基于单片机的温室温度自动控制系统(毕业论文)

温室温度自动控制系统设计DESIGNOFGREENHOUSETEMPERATUREAUTOMATICCONTROLSYSTEM摘要随着自动化水平的不断提高,工业现场对温度的控制越来越高,设计了一种适用于现代工业现场的实时高精度温度监控系统采用单片机C8051F020和PC机相结合,具有数据采集、数据显示、数据通信及数据存储等功能,通过RS485总线和上位机相连,上位机可以通过软件对系统进行设置和控制,系统同时通过液晶模块实时显示监测到的温度和万年历试验证明,本系统具有一定的实时高精度性能,有着很强的推广价值。该系统通过对温室内的温度、光照、空气湿度、土壤湿度等环境因子的采集，并根据上述参数实现对温室温度自动调节，控制温室环境适合农作物的生长，达到了温室大棚自动控制的目的。温度、湿度和CO2浓度等是影响作物生长的重要环境因子，为有效进行作物生长的环境控制，针对日光温室的特点，以模糊控制理论为基础，计算机控制技术为平台，设计了一个基于模糊控制技术的计算机温室控制系统；介绍了MCS51单片机为核心的温室分布式测控系统的工作原理及主要功能；详细阐述了该系统的软、硬件实现方法。现代工业控制系统中，以单片机为核心的分布式数据采集和监控系统以其电路结构简单，工作稳定可靠的优点得到了广泛的应用。在分布式的控制系统中，数据通信距离往往在几千米以上，传统的RS232芯片已不能满足要求，因而应用RS485实现远距离通信。本文对其中涉及到的控制原理、系统构成、分布式监控等问题进行了论证。关键词单片机；DS18B20；温室；自动控制；仿真DESIGNOFGREENHOUSETEMPERATUREAUTOMATICCONTROLSYSTEMABSTRACTWITHTHECONTINUOUSIMPROVEMENTOFLEVELOFAUTOMATION,INDUSTRIALONSITECONTROLOFINCREASINGTEMPERATURE,DESIGNOFAMODERNINDUSTRIALSITEFORREALTIMEHIGHPRECISIONTEMPERATUREMONITORINGSYSTEMUSINGC8051F020MICROCONTROLLERANDTHEPC,COMBINEDWITHDATAACQUISITION,DATADISPLAY,DATACOMMUNICATIONSANDDATASTORAGEFUNCTIONS,THROUGHTHELCDMODULETOTHEREALTIMEDIAPLAYFORMONITORINGTEMPERATUREANDCALENDERTESTSPROVEDTHATTHISSYSTEMHASCERTAINHIGHPRECISIONREALTIMEPERFORMANCE,HAVEASTRONGPROMOTIONALVALUETHESYSTEMOFTHEGREENHOUSETEMPERATURE,LIGHT,AIRHUMIDITY,SOILMOISTUREANDOTHERENVIRONMENTALFACTORSINTHEACQUISITION,ANDINACCORDANCEWITHTHEABOVEPARAMETERSTOACHIEVERIGHTTEMPERATURE,HUMIDITY,LIGHTAUTOMATICADJUSTMENTANDCONTROLOFGREENHOUSEENVIRONMENTFORCROPGROWTH,REACHEDAGREENHOUSEAUTOMATICCONTROLTEMPERATURE,HUMIDITYANDCONTROLOFGREENHOUSEENVIRONMENTFORCROPGROWTH,REACHEDAGREENHOUSEAUTOMATICCONTROLTEMPERATURE,HUMIDITYANDCO2CONCENTRATIONAFFECTTHECROPGROWTHFOREFFECTIVEENVIRONMENTALCONTROLFORCROPGROWTHFORTHECHARACTERISTICSOFSOLARGREENHOUSECONTROLSYSTEMDESCRIBESTHEMCS51MICROCONTROLLERASTHECOREOFTHEGREENHOUSEOFTHEWORKINGPRINCIPLEOFDISTRIBUTEDCONTROLSYSTEMANDMAINFUNCTIONSELABORATEDONTHESYSTEMSOFTWAREANDHARDWAREIMPLEMENTATIONSMODERNINDUSTRIALCONTROLSYSTEMS,SINGLECHIPMICROCOMPUTERASTHECOREOFTHEDISTRIBUTEDDATAACQUISITIONANDMONITORINGSYSTEMFORITSCIRCUITSTRUCTUREISSIMPLE,THEDISTRIBUTEDCONTROLSYSTEM,DATACOMMUNICATION,OFTENSEVERALKILOMETERSORMOREAWAYFROMTHETRADITIONALRS232CHIPCANNOTMEETTHEREQUIREMENTS,ANDTHEREFOREAPPLIEDTOACHIEVELONGDISTANCECOMMUNICATIONRS485INTHISPAPER,INVOLVINGTHECONTROLMECHANISM,SYSTEMSTRUCTURE,DISTRIBUTEDCONTROLANDOTHERISSUESWEREDEMONSTRATEDKEYWORDSCOMMUNICATIONSNETWORK；DS18B20；GREENHOUSE；AUTOMATICCONTROL目录摘要IABSTRACTII目录III1前言111温室的起源与发展112国内外的温室环境控制系统的研究现状213温室测控装置的类型和发展方向2131目前常用的控制装置3132控制装置的发展趋势514课题的提出和研究内容6141课题的提出6142研究内容72温室温度测控方案设计721温室温度单片机测控装置的设计目标722温室温度测控系统的组成与工作原理723温度温室测控装置设计824单片机（STC89C51）9241STC89C51单片机简介925温度传感器和测温电路10251温度传感器概述10252DS18B20单总线数字式温度传感器概述11253DS18B20的性能特点11254DS18B20的引脚、内部结构和工作过程12255测控系统中的测温电路1426单片机最小系统原理图1427人机交互15271键盘输入电路16272显示电路1628控制输出电路1929串口通讯模块设计20210报警模块223温度测控的实现2331测控系统的程序设计23311系统的主程序设计23312数据采集模块子程序设计24313显示模块的子程序设计25314按键输入模块子程序设计2632系统测试284结论31参考文献32致谢34附录351前言温室是通过相关技术措施，在局部空间调控温度、湿度、光照、CO2浓度、营养液养分等环境因子，以创造植物生长最适宜的环境条件。温室是人类智慧与科技文明的结晶，它改变了传统农业生产模式，打破了植物生长的地域和时空界限，推动了农业生产和社会文明的发展。目前，现代温室已越来越多地应用于现代农艺、现代园艺的蔬菜、花卉的生产，成为现代高效农业的技术支撑。利用温室种植技术可以大幅度提高农作物产量、增进品质，延长作物生长季节和实行反季节栽培，获得更高的经济效益。然而，目前我国大部分温室设施简单、自动化程度低、系统功能还不完善，温室技术与现代化农业生产要求还很不适应。虽然国外温室技术水平较高，但由于其造价高，温室应用环境与我国地理条件还有较大的差异，多年的实践证明，许多从国外引进的温室大棚大多“水土不服”，不适合在我国大面积推广使用。因此，研究适合我国国情、高度自动化、控制简单可靠、建设和维护成本低廉的现代温室对早日实现我国农业现代化有着重要的现实意义。下面结合江苏农林科技示范园温室大棚设施的建设与研究，简要介绍温室自动控制系统的设计思路。11温室的起源与发展温室是以透光材料为全部或部分围护结构材料，可供冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物的建筑的统称。它通过人工干预的方式来对指定区域内的温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤水分、养分等诸多影响作物生长的因素进行调控，使之适合所培育作物的生长需要。由于它摆脱了地点、季节、气候变化等的影响和限制，能有效的改善农业生态和生产条件，促进农业资源的科学开发和合理利用，提高了土地出产率、劳动生产率、社会效益和经济效益，有利于可持续发展。因此在世界范围内得到了广泛的运用。在我国，温室的起源是非常早的。早在2200余年前的秦朝就有记载。古文奇志上说；“秦始皇密令人种瓜于骊山石刑谷中温处，瓜实成，使人上书曰瓜冬有实。前汉书召信臣传说“自汉世大官园冬种葱韭菜菇，覆以屋庑，昼夜燃温火，得温气诸菜皆生。”可见秦汉时代已有了温室园艺的萌芽。到了明代的嘉靖年间，北京的温室蔬菜栽培已具有相当的技术水平，但由于当时的农民秘而不宣，加上受农时观念的影响，人们认为通过反季节栽培出来的蔬菜，是“不时之物”，食用这种不时之物，可能会对人体有害，从而极大的限制了温室事业的发展。在欧洲，公元1世纪罗马帝国末期已使用一种用云母片装配的温床，促成水果早熟和为宫廷生产黄瓜；在差不多同一时期的印度和埃及，也曾利用保护设施来减轻严寒、大风以及酷暑等恶劣气候对农作物的影响。12国内外的温室环境控制系统的研究现状温室环境控制技术是随自动化检测技术、过程控制技术、通讯技术及计算机技术的发展而发展起来的。国外对温室环境控制技术研究较早，自20世纪70年代起采用模拟式组合仪表，采集现场信息并以相关的模拟式仪表进行指示、记录和控制。1978年日本学者首先研制出微型计算机温室综合环境控制系统。随着计算机技术的发展，80年代末出现了分布式控制系统，目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在，日本、荷兰、美国、以色列等发达国家可以根据温室作物的要求和特点，对温室内的诸多环境因子进行调控。研究的现状正朝着完全自动化和无人化方向发展。日本还利用传感器和计算机技术,进行多因素环境远距离控制装置的开发。国内对温室控制技术研究起步较晚。农业计算机的应用开始于20世纪70年代中期，到80年代初期计算机开始应用于温室的管理和控制领域。自20世纪80年代以来，我国工程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度和二氧化碳等单项环境因子控制技术的研究。实践证明，单因子控制技术在保证作物获得最佳环境条件方面有一定的局限性。