單片機溫度控制系統(tǒng)的研究,單片機,溫度,控制系統(tǒng),研究 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 本科畢業(yè)設計論文 題 目 單片機溫度控制系統(tǒng)的研究 專業(yè)名稱 自動化 學生姓名 張樂 指導教師 王衛(wèi)軍 畢業(yè)時間 2014年06月 設計 論文 畢業(yè) 任務書 一、題目 單片機溫度控制系統(tǒng)的研究 二、指導思想和目的要求 （1）掌握運用所學理論知識分析解決工程實際問題的一般方法； （2）培養(yǎng)分析問題、解決問題和獨立工作的能力； （3）通過畢業(yè)實習、畢業(yè)設計及畢業(yè)答辯全過程的訓練，加強老師與學生之間、學生與學生之間知識的相互交流，互相滲透，培養(yǎng)學術研討的好學風； （4）要求同學們以滿腔的熱情、科學的態(tài)度，嚴謹?shù)淖黠L、高度的責任感從事畢業(yè)設計工作；不得敷衍了事、馬馬虎虎、得過且過；提倡周密思考、大膽創(chuàng)新，反對死搬硬套、墨守陳規(guī)；提倡共同研究，反對相互抄襲； （5）要求遵守學校的各項規(guī)章制度，確保畢業(yè)設計順利地、高質量地完成。 三、主要技術指標 目前，我國絕大多數(shù)溫室設備都比較簡陋，溫室環(huán)境仍然靠人工根據(jù)經驗來管理。環(huán)境因素的自動調節(jié)和控制的研究正處于起步階段，已嚴重影響了設施農業(yè)的大力發(fā)展。特別是北方地區(qū)因其緯度高，寒冷季節(jié)長，四季溫差和晝夜溫差較大，不利于作物生長，所以迫切需要一種低成本、高效益的溫室控制系統(tǒng)來滿足不同區(qū)域和不同作物的需求。本論文擬針對該方向設計一套溫度控制系統(tǒng)。 采用單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大提高產品的質量和數(shù)量。 （1）選擇一款溫度傳感器，檢測溫度的最小范圍為-10℃~40℃； （2）當溫度低于-10℃或者高于40℃時，采用聲光報警； （3）系統(tǒng)具備啟動加熱和冷卻裝置實現(xiàn)控制環(huán)境溫度的功能； （4）系統(tǒng)具備上下位機間的通訊功能； （5）系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)。 四、進度和要求 （1）第1-3周收集資料，根據(jù)需要學習相關的硬軟件； （2）第4周進行系統(tǒng)概要設計，提出設計的總體思想； （3）第5周，初步確定設計方案； （4）第6-12周，完成系統(tǒng)硬、軟件的設計，針對設計中存在的缺點和不足，不斷完善設計方案； （5）第13-14周，撰寫并修改論文； （6）第15周，完成論文，準備答辯資料。 五、主要參考書及參考資料 自行確定 本頁不夠可以續(xù)頁 學生 張樂 指導教師 王衛(wèi)軍 系主任 史儀凱 49 摘 要 溫室是現(xiàn)代農業(yè)生產必備的基本設施，用它可以有效地控制溫度、濕度等條件，為作物生長提供更好的環(huán)境，避免外界惡劣氣候對作物的影響。 本系統(tǒng)以AT89C51單片機為控制核心，利用溫度傳感器DS18B20對蔬菜大棚內的溫度進行實時檢測和控制，對濕度進行采集和顯示。本系統(tǒng)主要由單片機模塊、溫濕度采集模塊、執(zhí)行機構模塊、顯示模塊、聲光報警模塊、通信模塊等部分組成。通過溫度傳感器將采集的溫度由LCD數(shù)碼管顯示，利用模糊控制的思想對執(zhí)行機構進行控制使溫室溫度達到設定值。當檢測溫度低于相應設定值時，通過電爐絲加熱；反之，開啟風扇降溫，以快速達到降溫效果。通過該系統(tǒng)，對蔬菜大棚內的溫度進行有效、可靠地檢測與控制。從而保證大棚內作物在最佳的溫度條件下生長，提高質量和產量。 關鍵詞：單片機，溫度傳感器，溫室大棚，模糊控制  ABSTRACT Greenhouse is indispensable for modern agricultural production infrastructure, it can effectively control the condition such as temperature, humidity, provide a better environment for plant growth, avoid bad outside the influence of climate on crops. This system uses AT89C51 microcontroller as the control core, using temperature sensor DS18B20 to real-time detection and control of temperature in the vegetable greenhouses, acquisition and display of the humidity, realize the automatic control of greenhouse temperature. This system by single chip microcomputer system module, temperature acquisition module, acquisition module, heating module, cooling module, display module, sound and light alarm module of seven parts. By the temperature of the temperature sensor will be collected by the LCD digital tube display. And use the?theory of fuzzy control. When the temperature value