基于單片機(jī)的溫室大棚溫度控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)溫室大棚溫度控制設(shè)計(jì)摘要：本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，利用溫度傳感器AD590對(duì)蔬菜大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與控制，實(shí)現(xiàn)溫室溫度的自動(dòng)控制。本系統(tǒng)由單片機(jī)小系統(tǒng)模塊、溫度采集模塊、加熱模塊、降溫模塊、按鍵以及顯示模塊六個(gè)部分組成。可以通過按鍵設(shè)定溫室的溫度值，采集的溫度和設(shè)定的溫度通過LED數(shù)碼管顯示。當(dāng)所設(shè)定的溫度值比采集的溫度大時(shí)，通過加熱器加熱，以達(dá)到設(shè)定值；反之，開啟降溫風(fēng)扇，以快速達(dá)到降溫效果。通過該系統(tǒng)，對(duì)蔬菜大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行有效、可靠地檢測(cè)與控制。從而保證大棚內(nèi)作物在最佳的溫度條件下生長，提高質(zhì)量和產(chǎn)量。關(guān)鍵詞：單片機(jī)、溫室大棚、溫度控制一、 硬件設(shè)計(jì)（一）

2、設(shè)計(jì)目標(biāo) 本系統(tǒng)要控制的對(duì)象為這樣一個(gè)規(guī)模的溫室。溫室結(jié)構(gòu)的參數(shù)為：屋脊高5.2m，檐高3m，單跨度6.5m，長為20m，地面面積為130平方米。要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是，使薄膜溫室的溫度保持在2030之間，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)溫度值是可設(shè)定的。（二）設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。本系統(tǒng)由單片機(jī)小系統(tǒng)模塊、溫度采集模塊、WP型溫室加熱器、降溫模塊、按鍵以及顯示模塊六個(gè)部分組成。通過按鍵設(shè)定溫度值，設(shè)定的溫度值和采集的溫度值都可以通過LED數(shù)碼管顯示。當(dāng)所設(shè)定的溫度值比采集的溫度大時(shí)，通過加熱器加熱，以達(dá)到設(shè)定值；反之，開啟降溫風(fēng)扇，以快速達(dá)到降溫效果。該系統(tǒng)對(duì)溫度的控制范圍在2030，溫度控制的誤差小于等于0

3、.5。通過使用該系統(tǒng)，對(duì)蔬菜大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行有效、可靠地檢測(cè)與控制,保證大棚內(nèi)作物在最佳的溫度條件下生長，提高質(zhì)量和產(chǎn)量。AT89C51控制系統(tǒng)溫度采集鍵盤掃描WP型溫室加熱器顯示降溫模塊圖1系統(tǒng)原理框圖 該系統(tǒng)分為六個(gè)模塊，分別是單片機(jī)小系統(tǒng)模塊、溫度采集模塊、顯示模塊、鍵盤掃描模塊、加熱模塊和降溫模塊。（三）基于AT89C51的單片機(jī)小系統(tǒng)本系統(tǒng)采用Atmel公司所生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)小系統(tǒng)如圖2所示：圖2 單片機(jī)小系統(tǒng)這個(gè)小系統(tǒng)由時(shí)鐘脈沖和復(fù)位電路組成， AT89C51內(nèi)部已具備振蕩電路，只要在接地引腳上面的兩個(gè)引腳（即19、18腳）連接簡單的石英晶體即可。A

