温棚恒温控制器毕业设计

1、本 科 生 毕 业 设 计题 目 温棚恒温控制器设计 专 业 电子信息科学与技术 院 系 物理与电子工程学院 学 号 姓 名 指 导 教 师 答 辩 时 间 论文题目来源：国家自然科学基金项目编号： 四川省自然科学研究项目编号： 校级自然科学研究项目编号： 温棚恒温控制器设计学 生：指导老师：摘 要：温棚技术就是创造一种适合生物生长的人工气候环境，来消除环境中温度，水，光照等之类的因素对生物生长的限制，使得生物能在不同的季节正常的生长，使季节对生物的生长的影响不大，这样使生物部分或完全脱离了对自然条件的依赖。这样温棚技术就使得社会所需的各种生物，如蔬菜，瓜果之类的生物能在一年四季中不断的产出，

2、给社会带来了巨大的经济效益。现今国家正大力发展温棚技术，温棚技术也越来越普及，但同时也发现了在控制操作中出现的一些问题，例如对温度，水，光照等因素在控制精度上的问题。本设计主要是针对温棚中的温度因素的控制，本设计中主要采用的是数字温度传感器18B20，它由温度上、下限LED显示电路，可控硅控制电路，模拟声电路和交流降压整流电路等组成。该温控电路可按设定的上、下限温度内进行自动控制，测温精度在1范围内，控温效果理想，还可进行超温指示，采用51系列单片机对18B20采集到的温度数据进行处理，然后输出数据到继电器控制电路，当温度低于或高出设置温度时，启动交流接触器带动风机进行加热或者是降温。关键词:

3、温度；控制；传感器，单片机Warm awning radiator valve designUndergraduate: Qing Zhi Gang Supervisor:Zeng Xiao PingAbstract: The warm awning technology is creates one kind the artificial climate environment which suits the biology to grow, eliminates in the environment the temperature, the water, the illumination

4、and so on and so on factor limit which grows to the biology, causes the biological energy in the different season normal growth, causes the season not to be big to the biological growth influence, like this caused the biological part or has been separated from completely to the natural condition dep

5、endence.The such warm awning technology causes each living thing which the society needs, if the vegetables, the fruits and melons and so on biological energy in unceasing output, has throughout the year brought the huge economic efficiency to the society.Nowadays the national honorable strength dev

6、elops the warm awning technology ，warm awning technology also more and more to popularize, but also had simultaneously discovered has some problems in the control operation,For example to temperature, water, factors and so on illumination in control precision question.This design mainly is aims at i

7、n the warm awning the temperature factor control, in this design mainly uses is digital temperature sensor 18B20, it by the temperature bound LED display circuit, the silicon-controlled rectifier control circuit, the artificial voice electric circuit and the exchange voltage dropping resistor leveli

8、ng circuit and so on is composed.This warm controls the electric circuit to be possible to carry on the automatic control according to in the hypothesis bound temperature,The temperature measurement precision in 1; the scope, controls the warm effect to be ideal, but also may carry on the ultra warm

9、 instruction, uses 51 series monolithic integrated circuits the temperature data which gathers to 18B20 to carry on processing, then output data to black-white control electric circuit, when the temperature is lower than or outdoes the establishment temperature, the start exchange contact device imp

10、etus air blower carries on the heating or is the temperature decrease.Key word: Temperature; Control; Sensor，Monolithic integrated circuit目 录1 绪论61.1 研究目的、意义及我国大棚现状61.2 内容62 方案论证73 系统设计73.1 温度信号的检测73.2. 温度传感器的选择73.3 数字式温度传感器18B2083.3.1 18B20简述83.3.2 DS18B20系列的性能特点83.3.3 DS18B20 的应用103.4本设计内部结构分析133.

