基于单片机的沼气反应器的温度控制

1、 . PAGE49 / NUMPAGES56科技学院毕业设计（论文）题 目基于单片机的沼气反应器温控系统的设计2013年 6 月 15 日注 意 事 项1.设计（论文）的容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字

2、、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体与大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它学生毕业设计（论文）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作与取得

3、的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果与为获得科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了意。毕业设计（论文）作者（签字）： 年 月 日摘 要沼气能源是解决目前农村能源的最佳途径。然而，目前沼气发酵过程中存在诸多亟待解决的问题,其中反应器温度的不稳定性一个重要问题。目前，国大多采用常温发酵工艺,该工艺方法很容易受到环境因素的制约,特别是在有些季节甚至会停止产气。所以为沼气池发酵提供一个理想的温度环境是目前沼气发酵中急需解决的

4、问题。目前利用太阳能对反应器进行温度控制的方法比较理想,然而该工艺也同样受环境因素的制约,不能完全为发酵过程提供理想温度环境。本课题从该问题点出发,设计基于单片机的温控系统方案作为电能温湿度控制的辅助装置,实现反应器的理想温湿度环境。该课题首先分析了该系统的设计要求和技术指标,确定系统的总体方案。然后考虑到经济性能与体积因素,深入研究和选择了各种芯片和元器件,该设计能够实现温度的实时检测、显示和控制输出,使温湿度值保持在理想的围，并具有和上位机通讯,多点监测等功能。关键词：沼气智能单片机温控系统上位机ABSTRACTBiogas energy is the best way to solve

5、rural energy. However, the biogas fermentation process, there are many problems to be solved, the reactor temperature instability is the need to address an important factor. At present, most of the room temperature fermentation process, the process is constrained by environmental factors, in some se

6、asons even stop the gas production. So provide an ideal temperature for methane fermentation environment is a the methane fermentation pressing problem. Ideal solar heating reactor, However, this process is also affected by environmental factors, and can not fully provide the desired temperature env

7、ironment of the fermentation process. This topic issue from the point of departure, the design temperature control system based on single chip solution temperature and humidity control as an auxiliary power unit, to achieve the ideal reactor temperature and humidity environments.The subject first an

8、alyzes the design of the system requirements and technical specifications, determine the systems overall program. Then consider the performance and size of the economic factors and selection of in-depth study of various chips and components designed to achieve the temperature of the real-time detect

9、ion, display and control output, the temperature and humidity values in the desired range, and has the upper machine communication, multi-point monitoring and other functions.Keywords:Biogas；Intelligent；MCU；Temperature control system；Position Machine目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc358988369摘要 PA

10、GEREF _Toc358988369 h IHYPERLINK l _Toc358988370ABSTRACT PAGEREF _Toc358988370 h IIHYPERLINK l _Toc3589883711 绪论 PAGEREF _Toc358988371 h 1HYPERLINK l _Toc3589883721.1 沼气的发展历史 PAGEREF _Toc358988372 h 1HYPERLINK l _Toc3589883731.2 沼气发酵的影响因素 PAGEREF _Toc358988373 h 1HYPERLINK l _Toc3589883741.3 沼气发酵的温度

11、控制现状 PAGEREF _Toc358988374 h 1HYPERLINK l _Toc3589883751.4 课题的目的 PAGEREF _Toc358988375 h 2HYPERLINK l _Toc3589883761.5 本设计的主要容 PAGEREF _Toc358988376 h 2HYPERLINK l _Toc3589883772系统总体设计 PAGEREF _Toc358988377 h 4HYPERLINK l _Toc3589883782.1系统的功能 PAGEREF _Toc358988378 h 4HYPERLINK l _Toc3589883792.2系统的

12、总体方案设计 PAGEREF _Toc358988379 h 4HYPERLINK l _Toc3589883803系统硬件电路设计 PAGEREF _Toc358988380 h 6HYPERLINK l _Toc3589883813.1 AT89C52芯片介绍 PAGEREF _Toc358988381 h 6HYPERLINK l _Toc3589883823.1.1 芯片特点 PAGEREF _Toc358988382 h 6HYPERLINK l _Toc3589883833.1.2 功能概述 PAGEREF _Toc358988383 h 6HYPERLINK l _Toc3589

