基于at89s52烟叶烘烤控制器的设计毕业论文

本科生毕业设计（论文）摘 要目前我国烟叶烘烤生产使用的多为自然气流上升式烤房，这种烤房在烘烤过程中的供热主要依靠操作人员的经验，人为调节火力来控制烤房的温度，并由人工监测烤房温度控制火力或排湿，存在着操作误差大、反应不灵敏、预期结果滞后的不足，影响烟叶烘烤的质量。而将温湿度控制系统用于烟叶烘烤，可以解决烟叶烘烤过程存在的不足，有利于提高烘烤工艺水平和烟叶烘烤质量。本设计采用AT89S52单片机作为核心控制器，配合温度传感器（DS18B20）和湿度传感器(HS1101)，以及相关的外围电路组成检测系统，将温度和湿度传感器得到的测量信号送到单片机进行数据处理，经软件分析处理后送显示装置，从而实时监控烤房环境的温度和湿度情况。并且当烤房内的温度或湿度超出设定值的范围时，能够自动进行声光报警，同时对高温热泵或排湿风扇进行控制，使烤房内的温湿度满足工艺要求。本设计的烟叶烘烤控制器可进行单机控制也可通过CAN总线通信方式进行多机控制，且每隔一定的时间主机自动对温度、湿度等相关的数据进行记录。本设计对于烟叶烘烤时所需的基本工艺参数、精度等级要求都能满足，能够根据工艺的要求对烤房内的温湿度进行自动的调节，并且烘烤的全程都是使用电能对环境无污染。关键词：AT89S52单片机；温度传感器；湿度传感器； CAN通信；LCD显示AbstractThe barn used in most of Chinas tobacco curing production are natural flow rose style ones, the heating of this kind of tobacco curing barn in the baking process mainly depend on the operators experience, monitoring barn fire or humidity and of temperature control were conducted manually, there are insufficiencies like big operational errors, insensitive response, and expected results lag, thus, the quality of tobacco curing was affected. However, when temperature and humidity control system were used in tobacco curing process, insufficiencies that mentioned above were reduced, and could help to improve the quality of tobacco curing. This design uses a microcontroller AT89S52 as the core controller, with the temperature sensor (DS18B20) and humidity sensors (HS1101), and related peripheral circuits of the detection system, the measurement of temperature and humidity sensors signals will be send to the microcontroller for data processing by software analytical processing evacuation display device, real-time monitoring the temperature and humidity of the barn environment. And when baking room temperature or humidity exceeds the set value range, the system is able to automatically trigger sound and light alarm, at the same time controls the high temperature heat pump or humidity exhaustion fan, so that the baking room temperature and humidity will meet the technical requirements. The design of the tobacco curing controller for stand-alone control can also be multi-machine