温室大棚控制系统设计

大连交通大学2010届本科生毕业设计（论文）1摘要本课题运用STC89C52单片机、DS-18B20数字温度传感器、继电器和M4QA045电动机、ULN-2003A集成芯片、湿敏电阻，以及四位八段数码管等元器件，设计了温湿度报警电路、M4QA045电机驱动电路、电热器驱动电路，实现了温室大棚中温度和湿度的控制和报警系统，解决了温室大棚人工控制测试的温度及湿度误差大，且费时费力、效率低等问题。该系统运行可靠，成本低。系统通过对温室内的温度与湿度参量的采集，并根据获得参数实现对温度和湿度的自动调节，达到了温室大棚自动控制的目的。促进了农作物的生长，从而提高温室大棚的产量，带来很好的经济效益和社会效益。关键词:STC89C52单片机、DS-18B20数字温度传感器、ULN-2003A集成芯片、温室、自动控制、自动检测大连交通大学2010届本科生毕业设计（论文）2目录第1章绪论§1.1选题背景§1.2选题的现实意义第2章系统硬件电路的设计§2.1系统硬件电路构成系统整体框图§2.1.2系统整体电路图§2.1.3系统工作原理§2.2温度传感器的选择§2.2.1DS18B20简介§2.2.2DS18B20的性能特点§2.2.3DS18B20的管脚排列§2.2.4DS18B20的内部结构§2.2.5DS18B20的控制方法§2.2.6DS18B20的测温原理§2.2.7DS18B20的时序§2.2.8DS18B20使用中的注意事项§2.3单片机的选择§2.3.1单片机概述§2.3.2AT89C2051芯片的主要性能§2.3.3AT89C2051芯片的内部结构框图§2.3.4AT89C2051芯片的引脚说明§2.3.5使用AT89C2051芯片编程时的注意事项§2.4RS-485通信设计§2.4.1串行通信的分类§2.4.2串行通信的制式§2.4.3串行通信的总线接口标准§2.4.4RS-485的硬件设计§2.5小结第3章系统软件的设计§3.1系统主程序§3.2系统部分子程序§3.2.1DS18B20初始化子程序§3.2.2DS18B20读子程序§3.2.3DS18B20写子程序(有具体的时序要求)§3.2.4DS18B20定时显示子程序§3.2.5DS18B20温度转换子程序§3.3DS18B20的流程图大连交通大学2010届本科生毕业设计（论文）3第4章总结参考文献致谢附录大连交通大学2010届本科生毕业设计（论文）1第一章绪论1.1选题背景在人类的生活环境中，温湿度扮演着极其重要的角色。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度和湿度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温湿度有着密切的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温湿度的因素。温湿度不但对于工业如此重要，在农业生产中温度的监测与控制也有着十分重要的意义。我国人多地少，人均占有耕地面积更少。因此，要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能实现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。温室大棚技术就是其中一个好的方法。温室大棚就是建立一个模拟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约束。而且，温室大棚能克服环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长不再产生过度影响，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。由于温室大棚能带来可观的经济效益，所以温室大棚技术越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段。随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的温湿度控制便成为一个十分重要的课题。传统的温湿度控制是在温室大棚内部悬挂温度计和湿度计，通过读取温度值和湿度值了解实际温湿度，然后根据现有温湿度与额定温湿度进行比较，看温湿度是否过高或过低，然后进行相应的通风或者洒水。这些操作都是在人工情况下进行的，耗费了大量的人力物力。现在，随着国家经济的快速发展，农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。温室大棚的建设对温湿度检测与控制技术也提出了越来越高的要求。今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化已成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。采用单片机来对温湿度进行控制，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湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。因此，单片机对温湿度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。因此，本课题围绕基于单片机的温室大棚控制系统展开了应用研究工作。大连交通大学2010届本科生毕业设计（论文）21.2选题的现实意义随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温湿度控制措施.但是，目前应用于温室大棚的温湿度检测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟开关、A/D转换器及单片机等组成的传输系统。这种温湿度度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大。