單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研究

單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研究,單片機(jī),溫度,控制系統(tǒng),研究 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 題 目 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研究 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng) 自動(dòng)化 學(xué)生姓名 張樂(lè) 指導(dǎo)教師 王衛(wèi)軍 畢業(yè)時(shí)間 2014年06月 設(shè)計(jì) 論文 畢業(yè) 任務(wù)書(shū) 一、題目 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研究 二、指導(dǎo)思想和目的要求 （1）掌握運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)分析解決工程實(shí)際問(wèn)題的一般方法； （2）培養(yǎng)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題和獨(dú)立工作的能力； （3）通過(guò)畢業(yè)實(shí)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)及畢業(yè)答辯全過(guò)程的訓(xùn)練，加強(qiáng)老師與學(xué)生之間、學(xué)生與學(xué)生之間知識(shí)的相互交流，互相滲透，培養(yǎng)學(xué)術(shù)研討的好學(xué)風(fēng)； （4）要求同學(xué)們以滿腔的熱情、科學(xué)的態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)、高度的責(zé)任感從事畢業(yè)設(shè)計(jì)工作；不得敷衍了事、馬馬虎虎、得過(guò)且過(guò)；提倡周密思考、大膽創(chuàng)新，反對(duì)死搬硬套、墨守陳規(guī)；提倡共同研究，反對(duì)相互抄襲； （5）要求遵守學(xué)校的各項(xiàng)規(guī)章制度，確保畢業(yè)設(shè)計(jì)順利地、高質(zhì)量地完成。 三、主要技術(shù)指標(biāo) 目前，我國(guó)絕大多數(shù)溫室設(shè)備都比較簡(jiǎn)陋，溫室環(huán)境仍然靠人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)管理。環(huán)境因素的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制的研究正處于起步階段，已嚴(yán)重影響了設(shè)施農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展。特別是北方地區(qū)因其緯度高，寒冷季節(jié)長(zhǎng)，四季溫差和晝夜溫差較大，不利于作物生長(zhǎng)，所以迫切需要一種低成本、高效益的溫室控制系統(tǒng)來(lái)滿足不同區(qū)域和不同作物的需求。本論文擬針對(duì)該方向設(shè)計(jì)一套溫度控制系統(tǒng)。 采用單片機(jī)來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 （1）選擇一款溫度傳感器，檢測(cè)溫度的最小范圍為-10℃~40℃； （2）當(dāng)溫度低于-10℃或者高于40℃時(shí)，采用聲光報(bào)警； （3）系統(tǒng)具備啟動(dòng)加熱和冷卻裝置實(shí)現(xiàn)控制環(huán)境溫度的功能； （4）系統(tǒng)具備上下位機(jī)間的通訊功能； （5）系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)。 四、進(jìn)度和要求 （1）第1-3周收集資料，根據(jù)需要學(xué)習(xí)相關(guān)的硬軟件； （2）第4周進(jìn)行系統(tǒng)概要設(shè)計(jì)，提出設(shè)計(jì)的總體思想； （3）第5周，初步確定設(shè)計(jì)方案； （4）第6-12周，完成系統(tǒng)硬、軟件的設(shè)計(jì)，針對(duì)設(shè)計(jì)中存在的缺點(diǎn)和不足，不斷完善設(shè)計(jì)方案； （5）第13-14周，撰寫(xiě)并修改論文； （6）第15周，完成論文，準(zhǔn)備答辯資料。 五、主要參考書(shū)及參考資料 自行確定 本頁(yè)不夠可以續(xù)頁(yè) 學(xué)生 張樂(lè) 指導(dǎo)教師 王衛(wèi)軍 系主任 史儀凱 49 摘 要 溫室是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必備的基本設(shè)施，用它可以有效地控制溫度、濕度等條件，為作物生長(zhǎng)提供更好的環(huán)境，避免外界惡劣氣候?qū)ψ魑锏挠绊憽? 本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，利用溫度傳感器DS18B20對(duì)蔬菜大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制，對(duì)濕度進(jìn)行采集和顯示。本系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、溫濕度采集模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊、顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、通信模塊等部分組成。通過(guò)溫度傳感器將采集的溫度由LCD數(shù)碼管顯示，利用模糊控制的思想對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制使溫室溫度達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)檢測(cè)溫度低于相應(yīng)設(shè)定值時(shí)，通過(guò)電爐絲加熱；反之，開(kāi)啟風(fēng)扇降溫，以快速達(dá)到降溫效果。通過(guò)該系統(tǒng)，對(duì)蔬菜大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行有效、可靠地檢測(cè)與控制。從而保證大棚內(nèi)作物在最佳的溫度條件下生長(zhǎng)，提高質(zhì)量和產(chǎn)量。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，溫度傳感器，溫室大棚，模糊控制  ABSTRACT Greenhouse is indispensable for modern agricultural production infrastructure, it can effectively control the condition such as temperature, humidity, provide a better environment for plant growth, avoid bad outside the influence of climate on crops. This system uses AT89C51 microcontroller as the control core, using temperature sensor DS18B20 to real-time detection and control of temperature in the vegetable greenhouses, acquisition and display of the humidity, realize the automatic control of greenhouse temperature. This system by single chip microcomputer system module, temperature acquisition module, acquisition module, heating module, cooling module, display module, sound and light alarm module of seven parts. By the temperature of the temperature sensor