基于单片机的花卉温室控温系统设计.doc

物理与电子工程学院单片机原理及及接口课程设计报告书 设计题目： 基于单片机的花卉温室控温系统设计 专 业： 自动化 班 级： 接本1 学生姓名: 宋佳举 学 号: 20140343123 指导教师： 王承林 2014年11 月25 日物理与电子工程学院课程设计任务书专业： 自动化 班级： 接本1 学生姓名宋佳举学号20140343123课程名称单片机设计题目基于单片机的花卉温室系统设计设计目的、主要内容（参数、方法）及要求设计目的：温室由2kw电炉加热，最高温度为35。温室温度可预置，过程是恒温控制，温度控制误差±10。预置是显示设定温度，停止加热时显示实时温度，显示精度到1。温度超出预置温度±10时发出报警。对升降温过程的线性没有要求。对温室的湿度没有要求。总体方案确定后，可参考国内外同类项目、产品，提出合理可行的技术指针。主要技术指针是系统设计的依据和出发点，此后的整个设计与开发过程都将围绕他们进行。将总体设计方案具体化、细化。画出各部分功能框图，大致给出各框图的实现方法，明确哪些部分由软件完成。由于硬件结构与软件方案会相互影响，因此，从简化电路结构、降低成本、减少故障率、提高系统的灵活性与通用性方面考虑，提倡软件能实现的功能尽可能由软件来完成，但也考虑到以软件代替硬件的实质是以降低系统实时性、增加处理时间为代价的，而且软件设计引用、研制周期也将增加。因此系统的软、硬件功能分配应根据系统的要求及实际情况合理安排。 工作量2周时间，每天3学时，共计42学时进度安排第1天：整理资料，查阅资料。第2-3天：整理报告，确定初稿。第4-14天：完成程序设计，整理交稿。主要参考资料1 周润景，张丽娜基于PROTEUS 的电路及单片机系统设计与仿真M北京:航空航天大学出版 ,2006.P321P3262王忠飞，胥芳MCS-51 单片机原理及嵌入式系统应用M西安：西安电子科技大学出版社，2007P268-2733 Microchip 24C01B/02B 8 位PIC®单片机产品手册ED/OL指导教师签字王承林教研室主任签字摘要进入21世纪以来，我国园艺产业得到迅猛的发展，以花卉为主的作为观赏和礼品的植物设施栽培在大江南北遍地开花，设施园艺被看作是21世纪最具活力的新产业。温室是观赏植物栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类观赏花卉对温度的要求也不尽相同。随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制温室环境。控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。先编制出温室花卉各生育阶段最适环境条件的管理程序表，存储于电子计算机的记忆装置中，电子计算机根据程序表确认、修正各栋温室内的参数，并给终端控制系统指令。终端控制设备向中央控制装置输送检测信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现温室环境调节。该系统可自动控制加热、降温、加湿、灌溉、通风。根据需要，通过键盘将信息输入中央管理室，根据情况可随时调节环境。温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。本文将使用单片机对温度控制的基本原理实例化，设计一个实时控制花房内的温度的花房温度控制系统。目的是利用课程设计的这段时间学习一种利用单片机对花房温度进行控制的方法。关键词：花卉温室系统设计课程设计：目的；在应用系统设计中，软件、硬件紧密相关。多用硬件可减轻CPU负担，提高工作速度。多用软件可降低成本，但软件人员的工作量增大。对于一个应用系统，有些部分必须由硬件完成，有些部分必须由软件完成，对于软、硬件都可完成的交叉部分，应根据具体情况选择最佳方案，以达到最佳性能价格比意义； 程序应该采用结构模块化设计。这不仅有利于程序的进一步扩充，而且也有利于程序的修改和维护。操作性能好，使用方便具有一定的保护措施系统应设计一定的检测程序，例如状态检测和诊断程序，以便系统发生故障时，便于查找故障部位。对于重要的参数要定时存储，以防止因掉电而丢失数据提高程序的执行速度给出必要的程序说明目录第一章 设计概述 1.1 课题背景  11.2 立题的目的和意义  1 1.3 花卉设施栽培简介  1.3.1 温室的分类  1 1.3.2 花卉生长与环境因素的关系  1第二章 花房温湿度控制系统的总体分析与设计  2.1 花房温湿度控制系统的组成和工作原理  2 2.2 报警电路 22.3 按键电路 22.4 温度检测电路 22.4.1 DS18820的存储结构和控制步骤 32.4.2 温度数据的处理方法 42.5 液晶显示模块 52.6 恒温保持控制模块 6第三章 系统软硬件的设计处理3.1 系统的硬件设计 6 3.1.1. 