1、單片機(jī)溫度控制設(shè)計(jì) 溫度的采集與處理1 緒 論1.1 課題背景隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，設(shè)施園藝工程因其涉及學(xué)科廣、科技含量高、與人 民生活關(guān)系密切，己越來越受到世界各國(guó)的重視。這也為我國(guó)大型現(xiàn)代化溫室的 發(fā)展提供了極好的機(jī)遇，并產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。我國(guó)的現(xiàn)代化溫室是在引進(jìn)與 自我開發(fā)并進(jìn)的過程中發(fā)展起來的。我的溫室大棚技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)形成了比較完整和全面的體系。虛擬儀 器溫室大棚溫度測(cè)控系統(tǒng)是一種比較智能，經(jīng)濟(jì)的方案，適于大力推廣，該系統(tǒng) 能夠?qū)Υ笈飪?nèi)的溫度進(jìn)行采集，然后再進(jìn)行比較，通過比較對(duì)大棚內(nèi)的溫度是否 超過溫度限制進(jìn)行分析，如果超過溫度限制，溫度報(bào)警系統(tǒng)將進(jìn)行報(bào)警，來通知 管理人員大

2、棚內(nèi)的溫度超過限制，并調(diào)節(jié)大棚溫度，從而有利于農(nóng)作物的生長(zhǎng)， 以達(dá)到提高產(chǎn)量目的。1.2 課題分析1.2.1 國(guó)內(nèi)外溫室控制技術(shù)發(fā)展概況溫室是一種可以改變植物生長(zhǎng)環(huán)境、為植物生長(zhǎng)創(chuàng)造最佳條件、避免外界四 季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱?chǎng)所。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結(jié)構(gòu)材料， 可在冬季或其他不適宜露地植物生長(zhǎng)的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)是以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn) 期，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，防治病蟲害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目的的。而溫室設(shè)施的關(guān) 鍵技術(shù)是環(huán)境控制，該技術(shù)的最終目標(biāo)是提高控制與作業(yè)精度。智能溫室系統(tǒng)是 近年來逐步發(fā)展起來的一種資源節(jié)約型高效設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)，它是在普通日光溫室 的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)自控技術(shù)

3、、智能傳感技術(shù)等高科技手段發(fā)展起來的。世界發(fā)達(dá)國(guó)家荷蘭，美國(guó)，英國(guó)等大力發(fā)展集成化的溫室產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)研制成 功對(duì)溫室內(nèi)溫度，濕度，光照，氣體交換，滴灌，營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)等實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng) 控制的現(xiàn)代化高科技溫室，甚至于育苗，移栽，清洗，包裝等也是實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，自動(dòng)化。此外遙感技術(shù)(Wireless Tech nology)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Tra nsfer Co ntrol Protocel-I nternet Protocol /TCP-，控 制局域網(wǎng)(Ctroller area networ也)逐漸應(yīng)用于 溫室的管理與控制中。目前，美國(guó)已將全球定位系統(tǒng)，遙感遙測(cè)等高新技術(shù)應(yīng)用 于溫室生產(chǎn)，由82%的溫室使

4、用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，有67%的農(nóng)戶使用計(jì)算機(jī)，其 中27%的農(nóng)戶還用于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。英國(guó)的智能溫室系統(tǒng)，西班牙和奧地利的遙控溫 室系統(tǒng)都是計(jì)算機(jī)控制的成功應(yīng)用，另外，德國(guó)已將3S技術(shù)(地理信息系統(tǒng)GIS, 全球定位系統(tǒng)GPS和遙感技術(shù)RS應(yīng)用于溫室。我國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，溫室技術(shù)的發(fā)展缺比較晚，與國(guó)外的技術(shù)相比有很 大差距。這主要是我國(guó)溫室技術(shù)興起的比較晚的緣故，為了提高這方面的技術(shù)， 在自 70年代末起，我國(guó)先后從日本、美國(guó)、荷蘭和保加利亞等國(guó)引進(jìn)了不下40 套的現(xiàn)代化溫室成套設(shè)備，雖然引進(jìn)的這些溫室設(shè)備技術(shù)領(lǐng)先、設(shè)備先進(jìn)，但在 我國(guó)的使用過程中還存在著較為嚴(yán)重問題，主要是由于我國(guó)自然氣候的特點(diǎn)和

5、引 進(jìn)的設(shè)備不能相符合，導(dǎo)致設(shè)備不能發(fā)揮作用，加上設(shè)備的可改動(dòng)性不大，因而 很難達(dá)到設(shè)備對(duì)溫室內(nèi)溫度、濕度等的合理控制。經(jīng)過多年來的研究和實(shí)驗(yàn)，我 國(guó)的溫室大棚技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)形成了比較完整和全面的體系。但在某些方 面還有欠缺和需要改進(jìn)地方，譬如說對(duì)溫室中溫度因子的控制水平、控制精度以 及控制穩(wěn)定性方面都有待于進(jìn)一步的提高。1.2.2 單片機(jī)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展應(yīng)用單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，又稱微控制器，嵌入式微控制器等，屬于第四 代電子計(jì)算機(jī)。它把中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口電路以及定時(shí)器計(jì)數(shù)器 集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)且可靠 性高等特點(diǎn)，因此，適