will be collected by the LCD digital tube display. And use the?theory of fuzzy control. When the temperature value is greater than the temperature of the acquisition set, heating by electric stove wire, achieves the set value; Conversely, open the cooling fan, with quick cooling effect. Through the system, the temperature inside the vegetable greenhouses effectively and reliably detect and control. To ensure that in the greenhouse crop growth, under the condition of the temperature of the best improve the quality and yield. KEY WORDS: single chip microcomputer, temperature sensors, greenhouses, fuzzy control 目 錄 第一章 緒論 5 1.1 課題背景 5 1.2 立題的目的和意義 5 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 6 1.4 大棚溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 6 1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容安排 7 第二章 系統(tǒng)方案論證 8 2.1 系統(tǒng)基本方案 8 2.2 主要模塊電路的方案選擇及確定 8 2.2.1 溫度采集模塊 8 2.2.2 濕度采集模塊 9 2.2.3 顯示電路模塊 9 2.2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊 9 2.2.5 報(bào)警模塊 9 2.3 系統(tǒng)各模塊的最終方案 10 第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 3.1 電源模塊 13 3.2 單片機(jī)模塊 13 3.2.1 AT89C51系列引腳功能 14 3.2.2 AT89C51系列單片機(jī)的功能單元 16 3.2.3 單片機(jī)晶振電路 17 3.3 溫濕度采集模塊 18 3.3.1 DS18B20溫度傳感器介紹 18 3.3.2 HM1500LF濕度傳感器 20 3.4 顯示模塊 21 3.4.1 LM016L的介紹及結(jié)構(gòu) 21 3.4.2 LM016L的引腳及功能 21 3.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 23 3.6 通信模塊 24 3.6.1 MAX487簡(jiǎn)介 24 3.6.2 串行通信結(jié)構(gòu) 24 3.7 聲光報(bào)警模塊 25 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 26 4.1 系統(tǒng)軟件的整體思路 26 4.2 系統(tǒng)總流程圖 26 4.3 溫濕度傳感器程序 27 4.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)程序 28 第五章 總結(jié) 30 參考文獻(xiàn) 31 致 謝 32 附 錄 33 第一章 緒論 1.1 課題背景 中國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展必須走現(xiàn)代化這條道路，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)研究和應(yīng)用技術(shù)越來(lái)越受到重視。特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)就是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制。例如溫室大棚中的溫度和濕度參數(shù)，它們直接關(guān)系到蔬菜和水果的生長(zhǎng)。 在我國(guó)伴隨生活條件的不斷改善，人們更關(guān)注自身的健康，綠色蔬菜尤其受到重視。大棚種植充分滿足了人們的需求，讓人民能一年四季吃到新鮮蔬菜。為提供更多量、更有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的蔬菜，智能的大棚溫度控制系統(tǒng)已成為農(nóng)民的迫切需要。對(duì)于大棚種植而言，良好的物種、本地適合種植的物種及土地酸堿度都是可以通過(guò)農(nóng)民長(zhǎng)期的種植經(jīng)驗(yàn)獲得的。但對(duì)于和農(nóng)作物生長(zhǎng)密切相關(guān)的大棚溫度的控制是農(nóng)民不能輕易解決的問(wèn)題，而且溫度的變化幅度大，不易人工控制，對(duì)于農(nóng)民來(lái)說(shuō)時(shí)刻關(guān)注作物的生長(zhǎng)溫度又是個(gè)龐大的工作量。 應(yīng)用于大棚種植的溫度控制系統(tǒng)基本解決了長(zhǎng)期以來(lái)困擾農(nóng)民的問(wèn)題，它的制作成本相對(duì)低廉，應(yīng)用廣泛，對(duì)農(nóng)民自身的基礎(chǔ)理論素質(zhì)要求不高，便于農(nóng)民操作。更重要的是，它不僅幫助農(nóng)民節(jié)約了大量時(shí)間，減少農(nóng)民的工作量，還在無(wú)形之中提高了作物的產(chǎn)量，增加了農(nóng)民的收入，滿足了人們對(duì)大棚蔬菜的需求。 溫室環(huán)境控制，即根據(jù)植物生長(zhǎng)發(fā)育的需求，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的環(huán)境條件?，F(xiàn)代的溫室，都是通過(guò)傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和人工智能等技術(shù)自動(dòng)的調(diào)節(jié)溫室的環(huán)境，使作物在不適宜生長(zhǎng)發(fā)育的反季節(jié)中，獲得比室外更加好的生長(zhǎng)條件。從而達(dá)到早熟、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目的。蔬菜的生長(zhǎng)最重要的是溫度的控制，因此，溫度控制是蔬菜大棚控制系統(tǒng)的核心。 1.2 立題的目的和意義 建設(shè)先進(jìn)溫室有利于解決靠天吃飯的問(wèn)題，防止惡劣天氣及季節(jié)因素對(duì)作物產(chǎn)生的影響，從而縮短作物的生長(zhǎng)周期，提高作物的產(chǎn)量，獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。 溫室作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的“工廠”在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展中扮演著越來(lái)越重要的角色，控制系統(tǒng)的精確與否將決定著農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，而溫濕度的檢測(cè)又是溫室控制系統(tǒng)精確運(yùn)行的關(guān)鍵，所以設(shè)計(jì)一個(gè)準(zhǔn)確、高效的溫濕度測(cè)量與調(diào)控系統(tǒng)是改善溫室控制系統(tǒng)性能的前提條件。 因此，我設(shè)計(jì)溫室溫濕度控制系統(tǒng)的目的是將自己所學(xué)的關(guān)于單片機(jī)的知識(shí)用于真正的生產(chǎn)生活中。溫室系統(tǒng)是一個(gè)發(fā)展很快的領(lǐng)域。由于單片機(jī)控制的測(cè)溫測(cè)濕系統(tǒng)具有體積小、功能強(qiáng)、集成度高、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，所以越來(lái)越多的應(yīng)用到溫室控制。本課題將設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的溫室溫度控制系統(tǒng)，進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制（模糊控制）。 