基于單片機(jī)的溫室大棚溫度控制系統(tǒng)設(shè)計論文

1、基于單片機(jī)溫室大棚溫度控制設(shè)計摘要：本系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，利用溫度傳感器AD590對蔬菜大棚的溫度進(jìn)行實(shí)時采集與控制，實(shí)現(xiàn)溫室溫度的自動控制。本系統(tǒng)由單片機(jī)小系統(tǒng)模塊、溫度采集模塊、加熱模塊、降溫模塊、按鍵以與顯示模塊六個部分組成?？梢酝ㄟ^按鍵設(shè)定溫室的溫度值，采集的溫度和設(shè)定的溫度通過LED數(shù)碼管顯示。當(dāng)所設(shè)定的溫度值比采集的溫度大時，通過加熱器加熱，以達(dá)到設(shè)定值；反之，開啟降溫風(fēng)扇，以快速達(dá)到降溫效果。通過該系統(tǒng)，對蔬菜大棚的溫度進(jìn)行有效、可靠地檢測與控制。從而保證大棚作物在最佳的溫度條件下生長，提高質(zhì)量和產(chǎn)量。關(guān)鍵詞：單片機(jī)、溫室大棚、溫度控制一、 硬件設(shè)計（一）設(shè)計目

2、標(biāo) 本系統(tǒng)要控制的對象為這樣一個規(guī)模的溫室。溫室結(jié)構(gòu)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。要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是，使薄膜溫室的溫度保持在2030之間，在這個區(qū)域溫度值是可設(shè)定的。（二）設(shè)計思路系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。本系統(tǒng)由單片機(jī)小系統(tǒng)模塊、溫度采集模塊、WP型溫室加熱器、降溫模塊、按鍵以與顯示模塊六個部分組成。通過按鍵設(shè)定溫度值，設(shè)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(dāng)所設(shè)定的溫度值比采集的溫度大時，通過加熱器加熱，以達(dá)到設(shè)定值；反之，開啟降溫風(fēng)扇，以快速達(dá)到降溫效果。該系統(tǒng)對溫度的控制圍在2030，溫度控制的誤差小于等于0.5。通過

3、使用該系統(tǒng)，對蔬菜大棚的溫度進(jìn)行有效、可靠地檢測與控制,保證大棚作物在最佳的溫度條件下生長，提高質(zhì)量和產(chǎn)量。AT89C51控制系統(tǒng)溫度采集鍵盤掃描WP型溫室加熱器顯示降溫模塊圖1系統(tǒng)原理框圖 該系統(tǒng)分為六個模塊，分別是單片機(jī)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。（三）基于AT89C51的單片機(jī)小系統(tǒng)本系統(tǒng)采用Atmel公司所生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)小系統(tǒng)如圖2所示：圖2 單片機(jī)小系統(tǒng)這個小系統(tǒng)由時鐘脈沖和復(fù)位電路組成， AT89C51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

4、鐘頻率為12MHz。AT89C51的復(fù)位引腳為第9腳，當(dāng)此引腳連接高電平超過2個機(jī)器周期（一個機(jī)器周期為6個時鐘脈沖），即可產(chǎn)生復(fù)位的動作。以12MHz的時鐘脈沖為例，每個時鐘脈沖1s,兩個機(jī)器周期為12s,因此，在第9腳上連接一個12s以上的高電平脈沖，即可產(chǎn)生復(fù)位的動作。對于上電復(fù)位，復(fù)位引腳上串接了一個電容，當(dāng)復(fù)位引腳接 +5V電壓時，電容相當(dāng)于短路，經(jīng)過一段時間（在這段時間完成復(fù)位）后，電容處于充電狀態(tài)，相當(dāng)于斷開。還有一種是手動復(fù)位,它的接法是在AT89C51復(fù)位引腳所串連的電容上并聯(lián)接一個按鈕開關(guān)。當(dāng)按鈕沒按下時，電容處于充電狀態(tài)；當(dāng)按鈕按下時，電容對復(fù)位引腳放電，從而在這個引腳上

5、產(chǎn)生高電平，達(dá)到復(fù)位的目的。（四）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所示，它的工作過程為：系統(tǒng)通過AD590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ADC0804的轉(zhuǎn)化變成數(shù)字量，以便單片機(jī)辨認(rèn)接收。圖3AD590溫度傳感器工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路圖根據(jù)電路圖，說明各個器件的功能如下：OPA1：以0為標(biāo)準(zhǔn)，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=30

