花房温度光照度控制电路设计.docx
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花房温度光照度控制电路设计
哈尔滨剑桥学院
毕业设计
论文题目：
花房温度光照度控制电路设计
学生：
郭健
指导教师：
王芳
专业：
电子信息工程
班级：
移动二班
2014年5月
哈尔滨剑桥学院
毕业设计任务书
题目名称：
花房温度、光照度控制电路设计
立题意义：
以花房为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大作用。
花房内的温度，光照度等参数直接关系到花的生长。
科学合理的调节室内的温度光照度可以使花房内形成有利于花花卉生长的环境尤为重要，现在随着社会的发展人们对花房性能要求越来越高，特别是为了提高生产效率，对花房自动化程度要求也越来越高。
由于单片机与各种电子器件性价比的提高，使得这种要求变为可能。
技术条件与要求：
本系统是以单片机为核心的控制元器件，采用温度传感器DS18B20采集温度，光敏电阻利用ADC0804经过A/D转换对光照度采集、检测与控制技术，以温度传感器、光敏电阻为测量元件，构成自动化温度、光照度测量、控制系统。
可分为温度、光照度采集系统与液晶显示模块，报警系统，以与温度、光照度控制模块，复位电路和晶振模块。
任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）
一、任务内容：
本论文是以STC89C52单片机为核心，控制温度传感器、光敏电阻采集花房温度和光照度，并反馈给单片机作出相应的分析和处理，而单片机将处理的结果显示在设备的LCD1602液晶显示器上。
当花房的温度、光照度不在设定适宜范围情况时，单片机控制报警器报警，同时向温度光照度调节器发送信息，控制调节器调节花房温度光照度，使其回归正常范围。
二、工作计划、时间安排：
2013年11月26日～2014年04月07日选题、撰写阶段
2014年04月08日～2014年05月12日中期检查阶段
2014年05月13日～2014年05月24日整理、答辩阶段
2014年05月25日毕业论文（设计）答辩
三、完成工作量与水平具体要求
按计划进度、按指导教师的要求完成预定的工作量，设计水平逐步提高。
专业负责人意见
签名：
年月日
花房温度、光照度控制电路设计
摘要
随着现在我们生活质量的快速提高，温室已成为现代农业生产的基本设备。
本文主要是在论述一种花房温度、光照度控制系统的设计、工作原理与自动控制。
本设计系统以单片机为核心通过数字温度传感器、光敏电阻对花房的温度和光照度进行数据采集经过A/D转换器变换成数字量，其值由单片机处理，后由单片机控制如果超过我们预先设定的温度、光照度限制范围，报警模块将进行报警。
关键词：
单片机；温度传感器；光敏电阻；继电器
DesignoftheGreenhouseTemperatureIlluminationControlCircuit
Abstract
Nowwiththerapidincreaseinthequalityofourlife,thegreenhousehasbecomeabasicequipmentofmodernagriculturalproduction.Thispaperismainlyonaroomtemperature,illuminationcontrolsystemdesign,workingprincipleandautomaticcontrol.Thedesignofthesystemwithchipasthecoreofthedigitaltemperaturesensor,photosensitiveresistancetemperatureandlightintensityonthegreenhousedataacquisitioniscarriedoutthroughtheA/Dconvertertransformsintothedigitalquantity,whichiscontrolledbyasinglechipmicrocomputerSCMprocessing,finallyifmorethanwepresettemperature,lightintensitylimit,thealarmmodulewillalarm.
