《基于单片机的大空间温度均衡系统设计与实现》13000字（论文）

基于单片机的大空间温度均衡系统设计与实现目录TOC\o"1-4"\u1绪论 41.1选题背景和意义。。41.1.1温室原理在中国农业中的应用与演变41.2国内外相关技术的研究现状及趋势 51.2.1传感器技术的发展 51.2.2电气时代的传感器51.2.3单片机技术的发展 82.系统总体设计 82.1系统具体配置 92.2设计原则 92.2.1简便性 92.2.2可靠性 92.2.3适配性 92.2.4性价比 92.3温度传感器方案论证 102.4掉电保持方案论证 102.5最终方案确定 103主要元器件介绍 103.1STC89C51 103.1.1具体功能： 103.1.2STC89C51引脚介绍 113.1.3最小系统简介 123.1.4具体电路： 133.2DS18B20传感器介绍 133.2.1DS18B20介绍 133.2.2DS18B20引脚介绍 143.2.3DS18B20的内部结构 143.2.4DS18B20的程序流程图 163.3数码管介绍 173.3.1数码管概述 173.4AT24C02简介 173.4.1I2C总线说明 183.5继电器介绍 204程序流程图 215结论 226讨论 23参考文献 24摘要：近年来世界粮食问题日益严峻，粮食生产成为发展的首要问题。二十世纪初期，电力推动的空气调节系统出现后，大棚温室技术成为了可能，智能温度控制器与大棚温室技术使得粮食的大规模工业化生产成为了可能，作为大空间的大棚温室，对于温度控制系统也提出了新的要求,参考计算机星型结构设计系统，并考虑到使用场景，在简便性，可靠性，适配性上进行优化，在保证系统顺利运转的基础上降低使用门槛，提高可靠性，并尽可能节约成本关键词：大空间，温度，控制，温室1．绪论1.1选题背景和意义科技推动着社会不断向前发展，工业革命以来，大量新兴科技井喷式的出现，改变了人们传统的生活方式，生活水平提高的同时加剧了资源的消耗，原有的生产方式已经不足以满足日益增大的资源需求。生产与消耗的矛盾不断加剧,倒逼了农业的发展，农业开始走上现代化的道路。现代化农业与传统农业最显著的标志之一便是产量的大幅提升，有许多因素影响着产量如品种选择，种类杂交，生长环境，管理水平。本文选择生长环境作为切入点，该因素相比其他因素更容易人为改变，难度适宜。20世纪末，经过十数年的发展与投入，大量资本进入农业，温室技术大规模铺开，据相关资料，国产温室每年新增面积大约在一百五十万公顷，整个温室产业欣欣向荣，前景广阔，第19届中国温室产业大会也在重庆召开。自首个电动力的空气调节系统于1902年发明以来，根据需求随时对温度进行调节成为了可能。科学家以威利斯开利的发明为基础研发出了大棚温室技术，大规模工业化粮食生产成为现实。操作者使用空气调节系统对温室环境进行有效控制，合理配置农业生产所需的各种资源，从而提高粮食作物的产量，获得所需农产品。我国现代温室发展研究相对西方国家较晚，发展时间短，相关技术落后于西方发达国家，硬件水平较低，再加上从业人员素质，管理水平，设备条件等各方面都存在问题，其中改进与提高硬件设施条件是最容易做到的，也是最具有可行性的措施。因此能在大空间内调控温度的温度控制器的出现具有重大的意义。1.1.1温室原理在中国农业中的应用与演变地膜覆盖技术，该技术产生于1948年，由日本研发。原理是通过减少土壤水分的蒸发来改变土壤温度。常见的温度计与天气预报测量的多是空气温度，由于土壤与空气的比热容不同，测量出的数据无法应用到土壤内部，部分作物对温度较为敏感，要求保持一定的土壤温度，否则会被冻死造成损失。例如低温期如东北地区的冬季，零下数十度是常态，即便是耐寒作物也无法存活，但应用了地膜覆盖技术之后，可以种植一些耐寒作物，结束了冬季无法种植的历史。农用塑料薄膜是塑料工业发展的产物，使用简单，将塑料薄膜覆盖在地面即可。四十年代末五十年代初，日本研制成功并推广利用，至七十年代末该技术已大范围应用，约占全国耕地的20%。六十年代，法国、意大利和美国等西方发达工业国家均应用了该项技术并取得成功。我国塑料工业起步较晚，在七十年代末期进行过实验，取得了良好的成绩，随后在全国各地推广，均效果显著。截至18年，我国不仅将该技术应用于作物栽培，还将他应用到林业，花卉等高附加值的经济产品上。进入新世纪以来，除了沿用多年的地膜之外，大型乃至超大型大棚开始普及，在一些大型种植基地里，通常半亩地就是一整个大棚。通常以金属框架作为骨架，玻璃或白色硬质透明塑料板作为蒙皮，一个大棚可以覆盖大片种植区，缺点是成本高昂，这种建筑难以在普通农民家庭中普及，常见于大型农业种植基地。这种大棚以金属作为框架，间隔一定距离摆放并直接固定在泥土中，覆盖以普通的农业用塑料薄膜，这种建筑成本较低，多见于家庭承包的西瓜园，草莓园。我认为这种大棚虽然简陋，功能单一，但成本实在是低廉，可以对其进行改造，使用单片机设计一个温控系统，给大棚提供一些额外功能，使得普通农民群体也可以使用到农业基地的温控技术，享受电子科技发展带来的福利。