【正文】 .............................................................. 22 參考文獻(xiàn) .......................................................................... 23 附 錄 ............................................................................ 24 附錄 1： 產(chǎn)品使用說(shuō)明 ......................................................... 24 附錄 2： 元件清單 ............................................................. 24 附錄 3 ： 系統(tǒng)硬件原理圖 ...................................................... 25 附錄 4：軟件程序清單（含注釋?zhuān)? ................................................ 26 致 謝 ............................................................................ 37 江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文（設(shè)計(jì)） 1 緒 論 動(dòng) 植物的生長(zhǎng)都是在一定的環(huán)境中進(jìn)行的，在生長(zhǎng)過(guò)程中受到環(huán)境中各種因素的影響，其中 對(duì)其 影響最大的 就 是溫度。若晝夜的溫度變化很大，其對(duì) 動(dòng) 植物生長(zhǎng)極為不利 ，因此必須對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，使其適合 動(dòng) 植物的生長(zhǎng)，以提高其產(chǎn)量和質(zhì)量。 本 設(shè)計(jì) 就是對(duì) 養(yǎng)殖場(chǎng) 內(nèi)溫度 控制要求進(jìn)行分析 ，綜合考慮系統(tǒng)的精度、效率以及經(jīng)濟(jì)性要求多方面因素之后，設(shè)計(jì)一種基于 單片 機(jī)的 養(yǎng)殖 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控，使其溫度控制在設(shè)定值的某個(gè)范圍內(nèi)，同時(shí)可以通過(guò)按鍵輸入設(shè)定溫度等 控制指令，完成監(jiān)控系統(tǒng)的工作?；诖?，本課題的主要研究?jī)?nèi)容有以下幾個(gè)部分 : [1] 溫度控 制 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)部分 該部分主要研究養(yǎng)殖場(chǎng)溫度控制的實(shí)現(xiàn)原理，確定溫度控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，給出硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，完成硬件各部分元器件的選擇等。 [2] 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分 該部分主要完成單片機(jī)基本電路 (時(shí)鐘、復(fù)位電路等 )、數(shù)據(jù)采集 電路、顯示輸出接口、按鍵輸入接口、繼電器控制等模塊電路的設(shè)計(jì)，最后給出總原理圖的設(shè)計(jì)。 [3] 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)部分 此部分主要完成主服務(wù)程序、溫度采集與處理、按鍵輸入溫 度設(shè)定、溫度顯示、繼電器控制等程序模塊的設(shè)計(jì)。 [4] 系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn) 該部分主要是從硬件與軟件兩個(gè)方面探討系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，采用分步焊接與調(diào)試，并 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)分析，以驗(yàn)證系統(tǒng)所具有的功能。 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的溫度控制目標(biāo)功能如下： (1) 系統(tǒng)能對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行采集和顯示 (現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)溫，軟件記錄 )。 (2) 能通過(guò) 按鍵 設(shè)定 動(dòng)植物 生長(zhǎng)期適宜溫度 并顯示 。 (3) 當(dāng)環(huán)境溫度參數(shù)超過(guò)設(shè)定的上下限值時(shí)控制相應(yīng)的 設(shè)備 啟動(dòng)。 (4) 可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度信息，并加以控制。 (5）能分辨出的最小溫度 ℃。 江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文（設(shè)計(jì)） 2 統(tǒng)方案選擇和論證 題目要求 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制對(duì)象為養(yǎng)殖大棚。溫度可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能對(duì)環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，以保持設(shè)定的溫度基本不變。 基本要求 （ 1）溫度設(shè)定范圍為 00℃ ～ 90℃ ，最小區(qū)分度為 1℃ ，標(biāo)定溫度 ≤1 ℃； （ 2）環(huán)境溫度 若需 降低時(shí)（用電風(fēng)扇降溫） ， 溫度控制的靜態(tài)誤差 ≤1 ℃； （ 3）環(huán)境溫度 若需升高 時(shí)（用 加熱器升 溫） ， 溫度控制的靜態(tài)誤差 ≤1 ℃； （ 4） 用十進(jìn)制數(shù)碼管顯示實(shí)際溫度 。 （ 5）測(cè)量溫度時(shí)可在大棚內(nèi)任意設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)。 