基于ATmega16单片机的智能温度控制器温室控制系统毕业论文Word文档下载推荐.docx
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5.1.4MCGS工作软件工作方式25
5.2程序设计26
5.2.1程序设计步骤26
5.3程序中各模块设计框图27
总结30
结论31
参考文献32
附录1印制板电路原理图34
附录2单片机程序32
致谢62
1引言
1.1课题研究背景
温室环境控制技术决定现代温室优劣的重要因数之一,它是随着自动检测技术、过程控制技术、通讯技术、计算机技术的发展而发展起来的。
温室通过各种
环境传感器将与温室有关的环境参数(如空气温度、湿度、光照等)采集到计算
机中并按一定的规则控制温室的各种执行驱动设备(如天窗、风机、湿帘等),以
达到人工控制温室环境的目的。
【1】
1.2.1国外温室控制技术发展
世界各国的现代温室控制技术,于20世纪60年代开始快速度发展并逐步完善。
20世纪70年代,运用模拟式单元组合仪表采集现场信息并以相应的模拟式仪表进行指示、记录和控制。
20世纪80年代,采用数字式单元组合仪表,接收现场信息并以相应的数字式仪表进行显示、记录和控制【2】。
此后,随着计算机技术的发展,产生了计算机数据采集与控制系统。
目前,世界各国的温室控制技术发展迅速,发达国家计算机智能化温室综合环境控制系统开始普及,一些国家在实现自动化的基础上向着完全自动化的方向发展【3】。
荷兰、以色列、日本、美国、英国、加拿大等国家是目前世界上设施农业最为发达的国家,其设施设备标准化程度和设施综合环境调控水平都处于世界领先水平。
【4】【5】【6】【7】【8】
1.2.2我国温室控制技术发展
我国现代温室的发展开始于20世纪70年代,发展迅速,但因起步晚,总体水平落后于发达国家。
我国温室控制技术的起步于对引进国外先进技术的吸收与消化。
如80年代后,我国从荷兰、以色列等国引进了四十多套大中型温室【9】。
国外温室的引进对于消化、吸收国外先进技术起到了积极的作用。
但是,由于温室有着地域性条件制约,不能很好的适应我国气候条件,而且价格昂贵。
上个世纪80年代以来,在对国外温室设备配置、温室栽培品种、栽培技术等各个方面进行研究的基础上,我国自主开发了一些研究性质的温室控制系统【10】【11】。
江苏理工大学毛罕平等研制开发了温室软硬件控制系统,能实现对营养液浓度、温度、光照、C02浓度等环境因子进行综合控制,是目前国产化温室控制技术比较典型的研究成果【10】。
中国农业大学研制的温室环境监控系统,由主控微机、温室机和室外气象站三大部分组成。
主控微机控制机房,可对整个系统进行统一管理。
主控微机用于完成各种环境参数的设置,测试数据的记录、查询,打印、控制算法的实现以及控制命令的生成等功能。
每一个独立的温室放置一台温室机、内置温湿度、C02等多种传感器、控制设备以及摄像头,可以实时将温室内农作物生长状况传输到办公现场,同时可以通过电话线、数字信号传输线以及以太网等将监测的室内外环境条件和植物生长状况传输到农业专家的计算机屏幕上,以便他们可以根据提供的信息进行生产指导,实现对温室环境的监测控制【12】。
自1994年国家科委启动“工厂化高效农业”重大科技产业工程以来,各类先进的温室技术不断引入国内,同时国内也涌现出许多温室生产企业,包括许多国际大型温室制造厂家以独自和合资形式在国内建立的厂家。
但与国外温室环境计算机控制系统相比,国内产品的技术水平差距较大,产品性能与可靠性不及国外产品,尤其是智能化水平较低,缺乏高水平的具有自主知识产权、适合不同作物品种调控的专家控制策略软件。
因此,必须切实加强此方面的研究。
1.2.3新型技术在温室控制中的应用
1.现场总线
现场总线作为智能设备的联系纽带,把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统,并进一步构成自动化系统,实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能。
2.Internet
网络通讯是90年代最具活力、发展速度最快的高新技术。
网络技术应用与农业,不但能及时解决农业发展中的技术问题,而且能降低农业信息的获取成本。
随着设施农业的规模化和产业化程度的不断提高,网络通讯技术会在温室控制与管理中得到广泛的应用【13】。
3.无线通讯技术
温室检测系统中,由于各测控点分布范围广、数量多、距离远,因此铺设电缆难度大,布线复杂等问题凸显,采用无线通讯技术在温室控制系统中运用有着非常现实的意义。
移动无线通讯技术的发展,为农业信息监控提供了有效的途径。
目前在各种无线通讯技术中,GPRS技术正不断受到青睐,通过GPRS网络系统,设备可采用Intemet的技术标准与服务器交换数据,实现了与国际互联网的连接【14】。
2课题任务及方案论证
2.1主要任务
本课题提出一种基于单片机并采用数字化单行总线技术的温度测控系统用于温室大棚的的设计方案,由于智能温度传感器DS18B20既能对温度进行测量,又能设定所需要控制的温度,并对温度值能够把模拟量转换成数字量,所以本设计系统中选用温度传感器DSl8B20。
一旦该温度值超过我们预先设定的上、下限,单片机便启动报警系统进行报警,进而对大棚内温度进行控制。
这种设计方案能对多点的温度进行实时巡检,各检测单元能独立完成各自功能,同时能够根据主控机的指令对温度进行定时采集,测量结果不仅能在本地显示,而且可以利用单片机串行口,通过RS-485总线及通信协议将采集的数据上传到计算机,进行进一步的存档、处理。
主控机负责控制指令的发送,控制各个从机进行温度采集,收集测量数据,并对测量结果(包括历史数据)进行整理、显示和存储。