control through CAN bus communication, and every time host automatically record temperature, humidity and other related data. For tobacco curing, the design meets the basic technical parameters of the required accuracy class requirements, and can also automatically adjust the temperature and humidity of the baking room according to the requirements of the process, the use of electric energy poses none pollution to the environment.Key words：AT89S52 microcontroller；temperature sensor；humidity sensor；CAN communication；LCD display目 录第1章 绪 论11.1 烟叶烘烤控制器设计的背景及意义11.2 国内外烟叶烘烤控制系统的现状21.3 本设计达到的预期目标及要求41.3.1 系统要实现的功能41.3.2 设计应达到的性能指标4第2章 烟叶烘烤温湿度控制原理及控制要求52.1烟叶烘烤原理52.2 烟叶烘烤过程62.3 三段式烘烤工艺62.4 烟叶烘烤房的结构7第3章 系统总体分析与方案设计83.1系统的功能及组成83.1.1 总体方案83.1.2实施措施83.2系统方案论证和选择83.2.1 单片机的选择93.2.2温度传感器的选择93.2.3湿度传感器的选择103.2.4输出显示设备的选择113.2.5 通信方式的选择123.3系统组成整体结构12第4章 硬件电路的设计144.1单片机最小系统设计144.1.1 AT89S52单片机144.1.2时钟晶振电路设计154.1.3 复位电路设计154.2实时时钟电路设计164.2.1 DS1302时钟芯片164.2.2 DS1302接口电路164.3温度检测电路174.3.1 DS18B20温度传感器174.3.2 DS18B20外部供电电路194.4 湿度检测电路194.4.1 HS1101湿度传感器204.4.2 NE555时基电路204.4.3 基于NE555振荡电路的湿度测量电路204.4.4 多路湿度检测信号的实现224.5通信电路设计224.5.1 CAN总线节点转换电路设计234.5.2 CAN总线节点转换电路244.5.3 RS232_CAN总线适配器电路设计254.6 LCD1602液晶显示模块电路设计274.7 报警电路的设计284.8 电源电路284.9 调控设备294.9.1 高温热泵304.9.2 排湿风机314.10调控设备驱动执行电路31第5章 软件设计335.1 主程序流程图335.2 系统初始化模块355.3温度检测子程序流程图365.4 湿度检测子程序流程图385.5 液晶显示子程序流程图395.6 控制模块子程序流程图405.7 通信模块子程序流程图40第6章 结 论42参考文献43致 谢45附 录46附 录48附 录54附 录69V第1章 绪 论1.1 烟叶烘烤控制器设计的背景及意义目前，烟草种植生产几乎遍及世界各地，从北纬60到南纬45都有种植。主要生产国家有：中国、美国、印度、巴西、加拿大、日本等。在我国烟草作为一种重要的经济作物，在国民经济中占有重要的地位。仅云南全省已有72个县种植烤烟，面积2万余公顷，产量高达7500吨。烟草的种植生产极大地带动了当地农业的发展，改善了当地烟农的生活水平，烟草的种植生产已经成为烟农生产生活中不可缺少的一部分。烟农获得的利益与烤烟的质量有直接关系，而烤烟的质量与烘烤技术密切相关。近年来，随着我国烟叶生产水平的提高，烟叶烘烤过程成为制约烟叶质量的关键因素。传统的人工长期监守、使用煤炭或燃油加热，利用干湿球玻璃温度计采集数据的方式，不仅劳动强度大，操作规程复杂，烘烤时间，温度和湿度的控制都需要根据多年的经验，经常出现将烤房内的烟烤焦、烤硬的现象，对烟农造成很大的利益损失。所以完善烟叶烘烤技术，对提高烟叶质量，提高烟农利益，带动当地经济发展有着迫切的重要性。