1982年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研究机构。90年代，在引进的基础上,搞了一些研究性质的环境控制系统，可以自动调节温室内温度,湿度等参数。近几年来,我国加大了在温室结构和温室控制方面的研究力度。2001年,国家在“十五”攻关项目中启动了“温室环境智能控制关键技术研究与开发”课题同年,在国家“863”计划“可控环境农业生产技术”研究内容中包含了研制可控环境自动控制系统、信息自动采集系统等内容。从我国的温室控制系统和控制技术现状来看，温室设施计算机应用,在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。但是,大部分不够理想。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，在控制算法上，采用的大多是简单的直接数字控制方法，即在程序中设定各环境因子的上下限，当测定的环境参数超过上下限时，启动环境控制的硬件系统和机构。这种方法尚不能根据作物对环境的反应进行实时控制。在各个方面与欧美等发达国家相比,存在较大差距,尚需深入研究。13温室测控装置的类型和发展方向温室控制系统从大的角度来讲主要可以分为两个组成部分，即软件系统和硬件装置，软件系统的核心就是控制思想也就是控制算法，硬件装置一般是指温室环境测控设备的有机组成。本文主要研究中国温室目前的测控装置类型，这一问题是科学合理地控制温室环境的基础之一。温室的初步发展是在15世纪后的英国、法国和荷兰。1599年，在荷兰建成一栋栽培热带植物的温室，这是欧洲最早的温室之一。直到18世纪晚期19世纪早期，随着玻璃工业的出现，才逐渐发展成为现代的玻璃温室。18361841年，英国德温公爵的园丁领班帕克顿在备德贝郡查兹沃斯府邸建了一具大型温室，在铁、木框架上共镶有7000多平方米的玻璃。1851年，在英国举办世界上首次万国博览会时，帕克斯顿以他建造的温室为蓝本，为博览会的主展馆设计了著名的“水晶宫”。进入20世纪后，玻璃、钢铁、机械等工业发展迅速，温室的结构与设备不断完善。近几年来，塑料工业的发展日新月异，随之出现了一大批塑料薄膜温室和塑料大棚，从而迅速扩大了温室园艺生产的规模与范围，使它成为现代农业中一个重要的组成部分。131目前常用的控制装置1单片机控制系统目前，温室控制器的结构主要是以单片机为主控板的控制系统。一般以MCS51系列为基础，采用8位CPU，从数据采样到算法控制都是由单片机完成的。其拓扑结构为集中式控制方式。总的来说该类控制方式的优点是能够全局管理，操作简单，价格低廉，缺点是布线复杂，可靠性差，故障率高；且信号的输入、输出一般为模拟量或开关量，自动化程度低。由于温室控制环境噪声大、环境恶劣,单一的CPU控制系统难以达到预期的控制效果。现在已很少采用这种控制方式，如图11系统结构图。A/D模拟开关I/O信号处理自行机构中间设备（继电器）传感器CPU温室环境图11单片机控制系统结构图2基于IPC的温室控制系统基于工业控制机（IPC）的温室控制系统是由工控机、各种传感器及执行机构组成的多输入、多输出的闭环控制系统。由工控机组成的温室控制系统框图如图12。如北京建立的自动化温室就是以工控机为核心的控制系统。主机选择了研华生产的控制机配备了各种接口板,采集、控制和通信功能都由工控机完成,能对温室各参数和变量进有效控制,采用喷雾系统能使室温下降7。温度传感器湿度传感器湿度调节传感器光照强度调节系统二氧化碳是非系统二氧化碳浓度传感器光照传感器温度调节系统IPC图12工控机组成温室控制系统框图3基于PLC的温室控制系统基于PLC（可编程逻辑控制器）的温室控制系统是由上位机、PLC、数据采集单元及执行机构组成。PLC主要用于动态、实时监测室内外环境因子的变化。根据作物生的要求对参数进行匹配，同时完成与上位机的通信。PLC是一种通用的自动控制装置它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合高效温室的控制要求。4集散型温室控制系统集散型温室控制系统（DCS）即分布式控制系统,它是相对于集中式控制而言的新型计算机控制系统。在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大。但在系统功能的实现方法上却完全不同。集中式控制系统只需一台计算机以及有关的I/O设备和CRT、键盘、打印机等外部设备即可完成系统功能，而DCS则一般有四个基本部分组成，即系统网络、现场控制站、操作员站和工程师站。在DCS中，这四个站由独立的计算机组成，它们分别完成数据采集、控制、监视、报警、记录、系统管理等功能。这些完成特定功能的计算机被称为“节点”，这些节点通过网络连接在一起，组成一个完整的系统，以此来实现分散控制、集中管理、集中监视的目标。这种控制模式成本太高，成套的DCS系统需要10万元左右，农业用户难以接受。为此开发部门在原来分布式控制系统的框架下，用廉价的单片机作为现场控制器，工程师站和操作员站用一台PC机代替,从而大大降低了成本。其结构图如图13。上位机现场控制系统N（单片机系统）现场控制器2（单片机系统）现场控制器1（单片机系统）数据采集执行机构数据采集执行机构数据采集执行机构图13温室DCS系统控制132控制装置的发展趋势1嵌入式LINUX系统嵌入式LINUX系统目前在温室控制系统中尚不多见。采用嵌入式LINUX旨在提高温室系统网络支持、并发处理及功能升级能力，降低系统开发难度，满足温室计算机控制系统日益复杂化的需要，该方法是可行的。