计算机控制及其应用课程设计.docx

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计算机控制及其应用课程设计

计算机控制及其应用课程设计

计算机控制技术及其应用

题目：

大棚温度温度湿度自动检测系统设计

系别：

电气工程与自动化系

专业：

电气工程及其自动化

姓名：

李杰

指导老师：

王煜

学号：

B10040218

1.设计背景............................................3

2.总体设计

2.1总体设计框图.......................................4

2.2系统工作原理.......................................4

3.硬件设计

3.1AT89C51............................................5

3.21602LCD显示器.....................................6

3.3A/D转换接口........................................6

3.4温度传感器.........................................8

3.5湿度传感器.........................................9

3.6报警电路..........................................10

1.设计背景

目前,我国正处于从传统农业到优质、高效、高产为目标的现代化农业转化的新阶段。

随着我国经济的腾飞，国民对生活质量有了更高的要求，更注重食物的平衡搭配，对食物的要求已经从原来的吃饱上升到吃好。

人们越来越注重绿色食品的质量和品种，传统的农业已经无法满足这一要求。

而大棚作为现代化农业实施的新产物，在各个地区得到了广泛的应用。

随着大棚技术的不断普及，温室大棚的数量不断的增多，对于现在的蔬菜大棚来说最重要的两个管理因素就是温度与湿度的控制，温度太低，蔬菜就会被冻死，湿度太低，蔬菜就会停止生长，所以要将温度和湿度控制在适合蔬菜生长的范围内。

传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂一个温度计，由人读取的温度值来调节大棚内的温度。

如果紧紧依靠人工来控制，既耗人力，又容易出差错。

现在随着农业产业规模的不断扩大，传统的方法就会显现很大的局限性。

因此在现代化的蔬菜大棚管理中，通常有温度湿度自动控制系统，来控制温室大棚温度湿度，适应生产需要。

现代化温室，通过传感器技术、微型计算机及单片机技术和人工智能技术，能自动测控温室的环境，其中包括温度、湿度、光照、C02浓度等，使作物在不适宜生长发育的反季节中，获得比室外生长更优的环境条件，达到早熟、优质、高产的目的。

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，达到作物优质、高产、高效盼栽培目的。

传统的环境测控管理采用模拟控制仪表和人工管理方法，工作效率低。

随着微机技术的发展，逐步采用配置灵活、开放式结构、运算能力较强、高可靠性、完善的开发手段及具有数据处理、统计分析、打印报表等功能的测控系统所代替，取得了较好的经济效益。

随着国民经济的迅速增长，现代农业得到长足发展，受控农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室工程已成为工厂化高效农业的一个重要组成部分。

2.总体设计

2.1设计框图

本系统为一个温湿度检测系统系统，由以下几部分组成：

AT89C51单片机，温湿度传感器，A/D转换器器，报警和显示模块组成。

系统的组成如图所示：

湿度传感器采用湿敏电容—MXS型湿度传感器，温度传感器为pt100，选择的A/D转换器芯片为AD574。

图2-1总体设计图

2.2系统工作原理

由温度传感器和湿度传感器采集温度、湿度信号，然后由模数转换器将采集到的模拟信号转化为数字信号并传给单片机，经单片机处理后判断温湿度是否超标并通过显示模块显示出温湿度，如果超标，报警电路启动。

3.硬件设计

3.1AT89C51

CPU是单片机内部的核心部分，是单片机的指挥和执行机构，它决定了单片机的主要功能特性。

AT89C51的40条引脚中，有2条专用于主电源的引脚，4条控制和其他电源复用的引脚，32条输入/输出引脚。

1）主电源引脚Vcc和Vss

Vcc：

接+5V电源。

：

接电源地。

2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1：

接外部晶体的一端。

在单片机内部，它是反相放大器的输入端，该放大器构成了片内振荡器。

在采用外部时钟电路时，对于HMOS单片机上，此引脚必须接地；对AT89C51单片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2：

接外部晶体的另一端。

在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端，振荡器的频率是晶体振荡频率。

若采用外部时钟电路时，对于HMOS单片机上，该引脚输入外部时钟脉冲；对AT89C51单片机，此引脚应悬空。

图3-1AT89C51主要引脚图

3）控制信号引脚RST/

、ALE/

、

和

/

RST/

：

复位/备用电源输入端。

单片机商店后，只要在该引脚上输入24个振荡周期（2个机器周期）宽度以上的高电平就会使单片机复位；若在RST与Vcc之间接一个10

F的电容，而在RST与Vss之间接一个8.2k

的下拉电阻，则可实现单片机上电自动复位。

4）输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2和P3

P0.0～P0.7：

P0口是一个8位双向I/O端口。

在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和作8位双向数据总线。

在EOROM编程时，从P0口输入指令字节；在验证程序时，则输出指令字节（验证时，要接上拉电阻）。

P0口能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。

P1.0～P1.7：

P1是8位准双向I/O端口。

在EPROM编程和程序验证时，它输入低8位地址。

P1口能驱动4个LSTTL负载。

P2.0～P2.7：

P2是8位准双向I/O端口。

在CPU访问外部存储器时，它输出高8位地址，在对EPROM编程和程序检验时，它输入高8位地址。

P2口可驱动4个LSTTL负载。

P3.0～P3.7：

P3是8位准双向I/O端口。

它是一个复用功能口，作为第一功能使用时，为普通I/O口，其功能和操作方法与P1口相同。

作为第二功能使用时，各引脚的定义如下表。

P3口的每一条条引脚均可以独立的定义为第一功能的输入输出或第二功能。

P3口能驱动4个LSTTL负载。

3.21602LCD显示器

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字符、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它是由5x7或者5x11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间又一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。