近年来，随着科学技术的迅速发展，以及对烟草质量和烟草生产效益的要求和目标的不断提高，市场对烟草烘烤设备有了如下要求： 1、烟草烘烤的质量好，等级高，能够创造更多直接的经济价值； 2、烤房的结构科学合理，便于建造、管理、维护； 3、烤房的运行智能化、简单化，方便操作，并确保所烘干的烟草质量稳定、统一，达到标准化生产的要求； 4、烤房设备既能满足单个烟农的需求，也能满足烟草规模化、集中化生产的要求； 5、烟草烘烤的过程绿色环保，无废水、废气、废渣产生；烘烤过程中能耗低，运行成本低，性价比高； 6、大幅度降低劳动强度； 目前，国内的烟草烘烤生产之所以一直沿用烘烤质量得不到保证的普通烤房，其原因在于：一方面，市场上缺乏创新型的烟草烘烤设备出现；另一方面，国外引进的先进设备、配套设施的购置成本和烘烤、维修费用超出其经济承受能力；另外，国家和地方缺乏政策引导和经济扶持，鼓励烟草生产企业和个人淘汰旧设备，大力发展新设备。因此，高温热泵烟草烘烤系统的成功运用，既满足现实社会对于设备绿色环保、节能减排的要求，也符合烟农提高烤烟质量，增加直接经济收益的心理预期，同时，能够在烟草烘烤的过程中做到智能化、标准化生产，大大降低劳动力投入和劳动强度。所以，价高温热泵型温湿度自控烘烤设备必然会成为消费者的选择热点，市场需求量巨大。1.2 国内外烟叶烘烤控制系统的现状在世界范围内，烟叶烘烤房是生产烤烟必不可少的基本设备，烟叶烘烤房建设的基本要求是满足烟叶烘烤工艺需要，最大限度地显露和发挥烟叶在田间形成的质量潜势。同时，烟叶烘烤设备也必然受制于烤烟生产的组织形式、自然经济状况和科学技术水平。我国自有烤烟种植近100来年，烟叶烘烤房设备由低级到高级，由简单到复杂，逐渐形成了与我国农村经济技术状况相适应的结构形式。目前，随着烟叶质量的不断提高和烤烟生产组织形式的变革，我国烤房设备也在不断创新和发展，普通标准化烟叶烘烤房全面推广应用，智能型烟叶烘烤房已成为烤烟生产可持续发展新形势下的发展方向。目前,烟草生产几乎遍及世界各地,从北纬60到南纬45都有种植。主要生产国家有:中国、美国、印度、巴西、加拿大、日本等。20世纪50年代中期，美国和日本开始研究密集烘烤设备，其基本特点是强制通风、热风循环和烘烤过程自动控制。基本属性是容量大，装烟密度大，操作简便，省工。一座密集烤房一般可承担烟叶面积3070亩，装烟密度是普通烤房的4倍以上。在60年代初逐步用于烤烟生产，到70年代已经在加拿大、美国、日本等经济发达国家全面推广。而现在，一些国外经济发达国家已经将高智能型烟叶烘烤技术向社会推广。我国于20世纪6070年代研制了烧煤的密集烤房，并在生产中进行了一定范围的示范。但是，由于当时农村生产组织形式的变化和社会经济条件限制，这种密集烤房没有能够得到推广，而且绝大多数被废弃掉，仅吉林省保留了适宜于烤烟15亩左右的密集烤房。80 年代中后期到 90 年代初，随着我国的改革开放和中外合作，全面推 行烤烟“三化”生产，烟叶种植水平和烟叶素质逐年提高，为有效地解决了烟叶蒸片、糟片和挂灰等问题，关于烤房的设备和烘烤工艺的研究很活跃。一是适应于农村经济体制改革和生产组织形式的变化需要，研究并推广了容量 150 竿左右的小型烤房， 适合种烟 35 亩的需要。二是对通风系统改造，以确保烤房通风排湿顺畅。增大地洞和天窗面积，改冷风洞为各种形式的热风洞，改“老虎大张嘴”式的天窗为高天窗，后来又发展为通脊长天窗。烘烤工艺方面，各地相继研究提出了五段式、七段式和六段式的“双低”烘烤工艺等。每种烘烤工艺都将烟叶烘烤全过程划分为变黄期、定色期、干筋期，对各时期都规定有明确的温湿度指标，但是，由于烘烤过程段落划分多而细，尤其是对烟叶变化划分层次多而模糊、不定量，没有简单明确的关键点，技术复杂、不容易掌握。所以，事实上仍然停留在凭经验看烟、凭感觉烧火的低水平上。20世纪90年代，全国烤烟生产水平快速提高，中外烤烟生产技术交流与合作更加广泛深入，各地有相当一部分烟田的长势、长相被公认达到或接近国际先进水平。为了改善烟叶烘烤设备和进一步提高烘烤后烟叶质量水平，云南、福建、河南、山东等省借鉴吸收国外烟叶烘烤设备的先进技术，相继购置引进了烧柴油、煤燃锅炉供热、烧煤直接供热等形式的密集烤房200余座，经试验验证，能有效地减少或避免烤青烟、挂灰烟和花片烟，橘色烟比例、烟叶颜色、色度及内在品质都有所提高。但是，其购置投入很高，同时，各地引进购置的密集烤房，不少性能不稳定，烤烟效果不尽令人满意。据调查，目前这种烤房90%左右处于闲置状态。近年来，随着我国烟叶生产水平的提高，烟叶烘烤过程成为制约烟叶质量的关键因素。传统的人工长期监守、利用干湿球玻璃温度计采集数据的方式，不仅劳动强度大，操作规程复杂，而且与现代化的烘烤房设施不相适应。因此设计、推广专业的烟叶烘烤控制器是满足农业生产需求的必行之路，目前，我国提出并在全国全面推广烟叶烘烤三段式烘烤工艺，全国各地的普通烤房的标准化技术改造，以普通烤房为基础，借鉴密集烤房热风循环、强制通风的技术特点，增添风机和空气循环管道，实现部分热风的循环。特别是随着烤烟生产规模化、标准化、产业化、专业化的发展，应建造适度规模的密集烟叶烘烤房。其主要集中了三大优势：一是烤房容量增大，烘烤效率大大提高，造价低廉、省工效果显著、操作方便；二是烤后烟叶质量明显提高，烟叶颜色更鲜亮，而且有效减少了挂灰烟、花片烟比例，烟叶香气明显增强；三是有利于实现专业化的烘烤，对环境污染小。