畢業(yè)設計-基于單片機的溫室大棚內(nèi)溫度檢測與控制系統(tǒng)的設計.doc

i xxx 大大學學 xxx 學學院院 本本科科畢畢業(yè)業(yè)論論文文 (設設計計) 題題 目：目：溫室大棚內(nèi)的溫度檢測與控制系統(tǒng)的設計溫室大棚內(nèi)的溫度檢測與控制系統(tǒng)的設計 學學 部：部： 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學學 號：號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師姓名：指導教師姓名： 指導教師職稱：指導教師職稱： 201 年年 月月 日日 ii 溫室大棚內(nèi)的溫度檢測與控制系統(tǒng)的設計 摘 要 本系統(tǒng)以 at89c51 單片機為控制核心，利用溫度傳感器 ad590 對蔬菜大棚內(nèi)的溫度 進行實時采集與控制，實現(xiàn)溫室溫度的自動控制。本系統(tǒng)由單片機小系統(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部分組成?？梢酝ㄟ^按鍵設定溫 室的溫度值，采集的溫度和設定的溫度通過 led 數(shù)碼管顯示。當所設定的溫度值比采集 的溫度大時，通過加熱器加熱，以達到設定值；反之，開啟降溫風扇，以快速達到降溫 效果。通過該系統(tǒng)，對蔬菜大棚內(nèi)的溫度進行有效、可靠地檢測與控制，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。 關鍵詞：單片機；溫度傳感器；溫度控制；溫度顯示；鍵盤輸入；溫室 iii automatic temperature-control system of greenhouse (college of physics science and information engineering, jishou university, jishou, hunan 416000) abstract this system takes the at89c51 single chip as the control core, using the temperature sensor ad590 to carry on real-time gathering and controlling to the greenhouse of vegetables, so it can realizes auto-control to the greenhouses temperature. this system contains the miniature single chip system module, the temperature gathering module, the heater module, the drop- temperature module, the key pressed module and the display module. the gathering temperature or the setting temperature is displayed through the seven-seg led. it can be established new temperature value in the greenhouse through pressing buttons, when this temperature value is higher than the gathering temperature value, then makes the heater work in order to achieve the defined value; otherwise, the heater knocks off, and opens the ventilator as fast as to achieve the supposed temperature. it will be effective and reliable to exam and control the temperature of the greenhouse by using this system, thus guarants the crop growing fine under the best temperature condition, and enhances the crops quality and output. key words: single chip; temperature sensor; temperature control; temperature display; keyboard entry; greenhouse iv 目目 錄錄 1 1 引言引言.1 2 2 硬件設計硬件設計.3 2.1 設計思路3 2.2 總體設計框圖3 2.3 基于 at89c51 的單片機小系統(tǒng)4 2.3.1 時鐘脈沖.4 2.3.2 復位電路.5 2.4 溫度采集模塊.5 2.4.1 與溫度傳感器 ad590 配合使用的各個運算放大器 opa 的功能 .6 2.4.2 溫度轉(zhuǎn)換器 adc0804 的功能.7 2.5 顯示模塊9 2.5.1 譯碼 ic 7447.9 2.5.2 段 led 數(shù)碼七管 10 2.6 鍵盤掃描11 2.6.1 鍵盤.11 2.6.2 鍵盤掃描芯片.12 2.7 wp 型溫室加熱器.12 2.8 降溫模塊.13 3 3 軟件設計軟件設計15 3.1 主程序15 3.2 定時器 t0 中斷17 3.3 顯示模塊19 3.4 按鍵掃描20 4 4 測試分析測試分析.23 結束語結束語.24 參考文獻參考文獻.25 致致 謝謝.26 附附 錄錄.27 附錄 1 系統(tǒng)電路圖27 附錄 2 源程序代碼.27 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 引言 1 1 1 引言引言 溫度、壓力、流量和液位是四種最常見的過程變量1。