is greater than the temperature of the acquisition set, heating by electric stove wire, achieves the set value; Conversely, open the cooling fan, with quick cooling effect. Through the system, the temperature inside the vegetable greenhouses effectively and reliably detect and control. To ensure that in the greenhouse crop growth, under the condition of the temperature of the best improve the quality and yield. KEY WORDS: single chip microcomputer, temperature sensors, greenhouses, fuzzy control 目 錄 第一章 緒論 5 1.1 課題背景 5 1.2 立題的目的和意義 5 1.3 國內外研究現(xiàn)狀 6 1.4 大棚溫度控制系統(tǒng)的設計要求 6 1.5 本文主要研究內容安排 7 第二章 系統(tǒng)方案論證 8 2.1 系統(tǒng)基本方案 8 2.2 主要模塊電路的方案選擇及確定 8 2.2.1 溫度采集模塊 8 2.2.2 濕度采集模塊 9 2.2.3 顯示電路模塊 9 2.2.4 執(zhí)行機構模塊 9 2.2.5 報警模塊 9 2.3 系統(tǒng)各模塊的最終方案 10 第三章 硬件系統(tǒng)設計 12 3.1 電源模塊 13 3.2 單片機模塊 13 3.2.1 AT89C51系列引腳功能 14 3.2.2 AT89C51系列單片機的功能單元 16 3.2.3 單片機晶振電路 17 3.3 溫濕度采集模塊 18 3.3.1 DS18B20溫度傳感器介紹 18 3.3.2 HM1500LF濕度傳感器 20 3.4 顯示模塊 21 3.4.1 LM016L的介紹及結構 21 3.4.2 LM016L的引腳及功能 21 3.5 執(zhí)行機構 23 3.6 通信模塊 24 3.6.1 MAX487簡介 24 3.6.2 串行通信結構 24 3.7 聲光報警模塊 25 第四章 系統(tǒng)軟件設計 26 4.1 系統(tǒng)軟件的整體思路 26 4.2 系統(tǒng)總流程圖 26 4.3 溫濕度傳感器程序 27 4.4 執(zhí)行機構程序 28 第五章 總結 30 參考文獻 31 致 謝 32 附 錄 33 第一章 緒論 1.1 課題背景 中國農業(yè)的發(fā)展必須走現(xiàn)代化這條道路，隨著國民經濟的增長，農業(yè)研究和應用技術越來越受到重視。特別是溫室大棚已經成為高效農業(yè)的一個重要組成部分?，F(xiàn)代農業(yè)生產中的重要環(huán)節(jié)就是對農業(yè)生產環(huán)境的一些重要參數(shù)進行檢測和控制。例如溫室大棚中的溫度和濕度參數(shù)，它們直接關系到蔬菜和水果的生長。 在我國伴隨生活條件的不斷改善，人們更關注自身的健康，綠色蔬菜尤其受到重視。大棚種植充分滿足了人們的需求，讓人民能一年四季吃到新鮮蔬菜。為提供更多量、更有營養(yǎng)價值的蔬菜，智能的大棚溫度控制系統(tǒng)已成為農民的迫切需要。對于大棚種植而言，良好的物種、本地適合種植的物種及土地酸堿度都是可以通過農民長期的種植經驗獲得的。但對于和農作物生長密切相關的大棚溫度的控制是農民不能輕易解決的問題，而且溫度的變化幅度大，不易人工控制，對于農民來說時刻關注作物的生長溫度又是個龐大的工作量。 應用于大棚種植的溫度控制系統(tǒng)基本解決了長期以來困擾農民的問題，它的制作成本相對低廉，應用廣泛，對農民自身的基礎理論素質要求不高，便于農民操作。更重要的是，它不僅幫助農民節(jié)約了大量時間，減少農民的工作量，還在無形之中提高了作物的產量，增加了農民的收入，滿足了人們對大棚蔬菜的需求。 溫室環(huán)境控制，即根據(jù)植物生長發(fā)育的需求，自動調節(jié)溫室內的環(huán)境條件?，F(xiàn)代的溫室，都是通過傳感器技術、單片機技術和人工智能等技術自動的調節(jié)溫室的環(huán)境，使作物在不適宜生長發(fā)育的反季節(jié)中，獲得比室外更加好的生長條件。從而達到早熟、優(yōu)質、高產的目的。蔬菜的生長最重要的是溫度的控制，因此，溫度控制是蔬菜大棚控制系統(tǒng)的核心。 1.2 立題的目的和意義 建設先進溫室有利于解決靠天吃飯的問題，防止惡劣天氣及季節(jié)因素對作物產生的影響，從而縮短作物的生長周期，提高作物的產量，獲得一定的經濟效益。 溫室作為農業(yè)生產中的“工廠”在農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中扮演著越來越重要的角色，控制系統(tǒng)的精確與否將決定著農作物的產量和質量，而溫濕度的檢測又是溫室控制系統(tǒng)精確運行的關鍵，所以設計一個準確、高效的溫濕度測量與調控系統(tǒng)是改善溫室控制系統(tǒng)性能的前提條件。 因此，我設計溫室溫濕度控制系統(tǒng)的目的是將自己所學的關于單片機的知識用于真正的生產生活中。溫室系統(tǒng)是一個發(fā)展很快的領域。由于單片機控制的測溫測濕系統(tǒng)具有體積小、功能強、集成度高、可靠性高、抗干擾能力強的優(yōu)點，所以越來越多的應用到溫室控制。本課題將設計一種基于單片機的溫室溫度控制系統(tǒng)，進行多點測量，實現(xiàn)溫度的精確控制（模糊控制）。 