11、4.1电路原理分析133.4.2单片机程序173.4.3单片机仿真截图253.5 大棚加热和降温263.5.1 加热方式263.5.2 降温方式26结束语。参考文献29致 谢301 绪论1.1 研究目的、意义及我国大棚现状研究目的和意义：温室大棚就是建立一个适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的限制，使生物能够在自然环境不适合的情况下正常生长。由于温室大棚能克服环境对生物生长的限制，所以这种技术能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对作物的生长影响不大，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。人们身体要保持健康就需要蔬菜提供营养，而植物生长需要特定的自然环

12、境，在我国的三北地区（西北，华北，东北），在冬季和春季均满足不了绿色食品的需求，而大棚，正是一种人造的适合植物生长的小型气候环境，由于温室能够使农作物在不适合生长的季节产出，温室大棚技术为社会带来了可观的经济效益，促进了社会的和谐发展。研究现状：中国已加入WTO，我国农产品将严重受到世界市场的冲击已成定局，绝大部分传统的大田农作物在价格上难于在国际市场竞争。总揽大局，为适应国际大环境，我国政府已在农业结构调整、农业产业化等方面展开了一场前所未有的改革。作为农业结构调整的重要组成部分，作为农民快速致富的重要手段，大棚种植、大棚养殖以其前所未有的趋势在全国得以蓬勃发展，然而我国作为一个农业大国，温

13、室大棚技术的发展却比较晚，与国外的技术相比有很大差距。为了提高这方面的技术，在自70年代末起，我国先后从日本、美国、荷兰和保加利亚等国引进了不下40套的现代化温室成套设备，虽然引进的这些温室设备技术领先、设备先进，但在我国的使用过程中还存在着较为严重问题，主要是由于我国自然气候的特点和引进的设备不能相符合，导致设备不能发挥完整的作用，加上设备的可改动性不大，因而很难达到设备对温室内温度、湿度、等的合理控制。经过多年来的研究和实验，我国的温室大棚技术发展到现在，已经形成了比较完整和全面的体系。但在某些方面还有欠缺和需要改进地方，譬如说对温室中温度因子采用的控制，控制水平、控制精度以及控制稳定性方

14、面都有待于进一步的提高。由于我国的温室大棚产业起步比较晚，发展时间短，造成我国的温室大棚技术水平比较低，现代化管理程度不高，温室大棚环境监测条件差等状况。目前温室大棚技术的发展方向是生态大棚。1.2 内容温度控制范围23-28摄氏度 ；温度在设计范围内，具备温度自动控制检测和自动恒温控制和超温警报功能设计要求：双点温控带动热风机；上下超温报警和恒温控制；热风机过流保护电路设计；供电电路设计设计方法：传感器选用18B20，它由温度上、下限LED显示电路，可控硅控制电路，模拟声电路和交流降压整流电路等组成。该温控电路可按设定的上、下限温度内进行自动控制，测温精度在1范围内，控温效果理想，还可进行超

15、温指示。当当前温度超出设定范围时蜂鸣器发出报警声音。利用双点温控带动热风机，在温度超出或低出适当的温度范围时起降温和加热的作用。该电路具有0.1的分辨能力。供电电路由LM317可调集成稳压器构成，最大输出电流为2.2A，输出电压范围为1.2537V。（可提供单片机所需5V电压，及超温报警器35V电压）。用继电器带动交流电。2 方案论证对于温度控制系统的设计，首先要选择的是温度相对应的数据的输入，这就需要一个温度传感器来对进行数据采集和对数据的分析处理，并以此来控制显示温度。对于传感器来说，其种类很多，在最开始我选择的是TC620作为传感器，它有许多的优点，它是集控制于一体，并且可以设定温度的上

16、下限，用起来是比较的方便，但是它是模拟型输出温度传感器，它在温度设置方面采用的是外接电阻，电阻值容易受到外界环境因素的影响，例如温度，湿度等因素，从而影响控制精度。而现在我选用的是18B20数字温度传感器，它的工作不受外界影响，采集到的数字信号方便处理，而且在温度设置上更加灵活方便，并且精度更高。其次本设计采用单片机对传感器18B20送来的温度数据与设定值进行比较，并做出相应的控制，同时在LED显示电路输出当前温度值。最后继电器对单片机输出信号做出相应的响应，如果输出值高于或者低于设定温度上下限则带动交流接触器吸合，同时带动热风机进行加热或者是降温。3 系统设计3.1 温度信号的检测温度检测是

