单片机课程设计大棚的检测与控制.docx
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单片机课程设计大棚的检测与控制
课程设计报告书
题目:
大棚的监测与控制
课程:
专业:
班级:
学号:
学生姓名:
指导教师:
2012年4月20日
信息工程学院课程设计任务书
学号
学生姓名
专业(班级)
设计题目
大棚的检测与控制
设
计
技
术
参
数
1、大棚温度的监测显示。
2、大棚湿度的监测显示。
设
计
要
求
1、能同时监测显示大棚内温度和湿度的变化。
2、超过或低于设定值时报警电路开始工作。
3、可以通过按键来设定需要监测的温度和湿度值。
参
考
资
料
[1]余发山,王福忠.单片机原理及应用技术[M].徐州:
中国矿业大学出版社,2006.6
[2]孙肖子等.模拟电子技术基础[M].西安:
西安电子科技大学出版社,2001.1
[3]张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版,2003.7
[4]赵丽娟.基于单片机的温度监测系统的设计与实现.北京:
机械制造出版社,2006.
[5]吕泉.现代传感器原理及应用[M].北京:
清华大学出版社,2006.
[6]徐洁.检测技术与仪器[M].北京:
清华大学出版社,2004.
[7]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京:
电子工业出版社;2005.
2012年4月20日
学生姓名:
学号:
专业(班级):
课程设计题目:
大棚的检测与控制
成绩:
指导教师:
年月日
信息工程系课程设计成绩评定表
摘要
随着大棚技术的普及,温室大棚数量不断增多,对于蔬菜大棚来说,最重要的一个管理因素是温湿度的控制。
温湿度太低,蔬菜就会被冻死或停止生长,同时,温湿度过高亦不行,所以要将温湿度始终控制在适合蔬菜生长的范围内,这就首先需要一个温湿度检测装置来正确监测温湿度。
本论文主要阐述了基于AT89S52单片机的蔬菜大棚温湿度监测装置的设计,主要包括硬件电路设计及软件设计等。
该系统采用AT89S52单片机作为控制器,DS18B20、HS1101分别作为温度湿度数据采集系统,温度湿度实现LCD数字实时显示,按键调整上下限设置,超限报警等功能,通过软、硬件设计使得该款温湿度监测装置具有智能化、高精度、高可靠性等优势,具有广阔的应用前景。
关键词:
DS18B20;HS1101;蔬菜大棚;温湿度监测测
Abstract
Withthepopularizationoftrellistechnology,thenumberofgreenhousetrellisiscontinuouslygrowing,forvegetableshedspeaking;oneofthemostimportantmanagementfactoristhetemperatureandhumiditycontrol.Temperatureistoolow,thevegetableswillfreezetodeathorstopgrowing,meanwhile,hightemperatureisalsonotgood.Sotoalwayscontroltemperatureandhumidityinasuitablevegetablegrowthrange.Atemperatureandhumiditydetectiondevicestocorrecttestingtemperatureandhumidityisfirstneeded.ThisthesismainlyelaboratedbasedonAT89S52tomatoescanopytemperatureandhumiditycontrolsystemdesignprinciple,mainincludingcircuitdesignandsoftwaredesign,thissystemusesAT89S52singlechipmicrocomputerascontroller,DS18B20andHS1101astemperatureandhumiditydataacquisitionsystemseparately.TemperatureandhumidityrealizeLCDdigitalreal-timedisplay,overrunalarmfunctions.Throughthesoftandhardwaredesignmakesitalmostwithintelligenthumiditydetectiondevice,highprecision,highreliability,etcadvantages,andhaswideapplicationprospects.