普通农民群体最常见的大棚如下图图1郊区常见大棚1.2国内外相关技术的研究现状及趋势1.2.1传感器技术的发展温度传感器主要是接触式与非接触式两类。医院中常用的要甩一下的体温计就是最经典的接触式温度传感器，比如常见的压力温度计、热敏电阻以及医院里常见的水银温度计，这种温度计要求测温部分与被测物体直接接触，在某些特殊情况下无法使用。图2医用体温计大约在公元前250年，一个叫斐罗的人记载了加热使空气膨胀的实验。世界上有记录的第一个温度传感器应该是伽利略的气体温度计。它的原理是加热空气使其膨胀，将水压入有刻度的玻璃管。国外有团队对这个装置进行了复现，该装置并不复杂，只需准备一根带有刻度的玻璃管，一端开口，另一端是一个玻璃泡。使用时首先加热玻璃泡，再将开口一端插入水中，根据热胀冷缩的原理，泡内空气会逐步冷却导致管子内的气压会下降，进而将水吸入。后人在此基础上继续改进，具有里程碑意义的是1659年法国人布利奥的作品，他将玻璃泡缩小，并使用水银作为测温物质，这已经具备了现代温度计的雏形。非接触式温度传感器又称非接触式测温仪表，使用基于黑体辐射定律的辐射测温法进行测量。在测量某些特殊物质时如岩浆、太阳、钢水时多有应用，也常用在不宜接触的场合，红外体温计便是近期广为人知的产品图3小型与大型红外温度计以上是温度传感器的两个主要大类，其他的一些根据不同工作原理而设计的传感器同样多种多样。总之，各类传感器的原理是测量物质某个参数如体积热胀冷缩原理、温度和形变与预设值的差异并分析其含义，从而得出结论。1.2.2电气时代的传感器自动控制理论和信息理论是第二和第三次工业革命的先驱。基于电力的制造自动化已经成熟，并且通信和互联网技术加速增长。如今，传感器已成为这些新领域中不可或缺的关键角色。（1）利用热电效应的基础传感器德国的塞贝克于1821年发现热电效应，同年英国的戴维发现金属电阻随温度变化的规律，奠定了热电偶温度计和热电阻温度计的理论基础；1876年，德国的西门子制造出第一支铂电阻温度计。热电阻温度计的测温部分是一块金属导体，当温度增加时，金属导体的温度也会随之增加。金属导体大多是纯金属，市面上最常见的是铂，有这种材料制成的温度计测量精确度极高，其他金属材料如铁和铜也有使用。进入20世纪之后，在半导体技术的进步催生了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器，热电偶可以直接测量温度，以塞贝克效应作为理论基础。图4铂制传感器（2）结构型传感器20世纪的中期出现了目前最广泛意义上的传感器即结构型传感器。这时期的传感器的主要工作原理是通过分析结构参量变化来感受信号并且使用内置的或者外接一个转换电路将信号转变为所需状态，如电阻应变传感器等。图5传感器原理图（3）固体传感器70年代后期，集成传感器等上了历史舞台。集成技术、微电子技术及计算机技术是该中传感器发展的主要推动力，在保证体积，功耗不变的情况下，人们开始将多个不同的功能集合在一起，制成了多功能传感器。该类传感器由半导体，电介质和磁性材料等要素组成，并利用这些材料的某些特性处理对应问题，例如，热电偶，霍尔效应和光电效应被用于生产热电偶传感器，霍尔传感器。该类传感器特点是技术成熟，原材料丰富和拓展性强，该类型传感器发展十分迅速，目前约占传感器市场的2/3。图6温湿度传感器20世纪80年，美、日、德、法、英等西方发达国家纷纷重视传感器行业的发展，出台鼓励行业发展的政策并投入了大量资源，在政策与资源倾斜的加速作用下，传感器行业迅猛发展，也正是在这一时期，涌现了许多迄今为止都堪称经典的设计。自此，这些西方强国在全球传感器领域的技术、产业优势地位更加巩固并延续至今。科学无国界，西方发达国家为了防止技术外流之世界其他地区尤其是我国，使用行政命令的方式出台法规，严防死守，只有一些早已过时的技术转移至我国。目前，我国约80%左右的高端传感器依赖于进口。出于历史原因，现代传感器诞生于西方，他们在传感器技术方面的研究展开较早，对相关配套的研究也更加深入，温度传感器是最为基础的传感器，大量应用于生活与生产的方方面面。进入智能时代之后无线传感器成为发展趋势，，到目前为止，市场上的大部分传感器已经可以脱离人工实现自动化，有的与其他传感器集成在一起，产生了多功能传感器，随着5G技术的应用与大规模铺开，实现传感器完全自动化成为了可能。由于我国在相关方面起步较晚，因此在传感器产品的实际应用之中缺乏相关意识，在一些适用场景中更多地采用老办法、土办法，由此延伸而来的产业化程度，配套设完备情况及从业人员培养方面与西方发达国家存在一定的差距。但可以预见的是，随着我国近年来对于电子产业愈发重视，相关资源的倾斜，我国必然会在这一领域逐渐赶上西方发达国家的脚步。1.2.3单片机技术的发展单片机技术起步较晚，该技术依赖的是计算机技术，其发展史上的几次重大突破都是由计算机技术进步引起的。第一代单片机只有4位，单片机研究的发展依赖于计算机行业的发展，二者的发展都非常迅速，约3~4年便会更新一代，主要研究突破方向是以下三个：运算速度的快慢，集成度的高低与功耗的大小单片机的发展可大致分为四个阶段：

第一个阶段为初级单片机，例如最开始的4位单片机

