电子信息自动化-具有红外保护的温度控制系统的设计

IV-中国人口众多，是农业生产大国，食品农业在国家命脉中占据着相当大的比重，农业是国民经济的根本。长期以来的传统作业栽培以及手工半自动化生产不能够满足全国人民的实际需求，因此建立精准化、自动化的现代农业自动控制系统有很重要的意义。本文设计的是一种基于单片机的具有红外保护功能的温度测量控制系统，采用红外温度传感器，所得的模拟信号经过A/D转换后，由微处理器进行处理得到温度值，采用选用自带字库的中文显示模块HG1286401C作为显示器件进行显示。基于单片机的具有红外保护功能的温度测量控制系统硬件电路，由电源模块、单片机主控模块、时钟模块、测温模块、键盘接口模块、数据显示模块、报警模块等组成，开发各模块的驱动程序完成系统集成；此外，采集温度数据时，进行多次测量取平均值的方法，实验表明测温系统精度好，工作稳定，达到设计的性能要求，是一种可靠的具有红外保护功能的温度测量控制系统，因此将会有广泛的应用前景。关键词温度测量单片机红外保护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液晶显示模块：在128×64点阵的汉字图形型液晶显示面板[24]，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字[24]、128个字符及64X256点阵显示RAM（GDRAM）[24]。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机[24]，8-位并行及串行两种连接方式[24]。具有光标显示、画面移位和睡眠模式等功能[24]。图2-7HG1286401C2.4本章小结本温度控制系统功能由AT89S52单片机及其外围器件协同完成。单片机通过稳压电源LM78M05供电；DS18B20将检测到的温度值转化为数字量输入到单片机中；LCD模块由HG1286401C液晶显示器件实现，LCD主要是起到显示功能[25]，把所有的当前信息很醒目的显示在屏面上[25]，使人们能比较直观进行温度设置，了解各受控温室目前的温度信息从而可以进行对比[25]，并且获得有效信息。3.1电源模块设计电源模块电路采用LM78M05获得+5V的稳定电压[26]，电源模块电路输入电压为+12V或+9V[26]，由外置电源提供，如图3-1所示。电源模块电路电容C6和C8用作低频滤波[26]，以使输入电压和输出电压更加平滑稳定[26]；电源模块电路电容C7和C9用于滤除高频信号成分[26]，以降低高频信号对工作电路稳定性的影响[26]。图3-1电源电路为了方便于调试，电源模块电路系统除了内部供电模块[27]，还外接了开关电源[27]，电源模块电路调试的时候使用外接电源[27]，最后再接上供电芯片，这样不但可以检验电源芯片是否正常工作[27]，万一电源模块电路设计存在问题，也减小了损失[27]。图3-2电源模块电路设计图3-2中，J11为5V电源输入端口[27]，J1为24V电源输入端口[27]，J14为24V-5V电源[27]，J15为24V-24V，J4为5V-3.3V芯片[27]，J10为5V-2.5V芯片，J12、J13、J19跳针接口[27]。电源模块电路调试的时候将J12、J13、J19分别用跳针连接好[27]，这样外部电源就可以替代电源芯片供给整个系统的用电[27]，此时，内外电源共地。调试通过后，将J12、J13、J19断开[27]，就可以将外部电源24V与内部完全隔离起来，减小外界对系统的干扰[27]。3.2数据采集模块设计数据采集模块是指传感器接收红外信号，经内部处理后将温度以电信号的形式输出到转换芯片。由于红外测温仪输出的是电流信号[28]，范围4~20mA，而AD7656的输出信号为电压[28]，范围为0~5V，所以必须将传感器的输出信号作一个初步处理[28]，以匹配A/D转换芯片的要求[28]。如图3-3所示，J5为传感器接口，V1~V5为输出信号，经250Ω的精密电阻接地后连接到AD7656的6路通道端口。4~20mA乘以250Ω得到的电压范围为1~5V，满足要求。图3-3数据采集模块电路设计3.3A/D转换模块设计理想的滤波器是没有自身损耗的，也就是说这个门卫是个负责的门卫，不收过路费，合适的通过，不合适的回去。非理想的滤波器是收小费的，执行命令的同时，自己还捞一些。为了滤去电路中的高频以及低频噪声，在电源信号端口都接上0.1μF和10μF的电容，如图3-4所示。另外，AD7656是5V供电，而AT89S52则3.3V供电，将AD7656的第9引脚VDRIVE接3.3V，这样就能使数据口和一些控制端口直接按3.3V方式进行通信，而不需要进行电平匹配。AD7656管脚除电源端外，输入电流应在±10mA以内，因此上拉电阻大小选择2k，此时，输入电流最大为2.5mA。