13、883843.1.3 最小单片机系统电路 PAGEREF _Toc358988384 h 6HYPERLINK l _Toc3589883853.2数据采集电路设计 PAGEREF _Toc358988385 h 7HYPERLINK l _Toc3589883863.2.1 DHT11电路设计 PAGEREF _Toc358988386 h 7HYPERLINK l _Toc3589883873.2.2 DS18B20电路设计 PAGEREF _Toc358988387 h 9HYPERLINK l _Toc3589883883.3 液晶显示电路设计 PAGEREF _Toc35898838

14、8 h 10HYPERLINK l _Toc3589883893.3.1 LCD12864概述 PAGEREF _Toc358988389 h 10HYPERLINK l _Toc3589883903.3.2 LCD12864基本特性 PAGEREF _Toc358988390 h 11HYPERLINK l _Toc3589883913.4 按键电路设计 PAGEREF _Toc358988391 h 12HYPERLINK l _Toc3589883923.5报警电路设计 PAGEREF _Toc358988392 h 13HYPERLINK l _Toc3589883933.6控制电路设

15、计 PAGEREF _Toc358988393 h 13HYPERLINK l _Toc3589883943.6.1 温度控制电路设计 PAGEREF _Toc358988394 h 13HYPERLINK l _Toc3589883953.6.2 湿度控制电路设计 PAGEREF _Toc358988395 h 15HYPERLINK l _Toc3589883963.6.3 继电器控制电路设计 PAGEREF _Toc358988396 h 16HYPERLINK l _Toc3589883973.7串口通讯电路设计 PAGEREF _Toc358988397 h 16HYPERLINK

16、l _Toc3589883984 软件设计 PAGEREF _Toc358988398 h 18HYPERLINK l _Toc3589883994.1 下位机编程软件介绍 PAGEREF _Toc358988399 h 18HYPERLINK l _Toc3589884004.2 下位机软件设计 PAGEREF _Toc358988400 h 18HYPERLINK l _Toc3589884014.2.1 主程序 PAGEREF _Toc358988401 h 18HYPERLINK l _Toc3589884024.2.2 DHT11采集程序 PAGEREF _Toc358988402

17、h 19HYPERLINK l _Toc3589884034.2.3 DS18B20采集程序 PAGEREF _Toc358988403 h 20HYPERLINK l _Toc3589884044.2.4 按键程序 PAGEREF _Toc358988404 h 20HYPERLINK l _Toc3589884054.2.5 报警程序 PAGEREF _Toc358988405 h 21HYPERLINK l _Toc3589884064.2.6 温度控制程序 PAGEREF _Toc358988406 h 21HYPERLINK l _Toc3589884074.2.7 湿度控制程序 P

18、AGEREF _Toc358988407 h 22HYPERLINK l _Toc3589884084.3 上位机软件设计 PAGEREF _Toc358988408 h 23HYPERLINK l _Toc3589884094.3.1 软件介绍 PAGEREF _Toc358988409 h 23HYPERLINK l _Toc3589884104.3.2 软件功能特点 PAGEREF _Toc358988410 h 23HYPERLINK l _Toc3589884114.3.3 系统功能特点 PAGEREF _Toc358988411 h 24HYPERLINK l _Toc358988

19、4125 系统调试 PAGEREF _Toc358988412 h 26HYPERLINK l _Toc3589884135.1 子程序调试 PAGEREF _Toc358988413 h 26HYPERLINK l _Toc3589884145.2 总程序调试 PAGEREF _Toc358988414 h 27HYPERLINK l _Toc3589884156 总结 PAGEREF _Toc358988415 h 30HYPERLINK l _Toc3589884167 致 PAGEREF _Toc358988416 h 31HYPERLINK l _Toc358988417参考文献 P

20、AGEREF _Toc358988417 h 32HYPERLINK l _Toc358988418附录1 电路原理图 PAGEREF _Toc358988418 h 33HYPERLINK l _Toc358988419附录2 程序源代码 PAGEREF _Toc358988419 h 341 绪论1.1 沼气的发展历史在能源渐趋枯竭的今天，能源紧对中国和全球的影响日益突出，世界各国开始将目光聚集到新生能源领域。在风能、太阳能、生物质能、水能、核能、潮汐能等诸多新能源当中，生物质能源是最稳定、最安全的能源，也是目前各国重点鼓励的新能源领域，农村沼气把农民增收、生态建设、能源建设、环境建设连接