第二个阶段是单片机的发展阶段，速度，功能与集成度的提升是其最明显的标志

第三个阶段出现了高性能的8位单片机与经过初步发展的16位单片机第四阶段是目前广泛使用在对性能有着极高要求的电子产品如手机，笔记本电脑和无人机，至此，对单片机的研究已经型成了一门完整学科并带动了大批行业的发展。单片机本质上还是电路芯片，但他具有高度集成化的特点，把具有数据处理能力的中央处理器（cpu）,随机存储器（ram）,只读存储器（rom）,多种I/O口，中断系统，定时器，计时器等，通过超大规模集成电路技术集成到一个硅片上,从而制作出一个完善的计算机系统。单片机技术是利用单片机实现自动控制的技术的简称,随着科技的不断发展，单片机技术应用的领域越来越广,例如在工业化自动控制和本文所阐述的温室环境控制领域。经过多年的生产与发展，单片机已成为一个成熟的工具，学习门槛低，可操作性强，质量稳定，各个水平的使用者都可以找到适合自己的单片机。具体实例如传统的的农业生产基地在安装由单片机作为核心的控制系统后，管理人员可以有效地对大片农田进行状态检测与环境,这一前提条件使得使用温室粮食大规模工业化生产成为了可能2.系统总体设计本文主要目的是设计一个温度均衡系统，该系统既可用于大型空间如温室与厂房，也可灵活应用于小空间。该设备通电后可独立运行，液晶显示屏上会显示传感器所测量的温度具体数值，与预设值比对后进行逻辑判断，当超出预设范围时，将触发蜂鸣器发出警报。2.1系统具体配置（1）工作环境：大型空间如温室与厂房；（2）测温范围：可根据使用者需求预设；（3）升温设备：加热片；（4）降温设备：风扇；（5）报警器：蜂鸣器2.2设计原则2.2.1简便性尽可能降低使用门槛，要求安装与操作尽量简单。由于该系统可适用于对温度有要求的各类大型空间，无论是中部地区或是西部地区都可使用，因此市场受众较多，使用者的专业素质有高有低，设计时就应充分考虑到使用人群的知识范围，降低使用门槛，使得对此类知识不熟悉的人也能学会使用，只有这样才能体现该系统的实用价值，使其使用范围更广泛，以达到设计的目的2.2.2可靠性可靠性指元件、产品、系统在一定时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性。一般通过评估整体使用中的可靠程度、部分器件或是整体失效频率等角度来评价产品的可靠性。良好的可靠性是一个系统最基础的要求，否则将会增加系统故障几率，甚至可能造成损失。由于该系统外接具有一定危险性的设备如加热片，一旦产生故障，甚至可能对人身安全造成威胁并导致更加严重的后果。应尽量提高系统可靠性，主要着力于以下几个方面：保证系统各部件的可靠，选用质量合格的元器件，降低危险发生的概率；谨慎选择外接设备，以免造成事故；加强操作者安全意识，定期维护系统，确保系统正常运作，逐一检查元器件状态，排除危险因素。2.2.3适配性应选择合适的元器件，确保质量过关的情况下可适当减少元器件工作能力的冗余。不应为追求效能而盲目追求高端元器件。非重要元器件在质量合格的情况下够用即可。选择元器件要按照以下几点要求：满足系统最基本的工作需求，保证其正常运行；具体的测量范围与精度，应根据实际需求来选择，例如本系统应用范围是农业，农产品对温度波动具有一定的忍受能力，对于精度要求不高，加减5摄氏度并不会造成作物死亡，因此不应为追求精度，而选择过于先进的设备以免浪费。2.2.4性价比到目前为止，RSC和DSP等技术已被应用，数据的处理与运算速度上了一个新的台阶，寻址能力也突破了过去由客观技术原因导致的只有64KB的寻址能力的限制达到了1MB和16MB,片内的ROM容量与RAM容量也有了长足的进步分别到达了62MB与2MB。经过各大公司的不断改进，该技术已经十分成熟，市场对于该型产品的接受度也非常高，再加上激烈的商业竞争，无论是对大型企业或是个人用户来说都是一个性价比很高的产品，。市面上的51单片机主要有两种：STC89C51和AT89S51。STC89C51芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，速度更快，本系统主要服务对象是农民群体，应充分考虑应用范围，与另一款相比，他的兼容度更高，该器件可以兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，更好的兼容性可以有效减少硬件与系统的冲突。这两种单片机都能够满足系统所需要求，但stc要便宜一些且抗干扰能力强，从成本的角度出发，选择stc作为系统所需。2.3温度传感器方案论证一般来说，普遍的做法是使用测温电路搭配某型号热敏电阻作为系统的数据采集模块，负责采集自然界的模拟信号。另外设置一个转换模块，负责将模拟信号通过A/D转换的方式转换为数字信号，最后使用数码管等显示设备输出处理结果，这是非常常见的三模块设计，是我初学模电时常用的处理方法。但是，市面上已经有了成熟的产品，可以直接使用温度传感器完成数据的采集，部分高级的传感器直接在内部集成了转换电路，当然，这种高级传感器体积与价格并不适合本系统，但他的独特优势是省去了额外设计电路的麻烦，出现故障时直接替换整个传感器，便于维修。