单片机温度控制系统的研究

西北工业大学明德学院本科毕业设计论文本科毕业设计论文题 目单片机温度控制系统的研究 专业名称 自动化 学生姓名 张乐 指导教师 王卫军 毕业时间 2014 年 06 月 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文毕业 任务书一、题目单片机温度控制系统的研究二、指导思想和目的要求（1）掌握运用所学理论知识分析解决工程实际问题的一般方法；（2）培养分析问题、解决问题和独立工作的能力；（3）通过毕业实习、毕业设计及毕业答辩全过程的训练，加强老师与学生之间、学生与学生之间知识的相互交流，互相渗透，培养学术研讨的好学风；（4）要求同学们以满腔的热情、科学的态度，严谨的作风、高度的责任感从事毕业设计工作；不得敷衍了事、马马虎虎、得过且过；提倡周密思考、大胆创新，反对死搬硬套、墨守陈规；提倡共同研究，反对相互抄袭；（5）要求遵守学校的各项规章制度，确保毕业设计顺利地、高质量地完成。三、主要技术指标目前，我国绝大多数温室设备都比较简陋，温室环境仍然靠人工根据经验来管理。环境因素的自动调节和控制的研究正处于起步阶段，已严重影响了设施农业的大力发展。特别是北方地区因其纬度高，寒冷季节长，四季温差和昼夜温差较大，不利于作物生长，所以迫切需要一种低成本、高效益的温室控制系统来满足不同区域和不同作物的需求。本论文拟针对该方向设计一套温度控制系统。采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。（1）选择一款温度传感器，检测温度的最小范围为-1040；设计论文西北工业大学明德学院本科毕业设计论文i（2）当温度低于-10或者高于 40时，采用声光报警；（3）系统具备启动加热和冷却装置实现控制环境温度的功能；（4）系统具备上下位机间的通讯功能；（5）系统的软硬件实现。四、进度和要求（1）第 1-3 周收集资料，根据需要学习相关的硬软件；（2）第 4 周进行系统概要设计，提出设计的总体思想；（3）第 5 周，初步确定设计方案；（4）第 6-12 周，完成系统硬、软件的设计，针对设计中存在的缺点和不足，不断完善设计方案；（5）第 13-14 周，撰写并修改论文；（6）第 15 周，完成论文，准备答辩资料。五、主要参考书及参考资料自行确定本页不够可以续页学生 张乐 指导教师 王卫军 系主任 史仪凯 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文ii西北工业大学明德学院本科毕业设计论文摘 要温室是现代农业生产必备的基本设施，用它可以有效地控制温度、湿度等条件，为作物生长提供更好的环境，避免外界恶劣气候对作物的影响。本系统以 AT89C51 单片机为控制核心，利用温度传感器 DS18B20 对蔬菜大棚内的温度进行实时检测和控制，对湿度进行采集和显示。本系统主要由单片机模块、温湿度采集模块、执行机构模块、显示模块、声光报警模块、通信模块等部分组成。通过温度传感器将采集的温度由 LCD 数码管显示，利用模糊控制的思想对执行机构进行控制使温室温度达到设定值。当检测温度低于相应设定值时，通过电炉丝加热；反之，开启风扇降温，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，温度传感器，温室大棚，模糊控制西北工业大学明德学院本科毕业设计论文IABSTRACTGreenhouse 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西北工业大学明德学院本科毕业设计论文II目 录第一章 绪论 .51.1 课题背景 .51.2 立题的目的和意义 .51.3 国内外研究现状 .61.4 大棚温度控制系统的设计要求 .61.5 本文主要研究内容安排 .7第二章 系统方案论证 .82.1 系统基本方案 .82.2 主要模块电路的方案选择及确定 .82.2.1 温度采集模块 .82.2.2 湿度采集模块 .92.2.3 显示电路模块 .92.2.4 执行机构模块 .92.2.5 报警模块 .92.3 系统各模块的最终方案 .10第三章 硬件系统设计 .123.1 电源模块 .133.2 单片机模块 .133.2.1 AT89C51 系列引脚功能 .143.2.2 AT89C51 系列单片机的功能单元 .163.2.3 单片机晶振电路 .173.3 温湿度采集模块 .183.3.1 DS18B20 温度传感器介绍 .183.3.2 HM1500LF 湿度传感器 .203.4 显示模块 .213.4.1 LM016L 的介绍及结构 .213.4.2 LM016L 的引脚及功能 .213.5 执行机构 .23西北工业大学明德学院本科毕业设计论文III3.6 通信模块 .243.6.1 MAX487 简介 .243.6.2 串行通信结构 .243.7 声光报警模块 .25第四章 系统软件设计 .264.1 系统软件的整体思路 .264.2 系统总流程图 .264.3 温湿度传感器程序 .274.4 执行机构程序 .28第五章 总结 .30参考文献 .31致 谢 .32附 录 .33西北工业大学明德学院本科毕业设计论文4第一章 绪论1.1 课题背景中国农业的发展必须走现代化这条道路，随着国民经济的增长，农业研究和应用技术越来越受到重视。