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单片机的棚内温度控制系统的设计和仿真 精品.pdf
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单片机的棚内温度控制系统的设计和仿真 精品.pdf单片机的棚内温度控制系统的设计和仿真 精品.pdf单片机的棚内温度控制系统的设计和仿真 精品.pdf单片机的棚内温度控制系统的设计和仿真 精品.pdf单片机的棚内温度控制系统的设计和仿真 精品.pdf单片机的棚内温度控制系统的设计和仿真 精品.pdf单片机的棚内温度控制系统的设计和仿真 精品.pdf单片机的棚内温度控制系统的设计和仿真 精品.pdf单片机的棚内温度控制系统的设计和仿真 精品.pdf
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基于单片机的棚内温度控制系统的设计与仿真
基于单片机的棚内温度控制系统的设计与仿真
1 绪论
1.1 本设计的背景和意义
目前,在我国北方地区,农村大部分温室大棚仍就采用手动调控,这种调控既费时又
费力,而且产量不高还容易出现差错。随着时代的发展,人们对温室大棚内种植作物种类
要求有所增加,由单一的植物慢慢地向多种植物发展,对温室大棚内的温度控制也有了的
新的要求。仅仅通过手动调控棚内的温度情况已经渐渐地无法满足人们的需求,因此需要
设计一种系统,来替代手动调控,以满足人们对生产的要求。我国当今常见的智能温室控
制系统大多采用的是工控机或者 PLC,费用较高,大部分的农村用户无法承受的起。因此,
在设计系统的过程中,有对使用者的经济情况进行考虑,尽可能降低设计中的各个部分的
成本,这对温室大棚的发展具有很高的现实意义。
蔬菜的生长与温度息息相关,对于蔬菜大棚来说,最重要的一个管理因素是温度控制。
温度太低,蔬菜就会被冻死或着停止生长,所以要将温度始终控制在适合蔬菜生长的范围
内。如果仅靠人工控制既费时费力,又容易发生差错。
因此,本设计设计的大棚温度自动控制系统,就是利用价格便宜的一般电子器件设计
的一个参数精度高 ,控制操作方便 ,性价比高的,可应用于农村温室大棚测控系统。本设
计可以根据棚内植物生长的需要,人为的调节温度的范围,自动地采集大棚内的温度变化
情况,并通过单片机驱动控制电路,控制升降温设备对棚内的温度进行调控,是棚内的温
度保持在设定的范围内,以便适应大棚内蔬菜生长的需要。
1.2 国内外研究状况
1.2.1 国外棚内温度测控技术研究状况
西方国家在现代温室测控技术上起步比较早,欧美等国家在 30 年代就相继建立了人
工气候室,温室测控技术至今已有几十年的发展历程。初期主要是使用仪表对温室中的光
照、温度和湿度等参数进行测量,再用手动或电动执行幕帘、通风等调节机构进行简单的
控制。随着传感技术、仪表及执行器件技术的进步,温湿度控制逐步发展为对温度、湿度、
光照等温室内环境参数分别进行的自动控制。
随着智能控制理论的发展和计算机技术的进步,温室作为设施农业的重要组成部分之
一,其控制水平和管理技术得以不断的提高,在世界各地都得到了迅速的发展。二十世纪
70 年代,随着电子技术的迅猛发展、微机日新月异的进步和硬件元件价格的大幅度下降,
农业对温室温湿度的测控要求进一步提高,之后,以微型计算机为核心的温室综合环境控
制系统在欧美等发达地区得到了广泛的应用,并逐步迈入网络化和智能化阶段。
目前,国外现代化温室的内部设施已经比较完备,并形成了一定的标准。温室内的各
环境因子大多由计算机集中控制,检测传感器也较为齐全,温室内的温度和湿度由传感器
的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制,如以天窗通风、湿帘与风扇配套降温
系统以及以热水锅炉、热风机等组成的加温系统。计算机对系统的控制已经实现基于环境
模型上的监督控制,以及基于专家系统的人工智能控制,而不仅仅是简单、独立和静态的
直接数字控制,一些国家在实现自动化基础上,正一步步向着完全自动化、无人化的方向
发展。
1.2.2 国内棚内温度测控技术研究状况
我国在温度控制技术方面的研究起步较晚,大概起于 1980 年左右。我国的研究人员
在探究发达国家温度控制技术的基础上,慢慢地学会了使用微机控制温室大棚内的温度、
二氧化碳等状况,但是这项技术只适用于控制温室大棚内的单个环境因素。我国在温度调
控设施方面应用,正一步步地消化吸收国外的技术、从简单的应用方面向实用方面发展、
并向综合性应用方面过渡和发展。从技术方面,采用单片机控制的单回路设计较多,并且
大部分还是针对单个参数进行控制,还没有真正意义上的多参数综合控制系统,与发达国
家相比,还有较大差距。我国在温度调控方面的现状,正在试着向工厂化方向发展,但是
有很大的困难。在生产过程中依旧有许多问题没有解决,一方面是设备的配套方面,存在
着装备配套能力差,环境因素控制能力落后,软件和硬件资源兼容性差等缺点。
目前,国内有些厂家仍就采用传统继电器调温电路,这种电路简单并且实用 ,但是
由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。在控制领域国内大量采用传统
的 PID 控制方式,但 PID 控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便
仍是普遍存在的问题。
1.2.3 棚内温度环境控制技术的发展趋势
随着计算机技术、传感器技术和自动控制技术的不断发展,温室大棚内的环境控制系