另外，我国烟叶烘烤控制器烘烤房的发展逐渐走向成熟，在烟叶产区具有很大的市场潜力。在设计、安装过程中也发现了一些问题,各种不同的用户需求,要求有适合各种设计方案的智能控制器,要准确地控制烘烤房内的温湿度变化，从而提高烟叶的质量，随着经济的发展，电能的使用已经成为我们生活当中不可缺少的一部分，所以用电能加热取代原有的煤炭加热是非常可取的，不但对烤房内温度控制简单，而且能够减少对空气中污染气体的排放，能达到了节能环保的目的，有着重要的意义。1.3 本设计达到的预期目标及要求1.3.1 系统要实现的功能烟叶烘烤控制器的设计可完成在对烟叶烘烤时，对烟叶烘烤房内温度和湿度进行精确采集，完成对烟叶烘烤一种精确的控制温度、湿度和烘烤时间的智能烟叶烘烤温湿度控制仪，实现温湿度的自动检查，并完成温度、湿度的分段控制。主机根据烟叶烘烤过程中对温度控制的要求，以烤房内部所测的温度作为测量值与给定温度值进行比较，若测量值低与给定值则发出相应的控制信号，驱动执行机构升温；若测量值高于与给定值则驱动执行机构停止升温；保证烤房内温度在设定值范围内。同理，当测量的湿度值不在给定湿度值范围时，则控制信号控制排湿设施的启停，使其满足工艺要求；并且当烘烤房内温湿度异常时能够进行报警。烟叶烘烤对温湿度的要求十分严格，需要对温湿度的信息进行记录，所以本设计要选择合适的通信方式对温湿度及对应的时间进行自动记录，且能够单机或多机通信。1.3.2 设计应达到的性能指标(1) 温度检测范围：-1075，测温精度：0.5；(2) 湿度检测范围：2090RH，测湿精度：3.0RH；(3) 实时显示检测参数；(4) 能够温度越限报警；(5) 能够湿度越限报警。第2章 烟叶烘烤温湿度控制原理及控制要求2.1烟叶烘烤原理烤烟烘烤是农业生产范围内的加工，即将鲜烟叶采摘下来后，立即按规定要求，装入烤房，再按规定的工艺程序进行加热，使烟叶变黄、脱水干燥。烟叶的烘烤的原理：烟叶在烘烤过程中，从绿色逐渐变成了黄色，从水分含量较大的鲜烟叶变成了干烟叶，这其中经历了一系列的生理生化变化。烟叶干燥的过程是烟叶水分蒸发和散失的物理过程，烟叶的失水速度取决于烟叶内部与外部热空气之间的水势之差。水势差值越大，越容易失去水分；水势差值越小，越不容易失去水分。烟叶内部亲水胶体多（烟农常称“口紧”），其水势较低，在同等温度条件下，要失去水分就比较困难；相反，如果烟叶内部亲水胶体少（烟农常称“口松”），水势则较高，就比较容易失去水分。在烟叶烘烤过程中，3268之间，烟叶内亲水胶体的数量与烟叶失水量成反比，温度与烟叶失水量成正比；热空气中的水势与温度成正比。如图2.1所示。温 度烟 叶 内 部 水 势热 空 气 水 势亲 水 胶 体图2.1 烟叶烘烤过程中失水原理图烟叶烘烤过程中，水分的变化对烟叶变黄、定色及烘烤质量影响极大，只有当失水和变黄、定色相协调时，烘烤质量才有保障。水分是鲜烟叶品质在烘烤过程中进一步改进和完善的必备的内因条件之一。烘烤前期、中期，没有水分的参与，烟叶不可能变黄、变香；烘烤中期、后期，没有水分的参与烟叶不可能变褐、变黑、变烂。适时调节烟叶水分，是烤好烟叶的关键性因素。烟叶烘烤的实质，通过人工控制的创造和应用适宜的温湿度条件，控制和促进烟叶中所含酶类的活动，巩固和发展田间烟叶成熟时所积累的优良质量和产量性状，促使烟叶的外观色泽，物理性状和内在化学成分向着有利提高质量、产量的方向发展，同时排除水分，实现干制。烤房是创造和应用适宜的温湿度条件的主要场所。固定或呈现田间鲜烟叶的产质量，获得人们所需要的外观特征和内在品质。烟叶在烘烤过程中，发生着两个方面鲜明的变化。一是内在品质的改进提高和单叶重的适当减轻。二是外观色泽由绿变黄与叶片的卷缩干燥。烟叶变黄是有机物质分解与转化在外部的反映，其中也包括干物质损失。变黄速度就是有机物质分解与转化的速度，是一个酶促过程。干燥速度则代表着叶内水分蒸发的丧失快慢，是一个物理过程。烘烤就是应用适宜的温湿度条件，合理控制这两个方面变化过程的速度，使之相互配合，以促进外部色泽和内部化学成分向着人们所要求的改善品质的方向发展。可以看出，酶促和干燥两个过程都有水分蒸发的共同点，当烟叶内有机物质在酶促作用下进行分解转化时，水分蒸发也在进行，水分由多到适量减少，给酶促反应创造了适宜的环境条件。当烟叶外观色泽由绿变黄时，表明酶促过程已经基本完成，就要加速水分蒸发，及时减弱或终止酶的活性，使烟叶内含物质变化速度逐渐降低，把黄色固定下来。这两个过程是密切相关，相辅相成的，只有促控结合，使酶促速度与干燥速度恰当配合，才能保证将烟叶烤好。2.2 烟叶烘烤过程三段式烟叶烘烤过程的第一阶段为变黄期，第二阶段为定色期，第三阶段为干筋期。各阶段中对烤房的温度要求如图1第一阶段。