经过价格调查与讨论，最后决定采用型号为DS18B20的温度传感器，这种传感器可以直接读取被测温度值并进行转换，性能完全满足设计要求的同时甚至还有超出，价格方面也十分令人满意。2.4掉电保持方案论证本设计采用串行E2PROMI2C-BUS的存储器件AT24C02。其已经被大量的应用在了仪器仪表行业，它自身接口方便，体积小，的特点契合了仪器仪表行业对于产品小型化的要求。数据掉电不丢失的功能，可以应用在所有生产过程不能停止的行业如工业自动化控制，一旦发生意外情况，重新通电之后可以继续上次的生产，节省了找回数据的时间，保证生产过程的持续进行。2.5最终方案确定综上所述，使用DS18B20采集自然界模拟信号，使用STC89C51单片机作为主控制系统；AT24C02用来记录数据同时负责应对掉电的突发情况；LCD数码管用来显示测量所得的温度。3．主要元器件介绍3.1STC89C51STC89C51是由某科技公司生产的与工业标准MCS-51指令集和输出管脚相兼容的单片机，该公司产品性能优异，广受好评。3.1.1具体功能：某公司宣传如下主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可擦写FlashROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能表1：STC89C51主要功能3.1.2STC89C51引脚介绍图7STC89C51引脚图①主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源GND(Pin20)：接地线②外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端③控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。④可编程输入/输出引脚（32根）STC89C51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。P0口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P最小系统简介图8单片机最小系统示意图电路以STC89C51单片机最小系统为控制核心，测温电路由DS18B20提供，输入部分采用三个独立式按键S1、S2、S3。3.1.4具体电路：图9电路图中间最大的是单片机，是整个系统的主控机，其左上侧是上拉电阻右下角设置了一个晶振电路。左下角第一个按键是复位按键，围绕它设置了一个复位电路，当按下后，程序会从头开始执行。右侧的三个按键都接到了低电平，这样在按下的时候，单片机的I/O会检测到低电平，然后就开始执行相应的程序。单片机的右边是温度采集部分，采集模块使用的是DS18B20，我在他的下方接了一个上拉电阻与2脚链接，因为2脚是信号脚，接一个上拉电阻，可以让信号更加稳定，其稳定信号的作用。右下角是蜂鸣器的驱动部分，总的来说，整个系统设计的驱动部分都是用的PNP的三极管，主要是利用三极管的开关作用。当为低电平时，与蜂鸣器相连接的三极管会导通即当16号引脚为低电平时，经过限流电阻，随后9012导通，上方的电流通过三极管流向蜂鸣器右上角的数码管原理相同，也是低电平时导通数码管的公共端会得到一个高电平，因为他是一个共阳极的数码管，然后ABCD给他们一个低电平，数码管就可以亮起图10供电部分图中左上角是电源接口，外部电源插入接口后，通过右侧的自走开关来给整个设备供电。下面是两个相同的继电器，继电器的驱动同样也是用三极管，当为低电平时，经过限流电阻，然后三极管导通。电流方向是电源到线圈和LED，这个线圈和LED是并联的，最后一期通过三极管然后接地。同时，线圈的2脚接公共端，3脚接长开，1脚接长闭。继电器就相当于一个开关，线圈通电之后，长开的闭合，长闭的打开。另一个继电器同理，通电后线圈就会得电，继电器就会吸合。3.2DS18B20传感器介绍3.2.1DS18B20介绍借助各种传感器和微处理器技术，用户可以测量、控制和检查不同的工业参数和产品，一个好的传感器可以提供准确的测量结果，为用户提供所需的信息和更可靠的数据。系统的工作环境复杂多样，某些地区环境比较恶劣，对测量的要求也比较高，必须因地制宜选择适合工作环境的传感器，根据设想，该系统应具有较好的环境适应性，南方多潮湿天气，空气湿度较大，对电子元器件的内部可能会造成影响，西北地区风沙大，要注意细小的沙尘是否会钻进孔隙影响系统正常工作。DBS18B20仍在向前发展，目前业界的发展方向主要是更高的精度，功能的多样化，总线标准化等，随着物联网概念的兴起，万物互联的概念也可以运用到传感器上即单芯片化。DS18B20由美国达拉斯公司制造，可以与数字温度传感器芯片和不锈钢保护管一起封装。耐磨损、体积小，易于使用且包装通用。适用于各种狭窄空间设备的数字温度测量和控制领域。因此，作为温度测量设备的DS18B20智能温度传感器被广泛应用于人们的日常生活以及工农业生产中。