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1、基于单片机的花卉温室温控系统的设计第 1 章 绪论1.1研究的背景意义温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。因此，各行各业对温度控制的要求都
2、越来越高。可见，温度的测量和控制是非常重要的。人们使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。在某些行业中对温度的要求较高，由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。对工业生产可靠进行造成影响，甚至操作人员的安全。为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。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，工业生产等方面的温度测量及控制。近年来，单片机
3、已经进入了一个高速发展的阶段。本设计基于单片机，设计一个检测并显示温度，若温度介于系统设定温度内，则负载正常工作。若温度超出或者低于设定温度，蜂鸣器报警，并驱动加热或者降温模块，使温度达到正常值。1.2国内外技术现状随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步。温度测量系统主要由两部分组成，一部分是传感器，它将温度信号转换为电信号。另一部分是电子装置，它主要完成对信号的接收、处理、对测点进行控制、温度显示等功能。对应于不同的温度段及测量精度要求，测温装置也不尽相同，从传感器方面看，己出现有各种金属材料、非金属材料、半导体材料制成的传感器，也有红外传感器。仪器本身也趋向小型化，多采用集
4、成度较高的芯片或元件组成电路。对于测点较多，并具有报警、巡测、控制等多功能测温装置，一般采用单片机电路。目前的温度检测技术原理很多，大致包括以下几种:(1)物体热胀冷缩原理(2)热电效应(3)热阻效应(4)利热辐射原理。传统的温度传感器(如,热电偶、铂电阻、双金属开关等)虽然有着各自不可替代的优点,但由于自身因自热效应影响了测量精度,从而制约了它们在微型化高端电子产品中的应用。与之相比较,半导体温度传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低、时间常数小、自热温升小、抗干扰能力强等诸多优点,无论是电压、电流还是频率输出,在相当大的温度范围内( - 55150 )都与温度成线性关系,适合在集成电路系统中应
5、用。目前,半导体温度传感器工作的温度范围还限于- 50150 。未来主要的研究方向将是如何扩大它的温度适用范围,以及智能化、网络化等方面2。近年来，在温度检测技术领域中，多种新的检测原理与技术的开发应用己取得了具有实用性的重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化，主要包括以下几种。(1)晶体管温度检测元件(2)集成电路温度检测元件(3)核磁共振温度检测器(4)热噪声温度检测器(5)石英晶体温度检测器(6)光纤温度检测器(7)激光温度检测器。目前国内外的温度控制方式越来越趋向于智能化，温度测量首先是由温度传感器来实现的。测温仪器由温度传感器和信号处理两部分组成。温度测量的过程就是通过温度
6、传感器将被测对象的温度值转换成电的或其它形式的信号,传递给信号处理电路进行信号处理转换成温度值显示出来。温度传感器随着温度变化而引起变化的物理参数有: 膨胀、电阻、电容、热电动势,磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展,新型温度传感器还会不断出现,目前,国内外通用的温度传感器及测温仪大致有以下几种: 热膨胀式温度计、电阻温度计、热电偶、辐射式测温仪表、石英温度传感器测温仪。1.3 主要研究内容及章节安排本文设计以AT89S51单片机为核心的温度控制和报警电路。实现温度的智能控制，使负载能够在温度的工作环境下正常工作。在了解和研究温度智能控制的原理后，能够得到温度检测及控制报警电路相
7、应模块的实现思路，设计出相应的电路图并能够将电路图仿真，仿真成功后将硬件焊接并测试。最终实现设计的功能。重点研究内容该系统中各核心模块的的详细设计方案，得出结论和分析。本设计首先在第二章给出系统的总体设计方案，同时介绍在系统设计时各方案的选择过程，比较各个方案的效果，第三章给出硬件设计的电路图及数据。第四章介绍软件设计。最后第五章在仿真软件Proteus和Keil的联合调试下仿真整个电路。也提出在此过程中的不足及待扩展方面。第 2 章 电路的总体设计2.1 系统设计组成 本设计以AT89S51为核心，控制整个系统。适合在一定温度条件的环境下，电路中用到了继电器，通过单片机的弱点系统来控制与继电
8、器项链的强电系统，从而保证强点系统控制的安全性。系统的利用数字温度传感器DS18B20采集数据并送给单片机，单片机处理之后将采集的数据送给LCD1602显示一边操作人员直观的了解当前温度。我们给系统正常工作设定为0-50，如果当前温度在这个温度设定范围内，则单片机控制继电器闭合，使继电器控制的负载回路导通，是系统正常工作；若当前温度不在这个范围内，则说明当前温度不满足工作需求，此时单片机控制蜂鸣器发出警报，并且控制继电器使负载停止工作。并根据当前温度，若温度小于0，则启动加热装置，若温度高于50，则启动降温装置，直到达到系统温度，蜂鸣器停止报警，负载回路导通，重新开始工作。从而达到一个自动控制
