基于单片机的棚内温度控制系统的设计和仿真毕业论文设计.docx
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基于单片机的棚内温度控制系统的设计和仿真毕业论文设计
毕业设计论文
基于单片机的棚内温度控制系统的设计与仿真
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签名:
年 月 日
指导教师签名:
年 月 日
基于单片机的棚内温度控制系统的设计与仿真
摘要
植物的生长与温度息息相关,对于棚内的植物来说,最重要的一个管理因素是温度控制。
温度太高或太低,则停止生长或者生长速度减慢,所以要将温度始终控制在适合植物生长的范围内。
如果仅靠人工控制既耗人力,又容易发生差错。
该系统以AT89C51单片机为基础,通过对系统的硬件部分和软件部分的设计达到检测、报警和自动控温的要求。
硬件部分包括温度传感器模块、输入模块、显示模块、报警模块和控温模块的设计;软件部分主要根据系统的设计思想设计出了系统的程序流程图,并通过C语言实现控制。
通过实践证明,系统性能优良、操作方便,实现了棚内温度的显示、调节和报警功能。
关键词:
AT89C51;温度传感器;显示器;控制与报警
TheDesignofTemperatureControlSystem
BasedonMCU
Abstract
Thegrowthofplantsiscloselyrelatedtotemperature.Oneofthemostimportantmanagementfactorsisthetemperaturecontrol.Iftemperatureistoohighortoolow,theplantswillgrowslowly.Evenworsetheywillstopgrowing.Soitwillbenecessarytocontroltemperatureinsuitabletemperaturerange.Itwouldbeveryeasytomakemistakes,ifwecontrolthetemperatureonlyviamanuallabour.ThesystemcombinessystemhardwarewithsoftwaredesignbasingonAT89C51anditcanachievetomanyfunctions,suchasdetecting,alarmingandcontrollingtemperatureautomatically.Thehardwarepartincludesthetemperaturesensormodule,inputmodule,displaymodule,alarmmoduleandtemperaturecontrolmoduledesign.Wewilldesignthesystemproceduremainlybasedonthesystem'sdesignideaandthesystemwillbecontrolledbasedtheClanguage.Practiceprovesthatthesystemperformsexcellentlyandiseasytooperate,anditcandisplaythetemperature,adjustthetemperatureandgiveanalarm.
Keywords:
AT89C51;Temperaturesensors;Display;Controlandalarm
基于单片机的棚内温度控制系统的设计与仿真
1绪论
1.1本设计的背景和意义
目前,在我国北方地区,农村大部分温室大棚仍就采用手动调控,这种调控既费时又费力,而且产量不高还容易出现差错。
随着时代的发展,人们对温室大棚内种植作物种类要求有所增加,由单一的植物慢慢地向多种植物发展,对温室大棚内的温度控制也有了的新的要求。
仅仅通过手动调控棚内的温度情况已经渐渐地无法满足人们的需求,因此需要设计一种系统,来替代手动调控,以满足人们对生产的要求。
我国当今常见的智能温室控制系统大多采用的是工控机或者PLC,费用较高,大部分的农村用户无法承受的起。
因此,在设计系统的过程中,有对使用者的经济情况进行考虑,尽可能降低设计中的各个部分的成本,这对温室大棚的发展具有很高的现实意义。
蔬菜的生长与温度息息相关,对于蔬菜大棚来说,最重要的一个管理因素是温度控制。
温度太低,蔬菜就会被冻死或着停止生长,所以要将温度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。
如果仅靠人工控制既费时费力,又容易发生差错。
因此,本设计设计的大棚温度自动控制系统,就是利用价格便宜的一般电子器件设计的一个参数精度高,控制操作方便,性价比高的,可应用于农村温室大棚测控系统。
本设计可以根据棚内植物生长的需要,人为的调节温度的范围,自动地采集大棚内的温度变化情况,并通过单片机驱动控制电路,控制升降温设备对棚内的温度进行调控,是棚内的温度保持在设定的范围内,以便适应大棚内蔬菜生长的需要。