1.3 國內外研究現(xiàn)狀 國外計算機用于大棚控制的時間較早，開始于上世紀70年代末，隨著通訊技術以及計算機的發(fā)展，溫室環(huán)境控制技術在日本、美國等國家也開始投入研究，1978年日本首先研究出微型計算機溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，隨著經濟的發(fā)展，80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)，自80年代起，農業(yè)發(fā)展得到了全世界的關注，到了90年代初期，農業(yè)支持又進一步得到發(fā)展，使得形成了綜合的農業(yè)支持系統(tǒng)。 國內對溫室大棚的控制技術研究較晚，自20世紀80年代以來，在引進和吸收國外高科技溫室生產技術基礎上，我國形成了自己的溫室控制系統(tǒng)，1982年我國中國農業(yè)科學院建立了全國農業(yè)系統(tǒng)的第一個計算機應用組織。1995年北京農業(yè)大學研究了“WGJ-1型實驗溫室環(huán)境監(jiān)控計算機管理系統(tǒng)”。近幾年來，我國加大了溫室研究的力度，但是智能決策系統(tǒng)在溫室的應用方面研究時間較短，智能化溫室代表著溫室發(fā)展的方向，是我們國家未來幾年需要研究的重點。 1.4 大棚溫度控制系統(tǒng)的設計要求 結合我國農村的實際情況，本設計將著力達到成本低廉，維護方便，運行可靠的目的，具體要求如下： （1）選擇一款溫度傳感器，檢測溫度的最小范圍為-10℃~40℃； （2）當溫度低于-10℃或者高于40℃時，采用聲光報警； （3）系統(tǒng)具備啟動加熱和冷卻裝置實現(xiàn)控制環(huán)境溫度的功能； （4）系統(tǒng)具備上下位機間的通訊功能； （5）系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)。 1.5 本文主要研究內容安排 本課題研究的主要內容是利用單片機作為現(xiàn)場測控核心，對溫室內的溫度實時監(jiān)測和調控，以滿足溫室內作物生長的環(huán)境要求。下面是本論文的主要內容安排： 第二章主要是對系統(tǒng)方案的論證和確定，器件的選型進行安排。 第三章中進行硬件系統(tǒng)的設計，包括單片機AT89C51，溫度傳感器DS18B20，濕度傳感器HM1500LF，顯示屏LM016L，以及執(zhí)行機構和通信模塊等的設計。 第四章中進行系統(tǒng)的軟件設計，主要是模糊控制算法。 第五章主要是進行前期工作的歸納總結。  第二章 系統(tǒng)方案論證 2.1 系統(tǒng)基本方案 根據(jù)題目要求系統(tǒng)模塊分可以劃分為：單片機模塊、溫濕度采集模塊、顯示模塊、執(zhí)行機構模塊、報警模塊、電源模塊、通信模塊。為實現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設計方案并進行了論證。 2.2 主要模塊電路的方案選擇及確定 2.2.1 溫度采集模塊 方案一： 利用熱電阻傳感器作為感溫元件，熱電阻隨溫度變化而變化，用儀表測量出熱電阻的阻值變化，從而得到與電阻值相應的溫度值。最常用的是鉑電阻傳感器，鉑電阻在氧化介質中，甚至在高溫的條件下其物理，化學性質不變。由鉑電阻阻值的變化經小信號變送器XTR101將鉑電阻隨溫度變化的轉換為4～20mA線形變化電路，再將電流信號轉化為電壓信號，送到A/D轉換器，即將模擬信號轉換為數(shù)字信號。電路結構復雜，誤差較大。 方案二： 采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20為數(shù)字式溫度傳感器，無需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量?？芍苯优c單片機通信，讀取測溫數(shù)據(jù)，電路簡單。DS18B20 的測溫范圍-55℃~125℃，分辨率最大可達0.0625 ℃。DS18B20 是Dallas 半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器，它是一種支持 “一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網絡，為測量系統(tǒng)的構建引入全新概念。一線總線將獨特的電源和信號復合在一起，并僅使用一條線，每個芯片都有唯一的編碼，支持聯(lián)網尋址，簡單的網絡化的溫度感知，零功耗等待等特點。 DS18B20與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。并且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結構更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面帶來了令人滿意的效果。 所以本設計中選用DS18B20溫度傳感器，節(jié)省了A/D轉換器，同時也節(jié)省了I/O輸出口，誤差小，測量準確。 2.2.2 濕度采集模塊 在本系統(tǒng)中濕度的檢測為空氣濕度且進行采集和顯示，而不對其進行控制。所以要求其精度不高，根據(jù)溫室大棚的特點需要選擇全量程的濕度傳感器（0-100%RH/℃）所以本設計中選擇HM1500LF電容式濕度傳感器，該傳感器是5V供電，使用方便，具有較寬的量程范圍，符合溫室大棚的要求。 2.2.3 顯示電路模塊 本模塊選用LM016L顯示屏對溫濕度進行雙行顯示，該顯示屏具有功耗低、體積小、質量輕、功耗小的特點?？梢詫崿F(xiàn)字符的移動、閃爍的功能。 2.2.4 執(zhí)行機構模塊 根據(jù)課題要求，本設計采用兩檔電爐絲，實現(xiàn)對升溫的3級控制（一檔開為800W，二檔開為1600W，兩檔全開為2400W），控制電爐絲的功率即可以控制加熱的速度。當溫度過高時，打開風扇（一共為3個）進行降溫處理。當溫度過低時開啟電爐絲。由于考慮到電爐絲和風扇為交流大功率器件，所以使用繼電器驅動?？