其中溫度是一個非常重 要的過程變量，因為它直接影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設、科學研究、對外貿(mào)易以及 人民生活各個領域。因此，作為溫度控制系統(tǒng)的恒溫系統(tǒng)廣泛應用于農(nóng)業(yè)、石油、 化工、冶金、食品、醫(yī)藥、商檢、國防、教學、科研等領域。溫度的合理、準確、 便捷的控制對提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)技術水平具有重要意義。作為人口大國，通過發(fā) 展高科技提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量有著十分現(xiàn)實的實際意義。而運用農(nóng)業(yè)恒溫系統(tǒng)是現(xiàn)代 設施農(nóng)業(yè)領域中的核心內(nèi)容之一。運用于農(nóng)業(yè)的恒溫系統(tǒng)是一種通過計算機實現(xiàn)溫 室環(huán)境因子實時調(diào)控的網(wǎng)絡控制技術，集農(nóng)業(yè)科技上的高、精、尖技術和計算機自 動控制技術于一體，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的物質(zhì)基礎。 傳統(tǒng)的恒溫系統(tǒng)采用模擬電路設計，存在不可避免的缺陷，如溫度控制的精度 差，易出現(xiàn)溫度的漂移，電路結構復雜，缺乏友好的人機截面，溫度控制的實時性 差等。隨著蔬菜大棚的迅速增多，人們對其性能要求也越來越高，特別是為了提高 生產(chǎn)效率，對大棚的自動化程度要求也越來越高。隨著單片機及各種電子器件性價 比的迅速提高，使得這種要求變?yōu)榭赡堋?溫室環(huán)境控制是在充分利用自然資源的基礎上，通過改變環(huán)境變量，如溫度、 濕度、光度等來獲得植物的最佳生長環(huán)境，從而達到增加作物產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)、 調(diào)節(jié)作物生長周期、提高經(jīng)濟效益的目的。溫室控制應做到： 1）溫室中承載的是有生命的植物，因此保證溫室中培育對象的安全是最基本 的要求。 2）為了保證溫室中培育對象的良性生長，溫室的氣候調(diào)節(jié)過程需緩慢進行， 應盡可能通過各種設施運作減少溫室外部氣候變化對溫室環(huán)境氣候的影響。 3）嚴格按照溫室中培育對象的生長規(guī)律分階段對溫室進行控制，在每個階段 都需保證環(huán)境氣候、水肥、放病蟲害等指標達到要求。 4）隨時根據(jù)市場現(xiàn)有的信息預測市場未來的變化，從而決定對溫室的投入， 控制產(chǎn)品的上市時間。5）實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本保障是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中保 護生態(tài)環(huán)境，因此溫室生產(chǎn)要考慮生態(tài)效益的要求，不施農(nóng)藥，保持土壤原有酸堿 度，保護地下水和空氣不受污染等。 6）盡可能低成本運作，例如盡量利用太陽能，選擇最適宜的加溫溫度，營養(yǎng) 液在線檢測和循環(huán)使用，盡可能低成本通風、低消耗除濕。 7）溫室控制系統(tǒng)的最理想目標是保證良好的綜合效益，即在保證生態(tài)效益的 前提下，提高經(jīng)濟效益，也就是產(chǎn)量提高、能源消耗降低、資源消耗減少。 本文設計的恒溫系統(tǒng)采用 at89c51 單片機2控制技術對溫度進行調(diào)節(jié)，具有操 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 引言 2 作簡單便捷、采集方便準確、適應性強、成本低以及節(jié)省能源的特點，可明顯增加 使用者的經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)不但可以推行到溫室中，還可以應用于其他進行溫度調(diào) 節(jié)的場合。隨著科學技術的進步，這種溫度控制系統(tǒng)已經(jīng)有了越來越多的應用，給 人們的生活和生產(chǎn)帶來了極大的便利。比如說溫度控制系統(tǒng)可以應用在各種高檔智 能連棟溫室、日光溫室生態(tài)酒店、生態(tài)洗浴工程設計、家庭休閑溫室、異型溫室、 樓頂溫室設計、現(xiàn)代化畜禽舍的設計等等。 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 工作原理 3 2 硬件設計 本系統(tǒng)要控制的對象為這樣一個規(guī)模的溫室。溫室結構的參數(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3。