17、温度控制系统的一个很重要环节，直接关系到系统性能。温度检测需要传感器件对温度信号的采集,温度传感器件在其中起到了很大的作用。首先就是对温度传感器件的选择。3.2. 温度传感器的选择温度传感器种类繁多，但在微机系统中使用的传感器，必须是能够将非电量转换成电量的传感器，目前常用的有热电偶传感器，热电阻传感器和半导体集成温度传感器，数字式温度传感器等。热电偶传感器是利用两种不同材料的金属连在一起构成的具有热电效应原理的一种感温元件。其优点为精确度高、测量范围广、构造简单、使用方便，型号种类比较多且技术成熟等。目前广泛应用于工业与民用产品中。热电偶的种类很多,在选择时必须考虑其灵敏度、精确度、可靠性、

18、稳定性等条件。不同分度号的热电偶，有不同的温度电动势关系，分度表是冷端为0时的工作端温度电动势关系的表格表示，分度曲线则用其图形表示，它们都是设计温度检测环节的重要依据。半导体IC温度传感器是利用半导体PN结的电流、电压与温度（或电压）变换关系来测温的一种感温元件。这种传感器输出线性好、精度高，而且可把传感驱动电路、信号处理电路等与温度传感器部分集成在同一硅片上，体积小，使用方便，如AN6701、LM134、AD590等。IC温度传感器在微型计算机控制系统中，通常用于室温或环境温度的检测，以便微型计算机对温度测量值进行补偿。数字式温度传感器DS18B20是由Dallas半导体公司生产的第一片支

19、持单总线接口的温度传感器，它可以使用户可轻松的组建传感器网络，为测量系统的够建引入全新概念，它的体积更小，更经济，更灵活。它的温度测量范围为-55+125，在-1085范围内，精度为0.5。现场温度直接以总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合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。它可以程序设定912位的分辨率，精度为0.5。可以选更小的封装方式，更宽的电压使用范围。3.3 数字式温度传感器18B20 3.3.1 18B20简述DS18B20 是美国DALLAS 公司生产的可完全替代DS1820 的全新型单线数字式温度计。文中介绍了DS18B20

20、 的性能结构和与DS1820 比较所具有的不同特点，说明了DS18B20 的使用要求。给出了DS18B20 与单片机成成的测温系统的应用电路和检测流程。DS18B20DS18B20 是美国DALLAS 公司生产的一线式数字式温度计芯片，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，可广泛用于食品库、冷库、粮库等需要控制温度的地方。DS18B20 是DS1820 的改进型产品，但该产品具有比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。图3.1DS18B20的引脚排列3.3.2 DS1

21、8B20系列的性能特点与DALLAS 公司生产的DS1820 相比，DS18B20 具有如下特点： 在-10+85范围内，DS18B20 具有0.5的精度。因而DS18B20 在和DS1820 的测温精度相同时，具有更宽广的温度范围。 分辨率为912 位（包括1 位符号位），并可由编程决定具体位数； DS18B20 的转换时间与设定的分辨率有关，当设定为9位时，最大转换时间为93.75ms；10 位时的转换时间为187.5ms；11 位时为375ms；12 位时为750ms； 电源电压范围为3.0V5.5V； 图3.2复位时序内含程序设置寄存器，可用来设置分辨率位数，该寄存器是DS1820 所

22、没有的。其格式为：TM R1R011111 表3.1其中，TM 为测试模式位，为1 表示测试模式，为0 表示工作模式，出厂时该位设为0，且不可改变。R1 和R0 的设置组合与温度分辨率有关，具体关系见表1。表1 温度分辨率的设置R1R2分辨率的设置组合009位0110位1011位1112位 表3.2片内带有64 位激光ROM：从高位算起，该ROM 有一个字节的CRC 校验码，6 个字节的产品序号和一个字节的家庭代码。对于家庭代码，DS1820 是10H，DS18B20 是28H。 内含温度数据寄存器：该寄存器由两个字节组成，实际上DS18B20 中寄存器的字节定义或温度值与DS1820 不一样