紤]到簡化電路的設計，我們直接采用220V電源供電，為實現(xiàn)對系統(tǒng)的整體控制，采用以下方案： 在溫度接近標準值（-10℃—40℃）上下限10℃時進行定時多點測量求平均值，根據(jù)多次測量的結果判斷溫度是否上升或者下降過快，并且采取相應升、降溫措施（模糊控制）。即開啟電爐絲或打開風扇。 2.2.5 報警模塊 按照設計要求，在溫度接近標準值（-10℃—40℃）上下限10℃，黃色LED燈亮起；當溫度低于下限或高于上限時，應具有聲光報警功能。這樣就可以用一只蜂鳴器作為三極管 Q1 的集電極負載，當 Q1 導通時，紅色LED燈亮起且蜂鳴器發(fā)出鳴叫聲；Q1 截止時，紅色LED燈不亮且蜂鳴器不發(fā)聲。如圖2-1所示： 圖2-1 聲光報警電路 2.3 系統(tǒng)各模塊的最終方案 根據(jù)以上分析，結合器件和設備等因素，確定如下方案： 1. 采用AT89C51單片機作為控制器，分別對溫濕度采集、LCD數(shù)碼管顯示、升溫降溫控制、聲光報警進行控制。 2. 溫濕度測量模塊采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器HM1500LF。 3. 電爐絲和風扇控制采用模糊控制思想。 4. 顯示LM016L數(shù)碼管顯示實時溫度值和濕度值。 在本系統(tǒng)的電路設計方框圖如圖2-2所示，它由以下部分組成: （1）控制部分主芯片采用單片機AT89C51； （2）顯示部分采用LCD數(shù)碼管實現(xiàn)溫濕度顯示； （3）溫濕度采集部分采用DS18B20溫度傳感器和HM1500LF濕度傳感器； （4）升降溫控制。 圖2-2 溫度控制電路總體設計方案 CPU（AT89C51）首先寫入命令給DS18B20和HM1500LF，然后DS18B20和HM1500LF開始轉換數(shù)據(jù)，轉換后通過AT89C51來處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理后的結果就顯示到數(shù)碼管上。然后AT89C51通過對數(shù)據(jù)的處理將結果傳至執(zhí)行機構來進行升降溫措施。  第三章 硬件系統(tǒng)設計 本設計的目的主要是完成大棚內溫度的自動控制，一個完整的系統(tǒng)是由若干模塊組成，各個模塊能夠實現(xiàn)各自不同的功能，經過硬件設計和軟件設計，調試無誤后最終完成本設計的任務。 本設計主要有7大模塊組成，如圖3-1所示： 圖3-1 系統(tǒng)總體框圖 由系統(tǒng)總體框架圖可知，這七大模塊分別為電源模塊、單片機模塊、溫濕度采集模塊、顯示模塊、通信模塊、聲光報警及執(zhí)行機構模塊。本設計舍棄了常用的熱電阻或熱電偶溫度度采集、濾波、放大、處理、顯示、執(zhí)行的方案，避免了傳統(tǒng)方案的接線復雜，維護困難，易受干擾和精度差等缺點。本系統(tǒng)由220V交流電供電，經過整流濾波等處理，得到+5V的直流電，供各個模塊使用。溫濕度傳感器將檢測到的溫濕度值，傳送給單片機，經單片機處理后，由顯示模塊顯示出來，同時判斷溫度是否超過了設定的上下限值，假如超過上下限，再由聲光報警及執(zhí)行機構模塊產生相應的動作。 3.1 電源模塊 電源模塊是常用的變壓整流電路，技術成熟，成本低廉。它的輸入端為220V交流電的火線和零線，經過變壓器獲得9V+交流電，然后再由橋式整流電路和濾波電路處理，得到9V直流電，最后經過直流穩(wěn)壓電路7805處理，最終得到+5V的直流電，即可作為此系統(tǒng)的電源，具體電路如圖3-2所示： 圖3-2 電源模塊 3.2 單片機模塊 此模塊所用單片機為AT89C51，是整個設計方案的核心，它控制了溫濕度采集、溫度處理與溫濕度顯示、溫度越限時動作及與上位機的通信。 AT89C51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh?Programmable?and?Erasable?Read?Only?Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。而在眾多的51系列單片機中，要算?ATMEL?公司的AT89C51更實用，也是一種高效微控制器，因為它不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器，用戶可以用電的方式達到瞬間擦除、改寫。而這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。?它與MCS-51系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產品沒有的功能。AT89C51可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積,?增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。AT89C51?具有MCS-51系列單片機的所有優(yōu)點。128×8?位內部RAM,?32?位雙向輸入輸出線,?兩個十六位定時器/計時器,?5個中斷源,?兩級中斷優(yōu)先級,?一個全雙工異步串行口及時鐘發(fā)生器等。AT89C51有間歇、掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來設置的,?當外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時,?CPU可根據(jù)工作情況適時地進入睡眠狀態(tài),?內部RAM和所有特殊的寄存器值將保持不變。這種狀態(tài)可被任何一個中斷所終止或通過硬件復位。掉電模式是VCC電壓低于電源下限,?當振蕩器停止振動時,?CPU?停止執(zhí)行指令。該芯片內RAM和特殊功能寄存器值保持不變,?一直到掉電模式被終止。只有VCC電壓恢復到正常工作范圍而且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過硬件復位、掉電模式可被終止。? 