要實現(xiàn)的目標 是，使薄膜溫室的溫度保持在 2030之間，在這個區(qū)域內(nèi)溫度值是可設定的。 2.1 設計思路 系統(tǒng)原理框圖如圖 2.1 所示，溫室溫度自動控制系統(tǒng)總體電路圖見附錄一。本 系統(tǒng)由單片機小系統(tǒng)模塊、溫度采集模塊、wp 型溫室加熱器、降溫模塊、按鍵以及 顯示模塊六個部分組成。通過按鍵設定溫度值，設定的溫度值和采集的溫度值都可 以通過 led 數(shù)碼管顯示。當所設定的溫度值比采集的溫度大時，通過加熱器加熱， 以達到設定值；反之，開啟降溫風扇，以快速達到降溫效果。該系統(tǒng)對溫度的控制 范圍在 2030，溫度控制的誤差小于等于 0.5。通過使用該系統(tǒng)，對蔬菜 大棚內(nèi)的溫度進行有效、可靠地檢測與控制,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。 2.2 總體設計框圖 圖 2.1 系統(tǒng)原理框圖 溫度采集 鍵盤掃描 顯示 wp 型溫室加熱器 at89c51 控制系統(tǒng) 降溫模塊 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 硬件設計 4 該系統(tǒng)分為六個模塊，分別是單片機小系統(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?，F(xiàn)分別介紹如下： 2.32.3 基于 at89c51 的單片機小系統(tǒng) 本系統(tǒng)采用 atmel 公司所生產(chǎn)的 mcs51 系列中的 at89c51 單片機4。 at89c51 單片機小系統(tǒng)如圖 3.1 所示： 圖 3.1 單片機小系統(tǒng) 這個小系統(tǒng)由兩部分組成，現(xiàn)介紹如下： 2.3.1 時鐘脈沖 at89c51 內(nèi)部已具備振蕩電路，只要在接地引腳上面的兩個引腳（即 19、18 腳） 連接簡單的石英晶體即可。at89c51 的時鐘頻率為 12mhz。 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 硬件設計 5 2.3.2 復位電路 at89c51 的復位引腳（reset）5為第 9 腳，當此引腳連接高電平超過 2 個機器 周期（一個機器周期為 6 個時鐘脈沖） ，即可產(chǎn)生復位的動作。以 12mhz 的時鐘脈 沖為例，每個時鐘脈沖 1us,兩個機器周期為 12us,因此，在第 9 腳上連接一個 12us 以上的高電平脈沖，即可產(chǎn)生復位的動作。對于上電復位，復位引腳上串接了一個 電容，當復位引腳接 +5 伏電壓時，電容相當于短路，經(jīng)過一段時間（在這段時間 內(nèi)完成復位）后，電容處于充電狀態(tài)，相當于斷開。還有一種是手動復位,它的接 法是在 at89c51 復位引腳所串連的電容上并聯(lián)接一個按鈕開關。當按鈕沒按下時， 電容處于充電狀態(tài)；當按鈕按下時，電容對復位引腳放電，從而在這個引腳上產(chǎn)生 高電平，達到復位的目的。 2.4 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 3.2 所示，它的工作過程為：系統(tǒng)通 過 ad5906采集外界的溫度參數(shù)，并通過三個放大器的作用將溫度轉(zhuǎn)化為電流模擬 量；此模擬量通過 adc08047的轉(zhuǎn)化變成數(shù)字量，以便單片機辨認接收。 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 硬件設計 6 圖 3.2 ad590 溫度傳感器工作的系統(tǒng)結構電路圖 根據(jù)電路圖，說明各個器件的功能如下： 2.4.1 與溫度傳感器 ad590 配合使用的各個運算放大器 opa 的功能 如上圖 3.2 所示： opa1：以 0為標準，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； 3.302/10k=303.2 微安培； 303.2-273.2=30 微安培30。 注意：adc0804 的 vref=2.56v。 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 硬件設計 7 表 1 各溫度與 3 個 opa 及 adc0804 的輸入與輸出關系 溫度值opa1opa2opa3adc vinadc 輸出值 0 2.732v0v0v0v00h 10 2.832v-0.1v0.5v0.5v19h 20 2.932v-0.2v1v1v32h 30 3.032v-0.3v1.5v1.5v4bh 40 3.132v-0.4v2v2v64h 50 3.232v-0.5v2.5v2.5v7dh 60 3.332v-0.6v3v3v96h 70 3.432v-0.7v3.5v3.5vafh 80 3.532v-0.8v4v4vc8h 90 3.632v-0.9v4.5v4.5ve1h 100 3.732v-1v5v5vfah 2.4.2 溫度轉(zhuǎn)換器 adc0804 的功能 圖 3.3 adc0804 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 硬件設計 8 （1）如圖 3.3 所示，所謂 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 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。