为了克服这些缺点，本文参考了一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温度测控系统应用于温室大棚的的设计方案闭，根据实用者提出的问题进行了改进，提出了一种新的设计方案,在单总线上传输数字信号。本文介绍的温湿度测控系统就是基于单总线技术及其器件组建的。该系统能够对大棚内的温湿度进行采集，利用温湿度传感器将温室大棚内温湿度的变化，变换成数字量，其值由单片机处理，最后由单片机去控制液晶显示器，显示温室大棚内的实际温湿度，同时通过与预设量比较，对大棚内的温度进行自动调节，如果超过我们预先设定的湿度限制，湿度报警模块将进行报警。这种设计方案实现了温湿度实时测量、显示和控制。该系统抗干扰能力强，具有较高的测量精度，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。这种温湿度测控系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对温度的实时控制，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，以带来很好的经济效益和社会效益。大连交通大学2010届本科生毕业设计（论文）3第二章系统硬件电路的设计2.1系统硬件构成及其测控原理2.1.1系统硬件电路构成系统整体框图STC89C52复位模块晶振模块LCD1602显示模块温度调节模块湿度报警模块DHT11温湿度检测模块图2-1系统整体框图2.1.2系统整体电路图图2-2系统整体电路图大连交通大学2010届本科生毕业设计（论文）42.1.3系统工作原理本系统由如图2-1、图2-2所示，DHT11温湿度传感器采集数据，STC89C52单片机进行数据处理，LCD1602显示模块显示温湿度。由PWM控制温度调节模块进行温度调节，当温度小于18℃时，M4QA045电机停止运转，当温室大于28℃时，M4QA045电机全速运转，当温度处于18℃和28℃之间时，通过PWM控制M4QA045电机转速。由STC89C52单片机输出高低电平控制湿度报警模块，当湿度大于65%RH或者小于45%RH时，STC89C52单片机输出高电平，湿度报警模块报警，当湿度处于45%RH和65%RH之间时，STC89C52单片机输出低电平，湿度报警模块关闭。2.2显示模块的选择2.2.1DS18B20简介DS18B20数字温度传感器采用DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样等优点，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。2.2.2DS18B20的性能特点2.2.2.1、适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电2.2.2.2、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2.2.2.3、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2.2.2.4、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2.2.2.5、温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃2.2.2.6、可编程的分辨率为9～12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2.2.2.7、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750ms内把温度值转换为数字，速度更快2.2.2.8、测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力2.2.2.9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。大连交通大学2010届本科生毕业设计（论文）52.2.3DS18B20的管脚排列2.2.3.1、DS18B20的外形及管脚排列如下图：DS18B20引脚定义：（1）DQ为数字信号输入/输出端；(2)GND为电源地；(3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。2.2.4DS18B20的内部结构DS18B20内部结构图：2.2.5DS18B20的控制方法2.2单片机的选择2.2.1单片机概述单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器叶数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，大连交通大学2010届本科生毕业设计（论文）6适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器(MCU)代替单片微型计算机(SCM)这一名称。“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。1、单片机的主要特点有:(1)具有优异的性能价格比。(2)集成度高、体积小、可靠性高。(3)控制功能强。(4)低电压，低功耗。2、单片机的主要应用领域:(1)工业控制(2)仪器仪表(3)电信技术(4)办公自动化和计算机外部设备(5)汽车和节能(6)制导和导航(7)商用产品(8)家用电器因此，在本课题设计的温湿度测控系统中，采用单片机来实现。在单片机选用方面，由于STC89系列单片机与MCS-51系列单片机兼容，所以，本系统中选用STC89C52单片机。大连交通大学2010届本科生毕业设计（论文）72.2.2STC89C52单片机的引脚说明图2-3STC89C52单片机引脚图芯片引脚如图2-3所示：VCC:电源。GND:地。P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/