Keywords:
Singlechipmicrocomputer;temperaturesensor;photosensitiveresistance;relay
花房温度、光照度控制电路设计
绪论
随着社会发展，中国的农业技术的研究和应用，使农业发展迅速，但是温室花房是其一个重要的组成部分。
在现代农业生产的重要环节,是农产品的生长环境检测和重要参数的控制。
我们知道，温室花房内花的生长与空气的温度、二氧化碳的含量、土壤水分、光照强度有很大的关系。
因此，温室花房环境的检测与动态控制技术的发展，对我国的农业现代化进程产生深远的影响。
在温室温度和湿度、光技术设施园艺工程由于其广泛的密切纪律,技术含量高,得到了越来越多的关注世界各地,尤其是在一些发达国家,温室温度和湿度、光照度几乎是实现自动检测和自动控制。
我国现代温室是在引进过程和自我发展过程中不断壮大的，在应用的深度以与广度的研究、国内的相关技术规模和范围与国外相比仍然还是有一定的差距。
中国的温室的目前现状是，大多数温室主要依靠手工管理与控制温室的环境，缺乏立体的科学的指导技术。
在对植物的栽培技术方面，没有系统的科技技术而是完全凭借靠管理者的经验，不能自动调整温室中的温度，光、水、肥、气等植物生长环境，只能通过手动调节温室内的环境，这中技术方面的缺陷和不成熟成为了优质栽培温室作物的障碍，通过手动调节温室作物生长环境造成了人力资源的浪费，而且也不能保证对温室环境与时的控制与调节并，测量误差大，随意性强，在一定的基础上影响了植物生长。
为了克服上述缺点，我们需要一个容易使用的自动检测与自动控制系统。
温室环境与花卉、苗圃的生长、发育密切相关，环境监测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，结合作物生长规律，控制环境条件下，作物品质，高产，高效。
本系统设计是基于单片机的温度、光强度自动检测与自动控制原理设定的。
这个温度，光照强度检测控制系统可以应用到农业生产中的温室，实现温度、光照强度的实时控制，是一种智慧、经济、科学的程序，比较适合推广，从而促进花卉，苗木生长，从而提高实收率，质量成本，可以带来很大的经济效益和社会效益给予我们的花农。
1系统的总体设计
1.1系统设计要求
本系统以温度、光照度作为主要的控制参数，来控制整个系统设计，其主要功能有：
（1）实现对花房温度、光照度的实时监测、采集，测量空间的多点温度、光照度数值。
由单片机对数据进行循环监测采集、数值处理以与存储，实现花房的自动化控制多点监测
（2）对监测采集的数据超过预设置数值的与时报警系统，与自动控制系统能够完全做出温度或者光照度的参数处理，将花房的温度、光照度调节到开始设置的参数数值附近。
（3）能够根据不同地点、时间、花卉种类的不同，设定不同的参数值，可以使花卉在最佳适宜的环境下生长。
1.2系统工作原理与总体设计
1.2.1总体设计
本系统以单片机为核心控制元器件，采用温度、光照度测量、检测与控制技术，以温度传感器、光敏电阻为测量元件，构成自动化温度、光照度测量、控制系统。
可分为温度、光照度采集系统与液晶显示模块，报警系统，以与温度、光照度控制模块，复位电路和晶振模块。
图1系统结构框图
1.2.2工作原理
利用单片机控制温度传感器、光敏电阻采集花房温度和光照度，并反馈给单片机作出相应的分析和处理，而单片机将处理的结果显示在设备的LCD1602液晶显示器上。
当花房的温度、光照度不在设定适宜范围情况时，单片机控制报警器报警，同时向温度光照度调节器发送信息，控制调节器调节花房温度光照度，使其回归正常范围。
当花房空气温度超过设定值时，温度控制电路就会自动控制电路，打开排气扇设置在花房顶部的喷雾设备的进行一段时间的降温，而当温室温度低于设定值时，则通过单片机自动开启加热设备，使温度值达到适宜的范围。
光照度高与设定值范围时，系统光照度控制电路自动控制打开花房顶部的遮阳网，避免阳光直射作物，减小光照度，以减少强光对作物生长的影响。
当光照度低与设定值时，就回自动关闭遮阳网，增加光照度，从而使光照度保持在合适的范围内。
2硬件简介
2.1STC89C52单片机
2.1.1STC89C52的主要特性
STC89C52RC单片机[2]是新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。
其主要特点有：
1.8051增强型单片机可以任意选择6时钟/机器周期和12时钟/机器周期，指令代码完全可以与传统8051单片机相兼容。
2.工作电压：
5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）；单片机工作频率范围：
0～40MHz，而对于普通8051的0～80MHz。