1.2国内外研究状况
1.2.1国外棚内温度测控技术研究状况
西方国家在现代温室测控技术上起步比较早,欧美等国家在30年代就相继建立了人工气候室,温室测控技术至今已有几十年的发展历程。
初期主要是使用仪表对温室中的光照、温度和湿度等参数进行测量,再用手动或电动执行幕帘、通风等调节机构进行简单的控制。
随着传感技术、仪表及执行器件技术的进步,温湿度控制逐步发展为对温度、湿度、光照等温室内环境参数分别进行的自动控制。
随着智能控制理论的发展和计算机技术的进步,温室作为设施农业的重要组成部分之一,其控制水平和管理技术得以不断的提高,在世界各地都得到了迅速的发展。
二十世纪70年代,随着电子技术的迅猛发展、微机日新月异的进步和硬件元件价格的大幅度下降,农业对温室温湿度的测控要求进一步提高,之后,以微型计算机为核心的温室综合环境控制系统在欧美等发达地区得到了广泛的应用,并逐步迈入网络化和智能化阶段。
目前,国外现代化温室的内部设施已经比较完备,并形成了一定的标准。
温室内的各环境因子大多由计算机集中控制,检测传感器也较为齐全,温室内的温度和湿度由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制,如以天窗通风、湿帘与风扇配套降温系统以及以热水锅炉、热风机等组成的加温系统。
计算机对系统的控制已经实现基于环境模型上的监督控制,以及基于专家系统的人工智能控制,而不仅仅是简单、独立和静态的直接数字控制,一些国家在实现自动化基础上,正一步步向着完全自动化、无人化的方向发展。
1.2.2国内棚内温度测控技术研究状况
我国在温度控制技术方面的研究起步较晚,大概起于1980年左右。
我国的研究人员在探究发达国家温度控制技术的基础上,慢慢地学会了使用微机控制温室大棚内的温度、二氧化碳等状况,但是这项技术只适用于控制温室大棚内的单个环境因素。
我国在温度调控设施方面应用,正一步步地消化吸收国外的技术、从简单的应用方面向实用方面发展、并向综合性应用方面过渡和发展。
从技术方面,采用单片机控制的单回路设计较多,并且大部分还是针对单个参数进行控制,还没有真正意义上的多参数综合控制系统,与发达国家相比,还有较大差距。
我国在温度调控方面的现状,正在试着向工厂化方向发展,但是有很大的困难。
在生产过程中依旧有许多问题没有解决,一方面是设备的配套方面,存在着装备配套能力差,环境因素控制能力落后,软件和硬件资源兼容性差等缺点。
目前,国内有些厂家仍就采用传统继电器调温电路,这种电路简单并且实用,但是由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。
在控制领域国内大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。
1.2.3棚内温度环境控制技术的发展趋势
随着计算机技术、传感器技术和自动控制技术的不断发展,温室大棚内的环境控制系统的应用将由简单的以数据采集处理和检测为主,逐步转向以知识处理和应用为主。
因此软件系统的研究和开发将不断深入完善,其中以专家系统为主的智能管理系统已取得了不少研究成果,而且应用前景非常广阔。
近几年,神经网络、遗传算法、模糊控制等人工智能技术在温室栽培中得到了不同程度的发展和应用。
由此可见,温室环境测控技术必将向着智能化、网络化、分布式发展。
1.3本设计的主要内容
本系统用ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为主控机,通过对棚内温度的分析,实现数据处理、数据传输、外设控制以及安全报警等功能。
详细地说,由种植人员按植物生长所需温度范围进行设定,通过温度传感器DS18B20对温室内的温度进行测量,然后经AT89C51单片机对采集到的数据进行分析和处理,用LCD1602显示出当前环境的温度状况,并根据温度状况启动升温装置或降温装置,使温室内的温度保持在设定的范围内。
2系统设计方案
本设计是一个大棚温度自动控制系统。
系统温度可以在一定范围内由人工设定,并能在环境温度降低时实现自动通风降温,在环境温度升高时实现自动加温,以保持在设定的温度范围内。
2.1本系统的设计要求
本设计是基于AT89C51单片机的棚内温度控制器,用于温度的自动控制。
具体要求如下:
(1)棚内的温度控制在15℃-28℃之间,并且可以通过人工调节其上下限。
(2)控制三相电阻炉作为加热设备。
(3)采用单相通风机作为通风散热设备。
(4)易于操作,方便人机对话。
2.2各模块电路的方案选择及论证
2.2.1控制模块的选择
控制模块的选择是根据设计的内容而定的,并不是用什么单片机都可以。
一方面要考虑选用的单片机能否在不加外扩的情况下达到要实现的功能。
比如:
单片机的存储器空间的大小、单片机的I/O口数等。
另一方面还要考虑单片机的性价比,是否容易买到等一些外部因素。