21、起来，促进了生产发展和生活文明。发展农村沼气，优化广大农村地区能源消耗结构，是中国能源战略的重要组成部分，对缓解国家能源压力、能加优质能源供应具有重大的现实意义。 经过多年的建设和研究，我国农村沼气实现了历史性跨越，取得举世瞩目的成就。国主要的沼气发酵技术主要是采用中温发酵，温度围为30-40。全国沼气用户稳步跨上一个新的台阶，近几年来，党中央把农村沼气建设作为全面建设小康建设、改善农村生产生活条件“六个工程”的重点容来抓，我国政府利用国债项目资金进行重点支持，各地积极争取中央投资发展当地农村沼气建设，各地农村沼气建设呈现出快速发展的势头，并取得了巨大的成就。 而在国外，德国、奥地利和丹麦等国

22、家利用能量作物和生物废料生产沼气的项目非常多，特别是德国，德国主流的沼气工程技术是中温（30-40度）、高浓度（8%-14%）的液态发酵、热电联供技术。沼气工程发电全部上网，发电机连续运转，余热利用系统完善，综合效率高，只有在工程启动阶段需要外部热量输入，正常运行阶段，发电余热足以提供厌氧发酵系统的增温保温所需的热量，沼液沼渣均作为肥料施于农田或草地，能量作物玉米、各类在沼气工程中作为主要原料，沼气工程已从解决环保问题上升到解决能量问题的高度。1.2 沼气发酵的影响因素沼气发酵过程存在很多需要解决的问题，包括温度、湿度、压力等等。其中反应器温度的不稳定性就是急需解决的一个重要因素，其次是湿度因

23、素。目前国大多采用常温、高湿度发酵工艺，环境因素对该工艺方法的制约十分明显，在有些季节甚至会导致沼气池停止产气。1.3 沼气发酵的温度控制现状在不同温度下发酵，反应器中的优势菌落是不同的，它们有其各自的适宜温度，而且对温度相当敏感研究表明，温度突然上升或下降5，产气量显著降低。针对用温发酵工艺受环境温度的制约这一问题，先后出现了多种解决方法。冬春两季尤其是冬季气温低，沼气池的发酵原料温度常低于20以下，沼气产量受到严重影响，为使达到全年供气的要求，必须加强沼气池的冬春保温工作。普通沼气发酵温度控制技术为有： (1)添加温热性粪料； (2)增设风障，降低温耗； (3)秸秆覆盖保温； (4)覆盖塑

24、料大棚； (5)提高料液温度； (6)挖防寒沟。复杂的沼气发酵温度控制技术有：(1)电加热膜增温保温系统； (2)锅炉水循环沼气池增温系统； (3)太阳能热水器水循环沼气池增温系统； (4)太阳能联合锅炉沼气池智能温控系统； (5)新型太阳能软体沼气池系统； (6)太阳能沼气池自动控制系统。1.4 课题的目的沼气能源是解决目前农村能源的最好途径。然而目前沼气发酵过程存在诸多亟待解决的问题，其中反应器温湿度的不稳定性就是需要解决的一个重要因素。目前国大多采用中温发酵工艺，该工艺方法受到环境因素的制约，在有些季节甚至会停止产气。所以为沼气发酵提供一个理想的温度环境是目前沼气发酵中急待解决的问题。目

25、前利用太阳能对反应器进行温度控制的方法比较理想，然而该工艺也同样受环境因素的制约，不能完全提供发酵过程的理想温度环境。本课题从该问题点出发，设计基于单片机的温控方案作为电能控制反应器温度围的辅助装置，实现反应器的理想的稳定的温度环境。1.5 本设计的主要容沼气能源是解决目前农村能源的最好途径。然而目前沼气发酵过程存在诸多亟待解决的问题，其中反应器温度的不稳定性就是需要解决的一个重要因素。设计以AT89C52单片机为控制核心，由温度采集模块、按键输入模块、液晶显示模块、控制输出模块、执行机构、RS232总线通讯模块等硬件电路的设计，该设计能够实现温度的实时检测、显示和控制输出，并具有和上位机通讯

