基于c51单片机的大棚温度自动调控系统的设计毕业论文Word格式.docx
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基于c51单片机的大棚温度自动调控系统的设计毕业论文Word格式.docx
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控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。
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。
1.2、系统设计任务及要求
1.2.1、设计任务
设计一个基于单片机可以自动监控、调控大棚内温度的智能系统。
设计后的温度检测系统,通过外部设备控制设置温度,并能直接显示出来设置温度和当前温度。
若温度没达到设定的温度,系统都能够自动的调节温度,当温度低于设定温度值时启动加热设备,当温度高于设定温度值时启动降温设备,使得菜棚可以控制有利于植物生长的最佳温度,实现智能恒温控制。
1.2.2、设计要求
(1)通过按键可以任意设置大棚内的温度。
(2)能检测当前大棚内的实时温度。
(3)能用数码管显示调节设置的温度值,和当前实时的温度值。
(4)能智能调节大棚内的温度,使当前温度等于设置的温度值。
(5)调节后的大棚内的温度与按键设置的温度,正负误差不能大于1度。
(6)温度显示的最小精度为1度,升温、降温阶段的温度控制精度要求为1度,保温阶段温度控制精度为1度。
(7)智能系统的温度的加热,散热系统。
分别为电炉丝加热,开启风扇和打开大棚门窗通风散热。
2、系统结构设计
2.1系统框架
本设计系统包括温度传感器,键盘输入控制模块,输出控制模块,温度显示模块和温度调节驱动电路五个部分。
文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。
整个系统的核心是进行温度监控。
系统由51系列单片机AT89C51、按键、DS18B20温度采集、数码管显示,电源,电动机散热,灯泡加热模块等部分构成。
单片机部分包括时钟电路、复位电路;
按键部分能够实现对温度的调整设定。
四个按键的功能分别为:
加10度、加1度、减10度、减1度。
温度采集部分包括温度传感器、BCD码转换。
经软件处理后送至7段共阴数码管显示。
电源部分共输出5V电压给各个芯片提供电源。
2.2系统功能方框图2-1
2-1系统功能方框图
2.3系统功能说明
(1)
能够用数码管同时显示测量的温度和预设的温度,显示位数4位,分别预设温度的十位,个位测量温度的十位,个位。
(2)可以手动通过按键设置温度
(3)超出温度设定值时启动降温设备(电动机自制的电风扇),温度低于设定值时启动加热设备(电灯泡)温度相等的时候把两继电器都关了。
3、DS18B20功能介绍
为了简化电路,经济实惠,自动测量等方面考虑,本系统采用DS18B20温度传感器来测量系统温度,DS18B20与单片机是单总线连接方式,它只定义了一根信号线,总线上的每个器件都能够在合适的时间驱动它,相当于把单片机的地址线、数据线、控制线、合为一根信号线对外进行数据交换,并且,它不再经A/D转换成数字量,直接测得为数字量,简化了许多工作量,电路也简单可靠的多。
下面介绍温度传感器DS18B20的使用说明。
3.1.DS18B20简介
(1)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。
(2)在使用中不需要任何外围元件。
(3)可用数据线供电,电压范围:
+3.0~+5.5
V。
(4)测温范围:
-55
~+125
℃。
固有测温分辨率为0.5
(5)通过编程可实现9~12位的数字读数方式。
(6)用户可自设定非易失性的报警上下限值。
(7)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。
(8)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。
3.2.DS18B20的内部结构
DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如图3-1所示。
(1)
64
b闪速ROM的结构如下图3-2:
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可以采用一线进行通信的原因。
(2)
非易市失性温度报警触发器TH和TL,可通过软件写入用户报警上下限。
(3)
高速暂存存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM。
后者用于存储TH,TL值。
数据先写入RAM,经校验后再传给E2RAM。
而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节,他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率,DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。
该字节各位的定义如下图3-3:
低5位一直都是1,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要去改动,R1和R0决定温度转换的精度位数,即是来设置分辨率,如
3-4所示(DS18B20出厂时被设置为12位)。
由图3-4可见,设定的分辨率越高,所需要的温度数据转换时间就越长。
因此,在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存存储器除了配置寄存器外,还有其他8个字节组成,其分配如下图3-5所示。
其中温度信息(第1,2字节)、TH和TL值第3,4字节、第6~8字节未用,表现为全逻辑1;
第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码,可用来保证通信正确。
图3-5
当DS18B20接收到温度转换命令后,开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1,2字节。
单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式以0062
5
℃/LSB形式表示。
温度值格式如下图3-6:
对应的温度计算:
当符号位S=0时,直接将二进制位转换为十进制;
当S=1时,先将补码变换为原码,再计算十进制值。
图3-7是对应的一部分温度值。
DS18B20完成温度转换后,就把测得的温度值与TH,TL作比较,若T>
TH或T<
TL,则将该器件内的告警标志置位,并对主机发出的告警搜索命令作出响应。
因此,可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。
(4)
CRC的产生
在64
b
ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码(CRC)。
主机根据ROM的前56位来计算CRC值,并和存入DS18B20中的CRC值做比较,以判断主机收到的ROM数据是否正确。
3.3.DS18B20的测温原理
DS18B20的测温原理如图3-8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。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55
℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在-55
℃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,只要计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,这就是DS18B20的测温原理。
另外,由于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)→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
各种操作的时序图与DS1820相同,。
3.4、DS18B20与单片机的典型接口设计
以MCS51单片机为例,图3-9中采用寄生电源供电方式,
P11口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流,可用一个MOSFET管和89C51的P10来完成对总线的上拉。
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时,总线上必须有强的上拉,上拉开启时间最大为10
μs。
采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。
由于单线制只有一根线,因此发送接收口必须是三态的。
主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤:
初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。
假设单片机系统所用的晶振频率为12
MHz,根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序,分别编写3个子程序:
INIT为初始化子程序,WRITE为写(命令或数据)子程序,READ为读数据子程序,所有的数据读写均由最低位开始,实际在实验中不用这种方式,只要在数据线上加一个上拉电阻4.7
kΩ,另外2个脚分别接电源和地。
4.系统硬件设计与方案选择
4.1单片机电路
4.1.1时钟电路
时钟系统是单片机的心脏,各部分都以时钟频率为基准,有条不紊地一拍一拍地工作。
因此,时钟频率直接影响单片记得速度,时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟电路有内部时钟和外部时钟两种。
CPU的时钟振荡信号有两个来源:
一是采用内部振荡器,此时需要在XTAL1和XTAL2脚连接一只频率范围为1.2—12MHZ的晶体振荡或陶瓷振荡器及两只30pf电容。
二是采用外部振荡,此时应将外部振荡器的输出信号接至XTAL1脚,将XTAL2脚浮空。
本次设计中采用的是内部振荡器,频率为12MHZ的晶体振荡器及30pf的瓷片电容。
如图4-1所示。
图4-1时钟电路
4.1.2复位电路
复位是指在规定的条件下,单片机自动将CPU以及与程序运行相关的主要功能部件、I/O口等设置为确定初始状态的过程。
如果电路参数不符合规定的条件或干扰导致单片机不能正确的复位,系统将无法进行正常的工作,因此,复位电路除了要符合厂家规定的参数外,还要滤除可能的干扰。
AT89C51单片机内部有一个由施密特触发器等组成的复位电路。
复位信号是从其
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