1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外計(jì)算機(jī)用于大棚控制的時(shí)間較早，開(kāi)始于上世紀(jì)70年代末，隨著通訊技術(shù)以及計(jì)算機(jī)的發(fā)展，溫室環(huán)境控制技術(shù)在日本、美國(guó)等國(guó)家也開(kāi)始投入研究，1978年日本首先研究出微型計(jì)算機(jī)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)，自80年代起，農(nóng)業(yè)發(fā)展得到了全世界的關(guān)注，到了90年代初期，農(nóng)業(yè)支持又進(jìn)一步得到發(fā)展，使得形成了綜合的農(nóng)業(yè)支持系統(tǒng)。 國(guó)內(nèi)對(duì)溫室大棚的控制技術(shù)研究較晚，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，在引進(jìn)和吸收國(guó)外高科技溫室生產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上，我國(guó)形成了自己的溫室控制系統(tǒng)，1982年我國(guó)中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院建立了全國(guó)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的第一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用組織。1995年北京農(nóng)業(yè)大學(xué)研究了“WGJ-1型實(shí)驗(yàn)溫室環(huán)境監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)”。近幾年來(lái)，我國(guó)加大了溫室研究的力度，但是智能決策系統(tǒng)在溫室的應(yīng)用方面研究時(shí)間較短，智能化溫室代表著溫室發(fā)展的方向，是我們國(guó)家未來(lái)幾年需要研究的重點(diǎn)。 1.4 大棚溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 結(jié)合我國(guó)農(nóng)村的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)將著力達(dá)到成本低廉，維護(hù)方便，運(yùn)行可靠的目的，具體要求如下： （1）選擇一款溫度傳感器，檢測(cè)溫度的最小范圍為-10℃~40℃； （2）當(dāng)溫度低于-10℃或者高于40℃時(shí)，采用聲光報(bào)警； （3）系統(tǒng)具備啟動(dòng)加熱和冷卻裝置實(shí)現(xiàn)控制環(huán)境溫度的功能； （4）系統(tǒng)具備上下位機(jī)間的通訊功能； （5）系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)。 1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容安排 本課題研究的主要內(nèi)容是利用單片機(jī)作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控核心，對(duì)溫室內(nèi)的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控，以滿足溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)的環(huán)境要求。下面是本論文的主要內(nèi)容安排： 第二章主要是對(duì)系統(tǒng)方案的論證和確定，器件的選型進(jìn)行安排。 第三章中進(jìn)行硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)AT89C51，溫度傳感器DS18B20，濕度傳感器HM1500LF，顯示屏LM016L，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)和通信模塊等的設(shè)計(jì)。 第四章中進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要是模糊控制算法。 第五章主要是進(jìn)行前期工作的歸納總結(jié)。  第二章 系統(tǒng)方案論證 2.1 系統(tǒng)基本方案 根據(jù)題目要求系統(tǒng)模塊分可以劃分為：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊、溫濕度采集模塊、顯示模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊、報(bào)警模塊、電源模塊、通信模塊。為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了論證。 2.2 主要模塊電路的方案選擇及確定 2.2.1 溫度采集模塊 方案一： 利用熱電阻傳感器作為感溫元件，熱電阻隨溫度變化而變化，用儀表測(cè)量出熱電阻的阻值變化，從而得到與電阻值相應(yīng)的溫度值。最常用的是鉑電阻傳感器，鉑電阻在氧化介質(zhì)中，甚至在高溫的條件下其物理，化學(xué)性質(zhì)不變。由鉑電阻阻值的變化經(jīng)小信號(hào)變送器XTR101將鉑電阻隨溫度變化的轉(zhuǎn)換為4～20mA線形變化電路，再將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，送到A/D轉(zhuǎn)換器，即將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，誤差較大。 方案二： 采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。DS18B20為數(shù)字式溫度傳感器，無(wú)需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量?？芍苯优c單片機(jī)通信，讀取測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，電路簡(jiǎn)單。DS18B20 的測(cè)溫范圍-55℃~125℃，分辨率最大可達(dá)0.0625 ℃。DS18B20 是Dallas 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器，它是一種支持 “一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。一線總線將獨(dú)特的電源和信號(hào)復(fù)合在一起，并僅使用一條線，每個(gè)芯片都有唯一的編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址，簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)化的溫度感知，零功耗等待等特點(diǎn)。 DS18B20與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫(xiě),因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面帶來(lái)了令人滿意的效果。 所以本設(shè)計(jì)中選用DS18B20溫度傳感器，節(jié)省了A/D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)也節(jié)省了I/O輸出口，誤差小，測(cè)量準(zhǔn)確。 2.2.2 濕度采集模塊 在本系統(tǒng)中濕度的檢測(cè)為空氣濕度且進(jìn)行采集和顯示，而不對(duì)其進(jìn)行控制。所以要求其精度不高，根據(jù)溫室大棚的特點(diǎn)需要選擇全量程的濕度傳感器（0-100%RH/℃）所以本設(shè)計(jì)中選擇HM1500LF電容式濕度傳感器，該傳感器是5V供電，使用方便，具有較寬的量程范圍，符合溫室大棚的要求。 2.2.3 顯示電路模塊 本模塊選用LM016L顯示屏對(duì)溫濕度進(jìn)行雙行顯示，該顯示屏具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、功耗小的特點(diǎn)。可以實(shí)現(xiàn)字符的移動(dòng)、閃爍的功能。 