3.单片机程序应用空间为8K字节，片上集成512字节RAM。
4.通用I/O口（32个）复位后为：
P1、P2、P3、P4是并行双向I/O接口，P0口输出是漏极开路电路，当用为总线扩展时，不需要外接上拉电阻，而作为I/O口用时，则需外接上拉电阻。
5.具有ISP（系统可编程）/IAP（应用可编程），不必用专用编程器，也不必用专用仿真器，直接利用串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）下载客户程序，几秒即可完成好多。
6.具有EEPROM功能；具有看门狗功能
7.共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2
8.外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
2.1.2STC89C52的引脚图
图2STC89C52的引脚图
VCC（40引脚）：
电源电压
GND（20引脚）：
接地
RST（9引脚）：
复位方式输入。
当输入连续24个时钟周期以上高电平时，系统开始用来完成单片机内部的复位初始化操作。
复位期间，ALE、PSEN输出高电平。
XTAL1（19引脚）：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2（18引脚）：
振荡器反相放大器的输入端。
ALE/ROG（30引脚）地址锁存控制信号输出端：
在访问片外程序存储器期间，下降沿用于锁存P0输出的低8位地址的输出脉冲[3]。
在编程时，此引脚（ROG）用作编程脉冲输入端。
2.1.3复位电路
复位引脚（Reset）为第9脚，当此引脚连接高电平超过2个机器周期，即可产生复位的动作。
以12MHz的时钟脉冲为例，每个时钟脉冲1us,两个机器周期为12us,因此，在第9脚上外接一个12us以上的高电平脉冲，此时就可以产生复位的动作。
而对于上电复位，在复位引脚上外接了一个电容，当复位引脚接+5V电压时，此时的电容是作为短路的，经过一小段时间后，电容就将会处于充电的状态，此刻的电路是相当于断开的。
另外的一种就是手动复位了,其的接法就是在STC89C52的复位引脚外接的电容上并联连接一个开关。
在当开关没有按下去的时候，此时的电容是处于充电状态的；而当在按钮按下时候，此时的电容就将开始放电，因此，在复位引脚上产生了高电平，达到了电路复位的作用。
图3复位电路原理图
2.1.4晶振电路
晶振电路是用来给单片机提供时钟信号的。
晶振有两种其中包含有源晶振与无源晶振，是时钟电路中最重要的部件之一，晶振的作用是向IC等部件提供相应的基准频率。
XTAL1是单片机作为时钟电路反向放大器的输入端，XTAL2是单片机作为时钟电路反向放大器的输出端，这个反向放大器是能够用作片内振荡器的配置而使用的，在这其中石晶振荡器和陶瓷振荡器都是可以使用的。
当我们在实际的应用中使用外部时钟源驱动器件时，此时的XTAL2是需要不接的[4]。
而对于输入到时钟电路内部连接的时钟信号，是需要一个二分频触发器来实现的，在实际的应用中，对外部连接时钟信号的脉宽是不需要做什么要求的，但首先是要求脉冲的高低电平与电路所要求得电平是一样的。
图4晶振电路原理图
2.1.5电源电路
图5电源电路原理图
系统的电源电路由电源和二极管组成，为整个电路提供电源，使整个系统能够正常工作。
2.1.6键盘电路
图6键盘电路
这个系统采用的键盘电路是利用最简单的低电平扫描方式实现的，利用开关的一端与单片机I/O口相连接方式，另一端是用接地的方式，用单片机来检测I/O口是否是低电平，此目的是来判断键盘是否被按下。
2.2温度传感器
2.2.1DS18B20温度传感器的特性
DS18B20数字温度传感器是DALLAS公司生产的1－Wire，被我们称之为单总线器件，其特点是线路非常的简单、外形也是很小的。
因此，如果把它来用作组成测量温度电路的器件，线路相当的简单，只需要在一根通信线上就能够放好多和DS18B20一样的数字温度计，使用也是很方便的。
DS18B20温度传感器的特点
1.只需要一个端口I/O就能够实现通信。
2.在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
3.在实际的应用中实现检测温度是不用任何外部元器件的。
4.每次把温度转换为数字需要的时间为200ms。
5.测量温度范围在－55oC到＋125oC之间，精确度在0.5度。
6.数字温度计的分辨率用户可以从实现9位到12位选择方式。
7.其内部可以有温度上、下限设置报警。
8.具有负压特性，当电源极性给接反时，温度计是不能正常工作的，但也不会由于发热而被烧毁[5]。
2.2.2DS18B20的内部结构