烤房从环境温度开始以每小时1的速率升温；当温度升至3638时转为恒温，直至80%左右数量的烟叶达到变黄要求；第二阶段缓慢升温定色，前半段温度每小时上升0.5，升至42时恒温，后半段温度每小时上升0.5，升至4748时恒温；第三阶段继续升温烘干，前半段温度每小时上升1，升至54时恒温，后半段温度每小时上升1，升至65时恒温，直至烟叶烘烤全部符合要求。上述三个阶段中的恒温时间视烟叶的质量和各烘烤阶段烟叶变化程度由人工干预设定。2.3 三段式烘烤工艺1、变黄期 烟叶装满烘烤房后，封严天窗，加热后，以每小时升温0.5的速度将烤房温度提升到3438（西南和南方烟区3435，东北烟区3536，黄淮烟区3638），直到底棚烟叶变到叶片基本全黄，仅余叶基部微带青色，主脉青白色，叶片充分发软。T/706050403020100t/h变黄期定色期期烘干期3642475465图2.2 烟叶三段式烘烤工艺温度曲线2、定色期随着温度与湿度的增大，要逐渐开大排湿风扇，不断加大排湿量，使房内温度以平均23小时升温1的速度提高到5455，在烟叶达到勾尖卷边至小卷筒之前（一般47左右），升温速度宜慢（34小时升温1），使烟筋充分变黄，此后升温速度可加快到12小时升温1。在烟叶没有达到黄片青筋小卷筒之前，环境温度不得超过50，即使5455时烟叶已经达到大卷筒，也要在此温度下维持612小时。当烟叶变化达到要求后，在54稳定，12小时左右，保证全炕叶片定色干燥，促进烟叶烤香。3、干筋期以每小时升温1的速度使烤房内温度提高到6769，其间要逐渐关小排湿风扇（以利于提高温度和节能）。稳定此温湿度条件，直到烟叶完全干筋。准确停温，防止掉温和升温过高，造成湿筋，烟叶烤红等意外。2.4 烟叶烘烤房的结构本论文设计的烟叶烘烤控制器适用的烤烟房为10*3*4m，其中装烟室为8*3*4m，加热室为2*3*4m，烤烟房应留有排湿口，观察窗等，加热源采用1台高温热泵以热风上循环方式供热，排湿采用1台普通风扇进行排湿，并且能够手动启动排湿风扇。装烟室三层挂烟，底层高1.5m，可实现装烟350400杆，即完成烤烟810亩。在装烟室中下部和中上部的八个位置，用传感器测定其温度；在装烟室中部的两个位置安装湿度传感器，检测湿度。第3章 系统总体分析与方案设计3.1系统的功能及组成3.1.1 总体方案根据设计功能要求，系统可分如下部分：(1) 温度模块：对烟叶烘烤房内温度进行测量，并通过升温或降温达到相应工艺阶段的最佳温度。(2) 湿度模块：对烟叶烘烤房内湿度进行测量，并通过去湿达到相应工艺时的最佳湿度。(3) 报警模块：当温度、湿度越限时进行声光报警。(4) 显示模块：对烟叶烤房内温湿度进行实时显示。(5) 排湿模块：烟叶烘烤房内湿度大于烘烤工艺时，排除湿度3.1.2实施措施(1) 实际环境温度与给定界限比较，执行加热/制冷措施。(2) 实际环境湿度与给定界限比较，执行去湿措施。(3) 越限报警：当温湿度越限时声音报警。(4) 键盘与显示：负责用户的输入及相关数据的显示。(5) 烤房内湿度过大时，启动鼓风机，使其对室内空气的排出，降低湿度。3.2系统方案论证和选择当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号通过输入通道，由单片机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，除对被控对象状态的信号测试外，还要将测试数据与控制条件对比并实时控制相应执行设备。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。3.2.1 单片机的选择在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。目前，8位单片机在国内外仍占有重要地位。在8位单片机中又以MCS51系列单片机及其兼容机所占的份额最大。MCS51的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化，设计人员可以很容易的对不同公司的单片机产品进行选型，他们只需将重点放在芯片内部资源的比较上。方案一：采用AT89C51芯片作为硬件核心，采用Flash ROM，内部具有4KB ROM存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术, 当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。方案二：采用AT89S52片内ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KB ROM 存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。方案三：STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。方案一芯片修改程序是需要插拔芯片，容易损坏。方案二和方案三使用差别不大，但方案三需要专有下载线，方案二使用串口下载即可。