51工具包的整体结构，其中uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境（IDE），可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。
开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。
然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件（.OBJ）。
目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件（.ABS）。
ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。
使用独立的Keil仿真器时，注意事项:
*仿真器标配11.0592MHz的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。
*仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。
*仿真芯片的31脚已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU的/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用。
1、安装好了Keil软件以后，我们打开它。
2、我们先新建一个工程文件，点击“Project->New Project…”菜单。
3、选择工程文件要存放的路径,输入工程文件名xdch最后单击保存。
4、在弹出的对话框中选择CPU厂商及型号。
5、选择好STC89C52芯片，接着点击确定，弹出对话框。
6、新建一个C51文件,单击左上角的NewFile，保存为DS18B20_4.C，（注意后缀名必须为.C），再单击“保存”。
7、存好后把此文件加入到工程中方法如下:
用鼠标在SourceGroup1上单击右键,然后再单击AddFilestoGroupSourceGroup1。
8、选择要加入的文件,找到MAIN.C后,单击Add,然后单击Close。
9、在编辑框里输入代码。
10、生成.hex烧写文件,先单击OptionsforTarget。
11、在下图中,我们单击Output,选中CreateHEXF，再单击“确定”。
以上是Keil软件的基本应用[8]。
3.2温室大棚控制系统程序设计
3.2.1整体系统框图
图4-1系统整体框图
首先，初始化单片机设置中断，定义变量，然后初始化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。
调用温湿度采集程序进行数据采集，经过数据转换程序，将十六进制转换成十进制，将十进制数据输出到LCD1602显示模块进行显示，根据温度调整电机转速，根据湿度判断是否报警，最后，进行新一轮的温湿度采集[9]。
3.2.2LCD1602显示模块程序设计
图4-2显示程序框图
如图4-2，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。
3.2.3PWM程序设计
图4-3PWM程序框图
如图4-3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[10]。
第四章调试中遇到的问题
在软件的调试过程中，遇到的问题有很多，下面就几个比较突出的问题进行说明。
1）在对KeilC的使用时不知道怎么才能让它生成HEX文件，从而进行仿真，因为以前没有用过类似的软件，不会并且也不知道需要生成HEX文件，导致前期的工作很难进行
2）因为用的是DHT11数字传感器，在编程过程中需要对所测得温度进行处理，而且需要给定一个温度范围，建立一个温度与电机转速的数学模型，经过反复的计算、实验才实现。
3）因为考虑到经济实用方面，所以在进行实物操作之前，采用proteus软件对程序和硬件电路进行仿真，可是在仿真过程中，独立按键总是不灵敏，这需要对延迟时间进行调整，而程序中设置的延迟时间总是不能够很符合实际操作，所以在这方面浪费了大量的时间进行反复的操作和实验
4）在仿真过程中，因为用到的是LCD1602显示模块，这种显示模块是可以显示字符的，并且这种模块本身带有字库，但事实仿真过程中，电路要求相对宽松，不需加上拉电阻，而实际的电路调试过程需要加上拉电阻。
结论
以上为毕业期间所设计的温室大棚控制控制系统，它经过多次修改和整理，可以满足设计的基本要求。
采用STC89C52单片机、DHT11数字温湿度传感器、LCD1602液晶显示模块和M4QA045电机等器件设计温室大棚控制系统，实现温湿度采集、英文显示；温度自动调节，湿度越限报警功能。
因为本人水平有限，此设计存在一定的问题。
譬如系统抗干扰能力差，且没有实现自动自动复位。
由于使用的是单片机作为核心的控制元件，配合其它器件，使本温度控制系统具有功能强、性能可靠、电路简单、成本低的特点，加上经过优化的程序，使其有很高的智能化水平。
参考文献
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东南大学出版社，2004
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高等教育出版社，1999
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[5]ErnestO.Doebelin.MeasurementSystems:
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科学出版社，2002
[10]徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京：
北京航空航天大学出版社，2004
附录
#include
#include
#defineLCD_DBP2
sbitDQ=P1^0;
sbitBUZZER=P1^1;
sbitPWM=P1^2;
sbitLCD_RS=P1^4;
sbitLCD_RW=P1^5;
sbitLCD_E=P1^6;
sbitHEAT=P1^7;
voidinitial（void）;
voidread_DHT11（void）;
voidLCD_write_command（unsignedcharcom）;
voidLCD_display_char（unsignedcharx,unsignedchary,unsignedchardat）;
unsignedcharread_DHT11_char（void）;
voidcontrol_temperature_humidity（void）;
voiddelay_xms（unsignedinttime_xms）;
voiddelay_x10us（unsignedinttime_x10us）;
unsignedcharstop_system=0;
unsignedcharlineOne[]="TS（0-50）:
C";
unsignedcharlineTwo[]="HS（20-90）:
%RH";
unsignedintT0_number=0,T1_number,PWM_width_H;
u
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