DS18B20其的内部是由3部分组成的：
1.具有64位激光只读存贮器，在这里存放着每个DS18B20的唯一的序号,开始8位是产品类型的编号（DS18B20为10H）,接着是每个器件的唯一的序号,共有48位,最后8位是前56位的CRC校验码这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
2.温度传感器，它是将温度转化为数字量的关键部分。
3.DS18B20的存贮器，它由高速存贮器RAM和EERAM（高温TH和低温TL报警触发器）组成,数据首先写入高速存贮器RAM中,然后通过复制命令将数据写入EERAM中。
高速存贮器RAM由8个字节组成,头两个字节存放检测温度的值,0号（LSB）为存放温度的值,1号（MSB）存放温度值的符号,如果温度为负,则1号存贮器全为1,否则全为0，这也是可用9bit来表示温度的原因。
最低位先读出。
若LSB最低位为1,则表示为0.5度,求值的方法根据MSB中的值将LSB中的二进制数求补再转换成十进制数除以2即得被测温度的值[6]。
表2是温度和数字量的关系。
第二和第三字节是从TH和TL中复制的值,当上电被更新;接下来两个字节没用,若读它应全为1;第六和第七字节为计数寄存器;最后一个字节为CRC校验。
2.2.2DS18B20的引脚与指令表
GND：
电源地
DQ：
为数字信号输入/输出端
VDD：
为外接供电电源输入端（在寄生电源线方式时接地）
表1DS18B20的ROM指令表
指令
约定代码
功能
读ROM
33H
读DS18B20温度传感器ROM中的编码
符合ROM
55H
发出指令之后，接着发出64位ROM编码，只有访问单总线上与DS18B20相对应编码才能做出响应
搜索ROM
OFOH
是为了确定在同一总线上DS18B20的数量与识别64位的ROM地址，是为各元器件工作做准备[7]
跳过ROM
OCCH
忽略64位ROM中地址，可以直接向DS18B20发送温度改变指令
告警搜索命令
OECH
在其工作后只有温度超过预先设定值的最大温度或最小温度时才会发出报警响应
2.3LCD1602液晶显示
2.3.1LCD1602简述
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16×1，16×2，20×2和40×2行等模块。
1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。
1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7和RS，R/W，EN三个控制端口，其工作时需要的电压为5V，有两个功能字符：
对比度调节与背光调节。
它还有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。
每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形。
2.3.2LCD1602引脚
VSS：
为电源地。
VDD：
接5V电源正极。
VL：
是作为LCD1602液晶显示器的对比度调整端，当接正电源时此刻的对比度最小的，当接地电源时此刻的对比度最大。
RS：
是寄存器的选择作用，当高电平为1时是用作选择数据寄存器、当低电平为0时是作为选择指令寄存器。
R/W：
是作为读写信号使用，当为高电平1时是读操作功能，当为低电平0时是写操作功能。
当为低电平时RS和R/W可以作为写入指令或显示地址使用，当RS是低电平0时，R/W为高电,1时此时只可以读忙信号，当RS为高电平1时，R/W为低电平0时此时只可以写入数据[8]。
E：
端为使能端。
D0～D7：
为8位双向数据端。
BLA～BLK:
空脚或背灯电源。
15脚：
背光正极
16脚：
背光负极
图7LCD1602液晶显示原理图
2.3.3LCD1602指令表
表2LCD1602的指令表
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清屏
0
0
0
0
0
0
00
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标/字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符器存储地址
0
0
0
1
是用作设置字符存贮器的地址使用的
8
置显示数据存贮器地址
0
0
1
是作为显示数据存贮器的地址使用
9
读忙标志和地址
0
1
BF
是作为计算数据的地址使用
10
写数到CGRAM或DDRAM
1
0
是要作写数据指令使用