因此选择方案二。3.2.2温度传感器的选择方案一：采用热电阻温度传感器。热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温兀件。现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用十工业检测中高精密测温和温度标准。缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被站污变脆。按IEC标准测温范围-200650 ，百度电阻比WC (100) =1.3850时，R0为100和10，其允许的测量误差A级为，B级为(0. 30+0.005|t|)。铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工;但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。在工业中用于-50+180测温。方案二：采用模拟集成温度传感器AD590，它的测温范围在-55+150之间，而且精度高。M档在测温范围内非线性误差为0.3。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。使用可靠。它只需直流电源就能工作，而且无需进行线性校正，所以使用也非常方便，接口也很简单。作为电流输出型传感器和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。AD590的测量信号可远传百余米。方案三：采用数字化温度传感器DS18B20。DS18B20是Dallas半导体公司研制的一款数字化温度传感器，支持“一线总线”接口，即只通过一根信号线完成数据、地址和控制信息的传输。该器件只有3个引脚（即电源VDD、地线GND、数据线DQ），且不需要外部元件，内部有64位光刻ROM，64位器件序列号出厂前就被光刻于ROM中，可作为器件地址序列码，便于实现多点测量。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。该电路的检测温度范围为-55125；精度为0.5（在-1085范围）；可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字温度值读入。根据设计要求：使用挂接在单总线上的多个单线数字温度传感器为检测元件，且考虑到硬件设计的性价比。故采用方案三。3.2.3湿度传感器的选择测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。方案一：采用HOS-201湿敏传感器。HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50Hz1KHz，测量湿度范围为0100%RH，工作温度范围为050，阻抗在75%RH（25）时为1M。这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。方案二：采用HS1100/HS1101湿度传感器。HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适用于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。相对湿度在1%100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于3%RH；响应时间小于5S；温度系数为0. 04 pF/。可见精度是较高的。方案三：采用数字湿度传感器（如SHT11等）。数字湿度传感器将传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片中。应用该方案不需外接A/D转换芯片，可以大大简化硬件电路，并能提高电路的可靠性。综合比较三个方案，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时才具有良好的线性，而且还不具备在本设计系统中对温度-40+60的要求；方案二，虽然不是数字式传感器，与单片机的接口不需要外接A/D转换器件，但其性能较优，使用简单，只要合理选择转换电路等也可以有较高的性价比。本系统中，选择方案二（HS1101）来作为本设计的湿度传感器。3.2.4输出显示设备的选择电子设计中常用的输出显示设备有两种：数码管和LCD。方案一：数码管是现在电子设计中使用相当普遍的一种显示设备，每个数码管由7个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计上也有一定的差别。