温室计算机控制系统需要长时间连续运行,大部分节点分布在不同的地方，要求功耗低、体积小，抗干扰能力高。采用PC系列模块能满足上述要求，易于扩展升级。软件平台采用LINUX系统，LINUX系统所有源代码对外开放，使整体开发及维护费用降低。随着温室计算机控制系统日益复杂化、网络化,该系统有较好的应用前景。2基于RS485的温室现场总线控制模式RS485总线属于BITBUS总线，传输距离约为1200M，传输速度达768KBPS,多达36个节点并行连网。采用RS485总线做现场总线，可通过RS485总线与远端的气象站通讯，来获得室内外温度、湿度及室外光照、雨量、风速、风向等参量,还可与其他控制器及上位机进行通讯，构成更大范围的温室环境自动控制系统。RS485是主从节点工作方式,各个现场控制器之间的通讯靠单主机完成,难以实现各节点之间的数据交换。而且RS485总线是半双工的，在实时性要求较高的场合和多主机通信时有一定难度。但温室控制系统是一个大滞后系统，采样时间较长，对实时性要求不是非常严格。因此采用RS485组成现场总线控制系统是可行的，而且RS485价格低廉，维护方便，便于普及。3基于CAN等现场总线的温室现场总线控制模式目前CAN总线在工业控制中已得到广泛应用，如工业自动化、环境控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑等领域。CAN总线是德国BOSCH公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。由于CAN总线具有通信速率高、可靠性高、连接方便和性能价格比高等诸多特点，其应用开发迅速。而CAN在农业环境中的应用还比较少。温室是一个复杂的控制系统,以前的控制模式是集中方式,要完成复杂的控制算法运算及实时控制,有一定的难度。而CAN总线的出现恰好解决了这个问题。CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络的总线，基本的CAN现场总线控制系统方案如下图。其特点如下CAN为多主方式工作,网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需占地址等节点信息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。CAN网络上的节点信息分成不同的优先级,可满足不同的实时要求，因此基于CAN总线技术的控制系统是使温室向智能化发展的理想系统。4基于互连网指INTERNET网络的远程控制随着计算机技术和网络技术的迅速发展，基于网络的温室控制系统是必然的发展趋势。网络业务不再限于单纯的数据业务，而包括数据、语音、图像的多媒体业务。可以将计算机和温室控制网组成有线网络和无线网络系统。有线网络系统可以将多台计算机进行集中管理，通过INTERNET可对温室环境因子进行监测，使有关人员及时了解温室内环境参数的情况，及时做出决策，可以组织国内外专家对小气候环境因子进行远程精确会诊，提出最适宜温室植物生长的环境。对于温室数量多、地点分散的大农场可以使用专用配线形成设施农业专用的网络系统进行集中管理，也以用电话、电脑等设备进行异地管理。由于有线网络布线复杂租用专线成本昂贵，无线网络恰好弥补了有线网络的不足。可以利用笔记本、手机等随时随地对温室的管理系统进行控制。14课题的提出和研究内容141课题的提出要实现温室的智能化，它的环境控制将会是关键，温室环境控制技术的应用是建立农业工厂化生产的最有效的手段。但温室环境控制是所有室内环境控制中最困难的。一般建筑物的环境控制几乎不受阳光影响，而温室则不然，室外环境状况对温室环境控制有着决定性的影响。一般的环境控制多只针对气温及湿度等，温室环境控制则还需兼顾光照、气流、植物保护、二氧化碳浓度、水量、水温、PH值、溶氧量、营养液系统等。而且温室环境控制的对象种类繁多，都是在生长的生物，不同种类、不同品种的需求大不一样，即便是同一品种，在不同生长阶段的需求也不同，再加上受能源、资金、劳动力、生产资料等资源的限制及市场与天气变化的影响，温室环境控制必须在极有效率的状态下进行。我国的农业正处于从传统农业向优质、高效、高产为目的的现代农业转化的新阶段。在前面的论述中，作者结合相关资料和实际应用情况，综合比较了几种测控系统的模式，提出了温室测控装置的发展方向。在此基础上，结合自身实际，从温室控制装置的四个发展趋势中选择基于单片机和RS485的温室现场总线控制模式作为论文的主要研究方向。142研究内容基于单片机的控制系统，通过RS232接口，与单片机实时通讯，通过DS18B20温度传感器把温度送到用74HC573显示驱动器控制的LED显示器，读出温度值。并根据温度的高低做出相应调节。2温室温度测控方案设计21温室温度单片机测控装置的设计目标在绪论中我们已经讲述了目前我国温室测控系统大部分仍依靠进口，不仅引进设备的花费高，而且很大一部分在实际使用中并不适合我国当地的国情，使用一段时间后闲置不用或仅部分使用的情况比比皆是，如杭州蔬菜研究所引进的以色列温室测控设备在使用一年后，由于设备运行成本高和操作不便等原因，基本上己不用了。所以在考虑到上述的情况下，发展符合国情的现代化温室测控系统非常必要。在温室环境单片机测控系统的设计中，应努力实现以下几个目标1实时采集与显示温室内环境温度参数。