信號輸入端的信號可以是傳感器或是轉(zhuǎn)換器的輸出，而 adc 輸出 的數(shù)字信號可以提供給微處理器，以便更廣泛地應用。 （2）adc0804 電壓輸入與數(shù)字輸出關系如下表 2 所示： 表 2 adc0804 電壓輸入與數(shù)字輸出關系 與滿刻度的比率相對電壓值 vref=2.56 伏十六進制二進制碼 二 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 f111115/1615/2564.8000.300 e111014/1614/2564.4800.280 d110113/1613/2564.0600.260 c110012/1612/2563.8400.240 b101111/1611/2563.5200.220 a101010/1610/2563.2000.200 910019/169/2562.8800.180 810008/168/2562.5600.160 701117/167/2562.2400.140 601106/166/2561.9200.120 501015/165/2561.6000.100 401004/164/2561.2800.080 300113/163/2560.9600.060 200102/162/2560.6400.040 100011/161/2560.3200.020 0000000 例如：vin=3v，由上表可知 2.880+0.120=3v，為 10010110b=96h。 （3）ad590 產(chǎn)生的電流與絕對溫度成正比，它可接收的工作電壓為 4v30v，檢 測的溫度范圍為-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。當攝氏溫度為 0時，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。 （4）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 信號后傳送給 at89c51 處理。 （5）溫度采集和 ad590 溫度傳感器工作的系統(tǒng)結構電路圖為圖 3.2。 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 硬件設計 9 2.5 顯示模塊 譯碼 ic 及溫度顯示的電路圖如圖 3.4 所示。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 口由兩個譯碼 ic 輸出并分別送入 兩個七段數(shù)碼管顯示8，這兩個 led 都是共陽極的。 圖 3.4 譯碼 ic 及溫度顯示 2.5.1 譯碼 ic 7447 bcd 碼轉(zhuǎn)換成 7 段 led 數(shù)碼管的譯碼驅(qū)動 ic，如圖 3.5 所示，首推 7447 系列， 包括 7446、7449、74ls499。其中的 7446 及 7447 輸出低電平驅(qū)動的顯示碼，用以 推動共陽極 7 段 led 數(shù)碼管；而 7448 及 74ls49 輸出高電平驅(qū)動顯示碼，用以推動 共陰極 7 段 led 數(shù)碼管，7446、7447 與 7448 的引腳相同（雙并排 16pins） 。7447 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 硬件設計 10 引腳說明： 1、d、c、b、a：bcd 碼輸入引腳。 2、a、b、c、g：7 段數(shù)碼管輸出引腳。 3、/lt：本引腳為測試引腳，當接高電平時，所連接的 7 段 led 數(shù)碼管全亮。 正常顯示下應接低電平。 4、/rbi：本引腳為漣波淹沒輸入引腳，正常顯示下應接低電平。 5、/bi 和/rbo：本引腳為淹沒輸入或漣波淹沒輸出引腳，正常顯示下應接低電 平。 圖 3. 5 譯碼 ic 7447 2.5.2 段 led 數(shù)碼七管 7 段 led 數(shù)碼管是利用 7 個 led 組合而成的顯示設備，可以顯示 0 到 9 共 10 個 數(shù)字。當要顯示多個數(shù)碼管，可分別驅(qū)動每個數(shù)碼管；當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)動電路即可達到顯示多個數(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 com，而每個 led 的陰極分別為 a、b、c、d、e、f、g 及 dp（小數(shù)點） ；同樣的，共陰極就是把所有 led 的陰極連 接到共同的接點 com，而每個 led 的陽極分別為 a、b、c、d、e、f、g 及 dp（小數(shù) 點） 。 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 硬件設計 11 2.6 鍵盤掃描 圖 3.6 是鍵盤掃描的電路圖，其中 7492210是鍵盤掃描 ic。鍵盤掃描電路的原 理是，將鍵盤接在一個鍵盤掃描 ic 74922 上，當在鍵盤上按下鍵時，相關的鍵碼 將通過 74922 的 a、b、c、d 口線傳遞給 at89c51 單片機。 圖 3.6 鍵盤掃描電路 2.6.1 鍵盤 本鍵盤采用電話式鍵盤，其結構如圖 3.7 所示。鍵盤是接在鍵盤掃描 ic 74922（上圖 3.6 所示）上面的，鍵盤的輸入通過 74922 的 x1x4 和 y1y4 輸入。 