26、，多点检测等功能。2系统总体设计2.1系统的功能根据设计要求，温控系统具有以下功能:(1) 温度检测围：0-50，最小误差0.2。(2)湿度检测围：20-90%RH，最小误差0.5%RH。(3) 自动控制温度和湿度在一定围。温度围：30-40，湿度围：60%RH以上。(4) 液晶显示和按键选择功能。(5) 与PC机通信，进行数据观测和显示控制输出的状态。(6) 报警。(7) 多点监测。2.2系统的总体方案设计系统总设计框图如图2.1所示。工作原理：通过设定值和实测值的比较来控制加热器、制冷器、报警器和加湿器的状态。开始状态，所有元器件全部关闭，单片机通过传感器开始采集数据和显示等；当实测温度低

27、于设定温度值围时，加热器启动，开始加热，直至温度达到设定围后加热器关闭；当测试温度高于设定值时，制冷器开启，开始降温，直到温度降到设定围后制冷器关闭；且当温度值高于上限设定值或低于下限设定值时，报警器开启，开始报警；当实测湿度值小于系统设定值时，加湿器开启，开始加湿，直到达到设定值以上停止加湿。该温控系统可以实现液晶显示，可通过按键来控制显示不同模式，实时地显示各个传感器所测得的温湿度数值；而且本系统还可以实现多点检测和控制，且与PC机实现上位机通讯，通过上位机实时地显示传感器所测量的数据和控制输出的状态。图2.1 系统总框图3系统硬件电路设计本章主要介绍该系统的硬件电路设计，包括各模块器件的

28、选择以与接口电路的设计。由图2.1所示，从功能上划分，系统电路主要包括主控芯片（AT89C52）、数据采集模块、液晶显示模块、按键输入模块、控制输出模块、上位机通讯模块等。下面就每个模块进行详细阐述。3.1 AT89C52芯片介绍3.1.1 芯片特点该芯片是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大，该单片机可为您提供许多

29、高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。3.1.2 功能概述AT89C52提供以下标准功能：8k字节Flash 闪速存储器，256字节部RAM，32个IO 口线，3个16位定时计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片振荡器与时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口与中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。AT89C52除了与AT89C51所有的定时/计数器0和定时/计数器1 外，还增加了一个定时/计

30、数器2 。定时/计数器2的控制和状态位位于T2CON ，寄存器对（RCA02H、RCAP2L）是定时器2在16 位捕获方式或16位自动重装载方式下的捕获/自动重装载寄存器。3.1.3 最小单片机系统电路AT89C52使用11.0592MHz晶振， RST：即为RESET，该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端，XTAL1和XTAL2外接晶体引脚，XTAL1和XTAL2分别接外部晶振一端。MCS-51系列单片机中的8031、8051与89C51均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，图3.1中89C52是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个

31、I/O口，中断口线与P3口线复用。图3.1 最小单片机系统电路3.2数据采集电路设计3.2.1 DHT11电路设计如图3.2所示数据采集电路，DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有卓越的长期稳定性与极高的可靠性。传感器包括一个NTC测温元件和一个电阻式感湿元件，并与一个8位高性能单片机相连接。因此该产品具有超快响应、抗干扰能力强、性价比极高、品质卓越等优点。每个DHT11传感器都是在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP存中，传感器部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。

32、单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。产品为4针单排引脚封装，连接方便，具有极低的功耗、超小的体积，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。图3.2 数据采集电路技术参数：(1)供电电压： 3.35.5V DC(2)输 出： 单总线数字信号(3)测量围： 湿度20-90%RH， 温度050(4)测量精度： 湿度+-5%RH， 温度+-2(5)分 辨 率： 湿度1%RH， 温度1(6)互 换 性： 可完全互换 ，(7)长期稳定性： 1%RH/年。DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，数据分小数部分和整

33、数部分，具体格式在下面说明，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。操作流程如下: 一次完整的数据传输为40bit,高位先出。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号，送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据。从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿

34、度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式。通讯过程如图3.3所示。图3.3 dht11通讯过程信号3.2.2 DS18B20电路设计 DS18B20数字温度传感器技术参数：(1)适应电压围更宽，电压围：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，全部传感元件与转换电路集成在

35、形如一只三极管的集成电路；(5)温围55+125，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把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms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。如图3.4所示为DS18B20的硬件电路图。图3.4 DS18B20电路图DS18B20的温度检测与

36、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。DS18B20时序图如图3.5(a)(b)(c)所示。(a)(b)(c)图3.5 （a）复位时序（b）写时序（c）读时序3.3 液晶显示电路设计本系统地液晶显示采用带中文字库的LCD12864。3.3.1 LCD12864概述如图3.6所示，本系统地液晶显示采用带中文字库的LCD12864，液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，在有电的时候就显示，这样即可以显示出图形，也可以显示出汉字。液晶显示屏具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示等特点。

37、目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域当中。带中文的12864液晶屏是一种具有4位/8位并行，2线或三线串行的汉字图形点阵液晶显示模块。可以显示汉字和图形，其显示分辨率为12864，置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集，可构成全中文的人机交互图形界面。它的低电压低功耗是其又一显著特点。由它构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序12864都要简洁得多，并且该模块的价格也略低于一样点阵的图形液晶模块。图3.6 液晶显示电路字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系，其对应关系

38、如表3.1所示。表3.1 字符显示位置 80H81H82H83H84H85H86H87H90H91H92H93H94H95H96H97H88H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FH98H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH3.3.2 LCD12864基本特性(1) 低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V）；(2) 显示分辨率:12864点 ；(3) 与MCU接口：8位或4位并行/3位串行；(4) 2MHZ时钟频率 ；(5) 置DC-DC转换电路，无需外加负压 ；(6) 驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS ；(7) 置 128个168点阵字符 ；(8) 置汉字字库，提供819

39、2个1616点阵汉字(简繁体可选) ；(9) 背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10 ；(10) 视角方向：6点 ；(11) 无需片选信号，简化软件设计；(12) 显示方式：STN、半透、正显 ；(13) 工作温度: 0 - +55 ,存储温度: -20 - +60。模块引脚说明表3.2 128X64HZ引脚说明引脚号引脚名称方向功能说明1VSS-模块的电源地2VDD-模块的电源正端3V0-LCD驱动电压输入端4RS(CS)H/L并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5R/W(SID)H/L并行的读写选择信号；串行的数据口6E(CLK)H/L并行的使能信号；串行的同

40、步时钟7DB0H/L数据08DB1H/L数据19DB2H/L数据210DB3H/L数据311DB4H/L数据412DB5H/L数据513DB6H/L数据614DB7H/L数据715PSBH/L并/串行接口选择：H-并行；L-串行16NC空脚17/RETH/L复位 低电平有效18NC空脚19LED_A-背光源正极（LED+5V）20LED_K-背光源负极（LED-OV）3.4 按键电路设计按键是用来设置模式选择功能的。这里采用普通按键，按键原理：上下两薄膜，涂有导电橡胶电路，中间有个薄膜，带孔，用于隔离两带有导电橡胶的薄膜。按键在孔的位置，按下按键的时候，两带导电橡胶的薄膜透过中间的圆孔，接通电

41、路，通过芯片编码，输出。设计选用原则，设置四个按键：主界面(mode)键、up键、dn键和ent键，其连接的端口是单片机的P20、P21 、P22、P32，如图3.7所示。图3.7 按键接口电路3.5报警电路设计如图3.8所示，选用最常见，亦最常用的声音提示方式蜂鸣器，连接的端口是P14，当P14发出低电压信号，三极管导通，蜂鸣器响。压电式蜂鸣器主要是由压电蜂鸣片、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/746794.htm t _blank 多谐振荡器、共鸣箱与 HYPERLINK :/baike.baidu /view/2271195.htm t _blank 阻抗匹