Keywords:
DS18B20;HS1101;Vegetableshed;TemperatureandHumiditydetection
绪论
随着科技的进步和现代生活的快速发展,在工农业生产、气象、环保、国防、科研等部门及日常生活中,经常需要对环境温度与湿度进行监测及控制。
准确测量温湿度对于生物制药、食品加工、造纸等行业更是至关重要。
在温湿度监测技术不断发展完善的今天,温湿度监测装置也正在朝着集成化、智能化的方向发展。
主要表现在以下两个方面:
(1)温湿度传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展,为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件,
(2)在温湿度监测系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等几项新技术。
本论文是以蔬菜大棚为研究对象来设计一款基于单片机的温湿度监测装置。
温湿度是衡量温室大棚的两项重要指标,它直接影响到栽培作物的生长和产量,植物的生长都是在一定的环境中进行的,其在生长过程中受到环境中各种因素的影响,其中对植物生长影响最大的是环境中的温度和湿度。
环境中昼夜的温度和湿度变化大,其对植物生长极为不利。
因此必须对环境的温度和湿度进行监测和控制,使其适合植物的生长,来提高其产量和质量。
但传统的人工温度湿度的测试方法费时费力、效率低,且测试的温度及湿度误差大,随机性大。
因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度监测装置。
该论文即是针对这一问题,设计出了能够实现温湿度自动监测,LCD数字实时显示,按键调整上下限设置,超限报警等多功能的温湿度监测装置。
1方案的设计与选择
1.1系统总体方框图
若在蔬菜大棚的实际应用中,需要同时采集多处的温度湿度值,这只需将温度传感器湿度传感器安装在需要检测的部位,再将其接入CD4051多路开关,它是一种单片、COMS、8通道开关。
该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器,带有8选1译码器输入,分别加上控制的8个COMS模拟开关TG组成,这样便可以检测到多路温度与湿度信号输入。
再将检测到的模拟量经过A/D转换输入到单片机AT89S52进行处理,将处理过的数据通过显示器显示出来。
本设计为仅就单路温度、湿度信号进行采集设计的温度湿度检测装置。
系统硬件设计的原理框图如图1所示:
通过系统方框图可以清楚到看到本设计的全部思路为:
温度传感器和湿度传感器分别将检测到的环境中的温度量和湿度模拟量,经过其内部的各种计算处理为数值量送入单片机AT89S52处理,再在LCD显示器中显示结果,并且设置了上下限和按键调整上下限设置,当超过了上下限范围即会发出报警声,便可根据显示值进行相应的处理。
图1系统总体方框图
1.2温度传感器的选择
温度传感器:
能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。
温度传感器是温度测量仪表的核心部分,品种繁多。
传统的温度传感器主要包括热电阻温度传感器和模拟温度传感器。
方案一:
采用热电阻温度传感器
导体的电阻值随温度变化而改变,通过测量其阻值推算出被测物体的温度,利用此原理构成的传感器就是电阻温度传感器。
这种传感器主要用于-200—500℃温度范围内的温度测量。
纯金属是热电阻的主要制造材料,热电阻的材料应具有以下特性:
(1)电阻温度系数要大而且稳定,电阻值与温度之间应具有良好的线性关系。
(2)电阻率高,热容量小,反应速度快。
(3)材料的复现性和工艺性好,价格低。
(4)在测温范围内化学物理特性稳定。
目前,在工业中应用最广的铂和铜,并已制作成标准测温热电阻,其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量,但在腐蚀性介质中使用稳定性差。
方案二:
采用模拟温度传感器
AD590是美国模拟器件公司的电流输出型温度传感器,供电电压范围为3—30V,输出电流223μA(-50℃)—423μA(+150℃),灵敏度为1μA/℃。
当在电路中串接采样电阻R时,R两端的电压可作为输出电压。
注意R的阻值不能取得太大,以保证AD590两端电压不低于3V。
AD590输出电流信号传输距离可达到1km以上。
作为一种高阻电流源,最高可达20MΩ,所以它不必考虑选择开关或CMOS多路转换器所引入的附加电阻造成的误差。
适用于多点温度测量和远距离温度测量的控制。
方案三:
采用DS18B20温度传感器
DS18B20是“一线总线”接口的温度传感器,一线总线结构具有简洁且经济的特点,可使用户轻松地组建传感器网络,从而为测量系统的构建引入全新概念,DS18B20的测温范围为-55℃—+125℃,在-10℃—+85℃范围内,精度为±0.0625℃,现场温度可直接通过“一线总线”以数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。
DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量,如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
它工作在3V---5.5V的电压范围,采用多种封装形式,从而使系统设计更灵活、方便,设定分辨率及用户设定的报警温度存储在EEPROM中,掉电后依然保存。
综合比较方案一、方案二及方案三,则方案三更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。
1.3湿度传感器的选择
湿度传感器:
能感受气体中水蒸气含量,并转换成可用输出信号的传感器。
测量空气湿度的方式很多,其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化,间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。
电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。
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。
这种传感器原是用于开关的传感器,不能在宽频带范围内检测湿度,因此,主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。
然而,这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性,可有效地利用其线性特性。
方案二:
采用HS1100(HS1101)湿度传感器
HS1100/HS1101电容传感器,在电路构成中等效于一个电容器件,其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