本装置能实时采集与显示的温室环境温度参数的变化。2根据用户需要在一定范围内自动调节温室内的环境参数。本系统能够自动控制温室内的所有环境调节机构，将温室内的环境参数调节到操作人员设定的参数值或作物最适宜的生长参数范围内。3能够根据季节、地区和作物的不同，设置不同的控制参数。管理人员可以根据不同的季节、地区和作物，来设置不同的控制参数。4与上位机进行通讯。本系统可以实现与上位机进行通讯，这可以方便的实现温室的远距离控制。在上位机上能以友好的界面显示温室的状态，这大大方便管理人员操作和科研人员进行数据分析。22温室温度测控系统的组成与工作原理考虑到温室环境的控制要求及生产管理需要，我们对温室控制系统的结构组成、控制特点、控制策略和控制对象进行了研究，并对其自动控制系统进行了的设计。整个系统的控制功能由上位机和下位机来实现。上位机可以是工控计算机或个人PC机，其主要功能是设定下位机的控制参数；实现对系统的实时监测；通过串行通讯口，接收下位机传送的历史数据；完成数据管理、历史资料统计及分析任务，同时还可实现对数据的显示、编辑、存储、打印输出等。下位机是控制系统的核心。下位机可以选用单片机（本系统选用89C51型单片机），其主要功能是实现对温室温度因子的数据采集、预处理和控制任务。下位机通过传感器采集有关环境温度的数据，并把这些数据暂时储存起来，然后与设定值进行比较，通过判断行程位置开关以及其它有关开关状态、系统的输出命令，确定控制设备运行状态，如冷热风机是否开启，经过模糊控制等人工智能控制算法，给出相应的控制信号，控制相关设备来实现对环境要素的调控；同时将环境数据储存在备有后备电源的RAM中，在一定的条件下经过串行通讯口将数据传输至上位机。通过温度传感器、湿度传感器等组成的传感检测系统，下位单片机、A/D转换电路、驱动电路等组成的信息处理系统，以及继电控制系统、加热、增湿等系统组成的执行系统构成温室智能化、自动化控制系统，该测控系统各部分互相作用，实现了对温室环境的自动控制。在温室环境单片机测控装置的设计中，应考虑以下几方面的内容1考虑我国不同区域的气候特点，结合不同地区的温室结构，设计出能切实适合当地情况的实用型温室测控系统；2运用测控方面的成熟技术和控制算法，以及成熟的器件、传感器和测控电路，防止一味求新求全；3体现优越的性价比，即在总体技术不落后于国外温室测控设备的前提下，明显表现出成本上的优势；4温室测控系统应操作简便，维护方便，故障率低，易维修；5温室的测控系统不应完全照搬工业上的测控应用，应与温室所处的地理环境、气候环境，温室结构，植物生理和栽培技术等相配合。23温度温室测控装置设计温室测控系统的总体设计在第二章中已经做了交代。为了检验我们的设计的可行性，我们以温度测控为例进行验证。其中的设计框架基本符合前面的总体设计，在总体不变的情况下，局部结合温度测控的实际情况做了改进。主要体现在传感器和A/D转换部分，采用数字式传感器，去掉了A/D转换。其结构框图如图23。PC通讯模块STC89C51DS18B20控制输出风机降温热风机温室环境显示模块键盘输入模块看门狗越线报警模块图23温室测控结构框图24单片机（STC89C51）单片机MICROCONTROLLERUNIT，又称为微控制器。是指在一块芯片上集成了中央处理器CPU、随机存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器、中断控制器以及串行和并行I/0接口等部件，构成一个完整的微型计算机。目前，新型单片机内还有A/D,D/A转换器、高速输入输出部件、DMA通道、浮点运算等特殊功能部件。由于它的结构和指令功能都是按工业控制要求设计的，特别适用于工业控制及其数据处理场合。单片机是整个温室模型温度测控装置的核心部分。241STC89C51单片机简介STC89C51单片机加密性强，无法解密，具有超强抗干扰能力。它可以高抗静电，轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰，它具有宽电压不怕电源抖动。它的宽温度范围从40到85。此芯片的I/O口是经过特殊处理的，此外单片机内部的电源供电系统，时钟电路，复位电路，看门狗电路都是经过特殊处理。在系统可编程时，无需编程器，无需仿真器，可送STCISP下载编程器。其芯片如图24。图24STC89C51引脚图及实物图25温度传感器和测温电路251温度传感器概述温度是表征物体冷热程度的状态量，是现代科学技术中最基本、最重要的物理量。与温度变化有关的物质属性很多，因而温度检测的方法也是多种多样的。在长期实践中一些经常用到的较为精确方便的测温原理与方法可以归纳为3类1利用物体的电参数如电势、电阻等随温度而变化的特性来检测温度，如常用的热电偶、热电阻等。2是利用物体受热膨胀的原理来检测温度，如水银温度计、压力式温度计等。3是利用物体表面热辐射强度与温度的关系来检测温度，如辐射温度计、光学高温计等。常用的温度传感器有热电阻、热电偶、PN结温度传感器、集成温度传感器等。1热电阻利用半导体的电阻随着温度变化而显著变化的特性制成的半导体测温元件。目前使用的多为陶瓷热敏电阻。它的优点是灵敏度高，工作温度范围宽，稳定好，过载能力强，体积小。但它的不足之处在于非线性和互换性差。2热电偶利用物理学中的金属热电效应制成的温度传感器。测量精度高，热电动势与温度在小范围内基本呈单值、线性关系，稳定性和复现性较好，响应时间较快测温范围宽，高温热电偶测温上限可达2800；3PN结温度传感器实质是一种半导体集成电路，利用晶体二极管、三极管的PN结电压随着温度变化而变化的原理制成。