蔬菜大棚温度湿度自动控制系统设计毕业设计论文精.docx

1、蔬菜大棚温度湿度自动控制系统设计毕业设计论文精学号14072102272 毕业设计(论文题目:蔬菜大棚温度湿度自动控制系统设计作者司继伟届别 2011 届院别信息与通信工程学院专业自动化指导教师万忠民职称教授完成时间2011年5月10日摘要蔬菜大棚温度湿度自动控制系统由主控制器AT89C51单片机、并行口扩展芯片8255、74LS373、A/D转换器0809、湿度传感器、温度传感器DS1820、固态继电器、RAM6264、掉电保护和LED显示器和报警电路等构成,实现对蔬菜大棚温湿度的检测与控制,从而有效提高蔬菜的产量。文中提出了具体设计方案,讨论了蔬菜大棚温湿度巡回检测与控制的基本原理,进行了

2、可行性论证。给出了电路图和程序流程图并附有源程序。由于利用了单片机及数字控制系统的优点,系统的各方面性能得到了显著的提高。关键词:温湿度传感器;湿度传感器;快速检测;A/D转换器;LED显示器;报警电路;固态继电器;ABSTRACTVegetables canopy temperature and humidity automatic control system consists of the main controller AT89C51 single-chip, parallel port expansion chip 8255,74 LS373 and A/D converter 08

3、09, humidity sensor, the temperature sensor, solid-state relay, the DS1820 RAM6264, power fail safeguard and leds display and alarm circuit, etc .To achieve the vegetable greenhouse temperature and humidity testing and control, to improve the vegetables production.In this paper, the specific design,

4、 discussed the detection of vegetable greenhouses temperature and humidity and circuit control principle, carried out a feasibility demonstration.Schematic diagram is given together with source code and procedures.The use of the MCU and the advantages of digital control system, all aspects of the sy

5、stem performance is significantly improved.Keywords:temperature and humidity sensors; Humidity sensors; Rapid detection; A/D converter; The LED display; Alarm circuit; Solid state relays.摘要 (1ABSTRACT (2目录 (31 概述 (41.1 温室计算机控制的概况 (42 系统的硬件组成电路设计 (62.1 系统的硬件组成框图 (62.1.1 系统的工作原理 (62.2 系统主控制器部分设计 (62.2

6、.1 AT89C51的工作原理 (62.2.2 AT89C51的复位电路 (82.2.3 AT89C51的引脚功能 (82.3 数据存储器的扩展 (102.4 LED显示器 (132.5 A/D转换接口 (142.5.1 A/D转换器的基本工作原理及器件简介 (142.5.2 ADC0809与AT89C51单片机的接口设计 (163 单总线接口 (193.1 单总线芯片的硬件结构 (193.2 单总线芯片的供电 (193.3 单总通信的ROM命令 (194 单总线数字温度传感器DS1820和湿度检测电路 (214.1DS1820 的主要特性 (214.2DS1820 内部结构 (214.3 D

7、S1820的工作原理 (224.4 DS1820使用中注意事项 (224.5 湿度检测电路 (234.6 报警电路 (235 系统的软件设计 (255.1 设计方法 (255.2 主程序的分析与说明 (256 结论 (26致谢 (27参考文献 (28附录 (291.1 温室计算机控制的概况温室环境测控,即根据植物生长发育的需要,自动调节温室内环境条件的总称。现代化温室,通过传感器技术、微型计算机及单片机技术和人工智能技术,能自动测控温室的环境,其中包括温度、湿度、光照、C02浓度等,使作物在不适宜生长发育的反季节中,获得比室外生长更优的环境条件,达到早熟、优质、高产的目的。在农业种植问题中,温

8、室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关,进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证,通过对监测数据的分析,结合作物生长发育规律,控制环境条件,达到作物优质、高产、高效盼栽培目的。传统的环境测控管理采用模拟控制仪表和人工管理方法,工作效率低。随着微机技术的发展,逐步采用配置灵活、开放式结构、运算能力较强、高可靠性、完善的开发手段及具有数据处理、统计分析、打印报表等功能的测控系统所代替,取得了较好的经济效益。随着国民经济的迅速增长,现代农业得到长足发展,受控农业的研究和应用技术越来越受到重视,特别是温室工程已成为工厂化高效农业的一个重要组成部分。支持温室工程的相关技术,如温室环境复

