烟叶烘烤温湿度测控系统毕业设计.doc

摘要摘要本论文介绍了由单片机控制的智能烟叶烤房温湿度控制系统。本设计利用温度传感器和湿度传感器对烟叶烤房温湿度进行测量，通过温度传感器和湿度传感器进行模拟信号采集，然后将采集到的模拟信号通过A/D转换为数字信号，将转换后的数字信号通过I/O口传送给单片机并对其进行处理，同时将结果实时显示在LED数码管显示器上。当温湿度出现异常时，系统会通过PID算法来调节温湿度进而达到设定值的标准，同时，会有声光报警电路提示工作人员，本系统还可以与单片机进行通信，可将温湿度的信息上传到网络上，可以进行更好的远程监控。本设计应用前景广阔，节约能源而且安全可靠，是发展专业化烘烤，建设现代烟草农业必不可少的基础设施。关键词：烟叶烤房 温湿度 PID控制 单片机IVAbstractAbstractThis paper introduces the single chip microcomputer control intelligent tobacco barn temperature and humidity control system. This design using the temperature sensor and humidity sensor to tobacco barn temperature and humidity measurements, Through the temperature sensor and humidity sensor for analog signal acquisition, Then will the collected analog signals through the A/D conversion for digital signals, Will the converted digital signal through the I/O oral transmission and the single chip microcomputer to deal with, At the same time will result in the real-time display LED digital display. When the abnormal temperature and humidity, Te system will through the PID algorithm to adjust temperature and humidity and then reach the standard of value, in the meantime, There will be sound and light alarm circuit tip staff, The system also can communicate with single chip microcomputer, But will the temperature and humidity of information to the web, Can better remote monitoring. This design broad prospect of application, To save energy and safe and reliable, It is the specialized development and building a modern agriculture essential infrastructure tobacco.Keywords: tobacco barn temperature and humidity PID control microcontroller目录第一章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内外的现状11.3 本文的主要内容2第二章 系统方案设计32.1 总体方案的确定32.1.1 设计要求：32.1.2 设计方案32.2 控制系统选择32.3 核心控制器选取42.4 温度传感器选择52.5 湿度传感器选择52.6 输入通道及A/D转换电路的选择62.7 后向通道设计62.8 外围设备62.8.1 显示器的选择62.8.2 键盘的选择62.8.3 报警装置6第三章 硬件电路设计83.1 AT89C51的介绍、晶振电路和复位电路的设计83.2 信号检测电路设计113.2.1 温度传感器Pt100介绍及温度测量电路设计113.2.2 湿度传感器HS1101的介绍及温度检测电路的设计123.3 ADC0809的介绍及A/D转换电路的设计143.3.1 ADC0809的介绍143.3.2 A/D转换电路的设计15ADC0809与单片机的连接电路图如下：163.4 控制电路设计173.5 外围电路设计183.5.1 键盘183.5.2 显示器193.5.4 通信模块设计213.6 电源模块设计22第四章 系统软件设计224.1 总体设计思想224.1.2 系统工作过程224.1.2 程序设计方法选择234.1.3 程序设计语言的选择234.2 主程序设计244.3 数据采集及处理子程序设计254.3.1 定时器中断服务子程序设计254.3.2 显示子程序设计264.3.2 数字滤波子程序274.4 控制算法子程序设计274.4.1 PID控制算法的原理274.4.2 数字式PID控制算式及流程图284.4.3 PID参数整定的方法28第五章 全文总结30致谢31参考文献32附录33第一章 绪论1.1 课题研究的目的和意义烟草原产于美洲，中国的烟草历史可以追溯到明朝，万历三年（1575年）烟草由吕宋传入台湾、福建。