發(fā)揮部分 （ 1）采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，?dāng)設(shè)定溫度突變（由 40℃ 提高到 60℃ ）時(shí)，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量 ； （ 2）溫度控制的靜態(tài)誤差 ≤ ℃； 功能說(shuō)明 （ 1）加熱器用一千瓦電爐； （ 2）如果采用單片機(jī)控制，允許使用已有的單片機(jī)最小系統(tǒng)板； （ 3）數(shù)碼顯示部分可以使用數(shù)碼顯示模塊； 江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文（設(shè)計(jì)） 3 系統(tǒng)基本方案 根據(jù)題目要求 系統(tǒng)模塊 可以劃分 為： 溫度測(cè)量 模塊，顯示 電路 模塊， 設(shè)定溫度模塊，加熱 模塊， 控制 模塊 和降溫模塊，系統(tǒng)的框圖如圖 11所示。 圖 11 系統(tǒng)方框圖 各模塊電路的方案選擇及論證 為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行論證。 （ 1）控制器模塊 根據(jù)題目要求，控制器主要用于對(duì)溫度測(cè)量信號(hào)的接受和處理、控制加熱絲和風(fēng)扇使控制對(duì)象滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求、控制顯示電路對(duì)溫度值實(shí)時(shí)顯示以及控制鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度值的設(shè)定等。對(duì)控制器的選擇有以下三種方案： 方案一： 采用 FPGA 作為系統(tǒng)控制器。 FPGA 功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用 EDA 軟件仿真、調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。 FPGA 采用并行的 I/O 口方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制核心。由溫度傳感器送來(lái)的溫度信號(hào)，經(jīng) FPGA 程序?qū)ζ溥M(jìn)行處理，控制加熱或降溫裝置動(dòng)作。但由于本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求不高， FPGA 的高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，并且其成本偏高，引腳較多，硬件電路布線(xiàn)復(fù)雜。 方案二： 采用模擬運(yùn)算放大器組成 PID 控制系統(tǒng)。對(duì)于溫度控制是足夠的，但要附加顯示、溫度設(shè)定等功能，要附加許多電路，硬件電路稍顯麻煩。 控制部分 測(cè)溫部分 鍵盤(pán)（設(shè)定溫度） 顯示電路 加熱裝置 降溫裝置 Output Input 江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文（設(shè)計(jì)） 4 方案三： 采用 ATMEL 公司的 AT89C52 作為系 統(tǒng)控制器。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)。 基于以上分析擬訂方案三，由 AT89C52 作為控制核心，對(duì)溫度采集和實(shí)時(shí)顯示以及加熱裝置進(jìn)行控制。 （ 2）加熱和降溫裝置控制模塊 根據(jù)題目要求，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，可以使用電熱爐進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，關(guān)掉電熱爐開(kāi)啟風(fēng)扇進(jìn)行降溫處理。對(duì)加熱和降溫裝置控制模塊有以下兩種方案： 方案一： 采用可控硅來(lái)控制?？煽毓枋且环N半控器件，應(yīng)用于交流電的功率控制有兩種形式：控制導(dǎo)通的交流周期數(shù)達(dá) 到控制功率的目的；控制導(dǎo)通角的方式控制交流功率。該方案電路稍復(fù)雜，需使用光耦合驅(qū)動(dòng)芯片以及變壓器等器件。但該方案可以實(shí)現(xiàn)功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，因此響應(yīng)速度快，控制精度也高。 方案二： 采用繼電器控制。使用繼電器可以很容易實(shí)現(xiàn)通過(guò)較高的電壓和電流，在正常條件下，工作十分可靠。繼電器無(wú)需外加光耦，自身即可實(shí)現(xiàn)電氣隔離。這種電路 無(wú)法精確實(shí)現(xiàn)功率控制，只能工作在最大功率或零功率，對(duì)控制精度將造成影響。 基于以上分析以及現(xiàn)有器件限制選擇方案二，采用繼電器控制省去光耦和交流過(guò)零檢測(cè)電路，只需在軟件上選用適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，同樣?以達(dá)到較好的效果。 （ 3）溫度采集模塊 題目要求溫度靜態(tài)誤差小于等于 ℃，溫度信號(hào)為模擬信號(hào)，本設(shè)計(jì)要對(duì)溫度進(jìn)行控制和顯示，所以要把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。該溫度采集模塊有以下三種方案： 方案一： 利用熱電阻傳感器作為感溫元件，熱電阻隨溫度變化而變化，用儀表測(cè)量出熱電阻的阻值變化，從而得到與電阻值相應(yīng)的溫度值。最常用的是鉑電阻傳感器，鉑電阻在氧化介質(zhì)中，甚至在高溫的條件下其物理，化學(xué)性質(zhì)不變。由鉑電阻阻值的變化經(jīng)小信號(hào)變送器 XTR101 將鉑電阻隨溫度的變化轉(zhuǎn)換為 4～ 20mA 線(xiàn)性變化電流，再將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓 信號(hào)，送到 A/D 轉(zhuǎn)換器 ADC0809，即將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。該方案線(xiàn)性度優(yōu)于 ％。 方案二： 采用溫度傳感器 AD590K。 AD590K 具有較高精度和重復(fù)性，良好的非線(xiàn)性，保證177。 ℃的測(cè)量精度，加上軟件非線(xiàn)性補(bǔ)償即可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。 AD590 將溫度轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，因此要加相應(yīng)的調(diào)理電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。送入 8 位 A/D轉(zhuǎn)換器，基本滿(mǎn)足題目要求。 江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文（設(shè)計(jì)） 5 方案三： 采用 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。 DS18B20 無(wú)需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量，可直接與單片機(jī)通信，讀取測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，電路簡(jiǎn)單。 