特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代农业生产中的重要环节就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如温室大棚中的温度和湿度参数，它们直接关系到蔬菜和水果的生长。在我国伴随生活条件的不断改善，人们更关注自身的健康，绿色蔬菜尤其受到重视。大棚种植充分满足了人们的需求，让人民能一年四季吃到新鲜蔬菜。为提供更多量、更有营养价值的蔬菜，智能的大棚温度控制系统已成为农民的迫切需要。对于大棚种植而言，良好的物种、本地适合种植的物种及土地酸碱度都是可以通过农民长期的种植经验获得的。但对于和农作物生长密切相关的大棚温度的控制是农民不能轻易解决的问题，而且温度的变化幅度大，不易人工控制，对于农民来说时刻关注作物的生长温度又是个庞大的工作量。应用于大棚种植的温度控制系统基本解决了长期以来困扰农民的问题，它的制作成本相对低廉，应用广泛，对农民自身的基础理论素质要求不高，便于农民操作。更重要的是，它不仅帮助农民节约了大量时间，减少农民的工作量，还在无形之中提高了作物的产量，增加了农民的收入，满足了人们对大棚蔬菜的需求。温室环境控制，即根据植物生长发育的需求，自动调节温室内的环境条件。现代的温室，都是通过传感器技术、单片机技术和人工智能等技术自动的调节温室的环境，使作物在不适宜生长发育的反季节中，获得比室外更加好的生长条件。从而达到早熟、优质、高产的目的。蔬菜的生长最重要的是温度的控制，因此，温度控制是蔬菜大棚控制系统的核心。1.2 立题的目的和意义西北工业大学明德学院本科毕业设计论文5建设先进温室有利于解决靠天吃饭的问题，防止恶劣天气及季节因素对作物产生的影响，从而缩短作物的生长周期，提高作物的产量，获得一定的经济效益。温室作为农业生产中的“工厂”在农业现代化发展中扮演着越来越重要的角色，控制系统的精确与否将决定着农作物的产量和质量，而温湿度的检测又是温室控制系统精确运行的关键，所以设计一个准确、高效的温湿度测量与调控系统是改善温室控制系统性能的前提条件。因此，我设计温室温湿度控制系统的目的是将自己所学的关于单片机的知识用于真正的生产生活中。温室系统是一个发展很快的领域。由于单片机控制的测温测湿系统具有体积小、功能强、集成度高、可靠性高、抗干扰能力强的优点，所以越来越多的应用到温室控制。本课题将设计一种基于单片机的温室温度控制系统，进行多点测量，实现温度的精确控制（模糊控制） 。1.3 国内外研究现状国外计算机用于大棚控制的时间较早，开始于上世纪 70 年代末，随着通讯技术以及计算机的发展，温室环境控制技术在日本、美国等国家也开始投入研究，1978 年日本首先研究出微型计算机温室环境控制系统，随着经济的发展，80 年代末出现了分布式控制系统，自 80 年代起，农业发展得到了全世界的关注，到了 90 年代初期，农业支持又进一步得到发展，使得形成了综合的农业支持系统。国内对温室大棚的控制技术研究较晚，自 20 世纪 80 年代以来，在引进和吸收国外高科技温室生产技术基础上，我国形成了自己的温室控制系统，1982年我国中国农业科学院建立了全国农业系统的第一个计算机应用组织。1995 年北京农业大学研究了“WGJ-1 型实验温室环境监控计算机管理系统”。近几年来，我国加大了温室研究的力度，但是智能决策系统在温室的应用方面研究时间较短，智能化温室代表着温室发展的方向，是我们国家未来几年需要研究的重点。1.4 大棚温度控制系统的设计要求结合我国农村的实际情况，本设计将着力达到成本低廉，维护方便，运行可靠的目的，具体要求如下：西北工业大学明德学院本科毕业设计论文6（1）选择一款温度传感器，检测温度的最小范围为-1040；（2）当温度低于-10或者高于 40时，采用声光报警；（3）系统具备启动加热和冷却装置实现控制环境温度的功能；（4）系统具备上下位机间的通讯功能；（5）系统的软硬件实现。1.5 本文主要研究内容安排本课题研究的主要内容是利用单片机作为现场测控核心，对温室内的温度实时监测和调控，以满足温室内作物生长的环境要求。下面是本论文的主要内容安排：第二章主要是对系统方案的论证和确定，器件的选型进行安排。第三章中进行硬件系统的设计，包括单片机 AT89C51，温度传感器DS18B20，湿度传感器 HM1500LF，显示屏 LM016L，以及执行机构和通信模块等的设计。第四章中进行系统的软件设计，主要是模糊控制算法。第五章主要是进行前期工作的归纳总结。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文7第二章 系统方案论证2.1 系统基本方案根据题目要求系统模块分可以划分为：单片机模块、温湿度采集模块、显示模块、执行机构模块、报警模块、电源模块、通信模块。