系统硬件的构成 63.2 系统软件的设计 7第四章 心得体会 8 参考文献 10附录 11第一章 设计概述1.1课题背景随着农业现代化的发展，设施园艺工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，己越来越受到世界各国的重视。这也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。我国的现代化温室是在引进与自我开发并进的过程中发展起来的。1.2立题的目标及意义温室是观赏植物栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类观赏花卉对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，以提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制温室环境。控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。先编制出温室花卉各生育阶段最适环境条件的管理程序表，存储于电子计算机的记忆装置中，电子计算机根据程序表确认、修正各栋温室内的参数，并给终端控制系统指令。终端控制设备向中央控制装置输送检测信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现温室环境调节。该系统可自动控制加热、降温、通风。根据需要，通过按键将温度信息输入MCU，根据情况可随时调节环境。温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。 本文将使用8051型单片机对温度及湿度控制的基本原理实例化，利用现有资源设计一个实时控制花房内的温度及湿度的花房温湿度控制系统。目的是利用毕业设计的这段时间学习一种利用8051型单片机对花房温湿度进行控制的方法。1.3花卉设施栽培简介1.3.1 温室的分类温室的种类繁多，我国各地区常见的温室大多根据不同用途、不同温度、种植花木的种类、 覆盖材料、建筑结构等进行分类。 （一）根据用途分类 根据温室不同的作用可分展览温室、繁殖温室、盆花温室、切花温室、促成温室等。 （二）根据室内温度分类 根据温室内温度的高低可分高温温室、中温温室、低温温室等。（三）根据覆盖材料分类 根据温室的覆盖材料可分玻璃温室、塑料薄膜温室、聚碳酸酯中空板、波瓦板温室等。温室的分类方法多样，在此就不一一赘述。1.3.2花卉生长与环境因素的关系（一）温度影响花卉的发育状况  温度不仅影响花卉种类的地理分布，而且还影响各种花卉生长发育的每一过程和时期。如种子或球根的休眠、茎的伸长、花芽的分化和发育等，都与温度有密切关系。同一种花卉的不同发育时期对温度有不同的要求，即从种子发芽到种子成熟，对于温度的要求是不断改变的。 以一年生花卉来说，种子萌发可在较高温度中进行，幼苗期间要求温度较低，但以后幼苗渐长到开花结实阶段，对温度的要求逐渐增高。 二年生花卉种子的萌芽在较低的温度下进行，在幼苗期间要求的温度更低，否则不能顺利通过春化阶段，而当开花结实时，则要求稍高于营养生长期的温度。 低温又是很多种子打破休眠期的关键，如在海拔1800米的百花山顶上采收金莲花种子，在常温下于北京露地播种，很少有发芽的，经低温处理后，发芽率可达60%以上。 （二）温度影响花卉的养分积累  白天温度高，有利于光合作用形成碳水化合物；晚上温度低，有利于抑制呼吸作用对碳水化合物的分解。适宜的昼夜温差：热带植物，3-6；温带植物5-7；沙漠植物10以上。 （三）温度影响花芽分化和开花 一些植物必须在气温高于25的条件下进行花芽分化，经过一定低温打破休眠而开花。如杜鹃、山茶、梅、唐菖蒲、晚香玉、美人蕉等。一些植物需在较低温或低温下进行花芽分化。如秋播草花金盏菊、雏菊等。（四）温度影响花色   很多花卉随着温度的升高和光强的减弱其花色变浅。如月季花、大丽花在高温条件下栽培颜色变浅，冷凉处变艳。 （五）极限高温、极限低温可导致植物死亡。骤然的高温与低温对花卉生长和发育也有很大的影响，温度过高低都会使花卉受到损害或死亡。第二章 花房温度控制系统的总体分析与设计2.1花房温度控制系统的组成和工作原理本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成，硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转换、各种信息的显示等；软件主要完成信号的处理及控制功能等。本系统由三大模块组成：主控模块、传感器模块、显示模块；又分六部分组成：控制核心部分、温度数据采集部分、加热装置控制部分、液晶显示部分、按键输入部分和报警提示部分。单片机启动温度采集电路完成温度的一次转换，然后读出转换后的数字量并转化成当前的温度呈现在显示模块中，并将当前的温度与通过按键输入电路设定的保持恒温度数进行比较，以实现温度的控制。还可以通过按键设置温度的上下限值以实现超温或低温报警提示功能。本系统的设计目标要对温度的控制精度达到 01。 