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,由顶端接触(HS1100)和侧面接触(HS1101)两种封装产品,适用于线性电压输出和频率输出两种电路,适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。
相对湿度在1%---100%RH范围内;电容量由16pF变到200pF,其误差不大于±2%RH;响应时间小于5S;温度系数为0.04pF/℃[4]。
可见精度是较高的。
且其在仿真时可用一电容代替。
综合比较方案一与方案二,方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求,但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性,可有效地利用其线性特性。
因此,我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。
1.4显示模块的选择
方案一:
采用LED数码管显示
LED数码管以发光二极管作为发光单元,颜色有单红,黄,蓝,绿,白,七彩效果。
LED数码管可均匀排布形成大面积显示区域,可显示图案及文字。
(如图2所示)
图2四位LED数码管
半导体数码光分共阳极数码管和共阴极数码管。
LED数码管(LEDSegmentDisplays)是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件,引线已在内部连接完成,只需引出它们的各个笔划,公共电极。
LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点,LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类,了解LED的这些特性,对编程是很重要的,因为不同类型的数码管,除了它们的硬件电路有差异外,编程方法也是不同的。
共阴和共阳极数码管,它们的发光原理是一样的,只是它们的电源极性不同而已,颜色有红,绿,蓝,黄等几种。
LED数码管要正常显示,就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码,从而显示出我们要的数位,而且根据LED数码管的驱动方式的不同,可以分为静态式和动态式两类。
方案二:
采用LCD1602显示器显示
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD,多出来的2条线是背光电源线。
(如图3所示)
图3LCD1602
LCD显示器都是数字式的,恒定发光,不需要刷新新亮点,显示器显示质量高且不闪烁,抗干扰能力强,和单片机系统的接口比较可靠,可以节省软件中断资源,显示信息丰富,其缺点是显示内容需要存储字摸信息,需要一定存储空间,而且程序的编写也稍微复杂。
虽然LED数码管能在低电压、小电流条件下驱动发光,高频特性好,单色性好,亮度高等特点,而且其程序的编写较容易,但是其显示信息有限,只能显示数字信息,若采用LED数码管显示则需要两片四位的LED数码管,从而需要更多的I/O口来进行控制。
综合考虑方案一和方案二,本设计决定采用方案二。
2.系统硬件设计
2.1核心控制块
本系统选用AT89S52作为控制器,AT89S52是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89S2052是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器,AT89S52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
其引脚排列如图4所示:
图4AT89S52引脚图
(1)电源及时钟引脚(4个)
VCC:
电源接入引脚;
GND:
接地引脚;
XTAL1:
晶体振荡器接入的一个引脚(采用外部振荡器时,此引脚接地);
XTAL2:
晶体振荡器接入的另一个引脚(采用外部振荡器时,此引脚作外部振荡输入端)。
(2)控制线引脚(4个)
RST/VPD:
复位信号输入引脚/备用电源输入引脚;
ALE/PROG:
地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚(低电平有效);
EA/Vpp:
内外存储器选择引脚(低电平有效)/片内EPROM(或FlashROM)编程电压输入引脚;
PSEN:
外部存储器选通信号输出引脚(低电平有效)。
(3)并行I/O引脚(32个,分成4个8位口)
P0.0~P0.7:
一般I/O引脚或数据/低位地址总线服用引脚;
P1.0~P1.7:
一般I/O引脚;
P2.0~P2.7:
一般I/O引脚或高位地址总线引脚;
P3.0~P3.7:
一般I/O引脚或第二功能引脚。
CPU:
由运算和控制逻辑组成,同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器;
RAM:
用以存放可以读写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据;
ROM:
用以存放程序、一些原始数据和表格;
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
2.2复位电路
本系统采用上电+按键复位,是上电复位和按键电平复位的组合,无论是上电还是按动按键都能使单片机复位。
如图5所示:
图5复位电路
在单片机系统中,系统上电启动的时候复位一次,当按键按下的时候系统再次复位,如果释放后再按下,系统还会复位。
所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。
那么,开机的时候为什么为复位?
在电路图中,电容的大小是10uF,电阻的大小是10k。
所以根据公式,可以算出电容充电到电源电压的0.7倍(单片机的电源是5V,所以充电到0.7倍即为3.5V),需要的时间是10K*10UF=0.1S。
也就是说在单片机启动的0.1S内,电容两端的电压时在0~3.5V增加。
这个时候10K电阻两端的电压为从5~1.5V减少(串联电路各处电压之和为总电压)。
所以在0.1S内,RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。
在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号,而大于1.5V的电压信号为高电平信号。
所以在开机0.1S内,单片机系统自动复位(RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右)。
按键按下的时候为什么会复位?