1602LCD是指显示的内容为16x2，即可以显示两行，每行16个字符液晶模块。

特性:

5V工作电压，对比度可调

内含复位电路

提供各种控制命令,如：

清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能

有80字节显示数据存储器

内建有160个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM

8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM

3.3A/D转换接口

AD574是12位单片A/D转换器。

它采用逐次逼近型的A/D转换器，最大转换时间为25us，转换精度为0.05%，所以适合于高精度的快速转换采样系统。

芯片内部包含微处理器借口逻辑（有三态输出缓冲器），故可直接与各种类型的8位或者16位的微处理器连接，而无需附加逻辑接口电路，切能与CMOS及TTL电路兼容。

AD574采用28脚双列直插标准封装，其引脚图如下:

图3-2AD574管脚图

A/D574有5根控制线，逻辑控制输入信号有：

A0：

字节选择控制信号。

CE：

片启动信号。

/CS：

片选信号。

当/CS=0，CE=1同时满足时，AD574才处于工作状态，否则工作被禁止。

R/-C：

读数据/转换控制信号。

12/-8：

数据输出格式选择控制信号。

当其为高电平时，对应12位并行输出；为低电平时，对应8位输出。

当R/-C=0，启动A/D转换：

当A0=0，启动12位A/D转换方式；当A0=1，启动8位转换方式。

当R/-C=1，数据输出，A0=0时，高8位数据有效；A0=1时，低4位数据有效，中间4位为0，高4位为三态。

输出信号有：

STS：

工作状态信号线。

当启动A/D进行转换时，STS为高电平；当A/D转换结束时为低电平。

则可以利用此线驱动一信号二极管的亮灭，从而表示是否处于A/D转换。

其它管脚功能如下：

10Vin,20Vin：

模拟量输入端，分别为10V和20V量程的输入端，信号的另一端接至AGND。

DB11~DB0：

12位数字量输出端，送单片机进行数据处理。

REFOUT：

10V内部参考电压输出端。

REFIN：

内部解码网络所需参考电压输入端。

BIPOFF：

补偿校正端，接至正负可调的分压网络，0输入时调整数字输出为0；

AGND：

接模拟地。

DGND：

接数字地。

由于对AD5748、10、12引脚的外接电路有不同连接方式，所以AD574与单片机的接口方案有两种，一种是单极性接法，可实现输入信号0～10V或者0～20V的转换；另一种为双极性接法，可实现输入信号-5～+5V或者-10～+10V之间转换。

3.4温度传感器

选择PT100温度传感器采集信号

PT100是铂热电阻，它的阻值跟温度的变化成正比。

PT100的阻值与温度变化关系为：

当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

它的工作原理：

当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。

温度的测量方法多采用集成的半导体模拟温度传感器，传感器输出的电压或电流与温度在一定范围呈线性关系。

通过放大，采样得到被测量。

温度在10摄氏度到80摄氏度范围内可调，通过单片机系统设计实现对温度的显示和控制功能。

本温度控制系统是一个闭环反馈调节系统，由温度传感器PT100对保温箱温度进行检测，经过调理电路得到合适的电压信号。

此电压信号通过单片机得到相应的PWM，将所得的PWM值送给TIP127三极管进行控制电流从而加热电阻的温度也得到控制，并使单片机有相对应的信号输出显示。

去调节PWM可使加热电阻的功率的变化，从而实现对温度的显示和控制。

信号放大

温度传感器通过感应外界的温度，使温度传感器对应的阻值变化，将此信号转换为电压变化；为了不受前后级的影响，经运放（LM324）的一级跟随；为了让采集信号更精确，本电路采用了减法器，把变化的信号单独取出；将这微小的信号进行放大；为了不受后级的影响，放大后再跟随隔离一次供给单片机的P1.0口。

用此电路需要注意，供给此电路的电压一定要稳定。

如图3-3所示：

图3-3

3.5湿度传感器

本例中采用8255来实现转换。

EL7556由积分电路、基准电路、频率转换电路及频率—电压（F/V）转换电路等组成，积分电路及R1、R2、C1用于产生一定频率的脉冲信号并从5脚送至8脚。

调节R2可对该脉冲信号频率进行调整，从而使湿度传感器的线性和灵敏度处于较好状态；基准电路和频率转换电路可将湿度传感器的电容变化转换成频率变化，再经频率—电压转换电路后从9脚输出与频率成线性的电压，然后经C3等滤波后送入A/D转换器，再进行A/D转换以将其转换成数字信号。

本设计的湿敏传感器为MXS型电容式湿敏传感器，湿度为76%RH时的电容值为500pF，电容相对变化率为＋1.7pF/%。

当湿度为0%～100%RH时，9脚输出的相应信号频率为0～1000Hz，精度为2%，F/V电路输出的电压为0～5V。

主要特性：

1）与MCS-51兼容；2）4K字节可编程闪烁存储器；3）寿命：

1000写/擦循环；4）数据保留时间：

10年

图3-4湿度传感器外观和内部结构图

3.6报警电路

声光报警电路是的优点是能通过不断的发出声音和光使人便于及时断定线路的通断，发音元件主要就是蜂鸣器，发光元件主要是发光二极管。

（图中的p3.4对应89c51的14号引脚）

图3-5报警电路