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。2.2 主要模块电路的方案选择及确定2.2.1 温度采集模块方案一：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420mA 线形变化电路，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。方案二：采用数字温度传感器 DS18B20。DS18B20 为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。DS18B20 的测温范围-55125 ，分辨率最大可达 0.0625 。DS18B20 是Dallas 半导体公司的数字化温度传感器，它是一种支持 “一线总线”接口的温度传感器。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。一线总线将独特的电源和信号复合在一起，并仅使用一条线，每个芯片都有唯一的编码，支持联网寻址，简单的网络化的温度感知，零功耗等待等特点。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文8DS18B20 与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。并且从 DS18B20 读出的信息或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,因而使用DS18B20 可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面带来了令人满意的效果。所以本设计中选用 DS18B20 温度传感器，节省了 A/D 转换器，同时也节省了 I/O 输出口，误差小，测量准确。2.2.2 湿度采集模块在本系统中湿度的检测为空气湿度且进行采集和显示，而不对其进行控制。所以要求其精度不高，根据温室大棚的特点需要选择全量程的湿度传感器（0-100%RH/）所以本设计中选择 HM1500LF 电容式湿度传感器，该传感器是5V 供电，使用方便，具有较宽的量程范围，符合温室大棚的要求。2.2.3 显示电路模块本模块选用 LM016L 显示屏对温湿度进行双行显示，该显示屏具有功耗低、体积小、质量轻、功耗小的特点。可以实现字符的移动、闪烁的功能。2.2.4 执行机构模块根据课题要求，本设计采用两档电炉丝，实现对升温的 3 级控制（一档开为 800W，二档开为 1600W，两档全开为 2400W） ，控制电炉丝的功率即可以控制加热的速度。当温度过高时，打开风扇（一共为 3 个）进行降温处理。当温度过低时开启电炉丝。由于考虑到电炉丝和风扇为交流大功率器件，所以使用继电器驱动。考虑到简化电路的设计，我们直接采用 220V 电源供电，为实现对系统的整体控制，采用以下方案：在温度接近标准值（-1040）上下限 10时进行定时多点测量求平均值，根据多次测量的结果判断温度是否上升或者下降过快，并且采取相应升、降温措施（模糊控制） 。即开启电炉丝或打开风扇。2.2.5 报警模块按照设计要求，在温度接近标准值（-1040）上下限 10，黄色 LED灯亮起；当温度低于下限或高于上限时，应具有声光报警功能。这样就可以用一只蜂鸣器作为三极管 Q1 的集电极负载，当 Q1 导通时，红色 LED 灯亮起西北工业大学明德学院本科毕业设计论文9且蜂鸣器发出鸣叫声；Q1 截止时，红色 LED 灯不亮且蜂鸣器不发声。 如图 2-1 所示：图 2-1 声光报警电路2.3 系统各模块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，分别对温湿度采集、LCD 数码管显示、升温降温控制、声光报警进行控制。2. 温湿度测量模块采用数字温度传感器 DS18B20 和湿度传感器HM1500LF。3. 电炉丝和风扇控制采用模糊控制思想。4. 显示 LM016L 数码管显示实时温度值和湿度值。在本系统的电路设计方框图如图 2-2 所示，它由以下部分组成:（1）控制部分主芯片采用单片机 AT89C51；（2）显示部分采用 LCD 数码管实现温湿度显示；（3）温湿度采集部分采用 DS18B20 温度传感器和 HM1500LF 湿度传感器；（4）升降温控制。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文10图 2-2 温度控制电路总体设计方案CPU（AT89C51）首先写入命令给 DS18B20 和 HM1500LF，然后 DS18B20和 HM1500LF 开始转换数据，转换后通过 AT89C51 来处理数据。数据处理后的结果就显示到数码管上。然后 AT89C51 通过对数据的处理将结果传至执行机构来进行升降温措施。