23、，DS1820 的分辨率为0.5，而DS18B20 的12 位分辨率为24。图3.3写时隙时序3.3.3 DS18B20 的应用DS18B20封装DS18B20 采用3 脚TO-92 封装或8 脚SOIC 封装。下图是其采用8 脚SOIC 封装的引脚排列图。其中GND 接地；VDD 为电源端；DQ 是数据输入/输出端；其余为空脚。图3.4DS18B20的8脚SOIC封装引脚排列图3.5DS18B20 3 脚TO-92 封装或8 脚SOIC 封装DS18B20 的供电方式有两种：一种为寄生电源，另一种为外加电源。图3.6检测系统图同DS1820 一样，用户也可通过1 线端口对DS18B20 进行

24、操作，其步骤为：复位ROM 功能命令存储器功能命令执行/数据DSB1820 的ROM命令有5 个，存储器命令有6 个，这些命令字和功能同DS1820 完全一样。命令的执行都是由复位、多个读时隙或/和写时隙基本时序单元组成。因此，只要将复位、读时隙、写时隙的时序了解清楚，使用DS18B20 就比较容易了。复位使用DS18B20 时，首先需将其复位，然后才能执行其它命令。复位时，主机将数据线激发为低电平并保持480s960s，然后释放数据线，再由上拉电阻将数据线拉升1560s。然后再由DS18B20 发出响应信号，以将数据线激发成低电平60240s，这样，就完成了复位操作。其复位时序如图2 所示。

25、写时隙在主机对DS18B20 写数据（主机对DS18B20 发送各种命令）时，先将数据线激发为低电平，该低电闰应大于1s。然后根据写“1”或写“0”来使数据线变高或继续为低。DS18B20 将在数据线变成低电平后15s60s 对数据线进行采样。要求写入DS18B20 的数据持续时间应大于60s 而小于120s，两次写数据之间的时间间隔应大于1s。写时隙的时序如图3 所示。读时隙当主机从DS18B20 读数据时，主机先数据线激发出低电平，然后释放，以使数据线再升为高电平。DS18B20 在数据线从高电平变为低电平的15s 内将数据送到数据线上。主机可在15s 后读取数据线以获得数据。其时序图如图

26、4 所示。基于DS18B20 的温度检测系统图3.7检测流程图以DS18B20 为传感器，AT89C51 单片机为控制核心组成的温度巡回检测系统的电路框图如图5 所示。图中，DS18B20 的供电方式为外部电源，其I/O 数据线与P1.0 相连。在DS18B20 接入系统之前，应分别从激光ROM 中读出其序号，然后分别赋予在系统中的编号1n。该系统需要用键盘来设置温度报警的门限值，并用七段LED 显示器显示DS18B20 的编号和测量的温度值。可用8279 键盘/显示控制芯片和译码电路74LS154 以及驱动电路74LS245来完成该功能。当测量温度超出报警门限时，系统将从P1.2P1.3 输

27、出光声报警信号。其主要的温度巡回检测流程图如图6 所示3.4本设计内部结构分析3.4.1电路原理分析主电路 图3.8主电路图该电路由温度传感器，单片机，温度显示电路，温度设置输入键盘，报警电路，控制器供电电路，继电器控制电路。 图3.9传感器电路温度传感器部分由18B20和上拉电阻R1组成，其作用是采集温度信号，供单片机处理。 图3.10单片机电路单片机部分由AT89S51及其外围电路组成，其作用是将传感器送入的温度信号与设置值进行比较，做出相应控制，同时向显示电路输出当前温度值。 图3.11LED显示电路LED显示电路部分由各段上拉电阻及2个7段数码管组成，其作用是显示用户的设置值和当前温度

28、值。 图3.12温度设置输入键盘电路温度设置输入键盘部分由3各按键和各自的上拉电阻组成，其作用是供用户设置温度值。 图3.13 报警电路报警电路由电阻R2,R3，三极管Q1及蜂鸣器组成，其作用是当当前温度超过或者低于设置的上限或者下限温度值时单片机P3.7脚输出低电平三极管Q1导通驱动蜂鸣器发出声音报警。 图3.14供电电路控制器供电电路由变压器BYQ，整流桥D1，3端可调稳压器LM317等组成，220V交流电经变压器BYQ降压后经过整流桥D1整流并经C1滤波后送入3端稳压器LM317，其中调节R2可以调节输出电压，输出电压经过C2滤波后可为电路提供稳定的是输出电压。 图3.15继电器控制电路