x1 x2 x3 y1 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 硬件設計 12 圖 3.7 電話式鍵盤 但鑒于鍵盤掃描 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。 按鍵及分別對應的鍵盤編碼如表 3 所示： 表 3 鍵盤編碼 按鍵123456 對應編碼01h02h03h04h05h06h 按鍵789*0# 對應編碼07h08h09h0ah00hobh 2.6.2 鍵盤掃描芯片 鍵盤掃描芯片 74922 的圖形如圖 3.6 所示。鍵盤掃描 ic 74922 的工作過程是 這樣的：x1x4 接鍵盤的行，y1y4 接鍵盤的列，按鍵信息由這幾個口輸入， 由 a、b、c、d 四個口輸出到 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，當查詢到有按鍵時，da 置 1，同時執(zhí) 行相應的程序，比較溫度是否超出上、下限，進而決定是加熱還是降溫。 2.7 wp 型溫室加熱器 如圖 3.6 所示，在 at89c51 的 p2.1 口上接一個繼電器，將加熱器接在此繼電 器上。需要提高溫度時，單片機控制 p2.1 口，使之置 1，進而控制加熱器加熱。 傳統(tǒng)的空氣對流加熱系統(tǒng)，通過反復循環(huán)，重復加熱冷空氣，加熱空氣時自上 而下，先加熱溫室的上層，然而地板處在最后，所以很難加熱，因此十分耗費能量。 wp 型溫室加熱器是從下至上進行加熱的。溫室中的物體和地面由表面吸收熱量，同 時又向四周的空氣輻射，從而保持整個空間很暖和，這種方式，可以節(jié)約能量并減 少運行費用。wp 型溫室加熱器具有如下特點： (1) 高效節(jié)能。本產(chǎn)品消耗的能量比鍋爐供暖減少 25%，比傳統(tǒng)煤爐降低 40%以上, 從而大大降低了加熱運行成本。 123 456 789 *0# y2 y3 y4 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 硬件設計 13 (2) 傳熱效率高。產(chǎn)品由于采用了高科技熱超導技術，升溫速度特別快。 (3) 投資成本低廉。與傳統(tǒng)的利用鍋爐干燥方式相比，省去了專用鍋爐房、水處理、 水分析、管道、閥門、換熱器等設施，投資減少近一半，因而價格便宜。 (4) 本產(chǎn)品結構簡單、操作方便、安全可靠、使用壽命長。wp 型溫室加熱器特別適 合寒冷地區(qū)各類蔬菜溫室大棚、花房、家禽動物養(yǎng)殖場等需要加熱保溫的場所。在 溫室加熱器充分保證棚溫室適宜溫度后，選擇附加值高的蔬菜、花卉必將切實提高 廣大用戶的經(jīng)濟效益。 2.8 降溫模塊 如圖 3.6 所示，在 at89c51 的 p2.2 口上接一個繼電器,將降溫風扇接在此繼電 器上。需要降溫時，單片機控制 p2.2 口，使之置 1，進而控制降溫風扇降溫。 當室內(nèi)溫度較高需要降溫時，就要用到降溫模塊了。在此處的溫室中，降溫模 塊包含了兩個部分： (1) 自然通風 由于這里的溫室周圍和頂層留了通風窗（側窗與天窗），故可以采用自然通風 的方式來降溫。當室內(nèi)溫度由于日照而提高時，熱空氣會因密度降低而上浮，由天 窗溢出，而外界空氣由側窗流入造成對流，溫度差異愈大時其流速愈快。自然通風 在冬天效果最好，因為此時內(nèi)外空氣的溫差最大。由于空氣溫差，可使屋頂排氣孔 成為絕佳的出氣口，側面排氣孔則成為絕佳的進氣口。當天氣很熱時，內(nèi)外的空氣 溫差就很小，甚至不存在。事實上，當最需要通風的時候往往是自然通風最小的時 候。若通風是外界風所引起，則較溫暖的地區(qū)，使用自然通風會有較佳的效果。 (2) 機械通風 機械式通風一般指的是使用降溫風扇等降溫設備將溫室內(nèi)的熱空氣強制抽出， 同時由于壓差而將大氣吸入，達到通風的效果。這個方案需要維持適當?shù)臍饷苄裕?才能使空氣由進氣口進，由排氣風機出；但是也因為氣密而容易有熱累積的現(xiàn)象， 是以在設計上需注意通風量的大小，至少其降溫效果要優(yōu)于自然通風，即要比在同 一地點采用側窗配合天窗的溫室的降溫效果要好。利用風扇在溫室內(nèi)產(chǎn)生負壓的強 行通風方式比自然通風系統(tǒng)可靠，通常將通風率設計為每一分鐘一個溫室體積(1 ac, air change)的通氣風量率。一間 10m x 33m 的溫室大約需 700 m3/min 的通氣 風量率。由kw 馬達帶動的風機（系統(tǒng)負壓為 2.5 厘米水柱）可提供此風量率。 若風扇以平均每天消耗 1 元計算，則業(yè)者每月每平方米溫室面積的電費應為 1 元。 電費會隨季節(jié)、作物種類和地理位置的不同而有所差異。由于這種降溫方法需要耗 電，相比于自然通風，這是它的缺點。 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 硬件設計 14 在這個溫室大棚中，運用的是自然通風和機械通風相結合的方式。當需要降溫 的幅度不大時，則打開天窗和側窗，利用自然通風來降溫，這樣既可達到很好的降 溫效果，又節(jié)省了開支。而當要降溫的幅度偏高或者自然條件下不適合用自然通風 降溫時，就采取機械通風的方式來降溫。當然，在自然條件允許的條件下，采用自 然通風和機械通風相結合的降溫方式可以達到更好的降溫效果。 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 軟件設計 15 3 軟件設計 本系統(tǒng)的工作流程是，操作人員可以從鍵盤上輸入要設定的溫度值。