温室多点温度采集系统设硬件设计开题报告.docx

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温室多点温度采集系统设硬件设计开题报告

毕业设计开题报告

电子信息工程

温室多点温度采集系统设-硬件设计

1、选题的背景、意义

随着我国综合国力的发展，农民增收难与日益严重的能源危机逐渐的成为了农村发展的最大阻碍。

大力发展农业科技、实现农业现代化，是改变农村落后面貌、提高农民收入的重要途径。

我国人多地少，人均耕地面积更少。

因此，要改变这种局面，光靠增加耕地面积是不可能实现的，所以我们需另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。

温室大棚技术就是一个很好的方法,而温度控制是温室技术的核心部分。

温室大棚是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造出人工气象环境，来消除温度对生物生长的制约，使各种农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长影响减小。

由于温室大棚能带来非常可观的经济效益，所以温室大棚技术逐步普及，现已成为农民增收的主要手段。

随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增加，温室大棚的温度控制就成为一个非常重要的课题。

传统的温度控制是在温室大棚内悬挂温度计，通过读取温度值来知道大棚内的温度，再根据现有温度与额定温度进行比较，看温度是否过高或过低。

如果温度过高，就对大棚进行降温处理；如果温度过低，就对大棚进行升温处理。

这些操作都是在人工操作环境下进行的，耗费了大量的人力物力。

如今，随着国家经济的迅猛发展，农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的规模越来越大，传统的温度控制设施显现出很大的局限性【l】。

大型温室大棚的建设对温度检测技术也提出了越来越高的要求。

现今，我们的生活有越来越多被称之为单片机的小电脑在为我们服务。

单片机在工业控制、尖端武器、信息处理、通信设备、家用电器等各测控领域的应用中引领风骚。

时下，家用电器和办公设备的遥控化、智能化、模糊控制化已成为了世界潮流，而这些高性能都是靠单片机来实现的。

采用单片机来实现对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性这些优点，而且还可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

单片机以其功能强、可靠性高、体积小、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中不可或缺且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥日渐显著的作用。

因此，单片机对温度的控制是一个工农业生产中经常会遇到的技术问题。

2、相关研究的最新成果及动态

随着单片机和传感技术的迅猛发展，自动检测领域发生了巨大改革，温室环境自动监测控制方面的研究有了显著的进展，并且必将以其优异的性价比，逐步取代传统的温度控制设施。

但目前应用于温室大棚的温度检测系统多数采用模拟温度传感器、多路模拟开关A／D转换器及单片机等组成的传输系统【2】。

这种温度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，安装和拆卸繁杂，成本高。

而且线路上传送的是模拟信号，容易受干扰和损耗，测量误差也大。

为了克服这些缺点，一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温度测控系统应用于温室大棚的设计方案【3】，根据使用者提出的问题进行了改进，提出了一种新的设计方案。

数字化单总线技术【4】是利用DALLAS公司生产的新型器件实现的。

它将系统的地址总线、数据总线、控制总线合为一根导线，允许在这根导线上连接数百个控制对象，形成一个多点单总线测控系统。

这些测控对象所用的芯片都由该公司提供。

采用单总线协议后，可将检测点的模拟信号数字化。

这样，在单总线上传输的就是数字信号。

系统能够对大棚内的温度进行采集，利用温度传感器将温室大棚内温度的变化转变成电流的变化，再转变为电压变化输入模数转换器，该值由单片机处理，最后由单片机去控制数字显示器，显示温室大棚内的实际温度，通过比较，对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析。

如果超过额定的温度限制，温度报警系统将进行报警，并同时自动对大棚内的温度进行控制。

这种设计方案实现了温度的实时测量、显示和控制。

该系统抗干扰能力强，具有很高的测量精度，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。

国外对温室环境控制技术研究起步较早，在20世纪70年代就开始对温度环境控制进行研究。

国外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。

在80年代末出现了分布式的控制系统。

目前开发和研制微机数据采集控制多因子综合控制系统。

一些国家的温室控制技术发展很快，在实现自动化后朝着全自动化的方向发展【5】。

我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。

我国技术人员吸收国外发达国家的温室控制技术，才掌握了人工气候内微机控制技术，该技术也仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。

我国温室设施计算机应用，在总体上从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。

在技术上，以单片机控制的但参数回路系统较多，并没有真正意义上的多参数综合控制系统，与发达国家相比，存在比较大的差距【6】。

我国温室现状还存在装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平低，软硬件资源不能共享和可靠性低等缺点。