42、配器、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有 HYPERLINK :/baike.baidu /view/84213.htm t _blank 发光二极管。多谐振荡器由集成电路或 HYPERLINK :/baike.baidu /view/30363.htm t _blank 晶体管构成。当接通 HYPERLINK :/baike.baidu /view/13542.htm t _blank 电源后（1.515V直流工作电压），多谐振荡器起振，输出1.52.5kHZ的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/189722.htm t _blank 音频信号，阻抗匹配器推动

43、压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片是由铌镁酸铅或锆钛酸铅等压电 HYPERLINK :/baike.baidu /view/4082.htm t _blank 瓷材料制成。在瓷片的两面都镀上银 HYPERLINK :/baike.baidu /view/609350.htm t _blank 电极，经老化和极化等处理后，再与不锈钢片或黄铜片粘在一起。图3.8 蜂鸣器电路3.6控制电路设计本系统主要是控制温湿度围，根据设计要求，用空气加热器来实现加热功能，用半导体制冷片来实现降温功能，用加湿器来实现加湿功能。再根据实际的要求来确定所选的器件的功率。3.6.1 温度控制电路设计本设计用加热片来实现加热功能

44、，用制冷片来实现降温功能，用单片机来驱动空气加热器与半导体制冷片，二者都要焊接一个驱动电路来驱动。空气加热器简介：空气HYPERLINK :/baike.baidu /view/974032.htm加热器是主要对气体流进行加热的电加热设备。空气加热器的发热元件为不锈钢电加热管，加热器腔设有多个折流板（导流板），引导气体流向，延长气体在腔的滞留时间，从而使气体充分加热，使气体加热均匀，提高热交换效率。空气加热器的加热元件不锈钢加热管，是在无缝钢管装入电热丝，空隙部分填满有良好导热性和绝缘性的氧化镁粉后缩管而成的。当电流通过高温电阻丝的时候，产生的热通过结晶氧化镁粉向加热管表面扩散，再传递到被加热

45、空气中去，以达到加热的目的。半导体制冷片简介：致冷器件是由半导体所组成的一种冷却装置，其工作原理是由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子负极(-)出发，首先经过P型半导体，于此吸热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到令外一边造成温差而形成冷热端。冷热端分别由两片瓷片所构成，冷端要接热源，也就是欲冷却之。利用冷端面来冷却，而热端面散出的热量则必需靠风扇来排出。本设计限于条件的限制，不能实现预期的功能，因此在具体设计时需要用一些电路以与使用条件较为简单的元器件来代替上述的元件，用加热片来模拟加热过程，采用小风扇和步进电机来模拟降温过程，当需要降温时，

46、电机和小风扇同时开启。如图3.9为加热控制驱动电路，如图3.10是降温控制驱动电路。图3.9 加热控制电路图3.10 降温控制电路3.6.2 湿度控制电路设计本设计预计采用电加热式加湿器，HYPERLINK :/baike.baidu /view/1383618.htm热蒸发型加湿器也叫电加热式加湿器，其工作原理是将水在加热体中加热到100，产生蒸汽，用电机将蒸汽送出。电加热式加湿器是技术最简单的加湿方式。电加热式加湿器工作原理：是根据电流通过电阻产生热，电能转换为热能的原理，加热管浸没与水中，长生热量，从而使水沸腾变成水汽。ADR型电加热式加湿器创造一个加湿环境的三个过程：(1) 产生水汽：

47、通过电加热使水沸腾产生水汽；(2) 控制：通过加湿器配有的微机控制蒸汽的产生和供应；(3) 传播：通过蒸汽扩散装置把水蒸汽送入空气处理机或风管的气流。限于条件的限制，本设计采用步进电机模拟加湿过程，可以用普通uln2003芯片驱动，也可以接成2相使用 可以配套开发板使用，直接插接，方便使用 步进电机在开发板上使用，电压为DC5VDC12V，步进角度：5.625 x 1/64。步进电机简介：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。也就是当步进驱动器接收到一个脉冲信号后，它就会驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的步进角（与角度）。可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调

48、速的目的；同时还可以通过控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。由于步进电机的驱动电流较大，单片机不能直接驱动，一般都是使用ULN2003达林顿阵列驱动。ULN2003概述与特点：ULN2003是高耐压、大电流达林顿列，由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下：ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。采用DIP16或SOP16塑料封装。图3.11所示为