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文11第三章 硬件系统设计本设计的目的主要是完成大棚内温度的自动控制，一个完整的系统是由若干模块组成，各个模块能够实现各自不同的功能，经过硬件设计和软件设计，调试无误后最终完成本设计的任务。本设计主要有 7 大模块组成，如图 3-1 所示：图 3-1 系统总体框图由系统总体框架图可知，这七大模块分别为电源模块、单片机模块、温湿度采集模块、显示模块、通信模块、声光报警及执行机构模块。本设计舍弃了常用的热电阻或热电偶温度度采集、滤波、放大、处理、显示、执行的方案，避免了传统方案的接线复杂，维护困难，易受干扰和精度差等缺点。本系统由220V 交流电供电，经过整流滤波等处理，得到+5V 的直流电，供各个模块使用。温湿度传感器将检测到的温湿度值，传送给单片机，经单片机处理后，由显示西北工业大学明德学院本科毕业设计论文12模块显示出来，同时判断温度是否超过了设定的上下限值，假如超过上下限，再由声光报警及执行机构模块产生相应的动作。3.1 电源模块电源模块是常用的变压整流电路，技术成熟，成本低廉。它的输入端为220V 交流电的火线和零线，经过变压器获得 9V+交流电，然后再由桥式整流电路和滤波电路处理，得到 9V 直流电，最后经过直流稳压电路 7805 处理，最终得到+5V 的直流电，即可作为此系统的电源，具体电路如图 3-2 所示：图 3-2 电源模块3.2 单片机模块此模块所用单片机为 AT89C51，是整个设计方案的核心，它控制了温湿度采集、温度处理与温湿度显示、温度越限时动作及与上位机的通信。AT89C51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。而在众多的 51 系列单片机中，要算 ATMEL 公司的AT89C51 更实用，也是一种高效微控制器，因为它不但和 8051 指令、管脚完全兼容，而且其片内的 4K 程序存储器是 FLASH 工艺的，这种工艺的存储器，用户可以用电的方式达到瞬间擦除、改写。而这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。 它与 MCS-51 系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替 MCS-51 系列单片机，而且能使系统具有许多 MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51 可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统西北工业大学明德学院本科毕业设计论文13体积, 增加系统的可靠性，降低了系统成本。AT89C51 具有 MCS-51 系列单片机的所有优点。1288 位内部 RAM, 32 位双向输入输出线, 两个十六位定时器/计时器, 5 个中断源, 两级中断优先级, 一个全双工异步串行口及时钟发生器等。AT89C51 有间歇、掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的, 当外围器件仍然处于工作状态时, CPU 可根据工作情况适时地进入睡眠状态, 内部 RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是 VCC 电压低于电源下限, 当振荡器停止振动时, CPU 停止执行指令。该芯片内 RAM 和特殊功能寄存器值保持不变, 一直到掉电模式被终止。只有 VCC 电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位、掉电模式可被终止。 3.2.1 AT89C51 系列引脚功能 AT89C51 有 40 引脚双列直插（DIP）形式。其与 80C51 引脚结构基本相同，其逻辑引脚图如图 3-3。 图 3-3 AT89C51 的引脚排列西北工业大学明德学院本科毕业设计论文14各引脚功能叙述如下： 1电源和晶振VCC运行和程序校验时加+5V GND接地 XTAL1输入到振荡器的反向放大器 XTAL2反向放大器的输出，输入到内部时钟发生器 （当使用外部振荡器时，XTAL1 接地，XTAL2 接收振荡器信号） RST：复位输入。2I/O （4 个口，32 根） P0 口8 位、漏极开路的双向 I/O 口。本设计中 P0 口接显示模块。P1 口8 位、准双向 I/O 口。在编程/校验期间，用于输入低位字节地址。在本设计中 P1.0 接温度采集模块， P1.6P1.7 接声光报警模块。P2 口8 位、准双向 I/O 口。在本设计中 P2.0P2.2 接显示模块，P2.3P2.5 通过外挂的扩展端口设备接湿度传感器采集模块。P3 口8 位、准双向 I/O 口，具有内部上拉电路。 P3 口提供各种替代功能。本设计当中 P3.0P3.2 接通信模块，P3.3P3.7 接执行机构模块。