基于单片机的温室大棚温度测控系统【毕业论文+文献综述+开题报告】.doc
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1、(2011届)毕业设计题目基于单片机的温室大棚温度测控系统姓名专业电子信息工程班级学号指导教师导师职称年月日基于单片机的温室大棚温度控制系统设计摘要本文从硬件和软件两方面来讲述温室大棚温度系统的设计过程。系统以单片机AT89C52为核心控制部件,通过10KNTC温度传感器采集环境温度,并通过数码显示管显示实时温度。硬件上从温度检测电路、信号放大电路、A/D转换电路、输出控制电路、键盘及LED显示电路的设计等几个方面出发,详细研究和设计了基于单片机的温室大棚温度测控系统的各个部分内容,采用了LTC1860、LM358、74HC245、LED显示器等器件。软件方面采用汇编语言来进行单片机及其外围电
2、路的程序设计,使指令的执行速度快,节省存储空间。系统模拟实现了蔬菜大棚温度控制的功能,并达到02度的温控精度要求,使大棚温度可控范围达到050。关键词单片机系统,温度传感器,数据采集ITHEDESIGNOFGREENHOUSECANOPYTEMPERATURECONTROLSYSTEMBASEDONSCMABSTRACTTHISARTICLEDESCRIBESTHEDESIGNOFPROCESSFORHARDWAREANDSOFTWARERELATEDTOGREENHOUSETEMPERATURECONTROLSYSTEMSYSTEMFORTAKINGSINGLECHIPAT89C52SING
3、LECORECONTROLPARTS,THROUGHTHE10KNTCTEMPERATURESENSORACQUISITIONENVIRONMENTTEMPERATURE,ANDDISPLAYSTHEREALTIMETEMPERATUREBYDIGITALLEDSUCHASTEMPERATURETESTCIRCUIT,SIGNALENLARGEMENTCIRCUIT,ADTRANSFORMINGCIRCUIT,OUTPUTCONTROLCIRCUIT,THEKEYBOARDANDLEDDISPLAYCIRCUITRESEARCHEDANDDESIGNEDDETAILFORTHESINGLECH
4、IPSYSTEMOFTRADITIONALCONTROLTESTINTHECONTROLPROCESS,ADOPTEDAT89C52、LTC1860、LM358、74HC245、LEDDISPLAYINORDERTOFACILITATETHEEXPANSIONANDCHANGE,WEDESIGNTOUSEMODULARCONSTRUCTIONSOFTWARE,MAKESPROGRAMMINGLOGICALRELATIONSHIPMOREEASYANDCONVENIENT,ALSOMAKETHESOFTWAREUNDERTHECONTROLOFAHARDWAREFUNCTIONWELLBRING
5、OUTTHEFUNCTIONOFGREENHOUSETEMPERATURECONTROLANDMEETITSPRECISIONREQUIREMENT,MAKETHETEMPERATURECONTROLRANGEFROM0TO50KEYWORDSSINGLECHIPMICROCOMPUTERSYSTEM,TEMPERATURESENSOR,DATAACQUISITIONII目录摘要IIIABSTRACTIV1绪论111课题的来源112课题的意义113温室大棚温度测控系统国内外发展现状214课题研究的主要内容22设备方案设计与理论基础421温室大棚温度测控系统的方案设计422方案评价423设计理论
6、基础4231单片机的发展概述4232AT89C52单片机介绍5233LTC1860A/D模数转换器7234运算放大器LM35872358总线收发器74HC2458236数码显示管LED8237NTC温度传感器93硬件电路设计1031单片机控制单元1032温度采样部分1133LED显示部分1134按键输入部分124软件设计1341软件设计介绍1342主程序流程图1443子程序模块14431A/D转换子程序15432LED显示子程序15433按键输入子程序16434主程序17结论20参考文献21致谢22III附录23附录图1系统结构图23附录图2PCB版图24附录3源程序25毕业论文01绪论11课