数码管显示的数据内容比较直观，通常显示从0到F中的任意一个数字，一个数码管可以显示一位，多个数码管就可以显示多位，在显示位数比较少的电路中，程序编写，外围电路设计都十分简单，但是当要显示的位数相对多的时候，数码管操作起来十分烦琐，显示的速度受到限制。并且当硬件电路设计好之后，系统显示能力基本也被确定，系统显示能力的扩展受到了限制。方案二：而液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，用户可以根据自己的需求，显示自己所需要的、甚至是自己动手设计的图案。当需要显示的数据比较复杂的时候，它的优点就突现出来了，并且当硬件设计完成时，可以通过软件的修改来不断扩展系统显示能力。外围驱动电路设计比较简单，显示能力的扩展将不会涉及到硬件电路的修改，可扩展性很强。字符型液晶显示屏已经成为了单片机应用设计中最常用的信息显示器件之一。不足之处在于其价格比较昂贵，驱动程序编写比较复杂。本设计需要显示温度值和湿度值，还可显示设置温湿度数值报警数值的上下限，显示数字较多，因此选用方案二液晶显示屏做输出设备。3.2.5 通信方式的选择方案一：RS232接口是目前最常用的一种串行通信接口，当前几乎每台计算机和终端设备都配备了RS232接口，可直接与计算机连接，不需外接电路，并且PC与单片机的连接只采用了RS232的3根线，电路简单，在15m的距离内能够进行设备间的数据传输，完成通信功能。方案二：现场总线技术具有实时性好、可靠性高、结构简单等优点，在测控系统中也越来越多地被采用，由于两者的总线结构、通信协议及传输特点各不相同，因而给不同设备之间的连接带来诸多不便。因此，以最简单的方式实现CAN节点与RS232串行口的通信就成为工程实践中一个不可回避的问题。RS232_CAN总线通信是在RS232的基础上结合CAN总线的优点构成的新型通信方式。综上可知，根据RS232的通信标准，其最高传输速率为20kb/s时，最远传输距离为15m，这远远不能满足现在发展对速度及距离提出的要求，且在实际应用中存在许多不足，总线效率低、系统的实时性差、通信的可靠性低、网络工程调试复杂；而RS232_CAN总线方式，最高传输速率为1Mb/s时，最远传输距离为5Km，最多可挂接100个节点，所以选择方案二作为通信方式。3.3系统组成整体结构AT89S52单片机AT89S52单片机AT89S52单片机计算机RS232_CAN总线适配器120120CAN_HCAN_L5KmCAN总线转换节点1CAN总线转换节点NCAN总线转换节点2图3.1 RS232_CAN总线通信总体结构图本设计的单机烟叶烘烤控制系统硬件包括：温度检测模块、湿度检测模块、通信模块、显示模块、单片机最小系统及附属电路、高温热泵接口、风扇接口等部分。通过RS232_CAN总线通信方式能够实现对多机的控制。烟叶烘烤控制系统多机通信的整体框图如图3.1所示，烟叶烘烤控制系统单机整体电路框图如图3.2所示。温度传感器模块 AT89S52通信模块湿度传感器模块模块实时时钟电路LCD显示模块排湿风扇接口高温热泵接口报警电路模块图3.2 系统整体结构图第4章 硬件电路的设计硬件元器件的选择，必须考虑到功能的实现、器件的适时性、价格和通用性等几个方面。在电路的设计中，在实现所要求功能的基础上，尽量使电路简单。本次设计的对象是针对一个应用系统，是对温度和湿度的检测，其系统构图如图3.2所示。系统中主要用到：AT89S52单片机与晶振时钟电路；温度传感器DS18B20；湿度检测传感器HS1101；通信电路；键盘、LCD显示与声光报警电路等。4.1单片机最小系统设计4.1.1 AT89S52单片机AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS八位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许ROM在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使其为众多嵌入式控制应用系统提供灵活的解决方案。其主要特性为：(1) 与MCS-51单片机产品兼容；(2) 8K字节在系统可编程Flash存储器；(3) 1000次擦写周期；(4) 全静态操作：0Hz33Hz；(5) 三级加密程序存储器；(6) 32个可编程I/O口线；(7) 三个16位定时器/计数器；(8) 八个中断源；(9) 全双工UART串行通道；(10) 低功耗空闲和掉电模式；(11) 掉电后中断可唤醒；(12) 看门狗定时器；(13) 双数据指针； 图4.1 AT89S52芯片(14) 掉电标识符。 4.1.2时钟晶振电路设计内部时钟模式是采用单片机内部振荡器来工作的模式。51系列单片机内部包含有一个高增益的单级反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为片内放大器的输入端口和输出端口,其工作频率为033MHz。