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基于单片机的温室控制系统设计.doc
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基于单片机的温室控制系统设计.doc
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目 录
1 绪论............................................................................................................................1
2 方案论证.....................................................................................................................1
2.1 整体方案 .............................................................................................................1
2.2 温度检测部分 .....................................................................................................1
2.3 湿度检测部分 .....................................................................................................1
3 系统总体方案............................................................................................................2
3.1 系统概述 .............................................................................................................2
3.2 系统设计技术指标 .............................................................................................3
4 系统硬件电路设计....................................................................................................3
4.1 温度检测电路 .....................................................................................................3
4.1.1 DS18B20 的测温原理 ..................................................................................4
4.1.2 多路温度检测的实现 ..................................................................................4
4.2 湿度检测电路 .....................................................................................................5
4.2.1 HS1101 测量原理 .........................................................................................5
4.2.2 多路湿度检测的实现 ..................................................................................7
4.3 多路开关 ..............................................................................................................7
4.4 A/D 转换电路 ......................................................................................................9
4.5 AT89C51 单片机的介绍 .................................................................................11
4.6 电源电路 ...........................................................................................................13
4.7 辅助电路 ...........................................................................................................14
4.7.1 键盘控制电路 ............................................................................................14
4.7.2 LED 显示电路 ............................................................................................15
4.7.3 掉电存储电路 ............................................................................................16
4.7.4 复位电路 ....................................................................................................17
4.7.5 报警电路 ....................................................................................................18
4.7.6 驱动电路 ....................................................................................................18
4.8 串口通信 ...........................................................................................................19
5 结束语.......................................................................................................................20
致谢..............................................................................................................................20
参考文献......................................................................................................................20
附录:系统整体电路图..............................................................................................22