线性度好，热惯性小，灵敏度高。4集成温度传感器是将测温元件、放大电路、偏置电路及线性化电路集成在同一芯片上的温度传感器。相对其它传感器有较好的线性度和一致性，且体积小，使用方便。温室内环境温度的变化范围一般为040，在华北地区室外温度的变化的最大可能范围为2050。温室是一个有较大惯性的被控对象，温度的变化速度较慢，因而不需要传感器的反应速度太高；但要求传感器有优良的物理及化学稳定性。用的较多的是以铂电阻为代表的模拟传感器和以DS18B20为代表的数字传感器。考虑到铂电阻需要信号调理电路，将电阻信号转换为电压信号，经过A/D转换后才能被单片机接受，信号调理电路的相对复杂，抗干扰性比较差，而且价格较高，而DS18B20不仅价格便宜仅7元一只而且使用方便测温准确，精度较高。为了节省成本，提高效率，方便测控系统以后的进一步扩展和完善，本温室测控模型采用DS18B20单总线数字式温度传感器。252DS18B20单总线数字式温度传感器概述DS18B20是美国DALLAS公司生产的单线数字式温度计芯片，它具有结构简单，不需外接元件，采用一根I/O数据线既可供电又可传输数据、并可由用户设置温度报警界限等特点。能在现场采集温度数据，并将温度数据直接转换成数字量输出。可广泛用于食品库、冷库、粮库、温室等需要控制温度的地方。DS18B20是DS1820的改进型产品，该产品具有比DS1820更好的性能，目前，该产品已成为DS1820的替代品而在温控系统中得到广泛的应用。单总线是DALLAS公司的一项专有技术。它采用单根信号线既传输时钟又传输数据，而且数据的传输是双向的。它具有节省I/O口线资源，结构简单，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点，适用于单个主机系统，能够控制一个或多个测控点。253DS18B20的性能特点DS18B20主要具有以下的性能特点1DS18B20提供912位的温度测量精度（包括一位符号位），并可由编程决定具体位数；2DS18B20具有较宽的温度测量范围，为55125，在1085范围内DS18B20具有05的精度，增量值最小为00625；3DS18B20响应迅速，信号转换时间短。4DS18B20可以采用单独的电源供电，供电范围为35V55V，也可以采用信号线寄生供电，这时就无需额外的电源供电；每个DS18B20具有唯一的64位序列码，可使多个DS18B20在单个总线上工作；5DS18B20抗干扰能力强，使用时无需标定或调试。254DS18B20的引脚、内部结构和工作过程1DS18B20的引脚DS18B20采用3脚TO92封装或8脚SOIC封装。3脚TO92封装形式和器件图如图25所示。图25DS18B20其图中GND接地；DQ数据输入输出。漏极开路单线接口。也在寄生电源模式时给设备提供电源；VDD可选的电源电压脚。VDD在寄生电源模式时必须接地。2内部结构与工作说明DS18B20的64位ROM保存了设备的惟一序列码。高速闪存（SCRATCHPAD）包含2字节的温度寄存器，保存了温度传感器的数字输出。该闪存还提供了对上限（TH）和下限（TL）超标报警寄存器、配置寄存器（各1字节）的访问。TH、TL和配置寄存器是非易失性（EEPROM），系统掉电时它们会保存数据。DS18B20利用DALLAS的单总线控制协议，实现了利用单线控制信号在总线上进行通信。由于所有的设备通过漏极开路端（即DS18B20的DQ脚）连在总线上，控制线需要一个上拉电阻（大约5K）。在这一总线系统中，微控制器（测控系统中的单片机）通过惟一的64位序列码识别和访问总线上的器件。由于每一设备有惟一的编码，连在一条总线上可被访问的器件数实际上是无限的。DS18B20的另一个特点是在没有外部电源下操作的能力。电源由总线为高电平时DQ脚上的上拉电阻提供（寄生供电模式），此时VDD脚接地。3DS18B20的测温原理DS18B20通过使用在板（ONBOARD）温度测量专利技术来测量温度。首先用一个高温度系数的振荡器确定一个门周期，内部计数器在这个门周期内对一个低温度系数的振荡器的脉冲进行计数得到温度值，计数器预置对应于55的基数，如果计数器在门周期结束前计数器达到0，那么温度寄存器（它也被预置到55）的数值将增加，表明温度将大于55。同时计数器将被复位到一个值，这个值由斜坡累加器电路所决定，斜坡累加器电路用来补偿感温振荡器的抛物线特性。然后计数器又开始计数直到0，如果门周期仍未结束，将重复这一过程。DS18B20内部对此计算的结果可提供05的分辨力。4DS18B20的工作过程及常用指令DSL8B20工作过程中的协议如下初始化；ROM操作命令存储器操作命令处理数据。每一次访问DS18B20时必须遵循这一顺序，如果其中的任何一步缺少或打乱它们的顺序，DS18B20将不会响应。（1）初始化单总线上的所有处理均从初始化开始。所有与DS18B20的通信首先必须初始化控制器发出复位脉冲，DS18B20以存在脉冲响应。当DS18B20发出存在脉冲对复位响应时，它指示控制器该DS18B20已经在总线上并准备好操作。