6、合應(yīng)用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測(cè)控系統(tǒng)的前端 裝置。正是由于這一原因，國(guó)際上逐漸采用微控制器代替單片微型計(jì)算機(jī)這一名 稱?！拔⒖刂破鳌备芊从硢纹瑱C(jī)的本質(zhì)，但是由于單片機(jī)這個(gè)名稱已經(jīng)為國(guó)內(nèi)大 多數(shù)人所接受，所以仍沿用“單片機(jī)”這一名稱。單片機(jī)的主要特點(diǎn)有：(1) 具有優(yōu)異的性能價(jià)格比。(2) 集成度高、體積小、可靠性高。(3) 控制功能強(qiáng)。(4) 低電壓，低功耗。單片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域：由于單片機(jī)具有上述顯著的特點(diǎn)，因此，其應(yīng)用領(lǐng) 域無所不至，在自動(dòng)化裝置、智能化儀器儀表和家用電器等領(lǐng)域得到日益廣泛的 應(yīng)用。其典型的應(yīng)用領(lǐng)域有工業(yè)控制，儀器儀表，電信技術(shù)，辦公自動(dòng)化和計(jì)算 機(jī)外部設(shè)備，汽車

7、和節(jié)能，制導(dǎo)和導(dǎo)航，商用產(chǎn)品，家用電器等。因此，在本課題設(shè)計(jì)的溫度測(cè)控系統(tǒng)中，采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度的控制。1.2.3 課題設(shè)計(jì)的目的及意義由于我國(guó)的溫室大棚產(chǎn)業(yè)起步比較晚，發(fā)展時(shí)間短，造成我國(guó)的溫室大棚技 術(shù)水平比較低，現(xiàn)代化管理程度不高，溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)條件差等狀況。因此迫 切需要在技術(shù)上進(jìn)一步的進(jìn)行改進(jìn)和提高。這種設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了溫度實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示和控制。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，具 有較高的測(cè)量精度，不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，安裝簡(jiǎn)單方便，性價(jià)比高，可 維護(hù)性好。這種溫度測(cè)控系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的溫室大棚，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí) 控制，是一種比較智能、經(jīng)濟(jì)的方案，適于大力推廣，以便促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)， 從

8、而提高溫室大棚的畝產(chǎn)量，以帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1.3 課題研究的主要內(nèi)容及章節(jié)安排該系統(tǒng)能夠?qū)Υ笈飪?nèi)的溫度進(jìn)行采集，利用溫度傳感器將溫室大棚內(nèi)溫度的 變化，變換成電流的變化，再轉(zhuǎn)換為電壓變化輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其值由單片機(jī)處 理，最后由單片機(jī)去控制數(shù)字顯示器，顯示溫室大棚內(nèi)的實(shí)際溫度，同時(shí)通過比 較，對(duì)大棚內(nèi)的溫度是否超過溫度限制進(jìn)行分析。如果超過我們預(yù)先設(shè)定的溫度 限制，溫度報(bào)警系統(tǒng)將進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)對(duì)大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行控制。論文的具體章節(jié)安排如下：第 1 章緒論，介紹論文的研究背景和意義以及本論文的主要研究?jī)?nèi)容。第 2 章系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，主要介紹器件的選擇、工作原理和注意事項(xiàng)及

9、系統(tǒng)原理圖。第 3 章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。第 4 章系統(tǒng)的測(cè)試，完成對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)。最后給出了溫度控制系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果并進(jìn)行分析，同時(shí)提出了系統(tǒng)的優(yōu)缺 點(diǎn)。系統(tǒng)的總體框圖如 1.1。圖1.1系統(tǒng)總體框圖2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)2.1 采集模塊設(shè)計(jì)2.1.1 傳感器的選擇測(cè)量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展主要大體經(jīng)過了三個(gè)階 段：1、傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器（含敏感元件）。2、模擬集成溫度傳感器/控制器。3、智能溫度傳感器。模擬集成傳感器是采用硅半導(dǎo)體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單 片集成溫度傳感器。模擬集成溫度傳感器是在20世紀(jì) 80年代問世的，它是將溫 度傳感