当单片机工作于内部时钟模式的时候，只需在XTAL1引脚和XTAL2引脚连接一个晶体振荡器或陶瓷振荡器，并联两个电容后接地即可，如图4.2所示。使用时对于电容的选择有一定得要求，具体如下：A 当外接晶体振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=3010pF；B 当外接陶瓷振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=4010pF。在实际电路设计时，尽量保证外接的振荡器和电容尽可能接近单片机的XTAL1和XTAL2引脚，这样可以减少寄生电容的影响，使振荡器能够稳定可靠地为单片机CPU提供时钟信号。图4.2 晶振电路 图4.3 复位电路4.1.3 复位电路设计单片机复位的原理是在时钟电路开始工作后，在单片机的RST引脚施加24个时钟振荡脉冲（即两个机器周期）以上的高电平，单片机便可以实现复位。在复位期间，单片机的ALE引脚和PSEN引脚均输出高电平。当RST引脚从高电平跳变为低电平后，单片机便从0000H单元开始执行程序。在实际应用中，一般采用既可以手动复位，又可以上电复位的电路，这种可以人工复位单片机系统电路如图4.3所示。上电复位电路部分的原理也是RC电路的充放电效应。除了系统上电的时候可以给RST引脚一个短暂的高电平信号外，当按下按键开关的时候，VCC通过一个电阻R1连接到RST引脚，给RST一个高电平，按键松开的时候，RST引脚恢复为低电平，复位完成。单片机系统的扩展是以基本最小系统为基础的。单片机最小系统包括晶体振荡电路、复位电路，其电路图如图4.4所示。图4.4 单片机最小系统4.2实时时钟电路设计4.2.1 DS1302时钟芯片为记录测量的时间，需要实时时钟。本系统采用DS1302芯片。DS1302是美国DALLAS公司生产的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，包括实时时钟旧历和31字节的静态RAM。可实时的对秒、分、时、日、周、月以及闰年进行计数处理。内部有31个字节的高速RAM，可通过外部可充电电池加电长期保存数据，并能慢速为电池充电。通过简单的SPI3线串行方式接口，能在2.55.5V电源线可靠工作，在2.5V时耗电小于300nA。在主电源关闭的情况下，能保持时钟的连续运行。DS1302经过一个简单的串行口与微机通信。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年等信息。对于一个月小与31天的月时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。4.2.2 DS1302接口电路DS1302与单片机的接口电路如图4.5所示。DS1302与单片机的连接仅需要3条线：RST引脚、SCLK串行时钟引脚、I/O串行数据引脚，将其分别与单片机的P2.3、P 3.0、P 3.1相连，系统工作前，向RST脚输入高电平进行初始化，工作时该脚处于低电平状态；SCLK串行时钟引脚，在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7；I/O串行数据引脚，数据可以每次以一个字节或多达31个字节的多字节形式传送至时钟RAM或从其中送出；VCC1为备用电源，VCC2为主电源，外接32.768MHz晶振，为芯片提供计时脉冲。此外，本设计采用3.6V的可充电锂电池作为备用电源，工作的时候由VCC2向备用电源涓流充电。当VCC2VCC1+0.2V时，由VCC2向DS1302供电，当VCC2 VCC1时，由VC1向DS1302供电。充电寄存器控制着DS1302的涓流充电特性。寄存器的位47决定是否具备充电性能，仅在1010编码的条件下才具备充电性能，其他编码组合都不允许充电。图4.5 实时时钟电路4.3温度检测电路4.3.1 DS18B20温度传感器美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。目前DS18B20批量采购价格仅10元左右。在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。1、DS18B20温度传感器的特性（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。（2）独特的单线接口方式，DS18B20在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。（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。（5）温范围55125，在-10+85时精度为0.5。（6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750