1579年，利玛窦把鼻烟带入广东，中国吸烟人口大升。烤烟在1913年被英美烟草首次在河南省襄城县颍桥镇第一次试种成功，以后每年的谷雨前后开始育苗，到七月份开始采收。目前种植烟叶的国家在125个以上，烟叶种植面积有400万公顷。中国、巴西、印度、美国、马拉维、阿根廷、津巴布韦、莫桑比克、印度尼西亚、泰国等国家的烟叶产量占全球烟叶生产总量的78%以上，2011年，中国的烤烟生产量占全球烤烟生产总量的近52.6%。烟叶种植分为育苗,移栽,大田管理,采收烘烤四个阶段。和烟草的其它生产过程相比，烘烤的劳动强度和技术难度都比较大，专业化进程也相对缓慢。近年来，我国的烟叶生产水平不断提高，烟叶烘烤技术受到了更多的关注。烘烤过程是生产高品质烟叶的重要步骤，而传统的人工长期监守、利用千湿球采集数据的方式己产生越来越多的弊端, 与现场化的烤房设施不相适应。研究、开发、推广新型的密集烤房供热设备，不仅是烟叶烘烤清洁生产及节能减排的发展方向，也是烟叶烘烤清洁生产的必然选择。采用电子设备对烤房温湿度进行自动控制，具有装烟量大、省工、省时、烤后烟叶质量优良等特点，已成为烤烟技术发展的一个必然趋势本。1.2 国内外的现状自1960年美国的Johnson等人报道了“烟叶密集烘烤”工艺后，美国、日本等国都相继进行了研究和应用，现在密集烘烤在国外已普遍使用。我国在20 世纪6080年代曾进行了一些密集烤房的相关研究，研制出了燃煤或燃油的不同型号的密集烤房，但由于受我国烟草生产发展条件的限制，我国早期研制的这些密集烤房并没有得到实际的应用。8090年代，我国烤烟烤房的研究和应用主要集中在小型烤房和普通化标准烤房的改造方面。90 年代后，我国从国外引进的“烤霸”等密集型烤房，由于并不适合我国的国情，也没有得到广泛的应用。进入21 世纪后，随着我国烤烟规模化生产的发展，密集烤房的研究又一次形成热潮。现在，密集烤房已成为我国烤烟烘烤设备的发展方向。2002年初，安徽省引进建造了87座半堆积式烤房在重点烟区示范应用。在应用中发现，由于安徽省特殊的气候、生态条件，此项技术需要进行相应改进。为此，省烟叶公司成立了项目技术组，组织有关专家和技术人员对烤房结构进行了多次重新设计，最终定型为AH系列密集烤房。2002年安徽省密集烤房项目通过了中国烟叶生产购销公司组织的专家论证，被与会专家誉为代表中国烘烤设备发展方向的实用型“小烤霸”。中国烟叶公司在安徽芜湖召开了“适度规模种植配套烘烤设备现场观摩会”。2003年安徽省加大了AH系列密集烤房的使用推广力度，当年即建成烤房772座，2004年又新建1512座。三年来，安徽省共接待11个省46个县的烟草同行对密集烤房的参观考察，派出50人次赴全国各主产烟区示范应用密集烤房。经过推广，目前全国已建成密集烤房1.18万座。“三分种、七分烤”是烤烟生产中不争的事实。但是，因各方面因素影响，我国烟叶烘烤水平比较低，引进、研制经济实用、容量适中、操作简便的烘烤设备，提高烟草烘烤水平成了目前急待解决的问题。从当前研制和实际应用情况来看，密集烤房有望在全国范围内推广，成为中国未来的主流烘烤设备之一。1.3 本文的主要内容一、 本文设计了一个现代化的智能烟叶烤房温湿度控制系统，具体技术指标要求如下：1、通过温度和湿度传感器采集烟叶烤房内的温度和湿度值，并通过液晶显示平显示出。2、控制系统能够基于PID控制算法，按照设定的温度和湿度范围值，自动控制热风循环电机和排湿机的启停，使烤房内的温度和湿度值稳定在设定范围内。3、如果烤房内的温度或湿度超限，控制系统能够自动声光报警并自动启动相应的恢复系统使温度、湿度恢复正常。4、 控制系统的温度范围为2070，测量精度2；湿度测量围20%100RH，测量精度为3.5RH。二、论文主要从以下几个方面进行了设计：1、系统总体方案设计 控制方法的选择，控制器的选择，信号传感器的选择，前向通道的选择，执行器的选择，外围设备的选择。 2、硬件设计控制单元电路的设计，信号检测电路的设计，前向通道电路的设计，执行电路的设计。3、软件设计 主程序的设计，A/D转换程序的设计，PID控制算法的设计，键盘显示电路的设计。第二章 系统方案设计2.1 总体方案的确定2.1.1 设计要求：主要技术参数：温度检测范围：20+70检测精度 ：2湿度检测范围：20%90%RH检测精度 ：3.5%RH2.1.2 设计方案使用温度和湿度传感器采集烤烟房内的温湿度信息，传感器输出的模拟信号经过信号处理电路处理后输入A/D转换器，A/D转换器将模拟信号转换为数字信号后输入单片机。单片机作为核心控制器件，对温湿度信号进行处理，控制温湿度显示，键盘。将测得温度与设定温度对比，如果温湿度与设定相符系统继续运行，如果温湿度与设定不符则发出报警并自动控制电机的启动调节温湿度到设定值。