10、器集成在一個(gè)芯片上，可完成溫度測(cè)量及模擬信號(hào)輸出功能的專用。模擬 集成溫度傳感器的主要特點(diǎn)是功能單一（僅測(cè)量溫度）、測(cè)溫誤差小、價(jià)格低、響 應(yīng)速度快、傳輸距離遠(yuǎn)、體積小、微功耗等，適合遠(yuǎn)距離測(cè)溫、控溫，不需要進(jìn) 行非線性校準(zhǔn)，外圍電路簡(jiǎn)單。它是目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為普遍的一種集成傳感 器，典型產(chǎn)品有AD590, AD592等。模擬集成溫度控制器主要包括溫控開關(guān)和可編程溫度控制器，某些增強(qiáng)型集 成溫度控制器中還包含了 A/D 轉(zhuǎn)換器以及固化好的程序，這與智能溫度傳感器有 某些相似之處。但它自成系統(tǒng)，工作時(shí)并不受微處理器的控制，這是二者的主要 區(qū)別。智能溫度傳感器（亦稱數(shù)字溫度傳感器）是在 20世紀(jì)

11、 90年代中期問世的。它 是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)測(cè)試技術(shù)的結(jié)晶。目前，國(guó)際上已開始發(fā)出多 種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換 器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器（或寄存器）和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中 央控制器（CPU）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）。智能溫度傳感器 的特點(diǎn)是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器；并且它是在 硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實(shí)現(xiàn)測(cè)試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水 平。目前，國(guó)際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、從集成化向智能化和網(wǎng) 絡(luò)化的方向飛速發(fā)展。智能溫度傳感器DS18B20正是朝著

12、高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片機(jī)測(cè)溫系 統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。因此，智能溫度傳感器DS18B20乍為溫度測(cè)量裝置 己廣泛應(yīng)用于人民的日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。方案的確定：方案一：采用智能溫度傳感器DS18B20采集數(shù)據(jù)。方案二：采用鉑電阻溫度傳感器PT10(采集數(shù)據(jù)。2.1.2 DS18B20簡(jiǎn)介1、DS18B20的管腳DS18B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，其管腳排列圖如圖2.1PR-35封裝I/OGNDNCNC18dS7 一DS18B2036 .45 一SOSI封裝VCCNCNCNC圖2.1 DS18B20封裝圖I/O為數(shù)

13、據(jù)輸入/輸出端(即單線總線),它屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后, 常態(tài)下呈高電平。UDD是可供選用的外部電源端，不用時(shí)接地，GND為地，NC 空腳。2、DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)它主要包括7部分：寄生電源；溫度傳感器；64位激光(loser)RO M與單線 接口；高速暫存器，即便筏式RAM，用于存放中間數(shù)據(jù)；TH觸發(fā)寄存器和TL 觸發(fā)寄存器，分別用來存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值；(6)存儲(chǔ)和控制邏輯；8位 循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(ORC發(fā)生器。3、DS18B20的控制方法在硬件上，DS18B20與單片機(jī)的連接有兩種方法。一種是DS18B20的UDD 接外部電源，GND接地，其I/O與單片機(jī)的I/O線相連

14、；另一種是用寄生電源供 電，此時(shí)DS18B20的UDD、GND接地，其I/O接單片機(jī)I/O。無論是內(nèi)部寄生 電源還是外部供電，DS18B20的 I/O 口線要接5K左右的上拉電阻。原理圖如圖 2.2。圖2.2采集原理圖4、DS18B20使用的注意事項(xiàng)DS18B20雖然具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)， 但在實(shí)際使用中也應(yīng)注意以下問題：(1) 較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，由于DS18B20與微處理 器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此，在對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證 讀寫時(shí)序，否則將無法讀取測(cè)溫結(jié)果。(2) 在 DS18B20的有關(guān)資料中均未提及單總線上

15、所掛DS18B20數(shù)量問題，在 單總線上所掛DS18B20超過8個(gè)時(shí)，就需要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問題。(3) 連接DS18B20的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。在DS18B20測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總 要等待DS18B20的返回信號(hào)，一旦某個(gè)DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該 DS18B20時(shí)，將沒有返回信號(hào)，程序進(jìn)入死循環(huán)。2.1.3 PT10C簡(jiǎn)介及原理鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感 器，由于其測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量范圍大、復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等，被廣泛用于中溫 (-200 C650 C)范圍的溫度測(cè)量中。PT10C是一種廣泛應(yīng)

16、用的測(cè)溫元件，在50600C范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳 感器無可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于鉑電 阻的阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。校正分為模擬電路校 正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂 等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將Pt電阻的電阻值和溫度對(duì)應(yīng)起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實(shí)測(cè)的AD值以查表方式計(jì)算相應(yīng) 溫度值。本次設(shè)計(jì)中采用的是精度較高的PT1O0常用的Pt電阻接法有三線制和兩線 制,其中三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將PT10的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋 臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除

17、。常用的采樣電路有兩種：一為橋式測(cè)溫電路，一 為恒流源式測(cè)溫電路。其中圖2.3為三線制橋式測(cè)溫電路，2.4為兩線制橋式測(cè)溫 電路，2.5為恒流源式測(cè)溫電路。原理圖如下。圖2.3三線制接法橋式測(cè)溫電路圖2.4兩線制接法橋式測(cè)溫電路圖2.5恒流源式測(cè)溫電路電路分析:1、橋式測(cè)溫電路橋式測(cè)溫的典型應(yīng)用電路如圖2-3和2-4所示(圖2-3和圖2-4均為橋式電路，分 別畫出來是為了說明兩線制接法和三線制接法的區(qū)別)。在此我們采用的是三線制 橋式接法。測(cè)溫原理：電路采用TL431和電位器VR1調(diào)節(jié)產(chǎn)生4.096V勺參考電源，采用 R1、R2、VR2、Pt100勾成測(cè)量電橋(其中R1=R2, VR2為100