當此溫度 值與當前溫度不同時，單片機控制系統(tǒng)采取調(diào)節(jié)的動作。當設定溫度大于測定溫度 時，則使加熱器工作；當設定溫度小于測定溫度時，則開啟降溫風扇。此程序流程 包括 4 個部分。第一部分是主程序，它描述的是程序的總體結構；第二部分是定時 器 t0 的描述，它的功能是將實際溫度和設定的溫度比較，再作出相應的動作；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（系統(tǒng)總程序見附 錄 2） 。 3.1 主程序 主程序流程圖如圖 3.8 所示： 圖 3.8 主程序 本溫度控制系統(tǒng)的總體設計思路見圖 3.8 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定 的溫度值，并通過 7 段數(shù)碼管顯示出來。在整個系統(tǒng)的運行期間，有一個定時器 t0 中斷每隔 20ms 掃描一次，用于當前溫度與設定溫度的比較，然后發(fā)出加溫或降溫 的命令。程序代碼如下： org 00h jmp start org 0bh jmp tim0 ;定時器 t0 中斷子程序 start: mov tmod,#01h ;選擇 timer0，mode1 mov th0,#60 mov tl0,#76 setb tr0 ;啟動定時器 t0 mov ie,#82h mov r4,#09h ;(30h)-(38h)寄存器 y n y n 開始 系統(tǒng)初始化 a/d 轉(zhuǎn)換 判斷有無按鍵？ a/d 轉(zhuǎn)換完成否？ 顯示 按鍵程序 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 軟件設計 16 mov r0,#30h clear: mov r0,#00h ;清除 ram(30h)-(38h) djnz r4,clear mov a,#00h mov dptr,#table1 movc a,a+dptr mov 34h,a ;(34h)為上限溫度-30 度 mov a,#01h mov dptr,#table1 movc a,a+dptr mov 35h,a ;(35h)為下限溫度-20 度 mov 36h,#0ffh ;(36h)為存儲的舊溫度值 start0: movx r0,a ; /wr=0,adc0804 開始轉(zhuǎn)換 wait: jb p3.4,keyin ; p3.4=1 表示有按鍵，轉(zhuǎn)往按鍵子程序 jb p2.0,adc ;檢測 adc0804 轉(zhuǎn)換完成否？p2.0=1， ; 則完成 jmp wait adc: movx a,r0 ;將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)送入累加器 mov 37h,a ;溫度的比較。將現(xiàn)溫度值存入 37h clr c subb a,36h ;現(xiàn)溫度值減去舊溫度寄存器的值 jc tdown tup: mov a,37h ;將現(xiàn)溫度值存入 a clr c subb a,34h ;與上限溫度作比較 jnc poff ;c=0 表示比上限溫度大，必須停止加熱 jmp loop pon: clr p2.1 jmp start0 poff: setb p2.1 ;繼電器不動作，即停止加熱 jmp loop tdown: mov a,37h ;將現(xiàn)溫度值存入 a clr c subb a,35h ;與下限溫度作比較 jc pon ;c=1 表示比下限溫度小，須加熱 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 軟件設計 17 jmp loop loop: mov 36h,37h ;將現(xiàn)溫度值存入 36h 中 clr a mov r4,#0ffh ;延遲 djnz r4,$ call l1 ;二-十進制轉(zhuǎn)換程序 mov 21h,#10h ;顯示延遲 nov r1,#30h disp1: call disp ;溫度值的顯示 djnz 21h,disp1 jmp start0 3.2 定時器 t0 中斷 定時器 t0 中斷的工作流程如圖 3.9 所示。當定時器 t0 發(fā)生中斷時，就將按鍵 輸入的設定的溫度值與當前的溫度值比較。當輸入的溫度值大于當前測定的溫度值， 單片機就控制加熱器加熱；當設定的溫度值小于當前測定的溫度值，就開啟降溫風 扇。 n nn y y y 定位 裝入初值 比較的十位相同？ 比較的個位相同？ 開啟降溫風扇 返回加熱器工作 設定溫度測定 溫度？ 加熱器停止工作 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 軟件設計 18 圖 3.9 定時器 t0 中斷子程序 程序代碼如下： tim0: push acc push psw mov th0,#60 ;重設中斷時間 mov tl0,#76 mov a,33h cjne a,31h,t ;設定溫度的十位是否等于所 ;測溫度的十位數(shù) mov a,32h cjne a,30h,t ;設定溫度的個位是否等于所 ;測溫度的個位數(shù) jmp off ;個位相等，則令加熱器停止加熱 t: jc off ;設定溫度小于現(xiàn)在溫度，停止加熱 clr p2.1 ;否則加熱 return: pop psw pop acc reti off: setb p2.1 ;停止加熱 jmp return delay: mov r7,#06 ;顯示器掃描時間 d1: mov r6,#248 djnz r6,$ djnz r7,d1 ret 3.3 顯示模塊 顯示子程序流程圖如圖 3.10 所示:（說明：30h 用于暫時存放要顯示溫度的高 四位，31h 用于暫時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) 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 軟件設計 19 碼管上的溫度值；d1、d2 分別表示兩個 7 段數(shù)碼管的存儲地址。 ） ?。?0h）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 disp 圖 3.10 顯示子程序 系統(tǒng)提供溫度的顯示功能，將溫度用兩個 7 段數(shù)碼管顯示出來。程序如下： disp: mov a,r1 anl a,#0f0h ;d1 值：取(30h)高 4 位 swap a mov 38h,a inc r1 mov a,r1 anl a,#0fh ;d2 值：取(31h)低 4 位 swap a orl a,38h ;d1,d2 合成為 8 位 mov p1,a ;送給 7 段數(shù)碼管顯示 call delay ;掃描延遲 ret 3.4 按鍵掃描 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 軟件設計 20 按鍵掃描子程序流程圖如圖 3.11 所示: 按鍵 圖 3.11 按鍵子程序 將鍵盤接在一個鍵盤掃描 ic 74922 上，所按鍵將被此芯片處理后傳送給單片 機處理。工作流程如圖 3.11 所示。如果要設定新的溫度值，操作流程為：按“*” 要設定的溫度值按“*” ，這樣就完成了溫度的設定。程序代碼如下： keyin: jb p3.4,$ ;有按鍵，放開否？ mov a,p3 ;是則讀 74922 的按鍵值 anl a,#0fh ;取有效的低 4 位 mov dptr,#table ;至 table 取鍵盤轉(zhuǎn)換碼 movc a,a+dptr xrl a,#0ah ;是否按“*”？ jnz start0 ;不是，回到現(xiàn)在溫度模式 jb p3.4,keyin1 ;有新的按鍵否？ mov r1,#32h ;無，設定溫度顯示地址 call disp ;顯示設定溫度地址中的值 mov r5,4fh ;幾秒鐘后無按鍵則自動解除 ;設定溫度模式 d4: mov r7,#0ffh d3: mov r6,#0ffh d2: jb p3.4,keyin1 djnz r6,d2 djnz r7,d3 djnz r5,d4 jmp start0 keyin1: jb p3.4,$ ;按鍵放開否？ mov a,p3 ;放開則讀 74922 鍵盤值 anl a,#0fh mov dptr,#table movc a,a+dptr mov 20h,a ;按鍵值存入(20h) xrl a,#0ah ;是否按“*”？ jz x1 ;是，則溫度設定完成 mov a,20h y y n n 按鍵是“*”？ 有新的按鍵？ 是“*”？ 是“#”？ 顯示 n n y y 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 軟件設計 21 xrl a,#0bh ;“#“未設定鍵 jz wait1 mov a,20h ;不是“*“、“#“，則為數(shù)字鍵 xch a,32h ;按鍵值存入(32h)，(33h) xch a,33h 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 測試分析 22 4 測試分析 通過偉福編譯器編譯，觀察各個寄存器和輸出端口的值，發(fā)現(xiàn)程序能夠完成既 定的各項功能。溫室結構的參數(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。這個薄膜溫室的特點是： 1. 能在可見光 0.40.7 微米范圍內(nèi)得到最大光照。 2. 薄膜內(nèi)表面的涂層處理能夠有效地解決溫室結露。 3. 三層共擠技術使薄膜外層表面形成光滑表面，有效防止灰塵堆積。 4. 采用雙層充氣膜，可大大提高溫室保溫性能，節(jié)省運行成本。 要求溫度的上限為 30，下限為 20。通過對溫室運行時的實際觀測，摘錄 一組數(shù)據(jù)如表 1 所示： 表 1 測試數(shù)據(jù) 溫度提升區(qū)間 () 2022222525272730 所需時間（s）60906090 實際達到的溫 度值() 216247272303 絕對誤差（）04030203 從運行結果來看，控制后的溫度誤差范圍小于等于 0.5,控制后的溫室溫度能 夠達到作物生長環(huán)境的要求。 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 結束語 23 結束語 根據(jù)實際生產(chǎn)需要和環(huán)境調(diào)控的簡單實用，作物整個生長周期被分為兩個階段， 即營養(yǎng)生長階段和生殖生長階段。在營養(yǎng)生長階段，采取溫度優(yōu)先的控制策略，減 少能量消耗，降低調(diào)控機構的操作運行成本；而在作物的生殖生長階段，通過有機 結合作物生長模型、溫室控制機構的調(diào)控效果模型和成本模型，實現(xiàn)經(jīng)濟最優(yōu)目標 的決策過程。