電子信息自動化-具有紅外保護的溫度控制系統(tǒng)的設計

IV-中國人口眾多，是農業(yè)生產大國，食品農業(yè)在國家命脈中占據(jù)著相當大的比重，農業(yè)是國民經濟的根本。長期以來的傳統(tǒng)作業(yè)栽培以及手工半自動化生產不能夠滿足全國人民的實際需求，因此建立精準化、自動化的現(xiàn)代農業(yè)自動控制系統(tǒng)有很重要的意義。本文設計的是一種基于單片機的具有紅外保護功能的溫度測量控制系統(tǒng)，采用紅外溫度傳感器，所得的模擬信號經過A/D轉換后，由微處理器進行處理得到溫度值，采用選用自帶字庫的中文顯示模塊HG1286401C作為顯示器件進行顯示。基于單片機的具有紅外保護功能的溫度測量控制系統(tǒng)硬件電路，由電源模塊、單片機主控模塊、時鐘模塊、測溫模塊、鍵盤接口模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、報警模塊等組成，開發(fā)各模塊的驅動程序完成系統(tǒng)集成；此外，采集溫度數(shù)據(jù)時，進行多次測量取平均值的方法，實驗表明測溫系統(tǒng)精度好，工作穩(wěn)定，達到設計的性能要求，是一種可靠的具有紅外保護功能的溫度測量控制系統(tǒng)，因此將會有廣泛的應用前景。關鍵詞溫度測量單片機紅外保護Chinahasalargepopulationandisabigcountryinagriculturalproduction.Foodandagricultureoccupyalargeproportioninthecountry’slifeline,andagricultureisthefundamentaltothenationaleconomy.Thelong-termtraditionalcultivationandmanualsemi-automatedproductioncannotmeettheactualneedsofthepeopleinthecountry.Therefore,itisofgreatsignificancetoestablishanaccurateandautomatedmodernagriculturalautomaticcontrolsystem.Thisarticleisdesignedbasedonamicrocontrollerbasedoninfraredprotectiontemperaturemeasurementandcontrolsystem,usinginfraredtemperaturesensor,theanalogsignalobtainedafterA/Dconversion,themicroprocessortoobtainthetemperaturevalue,usingtheoptionalfontTheChinesedisplaymoduleHG1286401Cisdisplayedasadisplaydevice.Thehardwarecircuitofthetemperaturemeasurementandcontrolsystemwithinfraredprotectionfunctionbasedonsingle-chipmicrocomputerconsistsof8powersupplymodules,one-chipcomputermaincontrolmodule,clockmodule,temperaturemeasurementmodule,keyboardinterfacemodule,datadisplaymodule,alarmmodule,andstrongelectricdriveandcontrolmodule.Modulecomponents,thedevelopmentofthedrivermoduletocompletethesystemintegration;Inaddition,theacquisitionoftemperaturedata,thenumberofmeasurementstotaketheaveragemethod,theexperimentshowsthatthetemperaturemeasurementsystemisgood,stable,tomeettheperformancerequirementsofthedesign,isaThereliabletemperaturemeasurementcontrolsystemwithinfraredprotectionfunctionwillhaveawideapplicationprospect.Keywords TemperaturemeasurementMCUIRprotection