P3 口除了一般的 I/O 口功能以外还有第二功能。表 3-1 P3 口第二功能表P3.0 RXD（串行输入口） ，输入P3.1 TXD（串行输出口） ，输出P3.2 INT0 外部中断 0，输入P3.3 INT1 外部中断 1，输入P3.4 T0 定时器/计数器 0 的外部输入，输入P3.5 T1 定时器/计数器 1 的外部输入，输入P3.6 WR 低电平有效，输出，片外存储器写选通P3.7 RD 低电平有效，输出，片外存储器读选通 3控制线(共 4 根) 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。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文15EA/Vpp片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。ALE/PROG地址锁存允许信号。PSEN片外程序存储器选通信号，低电平有效。3.2.2 AT89C51 系列单片机的功能单元 1并行 I/O 接口： 单片机芯片内有一项主要功能就是并行 I/O 口。51 系列共有 4 个 8 位的并行 I/O 口，分别记作 P0、P1、P2 、P3 每个口都包含一个锁存器，一个输出驱动器和输入缓冲器。实际上，它们已被归入专用寄存器之列，并且具有字节寻址和位寻址功能。在访问片外扩展存储器时，低八位地址和数据由 P0 口分时传送，高八位地址由 P2 口传送。 2定时器/计数器 定时器/计数器（timer/counter）是单片机中的重要部件，其工作方式灵活、编程简单，使用它对减轻 CPU 的负担和简化外围电路都大有好处。 定时器/计数器内部结构及其原理：由定时器 0、定时器 1、定时器方式寄存器 TMOD 和定时器控制寄存器 TCON 组成。当定时器/计数器设置为定时工作方式时，计数器对内部机器周期计数，每过一个机器周期，计数器加 1，直至计满溢出。定时器的定时时间与系统的振荡频率紧密相关，因为 C51 系列单片机的一个机器周期由 12 个振荡脉冲组成，所以，计数频率 fc=fosc/12。如果单片机系统采用 12MHz 晶振，则计数周期为: 1s （3-1）这是最短的定时周期，适当选择定时器的初值可获取各种定时时间。3振荡器 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。4芯片擦除 AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。5中断系统 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文16中断系统是单片机的重要组成部分。实时控制、故障自动处理、单片机与外围设备间的数据传送往往采用中断系统。中断系统大大提高了系统的效率。 3.2.3 单片机晶振电路单片机 XIAL1 和 XIAL2 分别接 30PF 的电容，中间再并一个 12MHZ 的晶振，形成单片机的晶振电路。晶体振荡器在固定频率振荡器中能够提供较高的精度，绝大多数 RTC 采用32.768kHz 的晶体，晶体振荡器输出经过分频后会产生 1Hz 的基准来刷新时间和日期。RTC 的精度主要取决于晶振的精度，晶体振荡器在固定频率振荡器中能够提供较高的精度，绝大多数 RTC 采用 32.768kHz 的晶体，晶体振荡器输出经过分频后会产生 1Hz 的基准来刷新时间和日期。RTC 的精度主要取决于晶振的精度，晶振一般在特定的电容负载下，其调谐振荡在正确的频点，而当晶振调谐于 12.5pF 负载的 RTC 电路中时，使用 6pF 负载的晶振将会使时钟变快。Dallas Semiconductor 提供的所有 RTC 均采用内部偏置网络，因而晶振可直接连接到 RTC 的 X1、X2 引脚，而不需要额外的元件。由于 RTC 的晶振输入电路具有很高的输入阻抗，因此，它与晶振的连线犹如一个天线，很容易耦合系统其余电路的高频干扰。而干扰信号被耦合到晶振引脚将导致时钟数的增加或减少。考虑到线路板上大多数信号的频率高于 32.768kHz，所以，通常会产生额外的时钟脉冲计数。因此，晶振应尽可能靠近 X1、X2 引脚安装，同时晶振、X1/X2 引脚的下方最好布成地平面。图 3-4 晶振电路西北工业大学明德学院本科毕业设计论文173.3 温湿度采集模块3.3.1 DS18B20 温度传感器介绍（1）DS18B20 温度传感器的特点DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms 和 750 ms 内完成 9 位和 12 位的数字量，并且从 DS18B20 读出的信息或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的 DS18B20 供电，而无需额外电源。