统的应用将由简单的以数据采集处理和检测为主,逐步转向以知识处理和应用为主。因此
软件系统的研究和开发将不断深入完善,其中以专家系统为主的智能管理系统已取得了不
少研究成果,而且应用前景非常广阔。近几年,神经网络、遗传算法、模糊控制等人工智
能技术在温室栽培中得到了不同程度的发展和应用。由此可见,温室环境测控技术必将向
着智能化、网络化、分布式发展。
1.3 本设计的主要内容
本系统用 ATMEL 公司生产的 AT89C51 单片机作为主控机,通过对棚内温度的分析,
实现数据处理、数据传输、外设控制以及安全报警等功能。详细地说,由种植人员按植物
生长所需温度范围进行设定,通过温度传感器 DS18B20 对温室内的温度进行测量,然后经
AT89C51 单片机对采集到的数据进行分析和处理,用 LCD1602 显示出当前环境的温度状
况,并根据温度状况启动升温装置或降温装置,使温室内的温度保持在设定的范围内。
2 系统设计方案
本设计是一个大棚温度自动控制系统。系统温度可以在一定范围内由人工设定,并能
在环境温度降低时实现自动通风降温,在环境温度升高时实现自动加温,以保持在设定的
温度范围内。
2.1 本系统的设计要求
本设计是基于 AT89C51 单片机的棚内温度控制器,用于温度的自动控制。具体要求如
下:
(1)棚内的温度控制在 15℃-28℃之间,并且可以通过人工调节其上下限。
(2)控制三相电阻炉作为加热设备。
(3)采用单相通风机作为通风散热设备。
(4)易于操作,方便人机对话。
2.2 各模块电路的方案选择及论证
2.2.1 控制模块的选择
控制模块的选择是根据设计的内容而定的,并不是用什么单片机都可以。一方面要考
虑选用的单片机能否在不加外扩的情况下达到要实现的功能。比如:单片机的存储器空间
的大小、单片机的 I/O 口数等。另一方面还要考虑单片机的性价比,是否容易买到等一些
外部因素。
由于实现该系统功能的程序不会超过 4K,而 AT89C51单片机内部有 4K 的 FlASH
程序存储器和 2K 的数据存储器,因而不需要外扩程序存储器和数据存储器。并且该型号
单片机程序下载方便、价格便宜的优点,因而被广泛的应用。
2.2.2 键盘模块的选择
选择一:采用 4*4 矩阵型按键,在键盘中按键数量较多时,为了减少 I/O 口的占用,
通常将按键排列成矩阵形式。矩阵按键对应独立按键,可以节约数据线,但需要特定的键
盘扫描程序,占用空间较大。通常在按键大于 6 个的时候是用矩阵式按键。
选择二:采用独立按键,接线简单,易于理解,不需要特定的键盘扫描程序,占用空
间比较少。
在本设计中用到了 4 个按键,所以选用独立按键比较合适。
2.2.3 温度测量模块的选择
选择一:利用热电阻传感器作为感温元件,热电阻随温度变化而变化,用仪表测量出
热电阻的阻值变化,从而得到与电阻值相应的温度值。最常用的是铂电阻传感器,铂电阻
在氧化介质中,甚至在高温的条件下其物理,化学性质不变。由铂电阻阻值的变化经小信
号变送器 XTR101 将铂电阻随温度变化的转换为 4~20mA 线性变化电路,再将电流信号
转化为电压信号,送到 A/D 转换器,即将模拟信号转换为数字信号。电路结构复杂,误差
较大。
选择二:采用数字温度传感器 DS18B20。采用数字温度传感器 DS18B20,测温范围
-55℃~125℃,其内部集成了 A/D 转换器,使得电路结构更加简单,而且减少了温度测量
转换时的精度损失,使得测量温度更加精确。数字温度传感器 DS18B20 只用一个引脚即可
与单片机进行通信,大大减少了接线的麻烦,使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20
芯片的小型化,更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接,故可以把数字温度传感器
DS18B20 做成探头,探入到狭小的地方,增加了实用性。
DS18B20 与传统的热敏电阻相比,它可以直接测量当前环境的温度,并且可按照自己
的需求采用编程实现数字读取。另外从数字温度传感器 DS18B20 读出的数据或写入的数据
只要一根线就可以完成,因而使用 DS18B20 可使设计的硬件电路结构更加简单,可靠性更
高。
所以此设计中选用 DS18B20 温度传感器,既节省了 A/D 转换器,又节省了 I/O 输出
口,同时误差小,测量准确。
2.2.4 显示电路模块的选择
选择一:采用 12864 液晶模块显示测得的数据。该显示模块可以显示较多组的数据,
字体较大,读数清晰,但 12864 液晶模块价格昂贵,接线复杂。
选择二:采用 LM016L 液晶模块显示所测数据。LM016L 液晶接线简单方便,也能满
足显示需求,而且价格远低于 12864 液晶。
综上所述,显示模块选择选择二。
2.2.5 升温降温模块的选择
根据题目,可以使用电热炉进行加热,控制电热炉的功率即可以控制加热的速度。当
温度过高时,关掉电热炉打开通风机进行降温处理。当需要加热时开启电炉关闭通风机。
由于电热炉和通风机的功率较大,考虑到简化电路的设计,我们直接采用 220V 电源。对
升温降温模块有以下两种选择:
选择一:采用继电器控制。使用继电器可以很容易实现地通过较高的电压和电流,在
正常条件下,工作十分可靠。继电器无需外加光耦,自身即可实现电气隔离。这种电路无
法精确实现电热丝功率控制,电热丝只能工作在最大功率或零功率,对控制精度将造成影
响。
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