3.2.1 AT89C51系列引腳功能? AT89C51有40引腳雙列直插（DIP）形式。其與80C51引腳結構基本相同，其邏輯引腳圖如圖3-3。? 圖3-3 AT89C51的引腳排列 各引腳功能敘述如下：? 1．電源和晶振 VCC——運行和程序校驗時加+5V? GND——接地? XTAL1——輸入到振蕩器的反向放大器? XTAL2——反向放大器的輸出，輸入到內部時鐘發(fā)生器? （當使用外部振蕩器時，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號）? RST：復位輸入。 2．I/O（4個口，32根）? P0口——8位、漏極開路的雙向I/O口。本設計中P0口接顯示模塊。 P1口——8位、準雙向I/O口。在編程/校驗期間，用于輸入低位字節(jié)地址。在本設計中P1.0接溫度采集模塊，P1.6~P1.7接聲光報警模塊。 P2口——8位、準雙向I/O口。在本設計中P2.0~P2.2接顯示模塊，P2.3~P2.5通過外掛的擴展端口設備接濕度傳感器采集模塊。 P3口——8位、準雙向I/O口，具有內部上拉電路。P3口提供各種替代功能。本設計當中P3.0~P3.2接通信模塊，P3.3~P3.7接執(zhí)行機構模塊。 P3口除了一般的I/O口功能以外還有第二功能。 表3-1 P3口第二功能表 P3.0 RXD（串行輸入口），輸入 P3.1 TXD（串行輸出口），輸出 P3.2 INT0外部中斷0，輸入 P3.3 INT1外部中斷1，輸入 P3.4 T0定時器/計數(shù)器0的外部輸入，輸入 P3.5 T1定時器/計數(shù)器1的外部輸入，輸入 P3.6 WR低電平有效，輸出，片外存儲器寫選通 P3.7 RD低電平有效，輸出，片外存儲器讀選通? 3．控制線(共4根)? RST——復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。? EA/Vpp——片外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。 ALE/PROG——地址鎖存允許信號。 PSEN——片外程序存儲器選通信號，低電平有效。 3.2.2 AT89C51系列單片機的功能單元? 1．并行I/O接口：? 單片機芯片內有一項主要功能就是并行I/O口。51系列共有4個8位的并行I/O口，分別記作P0、P1、P2、P3每個口都包含一個鎖存器，一個輸出驅動器和輸入緩沖器。實際上，它們已被歸入專用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。在訪問片外擴展存儲器時，低八位地址和數(shù)據(jù)由P0口分時傳送，高八位地址由P2口傳送。? 2．定時器/計數(shù)器? 定時器/計數(shù)器（timer/counter）是單片機中的重要部件，其工作方式靈活、編程簡單，使用它對減輕CPU的負擔和簡化外圍電路都大有好處。? 定時器/計數(shù)器內部結構及其原理：由定時器0、定時器1、定時器方式寄存器TMOD和定時器控制寄存器TCON組成。當定時器/計數(shù)器設置為定時工作方式時，計數(shù)器對內部機器周期計數(shù)，每過一個機器周期，計數(shù)器加1，直至計滿溢出。定時器的定時時間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關，因為C51系列單片機的一個機器周期由12個振蕩脈沖組成，所以，計數(shù)頻率fc=fosc/12。如果單片機系統(tǒng)采用12MHz晶振，則計數(shù)周期為:? T=112*106*112=1μs （3-1） 這是最短的定時周期，適當選擇定時器的初值可獲取各種定時時間。 3．振蕩器? XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。 4．芯片擦除? AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM、定時器、計數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 5．中斷系統(tǒng)? 中斷系統(tǒng)是單片機的重要組成部分。實時控制、故障自動處理、單片機與外圍設備間的數(shù)據(jù)傳送往往采用中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的效率。? 3.2.3 單片機晶振電路 單片機XIAL1和XIAL2分別接30PF的電容，中間再并一個12MHZ的晶振，形成單片機的晶振電路。 晶體振蕩器在固定頻率振蕩器中能夠提供較高的精度，絕大多數(shù)RTC采用32.768kHz的晶體，晶體振蕩器輸出經過分頻后會產生1Hz的基準來刷新時間和日期。RTC的精度主要取決于晶振的精度，晶體振蕩器在固定頻率振蕩器中能夠提供較高的精度，絕大多數(shù)RTC采用32.768kHz的晶體，晶體振蕩器輸出經過分頻后會產生1Hz的基準來刷新時間和日期。RTC的精度主要取決于晶振的精度，晶振一般在特定的電容負載下，其調諧振蕩在正確的頻點，而當晶振調諧于12.5pF負載的RTC電路中時，使用6pF負載的晶振將會使時鐘變快。Dallas Semiconductor提供的所有RTC均采用內部偏置網絡，因而晶振可直接連接到RTC的X1、X2引腳，而不需要額外的元件。由于RTC的晶振輸入電路具有很高的輸入阻抗，因此，它與晶振的連線猶如一個天線，很容易耦合系統(tǒng)其余電路的高頻干擾。而干擾信號被耦合到晶振引腳將導致時鐘數(shù)的增加或減少。考慮到線路板上大多數(shù)信號的頻率高于32.768kHz，所以，通常會產生額外的時鐘脈沖計數(shù)。因此，晶振應盡可能靠近X1、X2引腳安裝，同時晶振、X1/X2引腳的下方最好布成地平面。 