基于51单片机的蔬菜大棚温度控制系统设计.docx
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基于51单片机的蔬菜大棚温度控制系统设计
学号20100604050321
密级
兰州城市学院本科毕业论文
基于51单片机的蔬菜大棚温度检测系统的
设计
学院名称：
培黎工程技术学院专业名称：
电子信息工程与技术学生姓名：
王永良
指导教师：
赵彦敏讲师
二O年九月
BACHELOR,SDEGREETHESIS
OFLANZHOUCITYUNIVERSITY
BasedOn51SingleFilm,sGreenhouse
TemperatureDetectionSystemDesign
College:
LanzhouCityUniversity
Subject:
ElectronicInformationScienceand
Technology
Name:
Wangyongliang
Directedby:
ZhaoyanminProfessor
Sep2011
郑重声明
本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。
尽我所知，除文中己经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。
对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确的方式标明。
本学位论文的知识产权归属于培养单位。
我国北方冬季寒冷而漫长，大力推广蔬菜大棚种植蔬菜能够更好地满足人民日益提高的生活需要。
蔬菜大棚内通过调节温度可以有效地控制二氧化碳的浓度，二氧化碳是对植物生长起着重要的作用。
因此，对棚内温度的控制是非常重要的。
本文介绍的分布式单总线蔬菜大棚温度监测预警系统，采用全数字化设汁，直接监测每个棚内不同部分的温度，通过对温度的良好控制，有效地提高蔬菜的产量。
本温度设计采用现在流行的AT89S52单片机，配以DS18B20数字温度传感器，该温度传感器可自行设置温度上下限。
单片机将检测到的温度信号与输入的温度上、下限进行比较，由此作出判断是否启动继电器以开启设备。
本设计还加入了常用的数码管显示及状态灯显示灯常用电路，使得整个设汁更加完整，更加灵活。
关键词：
单片机应用；温度采集控制；DS18B20应用
Abstract
InnorthChinainwinterlongandcold,vigorouslypromotevegetablesgrowvegetablesarebetterabletoshedlowmeetpeople'sincreasingneeds.
Byadjustingthetemperaturecaneffectivelycontrolbothconcentrations.Therefore,tosecretlytemperaturecontrolisveryimportant.Thispaperintroducesdistributedsinglebusvegetablescanopytemperaturemonitoringandwarningsystem,adoptingdigitaldesign,directmonitoringeachsecretlyvariouspartsofthetemperature,throughthegoodcontroloftemperature,effectivelyimprovevegetableproduction.ThistemperaturedesignUSESpopularnowAT89S52SCM,matchwithDS18B20digitaltemperaturesensor,thetemperaturesensortosettemperatureonthefloor.SCMdetecttemperaturesignalinputandthetemperatureoftheupperandlowerlimitcomparison,thusjudgewhetherstarterrelaytounlockequipment・
Thisdesignstilljoinedcommondigitaltubedisplayandstatelampdisplaylampsarecommonlyusedcircuit,makewholedesignmoreintegratedandmoreflexible.
Keywords:
microcontrollerapplications;temperatureacquisitionandcontrol;
DS18B20application
摘要IV
AbstractV
目录VI
第一章绪论1
1.1蔬菜大棚温度控制系统的目的1
1.2蔬菜大棚温度控制系统完成的功能2
第二章总体设计方案3
2.1方案一3
2.2方案二3
第三章硬件电路设计6
3.1AT89S52的选用6
3.2温度釆集模块的设计7
3.3显示模块的设计13
3.4晶振电路14
3.5复位电路15
3.6加热和制冷电路16
3.7串行通信模块设计16
第四章系统软件设计19
4.1系统软件的整体思路19
4.2系统总流程图19
第五章结论25
致谢26
参考文献27
附录一主板电路图28
附录二系统源程序29
第一章绪论
1.1蔬菜大棚温度控制系统的目的
本设计的内容是蔬菜大棚温度测试控制系统，控制对象是温度。
植物在生长发育的过程中，温度的高低，直接影响到花卉的生理活动，如酶的活性、光合作用、呼吸作用、蒸腾作用，这是在原产地已形成固有的特殊性能。
因温度周期的变化，可直接影响植物的生长，果实以及果实的数量大小等方面。
生物正常的生命活动一般是在相对狭窄的温度范圉内进行，大致在零下儿度到50°C左右之间。
温度对生物的作用可分为最低温度、最适温度和最高温度，即生物的三基点温度。
当环境温度在最低和最适温度之间时，生物体内的生理生化反应会随着温度的升高而加快，代谢活动加强，从而加快生长发育速度；当温度高于最适温度后，参与生理生化反应的酶系统受到影响，代谢活动受阻，势必影响到生物正常的生长发育。
、"|环境温度低于最低温度或高于最高温度，生物将受到严重危害，棋至死亡。
蔬菜大棚是开发日光资源、充分利用太阳光能的主要形式之一，能避光、增产、保湿，为蔬菜生长创造一个良好环境。
蔬菜大棚作为一个相对封闭的环境，其内部形成了一个小气候环境，良好的空气环境是蔬菜正常生长的重要条件。
为了增产、增收，要注意大棚内部的气体、温度和湿度3个要因素。
气体主要是指棚内的二氧化碳的含量。
当空气中的二氧化碳浓度提高到0.1%时，可使蔬菜光合作用速率增加1倍以上，增产20%〜80%：
若使二氧化碳浓度降至0.005%时，光合作用儿乎停止。
蔬菜生长的适宜温度为20°〜30°Co大棚内口天增温快，当棚外平均气温为15°C时，棚内可达40°C〜50°Co因此，要适时调节棚内温度,避免高温危害。
塑料大棚经常处于密闭状态，蒸发量大大减小，内部湿度一般在80%〜90%,湿度过大极易导致病虫害的发生。
现在对大棚内气体、温度和湿度的有效调节，主要是通过适时的通风来实现。
二氧化碳含量过大和湿度过大都会导致温度升高。
而以往温度控制是山人匸完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。
针对此问题，本系统设计的LI的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统，它应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既
实用乂廉价的控制系统。
1.2蔬菜大棚温度控制系统完成的功能
本设计是对蔬菜大棚内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：