2.2 报警电路报警电路采用蜂鸣器作为发声装置，当温度高于设定的上限值或低于下限值，给蜂鸣器送周期为1s，占空比为50的方波，报警的时间可以持续1分钟或等待按键解除报警，这由软件控制实现。2.3按键电路采用2×3的小键盘，键盘的识别可以采用两种方法：行扫描法和行反转法。两种方法都要注意消除按键的抖动。文中采用行扫描法并做成子程序，出口参数为按键的键值。定义键K1设置TH，K2设置TL，K3调高TH或TL，K4调低TH或TL，K5对TH或TL的数值进行确认。2.4 温度检测电路温度检测电路采用智能温度传感器DSl8820，它与单片机相连只需要3线，减少了外部的硬件电路。DSl8820主要性能特点如下：(1)测温的范围为-55125，最大分辨率可以达到00625；(2)电源电压范围为3055V；(3)供电模式：寄生供电和外部供电；(4)封装形式有两种：3脚的TO-92封装和8脚的SOIC封装；(5)可编程的温度转换分辨率，分辨率为912位(包括1位符号位)，由配置寄存器决定具体位数，配置寄存器的格式如表2-1所示。TMR1R0 11111表2-1其中RlR0是用来设定分辨率的，分辨率的定义如表2-2所示。R1R0分辨率温度最大转换时间/ms00993.750110187.510113751112750表2-2由表2-2可以看出，分辨率设定得越高，温度转换所需要的时间就越长，因此应根据实际应用的需要来选择合适的分辨率。本文中选取12位分辨率，每隔1秒检测一次温度。12位分辨率的温度数据值格式如下：当S=0表示测得的温度为正值，当S=l表示测得的温度为负值。2.4.1 DSl8820的存储器结构和控制步骤(一) 存储器结构DSl8820的存储器有高速暂存RAM和非易失性电擦写EEPROM。高速暂存RAM的内容从低字节到高字节9个字节依次为：温度LSB、温度MSB、高温限值字节TH、低温限值字节TL、配置寄存器、保留、保留、保留，最后一个字节是前8个字节的CRC码。EEPROM用来存储TH和TL。（二） DSl8820的控制步骤(1)首先对DSl8820进行复位。由单片机将数据线DQ拉至低电平480-960 s，然后将DQ拉高15-60 s，以便单片机检测到DSl8820送来的低电平响应。然后检测DQ，若DQ仍然为高电平，则复位操作失败，可采用循环的方式再次对其进行复位；若DQ 为低电平，则复位操作成功。(2)DSl8820的ROM操作命令。DSl8820复位后，主机可以发器件ROM的操作命令如读ROM33H、匹配ROM55H、跳过 ROM0CCH，报警搜索4EH等。在单点总线的情况下，可发跳过ROM0CCH操作命令，以节省时间。另外，文中有报警的功能，温度转换后还需要发报警搜索命令，该命令会将最近一次测得的温度值T与高速RAM中的TH或TL作比较，若T>TH或T<TL，则该器件内的报警标志位置位，并对主机发出的报警搜索命令作出响应。 (3)DSl8820的存储器操作命令。如启动温度转换命令44H，写入命令4EH(写入该命令后，紧接着要写入报警上限TH，报警下限TL及配置寄存器字节)，读暂存器RAM的内容命令0BEH(读取将从第一个字节开始一直到第9个字节结束，如仅需要部分字节，主机可以在合适的时刻发复位命令来终止读取)及复制命令48H(把暂存器RAM的第2、3、4字节转存到DSl8820的EEROM中)等。(4)DSl8820的ROM或RAM操作的总线读写时序。对于读时序，首先将DQ拉低并延时1-15s以内(延时时间不能太长)，然后将DQ拉高并延时几个s后再读取DQ的值，读完一位后需要延时45 s以上才能读取下一位；对于写时序，先将DQ拉低10-15s，接着向总线写入数据并延时50s以上，最后将DQ拉高1s以上再进行下一位的写入。2.4.2 温度数据的处理方法从DSl8820读出的两个字节的二进制值温度必须先转换成十进制数值，然后才能将其ASCII码送往LCDl602显示。12位的分辨率，温度是以 00625步进的，由于两个字节的温度采用补码表示，所以先判断读出温度的最高位是0还是1，即判断是正温还是负温，然后对其求补码转化成正温，之后将高字节的低4位和低字节的高4位组成一个字节，这个字节的二进制值不断除以10得出的余数即为温度值的个、十、百位值。若读出的温度数值是负数，显示处理时，在温度数的前面人为显示负号即可。对小数部分的温度只需将低字节的低4位乘以00625，然后对乘积取其小数点后的一位数即可。2.5 液晶显示模块采用的是长沙太阳人电子有限公司生产的SMCl602A。（一）主要技术参数芯片的工作电压4555V，能显示两行，每行显示16个字符，字符的大小为295×435mm。（二） 接口信号说明除电压、背光引脚及8个IO引脚外，主要的控制引脚还有数据命令选择RS引脚，该引脚为高电平时表示IO引脚出现的是数据，该引脚为低电平时表示 IO引脚出现的是命令；读写选择引脚及使能引脚E(该引脚为高电平时对SMCl602A的操作才有效)。 （三）指令说明(1)初始化设置a显示模式设置。指令码：00111000b，用于设置16×2显示，5×7点阵。b显示开关及光标设置。二进制指令码：00000DCB中D位用来控制显示开或关, C位用来控制显示光标，B位控制光标是否闪烁。