7、题的来源温室又称暖房,能透光、保温(或加温),用来栽培植物的设施。在不适宜植物生长的季节,能提供生育期和增加产量,多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。由于温室使农作物摆脱了地点、季节、气候变化等影响和限制,能有效的改善农业生态和生产条件,促进农业发展。因此,温室技术在世界范围内得到了广泛应用。温室结构应密封保温,但又应便于通风降温。现代化温室中具有控制温湿度、光照等条件的设备,用电脑自动控制创造植物所需的最佳环境条件1。温室是设施农业的重要组成部分,国外温室种植业的实践经验表明,提高温室的自动控制和管理水平可充分发挥温室农业的高效性。应用于大棚种植的温度控制系统解决了长期以来
8、困扰农民的问题,它的制作成本低廉,应用广泛。随着传感技术,计算机技术及通讯技术的迅猛发展,现代化温室信息自动采集及智能控制系统的开发已成为目前设施农业的一个研究热点。温度、湿度作为温室的重要因素,它们是非常重要的物理量,温度、湿度的控制已经广泛应用到人们的生产和生活中,人们一般使用温度计、湿度计来采集温度和湿度,通过人工通风、加湿、加热和降温设备来控制温湿度,这样不但控制精度非常低、实时性很差,而且需要大量劳动力。在某些行业中对温湿度的要求比较高,由于温度过低或过高引起的元器件失效或由于环境湿度过高而时常引起的事故,对系统的可靠运行造成影响,甚至危及到操作人员及系统局部的安全2。所以实施对温度
9、的监控也日显重要。本课题只要采用51单片机对蔬菜大棚中温度、湿度的数据进行采集、测量和控制。12课题的意义近年来,在国产化技术不断取得进展的同时,也加快了引进国外大型现代化温室设备和综合控制系统的进程。但由于国内对温室环境控制技术研究起步较晚,大部分不够理想。单片机控制技术在保证作物获得最佳环境条件方面有一定的局限性。我国温室温度测控设施计算机应用,在总体上正从简单应用阶段向综合性应用阶段过渡和发展。在技术上,主要是以单片机控制的单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,与欧美等发达国家相比,存在较大差距,尚需深入研究。本文从国内目前温控技术的薄弱环节进行分析,找出问题的存因及
10、改善困难,结合相关新技术及改良设想,在51单片机的基础上,有效解决温室大棚的基于单片机的温室大棚温度测控系统1温度自动控制,运用多个方案进行有效分析,减少人工参与,提高温室大棚的种植培育能力。在可行性的基础上,经过准确计算及比对,降低程序开发、设计及生产成本,保证项目的有效运作。13温室大棚温度测控系统国内外发展现状在社会生活中温度控制电路已经广泛的渗透到了各个领域,如汽车、家电、电力电子、材料等,平常用到的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标一般会有所不同,传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器工作时动作频繁,可能会因触点接触不良而影响正常工作3。目前,温度控制系统的结构主要是以单片机
11、为主板的控制系统。一般以MCS51系列为基础。采用8位CPU,从数据采样到算法控制都是由单片机完成的。这种类型控制方式的优点是能够全局管理,操作简单,价格低廉,缺点是布线复杂,可靠性差,故障率高;且信号的输入、输出一般为模拟量,自动化程度低。由于温室控制环境噪音大、环境恶劣,单一的CPU控制系统难以达到预期效果。此外,还有基于IPC的温室控制系统,它配备了各种接口板,采集、控制和通信功能都由主机完成,能对温室各个参数进行有效的控制;基于PLC的温室控制系统,它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体,具有控制能力强、操作方便、可靠性高、适宜长期工作等特点;集散型温室控制系统,由于他
12、的PC机的管理功能被多台现场控制站共享,节省了成本,提高了设备利用率,有利于温室群控3。近年来,温控系统的发展趋向主要有以下几个新型PID参数自整定的温度控制,其算法采用简化临界比例度整定法,只需整定一个参数,不但提高了参数的整定效率,并且用编程的方法实现了在线参数自整定。这种系统的特点是其瞬态响应超调量非常小,有很强抗干扰能力,且振荡有足够大的阻尼,从而具有良好的选择性和灵敏度,使其效果得到了改善4。同时针对大功率二极管在应用中的技术困难,还提出带有开关的大电流双向输出模型和含PID调节器的双闭环控制5。神经网络的温度控制系统,由于外界干扰因素复杂以及其负载的变化,而PID控制只能精确的计算