由于实现该系统功能的程序不会超过4K,而AT89C51单片机内部有4K的FlASH程序存储器和2K的数据存储器,因而不需要外扩程序存储器和数据存储器。
并且该型号单片机程序下载方便、价格便宜的优点,因而被广泛的应用。
2.2.2键盘模块的选择
选择一:
采用4*4矩阵型按键,在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式。
矩阵按键对应独立按键,可以节约数据线,但需要特定的键盘扫描程序,占用空间较大。
通常在按键大于6个的时候是用矩阵式按键。
选择二:
采用独立按键,接线简单,易于理解,不需要特定的键盘扫描程序,占用空间比较少。
在本设计中用到了4个按键,所以选用独立按键比较合适。
2.2.3温度测量模块的选择
选择一:
利用热电阻传感器作为感温元件,热电阻随温度变化而变化,用仪表测量出热电阻的阻值变化,从而得到与电阻值相应的温度值。
最常用的是铂电阻传感器,铂电阻在氧化介质中,甚至在高温的条件下其物理,化学性质不变。
由铂电阻阻值的变化经小信号变送器XTR101将铂电阻随温度变化的转换为4~20mA线性变化电路,再将电流信号转化为电压信号,送到A/D转换器,即将模拟信号转换为数字信号。
电路结构复杂,误差较大。
选择二:
采用数字温度传感器DS18B20。
采用数字温度传感器DS18B20,测温范围-55℃~125℃,其内部集成了A/D转换器,使得电路结构更加简单,而且减少了温度测量转换时的精度损失,使得测量温度更加精确。
数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信,大大减少了接线的麻烦,使得单片机更加具有扩展性。
由于DS18B20芯片的小型化,更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接,故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头,探入到狭小的地方,增加了实用性。
DS18B20与传统的热敏电阻相比,它可以直接测量当前环境的温度,并且可按照自己的需求采用编程实现数字读取。
另外从数字温度传感器DS18B20读出的数据或写入的数据只要一根线就可以完成,因而使用DS18B20可使设计的硬件电路结构更加简单,可靠性更高。
所以此设计中选用DS18B20温度传感器,既节省了A/D转换器,又节省了I/O输出口,同时误差小,测量准确。
2.2.4显示电路模块的选择
选择一:
采用12864液晶模块显示测得的数据。
该显示模块可以显示较多组的数据,字体较大,读数清晰,但12864液晶模块价格昂贵,接线复杂。
选择二:
采用LM016L液晶模块显示所测数据。
LM016L液晶接线简单方便,也能满足显示需求,而且价格远低于12864液晶。
综上所述,显示模块选择选择二。
2.2.5升温降温模块的选择
根据题目,可以使用电热炉进行加热,控制电热炉的功率即可以控制加热的速度。
当温度过高时,关掉电热炉打开通风机进行降温处理。
当需要加热时开启电炉关闭通风机。
由于电热炉和通风机的功率较大,考虑到简化电路的设计,我们直接采用220V电源。
对升温降温模块有以下两种选择:
选择一:
采用继电器控制。
使用继电器可以很容易实现地通过较高的电压和电流,在正常条件下,工作十分可靠。
继电器无需外加光耦,自身即可实现电气隔离。
这种电路无法精确实现电热丝功率控制,电热丝只能工作在最大功率或零功率,对控制精度将造成影响。
选择二:
应用了光电耦合器,光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。
它由发光源和受光器两部分组成。
把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内,彼此间用透明绝缘体隔离。
发光源的引脚为输入端,受光器的引脚为输出端。
其工作时,在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光,光的强度取决于激励电流的大小,此光照射到封装在一起的受光器上后,因光电效应而产生了光电流,由受光器输出端引出,这样就可以实现电一光一电的转换,从而把输入和输出的独立开来。
由于光电耦合器把输入和输出相互隔离,使传输的电信号只能单向传导,因而可以很好实现电路的抗干扰功能和绝缘功能。
另外,为了达到高强的共模抑制功能,在光电耦合器的输入端加入了电流型的低阻元件。
所以,在使用到长线传输信息的系统中把它作为一种终端的隔离元件,可以有效的提高系统的信噪比。
在计算机用到数字通信部分和实时控制部分时,将其作为一种信号隔离的接口部件,可以有效地提高计算机在工作时的可靠性
通过比较,我们选择选择二。
2.2.6报警模块的选择
按照设计要求,当温度低于下限或高于上限时,应具有报警功能。
这样就可以用一只蜂鸣器作为三极管VT1的集电极负载,当VT1导通时,蜂鸣器发出鸣叫声;VT1截止时,蜂鸣器不发声。
2.3本设计系统的最终方案