18、Q精密電阻)，當(dāng) Pt100勺電阻值和VR2的電阻值不相等時(shí)，電橋輸出一個(gè)mV級(jí)的壓差信號(hào)，這個(gè) 壓差信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放LM324放大后輸出期望大小的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連AD 轉(zhuǎn)換芯片。差動(dòng)放大電路中R3=R4、R5=R6、放大倍數(shù)= R5/R3運(yùn)放采用單 一5V供電。設(shè)計(jì)及調(diào)試注意點(diǎn)： 同幅度調(diào)整R1和R2的電阻值可以改變電橋輸出的壓差大??；(2) 改變R5/R3的比值即可改變電壓信號(hào)的放大倍數(shù)，以便滿足設(shè)計(jì)者對(duì)溫度 范圍的要求；(3) 放大電路接成負(fù)反饋方式；VR2也可為電位器，調(diào)節(jié)電位器阻值大小可以改變溫度的零點(diǎn)設(shè)定，例如 Pt100勺零點(diǎn)溫度為0C，即0C時(shí)電阻為100Q，當(dāng)電位器阻值調(diào)

19、至109.88時(shí)， 溫度的零點(diǎn)就被設(shè)定在了25C。測(cè)量電位器的阻值時(shí)須在沒有接入電路時(shí)調(diào)節(jié)， 這是因?yàn)榻尤腚娐泛鬁y(cè)量的電阻值發(fā)生了改變；(5)理論上，運(yùn)放輸出的電壓為輸入壓差信號(hào)X放大倍數(shù)，但實(shí)際在電路工 作時(shí)測(cè)量輸出電壓與輸入壓差信號(hào)并非這樣的關(guān)系，壓差信號(hào)要比理論值小很多； 電橋的正電源必須接穩(wěn)定的參考基準(zhǔn)，因?yàn)槿绻苯覸CC的話，當(dāng)網(wǎng)壓 波動(dòng)造成VCC發(fā)生波動(dòng)時(shí)，運(yùn)放輸出的信號(hào)也會(huì)發(fā)生改變。2、恒流源式測(cè)溫電路測(cè)溫原理：通過運(yùn)放U1A將基準(zhǔn)電壓4.096V轉(zhuǎn)換為恒流源，電流流過Pt100 時(shí)在其上產(chǎn)生壓降，再通過運(yùn)放U1B將該微弱壓降信號(hào)放大(圖中放大倍數(shù)為10)， 即輸出期望的電壓信號(hào)

20、，該信號(hào)可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。根據(jù)虛地概念“工作于線性范圍內(nèi)的理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端同電位”，運(yùn)放 U1A的“+”和“-”端電位V+ = V=4.096V;假設(shè)運(yùn)放U1A的輸出腳1對(duì)地電壓為 Vo,根據(jù)虛斷概念，V-和R1均不變，因此圖3-4虛線框內(nèi)的電路等效為一個(gè)恒流源 流過一個(gè)Pt100fe阻，電流大小為V- /R1, Pt100h的壓降僅和其自身變化的電阻值 有關(guān)。設(shè)計(jì)及調(diào)試注意點(diǎn)：電壓基準(zhǔn)源可以采用TL431按圖2-3勺電路產(chǎn)生可調(diào)的。(2) 等效恒流源輸出的電流不能太大，以不超過1mA為準(zhǔn)，以免電流大使得 Pt10(電阻自身發(fā)熱造成測(cè)量溫度不準(zhǔn)確。(3) 運(yùn)放采用單一5V供電，如果測(cè)量

21、的溫度波動(dòng)比較大，將運(yùn)放的供電改為土 15V雙電源供電會(huì)有較大改善。(4) 電阻R2、R3的電阻值取得足夠大，以增大運(yùn)放的U1B的輸入阻抗。2.2轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)2.2.1芯片的選擇題目所要求測(cè)量度精度為C,測(cè)溫的范圍應(yīng)該為室溫所要求的最高溫度和 最低溫度，即0100C，這就決定了A/D轉(zhuǎn)換的最低分辨率不低于1/100在此處 用的A/D轉(zhuǎn)換器為TLC1549它是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的10位、開關(guān)電容、逐 次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。他采用CMOS工藝，具有2個(gè)數(shù)字輸入端和1個(gè)3態(tài)輸出端(芯 片選擇、輸入輸出時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸出)，提供了與主處理器串行端口的3線接口。 管腳圖如圖2.6。REF* 1 USJ V