二进制指令码：000001NS中N位控制读写一个数据后地址指针和光标加或减1，S位控制字符的移动。c数据指针设置。指令码：80H+地址码(0-27H，40H-67H)用于设置数据指针。(2)其他设置。如指令码01H：显示清屏且数据指针清零。（四） LCDl602的初始化步骤(1)延时15ms，写指令38H(不检测忙信号)；(2)延时5ms，写指令38H(不检测忙信号)，上述过程执行两遍，后面的过程每次写指令、读写数据之前均需要检测忙信号；(3)写指令38H：显示模式设置；(4)写指令08H：关闭显示；(5)写指令0lH：清屏且数据指针清零；(6)写指令06H：字符不移动，光标和指针加1；(7)写指令0FH：显示开，光标闪烁。26 恒温保持控制模块选用6V固态继电器作为开关器件，通过控制其断与通的时序从而控制加热器件的工作时长，以实现样品的恒温保持功能。第三章 系统软硬件的处理3.1 系统硬件电路的设计该系统的主要电路原理图如图2-1所示。系统中使用USB口提供5V电源的电路；使用RS232串口通过P30和P31烧写程序的电路；以及使用继电器控制的恒温保持电路等在原理图中并未画出。 图2-13.1.1 硬件的构成该系统硬件主要包括以下几个模块：89C51主控模块、传感器模块、44780显示模块等。其中89C51主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能，传感器完成信号的采样功能，44780显示模块完成字符、数字的显示功能。（一） 主控模块系统采用ATMEI。公司生产的AT89C51单片机，他带有4 kB闪速式存储器、128 B内存，最大工作频率24 MHz，同时，具有32条输入输出线，16位定时计数器，5个中断源，1个串行口。（二） 温度传感器RSY一2BRSY一2B型温湿度仪是采用高分子薄膜湿敏电容为湿敏元件、铂电阻为温敏元件，再配以35位LED显示系统而构成的便携式数字显示温湿度测量仪。该仪器温、湿度量程范围宽、精度高、响应时间短、使用方便，寿命长，是目前温湿度测量仪器中较为理想的产品。RSY一2B与AT89C51的接口电路图如图2-2所示，其中DSl8820工作在外部电源供电方式，单片机89C51采用P2o和DSl8820通信。 图2-2 DSl8820与89C51的连接线路图（三） 44780显示模块本系统采用44780驱动的LCD，HD44780(KS0062)是用低功耗CMOS技术制造的大规模点阵LCD控制器(兼带驱动器)，和4 b8 b微处理器相连，他能使点阵I。CD显示大小写英文字母、数字和符号等丰富的信息，同时有较强的通用性应用，使用方便，用户能用少量元件就可组成一个完整点阵LCD系统，送入相关的数据和指令即可实现所需的显示。44780显示模块有8条数据线，3条控制线，可与微处理器或微控制器相连，通过送入数据和指令，就可使模块正常工作，44780显示模块和89C51单片机连接电路如图2-3所示。 图2-3 44780显示楔决和89C51接口电路图3.2 软件设计该系统软件主要由主程序、中断子程序、数据采集与AD转换子程序、显示子程序、报警子程序等6大模块组成，因为C语言编写的软件易于实现模块化，生成的机器代码质量高、可读性强、移植好，所以本系统的软件采用C语言编写，再Keilvision3 Demo版本的集成开发环境下进行编译连接。（一 ）主程序设计主程序主要完成硬件初始化，子程序调用等功能，主程序流程图如图2-4所示。 图2-4主程序流程图（二） 数据采集子程序设计数据采集与AD转换子程序根据输入参数对相应的模拟信号进行采样、量化及处理，并将相应信号的数值返回主程序。（三） 显示子程序设计显示子程序完成符号、数值的显示输出。（四） 报警子程序主要实现异常情况下控制告警信号输出。如当室内温度升高到某一点时，或湿度低于某一规定值时，音频报警装置会发出不同频率的告警信号，同时相应的指示灯亮(点亮报警指示灯的任务由显示子程序来完成)，以引起工作人员的主意。第四章 总结 本次课程设计我做的课题是基于单片机花卉温室温度控温系统的设计，它是最常见的和最典型的过程控制系统，本设计主要针对MCS-51型单片机在检测相对过程控制方面的应用，分析温度控制系统实例。 单片机对温室温度控制是一种单片机在现实生活中得到应用一个方面，此系统除具有的检测功能外，还有数据处理功能，温度显示功能，温度控制功能等等.系统采用MCS-51系列单片机8031作为控制核心，门控信号由8031内部的计数定时器产生，单位为1。由于单片机的计数频率上限底（12MHz 晶振时约为500KHz），所以需对高频被测信号进行硬件预分频处理，8031则完成运算、控制及显示功能。由于使用了单片机，使整个系统具有极为灵活的可编程性，能方便地对系统进行功能扩展和改进。而本次设计正是鉴于单片机在这方面的优异性能 ,来设计一种用单片机温度控制系统。在学校收集本课题的相关资料，并向老师请教相关问题。并在网上学习和交流,从最基本的做起,慢慢熟悉到熟练我们的工作,把我们所学的和即将学习的运用到实践中去! 