摘要 ]。HG1286401C液晶顯示模塊：在128×64點陣的漢字圖形型液晶顯示面板[24]，可顯示漢字及圖形，內置8192個中文漢字[24]、128個字符及64X256點陣顯示RAM（GDRAM）[24]。可與CPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理機[24]，8-位并行及串行兩種連接方式[24]。具有光標顯示、畫面移位和睡眠模式等功能[24]。圖2-7HG1286401C2.4本章小結本溫度控制系統(tǒng)功能由AT89S52單片機及其外圍器件協(xié)同完成。單片機通過穩(wěn)壓電源LM78M05供電；DS18B20將檢測到的溫度值轉化為數(shù)字量輸入到單片機中；LCD模塊由HG1286401C液晶顯示器件實現(xiàn)，LCD主要是起到顯示功能[25]，把所有的當前信息很醒目的顯示在屏面上[25]，使人們能比較直觀進行溫度設置，了解各受控溫室目前的溫度信息從而可以進行對比[25]，并且獲得有效信息。3.1電源模塊設計電源模塊電路采用LM78M05獲得+5V的穩(wěn)定電壓[26]，電源模塊電路輸入電壓為+12V或+9V[26]，由外置電源提供，如圖3-1所示。電源模塊電路電容C6和C8用作低頻濾波[26]，以使輸入電壓和輸出電壓更加平滑穩(wěn)定[26]；電源模塊電路電容C7和C9用于濾除高頻信號成分[26]，以降低高頻信號對工作電路穩(wěn)定性的影響[26]。圖3-1電源電路為了方便于調試，電源模塊電路系統(tǒng)除了內部供電模塊[27]，還外接了開關電源[27]，電源模塊電路調試的時候使用外接電源[27]，最后再接上供電芯片，這樣不但可以檢驗電源芯片是否正常工作[27]，萬一電源模塊電路設計存在問題，也減小了損失[27]。圖3-2電源模塊電路設計圖3-2中，J11為5V電源輸入端口[27]，J1為24V電源輸入端口[27]，J14為24V-5V電源[27]，J15為24V-24V，J4為5V-3.3V芯片[27]，J10為5V-2.5V芯片，J12、J13、J19跳針接口[27]。電源模塊電路調試的時候將J12、J13、J19分別用跳針連接好[27]，這樣外部電源就可以替代電源芯片供給整個系統(tǒng)的用電[27]，此時，內外電源共地。調試通過后，將J12、J13、J19斷開[27]，就可以將外部電源24V與內部完全隔離起來，減小外界對系統(tǒng)的干擾[27]。3.2數(shù)據(jù)采集模塊設計數(shù)據(jù)采集模塊是指傳感器接收紅外信號，經內部處理后將溫度以電信號的形式輸出到轉換芯片。由于紅外測溫儀輸出的是電流信號[28]，范圍4~20mA，而AD7656的輸出信號為電壓[28]，范圍為0~5V，所以必須將傳感器的輸出信號作一個初步處理[28]，以匹配A/D轉換芯片的要求[28]。如圖3-3所示，J5為傳感器接口，V1~V5為輸出信號，經250Ω的精密電阻接地后連接到AD7656的6路通道端口。4~20mA乘以250Ω得到的電壓范圍為1~5V，滿足要求。圖3-3數(shù)據(jù)采集模塊電路設計3.3A/D轉換模塊設計理想的濾波器是沒有自身損耗的，也就是說這個門衛(wèi)是個負責的門衛(wèi)，不收過路費，合適的通過，不合適的回去。非理想的濾波器是收小費的，執(zhí)行命令的同時，自己還撈一些。為了濾去電路中的高頻以及低頻噪聲，在電源信號端口都接上0.1μF和10μF的電容，如圖3-4所示。另外，AD7656是5V供電，而AT89S52則3.3V供電，將AD7656的第9引腳VDRIVE接3.3V，這樣就能使數(shù)據(jù)口和一些控制端口直接按3.3V方式進行通信，而不需要進行電平匹配。AD7656管腳除電源端外，輸入電流應在±10mA以內，因此上拉電阻大小選擇2k，此時，輸入電流最大為2.5mA。放大器、采樣-保持器和A/D、D/A中模擬信號的接地端。AD7656的數(shù)字地與模擬地必須分開，在高頻電路中，布線和元件間的寄生電感，否則會影響轉換結果的精度。應采用多點接地。所有的數(shù)字地連接在一起，模擬地也連接在一起，最后，再用0Ω的電阻將數(shù)字地與模擬地連接起來。0Ω電阻在高頻信號電路中可充當電感，主要解決電磁兼容問題，抑制傳導干擾。圖3-4A/D轉換電路設計3.4單片機模塊設計單片機的電路設計主要包括外接晶振、上電復位電路、JTAG口，地址編碼以及I/O口的連接[26]。單片機的時鐘信號一般可以由內部振蕩電路和外部振蕩電路得到[26]。本設計使用的是內部振蕩電路。引腳XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入[26]、輸出端，外接石英晶體和微調電容[26]，如圖3-4所示。AT89S52單片機有一個反相放大器[26]，按圖3-5連接即可構成自激振蕩電路，不外加激勵信號而自行產生的恒穩(wěn)和持續(xù)的振蕩。