4、T89C51的時(shí)鐘頻率為12MHz。AT89C51的復(fù)位引腳為第9腳，當(dāng)此引腳連接高電平超過2個(gè)機(jī)器周期（一個(gè)機(jī)器周期為6個(gè)時(shí)鐘脈沖），即可產(chǎn)生復(fù)位的動(dòng)作。以12MHz的時(shí)鐘脈沖為例，每個(gè)時(shí)鐘脈沖1s,兩個(gè)機(jī)器周期為12s,因此，在第9腳上連接一個(gè)12s以上的高電平脈沖，即可產(chǎn)生復(fù)位的動(dòng)作。對(duì)于上電復(fù)位，復(fù)位引腳上串接了一個(gè)電容，當(dāng)復(fù)位引腳接 +5V電壓時(shí)，電容相當(dāng)于短路，經(jīng)過一段時(shí)間（在這段時(shí)間內(nèi)完成復(fù)位）后，電容處于充電狀態(tài)，相當(dāng)于斷開。還有一種是手動(dòng)復(fù)位,它的接法是在AT89C51復(fù)位引腳所串連的電容上并聯(lián)接一個(gè)按鈕開關(guān)。當(dāng)按鈕沒按下時(shí)，電容處于充電狀態(tài)；當(dāng)按鈕按下時(shí)，電容對(duì)復(fù)位引腳放電

5、，從而在這個(gè)引腳上產(chǎn)生高電平，達(dá)到復(fù)位的目的。（四）溫度采集模塊 本系統(tǒng)的溫度采集和轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖3所示，它的工作過程為：系統(tǒng)通過AD590采集外界的溫度參數(shù)，并通過三個(gè)放大器的作用將溫度轉(zhuǎn)化為電流模擬量；此模擬量通過ADC0804的轉(zhuǎn)化變成數(shù)字量，以便單片機(jī)辨認(rèn)接收。圖3 AD590溫度傳感器工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路圖根據(jù)電路圖，說明各個(gè)器件的功能如下：OPA1：以0為標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)可變電阻R10使其輸出電壓為2.73伏特。OPA2：減2.73伏特，并反相。OPA3：放大5倍并反相。例如：AD590輸出電壓為1.5伏特，則其溫度為：1.5/5（OPA3）+2.732（OPA2）=3.302伏特；3

6、.302/10K=303.2微安培；303.2-273.2=30微安培30。溫度值OPA1OPA2OPA3ADC VINADC輸出值02.732V0V0V0V00H102.832V-0.1V0.5V0.5V19H202.932V-0.2V1V1V32H303.032V-0.3V1.5V1.5V4BH403.132V-0.4V2V2V64H503.232V-0.5V2.5V2.5V7DH603.332V-0.6V3V3V96H703.432V-0.7V3.5V3.5VAFH803.532V-0.8V4V4VC8H903.632V-0.9V4.5V4.5VE1H1003.732V-1V5V5VFA

7、H表1 各溫度與3個(gè)OPA及ADC0804的輸入與輸出關(guān)系圖4 ADC0804 如圖4，A/D轉(zhuǎn)換器就是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，是將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。信號(hào)輸入端的信號(hào)可以是傳感器或是轉(zhuǎn)換器的輸出，而ADC輸出的數(shù)字信號(hào)可以提供給微處理器，以便更廣泛地應(yīng)用。 ADC0804電壓輸入與數(shù)字輸出關(guān)系如下表2所示：十六進(jìn)制二進(jìn)制碼 二與滿刻度的比率相對(duì)電壓值VREF=2.56伏高四位字節(jié)低四位字節(jié)高四位字節(jié)電壓低四位字節(jié)電壓F111115/1615/2564.8000.300E111014/1614/2564.4800.280D110113/1613/2564.0600.260C110012/1

8、612/2563.8400.240B101111/1611/2563.5200.220A101010/1610/2563.2000.200910019/169/2562.8800.180810008/168/2562.5600.160701117/167/2562.2400.140601106/166/2561.9200.120501015/165/2561.6000.100401004/164/2561.2800.080300113/163/2560.9600.060200102/162/2560.6400.040100011/161/2560.3200.0200000000表2 ADC08