9、杂系统的建模技术与专家决策支持系统、温室环境智能测控技术研究与系统开发、温室环境调配工程技术与设施研究等已成为当前该领域的关键技术和研究热点问题。研究温室环境信息进行模拟、分析、预测,研究开发基于作物成长栽培环境的温室环境多因子智能化综合测控系统,研究高效生产的温室环境综合测控模式与配套设施等将是今后主要研究内容。目前,我国农业正处在从传统农业向以优质、高效、高产为目的的现代化农业转化的新阶段。农业环境控制工程作为农业生物速生、优质、高产手段是农业现代化的标志,农业设施的自动检测与控制是我国急待发展的项目。应用自动控制和电子计算机实现农业生产和管理的自动化,是农业现代化的重要标志之一。近年来电

10、子技术和信息技术的飞速发展,带来了温室控制与管理技术方面的一场革命,随着“设施农业”、“虚拟农业”等新名称的出现,“设施园艺”、“虚拟温室”的概念也应运而生。温室计算机控制与管理系统正在不断吸收自动控制和信息管理领域新的理论和方法,结合温室作物种植的特点,不断创新,逐步完善,从而使温室种植业实现真正意义上的现代化、产业化。国内外温室计算机控制技术的发展状况计算机的发展最早可以追溯到上个世纪的40年代,但将计算机用于环境控制则开始于20世纪60年代。20世纪80年代初诞生了第一批温室控制计算机,此后温室计算机控制及管理技术便先是在发达国家得到广泛应用,后来各发展中国家也都纷纷引进、开发出适合自己

11、的系统。这在给各国带来巨大的经济效益的同时,也极大地推动了各国农业的现代化进程。温度监测预警系统是针对蔬菜大棚温度监测而设计,同时也可用于粮食仓储、冷库及烟叶发酵等场合的温度监测。塑料大棚是开发日光资源、充分利用太阳光能的主要形式之一,能避光、增产、保湿,为蔬菜生长创造一个良好环境。蔬菜大棚作为一个相对封闭的环境,其内部形成了一个小气候环境,良好的空气环境是蔬菜正常生长的重要条件。为了增产、增收,要注意大棚内部的气体、温度和湿度3个重要因素。气体主要是指棚内的二氧化碳的含量。当空气中的二氧化碳浓度提高到0.1%时,可使蔬菜的光合作用速率增加1 倍以上,增产20%80%;若使二氧化碳浓度降至0.

12、005%时,光合作用几乎停止。蔬菜生长的适宜温度为2030。大棚内白天增温快,当棚外平均气温为15时,棚内可达4050。因此,要适时调节棚内温度,避免高温危害。塑料大棚经常处于密闭状态,蒸发量大大减小,内部湿度一般在80%90%,湿度过大极易导致病虫害的发生。现在对大棚内气体、温度和湿度的有效调节,主要是通过适时的通风来实现。二氧化碳含量过大和湿度过大都会导致温度升高。通过调节温度可以有效地控制二者的浓度。因此,对棚内温度的控制是非常重要的。本文介绍的分布式单总线蔬菜大棚温度监测预警系统,采用全数字化设计,直接监测每个棚内不同部分的温度,通过对温度的良好控制,有效地提高蔬菜的产量。2 系统的硬

13、件组成电路设计2.1 系统的硬件组成框图本系统为一个全自动的蔬菜大棚温湿度巡回检测与控制系统,由以下几部分组成: AT89C51单片机,温湿度传感器,8255并行口电路A/D转换器变送器,驱动电路报警和显示电路组成,其接口部分包括单片机外扩展的数据存储器6264一片和地址锁存器74LS373,系统的组成如图1-1所示: 图1-1 硬件组成框图2.1.1 系统的工作原理在应用程序的作用下,首先对8255进行初始化,设定工作方式0。PA口PB口PC 口均为输出口,PA口PB口为显示输出,PC口为报警和相关设备驱动口。由于工艺决定,进大棚之前已经将湿度控制在安全限以内,测量过程是先温度后湿度的顺序,