產生振蕩時鐘脈沖[26]。電容C1和C2主要起頻率微調和穩(wěn)定作用。采用內部振蕩方式所得到的時鐘信號比較穩(wěn)定，電容值C1與C2均取30pF。圖3-5時鐘電路圖上電復位確保單片機能正常工作。本系統(tǒng)擬采用手動復位和上電復位相結合的方式。手動復位需要人為使RST引腳至少保持2個機器周期的高電平。在RST端和電源VCC之間接一個按鈕，當用戶按下該按鈕時，則VCC的+5V電壓就會直接加到RST端。復位電路如圖3-6所示。圖3-6復位電路圖當溫度超出設定范圍時，輸出驅動信號，推動揚聲器發(fā)出報警聲。報警模塊如圖3-7所示。報警模塊電路由簡單的三極管和微型揚聲器構成，當外界的溫度超出上下界范圍時，P2.3口輸出信號，驅動揚聲器響應，進而振動發(fā)出報警聲。報警音由編寫的小程序產生，通過不同時間周期長度的延時，能夠持續(xù)讓P2.3輸出變化的高低電平，進而形成音頻信號，所以報警聲不再是“嘀嘀嘀”的單音。由L386構成的功率放大電路可以實現(xiàn)較響亮的報警聲。圖3-7報警電路地址編碼電路。整個監(jiān)測系統(tǒng)由多套硬件系統(tǒng)組成,每一套硬件系統(tǒng)都有自己的ID號，以供上位機查詢。這個ID號可以手動設置，利用撥碼開關來實現(xiàn)。撥碼開關由8路開關封裝而成，一端接地，一端連接到單片機的I/O口并通過上拉電阻接3.3V，通過撥動開關可以實現(xiàn)“0”、“1”的輸入，8位就是一個字節(jié)，共可實，128個不同的ID號。3.5時鐘電路設計本設計中加入了時鐘電路。若采用單片機計時，既采用計數(shù)器，占用硬件資源，還需要設置中斷、查詢等。為了提高時鐘的精確性，本設計沒有采用基于軟件中斷實現(xiàn)計時的方式，而選用了獨立的時鐘芯片DS1302。圖3-8DS1302封裝圖與實物圖如圖3-9所示。DS1302的5腳（RST）與單片機P1.2連接，6腳(I/O)與單片機P1.1連接，7腳(SCLK)與單片機P1.0連接。備用電源POWER可用3.6V的充電電池，其值小于主電源值時，DS1302由備用電源供電。圖3-9DS1302與單片機連接電路3.6本章小結完成具有紅外保護功能的溫度測量控制系統(tǒng)的硬件設計，包括電源模塊采用LM78M05，除了內部供電模塊，還外接了開關電源；數(shù)據(jù)采集模塊是指傳感器接收紅外信號，經內部處理后將溫度以電信號的形式輸出到轉換芯片，提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力；DS1302由主電源供電，其值高于主電源時，完成單片機的電路設計，主要包括外接晶振、上電復位電路、JTAG口，地址編碼以及I/O口的連接；選用了獨立的時鐘芯片DS1302。

本溫度控制系統(tǒng)軟件程序主要包括主程序、時間溫度顯示子程序、讀取溫度子程序、溫度上下限設置子程序、時間調整子程序、溫度傳感器的驅動程序、時鐘芯片的驅動程序以及顯示模塊的并口驅動程序。4.1主程序系統(tǒng)主程序首先對系統(tǒng)進行初始化，如圖4-1所示，包括定義端口、DS1302初始化、LCD初始化，然后顯示開機畫面，接下來進入鍵盤處理程序，在鍵盤處理程序中調用各子程序，從而完成溫度的檢測和調控。圖4-1主程序流程圖圖4-2主循環(huán)流程圖4.2系統(tǒng)時間溫度顯示子程序系統(tǒng)時間溫度顯示子程序時鐘電路采用了時鐘芯片DS1302，從DS1302各寄存器中讀出，每秒刷新一次，調用月份、日期、小時、分鐘、秒讀寫程序，從DS1302中讀出時間信息，并寫入LCD完成時間顯示。在時間信息完成刷新后，接著從溫度傳感器DS18B20讀取溫度數(shù)據(jù)，經處理后獲得溫度的十位、個位和小數(shù)位，然后寫入LCD完成溫度信息顯示，流程圖如圖4-3所示。圖4-3時間、溫度顯示程序流程圖4.3讀取溫度子程序DS18B20在初始化時自動將EEPROM中存儲的溫度上下限值復制到RAM中。DS18B20在完成溫度轉換接收到讀取溫度命令后，方可從RAM中讀取溫度值。讀取溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的前4個字節(jié)，即溫度值低8位、溫度值高8位、溫度上限值和溫度下限值，并將溫度上下限進行暫存。圖4-4讀取溫度流程圖4.4溫度上下限子程序溫度測量每進行一次，流程圖如圖4-5所示。溫度上下限值的設置是程序設計中的重要環(huán)節(jié)，本設計專門設置了溫度設置鍵和上下限溫度值加1鍵、減1鍵。要對3個DSl8820的上下限進行設置。溫度值在0℃~50℃范圍內可調，修改后的上下限值暫存到變量TM_High和TM_Low。在退出鍵按下時，從而測出被測的溫度值。圖4-5溫度上下限設置流程圖4.5時間調整子程序時間調整子程序中調整時間用三個按鍵：時間調整鍵、加1鍵、減1鍵。時間調整鍵按月份、日期、小時、分鐘次序進行循環(huán)。在調整時間過程中，顯示屏的下方顯示所調整的時間項，按下加1鍵或減1鍵后，在對應的顯示位置，數(shù)字隨之增減。要退出時間調整，必須按退出鍵，流程圖如圖4-6所示。圖4-6時間調整流程圖4.6本章小結本章完成溫度控制系統(tǒng)的軟件程序，主要包括主程序、時間溫度顯示子程序、讀取溫度子程序、溫度上下限設置子程序、時間調整子程序。