（2）ROM操作命令总线主机检测到DSL8B20的存在便可以发出ROM操作命令，这些命令如指令代码READROM读ROM33H；MATCHROM匹配ROM55H；SKIPROM跳过ROMCCHSEARCHROM搜索ROMF0H；ALARMSEARCH告警搜索ECH；（3）存储器操作命令这里常用的指令代码有WRITESCRATCHPAD写暂存存储器4EH；READSCRATCHPAD读暂存存储器BEH；COPYSCRATCHPAD复制暂存存储器48H；CONVERTTEMPERATURE温度变换44H；RECALLEPROM重新调出B8H；READPOWERSUPPLY读电源B4H；255测控系统中的测温电路在前面的讨论DS18B20的特性的时候，说明了DS18B20有两种供电方式寄生电源和外接电源方式。当温度较高时，由于DS18B20的漏电流比较大，可能会导致数据传输无法进行。所以本设计中采用外接电源法。同时，数据输入输出脚与单片机89C51I/O口的P37即第17脚相连，进行数据和时钟的传输。具体电路图如图26。图26测温电路图26单片机最小系统原理图STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTALI和XTALZ分别为此放大器的输人端和输出端，其频率范围为12一12MHZ。该放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器简称晶振一起构成自激振荡器。89C52单片机虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接元件以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中，这种方式称为内部时钟方式。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳。定性、起振的快速性和温度稳定性。如果振荡器已起振，则在XTALZ引脚上输出3V左右的正弦波。振荡频率FOSC取决于晶振的频率。常用的晶振频率有6MHZ、12M凡和一10592MHZ。电容C1和C2主要作用是帮助起振谐振，称其为谐振电容，其值的大小对振荡频率也有影响。因此常用调节偏C1或C2的容量大小对频率进行微调，电容容量一般在20一100PF之间选择，当时钟频率为12MHZ时典型值为30PF。外接陶瓷谐振器时，C1和C2的典型值约为47PF。在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。MCS5L系列单片机的复位引脚RST（第9管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有两种基本形式上电自动复位和开关复位。图2中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET相连，电压全部加在了电阻上，RESET的输入为高，芯片被复位。随之5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。一般来说，只要RST管脚上保持10MS以上的高电平，就能使单片机有效的复位。图中所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，读者也可自行计算RC充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。最小系统原理图如图27。图27单片机的最小系统电路27人机交互一个测控系统必定需要拥有一个人机交互的模块。本系统设计的人机交互由两部分组成，即键盘输入电路和显示电路。271键盘输入电路本系统中采用独立式键盘，本键盘完成的功能为输入控制系统的设定值，以便与测控系统的采用值进行比较，供系统的控制程序调用。该键盘输入电路由四个按钮组成，由于数目较少，就不再使用键盘扩展芯片。简化了设计，提高了设计效率，减少了干扰。其电路如图28。图28键盘输入电路第一个键用来表示复位的。若没有按下则表示的是室温。按下则转入键盘处理子程序。用第二个键用来表示加操作的，按一下则加一。第三个按键表示减操作按一下则减一，第四个按键表示确定。272显示电路1LED显示器简介在单片机显示系统中，使用的显示器件主要有LED发光二极管，LCD液晶显示器，近年来也有使用简易形式的CRT接口，其中LED显示器最为常见，具有成本低廉、配置灵活、与单片机的接口简单方便、易于编程等特点，在低端领域使用广泛，而LCD液晶显示器多用于高端场合。在本系统设计中，采用LED显示器。LED显示器是由发光二极管显示字段促成的器件，在单片机应用系统中通常使用的是七段LED，这种显示器分共阴极和共阳极两种。其结构图如图29。图29LED数码管共阴极LED数码管的发光二极管的阴极接地，当发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极LED数码管的发光二极管的阳极接5V电源。LED显示器有两种显示方式静态显示方式和动态显示方式。在静态工作方式下，共阴极接地或者共阳极接5V，每一位的段选线（AG，DP）与一个8位的并行I/O口相连。在动态工作方式中，要将所有位的段选线并接在一个I/O口上，共阴极或共阳极分别由相应的I/O口线控制。由于每一位的段选线都接在一个I/O口上，所以每送一个段选码，各位显示器都显示同一个字符，这样的显示器是不能用的，解决方法是利用人的视觉滞留，从段选线I/O口上按位次分别送显示字符的段选码，在位选控制口也按相应的次序分别选通相应的显示位（共阴极送低电平，共阳极送高电平），选通位就显示相应字符，并保持几毫秒的延时，未选通位不显示字符（熄灭），这样对各位的显示就是一个循环的过程。