圖3-4 晶振電路 3.3 溫濕度采集模塊 3.3.1 DS18B20溫度傳感器介紹 （1）DS18B20溫度傳感器的特點 DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在93.75?ms和750?ms內完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結構更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。?? DS18B20引腳圖如圖3-5所示： 圖3-5 DS18B20引腳圖 其中： GND為電源地 DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端 VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地） 性能特點如下： （1）獨特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。? ??? （2）在使用中不需要任何外圍元件。? ???? （3）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0~?+5.5?V。? ???? （4）測溫范圍：-55?~+125?℃。固有測溫分辨率為0.5?℃。????? （5）通過編程可實現(xiàn)9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式。????? （6）用戶可自設定非易失性的報警上下限值。? ???? （7）支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。? ???? （8）負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。? （2） DS18B20的工作原理 DS18B20的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。在講解其工作流程之前我們有必要了解18B20的內部存儲器資源。18B20共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是：? ROM?只讀存儲器，用于存放DS18B20ID編碼，其前8位是單線系列編碼（DS18B20的編碼是19H），后面48位是芯片唯一的序列號，最后8位是以上56的位的CRC碼（冗余校驗）。數(shù)據(jù)在出產時設置不由用戶更改。DS18B20共64位ROM。? RAM?數(shù)據(jù)暫存器，用于內部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20共9個字節(jié)RAM，每個字節(jié)為8位。 DS18B20工作過程一般遵循以下協(xié)議：初始化——ROM操作命令——存儲器操作命令——處理數(shù)據(jù)? （3） DS18B20 溫度傳感器采集電路 本系統(tǒng)中所使用的溫度采集為多點測量，求取平均值處理，溫度采集電路接在P1.0口,如圖3-6所示： 圖3-6 DS18B20 溫度傳感器采集電路 3.3.2 HM1500LF濕度傳感器 基于法國Humirel的HS1101LF濕敏電容制成的防護棒式封裝的濕度傳感器HM1500LF是專門適用于需要精確可靠檢測濕度的OEM用戶，它的特點是嚴密的封裝，好的穩(wěn)定性及簡單的三線制線性電壓輸出，方便與微控制器相接。 （1） 檢測原理 基于獨特的濕度感應晶片，隨著環(huán)境濕度值的變化有著穩(wěn)定的容值變化的濕敏電容為基本檢測元件，通過帶補償校準過的轉換電路，直接輸出線性的電壓值，直觀的反映出濕度值。 （2）主要特點 ●小尺寸，浸水無影響全互換性 ●高可靠性與長時間穩(wěn)定性在5V供電0~100%RH典型輸出，1~4C ●非常低的溫度依賴性，比例輸出 （3）HM1500LF濕度傳感器的的采集電路 本系統(tǒng)對于濕度只進行采集和顯示，不進行控制，并且也采用的是多點測量空氣中的濕度求取平均數(shù)后進行顯示，采集電路通過74LS138接在P2.3-P2.5，如圖3-7所示： 圖3-7 HM1500LF 濕度傳感器采集電路 （注：由于我所使用的proteus中沒有單獨的濕度傳感器器件，因此使用SHT10一體式溫濕度傳感器替代，使其只起到濕度傳感器的功能。） 3.4 顯示模塊 3.4.1 LM016L的介紹及結構? LM016L液晶模塊采用HD44780控制器，hd44780具有簡單而功能較強的指令集，可以實現(xiàn)字符移動，閃爍等功能，LM016L與單片機MCU通訊可采用8位或4位并行傳輸兩種方式，hd44780控制器由兩個8位寄存器，指令寄存器（IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）忙標志（BF），顯示數(shù)RAM（DDRAM），字符發(fā)生器ROMA（CGOROM）字符發(fā)生器RAM（CGRAM），地址計數(shù)器RAM(AC)。IR用于寄存指令碼，只能寫入不能讀出，DR用于寄存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由內部操作自動寫入DDRAM和CGRAM,或者暫存從DDRAM和CGRAM讀出的數(shù)據(jù)，BF為1時，液晶模塊處于內部模式，不響應外部操作指令和接受數(shù)據(jù)，DDTAM用來存儲顯示的字符，能存儲80個字符碼，?CGROM由8位字符碼生成5*7點陣字符160中和5*10點陣字符32種.?CGRAM是為用戶編寫特殊字符留用的，它的容量僅64字節(jié)，可以自定義8個5*7點陣字符或者4個5*10點陣字符，AC可以存儲DDRAM和CGRAM的地址，如果地址碼隨指令寫入IR,則IR自動把地址碼裝入AC，同時選擇DDRAM或CGRAM單元。 