基于单片机的温度控制系统的设计与实现.doc

基于单片机的温度控制系统的设计与实现 摘要: 本文介绍了基于单片机 STC89C52 的温度控制系统的设计方案与软硬件实现。采用温度传感器 DS18B20 采集温度数据, 液晶显示屏 LCM1602 显示温度数据, AT24C02B 存储温度上下限设定值, 按键设置温度上下限并可改变加热器与致冷器的温控状态, 当温度低于设定的下限时, 单片机启动加热器加热, 同时点亮绿色发光二极管, 当温度高于设定的上限时, 单片机启动致冷器降温, 同时点亮红色发光二极管。给出了系统总体框架、程序流程图和 Proteus 仿真结果, 并在硬件平台上实现了所设计的功能。 关键词: 单片机; 温度控制系统; 温度传感器; 液晶显示器一、 引言从我国国情来看，我国人多地少，人均占有耕地面积更少。因此，要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能实现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。温室大棚技术就是其中一个好的方法。温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的约束。而且，温室大棚能克服环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长不再产生过度影响，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。由于温室大棚能带来可观的经济效益，所以温室大棚技术越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段。随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的温湿度控制便成为一个十分重要的课题。传统的温湿度控制是在温室大棚内部悬挂温度计和湿度计，通过读取温度值和湿度值了解实际温湿度，然后根据现有温湿度与额定温湿度进行比较，看温湿度是否过高或过低，然后进行相应的通风或者洒水。这些操作都是在人工情况下进行的，耗费了大量的人力物力。现在，随着国家经济的快速发展，农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。温室大棚的建设对温湿度检测与控制技术也提出了越来越高的要求。 所以温度的测量及控制变得越来越重要。本文采用单片机 STC89C52设计了温度实时测量及控制系统。单片机 STC89C52能够根据温度传感器 DS18B20 所采集的温度数据来控制加热器或致冷器的启停, 从而把温度控制在设定的范围之内。在温控开关被激活的情况下, 当温度低于设定的下限时, 单片机启动加热器加热, 同时点亮绿色发光二极管, 当温度高于设定的上限时,单片机启动致冷器降温, 同时点亮红色发光二极管。所有温度数据均通过液晶显示器 LCM1602 显示出来。为了防止单片机掉电引起的数据丢失, 温度上下限的设定值存储在 AT24C02B 中。2、 设计方案2.1、设计题目； 大棚温度测量及控制系统设计2.2、设计内容及要求；设计一个以单片机为核心的温度控制系统。通过温度传感器 DS18B20 对大棚内的温度进行测量，然后与设定的农作物所需的温度进行比较，然后再进行调节。测温范围：55125。2.3、设计原理；利用单片机STC89C52单片机作为本系统的中控模块。单片机可把由DS18B20读来的数据利用软件来进行处理，从而把数据传输到LED数码管显示模块中，实现温度的显示。然后再与设定的温度进行比较，当所设定的温度值比采集的温度大时，通过加热器加热，以达到设定值；反之，开启降温风扇，以快速达到降温效果。2.4、设计步骤a、 方案拟定；b、任务分配；C、系统硬件电路的设计；D、系统软件的设计。三、系统硬件电路的设计 3.1系统硬件电路整体框架图单片机控制模块LCD1602显示模块复位模块晶振模块温度调节模块温度数据采集模块 3-1系统硬件电路整体框架图3.2 单片机控制模块 单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器叶数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器(MCU)代替单片微型计算机(SCM)这一名称。“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。1、单片机的主要特点有:(1)具有优异的性能价格比。(2)集成度高、体积小、可靠性高。(3)控制功能强。(4)低电压，低功耗。因此，在本课题设计的温湿度测控系统中，采用单片机来实现。在单片机选用方面，由于STC89系列单片机与MCS-51系列单片机兼容，所以，本系统中选用STC89C52单片机。 图3-2 STC89C52单片机引脚图STC89C52简介STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。STC89C52主要性能8K字节程序存储空间；512字节数据存储空间；内带2K字节EEPROM存储空间;可直接使用串口下载；STC89C52单片机最小系统图3-3 晶振电路图3-4复位电路 单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统.晶振电路是给单片机提供时钟信号，复位电路的作用是使单片机的程序计数器清零（在单片机出现程序死机时很有用）。3.3 温度数据采集模块1、 DS18B20简介 图3-5 DS18B20实物图DS18B20数字温度传感器采用DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样等优点，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 2、DS18B20的性能特点(1). 