2.2 控制系统选择1、开环控制系统开环控制系统由控制器和被控对象组成，由输入端通过输入信号控制被控对象得输出物理量得变化，开环控制系统适用于简单的系统，它没有反馈环节，响应时间较长，成本较低。同闭环系统相比，开环系统结构简单，经济但是不能抑制系统外部或内部扰动的影响。输入控制器被控对象输出开环控制系统结构图2.1 开环控制系统结构图2、闭环控制系统闭环控制系统是负反馈控制系统，闭环控制系统不仅具有输入信号控制被控量的通道，同时具有由输出量信号反馈到输入端的反馈通道。闭环控制系统具有抑制扰动的影响，对元件特性变化不敏感，提高系统的动态和稳态性能的特点。系统结构如下图：图2.2 闭环控制系统结构图本设计采用闭环控制系统。2 .3 核心控制器选取方案一、PLCPLC即可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。具有以下特点：1 .使用方便，编程简单。2.功能强，性能价格比高。3.硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。4.可靠性高，抗干扰能力强。5.系统的设计、安装、调试工作量少。6.维修工作量小，维修方便。在有大量开关量，比如按钮、开关、触点的使用场合中， 在经常要更新或扩充功能的情况时，用PLC 为最佳。方案二、此方案采用PC机实现。 PC机可在线编程，可在线仿真的功能，这让调试变得方便。且人机交互友好。但是PC机输出信号不能直接与DS18B20通信。需要通过RS232电平转换兼容，硬件的合成在线调试，较为繁琐，很不简便。而且在一些环境比较恶劣的场合，PC机的体积大，携带安装不方便，性能不稳定，给工程带来很多麻烦。 方案三、单片机单片机是在一片半导体硅片上集成了微处理器、存储器、和各种输入、输出接口（定时器/计时器，并行I/O口，串行口，A/D转换器以及脉宽调制器PWM等）的集成电路芯片，具有一台计算机的属性得称为单片微型计算机，简称单片机。具有，体积小、重量轻、抗干扰性能强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易等特点。在定型后需大量生产的产品，功能相对单一，占用空间小，在控制系统体积要求较小或成本要求较低时，单片机应是优先选用的。烤烟房所需要的需要智能控制系统性能较少，应用简便，实时性强，需要较强的抗干扰性能，占用空间小，价格便宜。综合各方面的需求，选择使用单片机作为控制核心。2.4 温度传感器选择常用的温度传感器有pt100，AD590等方案一、pt100，pt100是一种稳定性和线性度都比较好的铂丝热电阻传感器，可工作在-200到650的范围。价格便宜，应用广泛。方案二、AD590，AD590是一种集成电路温度传感器，作为电流输出型传感器的特点是，具有很强的抗外界干扰能力。其输出电流和绝对温度成正比。当两端加上+4V+30V之间的电压时，器件呈现高阻抗，输出电流按1uA/1.0K变化。电气上耐用，可承受正向+44V，反向-20V的电压而不损坏。由于采用激光微调来较正IC内的薄膜电阻，而使AD590在298.2K（+25度）时输出稳定的298.2uA电流。由AD590配以ADC0809。ADC0809采用单一的+5V供电，片内有带锁存功能的8路模拟开关，可对05V，8路模拟信号分时进行转换，完成一次转换的的时间是100US，数字输出信号具有TTL三态锁存器，可以直接与AT89C52相连。根据系统的设计要求，温度传感器的测量范围应大于+20+70，检测精度应小于2，且具有价格低廉 ，易于安装，实时稳定性高等特点，故本设计选择pt100。2.5 湿度传感器选择方案一、电容式湿度传感器电容式湿度传感器是利用感湿材料吸水后介电常数发生变化而电容值改变。它与电阻型湿度计相比有显著的优势: 灵敏度高, 功耗低, 温漂小, 其优良的性能受到了科学家们的普遍关注。由于易于与C M O S 工艺相结合, 便于实现小型化、集成化, 因此现在市面上出售的湿度计绝大部分都是电容型的。方案二、电阻式湿度传感器电阻式湿度传感器是利用吸湿性能较好的物质吸附水汽后电阻发生变化而制得, 但由于电阻受温度影响较大, 固有的温度系数使其不能工作在很宽的温度范围内。根据实际应用和设计要求，本方案所用的湿度传感器应具备耐腐蚀，功耗低, 温漂小, 灵敏度高, 价格合理，性能优良的特点。综合各种因素选择电容式湿度传感器HS1101。2.6 输入通道及A/D转换电路的选择根据设计要求，需要对烤烟房内温度和湿度值进行采集，传感器输出的是模拟信号，但是单片机只能接受数字信号，所以再输入通道内要有A/D转换器将传感器输出的模拟信号转换成单片机能够接收的数字信号。因为需要采集温度值和湿度值，所以需要两个输入通道。控制系统的温度测量范围为2070，测量精度为2。湿度测量范20%90%RH，测量精度为：3.5%RH。根据系统测量范围及精度要求，选择8位A/D转换器ADC0809作为本设计应用的A/D转换器。2.7 后向通道设计根据设计要求,选择循环热风机，排湿电机，鼓风机作为本次设计的执行器。当温度超过设定温度时启动鼓风机，加强通风使温度降到设定温度后停止鼓风机。当温度低于设定值时启动循环热风机，烤烟房内温度达到设定温度时停止。当烤烟房内湿度高于设定值时启动排湿电机，湿度降到正常值后关闭。