3、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标

（1）总体设计思路：

系统利用AT89C51单片机【7】及其外围接口电路来实现温室多点温度采集。

温度传感器DS18B20对温室环境温度直接测温，产生信号经AT89C51单片机运算处理，若温度超过额定的温室值范围时报警，液晶显示电路实时显示温度数值，该系统还能通过RS232串口和计算机实现实时通讯。

系统框图如图1所示，系统电路图如图2所示。

图1系统原理框图

图2系统电路图

（2）硬件结构

AT89C51是一带有2K字节快闪可编程可擦除存储体（EEPROM）的低电压、高性能8位CMOS微型计算机。

它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。

通过在单块芯片上组合通用的CPL和快闪存储器，ATMEL公司【9】生产的AT89C51是一强劲的微型计算机，它对许多嵌入式控制的应用，提供高度灵活与低成本的解决办法。

AT89C51引脚如上图所示，引脚说明如下:

VCC：

供电电压。

 GND：

接地。

 P0口：

P0口为一个8位开路双向I/O口，每引脚可以吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高输入。

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口当原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高【10】。

 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，这是因为内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收【11】。

 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口在外部程序存储器或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【12】。

P2口在FLASH编程与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，能够接收输出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）这是因为上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（记时器0外部输入）

P3.5

T1（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）

系统主控部分采用AT89C51单片机。

温度检测采用DS18B20单线数字温度传感器，测量范围围-55°C～+125°C。

AT89C51单片机通过普通I/O口与计算机RS232串口如图3所示。

由于计算机串行口为RS232标准接口，与输入、输出采用TTL电平的AT89C51单片机接口规范上不一致，因此TTL电平到RS232接口电平的转换采用MAX232标准RS232芯片【8】，该芯片可以用单电压实现RS232接口逻辑1和逻辑0的电平转换。

AT89C51的P1.3模拟发送端，P1.4模拟接收端。

图3计算机与单片机模拟通讯

显示部分使用1602液晶显示，液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。

1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线。

图41602液晶显示

图551与1602液晶连接示例电路

（3）应用软件protel99se

Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理，能进行联网设计，有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图的设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。

Protel99se包含了3个电路工程设计部分。

（1）电路原理设计部分（AdvancedSchematic99）：

电路原理图设计部分包括电路图（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称Schlib编辑器）和各种文本编辑器。

本系统的主要功能是：

绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。

（2）印刷电路板设计系统（AdvancedPCB99）：

印刷电路板设计系统包含印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、零件封装编辑器（简称PCB编辑器）和电路板组件管理器。

系统的主要功能是：

绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。

　　（3）自动布线系统（AdvancedRoute99）：

该系统包含一个基于形状（Shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，来实现PCB设计的自动化【15】。

（4）设计要求

1、系统具有温度采集电路设计；

2、系统具有温度的液晶显示电路设计；

3、系统具有报警、接口等电路设计；

4、系统能实时进行多点温度测量采集；

5、系统能将环境中采集到的数据通过串口通信传到PC机；

6、系统的测温范围在0-99度之间，温度精度为0.1℃以上。

4、论文详细工作进度和安排

2010年10月15日--11月28日完成文献综述、外文翻译的撰写；

2011年3月1日--3月24日完成系统框架设计；

2011年3月25日--4月8日完成系统各模块功能设计；

2011年4月9日--5月9日软硬件系统调试、修改完善；

2011年5月10日--5月16日撰写论文，完成论文初稿；

2011年5月17日--5月25日完成论文修改稿，准备答辩。

5、主要参考文献

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西安科技大学出社,1998.8.

[2]王晓东,刘春红,于鑫.单片机和计算机的串口通信[J].应用科技,2003（30）1：

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[3]　何小艇主编.电子系统设计[M].浙江大学出版社，1998.12.

[4]蔡美琴张为民沈新群张荣娟.MCS-51系列单片机系统及其应用[M].高等教育出版社,1998，12.

[5]陈奥初.单片机应用系统设计与实践[M].北京：

北京空航天大学出版社，1990.

[6]李业德,唐诗.单片机和DS18B20组成的多点温度测控系统[J].山东工程学院学报,2001（15）4:

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[7]马云峰.单片机与数字温度传感器DS18B20的接口设计[J].计算机测量[7]　杨仕明，曾斌.微带平行耦合带通滤波器计算机辅助设计［J］.北京理工大学学报1994

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