基于单片机的温室大棚温度控制系统设计_本科毕业论文.doc

基于单片机温室大棚温度控制设计摘要：本系统以at89c51单片机为控制核心，利用温度传感器ad590对蔬菜大棚内的温度进行实时采集与控制，实现温室温度的自动控制。本系统由单片机小系统模块、温度采集模块、加热模块、降温模块、按键以及显示模块六个部分组成。可以通过按键设定温室的温度值，采集的温度和设定的温度通过led数码管显示。当所设定的温度值比采集的温度大时，通过加热器加热，以达到设定值；反之，开启降温风扇，以快速达到降温效果。通过该系统，对蔬菜大棚内的温度进行有效、可靠地检测与控制。从而保证大棚内作物在最佳的温度条件下生长，提高质量和产量。关键词：单片机、温室大棚、温度控制一、 硬件设计（一）设计目标 本系统要控制的对象为这样一个规模的温室。温室结构的参数为：屋脊高5.2m，檐高3m，单跨度6.5m，长为20m，地面面积为130平方米。要实现的目标是，使薄膜温室的温度保持在2030之间，在这个区域内温度值是可设定的。（二）设计思路系统原理框图如图1所示。本系统由单片机小系统模块、温度采集模块、wp型温室加热器、降温模块、按键以及显示模块六个部分组成。通过按键设定温度值，设定的温度值和采集的温度值都可以通过led数码管显示。当所设定的温度值比采集的温度大时，通过加热器加热，以达到设定值；反之，开启降温风扇，以快速达到降温效果。该系统对温度的控制范围在2030，温度控制的误差小于等于0.5。通过使用该系统，对蔬菜大棚内的温度进行有效、可靠地检测与控制,保证大棚内作物在最佳的温度条件下生长，提高质量和产量。at89c51控制系统温度采集键盘扫描wp型温室加热器显示降温模块图1系统原理框图 该系统分为六个模块，分别是单片机小系统模块、温度采集模块、显示模块、键盘扫描模块、加热模块和降温模块。（三）基于at89c51的单片机小系统本系统采用atmel公司所生产的at89c51单片机。at89c51单片机小系统如图2所示：图2 单片机小系统这个小系统由时钟脉冲和复位电路组成， at89c51内部已具备振荡电路，只要在接地引脚上面的两个引脚（即19、18脚）连接简单的石英晶体即可。at89c51的时钟频率为12mhz。at89c51的复位引脚为第9脚，当此引脚连接高电平超过2个机器周期（一个机器周期为6个时钟脉冲），即可产生复位的动作。以12mhz的时钟脉冲为例，每个时钟脉冲1s,两个机器周期为12s,因此，在第9脚上连接一个12s以上的高电平脉冲，即可产生复位的动作。对于上电复位，复位引脚上串接了一个电容，当复位引脚接 +5v电压时，电容相当于短路，经过一段时间（在这段时间内完成复位）后，电容处于充电状态，相当于断开。还有一种是手动复位,它的接法是在at89c51复位引脚所串连的电容上并联接一个按钮开关。当按钮没按下时，电容处于充电状态；当按钮按下时，电容对复位引脚放电，从而在这个引脚上产生高电平，达到复位的目的。（四）温度采集模块 本系统的温度采集和转换电路原理图如图3所示，它的工作过程为：系统通过ad590采集外界的温度参数，并通过三个放大器的作用将温度转化为电流模拟量；此模拟量通过adc0804的转化变成数字量，以便单片机辨认接收。图3 ad590温度传感器工作的系统结构电路图根据电路图，说明各个器件的功能如下：opa1：以0为标准，调节可变电阻r10使其输出电压为2.73伏特。opa2：减2.73伏特，并反相。opa3：放大5倍并反相。例如：ad590输出电压为1.5伏特，则其温度为：1.5/5（opa3）+2.732（opa2）=3.302伏特；3.302/10k=303.2微安培；303.2-273.2=30微安培30。温度值opa1opa2opa3adc vinadc输出值02.732v0v0v0v00h102.832v-0.1v0.5v0.5v19h202.932v-0.2v1v1v32h303.032v-0.3v1.5v1.5v4bh403.132v-0.4v2v2v64h503.232v-0.5v2.5v2.5v7dh603.332v-0.6v3v3v96h703.432v-0.7v3.5v3.5vafh803.532v-0.8v4v4vc8h903.632v-0.9v4.5v4.5ve1h1003.732v-1v5v5vfah表1 各温度与3个opa及adc0804的输入与输出关系图4 adc0804 如图4，a/d转换器就是模拟/数字转换器，是将输入的模拟信号转换成数字信号。信号输入端的信号可以是传感器或是转换器的输出，而adc输出的数字信号可以提供给微处理器，以便更广泛地应用。 