1
1 绪论
随着社会的进步,人们的生活水平得到了很大的提高,现在温室栽培的反季
节蔬菜成了人们餐桌上的新宠,人们不再苦于因季节的改变而要变换饮食搭配。
当然在提高人们生活水平的同时,智能化温室种植还能提高土地利用率,便于大
规模集约化生产,彻底摆脱了传统农业对自然环境的高度依赖。这对现代农业科
技向产业化的转化有着十分积极的推进意义。
本课题将针对温度和湿度这两个蔬菜大棚中影响蔬菜生长的关键因素的测
控来进行设计。目前市场上的温度检测仪器多为单点测量,误差较大且温度信息
传递不及时;而湿度传感器多精度不高,稳定的工作范围小。为此,本课题设计
了一种实时性强,精确度高,自动化程度较高,成本较低,能够同时测量多点的
温度和湿度,并能及时自动采取相应改善措施的基于单片机的温室控制系统。
2 方案论证
2.1 整体方案
方案一:采用传统的数字模拟电路,功能可以实现,但电路复杂,测量误差
大,稳定性差。
方案二:采用单片机控制,集成度高,结构简单,性能稳定,功能齐全,精
确度高。弱电控制强电,使用更安全。
方案二与方案一比较,有着明显的优势,所以采用方案二。
2.2 温度检测部分
方案一:采用热电阻温度传感器。热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特
性制成的测温元件。现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。其主要的特点为测量
范围大、便于远距离测量。但电压输出与温度并非成线性,在高温上的电压变化
率比较小,不易分辨,温度变化的准确度误差却较大,稳定性差。
方案二:采用温度传感器 DS18B20。DS18B20 可以满足从-55℃到+125℃的
测量范围,且 DS18B20 测量精度高,增值量为 0.5℃,在一秒内把温度转化成数
字,测得的温度值的存储在两个八位的 RAM 中,单片机直接从中读出数据转换
成十进制就是温度,使用方便。
综合比较方案一与方案二,在此选取 DS18B20 来检测温度。
2.3 湿度检测部分
方案一:采用 HOS-201 湿敏传感器。HOS-201 湿敏传感器为高湿度开关传
感器,它的工作电压为交流 1V 以下,频率为 50HZ~1KHZ,测量湿度范围为
2
0~100%RH,工作温度范围为 0~50℃,阻抗在 75%RH(25℃)时为 1MΩ。这
种传感器多用于开关的传感器,不能在宽频带范围内检测湿度。
方案二:采用 HS1101 湿度传感器。HS1101 在电路构成中等效于一个电容
器件,其电容量随着所测湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性,高可靠性
和长期稳定性,快速响应时间,专利设计的固态聚合物结构,适用于线性电压输
出和频率输出两种电路,测量湿度范围在 1%~100%RH 范围内;工作温度范围为
-40~100℃,响应时间小于 5S;温度系数为 0.04 pF/℃,测量精度较高。
综合比较方案一与方案二,我们选择 HS1101 来作为本设计的湿度传感器。
3 系统总体方案
3.1 系统概述
本系统选用 AT89C51 单片机为控制核心来对温度、湿度进行实时检测和控
制。用数字温度计 DS18B20 完成对各检测点温度的采集,用电容式相对湿度传
感器 HS1101 进行湿度部分的检测,并选用了双积分 A/D 转换器 MC14433 把温
度、湿度检测电路测出的模拟信号转换成数字量送入单片机去处理。当检测点较
多时,可采用多路开关 CD4051 组成多路分时的模拟量信号采集电路。为了对采
集到的数据进行进一步的分析处理,可以将数据从单片机传送至计算机,单片机
AT89C51 具有串行通信接口,而串行通信接口采用的是 TTL 电平,因此系统采
用 RS-232C 接口方式,选用 MAX232 芯片组成电平转换电路来完成单片机与
计算机的通信。系统的整体结构框图如图 1 所示。
图 1 系统整体结构框图
外设控制执行设备由加热器、风机、水帘、除湿机等组成,当检测到的各点
温湿度在设定的范围内时,电路正常工作。一旦检测到的温湿度超过设定值,单
片机内的程序扫描到这些信号时,就会在单片机的相应管脚产生控制信号,通过
驱动电路来自动启动相应的控制设备。当温度过低时,通过开大加热器的加热阀
门来升温;当温度偏高时,可开启风机来降温;当湿度较低时,可开启湿帘来增
加湿度;湿度较高时,可打开除湿机来降低湿度。温湿度的上下限值可通过键盘
电路来设置。LED 显示能够将所测温湿度值直接醒目地显示,以便于随时了解
当前温室系统的状态。报警电路可在检测值超出所设数值时提示工作人员注意。
湿度测点
键 盘
湿度检测电路
AT89C51
温度测点
报警电路
LED显示
温度检测电路
外部设备驱动
3
断电存储电路可以保存设定的温湿度值在断电后不会丢失,提高了电路的可靠性。
另外可通过 RS-232C 接口电路来完成单片机与计算机的通信。
3.2 系统设计技术指标
本系统能够同时检测多路温湿度,可以进行温湿度上下限设置,并能在温湿
度检测值超出设定范围时报警,同时自动启动外部设备来改善温室环境。
大棚温室环境是非线性、时变、大时延、多变量耦合的复杂控制系统,温室
中栽培不同作物则需要不同的生长环境。根据大棚蔬菜的生长特点,本系统的设
计技术指标如下:
温度:在 15℃~ 45℃之间;测量精度±1℃;
湿度:在 75%~95%RH 之间;误差:±3%.
4 系统硬件电路设计
4.1 温度检测电路
本设计选用 DS18B20 做为温度传感器。
DS18B20 数字温度计提供 9 位(二进制)温度读数,指示器件的温度。信息经
过单线接口送入 DS18B20 或从 DS18B20 送出,因此从主机 CPU 到 DS18B20 仅
需一条线(和地线)。DS18B20 的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。
因为每一个 DS18B20 在出厂时已经给定了唯一的序号,因此任意多个 DS18B20
可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。
DS18B20 的测量范围从-55℃到+125℃,增量值为 0.5℃,可在 l S(典型值)内把温
度变换成数字。
序号值存放在 DS18B20 内部的 ROM( 只读存贮
器)中。开始 8 位是产品类型编码(DS18B20 编码均为
10H)。接着的 48 位是每个器件唯一的序号。最后 8 位是前
面 56 位的 CRC( 循环冗余校验) 码。DS18B20 中还有
用于存储测得的温度值的两个 8 位存贮器 RAM,编号
为 0 号和 1 号。1 号存贮器存放温度值的符号,如果
温度为负(℃),则 1 号存贮器 8 位全为 1,否则全为 0。
0 号存贮器用于存放温度值的补码 LSB(最低位)的 1
表示 0.5 ℃。将存贮器中的二进制数求补再转换成十
进制数并除以 2 就得到被测温度值(-55℃~+125℃)。DS18B20 的引脚排列如图 2
所示。其中 DQ 为数字信号输人/输出端;GND 为电源地;VDD 为外接供电电
源输入端。
GND DQ V
32
DS18B20
1
DD
图 2 DS18B20 管脚排列
4
4.1.1 DS18B20 的测温原理
DS18B20 的测温原理如图 3 所示,图中,低温度系数晶振的振荡频率受温
度的影响很小,主要用于产生固定频率的脉冲信号并送给减法计数器 1,高温度
系数晶振在温度变化时,其振荡频率有明显改变,它所产生的信号可作为减法计
数器 2 的脉冲输入,图中隐含着的计数门打开时,DS18B20 即对低温度系数振
荡器产生的时钟脉冲进行计数,进而完成信号采集。
斜率累加器
预置
计数
比较器
减法
计数器1
低温度系
数振荡器
高温度系
数振荡器
减到0
减法
计数器2
温度寄存器
预置
减到0
增加
停止
图 3 DS18B20 的测温原理
DS18B20 的温度检测电路如图 4 所示。图中集成块 1 脚为外接供电电源输
入端,接 5V 电源;2 脚为信号的输人/输出端,检测到的模拟温度数据经其内
部电路处理之后,转换为数字信号,直接送入单片机处理;3 脚为接地端。
图 4 温度检测电路
4.1.2 多路温度检测的实现
为了实现对温度的多点监测,根据 DS18B20 的特点,可以将多个 DS18B20 存放
在同一条单线总线上,一般可以挂接 10 片,下面画出了两路检测的电路,可根
据实际需要自行增加。
+5V
.
R1
5. 1K
1
2
3
DS18B20
P0.4
.
.
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