14、首先对温度进行采样,每一个温度点采样5次,计算平均值作为采样值送入显示和存储的相应单元进行存储和传感器的编号和温度的显示,然后判断温度是否超过设定温度,如果温度超标则报警并根据传感器的位置判断启动通风设备还是加热设备,如果不超标就继续检测下一个点的温度,知道整个大棚的多个点温度全部测试完成,然后计算和显示大棚的平均温度,然后对8个点的湿度进行测量并且显示,也是按照每个点测量5次然后取平均值的方法计算,来减少干扰因素带来的误差,8个点的湿度测量完成后计算并显示大棚的平均湿度。同样与设定的湿度值比较如果超标就报警,并启动风扇进行通风处理。然后系统返回再进行温度和湿度的巡回测量和显示。2.2 系统主

15、控制器部分设计2.2.1 AT89C51的工作原理1 CPU的结构CPU是单片机内部的核心部分,是单片机的指挥和执行机构,它决定了单片机的主要功能特性。从功能上看,CPU包括两个基本部分:运算器和控制器。下面说明控制器和运算器。1运算器运算器包括算术逻辑运算部件ALU、累加器ACCC、B寄存器、暂存寄存器TMP1和TMP2、程序状态寄存器PSW、BCD码运算调整电路等。2时钟电路AT89C51芯片内部有一个高增益反向放大器,用于构成振荡器。反向放大器的输入端为XTAL1,输出端为XTAL2。在TXAL1和XTAL2两端跨接由石英晶体及两个电容构成的自激振荡器,如图2-1所示。电容器C1和C2通

16、常都取30pF左右,选用不同的电容量对振荡频率有微调作用。但石英晶体本身的标定频率才是单片机振荡频率的决定因素。其振荡频率范围是112MHz。 图2-1 时钟电路本设计考虑系统的独立完整性,选用内部时钟方式,石英震荡频率选用12MHZ, ALE信号频率为2MHZ。2 I/O口结构:AT89C51单片机有4个8位并行I/O接口,记作P0、P1、P2和P3,每个端口都是8位准双向口,共占32根引脚。每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。每个端口都包括一个锁存器(即特殊功能寄存器P0P3,一个输出驱动器和输入缓冲器,作输出时数据可以锁存,作输入时数据可以缓冲,但是这四个通道的功能完全不同。3 程序

17、存储器及数据存储器1程序存储器对AT89C51芯片来说,片内有4K字节ROM/EPROM,片外可扩展60K字节EPROM,片内和片外程序存储器统一编址。在程序存储器中,有6个地址单元被保留用于某些特定的地址,如下表2-1所示。2数据存储器AT89C51数据存储器空间也分为内片和外片两大部分,即片内数据存储器RAM和片外数据存储器RAM。如何区别片内、片外RAM空间呢?片内数据存储器最大可以寻址256个单元,片外最大可扩展64K字节RAM,并且片内使用的是MOV指令,片外64K ROM空间专门为MOVX指令所用。4 定时器AT89C51单片机的内部有两个16位可变成定时器0(T0和定时器1(T1

18、,它们都有定时或是事件计数的功能,可用于定时控制、延时、对外部事件计数和检测等场合。表2-1 A T89C51的复位、中断入口地址入口地址说明0000H 复位后,PC=0000H0003H 外部中断入口000BH 定时器T0溢出中断入口0013H 外部中断入口001BH 定时器T1溢出中断口0023H 串行口中断入口它们具有计数和定时两种工作方式以及四种工作模式。定时器T0具有方式0、方式1、方式2和方式3四种工作方式。T1具有方式0、方式1和方式2三种工作方式。5 中断系统AT89C51单片机有五个中断请求源。其中,两个外部中断源;两个片内定时器/计数器(T0、T1的溢出中断源TE0和TF1

19、;一个片内串行口接受或发送中断源RI或TI。这些中断请求分别由单片机的特殊功能寄存器TCON和SCON的相应位锁存。当几个中断源同时向CPU请求中断,要求CPU提供服务的时候,就存在CPU优先响应哪一个中断请求,于是一些微处理器和单片机规定了每个中断源的优先级别。2.2.2 AT89C51的复位电路AT89C51单片机通常采用上电自动复位和开关手动复位两种方式。本设计采用上电复位电路,所谓上电复位,是指单片机只要一上电,便自动地进入复位状态。在通电瞬间,电容C通过电阻R充电,RST端出现正脉冲,用以复位。2.2.3 AT89C51的引脚功能AT89C51的40条引脚中,有2条专用于主电源的引脚