在单片机启动0.1S后,电容C两端的电压持续充电为5V,这是时候10K电阻两端的电压接近于0V,RST处于低电平所以系统正常工作。
当按键按下的时候,开关导通,这个时候电容两端形成了一个回路,电容被短路,所以在按键按下的这个过程中,电容开始释放之前充的电量。
随着时间的推移,电容的电压在0.1S内,从5V释放到变为了1.5V,甚至更小。
根据串联电路电压为各处之和,这个时候10K电阻两端的电压为3.5V,甚至更大,所以RST引脚又接收到高电平。
单片机系统自动复位。
总结:
(1)复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2US以上的高电平信号,只要保证电容的充放电时间大于2US,即可实现复位,所以电路中的电容值是可以改变的。
(2)按键按下系统复位,是电容处于一个短路电路中,释放了所有的电能,电阻两端的电压增加引起的。
2.3时钟电路
时钟引脚为XTAL1、XTAL2,时钟引脚外接晶体与片内的反向放大器构成了一个振荡器,它提供单片机的时钟控制信号,时钟引脚也可外接晶体振荡器。
XTAL1(19脚):
接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部,它是一个反向放大器的输入端。
这个放大器构成了片内振荡器。
当采用外接晶体振荡器时,此引脚应接地。
XTAL2(18脚):
接外部晶体的另一端,在单片机内部接至内部反向放大器的输出端。
若采用外部振荡器时,该引脚接收振荡器的信号,即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
本系统采用晶振时钟电路。
外部晶振以及电容C1和C2构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。
对外接电容的值虽然没有严格要求,但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低,振荡器的稳定性,起振的快速性和稳定性。
外接晶振时,C1和C2通常选择30pf,晶振采用12MHz。
本设计时钟电路如下图6所示。
图6时钟电路
2.4温度检测电路
本次设计采用可编程分辨率的单总线数字式温度传感器DS18B20。
DS18B20可以以9-12位数字量的形式反映所测得的温度值。
DS18B20通过一个单线接口发送或接收信息,因此在微处理器和DS18B20之间仅需一条连接线(加上地线)。
用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得,而无需外部电源。
因为每个DS18B20都有一个独特的64位序列号,所以多只DS18B20可以同时连在一根单线总线上,这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方,从而同时采集多处温度。
可编程分辨率的单总线数字式温度传感器DS18B20具有如下的特性:
(1)全数字温度转换及输出。
(2)先进的单总线数据通信。
(3)最高12位分辨率,精度可达土0.5摄氏度。
(4)12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。
(5)可选择寄生工作方式。
(6)检测温度范围为–55°C~+125°C(–67°F~+257°F)
(7)内置EEPROM,限温报警功能。
(8)64位光刻ROM,内置产品序列号,方便多机挂接。
(9)多样封装形式,适应不同硬件系统。
DS18B20引脚排列如图7所示
图7DS18B20的引脚
DS18B20的引脚说明表如表1所示:
表1DS18B20引脚说明
GND
接地
DQ
数据I/O
VCC
可选VDD
NC
空脚
DS18B20工作原理:
DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上,从而抗干扰力更强。
其一个工作周期可分为两个部分,即温度检测和数据处理。
在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源。
18B20共有三种形态的存储器资源,它们分别是:
ROM只读存储器,用于存放DS18B20ID编码,其前8位是单线系列编码(DS18B20的编码是19H),后面48位是芯片唯一的序列号,最后8位是以上56的位的CRC码(冗余校验)。
数据在出产时设置不由用户更改。
DS18B20共64位ROM。
RAM数据暂存器,用于内部计算和数据存取,数据在掉电后丢失,DS18B20共9个字节RAM,每个字节为8位。
第1、2个字节是温度转换后的数据值信息,第3、4个字节是用户EEPROM(常用于温度报警值储存)的镜像。
在上电复位时其值将被刷新。
第5个字节则是用户
第3个EEPROM的镜像。
第6、7、8个字节为计数寄存器,是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的,同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。
第9个字节为前8个字节的CRC码。
EEPROM非易失性记忆体,用于存放长期需要保存的数据,上下限温度报警值和校验数据,DS18B20共3位EEPROM,并在RAM都存在镜像,以方便用户操作。
控制器对18B20操作流程:
(1)复位:
首先我们必须对DS18B20芯片进行复位,复位就是由控制器(单片机)给DS18B20单总线至少480uS的低电平信号。
当18B20接到此复位信号后则会在15~60uS后回发一个芯片的存在脉冲。
(2)存在脉冲:
在复位电平结束之后,控制器应该将数据单总线拉高,以便于在15~60uS后接收存在脉冲,存在脉冲为一个60~240uS的低电平信号。
至此,通信双方已经达成了基本的协议,接下来将会是控制器与18B20间的数据通信。
如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲,在设计时要注意意外情况的处理。
(3)控制器发送ROM指令:
双方打完了招呼之后就要进行交流了,ROM指令共有5条,每一个工作周期只能发一条,ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。
ROM指令为8位长度,功能是对片内的64位光刻ROM进行操作
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