DS18B20数字温度计具有报警功能以及用户可编程的非易失性上限和下限设定点。它采用了达拉斯公司独有的单总线协议，允许通过一个单线接口进行通信，该接口仅需要一条连接线（和地线）即可与中央微处理器进行通信。它的工作温度范围为–55°C至+125°C，在–10°C至+85°C的范围内精度为0.5°C。此外，DS18B20还拥有一个被称为“寄生电源”的功能，该功能使传感器无需外部电源即可运行。当总线为高电平时，电源通过DQ引脚通过1线上拉电阻提供电源。高总线信号还会对内部电容器（CPP）充电，当总线低时，该电容器会为设备供电。这种从总线获取能量的方法称为“寄生电源”。当然，DS18B20也可以通过VDD上的外部电源供电。3.2.2DS18B20引脚介绍图11DS18B20引脚引脚说明（1）GND———地（2）DQ———数据I/O单线操作时漏极开路。当工作在寄生电源模式时负责用来提供电源（3）VDD———可选电源电压（4）NC ———无连接3.2.3DS18B20的内部结构下图是DS18B20的框图，上方给出了引脚说明。图中64位ROM存储器件负责储存唯一串行代码。暂存器包含2个字节的温度寄存器，用于存储温度传感器的数字输出。此外，暂存器提供对1字节上下报警触发寄存器（TH和TL）以及1字节配置寄存器的访问。配置寄存器允许用户将温度数字转换的分辨率设置为9、10、11或12位。TH，TL和配置寄存器均为非易失性（EEPROM），因此在掉电时它们将保留数据。经过具体咨询，掉电保留数据的功能并不实用，对于一个低成本的简易控制系统来说，用户没有能力在系统故障后对系统内的往期数据进行分析并排障，通常是直接重启系统，因此该功能可有可无，属于锦上添花。相比掉电保护的功能，下面这个功能更实用。每个DS18B20都有一个独特的64位序列号，从而允许多只DS18B20同时连在一根单线总线上；因此，很简单就可以用一个微控制器去控制很多覆盖在一大片区域的DS18B20。这一特性在很适合用在文章开头介绍的长条形大棚中，我们可以将控制器统一设置在大棚一端，用一个控制器去覆盖整个长条形的大棚，免去了维护与检修中必须要走到大棚深处的麻烦。图12DS18B20内部结构3.2.4DS18B20的程序流程图图13DS18B20的程序流程图3.3数码管介绍数码管是一种半导体发光设备，其基本单元是发光二极管。根据段的数量，将数码管分为具有七段数码管和具有八段数码管。八段数码管比七段数码管多一个LED单元（多一个小数点）。发光二极管单元的连接方式通常有两种即共阳极数字管和共阴极数字管。共阳极的数字管是指将所有发光二极管的阳极连接到共阳极（COM）的数字管。使用共阳极的连接方式时，要将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应的字段点亮，阴极为高电平时，则不点亮。共阴极数字管是指连接所有发光二极管的阴极以形成公共阴极（COM）的数字管。如果使用带有公共阴极的数字管，则必须连接地线GND。当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。3.3.1数码管概述图14数码管概述这是一个数码管内部电路原理图，其中a~h每个字母代表一个发光二极管，v是公共端，可以接地或者电源，对应共阴极和共阳极接法。a~g段数码管用来显示数字，h显示小数点。数码管的外部一共10个引脚，5和10连在一起接公共端，其余各对应一个发光二极管。例如，显示数字“0”，那么就需要a~f这六个数码管亮。3.4AT24C02简介图15AT24C02的芯片引脚图AT24C02提供电可擦除的串行1024位存储或可编程只读存储器(EEPROM)128字(8位/字)。芯片在低压的工业与商业应用中进行了最优化。AT24C01的封装为8脚PDIP、8脚JEDECSOIC、8脚TSSOP，通过2线制串行接口进行数据传输。另外,整个系列有2.7V(2.7V至5.5V)和1.8V(1.8V至5.5V)两个版本。设备操作：CLOCK和DATA变化：SDA管脚通常外都要拉高。SDA管脚上的数据只能在SCL低期间改变。数据在SCL高期间改变定义为一个开始或停止信号。开始状态：在任何操作之前必须有一个开始信号在SCL为高时SDA上产生一个下降沿。停止状态：SCL为高时SDA产生一个上升沿是停止信号，停止信号后将停止所有通信。在一个读的序列之后，停止信号将让EEPROM进入备用电源模式。3.4.1I2C总线说明I2C(Inter－IntegratedCircuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。I2C串行总线一般有两根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL。所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到总线的输出端时必须是开漏输出或集电极开路输出。设备上的串行数据线SDA接口电路应该是双向的，输出电路用于向总线上发送数据，输入电路用于接收总线上的数据。