放大器、采样-保持器和A/D、D/A中模拟信号的接地端。AD7656的数字地与模拟地必须分开，在高频电路中，布线和元件间的寄生电感，否则会影响转换结果的精度。应采用多点接地。所有的数字地连接在一起，模拟地也连接在一起，最后，再用0Ω的电阻将数字地与模拟地连接起来。0Ω电阻在高频信号电路中可充当电感，主要解决电磁兼容问题，抑制传导干扰。图3-4A/D转换电路设计3.4单片机模块设计单片机的电路设计主要包括外接晶振、上电复位电路、JTAG口，地址编码以及I/O口的连接[26]。单片机的时钟信号一般可以由内部振荡电路和外部振荡电路得到[26]。本设计使用的是内部振荡电路。引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入[26]、输出端，外接石英晶体和微调电容[26]，如图3-4所示。AT89S52单片机有一个反相放大器[26]，按图3-5连接即可构成自激振荡电路，不外加激励信号而自行产生的恒稳和持续的振荡。产生振荡时钟脉冲[26]。电容C1和C2主要起频率微调和稳定作用。采用内部振荡方式所得到的时钟信号比较稳定，电容值C1与C2均取30pF。图3-5时钟电路图上电复位确保单片机能正常工作。本系统拟采用手动复位和上电复位相结合的方式。手动复位需要人为使RST引脚至少保持2个机器周期的高电平。在RST端和电源VCC之间接一个按钮，当用户按下该按钮时，则VCC的+5V电压就会直接加到RST端。复位电路如图3-6所示。图3-6复位电路图当温度超出设定范围时，输出驱动信号，推动扬声器发出报警声。报警模块如图3-7所示。报警模块电路由简单的三极管和微型扬声器构成，当外界的温度超出上下界范围时，P2.3口输出信号，驱动扬声器响应，进而振动发出报警声。报警音由编写的小程序产生，通过不同时间周期长度的延时，能够持续让P2.3输出变化的高低电平，进而形成音频信号，所以报警声不再是“嘀嘀嘀”的单音。由L386构成的功率放大电路可以实现较响亮的报警声。图3-7报警电路地址编码电路。整个监测系统由多套硬件系统组成,每一套硬件系统都有自己的ID号，以供上位机查询。这个ID号可以手动设置，利用拨码开关来实现。拨码开关由8路开关封装而成，一端接地，一端连接到单片机的I/O口并通过上拉电阻接3.3V，通过拨动开关可以实现“0”、“1”的输入，8位就是一个字节，共可实，128个不同的ID号。3.5时钟电路设计本设计中加入了时钟电路。若采用单片机计时，既采用计数器，占用硬件资源，还需要设置中断、查询等。为了提高时钟的精确性，本设计没有采用基于软件中断实现计时的方式，而选用了独立的时钟芯片DS1302。图3-8DS1302封装图与实物图如图3-9所示。DS1302的5脚（RST）与单片机P1.2连接，6脚(I/O)与单片机P1.1连接，7脚(SCLK)与单片机P1.0连接。备用电源POWER可用3.6V的充电电池，其值小于主电源值时，DS1302由备用电源供电。图3-9DS1302与单片机连接电路3.6本章小结完成具有红外保护功能的温度测量控制系统的硬件设计，包括电源模块采用LM78M05，除了内部供电模块，还外接了开关电源；数据采集模块是指传感器接收红外信号，经内部处理后将温度以电信号的形式输出到转换芯片，提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力；DS1302由主电源供电，其值高于主电源时，完成单片机的电路设计，主要包括外接晶振、上电复位电路、JTAG口，地址编码以及I/O口的连接；选用了独立的时钟芯片DS1302。

本温度控制系统软件程序主要包括主程序、时间温度显示子程序、读取温度子程序、温度上下限设置子程序、时间调整子程序、温度传感器的驱动程序、时钟芯片的驱动程序以及显示模块的并口驱动程序。4.1主程序系统主程序首先对系统进行初始化，如图4-1所示，包括定义端口、DS1302初始化、LCD初始化，然后显示开机画面，接下来进入键盘处理程序，在键盘处理程序中调用各子程序，从而完成温度的检测和调控。图4-1主程序流程图图4-2主循环流程图4.2系统时间温度显示子程序系统时间温度显示子程序时钟电路采用了时钟芯片DS1302，从DS1302各寄存器中读出，每秒刷新一次，调用月份、日期、小时、分钟、秒读写程序，从DS1302中读出时间信息，并写入LCD完成时间显示。在时间信息完成刷新后，接着从温度传感器DS18B20读取温度数据，经处理后获得温度的十位、个位和小数位，然后写入LCD完成温度信息显示，流程图如图4-3所示。图4-3时间、温度显示程序流程图4.3读取温度子程序DS18B20在初始化时自动将EEPROM中存储的温度上下限值复制到RAM中。DS18B20在完成温度转换接收到读取温度命令后，方可从RAM中读取温度值。