2.2.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊 根據(jù)課題要求，本設(shè)計(jì)采用兩檔電爐絲，實(shí)現(xiàn)對(duì)升溫的3級(jí)控制（一檔開(kāi)為800W，二檔開(kāi)為1600W，兩檔全開(kāi)為2400W），控制電爐絲的功率即可以控制加熱的速度。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，打開(kāi)風(fēng)扇（一共為3個(gè)）進(jìn)行降溫處理。當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)開(kāi)啟電爐絲。由于考慮到電爐絲和風(fēng)扇為交流大功率器件，所以使用繼電器驅(qū)動(dòng)?？紤]到簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，我們直接采用220V電源供電，為實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的整體控制，采用以下方案： 在溫度接近標(biāo)準(zhǔn)值（-10℃—40℃）上下限10℃時(shí)進(jìn)行定時(shí)多點(diǎn)測(cè)量求平均值，根據(jù)多次測(cè)量的結(jié)果判斷溫度是否上升或者下降過(guò)快，并且采取相應(yīng)升、降溫措施（模糊控制）。即開(kāi)啟電爐絲或打開(kāi)風(fēng)扇。 2.2.5 報(bào)警模塊 按照設(shè)計(jì)要求，在溫度接近標(biāo)準(zhǔn)值（-10℃—40℃）上下限10℃，黃色LED燈亮起；當(dāng)溫度低于下限或高于上限時(shí)，應(yīng)具有聲光報(bào)警功能。這樣就可以用一只蜂鳴器作為三極管 Q1 的集電極負(fù)載，當(dāng) Q1 導(dǎo)通時(shí)，紅色LED燈亮起且蜂鳴器發(fā)出鳴叫聲；Q1 截止時(shí)，紅色LED燈不亮且蜂鳴器不發(fā)聲。如圖2-1所示： 圖2-1 聲光報(bào)警電路 2.3 系統(tǒng)各模塊的最終方案 根據(jù)以上分析，結(jié)合器件和設(shè)備等因素，確定如下方案： 1. 采用AT89C51單片機(jī)作為控制器，分別對(duì)溫濕度采集、LCD數(shù)碼管顯示、升溫降溫控制、聲光報(bào)警進(jìn)行控制。 2. 溫濕度測(cè)量模塊采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器HM1500LF。 3. 電爐絲和風(fēng)扇控制采用模糊控制思想。 4. 顯示LM016L數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度值和濕度值。 在本系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方框圖如圖2-2所示，它由以下部分組成: （1）控制部分主芯片采用單片機(jī)AT89C51； （2）顯示部分采用LCD數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)溫濕度顯示； （3）溫濕度采集部分采用DS18B20溫度傳感器和HM1500LF濕度傳感器； （4）升降溫控制。 圖2-2 溫度控制電路總體設(shè)計(jì)方案 CPU（AT89C51）首先寫(xiě)入命令給DS18B20和HM1500LF，然后DS18B20和HM1500LF開(kāi)始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后通過(guò)AT89C51來(lái)處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果就顯示到數(shù)碼管上。然后AT89C51通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理將結(jié)果傳至執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)進(jìn)行升降溫措施。  第三章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的目的主要是完成大棚內(nèi)溫度的自動(dòng)控制，一個(gè)完整的系統(tǒng)是由若干模塊組成，各個(gè)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)各自不同的功能，經(jīng)過(guò)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，調(diào)試無(wú)誤后最終完成本設(shè)計(jì)的任務(wù)。 本設(shè)計(jì)主要有7大模塊組成，如圖3-1所示： 圖3-1 系統(tǒng)總體框圖 由系統(tǒng)總體框架圖可知，這七大模塊分別為電源模塊、單片機(jī)模塊、溫濕度采集模塊、顯示模塊、通信模塊、聲光報(bào)警及執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。本設(shè)計(jì)舍棄了常用的熱電阻或熱電偶溫度度采集、濾波、放大、處理、顯示、執(zhí)行的方案，避免了傳統(tǒng)方案的接線復(fù)雜，維護(hù)困難，易受干擾和精度差等缺點(diǎn)。本系統(tǒng)由220V交流電供電，經(jīng)過(guò)整流濾波等處理，得到+5V的直流電，供各個(gè)模塊使用。溫濕度傳感器將檢測(cè)到的溫濕度值，傳送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后，由顯示模塊顯示出來(lái)，同時(shí)判斷溫度是否超過(guò)了設(shè)定的上下限值，假如超過(guò)上下限，再由聲光報(bào)警及執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。 3.1 電源模塊 電源模塊是常用的變壓整流電路，技術(shù)成熟，成本低廉。它的輸入端為220V交流電的火線和零線，經(jīng)過(guò)變壓器獲得9V+交流電，然后再由橋式整流電路和濾波電路處理，得到9V直流電，最后經(jīng)過(guò)直流穩(wěn)壓電路7805處理，最終得到+5V的直流電，即可作為此系統(tǒng)的電源，具體電路如圖3-2所示： 圖3-2 電源模塊 3.2 單片機(jī)模塊 此模塊所用單片機(jī)為AT89C51，是整個(gè)設(shè)計(jì)方案的核心，它控制了溫濕度采集、溫度處理與溫濕度顯示、溫度越限時(shí)動(dòng)作及與上位機(jī)的通信。 AT89C51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Falsh?Programmable?and?Erasable?Read?Only?Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。而在眾多的51系列單片機(jī)中，要算?ATMEL?公司的AT89C51更實(shí)用，也是一種高效微控制器，因?yàn)樗坏?051指令、管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的4K程序存儲(chǔ)器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲(chǔ)器，用戶可以用電的方式達(dá)到瞬間擦除、改寫(xiě)。而這種單片機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)設(shè)備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。?它與MCS-51系列單片機(jī)在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替MCS-51系列單片機(jī)，而且能使系統(tǒng)具有許多MCS-51系列產(chǎn)品沒(méi)有的功能。AT89C51可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積,?增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。AT89C51?具有MCS-51系列單片機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)。128×8?位內(nèi)部RAM,?32?位雙向輸入輸出線,?兩個(gè)十六位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器,?5個(gè)中斷源,?兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí),?一個(gè)全雙工異步串行口及時(shí)鐘發(fā)生器等。AT89C51有間歇、掉電兩種工作模式。間歇模式是由軟件來(lái)設(shè)置的,?當(dāng)外圍器件仍然處于工作狀態(tài)時(shí),?CPU可根據(jù)工作情況適時(shí)地進(jìn)入睡眠狀態(tài),?內(nèi)部RAM和所有特殊的寄存器值將保持不變。這種狀態(tài)可被任何一個(gè)中斷所終止或通過(guò)硬件復(fù)位。掉電模式是VCC電壓低于電源下限,?當(dāng)振蕩器停止振動(dòng)時(shí),?CPU?停止執(zhí)行指令。該芯片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器值保持不變,?一直到掉電模式被終止。只有VCC電壓恢復(fù)到正常工作范圍而且在振蕩器穩(wěn)定振蕩后，通過(guò)硬件復(fù)位、掉電模式可被終止。? 3.2.1 AT89C51系列引腳功能? AT89C51有40引腳雙列直插（DIP）形式。其與80C51引腳結(jié)構(gòu)基本相同，其邏輯引腳圖如圖3-3。? 圖3-3 AT89C51的引腳排列 各引腳功能敘述如下：? 1．電源和晶振 VCC——運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)加+5V? GND——接地? XTAL1——輸入到振蕩器的反向放大器? XTAL2——反向放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器? （當(dāng)使用外部振蕩器時(shí)，XTAL1接地，XTAL2接收振蕩器信號(hào)）? RST：復(fù)位輸入。 2．I/O（4個(gè)口，32根）? P0口——8位、漏極開(kāi)路的雙向I/O口。本設(shè)計(jì)中P0口接顯示模塊。 P1口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。在編程/校驗(yàn)期間，用于輸入低位字節(jié)地址。在本設(shè)計(jì)中P1.0接溫度采集模塊，P1.6~P1.7接聲光報(bào)警模塊。 P2口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口。在本設(shè)計(jì)中P2.0~P2.2接顯示模塊，P2.3~P2.5通過(guò)外掛的擴(kuò)展端口設(shè)備接濕度傳感器采集模塊。 P3口——8位、準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電路。P3口提供各種替代功能。本設(shè)計(jì)當(dāng)中P3.0~P3.2接通信模塊，P3.3~P3.7接執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。 P3口除了一般的I/O口功能以外還有第二功能。 表3-1 P3口第二功能表 P3.0 RXD（串行輸入口），輸入 P3.1 TXD（串行輸出口），輸出 P3.2 INT0外部中斷0，輸入 P3.3 INT1外部中斷1，輸入 P3.4 T0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入，輸入 P3.5 T1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入，輸入 P3.6 WR低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 P3.7 RD低電平有效，輸出，片外存儲(chǔ)器讀選通? 3．控制線(共4根)? RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。? EA/Vpp——片外程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許信號(hào)，低電平有效。 ALE/PROG——地址鎖存允許信號(hào)。 PSEN——片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。 3.2.2 AT89C51系列單片機(jī)的功能單元? 1．并行I/O接口：? 單片機(jī)芯片內(nèi)有一項(xiàng)主要功能就是并行I/O口。51系列共有4個(gè)8位的并行I/O口，分別記作P0、P1、P2、P3每個(gè)口都包含一個(gè)鎖存器，一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。實(shí)際上，它們已被歸入專(zhuān)用寄存器之列，并且具有字節(jié)尋址和位尋址功能。在訪問(wèn)片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，低八位地址和數(shù)據(jù)由P0口分時(shí)傳送，高八位地址由P2口傳送。? 2．定時(shí)器/計(jì)數(shù)器? 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（timer/counter）是單片機(jī)中的重要部件，其工作方式靈活、編程簡(jiǎn)單，使用它對(duì)減輕CPU的負(fù)擔(dān)和簡(jiǎn)化外圍電路都大有好處。? 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其原理：由定時(shí)器0、定時(shí)器1、定時(shí)器方式寄存器TMOD和定時(shí)器控制寄存器TCON組成。當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器設(shè)置為定時(shí)工作方式時(shí)，計(jì)數(shù)器對(duì)內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)，每過(guò)一個(gè)機(jī)器周期，計(jì)數(shù)器加1，直至計(jì)滿溢出。定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間與系統(tǒng)的振蕩頻率緊密相關(guān)，因?yàn)镃51系列單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期由12個(gè)振蕩脈沖組成，所以，計(jì)數(shù)頻率fc=fosc/12。如果單片機(jī)系統(tǒng)采用12MHz晶振，則計(jì)數(shù)周期為:? T=112*106*112=1μs （3-1） 這是最短的定時(shí)周期，適當(dāng)選擇定時(shí)器的初值可獲取各種定時(shí)時(shí)間。 3．振蕩器? XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。 4．芯片擦除? AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 5．中斷系統(tǒng)? 中斷系統(tǒng)是單片機(jī)的重要組成部分。實(shí)時(shí)控制、故障自動(dòng)處理、單片機(jī)與外圍設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳送往往采用中斷系統(tǒng)。中斷系統(tǒng)大大提高了系統(tǒng)的效率。? 3.2.3 單片機(jī)晶振電路 單片機(jī)XIAL1和XIAL2分別接30PF的電容，中間再并一個(gè)12MHZ的晶振，形成單片機(jī)的晶振電路。 晶體振蕩器在固定頻率振蕩器中能夠提供較高的精度，絕大多數(shù)RTC采用32.768kHz的晶體，晶體振蕩器輸出經(jīng)過(guò)分頻后會(huì)產(chǎn)生1Hz的基準(zhǔn)來(lái)刷新時(shí)間和日期。RTC的精度主要取決于晶振的精度，晶體振蕩器在固定頻率振蕩器中能夠提供較高的精度，絕大多數(shù)RTC采用32.768kHz的晶體，晶體振蕩器輸出經(jīng)過(guò)分頻后會(huì)產(chǎn)生1Hz的基準(zhǔn)來(lái)刷新時(shí)間和日期。RTC的精度主要取決于晶振的精度，晶振一般在特定的電容負(fù)載下，其調(diào)諧振蕩在正確的頻點(diǎn)，而當(dāng)晶振調(diào)諧于12.5pF負(fù)載的RTC電路中時(shí)，使用6pF負(fù)載的晶振將會(huì)使時(shí)鐘變快。Dallas Semiconductor提供的所有RTC均采用內(nèi)部偏置網(wǎng)絡(luò)，因而晶振可直接連接到RTC的X1、X2引腳，而不需要額外的元件。