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
是要作读出数据指令使用
LCD1602的液晶显示指令编码显示是通过屏幕、读写操作来实现与对光标进行操作来实现。
指令1：
清除显示，指令码01H,作用是使光标在00H地址位置进行复位。
指令2：
光标复位，使光标能够回到00H的地址。
指令3：
使用显示模式方式和光标移动方式来进行设置I/D：
光标是表示移动方向的，高电平1是右移的，低电平0是左移的；S:
是用来决定屏幕上全部的文字是否进行选择左移或是选择右移。
高电平1是用来表示有作用的，低电平0是用来表示不起作用的。
指令4：
是用来作为显示开关控制的作用其中D：
是用来控制显示整个电路的开与关作用，高电平1是开显示的表示，低电平0是关显示的表示；C：
是用来作为光标开与关的控制作用，高电平1表明是有光标的，低电平0表示没有光标B：
是用来作为光标是否闪烁的控制，高电平1表明是闪烁，低电平0则表示不闪烁。
指令5：
是作为显示移位光标或者是显示文字的作用。
S/C：
高电平1时是用来显示文字的，低电平0时是用来移动光标的。
指令6：
是表示功能设置命令。
DL：
高电平1时是表示有总线的数量是4位，低电平0时是表明有总线的数量是8位的；N：
低电平0时表示为显示单行，高电平1时表示为显示双行；F:
低电平0时表示显示的点阵字符是5x7形式的，高电平1时表明显示点阵字符是5x10形式的。
指令7：
是表示设置RAM的地址。
指令8：
是用来设置DDRAM的地址。
指令9：
是作为读取光标的地址和忙碌信号。
BF：
是读取忙碌信号的标志位，高电平1是表示忙碌，此刻的模块是不能收到命令或接收到数据的，低电平0则表示不忙的，此时的模块式可以接收数据或者接收命令的。
指令10：
是表示写数据的。
指令11：
是表示读数据的。
2.4光敏电阻
2.4.1光敏电阻的简介
光敏电阻是一种特殊的电阻器件，其是利用半导体的光电导效应而制成的，因此对光线是非常的敏感,光敏电阻的电阻值是与外界光照强弱或明暗都是有密切关系的。
其在没有光照射的情况下,表现出来的是高阻状态；当有光照射时,其电阻值是会快速减小的。
光敏电阻是在于各种控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的高度自动调节,照相机中的自动曝光控制等）与各种测量仪器中等领域中得到广泛的应用。
该系统可通过光敏电阻将光照强弱信号转化为电信号通过发光二极管显示以与通过蜂鸣器报警从而成为光照强度自动显示检测系统。
光照强度不同光明传感器的组织不同,当光照强度很强时,光敏传感器的阻值很小，当光照强度弱时,光敏传感器的组织很大,当光照强度适宜时光敏传感器的阻值介于强光和弱光的阻值之间。
因此可以通过光敏传感器将光信号变为电信号,并可以利用光照传感器受光照不同阻值不同产生的电信号不同从而显示不同的信号。
2.4.2光敏电阻的的主要特性
1.光电流、亮电阻。
光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过光敏电阻器的电流被我们称之为光电流，其外加在光敏电阻器的电压和光电流之比被我们称之为亮电阻，常用“100LX”来进行表示。
2.暗电流、暗电阻。
当有一定数量的外在电压加在光敏电阻器下时，也没有光照射的情况下，此时流过光敏电阻器的电流被我们称之为暗电流。
光敏电阻器外接加在其上的电压和暗电流之间的比值被称作为暗电阻，常用“0LX”表示。
3.灵敏度。
我们把光敏电阻其在不受到光照强度时的电阻值（暗电阻）与受到光照强度时的电阻值（亮电阻）之间的相对变化值称之为灵敏度。
4.在有一定外接电压作用下，其光敏电阻的光电流和光通量之间的相互关系如下所示：
虽不同类型的光敏电阻有不同的光照特性，但是光照特性的曲线表现出来是非线性特性。
所以，光敏电阻是不适合作为给予一定数量的检测元件来使用的，这些都是由于光敏电阻的不足引起的。
光敏电阻通常在自动化控制的系统中作为光电开关来使用。
5.光敏电阻表现的伏安特性。
在有一定的光照度情况下，连接加在光敏电阻两端之间的电流与电压之间的相互关系，这种关系被称之为伏安特性。
在给一定偏压的情况下,当光照强度比较大时，光电流也会随之比较大。
当在给定的光照度下，当其加的电压较大时，光电流也是较大的，且是没有饱和现象的。
但是其的电压是不可以没有限制的增大的，是由于无论什么光敏电阻都会受到额定工作功率、最大工作电压电以与最大额定电流的限制。
6.在当光敏电阻接受脉冲光照射时候，光电流是需要经过一定时间才可以到达稳定值，但是当光照停止以后，光电流是不会立刻表现为0值得，这就是被我
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