而串行时钟线也应是双向的，作为控制总线数据传送的主机，一方面要通过SCL输出电路发送时钟信号，另一方面还要检测总线上的SCL电平，以决定什么时候发送下一个时钟脉冲电平；作为接受主机命令的从机，要按总线上的SCL信号发出或接收SDA上的信号，也可以向SCL线发出低电平信号以延长总线时钟信号周期。总线空闲时，因各设备都是开漏输出，上拉电阻RP使SDA和SCL线都保持高电平。任一设备输出的低电平都将使相应的总线信号线变低，也就是说：各设备的SDA是“与”关系，SCL也是“与”关系。总线对设备接口电路的制造工艺和电平都没有特殊的要求（NMOS、CMOS都可以兼容）。在I2C总线上的数据传送率可高达每秒十万位，高速方式时在每秒四十万位以上。另外，总线上允许连接的设备数以其电容量不超过400pF为限。总线的运行（数据传输）由主机控制。所谓主机是指启动数据的传送（发出启动信号）、发出时钟信号以及传送结束时发出停止信号的设备，通常主机都是微处理器。被主机寻访的设备称为从机。为了进行通讯，每个接到I2C总线的设备都有一个唯一的地址，以便于主机寻访。主机和从机的数据传送，可以由主机发送数据到从机，也可以由从机发到主机。凡是发送数据到总线的设备称为发送器，从总线上接收数据的设备被称为接受器。I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障，具体如下图所示：图16开始、结束信号图目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。带有I2C接口的单片机有[8]：CYGNAL的C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供I2C接口。总线基本操作：I2C规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件[12]。控制字节：在起始条件之后，必须是器件的控制字节，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，EEPROM一般应为1010），接着三位为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作。写操作：写操作分为字节写和页面写两种操作，对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同。读操作：读操作有三种基本操作：当前地址读、随机读和顺序读。3.5继电器介绍电磁继电器通常由铁芯，线圈，衔铁，触点簧片等组成。只要在线圈上施加直流电压，直流电流就会流过线圈，从而产生电磁效应，而衔铁会在电磁力吸引的作用下克服拉力。复位弹簧的力被吸引到铁芯。在电磁力的作用下，驱动衔铁的动触点和静触点（通常断开）连接在一起。当线圈断开时，电磁引力消失，衔铁由于弹簧的反作用力而返回到其原始位置，并且释放了动静触点和原始静触点（常闭触点）。它可以拉动并释放以实现驱动目标并脱离链条。“常开”和“常闭”继电器触点可以如下区分：继电器线圈断电时断开的静态触点称为“常开触点”。打开的静态触点称为“常闭触点”。继电器通常具有两个电路：低压控制电路和高压控制电路。图17继电器硬件图3.6供电方式如今市面上主流供电方式是USB供电，电池已经很少使用，而且废旧电池会污染土地，其中的重金属会渗透至土壤，富集于农作物之中，最终影响人体健康影响农业生产。针对这种情况，采用USB供电，笔记本电脑的USB插口与手机充电器的插头都可以使用，方便使用与实地维修。

图18DC电源插口原理图其中2、3脚接地，1脚实际是VCC（电源），但是电路中要接蓝色的自锁开关，然后开关的另一个脚再接电源。4.程序流程图图19程序流程图5.结论该系统具有以下几个特点1.本设计基于STC89C51单片机2.采用DS18B20温度传感器测温3.按键可以设置报警值，当温度超过设定的上或下限时，相应的指示灯亮，同时相应的继电器吸合，继电器可以驱动负载（风扇、制冷片、加热管等）。4.按键为设置按键、加键和减键。可设置上下限温度控制范围。5.温度测量范围0到99.9摄氏度，精度为0.1摄氏度。图20焊接完成成品6.讨论本文分析了当前温度传感器的发展现状与单片机的发展现状。针对现有温度控制系统具有布线复杂，成本较高，功耗较高的诸多缺点，本着低廉成本，易于拓展，方便维护，可靠性强的原则，设计了一个温度采集与调控于一体的系统。为了控制成本，在器件选择方面保证数据准确的情况下选用了技术成熟，市场存量大的器件，同时，元件的广泛使用保证了维护的简便性。考虑到该系统使用环境的变化，该系统技术简单，适应性强，保证了工作的可靠性。该系统其实并不复杂，整体成本较低，所有零件与焊台的购买金额约为400元人民币，因某些器件强制要求一次性购买多个，以及电焊台可以重复使用，预计成本还可以继续降低。在系统成品制作完成之后，我将它拿到大棚内部进行了实地测试，我使用随身携带的温度计作为对比，二者测的温度相同均为21度，当然由于位数原因，系统显示的更加精确，传统水银温度计由于肉眼观测的原因不会太精准。