读取温度子程序的主要功能是读出RAM中的前4个字节，即温度值低8位、温度值高8位、温度上限值和温度下限值，并将温度上下限进行暂存。图4-4读取温度流程图4.4温度上下限子程序温度测量每进行一次，流程图如图4-5所示。温度上下限值的设置是程序设计中的重要环节，本设计专门设置了温度设置键和上下限温度值加1键、减1键。要对3个DSl8820的上下限进行设置。温度值在0℃~50℃范围内可调，修改后的上下限值暂存到变量TM_High和TM_Low。在退出键按下时，从而测出被测的温度值。图4-5温度上下限设置流程图4.5时间调整子程序时间调整子程序中调整时间用三个按键：时间调整键、加1键、减1键。时间调整键按月份、日期、小时、分钟次序进行循环。在调整时间过程中，显示屏的下方显示所调整的时间项，按下加1键或减1键后，在对应的显示位置，数字随之增减。要退出时间调整，必须按退出键，流程图如图4-6所示。图4-6时间调整流程图4.6本章小结本章完成温度控制系统的软件程序，主要包括主程序、时间温度显示子程序、读取温度子程序、温度上下限设置子程序、时间调整子程序。

5.1测试模型搭建在具有红外保护的温度控制系统的控制程序采用C51语言，使用KeilC软件新建一个工程，然后新建一个文件输入源程序并保存为.C格式，并将该源文件添加到刚刚新建的工程，反复调试后，编译连接后生成十六进制文件(.HEX)。因AT89S52具有在线可烧写功能，利用AVR-frighterforUSBASP通过USB将十六进制文件烧写进单片机的中运行即可。ImportsSystem.IOImportsSystem.TextPublicClassProgramFormPublicProgramAddressAsString=""'程序路径地址'进入界面PrivateSubProgramForm_Load(ByValsenderAsSystem.Object,ByValeAsSystem.EventArgs)HandlesMyBase.LoadShowProgram_Button.Enabled=FalseUpdate_Button.Enabled=FalseDownloadFile_Button.Enabled=FalseEndSub'退出界面时PrivateSubProgramForm_FormClosing(ByValsenderAsObject,ByValeAsSystem.Windows.Forms.FormClosingEventArgs)HandlesMe.FormClosingMainForm.UMACProgram_Button.ForeColor=Color.WhiteMe.Dispose()EndSub使用EasyBuilder8000软件进行界面编写，如图5-1所示。图5-1EasyBuilder8000软件接通温度控制系统电源，系统复位后显示初始画面，如图5-2所示。图5-2初始界面延时秒钟后进入正常显示状态，显示当前的温度、时间信息，按调温键，进入温度设置状态，监测功能的实现分为两部分，一部分实现对传感器反馈值的读取，另一部分是对传感器反馈值的异常做出判断和警报。对于反馈值的读取相对简单，只需要将传感器反馈的电压信号转换为相对应的物理量值，然后在触摸屏中显示出来即可。对于识别传感器的反馈信号是否异常，需要针对确切的系统进行设定。首先要对其实际参数进行分析。在现场操作中，把所有的当前信息很醒目的显示在屏面上，使工作人员能比较直观进行温度设置，可以完成参数设置以及实时修改，并且进行当前目标温度的对比，了解控温室目前的温度信息并记录。图5-3红外保护温度控制系统测试界面5.2系统功能测试当温度值低于所设置的温度下限时，将启动相应的加热设备。模拟测试如下在室温环境下，用灯泡做热源，代替热风炉，将一室低温设置为15℃，一室高温设置为25℃；。使用温度计时，首先要看清它的量程（测量范围），然后看清它的最小分度值，也就是每一小格所表示的值。要选择适当的温度计测量被测物体的温度。对比了水银温度计的实验表明，设计完成的具有红外保护功能的温度控制系统具有较好的精度，基本达成设计目标。5.3本章小结实验表明测温系统精度好，灵敏度高，工作稳定，达到设计的性能要求，是一种可靠的数字测温控制系统。设计的一种基于单片机的具有红外保护功能的温度测量控制系统，采用红外温度传感器，所得的模拟信号经过A/D转换后，由微处理器进行处理得到温度值，采用选用自带字库的中文显示模块HG1286401C作为显示器件进行显示。基于单片机的具有红外保护功能的温度测量控制系统硬件电路由电源模块、单片机主控模块等共8个模块组成，开发各模块的驱动程序完成系统集成；此外，采集温度数据时，进行多次测量取平均值的方法，实验表明测温系统精度好，工作稳定，达到设计的性能要求，是一种可靠的具有红外保护功能的温度测量控制系统，因此将会有广泛的应用前景。