20、,4条控制和其他电源复用的引脚,32条输入/输出引脚。如图2-3所示,下面介绍主要引脚的名称和功能:1主电源引脚Vcc和VssVcc:接+5V电源。Vss:接电源地。2时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1:接外部晶体的一端。在单片机内部,它是反相放大器的输入端,该放大器构成了片内振荡器。在采用外部时钟电路时,对于HMOS单片机上,此引脚必须接地;对AT89C51单片机,此引脚作为驱动端。XTAL2:接外部晶体的另一端。在单片机内部,接至上述振荡器的反相放大器的输出端,振荡器的频率是晶体振荡频率。若采用外部时钟电路时,对于HMOS单片机上,该引脚输入外部时钟脉冲;对AT89C51单片机,

21、此引脚应悬空。+5V 图2-2 复位电路 图2-3 AT89C51主要引脚图3控制信号引脚RST/PD V 、ALE/PROG 、PSEN 和EA /PP VRST/PD V :复位/备用电源输入端。单片机商店后,只要在该引脚上输入24个振荡周期(2个机器周期宽度以上的高电平就会使单片机复位;若在RST 与Vcc 之间接一个10F 的电容,而在RST 与Vss 之间接一个8.2k 的下拉电阻,则可实现单片机上电自动复位。4输入/输出(I/O 引脚P0、P1、P2和P3P0.0P0.7:P0口是一个8位双向I/O 端口。在访问片外存储器时,它分时提供低8位地址和作8位双向数据总线。在EOROM

22、编程时,从P0口输入指令字节;在验证程序时,则输出指令字节(验证时,要接上拉电阻。P0口能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。P1.0P1.7:P1是8位准双向I/O端口。在EPROM编程和程序验证时,它输入低8位地址。P1口能驱动4个LSTTL负载。P2.0P2.7:P2是8位准双向I/O端口。在CPU访问外部存储器时,它输出高8位地址,在对EPROM编程和程序检验时,它输入高8位地址。P2口可驱动4个LSTTL 负载。P3.0P3.7:P3是8位准双向I/O端口。它是一个复用功能口,作为第一功能使用时,为普通I/O口,其功能和操作方法与P1口相同。作为第二功能使用时,各引脚的定义如下表

23、。P3口的每一条条引脚均可以独立的定义为第一功能的输入输出或第二功能。P3口能驱动4个LSTTL负载。表2-2 功能表口线第二功能P3.0 RXD(串行口输入P3.1 TXD(串行口输出P3.2 0INT(外部中断0输入P3.3 1INT(外部中断1输入P3.4 T0(定时器0的外部输入P3.5 T1(定时器1的外部输入P3.6 WR(外部数据存储器“写”信号输出P3.7 RD(外部数据存储器“写”信号输出2.3 数据存储器的扩展AT89C51片内喊有28字节的数据存储器RAM,主要用工作寄存器、堆栈、软件标志和数据缓冲器。对于简单的测控系统,用它存放运算的中间结果,容量是够用的。但是对于大量

24、数据采集处理系统,则需要在片外扩展RAM。由于本设计采用大量温湿度传感器,所以一片AT89C51芯片是不够用的,所以要对AT89C51的数据存储器进行扩展,因此,选用6264数据存储器一片。6264可以直接和存储器的地址线并联,数据地址线也同样可以并联连接。6264的写选通信号WE信号连接到AT89C51的WR上,读选通信号OE连接到AT89C51的RD上,这样单片机就能把程序采集来的数据。经过变换最终转换成数字温度量存放到6264中,也可以6264中读取数据7,具体的连接如下图2-4所示: 8255A中的控制寄存器很少,所以初始化程序设计简单。对于方式0,如果不要设定C 口的联络信号,则只需

25、要设置方式控制字;如果要设定C 口的某些位为联络信号,则只需设置C 口的位置/复位控制字。对于方式1和方式2,因为都要用到控制信号,所以必须设置两个控制字,即设置方式选择控制字和C 口复位控制字。8255有40个引脚,下面根据功能分类说明。 图2-4 A T89C51与地址6264的连接1数据线数据线有D7D0,PA7PA0,PB7PB0,PC7PC0,均为双向三态,其中D7D0与CPU 数据总线相连,用于传递CPU 与8255之间的命令和数据;PA7PA0,PB7PB0,PC7PC0,分别与A 、B 、C 三个端口相对应,用于8255A 与外设之间的传送数据。2寻址线寻址线CS 、1A 和0