为了模拟系统连续工作的状态，我将其接上充电宝，放置在大棚门口内侧顶端，不会影响人员出入的位置，两天后我再次来到大棚，发现系统失效。经过检测之后，发现是由于大棚内部水蒸气的影响，湿度非常大，由于电路板直接暴露在外面，没有外壳，电路板与各个零件的引脚接线处焊锡直接暴露在高湿度的环境下，且未注意放置环境，大棚顶端的水滴直接滴落在电路板上，器件浸水影响了电路。为了应对这个问题，我使用小型快递盒制作了一个外壳，为了保证通风，预留了通风口，以免自身运行时产生的热量会影响测量结果，同样的位置，再次实验过后，系统就正常运转，符合试验预期。随后进行可靠性的测试我将风扇与加热片拆除，将它固定装在纸盒子内，模仿盒状的温度控制系统，从不同高度扔下，同样出现了问题，经过检查后发现，问题出在焊接上，是自身能力问题不是导致的虚焊。解决接触不良的问题后，对重点部位加大了焊锡的用量，并重复进行了实验，实验结果符合预期。参考文献[1]张艳丽，张勇．基于SHT11的温湿度控制器．自动测量与控制．2007，第26卷（5）：83-84页[2]沙占友.智能温度传感器的发展趋势[J].电子应用技术,2002,(5)[3]杨志忠.数字电子技术[M].北京:高等教育出版社,2003.125~132[4]及力.Protel99SE原理图与PCB设计教程[M].北京:电子工业出版社,2007.89~150[5]徐江海.单片机实用教程[M].北京:机械工业出版社,2006.128~156[6]胡宴如.模拟电子技术[M].北京:高等教育出版社,2008.60~104[7]汪文，陈林.单片机原理及应用[M].湖北:华中科技大学出版社,2007.36~68[8]李耀贵

吴康福浅析单片机温度控制系统的研究[M]《企业科技与发展》

2019年04期

期刊[9]殷斌

基于单片机的温度控制系统的研究[M].《机电工程》

2015年06期

期刊[10]DS18B20ProgrammableResolution1-WiredigitalThermometerDataSheet．2008[11]6MbitSPISerialFlashSST25VF016BDataSheet．2006[12]PCF8563Real-timeclock/calendarProductDataSheet．2008[13]MSP430FamilyUser’sGuide．TexasInstrumentsIncorporated．2004[14]姚王静．通用库房温湿度测控系统．中国海洋大学硕士学位论文．2009[15].李庆亮.C语言程序设计实用教程[M].北京:机械工业出版社,2005.32~58附录C语言程序#include<reg51.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar //宏定义sbitSET=P3^1; //定义调整键sbitDEC=P3^2; //定义减少键sbitADD=P3^3; //定义增加键sbitBEEP=P3^6; //定义蜂鸣器sbitALAM=P1^2; //定义灯光报警sbitALAM1=P1^4;sbitDQ=P3^7; //定义DS18B20总线I/O bitshanshuo_st; //闪烁间隔标志bitbeep_st; //蜂鸣器间隔标志sbitDIAN=P0^5; //小数点ucharx=0; //计数器signedcharm; //温度值全局变量ucharn; //温度值全局变量ucharset_st=0; //状态标志signedcharshangxian=38; //上限报警温度，默认值为38signedcharxiaxian=5; //下限报警温度，默认值为5//ucharcodeLEDData[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xff};ucharcodeLEDData[]={0x5F,0x44,0x9D,0xD5,0xC6,0xD3,0xDB,0x47,0xDF,0xD7,0xCF,0xDA,0x9B,0xDC,0x9B,0x8B};//============================================================================================//====================================DS18B20=================================================//============================================================================================/*****延时子程序*****/voidDelay_DS18B20(intnum){while(num--);}/*****初始化DS18B20*****/voidInit_DS18B20(void){unsignedcharx=0;DQ=1;//DQ复位Delay_DS18B20(8);//稍做延时DQ=0;//单片机将DQ拉低Delay_DS18B20(80);//精确延时，大于480usDQ=1;//拉高总线Delay_DS18B20(14);x=DQ;//稍做延时后，如果x=0则初始化成功，x=1则初始化失败Delay_DS18B20(20);}/*****读一个字节*****/unsignedcharReadOneChar(void){unsignedchari=0;unsignedchardat=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;//给脉冲信号dat>>=1;DQ=1;//给脉冲信号if(DQ)dat|=0x80;Delay_DS18B20(4);}return(dat);}/*****写一个字节*****/voidWriteOneChar(unsignedchardat){unsignedchari=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;DQ=dat&0x01;Delay_DS18B20(5);DQ=1;dat>>=1;}}/*****读取温度*****/unsignedintReadTemperature(void){unsignedchara=0;unsignedcharb=0;unsignedintt=0;floattt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);//跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0x44);//启动温度转换Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);//跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0xBE);//读取温度寄存器a=ReadOneChar();//读低8位b=ReadOneChar();//读高8位t=b;t<<=8;t=t|a;tt=t*0.0625;t=tt*10+0.5;//放大10倍输出并四舍五入return(t);}//=====================================================================================//=====================================================================================//=====================================================================================/*****延时子程序*****/voidDelay(uintnum){while(--num);}/*****初始化定时器0*****/voidInitTimer(void){ TMOD=0x1; TH0=0x3c; TL0=0xb0;//50ms（晶振12M）}/*****读取温度*****/voidcheck_wendu(void){ uinta,b,c; c=ReadTemperature()-5; //获取温度值并减去DS18B20的温漂误差 a=c/100; //计算得到十位数字 b=c/10-a*10; //计算得到个位数字 m=c/10; //计算得到整数位 n=c-a*100-b*10; //计算得到小数位 if(m<0){m=0;n=0;} //设置温度显示上限 if(m>99){m=99;n=9;} //设置温度显示上限}/*****显示开机初始化等待画面*****/voidDisp_init(void){ P0=~0x80;//显示 P2=0x7F; Delay(200); P2=0xDF; Delay(200); P2=0xF7; Delay(200); P2=0xFD; Delay(200); P2=0xFF;//关闭显示}/*****显示温度子程序*****/voidDisp_Temperature(void)//显示温度{ P0=~0x98;//显示C P2=0x7F; Delay(400); P0=~LEDData[n];//显示个位 P2=0xDF; Delay(400); P0=~LEDData[m%10];//显示十位 DIAN=0;//显示小数点 P2=0xF7; Delay(400); P0=~LEDData[m/10];//显示百位 P2=0xFD; Delay(400); P2=0xff;//关闭显示}/*****显示报警温度子程序*****/voidDisp_alarm(ucharbaojing){ P0=~0x98;//显示C P2=0x7F; Delay(200); P0=~LEDData[baoji