49、加湿电路。图3.11 湿度控制电路3.6.3 继电器控制电路设计继电器，具有控制系统（又称输入电路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大的电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量（如电流、电压、频率、功率等）继电器与非电气量（如温度、压力、速度等）继电器两大类。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。控制电路如图3.12所示，当单片机串口发出“1”时，继电器常开端闭合开始工作。图3.12 继电器控制电路3.7

50、串口通讯电路设计STC89C52有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要需要满足一定的条件，电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换。具体电路如图3.13。图3.13 串口电路图4 软件设计通过前面的介绍已经对温控系统有了基本了解。但是硬件系统离不开软件的支持，以上设计的控制系统要实现准确的控制目的，必须要与软件相结合。软件系统主要包括两部分组成，分别为下位机和上位机软件两部分。4.1 下位机编程软件介绍KEIL C51是美国KEIL Software公司出品

51、的51系列兼容单片机的C语言软件开发系统，与汇编语言相比，C语言在结构性、功能、可维护性、可读性上有明显的优势，因而，比较易学易用。KEIL提供了包括C编译器、连接器、库管理、宏汇编和一个功能强大的仿真调试器等在的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部分统一组合在一起。KEIL软件提供了丰富地库函数和功能强大的集成开发调试工具，是全Windows界面。另外重要的一点，只需要看一下编译后所生成的汇编代码，就能体会到KEIL生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，比较容易理解。因此，在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。4.2 下位机软件设计4.2.1 主程序主程序进入后首

52、先对一些系统进行初始化，主程序中在完成初始化后进入系统循环while（），首先进行温湿度数据的采集，在LCD上显示相应的所采集的温湿度数据，然后定时进行刷新，再将采集到的温湿度值以与各个模块的状态值发送到上位机，在上位机上进行相应的显示，然后扫描按键程序，选择通道号数，发送到相应的上位机显示。图4.1 主程序流程图4.2.2 DHT11采集程序DHT11数字量传感器采集数据流程图如图4.2所示。图4.2 温湿度采集流程图4.2.3 DS18B20采集程序DS18B20数字量传感器单总线采集数据流程图如图4.3所示。图4.3 温度程序流程图4.2.4 按键程序按键程序中，首先判断是否有按键按下，

53、如果判断mode键按下，则显示主界面；如果判断up键按下，则显示地点一的温湿度值；如果判断dn键按下，则显示地点二的温湿度值； 如果判断ent键按下，则显示环境温度值。图4.4 按键程序流程图4.2.5 报警程序国沼气池发酵主要采用中温发酵，温度围为30-40，最理想温度为35，当温度高于45或低于25时沼气产气率会很低甚至停产，甚至温度过高还会造成反应器的损坏等。因此，该系统在检测温度时，如出现温度超过或过低时，则设备会发出报警的声音，以提醒工作人员采取一定的措施，保证沼气池环境的稳定以与安全。该系统是通过蜂鸣器达到报警目的的，报警过程是单片机检测到外部的测量温度值超过系统所需报警的温度设定

54、值，然后通过I/O端口输出控制信号，以控制蜂鸣器报警装置，达到报警目的。图4.5 报警程序路程图4.2.6 温度控制程序该部分是本系统的最主要部分，沼气最理想、经济的发酵温度是35，功能是使温度值始终保持在系统设定围，温度围是30-40。在本部分，需要对两个传感器的周围进行温度的控制，其中温度控制是两个加热片控制加热、两个风扇控制降温。图4.6 温度控制程序路程图4.2.7 湿度控制程序该部分是本系统的主要功能是使湿度值始终保持在系统设定围，湿度围是60%RH以上。在本部分，需要对两个传感器的周围进行湿度的控制，其中用电机模拟加湿过程，当湿度值低于设定值时，电机一直会处于转动状态，直到湿度值高

55、于60%RH以上，电机停止转动。图4.7 湿度控制程序路程图4.3 上位机软件设计4.3.1 软件介绍虚拟仪器(VirtualInstrument，VI)是仪器仪表发展历史上的一次重大转折点，是传统仪器仪表的重大更新和突破，它代表着现代仪器仪表发展的最新方向和潮流。与传统仪器相比，虚拟仪器具有以下特点：灵活性高、性价比高、用户化设计简便，以上特点让它在工业应用领域和学校学习领域都占据了举足轻重的地位。本设计所使用的上位机模块，是在LABVIEW的基础上进行设计的。LABVIEW是美国NI（NationalInstrument）公司的软件产品，它是目前在国际上虚拟仪器领域中，应用最广泛、功能最强