3.4.2 LM016L的引腳及功能? LM016L液晶模塊接在單片機的P0口和P2.0-P2.2口，它的的引腳圖如圖3-8所示，功能如下所示： 圖3-8 LM016L引腳圖 1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣，如表3-2： 表3-2 LM016L引腳功能圖 引腳 符號 功能說明 1 VSS? 一般接地 2? VDD? 接電源（+5V）? 3 V0? 液晶顯示器對比度調整端，接正電源時比度最弱，接地電源時對比度最高。 4 RS? RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。? 5 R/W? R/W為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。? 6 E? E(或EN)端為使能(enable)端，下降沿使能 7 DB0? 底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線?0位（最低位） 8 DB1? 底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線1位? 9 DB2? 底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線2位? 10 DB3? 底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線3位? 11 DB4 高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線4位? 12 DB5 高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線5位? 13 DB6 高4位三態(tài)、?雙向數(shù)據(jù)總線?6位 14 DB7 高4位三態(tài)、?雙向數(shù)據(jù)總線?7位（最高位）? 15 BLA? 背光電源正極? 16 BLK? 背光?電源負極 3.5 執(zhí)行機構 設計采用了一個兩檔電爐絲（該電爐絲分為800W和1600兩檔，當兩檔全開為2400W）作為系統(tǒng)的加熱設備。選用了三個風扇作為系統(tǒng)的降溫設備。在溫度接近標準值（-10℃—40℃）上下限10℃時進行定時多點測量求平均值，根據(jù)多次測量的結果判斷溫度是否上升或者下降過快，并且采取相應升、降溫措施（模糊控制）。即開啟電爐絲或打開風扇。由于考慮到該執(zhí)行機構為交流大功率器件，所以使用繼電器驅動。 圖3-9 執(zhí)行機構電路圖 為了設計方便所以仿真時用5個LED燈代替兩檔電爐絲和3個風扇，其中P3.3和P3.4分別接兩個綠色的LED燈代表兩檔電爐絲。P3.5-P3.7接三個藍色LED燈代表三個風扇。仿真圖如圖3-10所示： 圖3-10 執(zhí)行機構仿真圖 3.6 通信模塊 3.6.1 MAX487簡介 MAX487是MAXIM公司生產的一種差分平衡收發(fā)器芯片，是用于1rrL協(xié)議與RS485協(xié)議（半雙工串行通信）轉換的小功率收發(fā)器，它含有一個驅動器和一個接收器。其主要特點如下： （1） 單+5V電源供電 （2） 工作電流在120-150UA （3） 低電流關機模式消耗0.1A電流 （4） 驅動器有過載保護功能 MAX487引腳功能如表3-3所示： 表3-3 MAX487引腳功能表 管腳號 管腳名稱 功能 1 Ro 接收器輸出 2 /RE 接收器輸出使能 3 DE 驅動器輸出使能 4 DI 驅動器輸入 5 GND 接地 6 A 接收器輸入和驅動器輸出 7 B 接收器反相輸入和驅動器反相輸出 8 VCC 電源 3.6.2 串行通信結構 AT89C51系列內部含有一個可編程全雙工串行通信接口，具有UART（通用異步接收和發(fā)送器）的全部功能。該接口電路不僅能同時進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可作為一個同步移位寄存器使用。可構成雙機或者多機通信系統(tǒng)。在本設計中，串行通信接在P3.0-P3.2接口，結構圖如圖3-11所示： 圖3-11 串行通信結構圖 3.7 聲光報警模塊 報警電路如圖3-12所示： 圖3-12 聲光報警電路 聲光報警電路與單片機P1.6~P1.7口相連，在溫度接近標準值（-10℃—40℃）上下限10℃時，黃色LED燈亮起，說明溫度已進入模糊控制范圍，外部執(zhí)行機構應該啟動進行相應的措施。當溫度超過標準值（-10℃—40℃）時，紅色LED燈亮起且蜂鳴器發(fā)出報警信號，這時采取人為干預措施。  第四章 系統(tǒng)軟件設計 4.1 系統(tǒng)軟件的整體思路 一個應用系統(tǒng)要完成各項功能，首先必須有較完善的硬件作保證。同時還必須得到相應設計合理的軟件的支持，尤其是微機應用高速發(fā)展的今天，許多由硬件完成的工作，都可通過軟件編程而代替。甚至有些必須采用很復雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程有時會變得很簡單，如數(shù)字濾波，信號處理等。因此充分利用其內部豐富的硬件資源和軟件資源，采用與C51系列單片機相對應的51匯編語言、C語言相結合以及結構化程序設計方法進行軟件編程。 雖然匯編語言有速度快，實時性高的優(yōu)點，但其缺點就是如果程序較長用匯編就會顯得很冗長且復雜，沒有高級語言來的直接易懂。現(xiàn)在大部分單片機還是以C語言為主，在實時性要求高的地方，可以內嵌匯編，就是只有那部分代碼是匯編寫的。所以本設計綜合考慮采用C語言編寫系統(tǒng)程序。 本系統(tǒng)主要包括主程序、溫度采集子程序、濕度采集子程序、執(zhí)行機構程序（模糊算法）、超限報警子程序。而本設計的重點將會放在執(zhí)行機構程序（模糊算法）上。 4.2 系統(tǒng)總流程圖 硬件部分設計制作完成后，關鍵是程序的編寫。