根据以上分析,结合器件和设备等因素,确定如下方案:
1.采用AT89C51单片机作为控制器,分别对温度采集、LCD显示、温度设定、升温降温等控制。
2.温度测量模块采用数字温度传感器DS18B20。
3.电热炉和通风机控制采用光耦合器控制。
4.显示用LCD1602显示实时温度值。
2.4本设计的工作原理
棚内温度控制系统能完成数据采集、数据处理、数据显示、参数设定和过限报警等多种功能,由数据采集部分、数据处理部分、显示部分、过限报警部分和温度调控部分等5个大的部分组成。
该系统具有实时采集(检测温室内的温度)、实时处理(使所检测的温度值与设定值进行比较分析,决定下一步操作)、实时报警(根据处理的结果发出控制指令,驱动或不驱动报警器工作)和温度调控(根据处理的结果发出控制指令,驱动或不驱动调温设备工作)的功能。
主要硬件包括温度传感器、单片机、键盘、LCD显示器和报警器、调温设备等。
其原理结构图如下图2-1所示。
图2-1温度自动控制主要组成部分
由图2-1所示,本系统的核心部分是AT89C51,此芯片是该电路的枢纽。
由它先控制着温度传感器对温度采集,将采集到的温度转换数字,采集到的温度由LCD液晶显示屏显示。
再将采集到的温度与人工设置的哪个范围比较,从而控制继电器动作,继而控制加热设备和通风散热设备作出相应的动作,达到对棚内温度的自动控制。
3棚内温度控制系统的硬件电路设计
本系统的硬件电路设计主要包括单片机AT89C51、振荡和复位电路、温度采集电路、键盘电路、显示电路,升降温电路与报警电路,下面将一一介绍。
3.1AT89C51单片机
本系统采用AT89C51单片机,它是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含4KB的EPROM和128B的RAM,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位CPU和Flash存储单元,功能强大,可灵活应用于多种控制领域,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
3.2振荡电路和复位电路
AT89C51的XTAL1和XTAL2引脚分别为单片机内反相放大器的输入和输出端,其频率上限为23MHz。
这个内部反相器与外部元件组成皮尔斯振荡器,C1、C2是30PF的电容,X1没有严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡工作的稳定性、起振的难易程度,通常选择在10~30PF之间。
在任何情况下,振荡器都会始终驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号。
时钟发生器的输入是一个二分频触发器,对外部的振荡信号脉冲没有特殊要求,但必须要保证高低电平的最小宽度。
在外接晶振11.0592MHz时,一个机器周期为1微秒,一个振荡周期为1/12微秒。
简单的复位电路包括上电复位和手动复位两种,无论哪一种复位电路都必须要保证在RST引脚上供应10ms以上稳定的高电平。
复位电路包括芯片内和芯片外两部分,外部电路产生的复位信号送至斯密特触发器,再经片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对斯密特触发器的输出进行采样,之后得到内部复位操作需要的信号。
本设计中的复位电路,由C3、R5、R6和按键组成的电平复位,复位端经电阻与VCC电源接通。
其连接电路如图3-1所示。
图3-1振荡电路和复位电路
3.3温度采集电路
温度采集电路采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能传感器。
该传感器适应电压范围宽,可实现高精度测温,检测速度快,测量结果直接以数字温度信号输出,具有极强的抗干扰纠错能力、传输距离长、分辨率强等优点。
DS18B20在使用时,只需将其信号线与单片机的1位I/O线相连,且单片机的1位I/O线可挂多个DS18B20,可以实现单点或多点温度检测。
DS18B20的I/O口属于漏极开路输出,外接上拉电阻后常态下呈高电平。
该器件内含寄生电源,其供电方式可以选择寄生电源供电,也可以选用外部电源供电。
为方便起见,本系统采用外部电源供电。
本设计DS18B20的DQ与单片机的P2.7端口连接,其连接电路如图3-2所示。
图3-2温度检测电路
3.4键盘电路
基于单片机的温度控制系统工作时应具备以下功能:
一、可以切换显示实时温度和温度上下限的值。
二、可以调节温度上下限。
要实现这些功能,可以通过按键输入电路。
键盘结构可分为独立式键盘和行列式键盘(矩阵式)两类,由于本系统只采用4个按键,因此可选用独立式按键。
如图3-3所示,电路有四个按键组成,按键采用轻触开关。
图3-3键盘与AT89C51单片机的连接
各个按键的功能为:
S1:
上限上调键(按此键则显示的报警上限增1)
S2:
上限下调键(按此键则显示的报警上限减1.)