6、3.2微安培；303.2-273.2=30微安培30。溫度值OPA1OPA2OPA3ADC VINADC輸出值02.732V0V0V0V00H102.832V-0.1V0.5V0.5V19H202.932V-0.2V1V1V32H303.032V-0.3V1.5V1.5V4BH403.132V-0.4V2V2V64H503.232V-0.5V2.5V2.5V7DH603.332V-0.6V3V3V96H703.432V-0.7V3.5V3.5VAFH803.532V-0.8V4V4VC8H903.632V-0.9V4.5V4.5VE1H1003.732V-1V5V5VFAH表1 各溫度與3個O

7、PA與ADC0804的輸入與輸出關(guān)系圖4 ADC0804 如圖4，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(yīng)用。 ADC0804電壓輸入與數(shù)字輸出關(guān)系如下表2所示：十六進(jìn)制二進(jìn)制碼 二與滿刻度的比率相對電壓值VREF=2.56伏高四位字節(jié)低四位字節(jié)高四位字節(jié)電壓低四位字節(jié)電壓F111115/1615/2564.8000.300E111014/1614/2564.4800.280D110113/1613/2564.0600.260C110012/1612/2563.84

8、00.240B101111/1611/2563.5200.220A101010/1610/2563.2000.200910019/169/2562.8800.180810008/168/2562.5600.160701117/167/2562.2400.140601106/166/2561.9200.120501015/165/2561.6000.100401004/164/2561.2800.080300113/163/2560.9600.060200102/162/2560.6400.040100011/161/2560.3200.0200000000表2 ADC0804電壓輸入與數(shù)字輸出

9、關(guān)系例如：VIN=3V，由上表可知2.880+0.120=3V，為10010110B=96H。 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(dāng)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。 利用AD590以與接口電路把溫度轉(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。 溫度采集和AD590溫度傳感器工作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路圖為圖3。(五)顯示模塊譯碼IC與溫度顯示的電路圖如圖5所示。顯示部

10、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，這兩個LED都是共陽極的。圖5 譯碼IC與溫度顯示BCD碼轉(zhuǎn)換成7段LED數(shù)碼管的譯碼驅(qū)動IC，如圖6所示，首推7447系列，包括7446、7449、74LS49。其中的7446與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與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的引腳一樣（雙并排16pins）。圖6 譯碼IC 7447D、C、B、A：BCD碼輸入引腳。a、b、c、g：7段數(shù)碼管輸出引腳。

11、LT：本引腳為測試引腳，當(dāng)接高電平時，所連接的7段LED數(shù)碼管全亮。正常顯示下應(yīng)接低電平。RBI：本引腳為漣波淹沒輸入引腳，正常顯示下應(yīng)接低電平。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(yīng)接低電平。7段LED數(shù)碼管是利用7個LED組合而成的顯示設(shè)備，可以顯示0到9共10個數(shù)字。當(dāng)要顯示多個數(shù)碼管，可分別驅(qū)動每個數(shù)碼管；當(dāng)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(dá)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(diǎn)com，而每個LED的陰極分別為a、b、c、d、e、f、g與dp

12、（小數(shù)點(diǎn)）；同樣的，共陰極就是把所有LED的陰極連接到共同的接點(diǎn)com，而每個LED的陽極分別為a、b、c、d、e、f、g與dp（小數(shù)點(diǎn)）。(六) 鍵盤掃描圖7 鍵盤掃描電路圖7是鍵盤掃描的電路圖，其中74922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(dāng)在鍵盤上按下鍵時，相關(guān)的鍵碼將通過74922的A、B、C、D口線傳遞給AT89C51單片機(jī)。鍵盤采用式鍵盤，結(jié)構(gòu)如圖8所示。鍵盤是接在鍵盤掃描IC 74922（上圖6所示）上面的，鍵盤的輸入通過74922的X1X3和Y1Y4輸入。 X1 X2 X3123456789*0#Y1Y2Y3Y4圖8 式鍵盤鑒于鍵

13、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123456對應(yīng)編碼01H02H03H04H05H06H按鍵789*0#對應(yīng)編碼07H08H09H0AH00HOBH表3 鍵盤編碼鍵盤掃描IC74922的工作過程：X1X3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(dāng)查詢到有按鍵時，DA置1，同時執(zhí)行相應(yīng)的程序，比較溫度是否超出上、下限，進(jìn)而決定是加熱還是降溫。(七) WP型溫室加熱器如圖7所示，在AT89C51的P2.1口上接一個繼電