該系統(tǒng)程序的編寫才用模塊化程序設計，采用模塊化程序設計的優(yōu)點在于： （1）每個模塊都可以分配給不同的程序員完成，從而縮短開發(fā)周。 （2）各個模塊高聚合、模塊之間低耦合，只要模塊之間確定了參數(shù)遞的接口，不管那個模塊內部的改動，均不會影響其他模塊。 （3）系統(tǒng)細化到模塊，條理清晰，系統(tǒng)更加容易理解和實現(xiàn)。 圖4-1 系統(tǒng)總流程圖 4.3 溫濕度傳感器程序 溫度傳感器DS18B20的各個命令對時序的要求嚴格，所以必須按照要求的時序才能達到預期的目的，本設計中的時間周期都由晶振電路產生。同時，要注意進來的是高位在后低位在前，共有十二位數(shù)。而溫度和濕度的每一次采集的時間周期根據(jù)模糊控制思想決定的。 圖4-2 DS18B20子程序流程圖 4.4 執(zhí)行機構程序 執(zhí)行機構部分采用模糊控制算法，首先定義溫度的誤差為E，誤差等級為五個等級；溫度的誤差變化率為Ec，誤差的變化率為三個等級。 模糊控制主要針對的溫度段在 -10℃—0℃，30℃—40℃。定義模糊控制的上下限為上限MAX=30℃，下限MIN=0℃。將采集回來的溫度Temp與模糊控制的上下限比較，（Temp-MAX）或者（MIN-Temp）得到溫度的誤差E，當溫度與模糊控制上下限誤差每2℃為一個誤差等級，即： Temp-MAX≤2或者MIN-Temp≤2， E=1； Temp-MAX≤4或者MIN-Temp≤4， E=2； Temp-MAX≤6或者MIN-Temp≤6， E= 3； Temp-MAX≤8或者MIN-Temp≤8， E= 4； Temp-MAX≤10或者MIN-Temp≤10，E=5； 溫度誤差的變化率為Ec=（Temp1-Temp）/Ti,其中Ti表示采集的周期，它的值為1000,800,500,300四個不同時間周期，溫度的變化率等級的確定為： Ec ≥-0.1或者Ec≤0.1，Ec=1； Ec ≥-0.2或者Ec≤0.2，Ec=2； Ec ≥-0.3或者Ec≤0.3，Ec=3； 模糊控制的規(guī)則具體到執(zhí)行機構中則為對應的升溫或者降溫措施，現(xiàn)在有兩檔的電爐絲和三個風扇，需要把模糊控制的規(guī)則對應到執(zhí)行措施當中。遵守的規(guī)則就是誤差E和誤差變化率Ec越大，執(zhí)行的措施越強，誤差E和 誤差的變化率Ec越小，執(zhí)行的措施越弱，所以要對模糊控制規(guī)則進行模糊化，預期執(zhí)行效果如表4-1所示： 表4-1 模糊控制執(zhí)行表 Ec U(k) E 3 2 1 5 Temp>0,開啟3臺風扇 Temp<0，電爐絲兩檔全開 Temp>0,開啟3臺風扇 Temp<0，電爐絲兩檔全開 Temp>0,開啟3臺風扇 Temp<0，電爐絲兩檔全開 4 Temp>0,開啟3臺風扇 Temp<0，電爐絲兩檔全開 Temp>0,開啟2臺風扇 Temp<0，電爐絲開啟2檔 Temp>0,開啟2臺風扇 Temp<0，電爐絲開啟2檔 3 Temp>0,開啟2臺風扇 Temp<0，電爐絲開啟2檔 Temp>0,開啟2臺風扇 Temp<0，電爐絲開啟2檔 Temp>0,開啟1臺風扇 Temp<0，電爐絲開啟1檔 2 Temp>0,開啟2臺風扇 Temp<0，電爐絲開啟2檔 Temp>0,開啟1臺風扇 Temp<0，電爐絲開啟1檔 Temp>0,開啟1臺風扇 Temp<0，電爐絲開啟1檔 1 Temp>0,開啟1臺風扇 Temp<0，電爐絲開啟1檔 Temp>0,開啟1臺風扇 Temp<0，電爐絲開啟1檔 Temp>0,開啟1臺風扇 Temp<0，電爐絲開啟1檔 第五章 總結 寫完這篇畢業(yè)論文總結預示著我即將畢業(yè)，即將走出可愛的校園步入社會的大講堂，開始我的又一個新的人生旅程。那么，我應該記下一些東西，對我的畢業(yè)論文做一個總結，劃上一個完整的句號。 我的畢業(yè)設計是基于單片機的溫度控制系統(tǒng)（溫室大棚）。當我接到選題通知后，開始著手論文的準備工作。開始的時候，我不知道要如何寫起，要往哪方面著手。這個時候王衛(wèi)軍老師給我很大的幫助，給我指明了設計的思路。通過王老師的指導與幫助，我就開始了第一步搜集資料的重要工作。 從搜集文獻到硬件電路的完成，到軟件程序的實現(xiàn)，到論文的完成。每一次的進步都讓我喜悅，每一次王老師的指點都讓我收獲良多，每一次遇到困難都讓我更我得學會挑戰(zhàn)自我。通過這次的設計，我實現(xiàn)了溫度控制的硬件連接，了解了芯片的選用，模塊的建立，都會遇到這樣那樣的問題，而每一次的沖破阻礙就會感到知識得到了升華。硬件設計我分為了以下模塊：單片機模塊、執(zhí)行機構模塊、溫濕度傳感器模塊、顯示模塊、報警模塊、通信模塊。然后設計軟件，編寫程序調試硬件電路各個模塊的功能，在此又添加了模糊控制算法。最后通過Proteus仿真，實現(xiàn)設計要求。最終結果表明：我的設計是合理的，能很好的達到預期的效果和要求。 大學四年我從書本中學了很多知識，以前雖然我也做過一些實驗，但那都是簡單、單一的任務，遠遠沒有這次畢業(yè)設計這樣的系統(tǒng)。通過這次系統(tǒng)的設計，我不但增強了編程的能力，更培養(yǎng)了分析問題和解決問題的能力。而且是我的仿真畫圖能力得到了進一步的提高，知道了很多以前不知道的技巧，讓我明白了“實踐出真知”的道理。 參考文獻 [1] 方彥軍、孫健.智能儀器技術及其應用[M].北京:化學工業(yè)出版社, 2003 [2] 潘永雄、沙河、劉向陽.電子線路CAD實用教程[M].西安:西安電子科技大學出版社，2001 [3] 余錫存、曹國華編著.單片機原理及接口技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007 [4] 張偉、張杰.單片機原理與應用[M].北京: 機械工業(yè)出版社，2005 [5] 曹薇、謝云敏.單片機原理及應用[M].北京：中國水利水電出版社，2004 [6] 陳偉人. 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