1、 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
2、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
3、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
4、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
5、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 2-1 2-1 系统功能方框图 2.3
6、 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
7、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 912 位的数字读数方式。 单片机 DS18B20 温度采集 键盘
8、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) 64 b 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
9、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
10、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 4 3-4 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。
11、 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
12、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 64 b ROM 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
13、，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
14、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
15、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10 s。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 12 MHz，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：
16、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4.7 k,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
17、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
18、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
19、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描方式。 按键一端接高电平后通过一个 1K电阻直接接入单片机 I/O口中分别接入单片机的P2.0,P2.1,P2.2,P2.3,四个 I/O口中，另一端接地，按键响应是 I/O从高电平变为低低频。 电路如图 4-3所示 7 图 4-2 复位电路 图
20、4-3 键盘电路 4 2 继电器控制电路 为了能通过温度的变化来调节大棚的温度，这里我选用了继电器， 单片机可以通过继电器实行低压控制高压，中压，低压电路。是一个很好的开关器件。 本 次系统采用的是 5V 低 电 压 控制 220V 的 继电器。 电路说明：继电器接电源控制的两端分别接上 5V 电源，和一个三极管，通过单片机的 I/O 电路的高低电平来控制 9012 的导通与截至，从而控制继电器的吸合， 这里继电器与单片机的接口问 P2.和 ,P2.5 两口 电路如图 4-4 8 图 4-4 继电器电路 4.3 显示电路 方案一：采用动态显示 这种工作方式是分时轮流选通数码管的公共端，使得各个
21、数码管轮流导通。当所有数码管依次显示一遍后，软件控制循环，使每位显示器分时点亮。这种方式不但能提高数码管的发光效率，并且由于各个数码管的字段线是并联使用的，因而大大简化了硬件线路。 各个数码管虽然是分时轮流通电，但由于发光数码管具有余辉特性及人眼具有视觉暂留作用，所以适当选取循环扫描频率时，看上去所有数码管是同时点亮的，察觉不出有闪烁现象。 方案二：采用 静态显示 数码管工作在静态显示方式下，共阴极或共阳极点连接在一起接地或高电平。每位的段选线与一个 8 位并行口相连。只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。该工作方式常采用串行口设定方式 0 输出，外接 74LS164
22、 移位寄存器构成显示电路。 这里我选用 静态显示 方案 电路如图 4-5 所示 4 4 AT89C51 单片机芯片 方案一：采用 AT89C51 芯片，它具有体积小、功耗小，容量大。含有中断、定时 /计数器。本次设计没有非常大的编程量，此芯片的容量已足够。 方案二：采用 AT89S52 芯片，它比起 80C51 它增加了一个 16 位定时 /计数器 T2。 T2与 T0和 T1 有类似的功能，即可以作定时或计数器 使用，同时还增加了扑捉等新的功能，它的功能比其他两个定时器更强，使用也比较复杂。 9 图 4-5 显示电路 （ 1 个模块） 图 4-6 AT89C51 芯片 4 5 温度传感器 方
23、案一： 热敏电阻。 热敏电阻 是用半导体材料制成的热敏器件，它测量温度是把电阻随温度的变化关系转化为电压随温度变化的关系，再把热敏电阻电压值经 A/D 转换成数字量，然后通过软件方法计算得到温度值，再进行显示等处理。它的阻值与温度变化呈非线性关系，稳定性和互换性较差，因此使用中是要进行线性化处理的。线性化处理虽然能改善 热敏电阻的特性曲线，但比较复杂。 方案二： DS18B20 温度传感器 。 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
24、 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。 综合上述，为了 简化电路，经济实惠， 自动测量 等方面考虑 ，采用方案 二。 如下图 4-7 10 图 4-7 DS18B20 芯片 4.6、电 路总图 综合以上 各 电路模块，及各模块电路的使用功能。绘制出本系统的电路总图，图见附录 4-8。此电路配合 AT89C51 单片机芯片的编程可实现系统的全部功能， 图 4-8 总电路原理图 112233445566DDCCBBAATitleNumberRevisionSizeBDate:2008-4-18SheetofFile:G:毕业论文SHEET1.SCHDOCDrawn
25、 By:S1 S2 S3 S41kR61kR5VCC1kR41kR31 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dp9GNDabfcgdedp10NCLED2p2.3p2.2p2.1p2.0p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 RSTRXDTXDINT0INT1T0 T1 WR RD XTAL2XTAL1Vssp2.0p2.1p2.2p2.3p2.4p2.5p2.6p2.7PSENALEVppP0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0VccAT89C51p1.0 clkP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3
26、.0P3.1P3.2P3.3P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7ALEPSENP2.7P3.4P3.5P3.6P3.7p2.0p2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6VCC1212mHZ30pFC147uFC330pFC21kR0S5VCCRSTRST1KR1SY-5-WVCCp2.4EDC GFgndAH G F E11VCCA B C D gndHVCC clk1 2 3 4 5 6 789101112131474LS164BH1 G1 F1 E122VCC1A1 B1 C1 D1 gnd1BVCC1clk1 2 3 4 5 6 789101112131
27、474LS1641BH2 G2 F2 E233VCC2A2 B2 C2 D2 gnd2VCC2clk1 2 3 4 5 6 789101112131474LS1642B1 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dp9GNDabfcgdedp10NCLDE3E1D1C1 G1F1gndA1 H1B11 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dp9GNDabfcgdedp10NCLED4E2D2C2 G2F2gndA2 H2B21 2 3 4 5 6 7a b c d e f g8dp9GNDabfcgdedp10NCLED1E3D3C3 G3F3gndA3H3 G3 F3 E3p1.0p1.0VCC3A3 B3 C3 D3 gndH3VCC clk1 2 3 4 5 6 789101112131474LS164BB3123DS18B20GND p1.2 VCCVCCXTAL2XTAL1XTAL2GNDXTAL190121KR1SY-5-WVCCp2.59012D2 D1