13、电参数的影响,而对于外界环境的变化只能做近似的估算,这样就影响到了控制精度。人工神经网络以其非线映射,自组织,自学习和联想记忆等功能,可对复杂的非线性系统建模。该方法响应速度快,且有很强的抗干扰能力,算法简单,又易于硬件和软件的实现仿真。训练方法实际是网络的自学习过程,即根据事先定义好的学习规则,按照提供的学习实例,调节网络系统各节点之间相互连接的权值大小,从而达到记忆,联想,归纳等目的。在温控系统中,将天气、温度、外部电压、被加热物体性质以及被加热物体的温度等影响因素作毕业论文2为网络的输入,将其输出作为PID控制器的参数,以实验数据作为样本,在微机上反复迭代,随着研究和实验的深入,自我修正
14、不断完善,直至系统收敛,得到网络权值,达到自整定PID控制器参数的目的67。MNNMEMORYNEURONNETWORK把记忆神经元增加到每一个网络节点中,在研究动态非线性系统时,不须要知道过多的实际系统结构,同时当系统滞后比较大时不会造成网络庞大难以训练8。模糊温度控制,它是基于模糊逻辑来描述一个过程的控制算法,主要采用嵌入操作人员的直觉知识及经验。它适用于控制不易取得精确数学模型的对象。通常情况下电力系统的模型非常不完善的,即使模型已知,也存在参数变化的问题。PID控制简单、方便,但难以解决非线性和参数的变化,模糊控制是不需要装置的精确模型,仅依赖于操作人员直观判断,非常容易应用。模糊温控
15、的实现主要有1将温控对象的偏差及其偏差变化率以及输出的量划分为不同的模糊值,建立规则。例如,如果温度正在上升或者温度太高时,然后减少控制输入。将这些写成模糊条件语句,形成模糊模型。2根据控制查询表,形成模糊算法。3模糊化其温度误差采样的精确量,经过数学处理输入计算机中,计算机根据模糊规则做出决策,求出相应的控制量,变成精确量去执行机构,调整输入,达到调节温度,使之稳定的目的。与传统的PID控制比较,模糊控制响应快,超调量小,参数变化不敏感910。14课题研究的主要内容本课题主要采用51单片机系统,对蔬菜大棚中温度、进行采集、检测和控制。本文从硬件和软件两方面来讲述温室大棚温度控制系统的设计过程
16、。硬件上从温度检测电路、信号放大电路、A/D转换电路、输出控制电路、键盘及LED显示电路的设计等几个方面出发,详细研究和设计了基于单片机的温室大棚温度测控系统的各个部分内容。在控制过程中主要应用AT89C52、LTC1860、LM358、74HC245、LED显示器,而主要通过10KNTC温度传感器采集环境温度,以单片机为核心控制部件,并通过数码显示管显示实时温度。软件方面采用汇编语言来进行单片机及其外围电路的程序设计,使指令的执行速度快,节省存储空间。为了便于扩展和更改,软件的设计采用模块化结构,使程序设计的逻辑关系更加简洁明了,使硬件在软件的控制下协调运作。系统的过程主要是首先,通过键盘输
17、入,设定所需要达到的温度值,并且用数码管显示这个温度值。然后,在运行过程中将温度传感器采样的温度模拟量经过信号放大后送入A/D转换器中进行模拟数字转换,再将转换后的数字量用数码管显示,最后由单片机来判定,与设定的温度不符合则发出警报。基于单片机的温室大棚温度测控系统32设备方案设计与理论基础21温室大棚温度测控系统的方案设计单片机温度传感器信号放大电路A/D转换LED显示报警系统键盘输入图21温室大棚温度测控系统结构图首先,通过键盘输入,设定所需要达到的温度值,并且用数码管显示这个温度值。然后,在运行过程中将温度传感器采样的温度模拟量经过信号放大后送入A/D转换器中进行模拟数字转换,再将转换后
18、的数字量用数码管显示,最后由单片机来判定,与设定的温度不符合则发出警报。22方案评价此方案采用51单片机系统来实现。单片机软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种控制算法和逻辑控制。单片机系统可以用数码管来显示大棚的实际温度值,能用键盘输入设定目标温度值。本方案选用了AT89C52芯片,不需要外扩展存储器,可使系统整体结构更为简单。23设计理论基础231单片机的发展概述单片机是一种集成电路芯片,采用超大规模集成电路技术把中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。毕业论文4单片机诞生于20世