2.8 外围设备2.8.1 显示器的选择常用的单片机接口显示器有LED8字数码管，LCD液晶屏。LED的8字数码管是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式来显示信息，它的特点是亮度高、功耗小、微型化、驱动简单、寿命长、耐冲击、性能稳定。LCD是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能够改变光线通过方向的特性，达到显示的目的。液晶显示屏具有功耗低、抗干扰能力强等优点，被广泛应用在各种控制系统中。本设计选择LED的8字数码管作为显示器。2.8.2 键盘的选择常用键盘接口有独立式键盘接口和行列式键盘接口。独立式键盘就是各键相互独立，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以很容易的判断哪个键被按下。行列式键盘（也称矩阵式键盘）由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。在按键数目较多的场合，行列式键盘与独立式键盘相比要节约很多的I/O口线。本次设计选择4*4行列式键盘。2.8.3 报警装置当温湿度超出正常的范围的时候，为了能够全方位的提醒工作人员，我们采用声报警与光报警相结合的模式，即声光报警。烤烟房内温湿度单片机温度传感器湿度传感器A/DA/D热风电机排电机湿声光报警键盘显示器D/AD/A2.9 系统总体框图图2.3 系统总体框图第三章 硬件电路设计3.1 AT89C51的介绍、晶振电路和复位电路的设计AT89C52系列单片机是ATMEL公司的8位单片机系列。该单片机片内含8k bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，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8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器即可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89C52单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。其引脚图如图所示： 图3.1 AT89C52引脚图1主要特性：与MCS-51 兼容 8K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定256*8位内部RAM32可编程I/O线三个16位定时器/计数器8个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 2. 引脚功能：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 地址的低八位。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3. 晶振电路和复位电路设计:单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，输入引脚为XTAL1，输出引脚为XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器（晶振）和微调电容，就构成了一个稳定的自激振荡器，单片机常用的晶振振荡频率有6MHz和12MHz。CPU完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期，每12个时钟周期为一个机器周期，如果晶振为6MHz时钟周期为2s，晶振为12MHz时钟周期为1s。图3.2 晶振电路和复位电路图单片机的复位是由外部的复位电路来实现的，复位引脚RST通过施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，得到内部复位操所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，本次采用一种简单的上电复位电路，这样使用起来比较方便，当单片机进入死循环而死机的时候，不用再重起单片机电源。电路图如下：3.2 信号检测电路设计3.2.1 温度传感器Pt100介绍及温度测量电路设计 一、Pt100介绍PT100以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,是一种稳定性和线性都比较好的铂丝热电阻传感器,可以工作在 -200 至 650 的范围，100是指在0时它的阻值为100。其电阻和温度变化的关系式如下：R=Ro(1+T)其中=0.00392,Ro为100(在0的电阻值)。阻值随温度变化曲线如下：图3.3 温度/电阻变化曲线图 简单实物图如下：图3.4 Pt100简图二、温度检测电路设计：图3.5 温度检测电路图 R2、R3、R4 和Pt100 组成传感器测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压通过TL431 稳至2.5V。