由于人的视觉滞留，这种动态变化是观察不到的，从效果看，各位显示器能连续而稳定的显示不同字符。2显示电路本测控系统设计中采用74HC573芯片驱动四个LED数码管，显示电路采用四个四位七段共阴极LED显示数码管，显示范围0100。图21074HC573引脚图实物图374HC573原理说明74HC573的八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能（LE）为高时，输出Q将随随如入数据的（D）的变化而变化。当使能为低时，输出将锁存在已经建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的书数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线皆空相连接并驱动总线，特别适用于缓冲寄存器，I/O通道，双向总线驱动器和工作寄存器。74HC573的特点1、三态总线驱动输出。2、数去并行存取。3、缓冲控制输入。4、使能输入有改善抗扰度的滞后作用。把单片机STC89C51与74HC573及四个LED连接成一个显示电路，如图274。图211显示电路图28控制输出电路测控系统的加热采用热风机，在温室模型中，使用普通的吹风机即可，本次选用的是功率为五百瓦的吹风机；考虑到模型的特殊性，参考电脑主机箱的降温设施，降温使用两个直径为12厘米的风扇，一进一出，形成对流，进行降温。测控电路中采用了晶体管驱动的直流电磁继电器，由于风扇使用的是12V电压，而吹风机使用的是220V电源，故而使用了不同规格的继电器用于控制。当P22或P23为低电平时，继电器R1、R2吸合；当P22或P23为低电平时，继电器R1、R2释放。采用这种逻辑控制可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合。继电器有晶体管三极管2N222提供所需的驱动电流，电路图如图212。图212控制输出电路29串口通讯模块设计在智能温室的设计中，通信是各个模块相互沟通和信息交换的桥梁，如果没有通信模块，整个温室就没有统一协作运行的可能。在温室运行之时，各类干扰较多，要保证通信系统的稳定运行极为重要。对通信系统的抗干扰能力、传输距离等要求较高，所以，通信技术是智能温室的关键技术之一。我们详细的分析了温室控制装置的发展方向，结合实际情况决定采用基于RS485总线的温室控制模式。因此在通讯模块的设计是基于RS485总线进行的。RS485通信方式可以满足支持多点连接，允许创建多达32个节点的网络（某些驱动器模块可增加至128个，如MAX487等），具有传播距离远，最大传输距离能达到12KM，完全可以满足大型温室远距离信号采集的要求，再加上其成本低廉、可靠性高及分布范围较大，是完全满足我们要求的。同时考虑到我们温室模型的实际情况，无需进行远距离通信，目前也还没有达到模拟测控多个温室环境的水平。相比之下，RS232通讯模式比较简单实用一些。因此为了兼顾两方面的要求，我们在实验用的温室模型测控装置的电路设计中使用RS232总线，同时配备RS232转RS485的转接卡，以满足不同情形下的需要。RS232的通讯设计采用MAX232芯片，来实现电平转换。这部分电路如图213。图213RS232通信模块电路而如果设计和通讯中由于距离较远或者要用到多机通讯的话（如有多个测控点、多个温室环境的监控等）则可以使用RS232转RS485的转接卡。相关性能说明如下兼容RS232、RS485TIA/EIA标准；自动发送/接收数据，无需外部的流量控制信号RTS；通信速率300BPS1152KBPS；能够连接32个RS485或RS422接口设备；通讯距离5，000米（9，600BPS）；电源及数据流量指示灯，可检测故障点；工作方式异步半双工（RS485）或异步全双工RS422通用，无需跳线设置；光电隔离型（隔离电压25KVRMS/500VDC绝缘），RS485/422提供每线600W的防雷保护和防止共地干扰；电气接口DB9孔型到DB9针型连接器；传输介质双绞线或屏蔽线；适用于一切所使用的通讯软件，随插即用；支持DOS/WIN95/WIN98/WIN2000/NT/XPLINUX等产品如图图214转接卡210报警模块报警模块具备两项功能，即为报警灯和声音报警当用户输入温度的上下限值后，系统进行实时的采样，并判断出当前温度与用户输入温度之间的差异，如果当前温度高于或低于用户输入的下限温度值，则说明当前温度过高或低，系统自动启动警报灯，此时警报灯亮起并发出红光。蜂鸣器报警鸣叫。当温度恢复在规定范围值内时警报灯熄灭。图215报警模块电路3温度测控的实现31测控系统的程序设计如果说一个测控系统，硬件装置是他的骨架的话，那么系统的程序就是他的灵魂。由于本测控系统的参数控制算法和控制程序由其他同学完成，因此，本论文在软件方面主要完成该系统的外围模块的程序设计，主要包括数据采集模块、显示模块、按键输入模块，三大子程序的设计。311系统的主程序设计本论文主要是设计硬件装置，但是，任何一个系统，把软硬件人为的割裂开来的做法是不合适的。软硬件相辅相成才能构成一个完整的系统。鉴于软硬件的密切关联性，在完成测控系统的硬件设计时，设计了该系统的主程序设计流程图，如图31。图31系统主程序流程图系统的工作过程是这样的，系统开机后，先进行初始化，完成后，温