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花卉温室控制系统设计论文

南京理工大学

毕业设计说明书（论文）

作者:

教学点:

专业:

题目:

指导者：

（姓名）（专业技术职务）

评阅者：

（姓名）（专业技术职务）

2015年4月

毕业设计（论文）中文摘要

进入21世纪以来，我国园艺产业得到迅猛的发展，以花卉为主的作为观赏和礼品的植物设施栽培在大江南北遍地开花，设施园艺被看作是21世纪最具活力的新产业。

温室是观赏植物栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类观赏花卉对温度的要求也不尽相同。

随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制温室环境。

控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。

先编制出温室花卉各生育阶段最适环境条件的管理程序表，存储于电子计算机的记忆装置中，电子计算机根据程序表确认、修正各栋温室内的参数，并给终端控制系统指令。

终端控制设备向中央控制装置输送检测信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现温室环境调节。

该系统可自动控制加热、降温、加湿、灌溉、通风。

根据需要，通过键盘将信息输入中央管理室，根据情况可随时调节环境。

温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。

本文将使用单片机对温度控制的基本原理实例化，设计一个实时控制花房内的温度的花房温度控制系统。

目的是利用课程设计的这段时间学习一种利用单片机对花房温度进行控制的方法。

关键词：

单片机控制技术温度计DS18B20应用

毕业设计（论文）外文摘要

Title:

microcomputer-basedcontrolofdigitalthermometersfromthehardwaredescriptiongreenhouseflowerstemperaturecontrolsystemdesign

Abstract

Sincethe21stcentury,gardeningindustrygetrapiddevelopment,flowercultivationasornamentalandgiftplantfacilitiesinthegreatrivernorthandsouthFacilityhorticultureisregardedasthemostdynamicnewindustriesinthe21stcentury.Greenhouseisoneoftheindispensablefacilitiesintheproductionofornamentalplantcultivation,differentkindsofornamentalflowersandplantsalsohavedifferentrequirementsfortemperature.

Withthedevelopmentofmodernscienceandtechnology,computershavebeenusedtocontrolthegreenhouseenvironment.Controlsystemiscontrolledbyacentralcontrolunit,terminalequipment,sensors,etc.Todevelopthegreenhouseflowersfirstoptimumgrowthstageandenvironmentalconditionsofmanagertable,storedincomputermemoryinthedevice,theelectroniccomputeraccordingtothescheduletoconfirmandcorrectionwithintheparametersofgreenhouse.Wedesignarealtimecontrolthegreenhousetemperaturecontrolsystemoftemperatureinthegreenhouse.Purposeistousethecurriculumdesignofthisperiodoftimetolearnakindofthemethodofusingsingle-chipmicrocomputertocontrolthegreenhousetemperature.

keywords:

Single-chipmicrocomputer,digitalcontrol,thermometer,DS18B20

目次

1引言

1.1研究目的

花卉温室就是建立一个适合花卉生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对花卉生长的限制，使花卉能够在自然环境不适合的情况下正常生长。

由于花卉温室能克服环境对花卉生长的限制，所以这种技术能使不同的花卉在不适合生长的季节产出，使季节对花卉的生长影响不大，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。

人们身体要保持健康就需要蔬菜提供营养，而植物生长需要特定的自然环境，在我国的三北地区（西北，华北，东北），在冬季和春季均满足不了绿色食品的需求，而温室，正是一种人造的适合花卉生长的小型气候环境，由于温室能够使花卉在不适合生长的季节产出，温室控温技术为社会带来了可观的经济效益，促进了社会的和谐发展。

1.2研究现状

随着工业化进程的加快，花卉温室的发展以生产优质产品为目标，其技术创新贯穿于相关的各个环节。

花卉温室新技术日新月异，曰外发展迅速，发达国家的没施同艺已具备了技术成套、没施设备完善、生产技术规范、质量保证性强、产量稳定等特点。

形成了设施制造、环控调控、生产资捌为一体的多功能体系，并在向高层次、高科技以及自动化、智能化和网络化方向发展，实现了周年生产、均衡上市。

花卉温室正朝自动化、无人化的方向发展，其主要目的是提高控制及作业精度，提高作业效率，增加作业者的舒适性及安全性。

遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中，温室网络管理体系可将环境调控、灌溉系统或营养液的供给。

系统作为一个整体，实现远程控制。

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。

随着农业现代化的发展，设施园艺工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，己越来越受到世界各国的重视。

这也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。

我国的现代化温室是在引进与自我开发并进的过程中发展起来的。

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:

手动控制，自动控制，智能化控制。

本设计是对花卉温室温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能。

当花卉温室温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使温度上升，同时绿灯亮。

当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当花卉温室内温度高于设定上限温度时，系统自动启动风扇降温，使温度下降。