19、纪70年代末,经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。1971年INTEL公司开发出了世界上第一个4位的微处理器INTEL4004,标志着第一代微处理器问世,微处理器和微机时代从此开始。同年11月,INTEL又推出MCS4微型计算机系统次年4月,霍夫等人开发出第一个8位微处理器INTEL8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器,因此仍属第一代微处理器。两年后INTEL公司研制出8位的微处理器8080;8月,霍夫等人研制出8位微处理器INTEL8080,以N沟道MOS电路取代了P沟道,诞生了第二代微处理器。80世纪INTEL公司在MCS48基础上推出了典型的、完善的单片机系列MCS51。
20、它奠定了单片机发展的第二阶段。1987年INTEL公司又发布了性能比8096高两倍的CMOS型80C196,1988年推出带EPROM的87C196单片机。8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段,也是单片机向微控制器发展的阶段。90世纪初,由于16位单片机推出的时间较迟、价格昂贵、开发设备有限等多种原因,未得到广泛应用。而8位单片机已能满足大部分应用的需要,因此,在推出16位单片机的同时,高性能的新型8位单片机也不断问世11。而现如今微控制器已进入全面发展阶段。随着单片机的发展和应用深入到各个领域,出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机,以及小型廉价的专用型
21、单片机。232AT89C52单片机介绍AT89C52是51系列单片机的一个型号,它是ATMEL公司生产的。AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8KBYTES的可反复擦写的FLASH只读程序存储器和256BYTES的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS51指令系统,片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。基于单片机的温室大棚温度测控系统5图22AT89C52引脚图其主要功能特点包括1、兼容MCS51的指令系统;2、8K可反复擦写FLASHROM;3、32个双
22、向I/O口;4、256X8BIT内部RAM;5、3个16位可编程定时/计数器中断;6、时钟频率024MHZ;7、2个串行中断,可编程UART串行通道;8、2个外部中断源,共8个中断源;9、2个读写中断口线,3级加密位;10、低功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能;11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式,以适应不同产品的需求。AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8XC52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,
23、会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHZ晶振。RST/VPD(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接5V电源的正负端。P0P3为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口(3239脚)被定义为N1功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13脚定义为IR输入端,10脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能
24、端口,连接主板CPU的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。毕业论文6233LTC1860A/D模数转换器LTC1860是采用MSOP和SO8封装的12位A/D转换器,采用单5V工作电源。在250KSPS采样速率条件下,电源电流仅为850A。在较低的速度下,电源电流将减小,原因是LTC1860在转换操作之间将自动断电至一个1NA的典型电源电流。这些12位开关电容器逐次逼近型ADC包括采样及保持电路。LTC1860具有一个差分模拟输入和一个可调基准引脚。图23LTC1860管脚及数据参数图LTC1860ADC非常适合于紧凑、低功率、高速系统。它有三线式串行I/O、小外形MS
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