戴振华,杨海涛,康云.温室智能温度控制系统设计[J].电子质量,2007(12):31-34.李振东.蔬菜温室大棚温度控制系统[D].中国海洋大学,2010.周超.基于嵌入式Web技术的温室环境在线监测与控制系统[D].厦门大学,2014.王其利李宗玉栾新强.基于单片机的远红外烘干机温度控制系统设计[D].有色冶金节能,2012.薛涛.基体加热控温制备羟基磷灰石涂层的研究[D].吉林大学,2009.张林.微波加热器温度自动控制系统的研究与设计[D].电子科技大学,2008.董丽梅,王飞,王海松.基于AT89S52的测温报警系统[J].微计算机信息,2009,25(11):124-125.许海波,廖传书.基于AT89S52单片机的远程监控系统[J].安防科技,2007,23(20):66-67.徐凤霞,赵成安.AT89C51单片机温度控制系统[J].齐齐哈尔大学学报(自然科学版),2004,20(1):64-66.田亚娟.基于AT89C51的电阻炉温度控制系统的设计[J].自动化技术与应用,2009,28(10):124-126.刘昆山.如何快速入门单片机[J].电子制作,2010(1):64-66.张萍.基于数字温度计DS18B20的温度测量仪的开发[J].自动化仪表,2007,28(6):64-66.吕俊亚.一种基于单片机的温度控制系统设计与实现[J].计算机仿真,2012,29(7):230-233.夏志华.基于单片机的温度控制系统的研究与实现[J].煤炭技术,2013,32(2):191-193.张小娟.一种基于模糊控制的温度控制系统设计[J].仪表技术与传感器,2010(11):76-78.PaulrajAJ,GoreDA,NabarRU,etal.AnoverviewofMIMOcommunications-akeytogigabitwireless[J].ProceedingsoftheIEEE,2004,92(2):198-218.HuaH,QiuJ,SongS,etal.AClusterHeadRotationCooperativeMIMOSchemeforWirelessSensorNetworks[M]//WirelessAlgorithms,Systems,andApplications.SpringerInternationalPublishing,2015:212-221.Yanxiang,WU,Dan,etal.ATemperatureDetectingSystemBasedonDS18B20[J].AdvancedMaterialsResearch,2011,328-330:1806-1809.ChenR,ZhangJ.Multi-channeltemperaturedetectingsystembyDS18B20basedonRF905module[J].IndustrialInstrumentation&Automation,2013.廖婧璇杨新华.一种智能电热水器温度控制系统的设计与实现[D].甘肃科技纵横,2010.张亚莉陈海波吴英信王鹏程.基于CR1000Datalogger的温室温度监控系统的设计[D].湖南科技学院学报,2015.胡振华.基于单片机AT89S52的智能岩体声发射监测仪的设计[D].武汉科技大学,2008.陈艾.基于石英传感器的数字遥测温度系统设计[D].电子科技大学,2008.李成祥.热交换式农业大棚温湿度自动控制系统[D].中国海洋大学,2012.赵巍巍.模糊温度控制器的研究[D].大连理工大学,2007.杜德银.基于光电传感器的路灯控制系统设计电路分析[D].科技信息,2013.程豪.基于信息融合技术的智能小车设计[D].南昌大学,2013.王会.节能断电报警器的设计[D].当代农机,2014.李慧.USB20PHYIP验证系统逻辑设计与实现[D].西安电子科技大学,2010.刘志臣.基于YL236的生产线分拣系统设计[D].中国海洋大学,2014.1温度传感器DS18B20驱动程序//初始化DS18B20子程序voidInit_DSl8B20(void){ unsignedcharx=0; DQ=1;//DQ复位 Delay(8);//稍作延时 DQ=0;//单片机将DQ拉低 Delay(80);//精确延时大于480us DQ=1;//拉高总线 Delay(14); x=DQ;//稍做延时后如果x=0则初始化成功x=l则初始化失败 Delay(20);}//读一个字节子程序unsignedcharReadOneChar(void){ unsignedchari=0; unsignedchardat=0;for(i=8;i>0;i--){ DQ=0;//给脉冲信号dat>>=l;DQ=1;