29、继电器控制电路由R4,R5,R6,R7,三极管Q2,Q3及继电器K1,K2组成，当当前温度超过设置的上限值时单片机P2.2输出低电平三极管Q2导通继电器K1吸合，带动交流接触器1闭合以启动冷却设备进行降温。当当前温度低于设置的下限温度值时单片机P2.3脚输出低电平三极管Q3导通，继电器K2吸合，带动交流接触器2闭合以启动加热设备进行升温。其中保险丝F1,F2为起过流保护的作用。该电路作用是当当前温度超过或者低于设置的上限或者下限温度值时，对单片机发出的控制信号做出响应，以控制冷却或加热设备。3.4.2单片机程序#include#include #define uchar unsigned ch

30、ar /*端口定义*/#define LED P0/*实际温度值输出端口定义*/ #define NOP _nop_()sbit tem_in=P30;/*温度读取端口*/sbit con_out=P17;/*报警启动端口*/sbit DP=P27;#define L 15/*温度报警下限*/#define H 40uchar temp_h,temp_l;/*温度值变量*/uchar flag1;/*正负标志位*/uchar code ledcode=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;/*数码显示数据：0，1，2，3，4，5，6

31、，7，8，9*/uchar code ledbit=0xfe,0xfd,0xfb;/共阴leduchar dispbuf2=0,0;uchar B20num=1,2,3,4,5,6,7,8;/假B20共有片/*=函数功能:延时入口参数: 说 明 :送迟202us=*/void delay(unsigned int count)unsigned int i;while(count)i=200;while(i0)i-;count-; /*=函数功能:延时 us入口参数: 说 明 :=*/void Delay_us(uchar n)uchar i;i=0;while(i0)i-;tem_in=1;i

32、=4;while(i0)i-;/*=函数功能:直接读一字节程序入口参数:无 说 明 :返回结果=*/uchar ReadByte(void)uchar i,k;i=8;k=0;while(i-)tem_in=1;Delay_us(1);tem_in=0;k=k1;tem_in=1;NOP;if(tem_in)k |= 0x80;Delay_us(4);return(k);/*=函数功能:向B20写一字节入口参数:待写数据 说 明 :=*/void tmpwrite(unsigned char dat)unsigned int i;unsigned char j;bit testb;for(j=

33、1;j1;if(testb)tem_in=0;i+;i+;tem_in=1;i=8;while(i0)i-;elsetem_in=0;i=8;while(i0)i-;tem_in=1;i+;i+;/void tmpchange(void)dsreset();/*复位*/delay(1);tmpwrite(0xcc);/跳过序列号命令tmpwrite(0x44);/转换命令/*=函数功能:将温度值读出来并转化为显示数组入口参数: 说 明 :调用 ReadByte();=*/void tmp(void)float dis;/uchar tempbuf;dsreset();delay(1);tmpw

34、rite(0xcc);tmpwrite(0xbe);temp_l=ReadByte();/低位在前temp_h=ReadByte();/高位在后flag1=temp_h&0xf8;if(flag1)temp_h=temp_h;if(temp_l=0)temp_h+;/若低位全为且温度为负，取补时就要向高位进temp_l=temp_l+1;dis=(temp_h*256+temp_l)/16;/dis=25.34;/调试用if(dis10)dispbuf0=0;dispbuf1=(uchar)dis;elsedispbuf0=(uchar)dis/10;dispbuf1=(uchar)dis%1

35、0;/dispbuf2=(uchar)(dis*10)%10;/dispbuf3=(uchar)dis*100%10;/*=函数功能:将显示数组里的数显示入口参数:无 说 明 :本例中只显示一片DS18B20中的温度=*/void dis(void)uchar i;for(i=0;i2;i+) /*输送显示数据*/ LED=0xff;/去段码P2 = ledbiti;/LED位选能delay(3);/if(i=0)&(dispbuf0=0)/LED=0x00;/*去掉最前面的，更符合阅读习惯*/*保证有效数可靠显示，使其符合习惯*/ LED=ledcodedispbufi;/送段码delay(