14、器，將加熱器接在此繼電器上。需要提高溫度時，單片機(jī)控制P2.1口，使之置1，進(jìn)而控制加熱器加熱。(八) 降溫模塊如圖7所示，在AT89C51的P2.2口上接一個繼電器,將降溫風(fēng)扇接在此繼電器上。需要降溫時，單片機(jī)控制P2.2口，使之置1，進(jìn)而控制降溫風(fēng)扇降溫。二、 軟件設(shè)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(shè)定的溫度值。當(dāng)此溫度值與當(dāng)前溫度不同時，單片機(jī)控制系統(tǒng)采取調(diào)節(jié)的動作。當(dāng)設(shè)定溫度大于測定溫度時，則使加熱器工作；當(dāng)設(shè)定溫度小于測定溫度時，則開啟降溫風(fēng)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(jié)構(gòu)；第二部分是定時器T0的描述，它的功能是將實(shí)際溫度和設(shè)定的

15、溫度比較，再作出相應(yīng)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。(一) 主程序YN按鍵程序顯示A/D轉(zhuǎn)換完成否？判斷有無按鍵？A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)初始化開始NY圖9 主程序本溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計思路見圖9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(jī)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(shè)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(yùn)行期間，有一個定時器T0中斷每隔20ms掃描一次，用于當(dāng)前溫度與設(shè)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

16、 START ORG 0BH JMP TIM0START: MOV TMOD,#01H MOV TH0,#60 MOV TL0,#76 SETB TR0 MOV IE,#82H MOV R4,#09H MOV R0,#30HCLEAR: MOV R0,#00H DJNZ R4,CLEAR MOV A,#00H MOV DPTR,#TABLE1 MOVC A,A+DPTR MOV 34H,A MOV A,#01H MOV DPTR,#TABLE1 MOVC A,A+DPTR MOV 35H,A MOV 36H,#0FFHSTART0: MOVX R0,AWAIT: P3.4,KEYIN P2.0

17、,ADC JMP WAITADC: MOVX A,R0 MOV 37H,A CLR C SUBB A,36H JC TDOWNTUP: MOV A,37H CLR C SUBB A,34H JNC POFF JMP LOOPPON: CLR P2.1 JMP START0POFF: SETB P2.1 JMP LOOPTDOWN: MOV A,37H CLR C SUBB A,35H JC PON JMP LOOPLOOP: MOV 36H,37H CLR A MOV R4,#0FFH DJNZ R4,$ CALL L1 MOV 21H,#10H NOV R1,#30HDISP1: CALL

18、DISP DJNZ 21H,DISP1 JMP START0(二) 定時器T0中斷定位裝入初值比較的十位一樣？比較的個位一樣？開啟降溫風(fēng)扇返回加熱器工作設(shè)定溫度>測定溫度？加熱器停止工作YNYNNY圖10 定時器T0中斷子程序定時器T0中斷的工作流程如圖10所示。當(dāng)定時器T0發(fā)生中斷時，就將按鍵輸入的設(shè)定的溫度值與當(dāng)前的溫度值比較。當(dāng)輸入的溫度值大于當(dāng)前測定的溫度值，單片機(jī)就控制加熱器加熱；當(dāng)設(shè)定的溫度值小于當(dāng)前測定的溫度值，就開啟降溫風(fēng)扇。程序代碼如下：TIM0: PUSH ACC PUSH PSW MOV TH0,#60 MOV TL0,#76 MOV A,33H CJNE A,31

19、H,T MOV A,32H CJNE A,30H,T JMP OFFT: JC OFF CLR P2.1RETURN: POP PSW POP ACC RETIOFF: SETB P2.1 JMP RETURNDELAY: MOV R7,#06D1: MOV R6,#248 DJNZ R6,$ DJNZ R7,D1 RET(三) 顯示模塊顯示子程序流程圖如圖11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)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。）取（30H）高四位為D1?。?1H）低四位為D2返回

20、將（38H）的值送P1將（30H）、（31H）合成為（38H）延時DISP圖11 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 SWAP A MOV 38H,A INC R1 MOV A,R1 ANL A,#0FH SWAP AORL A,38H MOV P1,A CALL DELAY RET(四) 按鍵掃描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(jī)處理。工作流程如圖9所示。如果要設(shè)定新的溫度值，操作流程為：按“*”要設(shè)定的溫度值按“*”，這樣就完成了溫度的設(shè)定。程序代碼如下：