当蔬菜大棚内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；当蔬菜大棚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，同时红灯亮。
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。
数码管即时显示温度，精确到小数点一位。
第二章总体设计方案
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，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，电路设计•比较麻烦。
2.2方案—
考虑使用DS18B20,结合单片机电路设计，用一只DS18B20,直接读取被测温度值，之后进行转换，依次完成设计要求。
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，故实际设计中拟釆用方案二。
在本系统的电路设计方框图如图2-1所示，它山三部分组成:
①控制部分主芯片釆用单片机AT89S52；②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；③温度采集部分采用DS18B20温度传感器；④加热制冷控制电路。
图2-1温度计电路总体设计方案
1.控制部分
单片机AT89S52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设汁使用，系统应用三节电池供电。
2.显示部分
显示电路釆用4位共阳LED数码管。
3.温度釆集部分
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温。
这一部分主要完成对温度信号的釆集和转换工作，山DS18B20数字温度传感器及其与单片机的接口部分组成。
数字温度传感器DS18B20把采集到的温度通过数据引脚传到单片机的P1.0口，单片机接受温度并存储。
此部分只用到DS18B20和单片机，硬件很简单
（1）DS18B20的性能特点如下：
1）独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；
2）多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；
3）无须外部器件；
4）可通过数据线供电，电压范围为3.0〜5.5V：
5）零待机功耗；
6）温度以3位数字显示；
7）用户可定义报警设置；
8）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；
9）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。
（2）DS18B20的内部结构
DS18B20釆用3脚PR—35封装，如图2-2所示；DS18B20的内部结构，如图2-2所示。
图2-2DS18B20封装
（3）DS18B20内部结构主要山四部分组成：
1）64位光刻ROM。
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56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以釆用一线进行通信的原因。
2）非挥发的温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入用户报警上下限值。
3）高速暂存存储，可以设置DS18B20温度转换的精度。
4）CRC生。
第三章硬件电路设计
3.1AT89S52的选用
1.AT89S52的参数
AT89S52是一种低功耗、高性能CM0S8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
列外，AT89S52可降至OHz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
2.AT89S52的性能
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至OHz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、审口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
图3-1是它的接线图和实物图。
U1
3-1单片机电路引脚图和实物图
3.2温度采集模块的设计
1.DS18B20的工作原理
根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：
1.每一次读写之前都必须要对DS18B20进行复位；
2.复位成功后发送一条ROM指令：
3.最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待15〜60微秒左右后发出60〜240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，具体工作方法如，图3-2,3-3,3~4所示。
（1）初始化时序
总线上的所有传输过程都是以初始化开始的，主机响应应答脉冲。
应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准备就绪。
主机输出低电平，保持低电平时间至少480us,以产生复位脉冲。
接着主机释放总线，4.7KQ上拉电阻将总线拉高，延时13〜60us,并进入接受模式，以产生低电平应答脉冲，若为低电平，再延时480uso
（2）
写时序
图3-3写时序
写时序包括写0时序和写1时序。
所有写时序至少需要60us,且在2次独立的写时序之间至少需要lus的恢复时间，都是以总线拉低开始。
写1时序，主机输出低电平,延时2us,然后释放总线,延时60uso写0时序,主机输出低电平，延时60us,然后释放总线，延时2us。
（3）
读时序
主机写"1"时序
图3-4读时序
总线器件仅在主机发出读时序是，才向主机传输数据，所以，在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便从机能够传输数据。
所有读时序至少需要60us,且在2次独立的读时序之间至少需要lus的恢复时间。
每个读时序都由主机发起，至少拉低总线lus。
主机在读时序期间必须释放总线，并且在时序起始后的15us之内采样总线状态。
主机输出低电平延时2us,然后主机转入输入模式延时12us,然后读取总线当前电平，然后延时50us
2.DS18B20的测温原理
每一片DS18B20在其ROM中都存有其唯一的48位序列号，在出厂前已写入片内ROH中。
主机在进入操作程序前必须用读ROM（33H）命令将该DS18B20的序列号读出。
程序可以先跳过ROM,启动所有DS18B20进行温度变换，之后通过匹配ROM,再逐一地读回每个DS18B20的温度数据。
DS18B20的测温原理如图3-6所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。
计数门的开启时间山高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55°C所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法讣数器1和温度寄存器被预置在-55°C所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图2.3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要讣数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值.