adc0804电压输入与数字输出关系如下表2所示：十六进制二进制码 二与满刻度的比率相对电压值vref=2.56伏高四位字节低四位字节高四位字节电压低四位字节电压f111115/1615/2564.8000.300e111014/1614/2564.4800.280d110113/1613/2564.0600.260c110012/1612/2563.8400.240b101111/1611/2563.5200.220a101010/1610/2563.2000.200910019/169/2562.8800.180810008/168/2562.5600.160701117/167/2562.2400.140601106/166/2561.9200.120501015/165/2561.6000.100401004/164/2561.2800.080300113/163/2560.9600.060200102/162/2560.6400.040100011/161/2560.3200.0200000000表2 adc0804电压输入与数字输出关系例如：vin=3v，由上表可知2.880+0.120=3v，为10010110b=96h。 ad590产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为4v30v，检测的温度范围为-55+150，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1微安培。当摄氏温度为0时，ad590的电流为273.2微安培，经10千欧姆电阻后其电压为2.732伏特。余者依上述方法类推。 利用ad590以及接口电路把温度转换成模拟电压，经由adc0804转换成数字信号后传送给at89c51处理。 温度采集和ad590温度传感器工作的系统结构电路图为图3。(五)显示模块译码ic及温度显示的电路图如图5所示。显示部分的工作原理是，它将温度转换的数字量，即温度值，经由at89c51的p1口由两个译码ic输出并分别送入两个七段数码管显示，这两个led都是共阳极的。图5 译码ic及温度显示bcd码转换成7段led数码管的译码驱动ic，如图6所示，首推7447系列，包括7446、7449、74ls49。其中的7446及7447输出低电平驱动的显示码，用以推动共阳极7段led数码管；而7448及74ls49输出高电平驱动显示码，用以推动共阴极7段led数码管，7446、7447与7448的引脚相同（双并排16pins）。图6 译码ic 7447d、c、b、a：bcd码输入引脚。a、b、c、g：7段数码管输出引脚。lt：本引脚为测试引脚，当接高电平时，所连接的7段led数码管全亮。正常显示下应接低电平。rbi：本引脚为涟波淹没输入引脚，正常显示下应接低电平。bi和rbo：本引脚为淹没输入或涟波淹没输出引脚，正常显示下应接低电平。7段led数码管是利用7个led组合而成的显示设备，可以显示0到9共10个数字。当要显示多个数码管，可分别驱动每个数码管；当要利用人类的视觉暂留现象，则可以采用快速扫描的方式，只要一组驱动电路即可达到显示多个数码管的目的。一般来说，7段led数码管可分为共阳极和共阴极两种，共阳极就是把所有led的阳极连接到共同的接点com，而每个led的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点）；同样的，共阴极就是把所有led的阴极连接到共同的接点com，而每个led的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp（小数点）。(六) 键盘扫描图7 键盘扫描电路图7是键盘扫描的电路图，其中74922是键盘扫描ic。键盘扫描电路的原理是，将键盘接在一个键盘扫描ic 74922上，当在键盘上按下键时，相关的键码将通过74922的a、b、c、d口线传递给at89c51单片机。键盘采用电话式键盘，结构如图8所示。键盘是接在键盘扫描ic 74922（上图6所示）上面的，键盘的输入通过74922的x1x3和y1y4输入。 x1 x2 x3123456789*0#y1 y2 y3 y4 图8 电话式键盘 鉴于键盘扫描ic为4*4形式，以下键盘编码每行后面都有0ffh，以配合硬件使用。按键123456对应编码01h02h03h04h05h06h按键789*0#对应编码07h08h09h0ah00hobh表3 键盘编码 键盘扫描ic74922的工作过程：x1x3接键盘的行，y1y4接键盘的列，按键信息由这几个口输入，由a、b、c、d四个口输出到p3口的低四位，再通过p1口经过译码ic显示在led上。键盘扫描芯片不断查询是否有按键输入，当查询到有按键时，da置1，同时执行相应的程序，比较温度是否超出上、下限，进而决定是加热还是降温。(七) wp型温室加热器 如图7所示，在at89c51的p2.1口上接一个继电器，将加热器接在此继电器上。需要提高温度时，单片机控制p2.1口，使之置1，进而控制加热器加热。(八) 降温模块 如图7所示，在at89c51的p2.2口上接一个继电器,将降温风扇接在此继电器上。需要降温时，单片机控制p2.2口，使之置1，进而控制降温风扇降温。二、 软件设计本系统的工作流程是，操作人员可以从键盘上输入要设定的温度值。当此温度值与当前温度不同时，单片机控制系统采取调节的动作。当设定温度大于测定温度时，则使加热器工作；当设定温度小于测定温度时，则开启降温风扇。此程序流程包括4个部分。