2.2方案论证
2.2.1温度采集部分
方案一:
温采用电流型温度传感器AD590。
AD590具有较高精度和重复性(重复性优于0.1℃)其良好的非线性可以保证优于+0.2℃的测量精度,利用其重复性较好的特点,通过非线性补偿,可以达到+0.2℃测量精度。
AD590灵敏度1uA/K。
它是二端器件,具有很宽的工作电源电压范围和很高的输入阻抗。
作为一种高阻电流源,对于它不需要考虑传输线上的电压信号损失和噪声干扰的问题,因此特别适合做远距离测量或控制应用。
出于同样的道理,AD590也特别适用于多点温度测量系统,而不必考虑选择开关或CMOS多路转换开关所引入的附加电阻造成的误差。
由于采用了一种独特的电路结构,并利用最新的薄膜激光微调技术作最后的定标,因此AD590具有很高的精度。
但是,由于AD590采集到的信号是电流信号,在将数据传给ADC0804前还要先把电流信号转变成电压信号[1],因此,用AD590来检测、采集室温的电路比较复杂。
而且,在高精度测温电路中,必须考虑AD590的输出电流不被分流影响。
方案二:
采用电压型温度传感器LM35D。
LM35D是精密集成电路温度传感器,它的输出电压与摄氏温度线性成比例,LM35D无需外部校准或微调来提供±
0.4℃的常用的室温精度,因为线性极好,所以编程时易于实现,但由于其集成度低,包括放大、A/D转换等在内的外围电路复杂,故其性能存在一定的欠缺性。
方案三:
温度采集部分方案:
采用电压型温度传感器DS18B20.DS18B20具有较高精度和重复性,其良好的非线性可以保证优于+0.1℃的测量精度,利用其重复性较好的特点,通过非线性补偿,可以达到+0.1℃测量精度。
美国DALLA公司生产的单线数字温度传感器DS18B20,可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。
由于每片DS18B20含有唯一的硅串行数,所以在一条总线上可挂接任意多个DS18B20芯片。
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)。
读写及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。
DS18B20提供九位温度读数,构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件。
2.2.2显示功能
方案一 使用液晶显示,LCD投影机体积较小、重量较轻,制造工艺较简单,亮度和对比度较高,分辨率适中,低压微功耗,平板型结构,被动显示型,显示信息量大,易于彩色化,无电磁辐射,长寿命,并且可以显示图像及数据。
因此采用该方案。
方案二 使用数码管显示,使用寿命低,且不能显示复杂的图像及数据文字,应此该方案不予采纳。
3原理概述
3.1原理框图及原理简述
3.1.1原理框图
该课题的原理框图如图3-1所示
图3-1原理框图
3.1.2原理简述
本系统以单片机为核心,组成一个集温度的采集、分析、显示、自动控制为一身的闭环控制系统,其原理框图如图所示。
系统硬件电路由温度传感器、单片机、RS232/485串口通信和计算机组成。
温度传感器的作用是采集大棚内的温度,单片机进行判断并通过液晶进行显示。
由于智能温度传感器DS18B20既能对温度进行测量,又能设定所需要控制的温度,并对温度值能够模拟量转换成数字量,所以本设计系统中选用温度传感器DSl8B20。
该传感器是利用在板专利技术来测量温度的门.传感器和数字转换电
路都被集成在一起,每个DS18B20都具有唯一的64位序列号.并且DSl8B20只有一个数据输入/输出口,因此,多个DS18B2O可以并联到3或2根线上,CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20进行通信,而它们只需简单的通信协议就能加以识别,这样就节省了大量的引线和逻辑电路。
用户还可自设定非易失性温度报警上下限值,并可用报警搜索命令识别温度超限的DS18B20。
由于该温度计采用数字输出形式,故不需要A/D转换器。
单片机主要是对温度传感器DS18B20进行编程,读取温度传感器的温度值,并把温度值通过串口通信送入计算机。
串口通信的作用是把单片机送来的数据送到计算机里,起到传输数据的作用。
虽然RS232是串行通讯中目前最常用的接口,且在PC机系列中,每台微机均配有标准的RS232,但是这种共地传输,由于受距离与环境的影响,极易受到干扰。
因此,RS232方式的通讯,一般应用于速度低于2Okb/s,距离20m以内的条件下,不适合于高速、远距离通讯。
而RS485串行通讯是一种多发送器的电路新标准,它采用了差分平衡的电气接口,利用平衡驱动、差分接收的方法,从根本上消除了地线信号。
因此,RS485可用于距离120m,速度为10Okb/s的高速通讯。
由于从大棚到计算机的距离较长,因此,在本课题设计中,需要在PC机侧配置RS485转换器,以达到数据传输的目的。
计算机主要是进行编程,对温度进行显示、报警和控制等。
4系统组成
4.1Atmega16芯片简介
4.1.1Atmega16单片机介绍
ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
ATmega16有如下特点:
16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力,即RWW),512字节EEPROM,1K字节SRAM,32个通用I/O口线,32个通用工作寄存器,用于边界扫描的JTAG接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口,8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个SPI串行端口,以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
工作于空闲模式时CPU停止工作,而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作;
掉电模式时晶体振荡器停止振荡,所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作;
在省电模式下,异步定时器继续运行,允许用户保持一个时间基准,而其余功能模块处于休眠状态;
ADC噪声抑制模式时终止CPU和除了异步定时器与ADC以外所有I/O模块的工作,以降低ADC转换时的开关噪声;
Standby模式下只有晶体或谐振振荡器运行,其余功能模块处于休眠状态,使得器件只消耗极少的电流,同时具有快速启动能力;
扩展Standby模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。
本芯片是以Atmel高密度非易失性存储器技术生产的。
片内ISPFlash允许程序存储器通过ISP串行接口,或者通用编程器进行编程,也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。
引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(ApplicationFlashMemory)。
在更新应用Flash存储区时引导Flash区(BootFlashMemory)的程序继续运行,实现了RWW操作。
通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内,ATmega16成为一个功能强大的单片机,为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。
ATmega16具有一整套的编程与系统开发工具,包括:
C语言编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。
4.1.2ATmega16产品特性
1.高性能、低功耗的8位AVR微处理器;
2.先进的RISC结构;
3.131条指令;
4.大多数指令执行时间为单个时钟周期;
5.32个8位通用工作寄存器;
6.全静态工作;
7.工作于16MHz时性能高达16MIPS;
8.只需两个时钟周期的硬件乘法器;
9.非易失性程序和数据存储器;
10.16K字节的系统内可编程Flash,擦写寿命:
10,000次;
11.具有独立锁定位的可选Boot代码区,通过片上Boot程序实现系统内编程,真正的同时读写操作;
12.512字节的EEPROM,擦写寿命:
100,000次;
13.1K字节的片内SRAM;
14.可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密;
15.JTAG接口(与IEEE1149.1标准兼容);
16.符合JTAG标准的边界扫描功能;
17.支持扩展的片内调试功能;
18.通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程
19.外设特点;
20.两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器;
21.一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器;
22.具有独立振荡器的实时计数器RTC;
23.四通道PWM;
24.8路10位ADC,8个单端通道,2个具有可编程增益(1x,10x,或200x)的差分通道;
25.面向字节的两线接口;
26.两个可编程的串行USART;
27.可工作于主机/从机模式的SPI串行接口;
28.具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器;
29.片内模拟比较器;
30.特殊的处理器特点;
31.上电复位以及可编程的掉电检测;
32.片内经过标定的RC振荡器;
33.片内/片外中断源;
34.6种睡眠模式:
空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式;
35.I/O和封装;
36.32个可编程的I/O口;
37.40引脚PDIP封装,44引脚TQFP封装,与44引脚MLF封装;
38.工作电压:
ATmega16L:
2.7-5.5V
ATmega16:
4.5-5.5V
39.速度等级
8MHzATmega16L
0-16MHzATmega16
40.ATmega16L在1MHz,3V,25°
C时的功耗
正常模式:
1.1mA
空闲模式:
0.35mA
掉电模式:
<
1μA
4.1.3ATmega16引脚功能
引脚名称引脚功能说明:
VCC电源正
GND电源地
端口A(PA7..PA0)端口A做为A/D转换器的模拟输入端。
端口A为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口A处于高阻状态。
端口B(PB7..PB0)端口B为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口B处于高阻状态。
端口B也可以用做其他不同的特殊功能.