图3-5测温原理内部装置
侦置
另外，山于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。
系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。
操作协议为：
初始化DS18B20（发复位脉冲）一发ROM功能命令一发存储器操作命令一处理数据。
斜坡累加器
计数比较器
减法计数器
低温度系数振
荡器
图3-6测温原理内部装
3.ROM操作命令
当主机收到DS18B20的响应信号后，便可以发出ROM操作命令之一，这些命令如表3-7：
ROM操作命令。
ROH操作命令:
表3-7：
指令
约定
代码
功能
读
ROM
33H
读DS18B20ROM中的编码
符
合ROM
55H
发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单线总线上与该编码相对应的DS18B20使之作出响应，为下一步对该DS18B20的读写作准备
搜索ROM
OFOH
用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROH地址，为操作各器件作好准备
跳过ROM
OCCH
忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发温度变换命令，适用于单片工作。
警告索
命令
OECH
执行后，只有温度超过设定值上限或者下限的片子才做出响应
温度变换
44H
启动DS18B20进行温度转换，转换时间最长为500MS,结果存入内部9字节RAM中
读暂存器
OBEH
读内部RAM中9字节的内容
写暂存器
4EH
发出向内部RAM的第3,4字节写上、下限温度数据命令，紧跟读命令之后，是传送两字节的数据
复制暂存器
48H
将E'PRAH中第3,4字节内容复制到E2PRAM中
重调E2PRAM
OBBH
将ETRAM中内容恢复到RAM中的第3,4字节
读供电
方式
0B4H
读DS18B20的供电模式，寄生供电时DS18B20发送“0”，外接电源供电DS18B20发送“1”
3.3显示模块的设计
为了清楚地了解DS18B20的工作情况，设计了此显示模块，也有利于数据传输的准确性验证。
1.数码管的结构和工作原理
常用的数码管显示器为8段，每一段对应一个发光二极管，分为共阳和共阴两种。
共阴极LED显示的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。
当发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。
同样，共阳极LED的发光二极管的样机连接在一起，通常此公共阳极接高电平，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。
2.动态显示
常用的数码管显示器为8段，每一段对应一个发光二极管，分为共阳和共阴两种。
共阴极LED显示的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。
当发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。
同样，共阳极LED的发光二极管的样机连接在一起，通常此公共阳极接高电平，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。
4ad4
“□TdITaMa
图3-8显示部分
3.4晶振电路
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釆用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XI、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XI、X2引脚安装，同时晶振、X1/X2引脚的下方最好布成地平面
3.5复位电路
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。
当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作
3.6加热和制冷电路
3.7串行通信模块设计
1.MAX232简介
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设讣的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。
主要特点：
1、符合所有的RS-232C技术标准
2、只需要单一+5V电源供电
3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-
4、功耗低，典型供电电流5mA
5、内部集成2个RS-232C驱动器
6、内部集成两个RS-232C接收器
2.串行通信结构
MCS-51系列内部含有一个可编程全双工串行通信接口，具有UART（通用异步接收和发送器）的全部功能。
该接口电路不仅能同时进行数据的发送和接收，也可作为一个同步移位寄存器使用。
可构成双机或者多机通信系统。
3.串行同信的工作原理
在进行异步通信时，数据的发送和接收分别在各自的时钟控制下进行的，但都必须与字符位数的波特率保持一致。
MCS-51串行口的发送和接收时钟可山两种
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