22、CCANALOG IN 27l/O CLOCKREF-6DATA CUTGND 45cs圖2.6管腳圖2.2.2芯片的特點(diǎn)1、芯片的特點(diǎn)10位分辨率A /D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：具有內(nèi)在的采樣和保持；采用差分基準(zhǔn)電壓 高阻輸入；內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘；按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍；總不可調(diào)整誤差達(dá)到±LSBMax (418mV )2、工作環(huán)境(1) 電源電壓范圍：-0.5- 6.5 V(2) 輸入電壓范圍：-0.3-VCC+ 0.3 V 輸出電壓范圍：-O.AVCC+ 0.3 V(4) 正基準(zhǔn)電壓： VCC+ 0.1 V(5) 負(fù)基準(zhǔn)電壓： - 0.1 V(6) 工作溫度范圍(自然通風(fēng))：070 C(7) 峰

23、值輸入電流(任何輸入端) ：±20 mA(8) 峰值總輸入電流(所有輸入端) ：±30 mA2.3 存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)2.3.1 芯片的選擇AT24C02提供電可擦除的串行1024位存儲(chǔ)或可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)25字(8位/字)。特點(diǎn)為：(1) 低壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓運(yùn)行模式；-2.7 (VCC = 2.7V to 5.5V)-1.8 (VCC = 1.8V to 5.5 V)(2) 內(nèi)建128x8存儲(chǔ)序列；(3) 2線制串行接口；(4) 雙向數(shù)據(jù)傳送協(xié)議，100kHz(1.8V,2.5V,2.7V) 400kH和5V)兼容；(5) 4字頁寫方式；(6) 寫同步時(shí)鐘(最大10m

24、s)高可靠性；(7) 不斷推進(jìn)的芯片等級(jí)擴(kuò)大了設(shè)備的可用溫度范圍。2.3.2 芯片的工作原理在本設(shè)計(jì)中用芯片AT24C02的SDA端與單片機(jī)的P2.5口相連,SCL端與單 片機(jī)的P2.6 口相連。因?yàn)樵谶@個(gè)I2C總線上只有一個(gè)器件，所以把AT24C02的 地址設(shè)為000,即把A0、A1、A2都接地。數(shù)據(jù)通過SDA、SCL向AT24C02輸 送數(shù)據(jù)。單片機(jī)首先向AT24C02發(fā)送寫信號(hào)，當(dāng)確認(rèn)后從單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)儲(chǔ) 存單元提取數(shù)據(jù)然后向AT24C02的內(nèi)部地址傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)顯示溫度時(shí)，單片機(jī) 首先向AT24C02發(fā)送讀信號(hào)，然后確認(rèn)后，單片機(jī)從AT24C02內(nèi)部的地址向單 片機(jī)的讀出單元字節(jié)讀出數(shù)

25、據(jù)，供顯示所用。原理圖如圖2.7。1.A0VCC.A1WC-.A2SCL,VSSSDAS8AT24 CO 28765p25-2丄R1 25.1 Kp26R1 35.1 KVCC圖2.7數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原理圖2.4單片機(jī)控制模塊單片機(jī)軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種控制看法和邏輯控 制?？蓪?shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示和鍵盤設(shè)定等多種功能，原理圖如圖2.&S7AT89 S5 1S4VCCR21OuFp1.0p1.2lp13458P1. 0P1. 1P1.2P1. 3P1.4P1. 5P1.6P1. 7RSTVCCGNDRXD1 0TXD1 11 2SW31 3SW21 4SW11 51 61 710k

26、P3. 0 /RXDP3. 1 /TXDP3. 2 /INTOP3. 3 /INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD圖2.8P0. 0/AD0P0. 1/AD1P0. 2/AD2P0. 3/AD3P0. 4/AD4P0. 5/AD5P0. 6/AD6P0. 7/AD7EAALEPSENP2.7/A1 5P2.6/A1 4P2.5/A1 3P2.4/A1 2P2.3/A1 2P2.2/A1 0P2. 1 /A92PDNG0/A8VCC |-4039 A38 B37 C36 D35 E34 F33 G32 H3 1 VCCTo292827bee26p2625 p25

27、2 4 L4_23 L32 2 L221 L1GND控制電路原理圖IIJ1123456789CON9C31H30pfC230pf丄GND34此方案采用AT89S51單片機(jī)系統(tǒng)為核心來對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。AT89S51的 極限參數(shù)：工作溫度-55C125C，存儲(chǔ)溫度-65C150C，任一引腳對(duì)地電壓 1.0V7.0V,最大工作電壓6.6V, ADC輸出電流15.0mA,滿足整體電路設(shè)計(jì)的 要求。2.5顯示模塊設(shè)計(jì)顯示器模塊由四位一體的共陰數(shù)碼管和1個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片組成。原理圖如圖2.QVCCO.C-1 D1 Q.2 D2 Q3 D3 Q-4D4 Q.5 D5 Qa nA C-8D8 QU274HC5

