基于单片机的温度采集系统设计毕业设计.docx

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基于单片机的温度采集系统设计毕业设计

基于单片机的蔬菜大棚温度采集系统设计

摘要

随着现代信息技术的飞速发展，温度测量控制系统在工业、农业及人们的日常生活中扮演着一个越来越重要的角色，它对人们的生活具有很大的影响，所以温度采集控制系统的设计与研究有十分重要的意义。

本设计以AT89C51单片机为核心的温度采集系统的工作原理和设计方法。

温度信号由温度芯片DS18B20采集，并以数字信号的方式传送给单片机。

文中介绍了该控制系统的硬件部分，包括：

温度检测电路、温度显示电路。

单片机通过对信号进行相应处理，从而实现温度显示的目的。

文中还着重介绍了软件设计部分，在这里采用模块化结构，主要模块有：

数码管显示程序、温度信号处理程序、超温报警程序。

温室大棚是如今植物栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类蔬菜对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，以提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。

关键词：

温度采集；AT89C51；DS18B20；

DesignoftheTemperatureAcquisitionSystemBasedontheSCMintheGreenhouse

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmoderninformationtechnology,temperatureacquisitionsysteminindustry,agricultureandpeople'sdailylifeplaysamoreandmoreimportantrole;ittopeople'slifehasagreatinfluence,sothetemperaturegatheringthedesignofcontrolsystemandresearchhaveveryimportantsignificance.

ThisdesignasthecoreoftheAT89C51temperaturecontrolsystemoftheworkingprincipleanddesignmethod.TemperaturesignalchipDS18B20collectionbythetemperature,andthewaytodigitalsignaltransfertothemicrocontroller.Thepaperintroducesthehardwarepartofthecontrolsystem,including:

temperaturedetectioncircuit,temperaturecontrolcircuit,temperaturedisplaycircuit.SCMthroughtosignalprocessed,soastoachievethepurposeoftemperaturecontrol.Thispaperhasmainlyintroducedthesoftwaredesignpart,herethemodularizedstructure,mainmodulehas:

digitaltubeshowprogram,keyboardscanningandkeyprocessingprogram,temperaturesignalprocessingprogram,relaycontrolprocedures,supertemperaturealarmingprogram.

Greenhousecanopyisnowplantingplantproductionofoneoftheindispensablefacilities,differentkindsofvegetablessuchastemperatureandhumidityconditionsneededforgrowthofdemandisendlessalsoandsame,providethemwithamoresuitableforthegrowthoftheclosed,goodlivingenvironment,andtodelayorearlyflowering,willeventuallybringthehugeeconomicbenefits.

Keywords:

temperatureacquisition；AT89C51;DS18B20;

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表格清单

引言

蔬菜的生长与温度息息相关，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素是温度控制。

温度太低，蔬菜就会被冻死或则停止生长，所以要将温度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。

如果仅靠人工控制既费时费力,效率低，又容易发生差错，为此，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温度自动控制系统，来监控采集大棚内各个角落的温度变化情况，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。

要时刻对蔬菜大棚的温度进行测量，就离不开温度传感器。

传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。

控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。

而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。

数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。

由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。

第1章绪论

1.1课题研究背景

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、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。

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。

大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。

国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。

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、湿度以及二氧化碳的含量，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。

1.2国内外研究现状

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。

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。

从国内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。

通过对温室内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，手动调节温室内环境。

种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。

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，而且对种植者的素质要求较高。

（2）自动控制。

这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。

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。

通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律。

目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。

（3）智能化控制。

这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。

温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。

由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。

1.3该课题研究的主要内容

本设计以AT89C51单片机的温度测量和控制系统为核心来对蔬菜大棚温度进行实时巡检。

单片机能独立完成各自功能，同时能根据主控机的指令对温度进行定时采集。

测量结果不仅能在本地显示，而且可以利用单片机的串行口和总线通信协议能把温室中的温度参数及时上传至上位机，并与设定值进行比较，与设定值不符时采取相应的处理措施，以实现恒温环境。

在设计的过程中充分考虑到性价比和精度，在选用低价格、通用元件的的基础上，尽量满足设计要求，并使系统具有高的精度。

本控制系统以单片机的控制为核心，实时监测大棚环境的温度，并设定了这两个参数的上下限定值，并具有相应的报警系统，当超过设定的限定值时，单片机控制报警系统进行报警。

当参数值恢复到设定值范围内时，控制又恢复检测状态。

从而使环境的温度在一定的范围内得到控制。

本设计主要内容包括以下几个方面：

1．选择适合的传感器，设计相应的信号采集和处理电路。

2．掌握AT89C51单片机的主要功能和特性，以其为核心设计控制系统。

3．设计简单的人机对话接口系统，如显示、报警等。

4．实现单片机与上位机的通信。

第二章总体设计方案

2.1系统方案选择

整个系统采用模块化设计，硬件结构由传感器和单片机、LED数码管、蜂鸣器等装置组成，传感器将物理参量转换为电压并完成信号的调理，再送人模数转换器ADC0809,由下位单片机AT89C51读取，单片机将数据通过总线送给上位机，上位机设有显示功能，根据预先设置的参数决定要采取的措施，并将信息传给下位机，由键盘强制控制。

蔬菜大棚温度采集系统的组成基于两个方面：

单栋蔬菜大棚温度采集系统和集约化生产连栋蔬菜大棚温度采集系统。

后者建立在前者的基础上，前者适于我国农村个体经营的现状。

对于单栋蔬菜大棚温度采集系统，设置了独立的控制和显示等功能，并设置了RS-232和RS-485通讯接口，便于和上位机通信，实现集散控制系统，其模式如图下。

另外，在设计过程中考虑到农生产的特点，每个系统的各部分接口都作了模块化设计，并增加备用接口和功能，便于大蔬菜棚生产重建和生产场地的变化，也增加了系统的通用性，扩大了适用范围。

整个蔬菜大棚温度采集系统框图如下图2-1。

图2-1整体系统框图

根据题目要求系统模块分可以划分为：

键盘模块，温度测量模块，显示电路模块，报警模块。

为实现各模块的功能，分别做了几种不同的方案并进行了论证。

图2-2大棚内部采集系统结构

由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。

大棚内部采集系统结构图如下图2-2。

2.1.1温度测量的选择

方案一：

由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。

方案二：

进而考虑到用温度传感器，在单片机电路设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用一只温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温度值，进行转换，就可以满足设计要求。

从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二

2.1.2显示电路的选择

方案一：

使用静态显示，此方法不用另加外界驱动直接与单片技术出口相连，不需要单独的程序来完成显示。

但占用I/O口多。

方案二：

使用动态显示，节省了I/O输出口，但此方法需要加外加外部驱动以此增加输出电流来更好的驱动数码管显示，电路简单，成本稍高，需要特定的编程来完成动态刷新。

本设计中使用的是动态显示，因为没有太多的输出口来完成静态显示，故选动态显示。

2.1.3系统各模块的最终方案

根据以上分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案：

1．采用AT89C51单片机作为控制器，分别对温度采集、数码管显示、蜂鸣器的控制。

2．温度测量模块采用数字温度传感器DS18B20。

此器件经软件设置可以实现高分辨测量。

3．显示数码管显示实时温度值。

4．蜂鸣器对高于或低于上下限的温度进行报警。

2.2方案的总体设计电路图

温度计电路设计总体设计方框图如图1所示，控制器采用单片机AT89C51，温度传感器采用DS18B20，用4位LED数码管以并口循环点亮来实现温度显示。

其中，P1.0至P0.7口连四个数码管的abcdefg，dp口。

P2.0至p2.3分别作为四个数码管的片选端

P2.4口连温度传感器的串行数据口

设计的电路主要有三部分组成：

51单片机、LED数码管液晶显示模块、温度采集如下图2-3。

图2-3总体方案电路图

第三章硬件设计

3.1单片机AT89C51

3.1.1简介

 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

主要特性：

·与MCS-51兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

·寿命：

1000写/擦循环

·数据保留时间：

10年

·全静态工作：

0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路。

·单片机AT89C2051的引脚图如图3-1

图3-1单片机AT89C2051引脚

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流，当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

 /EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

 XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

 XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

芯片擦出：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

3.1.2单片机最小系统

单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的，在单片机的XTAL1和XTAL2两个管脚接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路，电路中电容器C1和C2对振荡器频率有微调作用，通常取（30±10）pF石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。

单片机的RST管脚为主机提供了一个外部复位信号输入口。

复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间为2个机器周期以上。

单片机的复位方式可由手动复位方式完成。

电阻、电容器的参考值R1=10kΩ、C1=10uF、C2=0.01uF。

由时钟电路、复位开关和电源部分组成。

如下图3-2。

图3-2单片机最小系统

3.2温度传感器DS18B20

3.2.1简介

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。

主要根据应用场合的不同而改变其外观。

封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。

耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

技术性能描述：

独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5Ｖ；零待机功耗；温度以9或12位数字；用户可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作DS18B20采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图3-3所示。

图3-3DS18B20内部结构

64位ROM的结构开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前面56位的CRC检验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。

温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入户报警上下限。

DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。

高速暂存RAM的结构为8字节的存储器，结构如图3-3所示。

头2个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失