26、A ,用于选择8255的三个端口和控制寄存器。CS :片选信号,输入,低电平有效。有效时表示选中本片。1A 和0A :输入,通常与系统地址总县的1A 和0A 对应相连。当CS 有效时,1A 和0A 的四种组合00、01、10、11分别选择A 、B 、C 、口和控制寄存器,所以一片8255A 共有4个I/O 地址。3控制线RD :读信号,输入,低电平有效。当RD 为低电平时,表示CPU 对8255A 进行读操作。WR :写信号,输入,低电平有效。当WR 为低电平时,表示CPU 对8255A 进行写操作。RESET :复位信号,输入,高电平有效。当RESET 为高电平时, 8255A 内部所有寄存

27、器清零。各端口都自动设置为输入方式,24条I/O 引脚均为高租态8。4电源和地线 采用单一+5V 电源。8255A 的控制信号和传输动作之间的关系如表2-3所示表2-3 8255的控制信号和传输动作对应关系CS 1A 0ARD WR传输说明0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1A 口数据数据总线B 口数据数据总线C 口数据数据总线 数据从数据总线A 口 数据从数据总线B 口 数据从数据总线C 口 数据从数据总线控制寄存器0D 7D 进入高阻态非法0D 7D 进

28、入高阻态8255A 的引脚信号如图2-5所示: 图2-5 8255A 引脚AT89C51和8255A 的接口:8255A 可以直接与MCS-51总线接口,其接口电路如图2-6所示图2-7中,8255A 的片选信号CS 及口地址选择线A0、A1分别由AT89C51的P2.7和P0.1、P0.0经地址锁存后提供,所以,8255A 的A 口、B 口、C 口及控制口的地址分别为6000H 、6001H 、6002H 、6003H 。8255A 的CS 、WR 分别与AT89C51的RD 、WR 相连,8255A 的RESET 与AT89C51的RST 相连。都接到AT89C51的复位电路上。对8255

29、初始化的程序如下:MOV A ,#80H ;置方式控制字 方式0 MOV DPTR ,#6003H 指向8255口地址 MOVX DPTR A本设计采用8255的A 口B 口连接LED 显示器,用C 口进行报警和相应设备的启动,所以PA 口PB 口PC 口的地址分别为6000H ,6001H 和6002H 。 图2-6 8255A 和A T89C51的连接2.4 LED 显示器LED 显示器的结构LED 显示器是由发光二极管显示字段的显示器件,也可称为数码管。其外形结构如图2-7所示,由图可见它由8个发光二极管(以下简称字段构成,通过不同的组合来显示出09、A 、B 、C 、D 、E 、F 以

30、及小数点“.”等字符。 a d e f g h c bd ce f g h a图2-7 LED 显示器的结构表2-4列出七段LED显示器(共阴极显示的数字、字符和对应的段码关系。共阳极显示器的段码与共阴极显示器的段码是逻辑非的关系,所以对表2-4中的共阴极显示器的段码求反,即可得到共阳极显示器的段码。LED显示器的显示方法本设计显示需要使用2855和7位共阳极显示器的接口电路。8255的A作为位扫描口,经反向驱动器75452接显示器公共阴极;B口作为段数据口,经同相驱动器7407接显示器的各个阳极。表2-4 数字对应的段码表示字符DP g f e d c b a 段码(H0 1 2 3 4 5

31、 6 7 8 9 A b c d E F P . 空格0 0 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 1 1 00 1 0 1 1 0 1 10 1 0 0 1 1 1 10 1 1 0 0 1 1 00 1 1 0 1 1 0 10 1 1 1 1 1 0 10 0 0 0 0 1 1 10 1 1 1 1 1 1 10 1 1 0 1 1 1 10 1 1 1 0 1 1 10 1 1 1 1 1 0 00 0 1 1 1 0 0 10 1 0 1 1 1 1 00 1 1 1 1 0 0 10 1 1 1 0 0 0 10 1 1 1 0 0 1 11 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 03F065B4F666D7D077F6F777C395E7971738000对于6位显示器,在AT89C51RAM存储器中设置7个显示缓冲单元70H76H,分别存放7位显示器的显示数据。8255的 A 口扫描输出总是只有1位高电平,即7位显示器中仅有1位公共阳极为高电平,其他位为低电平8255的B口输出相应位然后对