第一部分是主程序，它描述的是程序的总体结构；第二部分是定时器t0的描述，它的功能是将实际温度和设定的温度比较，再作出相应的动作；第三部分是键盘扫描部分；第四部分是显示部分，用于显示温度值。(一) 主程序yn按键程序显示a/d转换完成否？判断有无按键？a/d转换系统初始化开始ny图9 主程序本温度控制系统的总体设计思路见图9的主程序流程图，系统采用温度传感器ad590采集温度数据，再由adc0804模数转换器将温度转化为单片机可以处理的数据。本系统将温度总体控制在20到30之间，并且可以通过键盘输入要设定的温度值，并通过7段数码管显示出来。在整个系统的运行期间，有一个定时器t0中断每隔20ms扫描一次，用于当前温度与设定温度的比较，然后发出加温或降温的命令。程序代码如下：org 00h jmp start org 0bh jmp tim0start: mov tmod,#01h mov th0,#60 mov tl0,#76 setb tr0 mov ie,#82h mov r4,#09h mov r0,#30hclear: mov r0,#00h djnz r4,clear mov a,#00h mov dptr,#table1 movc a,a+dptr mov 34h,a mov a,#01h mov dptr,#table1 movc a,a+dptr mov 35h,a mov 36h,#0ffhstart0: movx r0,await: jb p3.4,keyin jb p2.0,adc jmp waitadc: movx a,r0 mov 37h,a clr c subb a,36h jc tdowntup: mov a,37h clr c subb a,34h jnc poff jmp looppon: clr p2.1 jmp start0poff: setb p2.1 jmp looptdown: mov a,37h clr c subb a,35h jc pon jmp looploop: mov 36h,37h clr a mov r4,#0ffh djnz r4,$ call l1 mov 21h,#10h nov r1,#30hdisp1: call disp djnz 21h,disp1 jmp start0(二) 定时器t0中断定位装入初值比较的十位相同？比较的个位相同？开启降温风扇返回加热器工作设定温度测定温度？加热器停止工作ynynny图10 定时器t0中断子程序 定时器t0中断的工作流程如图10所示。当定时器t0发生中断时，就将按键输入的设定的温度值与当前的温度值比较。当输入的温度值大于当前测定的温度值，单片机就控制加热器加热；当设定的温度值小于当前测定的温度值，就开启降温风扇。程序代码如下：tim0: push acc push psw mov th0,#60 mov tl0,#76 mov a,33h cjne a,31h,t mov a,32h cjne a,30h,t jmp off t: jc off clr p2.1return: pop psw pop acc retioff: setb p2.1 jmp returndelay: mov r7,#06d1: mov r6,#248 djnz r6,$ djnz r7,d1 ret(三) 显示模块显示子程序流程图如图11所示:（说明：30h用于暂时存放要显示温度的高四位，31h用于暂时存放要显示温度的低四位，38h用于存放最终要显示在7段数码管上的温度值；d1、d2分别表示两个7段数码管的存储地址。）取（30h）高四位为d1取（31h）低四位为d2返回将（38h）的值送p1将（30h）、（31h）合成为（38h）延时disp图11 显示子程序系统提供温度的显示功能，将温度用两个7段数码管显示出来。程序如下：disp: mov a,r1 anl a,#0f0h swap a mov 38h,a inc r1 mov a,r1 anl a,#0fh swap aorl a,38h mov p1,a call delay ret(四) 按键扫描将键盘接在一个键盘扫描ic 74922上，所按键将被此芯片处理后传送给单片机处理。工作流程如图9所示。如果要设定新的温度值，操作流程为：按“*”要设定的温度值按“*”，这样就完成了温度的设定。程序代码如下：keyin: jb p3.4,$ mov a,p3 anl a,#0fh mov dptr,#table movc a,a+dptr xrl a,#0ah jnz start0 jb p3.4,keyin1 mov r1,#32h call disp mov r5,4fhd4: mov r7,#0ffh d3: mov r6,#0ffhd2: jb p3.4,keyin1 djnz r6,d2 djnz r7,d3 djnz r5,d4 jmp start0keyin1: jb p3.4,$ mov a,p3 anl a,#0fh mov dptr,#table movc a,a+dptr mov 20h,a xrl a,#0ah jz x1 mov a,20h xrl a,#0bh jz wait1 mov a,20h xch a,32h xch a,33h(五) 源程序 程序要完成的功能是将总体温度控制在2030之间，在这个范围内，可以设定任一温度值，并使之达到恒温效果；如果超出这个范围，则程序自动控制继电器工作使温度稳定在这个范围之间。