9、的作用，整个系统形成一个闭环温度值，系统变化参数为温度的值，负载的工作取决于环境温度的变化，通过单片机弱电控制与继电器相连的强电系统，从而解决了强电系统直接控制对操作人员有一定危险性的特点。2.2 电路各部分的主要功能、构成和技术方案2.2.1 电路主要功能组成电路功能如图2-1 所示：图2-1 电路主要功能组成图温度采集功能：由温度传感器检测当前环境温度，并将温度传给单片机AT89S51。温度显示功能：采集到的温度，能够直接显示在LCD1602上，于使用者的操作和观测。温度报警功能：对采集到的温度自动判断并进行声音和光报警，起到提示的作用。温度控制功能：由两部分组成，分别是加热和降温装置，实
10、现智能全自动操作。2.2.2 电路原理框图电路原理如图2-2所示：图2-2 电路原理框图本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制电路实现了基本的温度控制功能：当温度低于设定下限温度时，系统自动启动继电器驱动加热电路加温，使温度上升。当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当温度高于设定上限温度时，系统通过继电器驱动风扇降温，使温度下降。当温度下降到上限温度以下时，停止降温。温度在上下限温度之间时，继电器驱动负载工作。LCD1602显示采集到的当前温度。2.3 温度测控与报警电路方案论证单片机应用系统的硬件电路设计就是为本单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置，即按照系统功能要求配置外围
11、设备，如键盘、显示器、打印机、A/D转换器、设计合适的接口电路等。系统设计应本着以下原则：(1) 尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。(2) 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用CPU时间。(3) 系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。方案一：测温电路的设计，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要用到A/
12、D转换电路，感温电路比较麻烦，放弃此方案。方案二：采用数码管做显示，显示温度数据。用74LS164驱动数码管，DS18B20采集温度数，24CXX系列作存储，利用单片机进行连接。经过反复考虑，系统成功较高，时间反应速度缓慢，数码管和驱动部分占用硬件资源大，能量消耗大，不够理想，放弃此方案。方案三：采用AT89S51芯片，使用DALLAS公司的温度传感器DS18B20读取温度，芯片体积小，三个管脚，硬件连接简单，节省I/O口。显示用LCD1602，减小了系统的能耗。报警模块用三极管驱动蜂鸣器发出警报。控制模块通过继电器弱电控制强电。为了仿真，负载和加热模块接一个12V的灯泡，通过灯泡的亮灭来观察
13、控制效果，直观又节约资源。最后通过比较，选择了这个方案。第 3 章 温度测控与报警的硬件电路设计3.1 电路硬件电路总体设计概述温度自动控制系统实际上是对温度参数的采集而根据采集的温度来自动进行控制。目的是使负载能够工作，通过单片机只能控制而改变温度，使环境温度达到设定范围。主要应用于一些需要特殊温度需求的地方，比如机房等，通过实时只能监控。某些可惜实验也需要温度在一定范围内进行，都可以通过本系统来控制。本设计是一个闭环自动控制系统。弱电控制强电，单片机控制继电器的开合，再控制负载的工作状态。避免了使用人员直接接触强点系统导致的危险性。本设计的硬件部分分为六个模块：单片机系统模块、温度采集模块
14、、温度显示模块、温度报警模块、温度控制模块、负载模块。3.2 单片机系统模块3.2.1 单片机简介单片机也被称为微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错 获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广
15、泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接
16、使用专用的Windows和Linux操作系统。 单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机 是世界上数量最多的计 算机。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠 标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台 单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯 片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和