从电桥获取的差分信号通过两级运放放大后输入单片机。R3为可调式电阻，通过调节R3 可以调整输入到运放的差分电压信号大小，用于调整零点。放大电路采用LM358 集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，前一级约为10倍，后一级约为3倍。温度在0100 度变化，当温度上升时，Pt100 阻值变大，输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压Av 对应升高。3.2.2 湿度传感器HS1101的介绍及温度检测电路的设计一、 湿度传感器HS1101的介绍：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。涉及如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号时，常用的方法是将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。它有以下几个显著的特点：1、 全互换性，在标准环境下不需校正2、 长时间饱和下快速脱湿3、 可以自动化焊接，包括波峰或水浸4、 高可靠性与长时间稳定性5、 专利的固态聚合物结构6、 可用于线性电压或频率输出回路7、 快速反应时间HS1101的简单物照图如图所示：图3.6 HS1101实物照相对湿度在0%100%RH范围内；电容量由162pF变到200pF，其误差不大于2%RH；响应时间小于5s；温度系统为0.04pF/。可见其精度是较高的。HS1101的一些常用参数如下表所示：参数符号参数值单位工作温度Ta-40100储存温度Tstg-40125供电电压Vs10Vac湿度范围RH0100%RH焊接时间=260t10S表3.1 HS1101常用参数二、湿度测量电路设计：把HS1101和NE555同时接入电路中的电路设计原理图如图所示。NE555电路功能的简单概括为:当6端和2端，同时输入为“1”时,3端输出为“0”；当6端和2端，同时输入为“0”时,3端输出为“1”。在此电路中,555定时器正是根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号的。当电源接通时,由于6和2端的输入为“0”,则定时器3脚输出为“1”；又由于C1 两端电压为0,故 通过R2 和R3 对C1充电,当C1 两端电压达到2/3 时,定时电路翻转,输出变为“0”。此时555定时器内部的放电BJT的基极电压为“1”,放电BJT导通,从而使电容C1 通过R3 和内部放电BJT 进行放电,当C1 两端电压降低到/3 时,定时器又翻转,使输出变为“1”,内部放电BJT 截止,VCC 又开始通过R2 和R3 对C1 充电,如此周而复始,形成振荡。其工作循环中的充电时间为=0.7(R2+R3)C1；放电时间为 = 0.7R3*C1； 输出脉冲占空比为q (R2+R3)/(R2+2R3),为了使输出脉冲占空比接近50,R2应远远小于R3。当外界湿度变化时,HS1101 两端电容值发生改变,从而改变定时电路的输出频率。因此只要测出555的输出频率,并根据湿度与输出频率的关系,即可求得环境的湿度。 图3.7 测湿电路图3.3 ADC0809的介绍及A/D转换电路的设计3.3.1 ADC0809的介绍ADC0809是一种CMOS单片型逐次比较式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器。它是逐次比较型A/D转换器，可直接与单片机接口。图3.8 ADC0809的引脚图主要特点如下： 1）8路8位A/D转换器，即分辨率8位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100s 4）单个5V电源供电 5）模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085摄氏度 7）低功耗，约15mW。 各引脚功能如下：IN0IN7：8路模拟量输入端。D0D7：8位数字量输出端。A、B、C：地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。对应ALE上跳沿，A、B、 C地址状态送入地址锁存器中。 START：A/D转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电 平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 VCC：电源，单一5V。 GND：地。 3.3.2 A/D转换电路的设计ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。ADC0809与单片机的连接电路图如下：图3.9 ADC0809与单片机的连接电路图ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。3.4 控制电路设计单片机输出电压最高为5V，而电机的驱动电压为380V，所以单片机与驱动电机之间需要驱动电路。