28、73A 2H 9B 3C 4D 5E 6F 7G 841 8 RED21 2 RED81 7 RED31 6 RED41 5 RED51 4 RED61 3 RED7R1n3丫14_ea f_c!bg 1LE D叩周1 9 RED1圖2.9顯示模塊原理圖單個(gè)LED是由7段發(fā)光二極管構(gòu)成的顯示單元。有10個(gè)引腳，對(duì)應(yīng)于7個(gè) 段、一個(gè)小數(shù)點(diǎn)和兩個(gè)公共端。在顯示電路中，這些發(fā)光二極管有兩種接法：共 陽極接法和共陰極接法。本設(shè)計(jì)中需要用4個(gè)LED組成顯示單元，并采用動(dòng)態(tài)顯 示方式。由于使用4個(gè)單個(gè)LED進(jìn)行顯示的連線比較復(fù)雜，同時(shí)單片機(jī)的端口驅(qū) 動(dòng)能力也難以保證,而需要加入專門的驅(qū)動(dòng)芯片。所以，采用了

29、 4個(gè)LED連體的、 內(nèi)部已將其相應(yīng)段接好的共陰極LED，它具有12個(gè)引腳，含7個(gè)段和4個(gè)公共 端，為提高數(shù)碼管的亮度，可在位選線上加入一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)電路。由單片機(jī)控制的顯示電路中，要選取合適的電阻，才能保證LED的亮度，過 大或者過小都無法讓LED正常顯示。若考慮印制板布線的方便，可以采用貼片電 阻和排阻來節(jié)省空間。2.6按鍵模塊設(shè)計(jì)在一個(gè)系統(tǒng)中顯示部分是輸出部分，而按鍵則是系統(tǒng)的輸入部分，操作人員 可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信?，F(xiàn)在的設(shè)備中把按鍵作為輸入設(shè) 備幾乎是必不可少的。按鍵作為控制的輸入其重要性不言而喻。普通的4腿按鍵實(shí)際上是分兩組，每組中的兩個(gè)是相通，而兩組直接是通過

30、 上面的按鈕來控制通段狀態(tài)的。簡(jiǎn)單理解成開關(guān)就可以了，按下去兩端就形成短 路，松開手就形成開路。單片機(jī)就是通過判斷是否短路，而獲得這個(gè)按鍵是否被 人按下。原理圖如圖2.10。S3圖2.10按鍵控制電路Titl e2.7報(bào)警模塊設(shè)計(jì)SizeNu mberRev i sio nB本文中所設(shè)計(jì)的報(bào)警電路較為簡(jiǎn)單，由一個(gè)自我震蕩型的蜂鳴器（只要在蜂File:石畢亞設(shè)計(jì)PROT ELwen q ian.d dbDrawn By:鳴器兩端加上超過3V的電壓，蜂鳴器就會(huì)叫個(gè)不停）。在溫度達(dá)到一定的上界 或者下界時(shí)（在文中我們?cè)O(shè)置的上界溫度是100C,下界溫度是0C）,報(bào)警電路 開始工作。原理圖如圖2.11。

31、5圖2.11報(bào)警電路原理圖3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1軟件系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法。整個(gè)系統(tǒng)由初始化模塊、溫度采集模塊, A/D轉(zhuǎn)換模塊，顯示、按鍵和報(bào)警模塊構(gòu)成。總體框圖如圖3.1。圖3.1程序設(shè)計(jì)總體框圖3.2鍵盤/顯示程序設(shè)計(jì)1、顯示程序段八段LED數(shù)碼管顯示原理是通過同名管腳上所加電平的高低來控制發(fā)光二 級(jí)管是否點(diǎn)亮從而顯示不同字形的。數(shù)碼管的顯示分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種, 靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是各LED管能穩(wěn)定地同時(shí)顯示各字形；動(dòng)態(tài)顯示是指LED輪流 地一遍一遍顯示各字符，人們由于視覺器官惰性，從而看到的是各LED似乎在同 時(shí)顯示不同字形。為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)的可靠性并降

32、低成本，單片機(jī)控制系統(tǒng)通常采 用動(dòng)態(tài)掃描顯示，而在此程序中采用的就是動(dòng)態(tài)顯示。程序流程圖就不再介紹。動(dòng)態(tài)顯示采用軟件法把欲顯示的十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)字形碼，故它通常需 要在 RAM 區(qū)建立一個(gè)顯示緩沖區(qū)。顯示緩沖區(qū)內(nèi)包含的存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)常和系統(tǒng) 中 LED 顯示器的個(gè)數(shù)相等。顯示緩沖區(qū)的起始地址很重要，它決定了顯示緩沖區(qū) 在 RAM 中的位置。顯示緩沖區(qū)中的每個(gè)存儲(chǔ)單元用于存放相應(yīng)LED顯示管欲顯示字符在字形 碼表中的地址偏移量，故CPU可以根據(jù)這個(gè)地址偏移量通過查字形碼表找出所需 顯示的字形碼，以便送到字形口顯示。2、鍵盤的處理程序在設(shè)計(jì)中，對(duì)于按鍵的消抖采用了軟件消抖的方法，有效的節(jié)約了成本