适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数 据线供电;(2). 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；(3). DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；(4). DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；(5). 测温范围55125，在-10+85时精度为0.5；(6). 可编程 的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；(7). 在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；(8). 测量结果直接输出数字温度信号，以”一 线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；(9). 负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。3DS18B20的管脚排列(一)DS18B20的外形及管脚排列如下图：图3-6 DS18B20的外形及管脚排列DS18B20引脚定义：(1)I/O为数字信号输入/输出端； (2)GND为电源地； (3) VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。（二）DS18B20的内部结构图：图3-7 DS18B20的内部结构图3.4 温度显示模块LCM1602 是 2 行16 个字符的字符型 LCD 显示器, 它由32 个字符点阵块组成, 每个字符点阵块由 57 或 510 个点阵组成, 可以显示 ASCII 码表中的所有可视的字符。它内置了字符产生器 ROM (Character Generator ROM,CGROM)、字符产生器 RAM (Character Generator RAM, CGRAM)和显示数据 RAM(Data Display RAM, DDRAM)。CGROM中内置了 192 个常用字符的字模, CGRAM包含 8 个字节的 RAM, 可存放用户自定义的字符, DDRAM就是用来寄存待显示的字符代码。 图3-9 LCM1602的显示电路3.5 外部存储模块外部存储模块采用美国 ATMEL 公司生产的低功耗 CMOS型 E2PROM 器件 AT24C02B, 它内含 2568 位存储空间, 具有工作电压宽(2.55.5 V)、擦写次数多(大于 10000 次)、写入速度快(小于 10ms)、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。它采用了 I2C 总线规程, 使主/从机双向通信。主机通过 SCL 引脚产生串行时钟信号并发出控制字, 控制总线数据传送的开始、方向和停止。无论是主机还是从机, 接收到一个字节后必须发出一个确认信号。AT24C02B 占用很少的资源和 I/O 线, 并且支持在线编程, 数据实时存取十分方便。AT24C02B 的读写时序及控制字见参考文献。3.6温度调节模块设计1方案一图3-10 方案一电路图如图2-9所示，由PWM控制温度调节模块，当PWM端输入高电平时，电流经Q1放大，光耦导通，光耦输出电流经Q2放大后，使双向可控硅导通，M4QA045电机运转，当PWM端输入低电平时，双向可控硅控制端输入电流为0，交流电过零以后，双向可控硅截止，M4QA045电机停止运转4。2方案二图3-11方案二电路图如图2-10所示，由PWM控制温度调节模块，当PWM端输入高电平时，电流经Q4放大，常开端5闭合，M4QA045电机运转，当PWM端输入低电平时，常开端5断开，M4QA045电机停止运转。3方案比较方案一采用光耦隔离强电，方案二采用继电器隔离强电，但方案一没有实现强电与直流源的隔离，且方案一环节复杂，计算难度大，过多的环节延长响应时间，从而影响温度调整模块的性能，所以选择方案二。图3-12电热器驱动电路基于以上两个方案的分析，加热器驱动电路也同样选用继电器隔离，当温度低于18时，相应引脚输出高电平，电流经过三极管放大，继电器常开端闭合，电热器工作，当温度高于23时，相应引脚输出低电平，继电器常开端关闭，电热器不工作。四、系统软件设计系统硬件电路设计完成以后，进行系统软件设计。分析系统对软件的要求，然后进行了软件的总体设计，包括程序总体结构设计和对程序进行模块化设计。将系统整体功能划分成多个不同的模块，单独设计、编程、调试，然后将各个模块进行装配联调，组成完整的系统软件。根据系统软件的功能需求，系统应用软件分为主程序、数据采集、数据处理（A/D转换）、数据显示等四大主要程序模块。4.1 主程序模块设计主程序主要将各子模块组织起来成为一个有机的整体，主程序流程图如图4.1所示，主程序见附录所示 图4-1 主程序模块框图4.2 数据采集模块设计 图4-2 数据采集程序框图4.3 PWM程序设计图4-3 PWM程序框图 如图4-2所示，进行中断程序初始化，设置定时器T0中断时间为1ms，中断100次，即100ms作为一个脉冲周期，每中断一次，由变量T0_number进行计数，当变量T0_number大于100时，给变量T0_number赋值0，重新开始计数，当变量T0_number小于变量PWM_width_H时，输出高电平，当变量T0_number大于变量PWM_width_H时，输出低电平，以此控制脉宽。