通过继电器用5V的电压控制220V电压的开关，然后再通过继电器用220V电压控制380V电压的启停。电路连线图如下：图3.10 控制电路图3.5 外围电路设计3.5.1 键盘键盘的连线图如下：图3.11 键盘连线图按键的识别方法采用线反转法，第一步让行线编程为输入线，列线编程为输出线，并使输出线输出全为低电平，则行线中电平由高变低的所在行为按键所在行，第二步将行线编程为输出线，列线编程为输入线，并使输出线输出全为低电平，则列线中电平由高变低所在列为按键所在列。3.5.2 显示器使用HD7279A驱动8位共阴式数码显示管，HD7279A是一片具串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可以连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。 主要特性如下： (1).串行接口，无需外围元件可直接驱动LED。 (2).各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性。 (3).（循环）左移/（循环）右移指令。 (4).具有段寻址指令，方便控制独立LED。 (5).64键键盘控制器，内含去抖动电路。单片机与HD7279A电路图如下：图3.12 显示器电路图3.5.3 报警装置：单片机的普通I/O口在上电的时候处于高电平，所以，在上电的时候LED处于关闭状态，NPN三极管Q1处于关闭状态，LED不会发光，蜂鸣器不会发出声音；如果I/O口处于低电平，LED处于导通状态，NPN三极管Q1也处于导通状态，LED会发光，蜂鸣器会发出声音，从而达到报警的目的。所以，在我们软件编程的时候，如果温湿度超出了正常的范围，我们只需将I/O口复位即可，这就完成了声光报警电路的设计。声光报警装置电路图如下： 图3.13 声光报警连线图3.5.4 通信模块设计由于电脑的串口RS232电平是10V 10V，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0 +5V, 所以单片机和PC机是不能直接通信的，MAX232就是用来进行电平转换的。MAX232的主要特性如下：1）单5V电源工作。 2）Lin Bi CMOSTM工艺技术。 3）两个驱动器和两个接收器。 4）30V输入电平。 5）低电源电流: 典型值是8mA。6）符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28。 7）ESD保护大于MIL-STD-883（方法3015）标准的2000V。 MAX管脚图如下：图3.14 MAX232管脚图MAX232与单片机接线图：图3.15 MAX232与单片机接线图3.6 电源模块设计需要对集成芯片提供5V 、12V电源，电路图如下：图3.16 5V、12V电源电路 第四章 系统软件设计4.1 总体设计思想4.1.2 系统工作过程本设计利用温度传感器和湿度传感器对烟叶烤房温湿度进行测量，通过温度传感器和湿度传感器进行模拟信号采集，然后将采集到的模拟信号通过A/D转换为数字信号，将转换后的数字信号通过I/O口传送给单片机并对其进行处理，同时将结果实时显示在LED数码管显示器上。当温湿度出现异常时（即与设定值不符），系统会在最短的时间内通过PID算法来调节温湿度进而达到设定值的标准，同时，会有声光报警电路提示工作人员，可以使工作人员针对不同的状况做出不同的反应。同时，本系统还可以与单片机进行通信，可将温湿度的信息上传到网络上，可以进行更好的远程监控。4.1.2 程序设计方法选择通常应用程序设计的方法有：模块化设计和结构化设计。1.结构化设计方法：先考虑问题大的方面，在确定了主要方向后，再由表及里深入到问题具体的细节，由易到难，逐层解决问题，使得整个程序设计过程由模糊到清晰，由概括到具体。结构化方法强调功能抽象和模块化，采取了分块处理问题的方法，可以把一个比较复杂的问题分解为若干个容易处理解决的部分，使得编写程序时清晰明了。但是，不断分解出的结论和需要处理的信息越来越多、越来越复杂，它要求系统分析员具有一种“俯视全局”的能力，能够透过问题的表象直接把握到问题本质，这对工作人员是一种考验。2.模块化设计方法：模块化程序设计就是将一个复杂的大问题，分解为一个个独立的简单的小问题(即模块)，分别解决简单的小问题，进而解决复杂的大问题。模块相对独立，功能单一；编写相对简单，可以独立编写调试；可集体开发，缩短开发周期。不同的模块可以由不同的人员开发，最终能够合成完整的程序；开发出的模块，可在不同的应用程序中多次使用，减少重复劳动，提高开发效率；测试、更新以模块为单位进行而不会影响其他模块。根据系统的工作过程，本设计采用模块化设计方法，主要包括：主程序模块、数据采集及处理子程序模块、控制算法子程序模块及键盘显示和报警程序模块。4.1.3 程序设计语言的选择常用的编程语言有：机器语言、汇编语言和高级语言。（1） 机器语言： 是用0和1的序列表示的，程序员直接使用的是机器指令，无需翻译，从纸带打孔输入即可执行得到结果。它是一种面向机器的语言，只适用于过于简单的程序，现如今已经很少有人用了。（2） 汇编语言： 因为是针对特定机器的机器指令的助记符，所以汇编语言是无法独立于机器(特定的CPU体系结构)的。