9、04電壓輸入與數(shù)字輸出關(guān)系例如：VIN=3V，由上表可知2.880+0.120=3V，為B=96H。 AD590產(chǎn)生的電流與絕對(duì)溫度成正比，它可接收的工作電壓為4V30V，檢測(cè)的溫度范圍為-55+150，它有非常好的線性輸出性能，溫度每增加1，其電流增加1微安培。當(dāng)攝氏溫度為0時(shí)，AD590的電流為273.2微安培，經(jīng)10千歐姆電阻后其電壓為2.732伏特。余者依上述方法類推。 利用AD590以及接口電路把溫度轉(zhuǎn)換成模擬電壓，經(jīng)由ADC0804轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳送給AT89C51處理。 溫度采集和AD590溫度傳感器工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路圖為圖3。(五)顯示模塊譯碼IC及溫度顯示的電路圖如圖5所示

10、。顯示部分的工作原理是，它將溫度轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，即溫度值，經(jīng)由AT89C51的P1口由兩個(gè)譯碼IC輸出并分別送入兩個(gè)七段數(shù)碼管顯示，這兩個(gè)LED都是共陽極的。圖5 譯碼IC及溫度顯示BCD碼轉(zhuǎn)換成7段LED數(shù)碼管的譯碼驅(qū)動(dòng)IC，如圖6所示，首推7447系列，包括7446、7449、74LS49。其中的7446及7447輸出低電平驅(qū)動(dòng)的顯示碼，用以推動(dòng)共陽極7段LED數(shù)碼管；而7448及74LS49輸出高電平驅(qū)動(dòng)顯示碼，用以推動(dòng)共陰極7段LED數(shù)碼管，7446、7447與7448的引腳相同（雙并排16pins）。圖6 譯碼IC 7447D、C、B、A：BCD碼輸入引腳。a、b、c、g：7段數(shù)碼管輸

11、出引腳。LT：本引腳為測(cè)試引腳，當(dāng)接高電平時(shí)，所連接的7段LED數(shù)碼管全亮。正常顯示下應(yīng)接低電平。RBI：本引腳為漣波淹沒輸入引腳，正常顯示下應(yīng)接低電平。BI和RBO：本引腳為淹沒輸入或漣波淹沒輸出引腳，正常顯示下應(yīng)接低電平。7段LED數(shù)碼管是利用7個(gè)LED組合而成的顯示設(shè)備，可以顯示0到9共10個(gè)數(shù)字。當(dāng)要顯示多個(gè)數(shù)碼管，可分別驅(qū)動(dòng)每個(gè)數(shù)碼管；當(dāng)要利用人類的視覺暫留現(xiàn)象，則可以采用快速掃描的方式，只要一組驅(qū)動(dòng)電路即可達(dá)到顯示多個(gè)數(shù)碼管的目的。一般來說，7段LED數(shù)碼管可分為共陽極和共陰極兩種，共陽極就是把所有LED的陽極連接到共同的接點(diǎn)com，而每個(gè)LED的陰極分別為a、b、c、d、e、f、

12、g及dp（小數(shù)點(diǎn)）；同樣的，共陰極就是把所有LED的陰極連接到共同的接點(diǎn)com，而每個(gè)LED的陽極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數(shù)點(diǎn)）。(六) 鍵盤掃描圖7 鍵盤掃描電路圖7是鍵盤掃描的電路圖，其中74922是鍵盤掃描IC。鍵盤掃描電路的原理是，將鍵盤接在一個(gè)鍵盤掃描IC 74922上，當(dāng)在鍵盤上按下鍵時(shí)，相關(guān)的鍵碼將通過74922的A、B、C、D口線傳遞給AT89C51單片機(jī)。鍵盤采用電話式鍵盤，結(jié)構(gòu)如圖8所示。鍵盤是接在鍵盤掃描IC 74922（上圖6所示）上面的，鍵盤的輸入通過74922的X1X3和Y1Y4輸入。 X1 X2 X3123456789*0#Y1 Y2 Y3 Y4