5.1測試模型搭建在具有紅外保護的溫度控制系統(tǒng)的控制程序采用C51語言，使用KeilC軟件新建一個工程，然后新建一個文件輸入源程序并保存為.C格式，并將該源文件添加到剛剛新建的工程，反復調試后，編譯連接后生成十六進制文件(.HEX)。因AT89S52具有在線可燒寫功能，利用AVR-frighterforUSBASP通過USB將十六進制文件燒寫進單片機的中運行即可。ImportsSystem.IOImportsSystem.TextPublicClassProgramFormPublicProgramAddressAsString=""'程序路徑地址'進入界面PrivateSubProgramForm_Load(ByValsenderAsSystem.Object,ByValeAsSystem.EventArgs)HandlesMyBase.LoadShowProgram_Button.Enabled=FalseUpdate_Button.Enabled=FalseDownloadFile_Button.Enabled=FalseEndSub'退出界面時PrivateSubProgramForm_FormClosing(ByValsenderAsObject,ByValeAsSystem.Windows.Forms.FormClosingEventArgs)HandlesMe.FormClosingMainForm.UMACProgram_Button.ForeColor=Color.WhiteMe.Dispose()EndSub使用EasyBuilder8000軟件進行界面編寫，如圖5-1所示。圖5-1EasyBuilder8000軟件接通溫度控制系統(tǒng)電源，系統(tǒng)復位后顯示初始畫面，如圖5-2所示。圖5-2初始界面延時秒鐘后進入正常顯示狀態(tài)，顯示當前的溫度、時間信息，按調溫鍵，進入溫度設置狀態(tài)，監(jiān)測功能的實現(xiàn)分為兩部分，一部分實現(xiàn)對傳感器反饋值的讀取，另一部分是對傳感器反饋值的異常做出判斷和警報。對于反饋值的讀取相對簡單，只需要將傳感器反饋的電壓信號轉換為相對應的物理量值，然后在觸摸屏中顯示出來即可。對于識別傳感器的反饋信號是否異常，需要針對確切的系統(tǒng)進行設定。首先要對其實際參數(shù)進行分析。在現(xiàn)場操作中，把所有的當前信息很醒目的顯示在屏面上，使工作人員能比較直觀進行溫度設置，可以完成參數(shù)設置以及實時修改，并且進行當前目標溫度的對比，了解控溫室目前的溫度信息并記錄。圖5-3紅外保護溫度控制系統(tǒng)測試界面5.2系統(tǒng)功能測試當溫度值低于所設置的溫度下限時，將啟動相應的加熱設備。模擬測試如下在室溫環(huán)境下，用燈泡做熱源，代替熱風爐，將一室低溫設置為15℃，一室高溫設置為25℃；。使用溫度計時，首先要看清它的量程（測量范圍），然后看清它的最小分度值，也就是每一小格所表示的值。要選擇適當?shù)臏囟扔嫓y量被測物體的溫度。對比了水銀溫度計的實驗表明，設計完成的具有紅外保護功能的溫度控制系統(tǒng)具有較好的精度，基本達成設計目標。5.3本章小結實驗表明測溫系統(tǒng)精度好，靈敏度高，工作穩(wěn)定，達到設計的性能要求，是一種可靠的數(shù)字測溫控制系統(tǒng)。設計的一種基于單片機的具有紅外保護功能的溫度測量控制系統(tǒng)，采用紅外溫度傳感器，所得的模擬信號經過A/D轉換后，由微處理器進行處理得到溫度值，采用選用自帶字庫的中文顯示模塊HG1286401C作為顯示器件進行顯示?；趩纹瑱C的具有紅外保護功能的溫度測量控制系統(tǒng)硬件電路由電源模塊、單片機主控模塊等共8個模塊組成，開發(fā)各模塊的驅動程序完成系統(tǒng)集成；此外，采集溫度數(shù)據(jù)時，進行多次測量取平均值的方法，實驗表明測溫系統(tǒng)精度好，工作穩(wěn)定，達到設計的性能要求，是一種可靠的具有紅外保護功能的溫度測量控制系統(tǒng)，因此將會有廣泛的應用前景。

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