但汇编语言也是要经过翻译成机器指令才能执行的，编程复杂，出现错误时难发现，但是，毕竟是面向机器的语言，机器运行汇编语言时会更加快速、流畅。（3） 高级语言： 高级语言是从人类的逻辑思维角度出发的计算机语言，一条高级语言的语句往往需要若干条机器指令来完成。高级语言独立于机器的特性是靠编译器为不同机器生成不同的目标代码(或机器指令)来实现的。以C语言为例，简洁紧凑、灵活方便；程序层次清晰，便于使用、维护以及调试；C语法限制不太严格，程序设计自由度大，尤其是是它的可移植性，使编程变得更加容易。本系统采用汇编语言编写程序。4.2 主程序设计主程序主要实现：系统初始化、中断初始化、定时器初始化以及键盘显示子程序的调用等功能。主程序流程图如图4-1所示：图4-1 主程序流程图4.3 数据采集及处理子程序设计4.3.1 定时器中断服务子程序设计 本系统采用定时采样，采样周期为10s。利用单片机的定时器，设置定时器T1为50ms，定时时间到进入中断程序，计数单元+1，直到加到200，说明定时时间到，然后进行数据采集，流程图如图4-2所示。图4-2 定时器中断服务子程序流程图4.3.2 显示子程序设计显示模块的任务是对烤烟房当前温湿度进行显示。程序流程图如下：开始LED初始化设置显示地址送显示数据结束 4-3 显示模块程序流程图4.3.2 数字滤波子程序 为了提高系统数据采集的可靠性，本系统采用去极值平均值滤波的方法进行数据处理。极值平均值滤波：将被测参数连续采样N次，然后把采样值按大小顺序排列，去掉极值，再求剩余采样值的平均值作为本次的采样值。中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效。且变量变化比较缓慢时采用去极值平均值滤波的效果好。去极值平均值滤波的流程图如图4-4所示。 4-4 数字滤波子程序流程图4.4 控制算法子程序设计 为了能够快速准确的调节温湿度，本系统选用数字PID控制算法。4.4.1 PID控制算法的原理 PID制器是一种基于“过去”，“现在”和“未来”信息估计的简单算法。 如图4-5 PID控制系统原理框图PID控制系统原理框图如图2.1所示，系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据设定值和实际输出值构成控制偏差e(l)，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量u(O，对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系可描述为: 公式（4-1）式中: ，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。4.4.2 数字式PID控制算式及流程图 数字式PID控制算式的差分方程 公式（4-2） 式中 称为比例项 称为积分项 称为微分项 数字式PID控制的流程图所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID控制算法进行控制。4.4.3 PID参数整定的方法控制器参数整定：指决定调节器的比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td和采样周期Ts的具体数值。整定的实质是通过改变调节器的参数，使其特性和过程特性相匹配，以改善系统的动态和静态指标，取得最佳的控制效果。临界比例法的特点是不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定方法简单、计算简便、易于掌握。 在闭环控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例系数，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例系数称为临界比例系数Ku，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期Tu。 临界比例度法步骤： 1、将调节器的积分时间Ti置于最大（Ti=），微分时间置零（Td=0），比例系数Kp适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行。 2、将比例系数Kp逐渐增大，得到等幅振荡过程，记下临界比例系数Ku和临界振荡周期Tu值。 3、根据Ku和Tu值，采用经验公式，计算出调节器各个参数，即Kp、Ti和Td的值。 按“先P再I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算值上。若还不够满意，可再作进一步调整。 第五章 全文总结近年来, 随着我国烟叶生产水平的不断提高, 烟叶烘烤过程受到了越来越多的重视, 成为生产优质烟叶的关键步骤,而传统的人工长期监守方式, 与现场化的烤房设施不相适应, 而且烟叶烘烤作业中煤炭、生物质能源等燃烧释放的粉尘、碳氧化合物、硫化物和多环芳烃等给周围环境带来较大的污染。在能源短缺和环境污染的双重压力下，从节能、减排和经济性三个方面综合考虑，研究、开发、推广新型的密集烤房供热设备，不仅是烟叶烘