從實際決策的實例來看，采用經(jīng)濟最優(yōu)目標的策略來進行溫室環(huán)境調(diào) 控，給出最佳的溫室環(huán)境控制方案，既能保證作物適宜的生長環(huán)境條件要求，又能 保證溫室經(jīng)營者的利益。 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 參考文獻 24 參考文獻 1 張義和，陳敵北，改編：劉丹等 .例說 8051m. 北京：人民郵電出版社，2006，4355. 2 吳金戍，沈慶陽，郭庭吉. 8051 單片機實踐與應用m. 北京：清華大學出版社， 2006，6882. 3 陳明熒. 8051 單片機課程設計實訓教材m. 北京：清華大學出版社，2005，112135. 4 張友德，趙志英，涂時亮. 單片微型機原理、應用與實驗m.上海：復旦大學出版社， 2003，7891. 5 沈慶陽. 單片機實踐與應用m. 北京：清華大學出版社，2002，4582. 6 林申茂. 8051 單片機徹底研究m. 北京：人民郵電出版社，2004，145178. 7 沙占友 孟志永 王彥朋. 單片機外圍電路設計m. 北京：電子工業(yè)出版社， 2006，156214. 8 楊金巖. 8051 單片機數(shù)據(jù)傳輸接口擴展技術與實例應用m. 北京：人民郵電出版社， 2005，205231. 9 李伯成. 嵌入式系統(tǒng)可靠性設計嵌入式系統(tǒng)與單片機系列叢書m. 北京：電子工業(yè)出 版社，2006，5567. 10 戴佳，苗龍，陳斌. 51 單片機應用系統(tǒng)開發(fā)典型實例m. 北京：中國電力出版社， 2005，187204. 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 致謝 25 致 謝 本文是在 xxx 老師的悉心指導下完成的。 “悉心”二字，絕非可有可無。因為， 從選題到今天成文，x 老師給予了我很大幫助，付出了大量的心血?？梢哉f，沒有 x 老師的指導，就沒有今天的順利成文。在師從 x 老師做畢業(yè)設計的這段時間里， 我感到學到很多東西。x 老師治學嚴謹、做事認真，大到結構，小至標點，一一從 嚴要求，決不允許敷衍；x 老師為人真誠、待人熱情，從選題至成文，說來慚愧， 應該說是在 x 老師的推動下，才得以如期完成。很多時候，都是 x 老師給我主動打 電話，幫助我規(guī)劃好時間，及時傳道授業(yè)、答疑解惑。從年前選定題目、到現(xiàn)在定 稿完成，無論是寒假期間，還是在外奔波，x 老師的關懷幫助始終如一，這讓我在 感動的同時，又深感慚愧! x 老師很忙，教學、科研任務繁重。但我每次交稿，他都認真修改，及時回復。 每每看到論文上細密的紅色批語，深感暖意陣陣！也突然明白魯迅對藤野先生認真 修改他的筆記的那種感動。是的，在很多人將敷衍奉為圭臬的情形下，依然能夠認 真謹嚴做事，依然能夠熱情誠懇幫助別人的人，令人感激和欽佩！“學高為師，行 為世范。 ”我再次明白了“老師”二字的厚重內(nèi)涵! 人生的各個階段，一般要面臨很多選擇。大學四年，也概莫能外。我曾做出過 不少選擇，但事后令自己深感得意的，并不是很多?？墒牵瑤煆?x 老師做畢業(yè)設計 卻不能不說是其中一個！ 在此，向 x 老師致以最誠摯的謝意！ 我還要感謝在大學四年來所有曾經(jīng)教過及幫助過我的老師，是他們的諄諄教誨、 無私奉獻，使我增加了知識、提高了能力！沒有他們，也就沒有我四年學業(yè)的順利 完成！ 另外，我還要感謝四年來朝夕相處的同學，和他們切磋知識、交流思想，也使 我感到受益匪淺！ 最后，向所有關心和幫助過我的老師和同學們致以最誠摯的謝意！ 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 附錄 26 附 錄 附錄 1 系統(tǒng)電路圖 附錄 2 源程序代碼 程序要完成的功能是將總體溫度控制在 2030之間，在這個范圍內(nèi)，可 以設定任一溫度值，并使之達到恒溫效果；如果超出這個范圍，則程序自動控制繼 電器工作使溫度穩(wěn)定在這個范圍之間。 程序中各寄存器說明如下： 30h、31h：所測得的實際溫度 32h、33h：鍵盤設定的溫度 34h：系統(tǒng)的上限溫度值（30） 溫室溫度自動控制系統(tǒng)設計 附錄 27 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 jmp start org 0bh jmp tim0 start: mov tmod,#01h ;選擇 timer0，mode1 mov th0,#60 mov tl0,#76 setb tr0 ;啟動定時器 t0 mov ie,#82h mov r4,#09h;(30h)-(38h) mov r0,#30h clear: mov r0,#00h ;清除 ram(30h)-(38h) djnz r4,clear mov a,#00h mov dptr,#table1 movc a,a+dptr mov 34h,a ;(34h)為上限溫度：30 度 mov a,#01h mov dptr,#table1 movc a,a+dptr mov 35h,a ;(35h)為下限溫度：20 度 mov 36h,#0ffh ;(36h)為存儲的舊溫度值 start0: movx r0,a ;令 adc0804 開始轉(zhuǎn)換/wr=0 wait: jb p3.4,keyin ;有按鍵否？按“*”才有效。p3.4=1 表 ;示有按鍵 jb p2.0,adc ;檢測 adc0804 轉(zhuǎn)換完成否？p2.0=1， ; 則完成 jmp wait adc: