1、第 1 页共 47 页基于单片机的温度测量系统设计摘 要随着科技的不断进步，在工业中温度是常用的被控参数，而采用单片机来对这些对这些被控参数进行控制已成为当今的主流。本文介绍了数字温度测量及自动控制系统的设计。本文采用单片机对温度的控制。它的主要组成部分有：AT89S51 单片机、温度传感器、键盘与显示电路、温度控制电路。他可以实时的显示和设定温度，实现对温度的自动控制。通过测试表明，本设计对温度的控制有方便、简单的特点，从而大幅提高了被空温度的技术指标。关键词：单片机，温度传感器，键盘和显示第 2 页共 47 页Temperature measurement system basedon s
2、ingle chip designAbstractAs technology progresses, the temperature in the industry is charged with common parameters, while those with single chip to control the parameters of those charged has become the mainstream. This article describes the digital temperature measurement and automatic control sy
3、stem. In this paper, the temperature control of SCM. It， s main components are: AT89S51 microcontroller, temperature sensor, keyboard and display circuit, the temperature control circuit. He can be real-time display and set temperature, the temperature control to achieve. Test show that the design o
4、f temperature control are easy, simple features, which significantly increased the temperature of the technical indicators are empty.Keywords: Microcontroller, Temperature sensor, Keyboard and Display1 绪 论1.1 单片机温度测量系统的背景在人类的生活环境中，温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打着交道。温度在工业自动化、家用电器、环境保护、安全生产和汽车
5、工业等部分中，都是最基本的检测参数之一 【1】 。特别是化学工业自动化系统中，一般温度检测占全部检测点的 50以上，可见温度检测的重要性所在。随着科学技术的不断发展，各企业对温度检测技术提出了更高的要求，希望利用新的检测方法，制造出适应性更强、精度更高、性能更稳定、并具有智能功能的新一代温度检测仪表。自 18 世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。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度的因素。温度不但对于工业如此重要，在农业生产中温度的检测与控制也有着十分重要的意义。第 3 页共 47 页我国人多地少，人均占有耕地面积更少
6、。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影响大，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 【2】 。随着大棚技术的普及，温度大棚数量不断增多，温度大棚的温度控制便成为一个十分重要的课题。传统的温度控制是在温室大棚内部
7、悬挂温度计，通过读取温度来知道大棚内的实际温度，然后根据现有温度与额定温度进行比较，看温度是否过高或过低。如果过高，就对大棚进行降温处理；如果过低，就对大棚进行升温处理。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。大型温室大棚的建设对温度检测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多占鳌头。时下，家用电
8、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空温度的技术指标，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，单片机对温度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。1.2 单片机温度测量系统选题的实现意义随着单片机和传感设计的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温度环境自动检测控制方面的研究有了明显的进度，
9、并且必将以其优异的性能价格比，逐步第 4 页共 47 页取代传统的温度传感控制措施。但是，目前应用于温室大棚的温度检测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟开关、A 心转换器及单片机等组成的传输系统。这种温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设计方案，根据实用者提出问题进行了改进，提出了一种新的设计方案。数字化单总线技术是利用 DALLAS 公司生产的新型器件实现的。它将
10、系统的地址线、数据线、控制线合为一根导线，允许在这根导线上挂接数百个控制对象，形成多点单总线测控系统 【3】 。这些测控对象所用的芯片都由该公司提供。采用单总线协议后，可在检测点将模拟信号数字化。这样，这单总线上传输的便是数字信号。本文介绍的温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度进行采集，利用温度传感器将温室大棚内温度的变化，变成电流的变化，在转换为电压变化输入模数转换器，其值由单片机处理，最后由单片机去控制数字显示器，显示温室大棚内的实际温度，同时通过比较，对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析。如果超过我们预先设定的温度限制，温度报警系统将进行报警，并同时自
11、动对大棚内的温度进行控制。这种设计方案实现了温度实时测量、显示和控制。该系统干扰能力强，具有较高的测控精度，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。1.3 国内外研究现状及其发展1.3.1 国外温室环境控制国外对温室环境控制技术研究较早，始于 20 世纪 70 年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示，记录和控制。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
12、采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、第 5 页共 47 页无人化的方向发展。像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测50km 以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。1.3.2 国内温室控制技术我国对于温度控制技术的研究较晚，始于 20 世纪 80 年代。我国工程计划人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和 CO2 浓度等单项环境因子的控制。我国温室设施计算机
13、应用，在总体上正消化吸收、简单应用阶段实用化、综合性应用阶段过渡和发展。在技术上，以单片机控制的但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，与发达国家相比，存在较大差距。我国温室现状还远远没有达到工厂化农业的境地，生产实际中仍然有许多问题困扰着我们，存在着温室装备配套能力差，产业化程度低，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。1.3.3 温室环境控制技术的三个发展阶段从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段：（1）手动控制。这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其实并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者即使温室环境
14、的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和多作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要【4】 。（2）自动控制。利用计算机技术及现代化控制理论对温室内的各种环境因子如温度、光照、湿度、CO 2、浓度和施肥等，进行自动控制和调节成为温室控制的主要方式。人为创造适宜农作物生长最佳环境的自动控制技术手段成为主流。此时的温室有比较完整的控制系统，有各种传感器采集温室环境数据，监控系统实时监测环境变化及控制执行机构的动作，良好的人机界面使种植者的操作过程形象而
15、且简便。第 6 页共 47 页计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化适合规模化生产，劳动生产率得到提高。（3）智能化控制。智能化的控制技术将农业专家系统与温室自动控制技术有机结合，以温室综合环境因子作为采集与分析对象，通过专家系统的咨询与决策，给出不同时期作物生长所需要的最佳环境参数。并且依据此最佳参数对实时测得的数据进行模糊处理，自动选择合理、优化的调整方案，控制执行机构的相应动作，实现温室的智能化管理和生产。这种控制方式既能体现农作物生长的内在规律，发挥农业专家在农业生产中的指导作用，又可充分利用计算机技术的优势，使系统的调控非常方便和有效，实现温度的完全智能化控制。1.3.4 温室
16、控制存在的问题首先是农业专家系统自身的问题，农业专家系统的技术还不十分成熟。各种专家系统在收集、整理农业专家知识时并不具有真正的学习能力。其次是采集数据的束缚，温室控制技术主要停留在对温室环境因子的监控上，并没有考虑温室作物本身的生理过程。还有就是农业专家系统在温室实时控制中的应用的局限性，农业专家系统对温室环境因子进行实时监控，不同于开发单纯的农业专家系统，其中涉及与控制系统的“接口”问题。在开发温室农业专家系统时，对农业知识的表达及推理策略等要认真考虑。同时，将更多的农业知识用于温室生产的实施控制中，不仅仅局限于对环境因子的专家指导。总之，随着计算机技术、农业应用电子技术、传感器智能化技术
17、、机械电子一体化技术和计算机网络技术研究的发展，温室技术体系已经成为各个国家为合理利用农业资源、提高农产品产量、降低生产成本、保护生态环境、提高农产品在国际市场竞争力的前沿性研究领域。1.4 单片机温度测量系统主要研究的内容本设计主要做了如下几方面的工作；一是确定系统的总体功能设计方案；二是进行传感器的硬件电路和软件系统设计；三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系统设计；四是对连接单片机的上位管理计算机软件系统的设计思路、工作原理和实现方法进行了阐述。第 7 页共 47 页本设计由于采用了新型单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活、医疗、农业
18、、工业生产等方面的温度测量及控制。2 单片机温度测量系统总体设计2.1 电路的系统框图温度测量系统采用 AT89S51 八位机作为微处理单元进行控制。采用 44 键盘把设定温度的最高值和最低值存入单片机的数据存储器，还可以通过键盘完成温度检测功能的转换，温度传感器把采集的信号与单片机里的数据相比较来控制温度控制器。系统框图如图 1.1第 8 页共 47 页被测对象温度传感器信号放大器A/D转换键盘设定AT89S51显示电路温度控制报警电路图 1.1 系统框图2.2 电路的总体工作原理温度传感器将外部温度转换为模拟电流信号，接着信号放大器将电流信号转换成电压信号并自动调整信号的增益大小 【5】
19、，使得信号在 AD 转换芯片的量程范围内放大，AT89S51 的控制下，AD 转换芯片完成信号的 AD 转换，然后将转换后的数字信号送入 AT89S5l，AT89S51 进行数据的比较和 BCD 码转换，最后利用数码管对当前温度进行 3 位显示和报警。系统上电复位后开始直接运行。在运行过程中，系统每隔 3 秒检测一次当前温度并送往数码管进行显示。在检测过程中，当温度超过上限或者下限值时系统会自动报警，指示当前温度过高或者过低，并将显示清零，以准备进行下一次的数据采集，检测及显示。3 方案论证本设计是一个数字温度控制系统，能测量温度，并能在超限的情况下进行控制、调整，并报警。3.1 具体指标正常
20、工作温度范围： 560温度误差： 13.2 具体控制要求第 9 页共 47 页根据设计的要求，要利用温度传感器测量的实时温度。当温度高于设定温度时，打开降温装置进行调整使温度在设定的范围内。当温度低于设定的温度时，打开升温装置进行调整使温度在设定的范围内,同时要求能设定温度。主要任务是能对温度进行自动的检测控制。设计中采用单片机来控制温度，因此要有温度的采集电路，键盘显示电路，温控电路，报警电路等几个部分。要实现系统的设计要用到的知识点有单片机的原理及其应用，温度传感器的原理和应用，及键盘和显示电路的设计等。3.3 采用模拟集成温度传感器图 3.3 用于测量摄氏温度的电路集成传感器是采用硅半导
21、体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用 IC【6】 。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。图 3.3 是 AD590 用于测量摄氏温度的电路。因为流过 AD590 的电流与热力学温度成正比，当电阻 R1 和电位器R2 的电阻之和为 1k 时，输出电压 V0 随温度的变化为 1mv/k。AD590 把被测温度转换为电流再通过放大器和 A/D 转换器，输出数字量送给单片机
22、进行温度控制。第 10 页共 47 页3.4 显示器的选择3.4.1 LED显示器采用传统的七段数码 LED 显示器虽然价格便宜，但是现代的许多仪表、各种电子产品中逐步被 LCD 所取代。3.4.2 LCD液晶屏采用 LCD 液晶屏进行显示。LCD 液晶显示器是一种低压、微功耗的显示器件，只要 23 伏就可以工作，工作电流仅为几微安，是任何显示器无法比拟的，同时可以显示大量信息，除数字外，还可以显示文字、曲线，比传统的数码 LED 显示器现实的界面有了质的提高。在仪表和低功耗应用系统中得到了广泛的应用。优点为：1 显示质量高，由于液晶显示器的每一个点收到信号后就一直保持那种色彩和亮度恒定发光，
23、因此液晶显示器的画质高而且不会闪烁。2 数字式接口，液晶显示器都是数字式的，和单片机的接口简单操作也很方便。3 功率消耗小，相比而言液晶显示器的主要功耗在内部电极和驱动 IC 上，因而耗电量比其他期间要小很多。虽然 LCD 显示器的价格比数码管要贵，但它的显示效果好，是当今显示器的主流，所以采用 LCD 作为显示器。3.5 单片机的选择3.5.1 采用凌阳单片机随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP,Digital SignalProcessing)等领域。凌阳的16 位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的 CPU 内核采用凌阳最新推出的nSPTM(Microcontroller and Signal Processor)16 位微处理器芯片。围绕 nSPTM 所形成的 16 位 nSPTM 系列单片机采用的是模块式集成结构，它以 nSPTM 内核为中心集成不同规模的 ROM、RAM 和功能丰富的各种外设接口部件。nSP TM 内核是一个通用的核结构 【7】 。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。借助这种通用结构附加可选结构的积木式的结构，便可形成各种