程序中各寄存器说明如下：30h、31h：所测得的实际温度32h、33h：键盘设定的温度34h：系统的上限温度值（30）35h：系统的下限温度值（20）36h：旧温度值的存放地址源程序如下:org 00h jmp start org 0bh jmp tim0start: mov tmod,#01h mov th0,#60 mov tl0,#76 setb tr0 mov ie,#82h mov r4,#09h mov r0,#30hclear: mov r0,#00h djnz r4,clear mov a,#00h mov dptr,#table1 movc a,a+dptr mov 34h,a mov a,#01h mov dptr,#table1 movc a,a+dptr mov 35h,a mov 36h,#0ffhstart0: movx r0,await: jb p3.4,keyin jb p2.0,adc jmp waitadc: movx a,r0 mov 37h,a clr c subb a,36h jc tdowntup: mov a,37h clr c subb a,34h jnc poff jmp looppon: clr p2.1 jmp start0poff: setb p2.1 jmp looptdown: mov a,37h clr c subb a,35h jc pon jmp looploop: mov 36h,37h clr a mov r4,#0ffh djnz r4,$ call l1 mov 21h,#10h nov r1,#30hdisp1: call disp djnz 21h,disp1 jmp start0l1: clr c mov 30h,#00h mov 31h,#00h mov r3,#08h next: rlc a mov r2,a mov a,30h addc a,30h da a mov 30h,a mov a,31h addc a,31h da a mov 31h,a mov a,r2 djnz r3,nextl2: mov a,30h add a,30h da a mov 30h,a mov a,31h addc a,31h da a mov 31h,a retkeyin: jb p3.4,$ mov a,p3 anl a,#0fh mov dptr,#table movc a,a+dptr xrl a,#0ah jnz start0 jb p3.4,keyin1 mov r1,#32h call disp mov r5,4fhd4: mov r7,#0ffhd3: mov r6,#0ffhd2: jb p3.4,keyin1 djnz r6,d2 djnz r7,d3 djnz r5,d4 jmp start0keyin1: jb p3.4,$ mov a,p3 anl a,#0fh mov dptr,#table movc a,a+dptr mov 20h,a xrl a,#0ah jz x1 mov a,20h xrl a,#0bh jz wait1 mov a,20h xch a,32h xch a,33hwait1: mov r1,#32h call disp jb p3.4,keyin1 jmp wait1x1: jmp start0disp: mov a,r1 anl a,#0f0h swap a mov 38h,a inc r1 mov a,r1 anl a,#0fh swap a orl a,38h mov p1,a call delay rettim0: push acc push psw mov th0,#60 mov tl0,#76 mov a,33h cjne a,31h,t mov a,32h cjne a,30h,t jmp offt: jc off clr p2.1 return: pop psw pop acc retioff: setb p2.1 jmp returndelay: mov r7,#06d1: mov r6,#248 djnz r6,$ djnz r7,d1 rettable: db 01h,02h,03h,0ffh db 04h,05h,06h,0ffh db 07h,08h,09h,0ffh db 0ah,00h,0bh,0ffhtable1 : db 4bh db 32h end (六) 系统电路图 图12 系统电路图参考文献2 吴金戍，沈庆阳，郭庭吉. 8051单片机实践与应用 北京：清华大学出版社，2006，6882.3 陈明荧. 8051单片机课程设计实训教材 北京：清华大