56、大、发展最迅速的图形化虚拟仪器开发环境之一，主要应用围是：仪器控制、数据采集、数据分析和数据显示。LABVIEW强大的图形编程能力，可视化编程环境等受到了很多软件开发技术人员的青睐，是虚拟仪器编程语言的典型代表。4.3.2 软件功能特点Labview可利用单片机的通讯串口，向上位机输出实时采集的数据，然后对数据进行处理，并显示在曲线图和表格中。用户也可以对需要采集的参数进行设置和更改，如：测量时间、温度上下限报警、通讯通道等。它与C语言，C+， VB，Basic等传统的编程语言，有非常多的相似之处，比如他们的数据类型、调试工具、数据控制结构，以与模块化等。但他们也有一个最大的区别：传统变成软件

57、是用的文本语言进行代码编写，而Labview却是用的是非常直观的图形变成，例如开关、旋钮、波形图等。其具体特点如下：(1) 图形化编程方式，不需要设计者编写类似C语言的文本程序代码；(2) 有庞大的数据采集、分析、与存储库函数；(3) 有32位的编译器和32位的应用程序，可以保证用户数据采集、数据测量测试高速、精确执行；(4) 提供设置断点、单步运行等传统调试手段，同时还提供它特有的执行工具，使程序的编写和调试更为简便；(5) 提供PXI，PCI，VXI，GPIB，RS-232/485，USB等各种总线标准的功能函数；(6) 提供大量连接机制，可以和外部代码与软件进行连接，例如DDE、DLL、

58、ActiveX等。4.3.3 系统功能特点上位机主界面如图4.8所示，显示两组温度、湿度值，以与六个系统控制电路的状态，当主程序循环完成，主界面显示相应的通道号的数据，且与液晶对应，而且当判断函数进行判断，且执行的时候，主界面将会显示控制输出的相应状态。程序框图如图4.9所示，单片机发送数据至PC机，一个字节为通道号数，四个数据分别为所采集的温湿度值，另外六个数据为控制输出的状态值，经过转换后，显示在上位机上。图4.8 上位机前面板示图图4.9 上位机程序框图5 系统调试5.1 子程序调试由于各种原因，程序会出现没有达到预期效果的现象，这就要调试与测试。具体调试如下：(1) 测试数据采集模块，

59、通过串口显示程序将采集的数据在PC机上显示，看是否正常显示且是否与实际数据值相符，否则检查这一模块。数据采集部分包括DHT11采集和DS18B20采集两部分。在数据采集过程中，遇到了许多问题：首先是DHT11温湿度数据采集，该传感器所采集显示的数据与实际值不相符，经过参考一些现有的有关DHT11传感器的采集显示程序，使程序更加完善，使采集的数据更加精确；再是DS18B20温度数据采集，该传感器以前接触过，所以用起来还是比其他的传感器要顺手，但是，本次涉与到单总线采集，在参考了一些材料后，成功完成该采集模块。(2) 测试LCD显示模块，通过显示程序测试LCD是否正常工作，否则检查这一模块。在液晶

60、显示时，遇到了一些小问题，因为以前使用过该液晶显示屏，所以在遇到问题时，解决起来比较容易，在该部分遇到的问题是由于疏忽造成的，就是在显示的时候液晶显示屏没有显示，经过检查后，发现是由于液晶的PSB口要接地，当接好线路后，液晶正常显示。通过该模块告诉我们，越是自己熟悉的地方，由于马虎大意，就越容易出现错误。(3) 测试按键控制模块，通过液晶显示程序来检验，当按键按下时，是否显示相应的界面，否则重新检查该模块。在该部分遇到的问题是，按键函数用的是switch函数，在进行按键操作时，按键要一直按下才可以显示相应的界面，后来经过检查是因为在按键扫描是没有进行消抖操作，当进行该操作之后，液晶正常显示。(