端口C(PC7..PC0)端口C为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口C处于高阻状态。
如果JTAG接口使能,即使复位出现引脚PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)的上拉电阻被激活。
端口C也可以用做其他不同的特殊功能.
端口D(PD7..PD0)端口D为8位双向I/O口,具有可编程的内部上拉电阻。
作为输入使用时,若内部上拉电阻使能,则端口被外部电路拉低时将输出电流。
在复位过程中,即使系统时钟还未起振,端口D处于高阻状态。
端口D也可以用做其他不同的特殊功能.
RESET复位输入引脚。
持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。
持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。
XTAL1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
XTAL2反向振荡放大器的输出端。
AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。
不使用ADC时,该引脚应直接与VCC连接。
使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。
AREFA/D的模拟基准输入引脚。
4.1.4ATmega16内核介绍
为了获得最高的性能以及并行性,AVR采用了Harvard结构,具有独立的数据和程序总线。
程序存储器里的指令通过一级流水线运行。
CPU在执行一条指令的同时读取下一条指令(在本文称为预取)。
这个概念实现了指令的单时钟周期运行。
程序存储器是可以在线编程的FLASH。
快速访问寄存器文件包括32个8位通用工作寄存器,访问时间为一个时钟周期。
从而实现了单时钟周期的ALU操作。
在典型的ALU操作中,两个位于寄存器文件中的操作数同时被访问,然后执行运算,结果再被送回到寄存器文件。
整个过程仅需一个时钟周期。
寄存器文件里有6个寄存器可以用作3个16位的间接寻址寄存器指针以寻址数据空间,实现高效的地址运算。
其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。
这些附加的功能寄存器即为16位的X、Y、Z寄存器。
ALU支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。
ALU也可以执行单寄存器操作。
运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反映操作结果。
程序流程通过有/无条件的跳转指令和调用指令来控制,从而直接寻址整个地址空间。
大多数指令长度为16位,亦即每个程序存储器地址都包含一条16位或32位的指令。
程序存储器空间分为两个区:
引导程序区(Boot区)和应用程序区。
这两个区都有专门的锁定位以实现读和读/写保护。
用于写应用程序区的SPM指令必须位于引导程序区。
在中断和调用子程序时返回地址的程序计数器(PC)保存于堆栈之中。
堆栈位于通用数据SRAM,因此其深度仅受限于SRAM的大小。
在复位例程里用户首先要初始化堆栈指针SP。
这个指针位于I/O空间,可以进行读写访问。
数据SRAM可以通过5种不同的寻址模式进行访问。
AVR存储器空间为线性的平面结构。
AVR有一个灵活的中断模块。
控制寄存器位于I/O空间。
状态寄存器里有全局中断使能位。
每个中断在中断向量表里都有独立的中断向量。
各个中断的优先级与其在中断向量表的位置有关,中断向量地址越低,优先级越高。
I/O存储器空间包含64个可以直接寻址的地址,作为CPU外设的控制寄存器、SPI,以及其他I/O功能。
映射到数据空间即为寄存器文件之后的地址0x20-0x5F。
4.2温度采集电路
该模块电路如图4-1所示:
该模块以温度传感器DS18B20为核心器件.DS18B20系列传感器是精密集成电路温度传感器,它们的输出数字信号与摄氏温度线性成比例,因而DS18B20有优于用开尔文标准的线性温度传感器,DS18B20无需外部校准或微调来提供±
1/10℃的常用的室温精度.具体来说,DS18B20温度传感器具有以下特性:
1)单线接口:
仅需一根口线与MCU连接
2)无需外围元件
3)由总线提供电源
4)测温范围为-55℃~125℃,精度为0.1℃
图4-1温度采集电路原理图
5)十一位温度读数
6)A/D变换时间为200ms
7)用户自设定温度报警上下限,其值是非易失性的
8)报警搜索命令可识别哪片DS18B20超温度限
DS18B20系列温度传感器采用PR35封装,其引脚如图4-2。
DQ为其数据输入/输出脚(单线接口,可作寄生供电)。
图4-2DS18B20系列温度传感器封装图
在DS18B20内部有三个主要数字器件:
64bit闪速ROM;
温度传感器;
非易失性温度报警触发器TH和TL。
其64bit闪速ROM的结构如图4-3所示:
图4-364bit闪速ROM的结构图
该温度传感器既可由寄生供电也可由外部5V电源供电。
在寄生供电情况下,当总线为高电平时,DS18B20从总线上获得能量并储存在内部电容上当总线为低电平时,由电容向D
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