33、。按 鍵的處理程序流程圖略。4 系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試使用的測(cè)試工具有：1、DT92N 萬用表一塊；2、+12V 直流電源一個(gè)；3、MCS-51C語言編譯器；4、AT89S51串行下載線一條；本設(shè)計(jì)的測(cè)試分為硬件測(cè)試和軟件測(cè)試兩類4.1 系統(tǒng)硬件測(cè)試自制前應(yīng)先對(duì)各元件其質(zhì)量及參數(shù)進(jìn)行細(xì)心的檢測(cè)，再根據(jù)所需的體積設(shè)計(jì) 一款合適的線路板。總而言之，良好的元件質(zhì)量、合適的印板布局是有效提高自 制成功率的保證。用數(shù)字集成電路檢測(cè)儀對(duì)LED數(shù)碼管進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)方法由自己確定。(1) 將元器件插入印制板相應(yīng)位置，并焊接、剪腳。(2) 焊接電源引腳。 在整機(jī)調(diào)試前還需仔細(xì)檢查如下幾個(gè)方面：(1) 各級(jí)不同的半導(dǎo)體

34、管有無誤裝，管腳安裝是否正確，線路的連接和元件 的安裝是否有誤，電解電容“+” “-”極性是否裝接正確。(2) 輸入輸出是否焊對(duì)。(3) 各焊點(diǎn)有無虛焊、漏焊、碰焊，多股線有無斷股。(4) 將歪斜的元件扶直排齊，排除元器件裸線相碰之處。線頭等異物應(yīng)清理 干凈。4.2 系統(tǒng)軟件測(cè)試用Keil uvision2對(duì)51系列單片機(jī)程序編寫時(shí)，可借助該軟件對(duì)所編寫的程序 進(jìn)行調(diào)試，將源程序按規(guī)定的格式輸入到PC機(jī)。手工編寫：這種方法是最原始，但又是一種最簡(jiǎn)捷的調(diào)試方法，且不必增加 調(diào)試設(shè)備。這種方法的實(shí)質(zhì)就是按照單片機(jī)的一些C語言編程，將源程序輸入計(jì) 算機(jī)。在進(jìn)行編程時(shí)，要特別注意延時(shí)程序、采集數(shù)據(jù)、計(jì)

35、算的程序。必須準(zhǔn)確 無誤地計(jì)算，以免出錯(cuò)。同時(shí)，在編寫顯示和按鍵程序時(shí)需注意以下問題： (1)顯示部分必須要保證顯示無閃爍既無錯(cuò)誤。(2)在某個(gè)鍵按下的時(shí)候，被按鍵的簧片總會(huì)有輕微抖動(dòng)，這種抖動(dòng)常會(huì)持續(xù) 10ms左右，因此，CPU在按鍵抖動(dòng)期間掃描鍵盤必然會(huì)得到錯(cuò)誤的鍵號(hào)，因此 軟件的消抖對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。5 總結(jié)隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)絹碓街匾暅囟纫蛩?，許多產(chǎn)品對(duì) 溫度范圍要求嚴(yán)格，而目前市場(chǎng)上普遍存在的溫度檢測(cè)儀器大都是單點(diǎn)測(cè)量，同 時(shí)還有溫度信息傳遞不及時(shí)、精度不夠的缺點(diǎn)，不利于控制者根據(jù)溫度變化及時(shí) 做出決定。因此，一種能夠同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)，并且實(shí)時(shí)性高、精度高，能夠綜

36、合處 理多點(diǎn)溫度信息的測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就成為當(dāng)今的熱點(diǎn)。本課題就是在這樣的形式 下，提出一種基于單片機(jī)的溫度測(cè)控系統(tǒng)用于溫室大棚內(nèi)溫度的控制，以提高大 棚農(nóng)作物的產(chǎn)量，增加其經(jīng)濟(jì)效益。本次設(shè)計(jì)主要是針對(duì)溫室大棚內(nèi)溫度因子的檢測(cè)與控制，主要涉及單片機(jī)、 傳感器等元件的選取與應(yīng)用，以及鍵盤輸入、顯示電路、報(bào)警電路等硬件方面的 設(shè)計(jì)。這樣由單片機(jī)、傳感器及外圍設(shè)備組成一個(gè)完整的溫室溫度檢測(cè)與控制系 統(tǒng)。通過這次制作，我有很大的收獲。首先，在制作過程中使理論和實(shí)踐相結(jié)合， 加深了對(duì)理論知識(shí)的理解。理論是在理想狀態(tài)下的真理，所以我們應(yīng)該多實(shí)踐， 不能拘泥于理論知識(shí)。其次，動(dòng)手能力有了很大的提高。第三，在P