由于RTC的晶振輸入電路具有很高的輸入阻抗，因此，它與晶振的連線猶如一個(gè)天線，很容易耦合系統(tǒng)其余電路的高頻干擾。而干擾信號(hào)被耦合到晶振引腳將導(dǎo)致時(shí)鐘數(shù)的增加或減少?？紤]到線路板上大多數(shù)信號(hào)的頻率高于32.768kHz，所以，通常會(huì)產(chǎn)生額外的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)。因此，晶振應(yīng)盡可能靠近X1、X2引腳安裝，同時(shí)晶振、X1/X2引腳的下方最好布成地平面。 圖3-4 晶振電路 3.3 溫濕度采集模塊 3.3.1 DS18B20溫度傳感器介紹 （1）DS18B20溫度傳感器的特點(diǎn) DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在93.75?ms和750?ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫(xiě),溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無(wú)需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來(lái)了更方便的使用和更令人滿意的效果。?? DS18B20引腳圖如圖3-5所示： 圖3-5 DS18B20引腳圖 其中： GND為電源地 DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端 VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地） 性能特點(diǎn)如下： （1）獨(dú)特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。? ??? （2）在使用中不需要任何外圍元件。? ???? （3）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0~?+5.5?V。? ???? （4）測(cè)溫范圍：-55?~+125?℃。固有測(cè)溫分辨率為0.5?℃。????? （5）通過(guò)編程可實(shí)現(xiàn)9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式。????? （6）用戶可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值。? ???? （7）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。? ???? （8）負(fù)壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。? （2） DS18B20的工作原理 DS18B20的溫度檢測(cè)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于一個(gè)芯片之上，從而抗干擾力更強(qiáng)。其一個(gè)工作周期可分為兩個(gè)部分，即溫度檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理。在講解其工作流程之前我們有必要了解18B20的內(nèi)部存儲(chǔ)器資源。18B20共有三種形態(tài)的存儲(chǔ)器資源，它們分別是：? ROM?只讀存儲(chǔ)器，用于存放DS18B20ID編碼，其前8位是單線系列編碼（DS18B20的編碼是19H），后面48位是芯片唯一的序列號(hào)，最后8位是以上56的位的CRC碼（冗余校驗(yàn)）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時(shí)設(shè)置不由用戶更改。DS18B20共64位ROM。? RAM?數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計(jì)算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20共9個(gè)字節(jié)RAM，每個(gè)字節(jié)為8位。 DS18B20工作過(guò)程一般遵循以下協(xié)議：初始化——ROM操作命令——存儲(chǔ)器操作命令——處理數(shù)據(jù)? （3） DS18B20 溫度傳感器采集電路 本系統(tǒng)中所使用的溫度采集為多點(diǎn)測(cè)量，求取平均值處理，溫度采集電路接在P1.0口,如圖3-6所示： 圖3-6 DS18B20 溫度傳感器采集電路 3.3.2 HM1500LF濕度傳感器 基于法國(guó)Humirel的HS1101LF濕敏電容制成的防護(hù)棒式封裝的濕度傳感器HM1500LF是專(zhuān)門(mén)適用于需要精確可靠檢測(cè)濕度的OEM用戶，它的特點(diǎn)是嚴(yán)密的封裝，好的穩(wěn)定性及簡(jiǎn)單的三線制線性電壓輸出，方便與微控制器相接。 （1） 檢測(cè)原理 基于獨(dú)特的濕度感應(yīng)晶片，隨著環(huán)境濕度值的變化有著穩(wěn)定的容值變化的濕敏電容為基本檢測(cè)元件，通過(guò)帶補(bǔ)償校準(zhǔn)過(guò)的轉(zhuǎn)換電路，直接輸出線性的電壓值，直觀的反映出濕度值。 （2）主要特點(diǎn) ●小尺寸，浸水無(wú)影響全互換性 ●高可靠性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性在5V供電0~100%RH典型輸出，1~4C ●非常低的溫度依賴(lài)性，比例輸出 （3）HM1500LF濕度傳感器的的采集電路 本系統(tǒng)對(duì)于濕度只進(jìn)行采集和顯示，不進(jìn)行控制，并且也采用的是多點(diǎn)測(cè)量空氣中的濕度求取平均數(shù)后進(jìn)行顯示，采集電路通過(guò)74LS138接在P2.3-P2.5，如圖3-7所示： 圖3-7 HM1500LF 濕度傳感器采集電路 （注：由于我所使用的proteus中沒(méi)有單獨(dú)的濕度傳感器器件，因此使用SHT10一體式溫濕度傳感器替代，使其只起到濕度傳感器的功能。） 3.4 顯示模塊 3.4.1 LM016L的介紹及結(jié)構(gòu)? LM016L液晶模塊采用HD44780控制器，hd44780具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)，閃爍等功能，LM016L與單片機(jī)MCU通訊可采用8位或4位并行傳輸兩種方式，hd44780控制器由兩個(gè)8位寄存器，指令寄存器（IR）和數(shù)據(jù)寄存器（DR）忙標(biāo)志（BF），顯示數(shù)RAM（DDRAM），字符發(fā)生器ROMA（CGOROM）字符發(fā)生器RAM（CGRAM），地址計(jì)數(shù)器RAM(AC)。IR用于寄存指令碼，只能寫(xiě)入不能讀出，DR用于寄存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由內(nèi)部操作自動(dòng)寫(xiě)入DDRAM和CGRAM,或者暫存從DDRAM和CGRAM讀出的數(shù)據(jù)，BF為1時(shí)，液晶模塊處于內(nèi)部模式，不響應(yīng)外部操作指令和接受數(shù)據(jù)，DDTAM用來(lái)存儲(chǔ)顯示的字符，能存儲(chǔ)80個(gè)字符碼，?CGROM由8位字符碼生成5*7點(diǎn)陣字符160中和5*10點(diǎn)陣字符32種.?CGRAM是為用戶編寫(xiě)特殊字符留用的，它的容量?jī)H64字節(jié)，可以自定義8個(gè)5*7點(diǎn)陣字符或者4個(gè)5*10點(diǎn)陣字符，AC可以存儲(chǔ)DDRAM和CGRAM的地址，如果地址碼隨指令寫(xiě)入IR,則IR自動(dòng)把地址碼裝入AC，同時(shí)選擇DDRAM或CGRAM單元。 3.4.2 LM016L的引腳及功能? LM016L液晶模塊接在單片機(jī)的P0口和P2.0-P2.2口，它的的引腳圖如圖3-8所示，功能如下所示： 圖3-8 LM016L引腳圖 1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來(lái)的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣，如表3-2： 表3-2 LM016L引腳功能圖 引腳 符號(hào) 功能說(shuō)明 1 VSS? 一般接地 2? VDD? 接電源（+5V）? 3 V0? 