基于C51单片机的大棚温度自动调控系统的设计

1基于C51单片机的大棚温度自动调控系统的设计【摘要】本系统是一个自动测温控温系统。主要采用ATB9C51单片机，以及温度传感器DS18B20，将采集到的实时温度通过串口向单片机进行传输，对温度进行实时监测，并将通过键盘设定的适合大棚植物生长最佳的温度。最后将测得的结果发送到数码管显示出来。该系统对所测得的温度值进行分析，自动驱动相应的降温或加热设备，以达到对温度智能控制。在实际运用中我们就能够免除温度过高或过低给我们带来的经济损失。1.前言1.1、系统的运用和实际意义在随着农业现代化的发展，名贵蔬菜栽培工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，己越来越受到世界各国的重视。这也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。我国的现代化温室是在引进与自我开发并进的过程中发展起来的。温室是植物栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类名贵蔬菜对温度生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，根据市场的供求关系，提早或延迟最佳食用期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制温室环境。控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。终端控制设备向中央控制装置输送检测信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现温室环境调节。1.2、系统设计任务及要求1.2.1、设计任务设计一个基于单片机可以自动监控、调控大棚内温度的智能系统。设计后的温度检测系统，通过外部设备控制设置温度，并能直接显示出来设置温度和当前温度。若温度没达到设定的温度，系统都能够自动的调节温度，当温度低于设定温度值时启动加热设备，当温度高于设定温度值时启动降温设备，使得菜棚可以控制有利于植物生长的最佳温度，实现智能恒温控制。1.2.2、设计要求（1）通过按键可以任意设置大棚内的温度。（2）能检测当前大棚内的实时温度。（3）能用数码管显示调节设置的温度值，和当前实时的温度值。（4）能智能调节大棚内的温度，使当前温度等于设置的温度值。（5）调节后的大棚内的温度与按键设置的温度，正负误差不能大于1度。（6）温度显示的最小精度为1度，升温、降温阶段的温度控制精度要求为1度，保温阶段温度控制精度为1度。（7）智能系统的温度的加热，散热系统。分别为电炉丝加热，开启风扇和打开大棚门窗通风散热。2、系统结构设计2.1系统框架本设计系统包括温度传感器，键盘输入控制模块，输出控制模块，温度显示模块和温度调节驱动2电路五个部分。文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。整个系统的核心是进行温度监控。系统由51系列单片机AT89C51、按键、DS18B20温度采集、数码管显示，电源，电动机散热，灯泡加热模块等部分构成。单片机部分包括时钟电路、复位电路；按键部分能够实现对温度的调整设定。四个按键的功能分别为:加10度、加1度、减10度、减1度。温度采集部分包括温度传感器、BCD码转换。经软件处理后送至7段共阴数码管显示。电源部分共输出5V电压给各个芯片提供电源。2．2系统功能方框图2-12-1系统功能方框图2.3系统功能说明（1）能够用数码管同时显示测量的温度和预设的温度，显示位数4位，分别预设温度的十位，个位测量温度的十位，个位。（2）可以手动通过按键设置温度（3）超出温度设定值时启动降温设备（电动机自制的电风扇），温度低于设定值时启动加热设备（电灯泡）温度相等的时候把两继电器都关了。3、DS18B20功能介绍为了简化电路，经济实惠，自动测量等方面考虑，本系统采用DS18B20温度传感器来测量系统温度，DS18B20与单片机是单总线连接方式，它只定义了一根信号线，总线上的每个器件都能够在合适的时间驱动它，相当于把单片机的地址线、数据线、控制线、合为一根信号线对外进行数据交换，并且，它不再经A/D转换成数字量，直接测得为数字量，简化了许多工作量，电路也简单可靠的多。下面介绍温度传感器DS18B20的使用说明。3.1.DS18B20简介（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：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9~12位的数字读数方式。单片机DS18B20温度采集键盘预设温度数码管显示自动调节温度电源继电器控制3（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。3.2.DS18B20的内部结构DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图3-1所示。(1)64b闪速ROM的结构如下图3-2：开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。(2)非易市失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。(3)高速暂存存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的。后者用于存储TH，TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给。而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下图3-3：低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如43-4所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。由图3-4可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如下图3-5所示。其中温度信息（第1，2字节）、TH和TL值第3，4字节、第6～8字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。图3-5当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以5℃/LSB形式表示。温度值格式如下图3-6：对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。图3-7是对应的一部分温度值。DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若TTH或TTL,则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。5(4)CRC的产生在64bROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。3.3.DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图3-8所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。各种操作的时序图与DS1820相同，。3.4、DS18B20与单片机的典型接口设计以MCS51单片机为例，图3-9中采用寄生电源供电方式，口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管和89C51的来完成对总线的上拉。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的。主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。假设单片机系统所用的晶振频率为12MHz，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写3个子程序：INIT为初始化子程序，WRITE为写（命令或数据）子程序，READ为读数据子6程序，所有的数据读写均由最低位开始，实际在实验中不用这种方式，只要在数据线上加一个上拉电阻4.7kΩ,另外2个脚分别接电源和地。4．系统硬件设计与方案选择4.1单片机电路4.1.1时钟电路时钟系统是单片机的心脏，各部分都以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片记得速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有内部时钟和外部时钟两种。CPU的时钟振荡信号有两个来源：一是采用内部振荡器，此时需要在XTAL1和XTAL2脚连接一只频率范围为1.2—12MHZ的晶体振荡或陶瓷振荡器及两只30pf电容。二是采用外部振荡，此时应将外部振荡器的输出信号接至XTAL1脚，将XTAL2脚浮空。本次设计中采用的是内部振荡器，频率为12MHZ的晶体振荡器及30pf的瓷片电容。如图4-1所示。图4-1时钟电路4.1.2复位电路复位是指在规定的条件下，单片机自动将CPU以及与程序运行相关的主要功能部件、I/O口等设置为确定初始状态的过程。如果电路参数不符合规定的条件或干扰导致单片机不能正确的复位，系统将无法进行正常的工作，因此，复位电路除了要符合厂家规定的参数外，还要滤除可能的干扰。AT89C51单片机内部有一个由施密特触发器等组成的复位电路。复位信号是从其9脚，即RST脚输入的。AT89C51单片机规定，当其处于正常工作状态，且振荡器工作稳定后，在RST端有从高电平到低电平，且高电平时间大于两个机器周期的复位信号时，CPU将完成对系统的复位。有两点需要注意：一、复位信号是高电平有效，二、高电平的保持时间必须大于两个机器周期，可见高电平保持时间与振荡频率有关。本次设计中采用上电复位电路，上电复位是指在系统上电时，RST端自动产生复位所需要的信号将单片机复位，本次设计中的上电复位电路如图所示。上电时，RST端高电平的维持时间取决于R(1k)和C(47uF)的值。要使单片机可靠的复位，设计中使其维持的时间足够长。电路如图4-2.4.1.3按键电路系统要能设置温度，就要有外部设备。这里我选用按键设备来完成调节所需的设备。因为本系统只需四个按键，所以采用独立式按键电路每个键单独占有一根I/O接口线，每个I/O口的工作状态互不影响，此类键盘采用端口直接扫