4.4 LCD1602显示模块程序设计框图 图4-4 显示程序框图 如图4-3，初始化LCD1602显示模块，设置8位格式，2行，5*7矩阵显示，整体显示，关光标，不闪烁设定输入方式，增量不移位，清除屏幕显示，延时等待，将采集到的温湿度数据进行转换，十六进制转换成十进制，然后，判断是否在第一行显示，输入相应的地址数据，延时等待，输入需要显示的数据。 小结本文详细讲述了系统设计方案, 并给出了相关程序流程。本设计主要应用于大棚温度的监控。另外, 如果把本设计方案扩展为多点温度控制, 加上上位机, 则可以实现远程温度监控系统, 将具有更大的应用价值。本文的创新点在于详细设计了基于单片机STC89C52 的温度监控系统, 进行了 Proteus 仿真, 所设计程序已经在硬件平台上成功运行.此系统可广泛用于温度在 DS18B20 测温范围之内的场合, 有良好的应用前景。以上为本小组所设计的温室大棚控制控制系统，它经过多次修改和整理，可以满足设计的基本要求。采用STC89C52单片机、DS18B20 温度传感器、LCD1602液晶显示模块和M4QA045电机等器件设计温室大棚控制系统，实现大棚内的温度采集、显示；温度自动调节功能等。因为本人水平有限，此设计存在一定的问题。譬如系统抗干扰能力差，且没有实现自动自动复位。由于使用的是单片机作为核心的控制元件，配合其它器件，使本温度控制系统具有功能强、性能可靠、电路简单、成本低的特点，加上经过优化的程序，使其有很高的智能化水平。 而在本次论文的写作过程中，让我感受到所学的知识甚少，还有一些知识遗忘的太多了。所以通过这次的论文让我又对所学的知识从新的整理了一遍，还对以后的学习与不足有了较清晰的认识。谢 辞经过这段时间的忙碌和工作，本次课程设计已经接近尾声，作为一个学渣团队的课程设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导，以及同学们的支持和帮助，想要完成这个设计是难以想象的，再次特别谢谢老师和同学给予我的帮助与指导。 在这里首先要感谢我的指导老师李亚飞老师。李老师平日里工作繁多，但在我们做课程设计的每个阶段，从设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 最后感谢母校给与我人生这次的栽培，谢谢你们。参考文献1 孙育才.MCS-51系列单片微型计算机及其应用（第四版） M.南京：东南大学出版社，20042 康华光.电子技术基础-模拟部分（第四版）M.北京：高等教育出版社，19993 康华光.电子技术基础-数字部分（第四版）M.北京：高等教育出版社，19994 石来德.机械参数电测技术M.上海：上海科学技术出版社，19815 Ernest O.Doebelin. Measurement Systems: Application and Design M.America: McGraw-HILL BOOK COMPANY,19766 曹继松.测试电路M.上海：上海交通大学出版社，19957 谢自美.电子线路设计实验测试M.武汉：华中科技大学出版社，20008 马靖善，秦玉平.C语言程序设计M.北京：清华大学出版社，20059 赖麒文.8051单片机C语言开发环境实务与设计 M.北京：科学出版社，200210 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计M.北京：北京航空航天大学出版社，2004 附 录 主程序程序代码 #include #include #define LCD_DB P2sbit DQ = P10;sbit BUZZER = P11;sbit PWM = P12;sbit LCD_RS = P14;sbit LCD_RW = P15;sbit LCD_E = P16;sbit HEAT = P17;void initial(void);void read_DHT11(void);void LCD_write_command(unsigned char com);void LCD_display_char(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char dat);unsigned char read_DHT11_char(void);void control_temperature_humidity(void);void delay_xms(unsigned int time_xms);void delay_x10us(unsigned int time_x10us);unsigned char stop_system = 0;unsigned char lineOne = “TS(0-50): C”;unsigned char lineTwo = “HS(20-90): %RH”;unsigned int T0_number = 0, T1_number, PWM_width_H;unsigned char temperature_ten, temperature_one, humidity_ten, humidity_one;unsigned char temperature_H, temperature_L, humidity_H, humidity_L, checkData;void initial(void)unsigned char i, j;TMOD = 0x11;TH1 = 0xFC;TH1 = 0x66;TH0 = 0xFC;TL0 = 0x66;EA = 1;ET1 = 1;ET0= 1;EX0 = 1;IT1 = 1;TR0 = 1;LCD_write_command(0x38);/设置8位格式，2行，5x7LCD_write_command(0x0c);/设置整体显示，关闭光标，且不闪烁LCD_write_command(0x06);/设置输入方式，增量不移位LCD_write_command(0x01);/清屏for (i = 0; i 16; i+)LCD