13、 圖8 電話式鍵盤 鑒于鍵盤掃描IC為4*4形式，以下鍵盤編碼每行后面都有0FFH，以配合硬件使用。按鍵123456對(duì)應(yīng)編碼01H02H03H04H05H06H按鍵789*0#對(duì)應(yīng)編碼07H08H09H0AH00HOBH表3 鍵盤編碼 鍵盤掃描IC74922的工作過程：X1X3接鍵盤的行，Y1Y4接鍵盤的列，按鍵信息由這幾個(gè)口輸入，由A、B、C、D四個(gè)口輸出到P3口的低四位，再通過P1口經(jīng)過譯碼IC顯示在LED上。鍵盤掃描芯片不斷查詢是否有按鍵輸入，當(dāng)查詢到有按鍵時(shí)，DA置1，同時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的程序，比較溫度是否超出上、下限，進(jìn)而決定是加熱還是降溫。(七) WP型溫室加熱器 如圖7所示，在AT89

14、C51的P2.1口上接一個(gè)繼電器，將加熱器接在此繼電器上。需要提高溫度時(shí)，單片機(jī)控制P2.1口，使之置1，進(jìn)而控制加熱器加熱。(八) 降溫模塊 如圖7所示，在AT89C51的P2.2口上接一個(gè)繼電器,將降溫風(fēng)扇接在此繼電器上。需要降溫時(shí)，單片機(jī)控制P2.2口，使之置1，進(jìn)而控制降溫風(fēng)扇降溫。二、 軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的工作流程是，操作人員可以從鍵盤上輸入要設(shè)定的溫度值。當(dāng)此溫度值與當(dāng)前溫度不同時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)采取調(diào)節(jié)的動(dòng)作。當(dāng)設(shè)定溫度大于測(cè)定溫度時(shí)，則使加熱器工作；當(dāng)設(shè)定溫度小于測(cè)定溫度時(shí)，則開啟降溫風(fēng)扇。此程序流程包括4個(gè)部分。第一部分是主程序，它描述的是程序的總體結(jié)構(gòu)；第二部分是定時(shí)器T0的描

15、述，它的功能是將實(shí)際溫度和設(shè)定的溫度比較，再作出相應(yīng)的動(dòng)作；第三部分是鍵盤掃描部分；第四部分是顯示部分，用于顯示溫度值。(一) 主程序YN按鍵程序顯示A/D轉(zhuǎn)換完成否？判斷有無按鍵？A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)初始化開始NY圖9 主程序本溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路見圖9的主程序流程圖，系統(tǒng)采用溫度傳感器AD590采集溫度數(shù)據(jù)，再由ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器將溫度轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)將溫度總體控制在20到30之間，并且可以通過鍵盤輸入要設(shè)定的溫度值，并通過7段數(shù)碼管顯示出來。在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行期間，有一個(gè)定時(shí)器T0中斷每隔20ms掃描一次，用于當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度的比較，然后發(fā)出加溫或降溫的命令。程序

16、代碼如下：ORG 00H JMP START ORG 0BH JMP TIM0START: MOV TMOD,#01H MOV TH0,#60 MOV TL0,#76 SETB TR0 MOV IE,#82H MOV R4,#09H MOV R0,#30HCLEAR: MOV R0,#00H DJNZ R4,CLEAR MOV A,#00H MOV DPTR,#TABLE1 MOVC A,A+DPTR MOV 34H,A MOV A,#01H MOV DPTR,#TABLE1 MOVC A,A+DPTR MOV 35H,A MOV 36H,#0FFHSTART0: MOVX R0,AWAIT:

17、 JB P3.4,KEYIN JB P2.0,ADC JMP WAITADC: MOVX A,R0 MOV 37H,A CLR C SUBB A,36H JC TDOWNTUP: MOV A,37H CLR C SUBB A,34H JNC POFF JMP LOOPPON: CLR P2.1 JMP START0POFF: SETB P2.1 JMP LOOPTDOWN: MOV A,37H CLR C SUBB A,35H JC PON JMP LOOPLOOP: MOV 36H,37H CLR A MOV R4,#0FFH DJNZ R4,$ CALL L1 MOV 21H,#10H N