36、5);/*=函数功能:主函数将温度从DS18B20读出来并且显示入口参数: 说 明 :=*/main()LED=0xff;P2=0x00;dotmpchange();/*启动温度转换*/delay(10);/*等待转换结束，可不用,会对显示产生影响*/tmp();/*读取温度转换结果*/dis();/*温度显示和报警*/while(1);3.4.3单片机仿真截图 图13.16片机仿真截图仿真说明：温度传感器部分由18B20和上拉电阻R1组成，其作用是采集温度信号，供单片机处理。单片机部分由AT89S51及其外围电路组成，其作用是将传感器送入的温度信号与设置值进行比较，做出相应控制，同时向显示电

37、路输出当前温度值。LED显示电路部分由各段上拉电阻及2个7段数码管组成，其作用是显示用户的设置值和当前温度值。温度设置输入键盘部分由3各按键和各自的上拉电阻组成，其作用是供用户设置温度值。报警电路由电阻R2,R3，三极管Q1及蜂鸣器组成，其作用是当当前温度超过或者低于设置的上限或者下限温度值时单片机P3.7脚输出低电平三极管Q1导通驱动蜂鸣器发出声音报警。控制器供电电路由变压器BYQ，整流桥D1，3端可调稳压器LM317等组成，220V交流电经变压器BYQ降压后经过整流桥D1整流并经C1滤波后送入3端稳压器LM317，其中调节R2可以调节输出电压，输出电压经过C2滤波后可为电路提供稳定的是输出

38、电压。继电器控制电路由R4,R5,R6,R7,三极管Q2,Q3及继电器K1,K2组成，当当前温度超过设置的上限值时单片机P2.2输出低电平三极管Q2导通继电器K1吸合，带动交流接触器1闭合以启动冷却设备进行降温。当当前温度低于设置的下限温度值时单片机P2.3脚输出低电平三极管Q3导通，继电器K2吸合，带动交流接触器2闭合以启动加热设备进行升温。其中保险丝F1,F2为起过流保护的作用。该电路作用是当当前温度超过或者低于设置的上限或者下限温度值时，对单片机发出的控制信号做出响应，以控制冷却或加热设备。3.5 大棚加热和降温3.5.1 加热方式温室大棚使用的加温方式有：地炉煤火加热，热风、热火、蒸汽

39、采暖以及热水（蒸汽）热交换热风采暖，蒸汽热交换热水采暖，电热采暖，辐射采暖，太阳能蓄热采暖等。目前较常应用的有热风加热和热水加热两种方式，均采用燃油（柴油和重油）锅炉作为热源。热风加热系统是将温室内空气吸进来，加热后经主风道和设置于垄间的支风道送回温室，出风口温度低于30，风速为13m/s。热水加温系统是把水加热到65左右，用水泵和管路通到地下，则可加热土壤。如果温室面积较大，用热水管道加热，其运行成本较低，并能较好地保证室内作物生长所需的温度。若温室面积较小，用热风加热可较灵活地操作，一次性投资较管道加热系统小。当然，在大棚中也还有许多其它的加热装置。3.5.2 降温方式大棚降温有很多中方法

40、，从降低能耗，减少温室运行费用，提高产出效益等方面考虑，在对温室内部温度进行控制时，应该尽可能地利用自然通风来实现，而打开温室的天窗和侧窗，则是实现自然通风的必要保证。目前我国温室天窗机构形式较多，推荐使用的有：a齿轮齿条式；b齿轮推杆式；c曲柄推杆式。除此之外，还可以在温室屋顶处设置垂直卷帘窗的形式，对室内进行自然通风降温。经实验测定：在只开天窗且室内温度不超过25的春秋季节，室内在5min内可降低25，因此可以在春秋季节节省部分降温能源。 在高温天气还需要用湿帘风机降温。湿帘风机降温系统是由湿帘、风机、水循环系统和附件组成，利用水分蒸发时，空气中的湿热转化成潜热的原理进行降温，水分蒸发的多少与空气的饱和蒸汽压差成正比关系。空气越干燥，温度越高，经过湿帘的空气降温幅度越大。多年来的生产实践证明，该系统不但在我国北方地区降温效果极为显著，而且在长江流域以南地区及东南海一带的高温季节也很适用，夏季高温天气，空气通过湿帘后一般