液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高。 4 RS? RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。? 5 R/W? R/W為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。? 6 E? E(或EN)端為使能(enable)端，下降沿使能 7 DB0? 底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線?0位（最低位） 8 DB1? 底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線1位? 9 DB2? 底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線2位? 10 DB3? 底4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線3位? 11 DB4 高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線4位? 12 DB5 高4位三態(tài)、雙向數(shù)據(jù)總線5位? 13 DB6 高4位三態(tài)、?雙向數(shù)據(jù)總線?6位 14 DB7 高4位三態(tài)、?雙向數(shù)據(jù)總線?7位（最高位）? 15 BLA? 背光電源正極? 16 BLK? 背光?電源負(fù)極 3.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)采用了一個(gè)兩檔電爐絲（該電爐絲分為800W和1600兩檔，當(dāng)兩檔全開(kāi)為2400W）作為系統(tǒng)的加熱設(shè)備。選用了三個(gè)風(fēng)扇作為系統(tǒng)的降溫設(shè)備。在溫度接近標(biāo)準(zhǔn)值（-10℃—40℃）上下限10℃時(shí)進(jìn)行定時(shí)多點(diǎn)測(cè)量求平均值，根據(jù)多次測(cè)量的結(jié)果判斷溫度是否上升或者下降過(guò)快，并且采取相應(yīng)升、降溫措施（模糊控制）。即開(kāi)啟電爐絲或打開(kāi)風(fēng)扇。由于考慮到該執(zhí)行機(jī)構(gòu)為交流大功率器件，所以使用繼電器驅(qū)動(dòng)。 圖3-9 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路圖 為了設(shè)計(jì)方便所以仿真時(shí)用5個(gè)LED燈代替兩檔電爐絲和3個(gè)風(fēng)扇，其中P3.3和P3.4分別接兩個(gè)綠色的LED燈代表兩檔電爐絲。P3.5-P3.7接三個(gè)藍(lán)色LED燈代表三個(gè)風(fēng)扇。仿真圖如圖3-10所示： 圖3-10 執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真圖 3.6 通信模塊 3.6.1 MAX487簡(jiǎn)介 MAX487是MAXIM公司生產(chǎn)的一種差分平衡收發(fā)器芯片，是用于1rrL協(xié)議與RS485協(xié)議（半雙工串行通信）轉(zhuǎn)換的小功率收發(fā)器，它含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器。其主要特點(diǎn)如下： （1） 單+5V電源供電 （2） 工作電流在120-150UA （3） 低電流關(guān)機(jī)模式消耗0.1A電流 （4） 驅(qū)動(dòng)器有過(guò)載保護(hù)功能 MAX487引腳功能如表3-3所示： 表3-3 MAX487引腳功能表 管腳號(hào) 管腳名稱(chēng) 功能 1 Ro 接收器輸出 2 /RE 接收器輸出使能 3 DE 驅(qū)動(dòng)器輸出使能 4 DI 驅(qū)動(dòng)器輸入 5 GND 接地 6 A 接收器輸入和驅(qū)動(dòng)器輸出 7 B 接收器反相輸入和驅(qū)動(dòng)器反相輸出 8 VCC 電源 3.6.2 串行通信結(jié)構(gòu) AT89C51系列內(nèi)部含有一個(gè)可編程全雙工串行通信接口，具有UART（通用異步接收和發(fā)送器）的全部功能。該接口電路不僅能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可作為一個(gè)同步移位寄存器使用?？蓸?gòu)成雙機(jī)或者多機(jī)通信系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中，串行通信接在P3.0-P3.2接口，結(jié)構(gòu)圖如圖3-11所示： 圖3-11 串行通信結(jié)構(gòu)圖 3.7 聲光報(bào)警模塊 報(bào)警電路如圖3-12所示： 圖3-12 聲光報(bào)警電路 聲光報(bào)警電路與單片機(jī)P1.6~P1.7口相連，在溫度接近標(biāo)準(zhǔn)值（-10℃—40℃）上下限10℃時(shí)，黃色LED燈亮起，說(shuō)明溫度已進(jìn)入模糊控制范圍，外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)應(yīng)該啟動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的措施。當(dāng)溫度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值（-10℃—40℃）時(shí)，紅色LED燈亮起且蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，這時(shí)采取人為干預(yù)措施。  第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)軟件的整體思路 一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)要完成各項(xiàng)功能，首先必須有較完善的硬件作保證。同時(shí)還必須得到相應(yīng)設(shè)計(jì)合理的軟件的支持，尤其是微機(jī)應(yīng)用高速發(fā)展的今天，許多由硬件完成的工作，都可通過(guò)軟件編程而代替。甚至有些必須采用很復(fù)雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程有時(shí)會(huì)變得很簡(jiǎn)單，如數(shù)字濾波，信號(hào)處理等。因此充分利用其內(nèi)部豐富的硬件資源和軟件資源，采用與C51系列單片機(jī)相對(duì)應(yīng)的51匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言相結(jié)合以及結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法進(jìn)行軟件編程。 雖然匯編語(yǔ)言有速度快，實(shí)時(shí)性高的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)就是如果程序較長(zhǎng)用匯編就會(huì)顯得很冗長(zhǎng)且復(fù)雜，沒(méi)有高級(jí)語(yǔ)言來(lái)的直接易懂?，F(xiàn)在大部分單片機(jī)還是以C語(yǔ)言為主，在實(shí)時(shí)性要求高的地方，可以?xún)?nèi)嵌匯編，就是只有那部分代碼是匯編寫(xiě)的。所以本設(shè)計(jì)綜合考慮采用C語(yǔ)言編寫(xiě)系統(tǒng)程序。 本系統(tǒng)主要包括主程序、溫度采集子程序、濕度采集子程序、執(zhí)行機(jī)構(gòu)程序（模糊算法）、超限報(bào)警子程序。而本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)將會(huì)放在執(zhí)行機(jī)構(gòu)程序（模糊算法）上。 4.2 系統(tǒng)總流程圖 硬件部分設(shè)計(jì)制作完成后，關(guān)鍵是程序的編寫(xiě)。該系統(tǒng)程序的編寫(xiě)才用模塊化程序設(shè)計(jì)，采用模塊化程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于： （1）每個(gè)模塊都可以分配給不同的程序員完成，從而縮短開(kāi)發(fā)周。 （2）各個(gè)模塊高聚合、模塊之間低耦合，只要模塊之間確定了參數(shù)遞的接口，不管那個(gè)模塊內(nèi)部的改動(dòng)，均不會(huì)影響其他模塊。 （3）系統(tǒng)細(xì)化到模塊，條理清晰，系統(tǒng)更加容易理解和實(shí)現(xiàn)。 圖4-1 系統(tǒng)總流程圖 4.3 溫濕度傳感器程序 溫度傳感器DS18B20的各個(gè)命令對(duì)時(shí)序的要求嚴(yán)格，所以必須按照要求的時(shí)序才能達(dá)到預(yù)期的目的，本設(shè)計(jì)中的時(shí)間周期都由晶振電路產(chǎn)生。同時(shí)，要注意進(jìn)來(lái)的是高位在后低位在前，共有十二位數(shù)。而溫度和濕度的每一次采集的時(shí)間周期根據(jù)模糊控制思想決定的。 圖4-2 DS18B20子程序流程圖 4.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)程序 執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分采用模糊控制算法，首先定義溫度的誤差為E，誤差等級(jí)為五個(gè)等級(jí)；溫度的誤差變化率為Ec，誤差的變化率為三個(gè)等級(jí)。 模糊控制主要針對(duì)的溫度段在 -10℃—0℃，30℃—40℃。定義模糊控制的上下限為上限MAX=30℃，下限MIN=0℃。將采集回來(lái)的溫度Temp與模糊控制的上下限比較，（Temp-MAX）或者（MIN-Temp）得到溫度的誤差E，當(dāng)溫度與模糊控制上下限誤差每2℃為一個(gè)誤差等級(jí)，即： Temp-MAX≤2或者M(jìn)IN-Temp≤2， E=1； Temp-MAX≤4或者M(jìn)IN-Temp≤4， E=2； Temp-MAX≤6或者M(jìn)IN-Temp≤6， E= 3； Temp-MAX≤8或者M(jìn)IN-Temp≤8， E= 4； Temp-MAX≤10或者M(jìn)IN-Temp≤10，E=5； 溫度誤差的變化率為Ec=（Temp1-Temp）/Ti,其中Ti表示采集的周期，它的值為1000,800,500,300四個(gè)不同時(shí)間周期，溫度的變化率等級(jí)的確定為： Ec ≥-0.1或者Ec≤0.1，Ec=1； Ec ≥-0.2或者Ec≤0.2，Ec=2； Ec ≥-0.3或者Ec≤0.3，Ec=3； 模糊控制的規(guī)則具體到執(zhí)行機(jī)構(gòu)中則為對(duì)應(yīng)的升溫或者降溫措施，現(xiàn)在有兩檔的電爐絲和三個(gè)風(fēng)扇，需要把模糊控制的規(guī)則對(duì)應(yīng)到執(zhí)行措施當(dāng)中。遵守的規(guī)則就是誤差E和誤差變化率Ec越大，執(zhí)行的措施越強(qiáng)，誤差E和 誤差的變化率Ec越小，執(zhí)行的措施越弱，所以要對(duì)模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊化，預(yù)期執(zhí)行效果如表4-1所示： 表4-1 模糊控制執(zhí)行表 Ec U(k) E 3 2 1 5 Temp>0,開(kāi)啟3臺(tái)風(fēng)扇 Temp<0，電爐絲兩檔全開(kāi) Temp>0,開(kāi)啟3臺(tái)風(fēng)扇 Temp<0，電爐絲兩檔全開(kāi) Temp>0,開(kāi)啟3臺(tái)風(fēng)扇 Temp<0，電爐絲兩檔全開(kāi) 4 Temp>0,開(kāi)啟3臺(tái)風(fēng)扇 Temp<0，電爐絲兩檔全開(kāi) Temp>0,開(kāi)啟2臺(tái)風(fēng)扇 Temp<0，電爐絲開(kāi)啟2檔 Temp>0,開(kāi)啟2臺(tái)風(fēng)扇 Temp<0，電爐絲開(kāi)啟2檔 3 Temp>0,開(kāi)啟2臺(tái)風(fēng)扇 Temp<0，電爐絲開(kāi)啟2檔 Temp>0,開(kāi)啟2臺(tái)風(fēng)扇 Temp<0，電爐絲開(kāi)啟2檔 Temp>0,開(kāi)啟1臺(tái)風(fēng)扇 Temp<0，電爐絲開(kāi)啟1檔 2 Temp>0,開(kāi)啟2臺(tái)風(fēng)扇 Temp<0，電爐絲開(kāi)啟2檔 Temp>0,開(kāi)啟1臺(tái)風(fēng)扇 Temp<0，電爐絲開(kāi)啟1檔 Temp>0,開(kāi)啟1臺(tái)風(fēng)扇 Temp<0，電爐絲開(kāi)啟1檔 1 Temp>0,開(kāi)啟1臺(tái)風(fēng)扇 Temp<0，電爐絲開(kāi)啟1檔 Temp>0,開(kāi)啟1臺(tái)風(fēng)扇 Temp<0，電爐絲開(kāi)啟1檔 Temp>0,開(kāi)啟1臺(tái)風(fēng)扇 Temp<0，電爐絲開(kāi)啟1檔 第五章 總結(jié) 寫(xiě)完這篇畢業(yè)論文總結(jié)預(yù)示著我即將畢業(yè)，即將走出可愛(ài)的校園步入社會(huì)的大講堂，開(kāi)始我的又一個(gè)新的人生旅程。那么，我應(yīng)該記下一些東西，對(duì)我的畢業(yè)論文做一個(gè)總結(jié)，劃上一個(gè)完整的句號(hào)。 我的畢業(yè)設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)（溫室大棚）。當(dāng)我接到選題通知后，開(kāi)始著手論文的準(zhǔn)備工作。開(kāi)始的時(shí)候，我不知道要如何寫(xiě)起，要往哪方面著手。這個(gè)時(shí)候王衛(wèi)軍老師給我很大的幫助，給我指明了設(shè)計(jì)的思路。通過(guò)王老師的指導(dǎo)與幫助，我就開(kāi)始了第一步搜集資料的重要工作。 從搜集文獻(xiàn)到硬件電路的完成，到軟件程序的實(shí)現(xiàn)，到論文的完成。每一次的進(jìn)步都讓我喜悅，每一次王老師的指點(diǎn)都讓我收獲良多，每一次遇到困難都讓我更我得學(xué)會(huì)挑戰(zhàn)自我。通過(guò)這次的設(shè)計(jì)，我實(shí)現(xiàn)了溫度控制的硬件連接，了解了芯片的選用，模塊的建立，都會(huì)遇到這樣那樣的問(wèn)題，而每一次的沖破阻礙就會(huì)感到知識(shí)得到了升華。硬件設(shè)計(jì)我分為了以下模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊、溫濕度傳感器模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、通信模塊。然后設(shè)計(jì)軟件，編寫(xiě)程序調(diào)試硬件電路各個(gè)模塊的功能，在此又添加了模糊控制算法。最后通過(guò)Proteus仿真，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。最終結(jié)果表明：我的設(shè)計(jì)是合理的，能很好的達(dá)到預(yù)期的效果和要求。 大學(xué)四年我從書(shū)本中學(xué)了很多知識(shí)，以前雖然我也做過(guò)一些實(shí)驗(yàn)，但那都是簡(jiǎn)單、單一的任務(wù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有這次畢業(yè)設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)。通過(guò)這次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我不但增強(qiáng)了編程的能力，更培養(yǎng)了分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。而且是我的仿真畫(huà)圖能力得到了進(jìn)一步的提高，知道了很多以前不知道的技巧，讓我明白了“實(shí)踐出真知”的道理。 參考文獻(xiàn) [1] 方彥軍、孫健.智能儀器技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2003 [2] 潘永雄、沙河、劉向陽(yáng).電子線路CAD實(shí)用教程[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001 [3] 余錫存、曹?chē)?guó)華編著.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007 [4] 張偉、張杰.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2005 [5] 曹薇、謝云敏.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004 [6] 陳偉人. 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