37、CB制圖中也 學(xué)到了許多的東西，整個(gè)設(shè)計(jì)過程加深了我對(duì)PROTEL的理解。而且此次設(shè)計(jì)還 有很多不足之處，由于精力所限此次設(shè)計(jì)只涉及到了溫度，沒有涉及濕度、CO2 濃度、光照度等的控制，還有待于進(jìn)一步研究和改進(jìn)?？傊?，這次制作使我受益非淺。還有許多需要學(xué)習(xí)提高的，今后我會(huì)更加努1234附錄1:系統(tǒng)的主要原理圖如圖1VCCU41REF+VCCANAIOG IICIOCREF-data oGNDcs5AIN2348tlc1549ut7k6VCCS4S43|4VCCC'10uFRXD10TXD1112SW313SW214SW11516R210k17GNDS7AT89S51P1.0P1.1P1

38、.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTP3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDY112M0281DNGJ140VC3sAP0.0/AD0 39AP0.1/AD1 38B_37C P0.2/Afb P0.3/AD3 門P0.4/AD4P0.5/AD5 34F °6 33G )7 32H_ 31VCCP0.6/ADP0.7/AD dALE30 PSEP2.7/A1P2.6/A1P2.5/A1304567CON9P2.4/A1P2.3/A1P2.2/A1P2.1/AP2.0/ADNG528427

39、32 252 24L42 23L3 °_22L29 21L18BEE26S8A0 A1A2VSSVCCWC3SCL-SDAAT24C02GNDC230pfC330pf圖1原理圖R125.1KR135.1KVCC附錄2:系統(tǒng)的部分程序如下：#in clude<reg52.h>sbit AD_DAT=PMO;sbit AD_CLK=P1A1;sbit AD_CS=PM2;sbit c1=P2A0；sbit c2=P2A1；sbit c3=P2A2;sbit c4=P2A3;sbit SCL=P2A5;sbit SDA=P2A4;un sig ned char time_ nu

40、m;un sig nedchara16=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0x b6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,0xee,0x3c,0x 9c,0x7a,0x9e,0x8e;共陰數(shù)碼管void init()/50ms 定時(shí)(12M)TMOD=0x01;TH0=0xd8;TL0=0xf0;IE=0x82;TR0=1;/*數(shù)碼管顯示程序段*/void delay (un sig ned char x)un sig ned int i,j; for(i=0;i<x;i+) for(j=0;j<10;j+);un sig ned int adjust( un

41、sig ned int m) un sig ned int i,a;un sig ned int j,b;un sig ned int k; a=(m/1000)<<12; b=(m%1000)/100)<<8;i=(m%100)/10)<<4; j=m%10;k=a+b+i+j; return k;void display (un sig ned int x)un sig ned int i,c,b;i=(x>>12)&0x0f;if(i=0)P0=0x00;elseP0=ai;c仁0;delay(10);c1=1;c=(x>&g

42、t;12)&0x0f;i=(x>>8)&0x0f;if(c=0)&&(i=0) P0=0x00;elseP0=ai;c2=0;delay(10);c2=1;c=(x>>12)&0x0f;b=(x>>8)&0x0f;i=(x>>4)&0x0f;if(c=0)&&(b=0)&&(i=0) P0=0x00;elseP0=ai;c3=0;delay(10);c3=1;i=x&0x0f;P0=ai;c4=0;delay(10);c4=1;void Led_dis

43、play (un sig ned int dat) dat=adjust(dat); display(dat);/*數(shù)碼管顯示程序段*/1549A/D程序段*/un sig ned int AD_Dat() un sig ned int dat=0; un sig ned char i;AD_CS=1;delay(1);AD_CS=0;for(i=0;i<10;i+)dat<<=1;AD_CLK=0; if(AD_DAT=1)dat=dat|1;AD_CLK=1; AD_CS=1; return dat;1549A/D程序段*/*24c01讀寫數(shù)據(jù)程序段*/void ROM_

44、start(void)charSDA = 1;SCL = 1;SDA = 0;SCL = 0; void ROM_stop(void)SDA = 0;SCL = 1;SDA = 1; bit ROM_ack(void) bit ack;SDA = 1;SCL = 1;if (SDA=1) ack = 1;elseack = 0;SCL = 0; return (ack); void sen d_byte( un sig ned char x) un sig ned char i;for(i=0;i<8;i+)if (x << i) & 0x80)SDA = 1;els

45、eSDA = 0;SCL = 1;SCL = 0;un sig ned char recive_byte()un sig ned char i;un sig ned char j; for(i=0;i<8;i+)SCL = 1;j=j<<1;if (SDA=1) j=j|OxO1;SCL = 0;return j;void ROM_Write(u nsig ned Address, un sig ned char Data) doROM_start();sen d_byte(0xA0); while(ROM_ack();sen d_byte(Address); ROM_ack();sen d_byte(Data); ROM_ack(); ROM_stop();un sig ned int dat; if(time_num<20) time_nu m+; elseUn sig ned char ROM