21、KEYIN: P3.4,$ MOV A,P3 ANL A,#0FH MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR XRL A,#0AH JNZ START0 P3.4,KEYIN1 MOV R1,#32H CALL DISP MOV R5,4FHD4: MOV R7,#0FFH D3: MOV R6,#0FFHD2: P3.4,KEYIN1 DJNZ R6,D2 DJNZ R7,D3 DJNZ R5,D4 JMP START0KEYIN1: P3.4,$ MOV A,P3 ANL A,#0FH MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR MOV 20H,A XRL

22、 A,#0AH JZ X1 MOV A,20H XRL A,#0BH JZ WAIT1 MOV A,20H XCH A,32H XCH A,33H(五) 源程序程序要完成的功能是將總體溫度控制在2030之間，在這個圍，可以設(shè)定任一溫度值，并使之達(dá)到恒溫效果；如果超出這個圍，則程序自動控制繼電器工作使溫度穩(wěn)定在這個圍之間。程序中各寄存器說明如下：30H、31H：所測得的實(shí)際溫度32H、33H：鍵盤設(shè)定的溫度34H：系統(tǒng)的上限溫度值（30）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 TIM0START: MOV

23、TMOD,#01H MOV TH0,#60 MOV TL0,#76 SETB TR0 MOV IE,#82H MOV R4,#09H MOV R0,#30HCLEAR: MOV R0,#00H DJNZ R4,CLEAR MOV A,#00H MOV DPTR,#TABLE1 MOVC A,A+DPTR MOV 34H,A MOV A,#01H MOV DPTR,#TABLE1 MOVC A,A+DPTR MOV 35H,A MOV 36H,#0FFHSTART0: MOVX R0,AWAIT: P3.4,KEYIN P2.0,ADC JMP WAITADC: MOVX A,R0 MOV 37

24、H,A CLR C SUBB A,36H JC TDOWNTUP: MOV A,37H CLR C SUBB A,34H JNC POFF JMP LOOPPON: CLR P2.1 JMP START0POFF: SETB P2.1 JMP LOOPTDOWN: MOV A,37H CLR C SUBB A,35H JC PON JMP LOOPLOOP: MOV 36H,37H CLR A MOV R4,#0FFH DJNZ R4,$ CALL L1 MOV 21H,#10H NOV R1,#30HDISP1: CALL DISP DJNZ 21H,DISP1 JMP START0L1:

25、CLR C MOV 30H,#00H MOV 31H,#00H MOV R3,#08H NEXT: RLC A MOV R2,A MOV A,30H ADDC A,30H DA A MOV 30H,A MOV A,31H ADDC A,31H DA A MOV 31H,A MOV A,R2 DJNZ R3,NEXTL2: MOV A,30H ADD A,30H DA A MOV 30H,A MOV A,31H ADDC A,31H DA A MOV 31H,A RETKEYIN: P3.4,$ MOV A,P3 ANL A,#0FH MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR

26、XRL A,#0AH JNZ START0 P3.4,KEYIN1 MOV R1,#32H CALL DISP MOV R5,4FHD4: MOV R7,#0FFHD3: MOV R6,#0FFHD2: P3.4,KEYIN1 DJNZ R6,D2 DJNZ R7,D3 DJNZ R5,D4 JMP START0KEYIN1: P3.4,$ MOV A,P3 ANL A,#0FH MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR MOV 20H,A XRL A,#0AH JZ X1 MOV A,20H XRL A,#0BH JZ WAIT1 MOV A,20H XCH A,32H X

27、CH A,33HWAIT1: MOV R1,#32H CALL DISP P3.4,KEYIN1 JMP WAIT1X1: JMP START0DISP: MOV A,R1 ANL A,#0F0H SWAP A MOV 38H,A INC R1 MOV A,R1 ANL A,#0FH SWAP A ORL A,38H MOV P1,A CALL DELAY RETTIM0: PUSH ACC PUSH PSW MOV TH0,#60 MOV TL0,#76 MOV A,33H CJNE A,31H,T MOV A,32H CJNE A,30H,T JMP OFFT: JC OFF CLR P2.1 RETURN: POP PSW POP ACC RETIOFF: SETB P2.1 JMP RETURNDELAY: MOV R7,#06D1: MOV R6,#248 DJNZ R6,$ DJNZ R7,D1 RETTABLE: DB 01H,02H,03H,0FFH DB 04H,05H,06H,0FFH DB 07H,08H,09H,0FFH DB 0AH,00H,0BH,0FFHTABLE1 : DB 4BH DB 32H END (六) 系統(tǒng)電路圖圖12 系統(tǒng)電路圖參考文獻(xiàn)2 吳金戍，慶陽，郭庭吉. 8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用 ：清華大學(xué)，2006，6882