当温度下降到上限温度以下时，停止降温。

数码管即时显示温度，精确到小数点一位。

2系统设计

2.1设计要求

对于温度控制系统的设计，首先要选择的是温度相对应的数据的输入，这就需要一个温度传感器来对进行数据采集和对数据的分析处理，并以此来控制显示温度。

对于传感器来说，其种类很多，在最开始我选择的是TC620作为传感器，它有许多的优点，它是集控制于一体，并且可以设定温度的上下限，用起来是比较的方便，但是它是模拟型输出温度传感器，它在温度设置方面采用的是外接电阻，电阻值容易受到外界环境因素的影响，例如温度，湿度等因素，从而影响控制精度。

而现在我选用的是DS18B20数字温度传感器，传感器选用DS18B20，它由温度上、下限LED显示电路，可控硅控制电路，模拟声电路和交流降压整流电路等组成。

该温控电路可按设定的上、下限温度内进行自动控制，测温精度在±1℃范围内，控温效果理想，还可进行超温指示。

当当前温度超出设定范围时蜂鸣器发出报警声音。

利用双点温控带动热风机，在温度超出或低出适当的温度范围时起降温和加热的作用。

该电路具有0.1℃的分辨能力。

供电电路由LM317可调集成稳压器构成，最大输出电流为2.2A，输出电压范围为1.25～37V。

它的工作不受外界影响，采集到的数字信号方便处理，而且在温度设置上更加灵活方便，并且精度更高。

其次本设计采用单片机对传感器DS18B20送来的温度数据与设定值进行比较，并做出相应的控制，同时在LED显示电路输出当前温度值。

最后继电器对单片机输出信号做出相应的响应，如果输出值高于或者低于设定温度上下限则带动交流接触器吸合，同时带动热风机进行加热或者是降温。

双点温控带动热风机，上下超温报警和恒温控制，热风机过流保护电路设计，具体指标要求如下:

（1）供电电路设计，温度控制范围10-30摄氏度；

（2）电路具有0.1℃的分辨能力；

（3）温度在设计范围内，测温精度在±1℃范围内；

（4）具备温度自动控制检测和自动恒温控制和超温警报功能；

（5）单片机所需5V电压，及超温报警器3—5V电压；

（6）最大输出电流为2.2A，输出电压范围为1.25～37V；

2.2设计方案

方案一：

由于本设计的是测温电路，是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，然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，感温电路的设计也有点复杂。

方案二：

在我们日常生活中及工农业生产中，经常会遇到温度的检测和控制；传统的测温原件有热电偶和热电阻，然而热电偶和热电阻测出的大都是电压，在转换成对应的温度时，需要比较多的外部硬件支持；它的缺点如下：

制作成本高；硬件电路复杂；软件调试复杂。

方案三：

采用智能温度传感器DS18B20作为检测元件，测温范围为-55~125℃，其最高分辨率可达0.0625℃。

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可以根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。

可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源，因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面都有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

特点：

独特的单线接口方式：

DS18B20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；在使用中不需要任何外围元件；可用数据线供电，电压范围：

3.0"5.5V；测温范围：

-55"125℃。

固有测温分辨率为0.5℃；通过编程可实现9"12位的数字读数方式；用户可自设定非易失性的报警上下限值；支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温；负压特性，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。

从以上三种方案，很容易看出，采用方案三，电路比较简单，软件设计也比较简单，本文采用了方案三。

2.3系统框图

本系统的电路设计方框图如图1所示，它由这几个部分组成:

控制部分主芯片采用单片机AT89C52，显示部分采用4位LED数码管以动态扫描方式实现温度显示，温度采集部分采用DS18B20温度传感器以及加热制冷控制电路。

图1系统电路总体框图

3硬件设计

本次论文设计主要是应用51系列单片机，来设计一个花卉温室控制系统，这次设计的控制系统与传统的相比，具有读取数据方便，测量温度准确，测温范围广，控制精确的特点。

，本次设计控制器系统使用单片机AT89C52，测温传感器使用DS18B20，显示电路采用4位共阳LED数码管。

该电路由温度传感器，单片机，温度显示电路，温度设置，报警电路，控制器供电电路，继电器控制电路等。

3.1单片机简介

3.1.1AT89C52的简介

本次设计采用的是单片机AT89C52,如图2所示,此芯片共有40个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口，如图3所示。

左边那列逆时针数起，排列依次为1，2，3，4......40，其中芯片的1脚顶上有一个凹点。

在单片机的40个引脚中，电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚4根以及4组8位可编程I/O引脚32根。

单片机AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，它的片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），元器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，而且兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

单片机AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，并且内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

它将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本，AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式。

单片机AT89C52简介:

兼容MCS51指令系统；8kB可反复擦写（大于1000次）FlashROM；32个双向I/O口；内部RAM256x8bit；3个16位可编程定时/计数器中断；时钟频率0-24MHz；2个串行中断，可编程UART串行通道；2个外部中断源，共8个中断源；2个读写中断口线，3级加密位；低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能。

单片机AT89C52的工作原理：

AT89C52是8位通用微处理器，应用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，他主要用于会聚调整时的功能控制，功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等等。

主要管脚有:

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，应用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

管脚介绍：

P0：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也是地址/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）和数据总线复用，在访问期间激活内部的上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1:

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（吸收或输出电流）4个TTL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；作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，其某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

P1.0和P1.1的第二功能如下表1。

表1P1.0和P1.1的第二功能

引脚号

功能特性

P1.0

T2，时钟输出

P1.1

T2EX（定时/计数器2）

P2:

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（吸收或输出电流）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，此时可以作为输入口，当作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，其某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）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（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。

P3:

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（吸收或输出电流）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（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

3.1.2复位电路

RST：

当AT89S52单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：

上电复位和上电或开关复位。

上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。

上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。

上电后，由于电容的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。

复位输入，电路接通，当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位，如图3所示。

图3复位电路

3.1.3晶振电路

XTAL1：

振荡器反相放大器和内部时钟发生器的输入端，XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

单片机XIAL1和XIAL2分别接30PF的电容，中间再并个12MHZ的晶振，形成单片机的晶振电路。

晶体振荡器在固定频率振荡器中能够提供较高的精度，绝大多数RTC采用32.768kHz的晶体，晶体振荡器输出经过分频后会产生1Hz的基准来刷新时间和日期。

RTC的精度主要取决于晶振的精度，晶体振荡器在固定频率振荡器中能够提供较高的精度，绝大多数RTC采用32.768kHz的晶体，晶体振荡器输出经过分频后会产生1Hz的基准来刷新时间和日期。

RTC的精度主要取决于晶振的精度，晶振一般在特定的电容负载下，其调谐振荡在正确的频点，而当晶振调谐于12.5pF负载的RTC电路中时，使用6pF负载的晶振将会使时钟变快。

DallasSemiconductor提供的所有RTC均采用内部偏置网络，因而晶振可直接连接到RTC的X1、X2引脚，而不需要额外的元件。

由于RTC的晶振输入电路具有很高的输入阻抗，因此，它与晶振的连线犹如一个天线，很容易耦合系统其余电路的高频干扰。

而干扰信号被耦合到晶振引脚将导致时钟数的增加或减少。

考虑到线路板上大多数信号的频率高于32.768kHz，所以，通常会产生额外的时钟脉冲计数。

因此，晶振应尽可能靠近X1、X2引脚安装，同时晶振、X1/X2引脚的下方最好布成地平面。

晶振电路如图4所示。

图4晶振电路

3.2温度传感器简介

3.2.1温度传感器DS18B20简述

DS18B20是美国DALLAS公司生产的可完全替代DS1820的全新型单线数字式温度计。

它具有结构简单，不需外接元件，采用一根I/O数据线既可供电又可传输数据、并可由用户设置温度报警界限等特点，可广泛用于食品库、冷库、粮库等需要控制温度的地方。

DS18B20的主要特性：

温度传感器DS18B20适应电压范围的更宽，电压范围为3~5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电，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以实现微处理器与DS18B20的双向通讯；另外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，另外它耐磨耐碰，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。

温度传感器DS18B20在使用过程中不需要任何外围元件，全部传感器元件及其转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

测温范围为-55~125℃，在-10~85℃时精确度为正负0.5℃；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℃、0.0625℃，可实现高精度测温；在9位分辨率时最多可以在93.75ms内把温度转换成数字，12位分辨率时最多可以在750ms内把温度值转换为数字；测温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，具有极强的抗干扰能力和纠错能力；用户可定义非易失性报警设置；负压特性:

电源极性接反时，芯片不会因发热而被烧毁，但其不能正常工作。

DS18B20外形和引脚：

DS18B20的内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器，DS18B20的外形及管脚排列如图5所示。

图5DS18B20的外形图

DS18B20的引脚定义：

GND为接地端；DQ为数字信号输入/输出端；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

DS18B20的结构：

DS18B20采用3脚PR－35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图6所示

图6DS18B20内部结构

3.2.2DS18B20系列的性能特点

从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，一共有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9字节的存储器，其结构如图7所示。

它的头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，并是易失的，每次上电复