18、OV R1,#30HDISP1: CALL DISP DJNZ 21H,DISP1 JMP START0(二) 定時(shí)器T0中斷定位裝入初值比較的十位相同？比較的個(gè)位相同？開啟降溫風(fēng)扇返回加熱器工作設(shè)定溫度測(cè)定溫度？加熱器停止工作YNYNNY圖10 定時(shí)器T0中斷子程序 定時(shí)器T0中斷的工作流程如圖10所示。當(dāng)定時(shí)器T0發(fā)生中斷時(shí)，就將按鍵輸入的設(shè)定的溫度值與當(dāng)前的溫度值比較。當(dāng)輸入的溫度值大于當(dāng)前測(cè)定的溫度值，單片機(jī)就控制加熱器加熱；當(dāng)設(shè)定的溫度值小于當(dāng)前測(cè)定的溫度值，就開啟降溫風(fēng)扇。程序代碼如下：TIM0: PUSH ACC PUSH PSW MOV TH0,#60 MOV TL0,#76

19、MOV A,33H CJNE A,31H,T MOV A,32H CJNE A,30H,T JMP OFF T: JC OFF CLR P2.1RETURN: POP PSW POP ACC RETIOFF: SETB P2.1 JMP RETURNDELAY: MOV R7,#06D1: MOV R6,#248 DJNZ R6,$ DJNZ R7,D1 RET(三) 顯示模塊顯示子程序流程圖如圖11所示:（說明：30H用于暫時(shí)存放要顯示溫度的高四位，31H用于暫時(shí)存放要顯示溫度的低四位，38H用于存放最終要顯示在7段數(shù)碼管上的溫度值；D1、D2分別表示兩個(gè)7段數(shù)碼管的存儲(chǔ)地址。）取（30H）

20、高四位為D1?。?1H）低四位為D2返回將（38H）的值送P1將（30H）、（31H）合成為（38H）延時(shí)DISP圖11 顯示子程序系統(tǒng)提供溫度的顯示功能，將溫度用兩個(gè)7段數(shù)碼管顯示出來。程序如下：DISP: MOV A,R1 ANL A,#0F0H SWAP A MOV 38H,A INC R1 MOV A,R1 ANL A,#0FH SWAP AORL A,38H MOV P1,A CALL DELAY RET(四) 按鍵掃描將鍵盤接在一個(gè)鍵盤掃描IC 74922上，所按鍵將被此芯片處理后傳送給單片機(jī)處理。工作流程如圖9所示。如果要設(shè)定新的溫度值，操作流程為：按“*”要設(shè)定的溫度值按“*”

21、，這樣就完成了溫度的設(shè)定。程序代碼如下：KEYIN: JB P3.4,$ MOV A,P3 ANL A,#0FH MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR XRL A,#0AH JNZ START0 JB P3.4,KEYIN1 MOV R1,#32H CALL DISP MOV R5,4FHD4: MOV R7,#0FFH D3: MOV R6,#0FFHD2: JB P3.4,KEYIN1 DJNZ R6,D2 DJNZ R7,D3 DJNZ R5,D4 JMP START0KEYIN1: JB P3.4,$ MOV A,P3 ANL A,#0FH MOV DPTR,#T

22、ABLE MOVC A,A+DPTR MOV 20H,A XRL A,#0AH JZ X1 MOV A,20H XRL A,#0BH JZ WAIT1 MOV A,20H XCH A,32H XCH A,33H(五) 源程序 程序要完成的功能是將總體溫度控制在2030之間，在這個(gè)范圍內(nèi)，可以設(shè)定任一溫度值，并使之達(dá)到恒溫效果；如果超出這個(gè)范圍，則程序自動(dòng)控制繼電器工作使溫度穩(wěn)定在這個(gè)范圍之間。程序中各寄存器說明如下：30H、31H：所測(cè)得的實(shí)際溫度32H、33H：鍵盤設(shè)定的溫度34H：系統(tǒng)的上限溫度值（30）35H：系統(tǒng)的下限溫度值（20）36H：舊溫度值的存放地址源程序如下:ORG 00H