通过本次的课程设计设计不仅使我对单片机的知识有了更深的了解，而且锻炼了我的思维能力。虽然在设计过程中，遇到了许多问题，如设计初重点不明确，思绪混乱，经过认真思考和老师及同学的帮助，才使自己思路明确，抓住重点，不懂就问，在很短的时间内系统有序的完成。自我评价： 刚拿到课程设计的题目时，感觉挺难。题目是关于单片机的花卉温室控温系统设计，周一就开始画原理图，一因为刚开始总是会出现这样那样问题。后来通过询问同学，并在图书馆和网络查询资料，最终完成了原理图的设计。周二下午我和同学，讲解了商量并从网上找到相关的问题并对课程设计的格式作了具体要求，我都一一详细记下。周三开始进行程序的设计，经过自己的不断摸索，不断改进，大体上完成了编程。后来在网上查阅资料发现了另外的程序设计方法，便仔细的阅读研究，弄懂了其中的设计思路。于是对自己的设计进行改进，至此完成了课程设计的主要任务。周四完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的单片机设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。这次单片机的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在这次设计中我充分地运用了大学期间所学到的知识。 在我徜徉书海查找资料的日子里，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋；亲手设计电路图的时间里，记忆最深的是每一步小小思路实现时那幸福的心情；为了单片机设计我曾赶稿到深夜，但看着亲手打出的一字一句，心里满满的只有喜悦毫无疲惫。这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。我从资料的收集中，掌握了很多单片机的知识，让我对我所学过的知识有所巩固和提高，并且让我对当今单片机有所了解。在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。 脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。 在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学，更要感谢王承林老师对我们的指导！课程设计成绩评定表院系： 物理与电子工程学院 班级： 接本1 姓名： 宋佳举 学号： 20140343123 项目分值优秀(x90%)良好(90%>x80%)中等(80%>x70%)及格(70%>x60%)不及格(x<60%)评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准平时考核20学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作。学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务。学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设计时间，按期完成各项工作。学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务。学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度。课程设计报告报告内容组织书写20结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰。结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰。结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰。结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；图纸比较工整。内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰。技术水平20设计合理、理论分析与计算正确，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信。设计合理、理论分析与计算正确，文献引用、调查调研比较合理、可信。设计合理，理论分析与计算基本正确，主要文献引用、调查调研比较可信。设计基本合理，理论分析与计算无大错。设计不合理，理论分析与计算有原则错误，文献引用、调查调研有较大的问题。仿真/制作40实验数据准确，有很强的实际动手能力和计算机应用能力。实验数据比较准确，有较强的实际动手能力和计算机应用能力。实验数据比较准确，有一定的实际动手能力。实验数据无大错。实验数据不可靠，实际动手能力差。指导教师签名指导教师评定成绩指导老师评语课程设计成绩指导老师签字2010年 月 日