因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较 DS1820 有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 DS18B20 引脚图如图 3-5 所示：图 3-5 DS18B20 引脚图其中： GND 为电源地DQ 为数字信号输入/输出端VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）性能特点如下：西北工业大学明德学院本科毕业设计论文18（1）独特的单线接口方式：DS18B20 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。 （2）在使用中不需要任何外围元件。 （3）可用数据线供电，电压范围：+3.0 +5.5 V。 （4）测温范围：-55 +125 。固有测温分辨率为 0.5 。 （5）通过编程可实现 912 位的数字读数方式。 （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。 （7）支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。 （8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 （2） DS18B20 的工作原理DS18B20 的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。在讲解其工作流程之前我们有必要了解 18B20 的内部存储器资源。18B20 共有三种形态的存储器资源，它们分别是： ROM 只读存储器，用于存放 DS18B20ID 编码，其前 8 位是单线系列编码（DS18B20 的编码是 19H） ，后面 48 位是芯片唯一的序列号，最后 8 位是以上 56 的位的 CRC 码（冗余校验） 。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20共 64 位 ROM。 RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20 共 9 个字节 RAM，每个字节为 8 位。DS18B20 工作过程一般遵循以下协议：初始化ROM 操作命令存储器操作命令处理数据 （3） DS18B20 温度传感器采集电路本系统中所使用的温度采集为多点测量，求取平均值处理，温度采集电路接在 P1.0 口, 如图 3-6 所示：西北工业大学明德学院本科毕业设计论文19图 3-6 DS18B20 温度传感器采集电路3.3.2 HM1500LF 湿度传感器基于法国 Humirel 的 HS1101LF 湿敏电容制成的防护棒式封装的湿度传感器HM1500LF 是专门适用于需要精确可靠检测湿度的 OEM 用户，它的特点是严密的封装，好的稳定性及简单的三线制线性电压输出，方便与微控制器相接。（1） 检测原理基于独特的湿度感应晶片，随着环境湿度值的变化有着稳定的容值变化的湿敏电容为基本检测元件，通过带补偿校准过的转换电路，直接输出线性的电压值，直观的反映出湿度值。（2）主要特点小尺寸，浸水无影响全互换性高可靠性与长时间稳定性在 5V 供电 0100%RH 典型输出，14C非常低的温度依赖性，比例输出（3）HM1500LF 湿度传感器的的采集电路本系统对于湿度只进行采集和显示，不进行控制，并且也采用的是多点测量空气中的湿度求取平均数后进行显示，采集电路通过 74LS138 接在 P2.3-P2.5，如图 3-7 所示：西北工业大学明德学院本科毕业设计论文20图 3-7 HM1500LF 湿度传感器采集电路（注：由于我所使用的 proteus 中没有单独的湿度传感器器件，因此使用SHT10 一体式温湿度传感器替代，使其只起到湿度传感器的功能。 ）3.4 显示模块3.4.1 LM016L 的介绍及结构 LM016L 液晶模块采用 HD44780 控制器，hd44780 具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，LM016L 与单片机 MCU 通讯可采用 8 位或 4 位并行传输两种方式，hd44780 控制器由两个 8 位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF ） ，显示数 RAM（DDRAM） ，字符发生器 ROMA（CGOROM ）字符发生器 RAM（CGRAM） ，地址计数器RAM(AC)。IR 用于寄存指令码，只能写入不能读出，DR 用于寄存数据，数据由内部操作自动写入 DDRAM 和 CGRAM,或者暂存从 DDRAM 和 CGRAM 读出的数据，BF 为 1 时，液晶模块处于内部模式，不响应外部操作指令和接受数据，DDTAM 用来存储显示的字符，能存储 80 个字符码， CGROM 由 8 位字符码生成 5*7 点阵字符 160 中和 5*10 点阵字符 32 种. CGRAM 是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅 64 字节，可以自定义 8 个 5*7 点阵字符或者 4 个5*10 点阵字符，AC 可以存储 DDRAM 和 CGRAM 的地址，如果地址码随指令写入 IR,则 IR 自动把地址码装入 AC，同时选择 DDRAM 或 CGRAM 单元。