23、JMP START ORG 0BH JMP TIM0START: MOV TMOD,#01H MOV TH0,#60 MOV TL0,#76 SETB TR0 MOV IE,#82H MOV R4,#09H MOV R0,#30HCLEAR: MOV R0,#00H DJNZ R4,CLEAR MOV A,#00H MOV DPTR,#TABLE1 MOVC A,A+DPTR MOV 34H,A MOV A,#01H MOV DPTR,#TABLE1 MOVC A,A+DPTR MOV 35H,A MOV 36H,#0FFHSTART0: MOVX R0,AWAIT: JB P3.4,KEYI

24、N JB P2.0,ADC JMP WAITADC: MOVX A,R0 MOV 37H,A CLR C SUBB A,36H JC TDOWNTUP: MOV A,37H CLR C SUBB A,34H JNC POFF JMP LOOPPON: CLR P2.1 JMP START0POFF: SETB P2.1 JMP LOOPTDOWN: MOV A,37H CLR C SUBB A,35H JC PON JMP LOOPLOOP: MOV 36H,37H CLR A MOV R4,#0FFH DJNZ R4,$ CALL L1 MOV 21H,#10H NOV R1,#30HDIS

25、P1: CALL DISP DJNZ 21H,DISP1 JMP START0L1: CLR C MOV 30H,#00H MOV 31H,#00H MOV R3,#08H NEXT: RLC A MOV R2,A MOV A,30H ADDC A,30H DA A MOV 30H,A MOV A,31H ADDC A,31H DA A MOV 31H,A MOV A,R2 DJNZ R3,NEXTL2: MOV A,30H ADD A,30H DA A MOV 30H,A MOV A,31H ADDC A,31H DA A MOV 31H,A RETKEYIN: JB P3.4,$ MOV

26、A,P3 ANL A,#0FH MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR XRL A,#0AH JNZ START0 JB P3.4,KEYIN1 MOV R1,#32H CALL DISP MOV R5,4FHD4: MOV R7,#0FFHD3: MOV R6,#0FFHD2: JB P3.4,KEYIN1 DJNZ R6,D2 DJNZ R7,D3 DJNZ R5,D4 JMP START0KEYIN1: JB P3.4,$ MOV A,P3 ANL A,#0FH MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR MOV 20H,A XRL A,#0AH JZ

27、 X1 MOV A,20H XRL A,#0BH JZ WAIT1 MOV A,20H XCH A,32H XCH A,33HWAIT1: MOV R1,#32H CALL DISP JB P3.4,KEYIN1 JMP WAIT1X1: JMP START0DISP: MOV A,R1 ANL A,#0F0H SWAP A MOV 38H,A INC R1 MOV A,R1 ANL A,#0FH SWAP A ORL A,38H MOV P1,A CALL DELAY RETTIM0: PUSH ACC PUSH PSW MOV TH0,#60 MOV TL0,#76 MOV A,33H C

28、JNE A,31H,T MOV A,32H CJNE A,30H,T JMP OFFT: JC OFF CLR P2.1 RETURN: POP PSW POP ACC RETIOFF: SETB P2.1 JMP RETURNDELAY: MOV R7,#06D1: MOV R6,#248 DJNZ R6,$ DJNZ R7,D1 RETTABLE: DB 01H,02H,03H,0FFH DB 04H,05H,06H,0FFH DB 07H,08H,09H,0FFH DB 0AH,00H,0BH,0FFHTABLE1 : DB 4BH DB 32H END (六) 系統(tǒng)電路圖 圖12 系統(tǒng)電路圖參考文獻(xiàn)2 吳金戍，沈慶陽，郭庭吉. 8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用 北京：清華大學(xué)出版社，2006，6882.3 陳明熒. 8051單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教材 北京：清華