S3:
下限上调键(按此键则显示的报警上限增1.)
S4:
下限下调键(按此键则显示的报警上限减1)
3.5显示电路
显示电路部分采用LCD为液晶显示器,由于LCD的控制必须使用专用的驱动电路,且LCD面板的接线需要采用特殊技巧,再加上LCD面板十分脆弱,因此一般不会单独使用,而是将LCD面板、驱动与控制电路组合成LCM模块一起使用。
该系统采用数字式的LM016L显示器,显示器通过电压对其显示区域进行控制。
其接口简单,操作方便。
显示器与单片机连接图如图3-4所示。
LM016L引脚功能如表3-1所示。
表3-1LM016L引脚功能表
引脚号
功能或接法
1
接地
2
接5V正电源
3
对比度调整端
4
寄存器选择
5
读写信号线,高电平时会进行读操作
6
使能端,低电平时液晶模块会执行命令
7~14
88位双向数据线
图3-4显示器与AT89C51的连接图
P0口接上拉电阻时应注意的几点:
P0口作为I/O口输出的时候,输出低电平位0,输出高电平为高阻态(并非5V,相当于悬空状态)。
也就是说P0口不能真正的输出高电平给所接的负载提供电流。
3.6升温电路和降温电路
本设计采用了光电耦合器控制三极管,再进一步控制继电器线圈,这样做的好处:
信号单向传输,输入端与输出端完全实现了电气隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,工作稳定,无触点,使用寿命长,传输效率高。
如图所示3-5所示。
图3-5升降温电路
单片机的P3.6和P3.7口控制两个光电隔离的输出口,当单片机输出低电平是发光二极管发光,三极管导通,然后驱动下一个三极管使之导通,线圈导通后继电器触点接通从而接通通风机或电热炉。
3.7报警电路
报警器是一种为了防止或预防某事件发生造成的后果,以声、光、气压等形式来提醒或者警示操作人员采取某种措施的电子产品。
随着当今科技的发展,机械式报警器正逐渐被先进的电子报警器取代。
报警器常应用于系统故障、交通运输、应急救灾、感应检测等领域,与社会生产密不可分。
在微型计算机控制系统中,为了安全生产,对一些重要的参数,都会设置紧急状况报警系统,以提醒操作人员注意采取紧急措施。
一般方法是通过微型计算机处理采集到的数据,并与所设定参数上下限值进行比较,如果高于上限值或低于下限值,系统将进行报警,否则会作为采样的正常值显示。
本设计采用蜂鸣音报警电路。
连接图如图3-6所示,当输出高电平“1”时,晶体三极管导通,压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫;当输出低电平“0”时,三极管截止,蜂鸣器停止发声。
图3-6三极管驱动的蜂鸣音报警电路
报警电路与单片机的P1.7口相连,当单片机输出一个低电平时,蜂鸣器就会发出报警信号,说明温度已经超过规定的上下限值,外部输出设备应该启动进行相应的措施。
只用在人按下复位按钮或温度在允许的范围内报警电路就不会触动。
3.8系统总体电路
系统的总体电路如图3-7所示,该电路图主要由Proteus7软件辅助设计,Proteus7软件有丰富的操作菜单和工具,内置元件库元件丰富,可以满足此论文的硬件设计要求。
由DS18B20温度传感器对信号进行采集,温度信号传输给AT89C51单片机,在LCD显示器上显
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