3.4.2 LM016L 的引脚及功能 LM016L 液晶模块接在单片机的 P0 口和 P2.0-P2.2 口，它的的引脚图如图3-8 所示，功能如下所示：西北工业大学明德学院本科毕业设计论文21图 3-8 LM016L 引脚图1602 字符型 LCD 通常有 14 条引脚线或 16 条引脚线的 LCD，多出来的 2 条线是背光电源线 VCC(15 脚)和地线 GND(16 脚)，其控制原理与 14 脚的 LCD 完全一样，如表 3-2：表 3-2 LM016L 引脚功能图引脚 符号 功能说明1 VSS 一般接地2 VDD 接电源（+5V ） 3 V0 液晶显示器对比度调整端，接正电源时比度最弱，接地电源时对比度最高。4 RS RS 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令寄存器。 5 R/W R/W 为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。 6 E E(或 EN)端为使能(enable)端，下降沿使能7 DB0 底 4 位三态、双向数据总线 0 位（最低位）8 DB1 底 4 位三态、双向数据总线 1 位 9 DB2 底 4 位三态、双向数据总线 2 位 10 DB3 底 4 位三态、双向数据总线 3 位 11 DB4 高 4 位三态、双向数据总线 4 位 12 DB5 高 4 位三态、双向数据总线 5 位 13 DB6 高 4 位三态、 双向数据总线 6 位14 DB7 高 4 位三态、 双向数据总线 7 位（最高位） 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文2215 BLA 背光电源正极 16 BLK 背光 电源负极3.5 执行机构设计采用了一个两档电炉丝（该电炉丝分为 800W 和 1600 两档，当两档全开为 2400W）作为系统的加热设备。选用了三个风扇作为系统的降温设备。在温度接近标准值（-1040）上下限 10时进行定时多点测量求平均值，根据多次测量的结果判断温度是否上升或者下降过快，并且采取相应升、降温措施（模糊控制） 。即开启电炉丝或打开风扇。由于考虑到该执行机构为交流大功率器件，所以使用继电器驱动。图 3-9 执行机构电路图为了设计方便所以仿真时用 5 个 LED 灯代替两档电炉丝和 3 个风扇，其中P3.3 和 P3.4 分别接两个绿色的 LED 灯代表两档电炉丝。P3.5-P3.7 接三个蓝色LED 灯代表三个风扇。仿真图如图 3-10 所示：图 3-10 执行机构仿真图西北工业大学明德学院本科毕业设计论文233.6 通信模块3.6.1 MAX487 简介MAX487 是 MAXIM 公司生产的一种差分平衡收发器芯片，是用于 1rrL 协议与 RS485 协议（半双工串行通信）转换的小功率收发器，它含有一个驱动器和一个接收器。其主要特点如下：（1） 单+5V 电源供电（2） 工作电流在 120-150UA（3） 低电流关机模式消耗 0.1A 电流（4） 驱动器有过载保护功能MAX487 引脚功能如表 3-3 所示：表 3-3 MAX487 引脚功能表管脚号 管脚名称 功能1 Ro 接收器输出2 /RE 接收器输出使能3 DE 驱动器输出使能4 DI 驱动器输入5 GND 接地6 A 接收器输入和驱动器输出7 B 接收器反相输入和驱动器反相输出8 VCC 电源3.6.2 串行通信结构AT89C51 系列内部含有一个可编程全双工串行通信接口，具有 UART（通用异步接收和发送器）的全部功能。该接口电路不仅能同时进行数据的发送和接收，也可作为一个同步移位寄存器使用。可构成双机或者多机通信系统。在本设计中，串行通信接在 P3.0-P3.2 接口，结构图如图 3-11 所示：西北工业大学明德学院本科毕业设计论文24图 3-11 串行通信结构图3.7 声光报警模块报警电路如图 3-12 所示：图 3-12 声光报警电路声光报警电路与单片机 P1.6P1.7 口相连，在温度接近标准值（-1040）上下限 10时，黄色 LED 灯亮起，说明温度已进入模糊控制范围，外部执行机构应该启动进行相应的措施。当温度超过标准值（-1040）时，红色 LED 灯亮起且蜂鸣器发出报警信号，这时采取人为干预措施。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文25第四章 系统软件设计4.1 系统软件的整体思路一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采