DS18B20 與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。從 DS18B20 讀出的信息或?qū)懭?DS18B20 的信息僅需要一根口線(xiàn)（單線(xiàn)接口）讀寫(xiě) ,因而使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。 它 在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面帶來(lái)了令人滿(mǎn)意的效果。 基于以上分析和現(xiàn)有器件所限，溫度采集模塊選用方案三。 （ 4）鍵盤(pán)與顯示模塊 根據(jù)題目要求，溫度要由人工設(shè)定，并能實(shí)時(shí)顯示溫度值。對(duì)鍵盤(pán)和顯示模塊有下面兩種方案： 方案一： 采用液晶 顯示屏和通用矩陣鍵盤(pán)。液晶顯示屏（ LCD）具有功耗小、輕薄短小無(wú)輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫(huà)面效果好，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但由于只需顯示四位溫度值，信息量比較少，且由于液晶是以點(diǎn)陣的模式顯示各種符號(hào)，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫(kù)，編程工作量大，控制器資源占用較多，其成本也偏高。 方案二： 采用四位一體的 LED 八段數(shù)碼管分別顯示溫度的十位、個(gè)位和小數(shù)點(diǎn)后兩位。按鍵采用單列 3 按鍵進(jìn)行溫度設(shè)定。數(shù)碼管具有低能耗、低壓、壽命長(zhǎng)，對(duì)外界環(huán)境要求較低。同時(shí)數(shù)碼管采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，程序編譯容 易，資源占用較少。 根據(jù)以上論述，采用方案二。本系統(tǒng)中，采用了數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示，節(jié)省單片機(jī)的內(nèi)部資源。 系統(tǒng)各模塊的最終方案 根據(jù)以上分析，結(jié)合器件和設(shè)備等因素，確定如下方案： (1)采用 AT89C52 單片機(jī)作為控制器，分別對(duì)溫度采集、 LED 顯示、溫度設(shè)定、加熱裝置和降溫裝置控制。 (2) 溫度測(cè)量模塊采用 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。此器件經(jīng)軟件設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)高分辨率測(cè)量。 (3)電熱絲和風(fēng)扇采用繼電器控制，實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單實(shí)用，加上溫度變化緩慢可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文（設(shè)計(jì)） 6 (4) 顯示用 LED 數(shù)碼管顯示 實(shí)時(shí)溫度值，用 ENTER（確定）、 UP（上調(diào)）、 DOWN（下調(diào)）三個(gè)單鍵實(shí)現(xiàn)溫度值的設(shè)定。 CPU（ AT 89C52）首先寫(xiě)入命令給 DS18B20，然后 DS18B20 開(kāi)始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后通過(guò) 89S52 來(lái)處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理后的結(jié)果就顯示到數(shù)碼管上。 另外由鍵盤(pán)設(shè)定溫度值送到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)處理發(fā)出溫度控制信息到繼電器。 DS18B20 可以被編程，所以箭頭是雙向的 。 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖如圖 12 所示。 圖 12 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖 本章小結(jié) 本章通 過(guò)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)溫度控制器的功能要求進(jìn)行分析，并對(duì)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的各部分功能進(jìn)行方案論證與比較，最后給出總體方案設(shè)計(jì)思路。為第二章系統(tǒng)硬件電路原理圖的設(shè)計(jì)做了有力的鋪墊。 Output 四位一體 LED數(shù)碼管顯示 繼電器（風(fēng)扇，加熱器） DS18B20 鍵盤(pán)輸入（上調(diào)，下調(diào)，確定） AT89C52 Input 江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文（設(shè)計(jì)） 7 系統(tǒng) 硬件 模塊關(guān)系 本系統(tǒng)的執(zhí)行方法是循環(huán)查詢(xún)執(zhí)行的，鍵盤(pán)掃描也是用循環(huán)查詢(xún)的辦法，由于本系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不是很高，所以沒(méi)有用到中斷方式來(lái)處理。 各模塊關(guān)系圖如圖 21 所示。 圖 21 系 統(tǒng) 硬件 模塊關(guān)系 圖 主要單元電路的設(shè)計(jì) 溫度采集部分設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用 單總線(xiàn)可編程溫度傳感器 DS18B20 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集和轉(zhuǎn)換， 直接輸出數(shù)字量，可以直接和單片機(jī)進(jìn)行通訊， 大大簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜度 。 DS18B20 應(yīng)用廣泛，性能可以滿(mǎn)足題目的設(shè)計(jì)要求。 DS18B20 的測(cè)溫電路如圖 22所示。 初始化模塊 DS18B20測(cè)得溫度值，存入到 BUFFER 處理溫度值，換成 BCD碼 溫度顯示模塊 鍵盤(pán)掃描模塊（有無(wú)確定鍵按下） 繼電器控制模塊 江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文（設(shè)計(jì)） 8 圖 22 DS18B20測(cè)溫電路 （ 1） DS18B20 的測(cè)溫功能的實(shí)現(xiàn) DS18B20 測(cè)溫功能的實(shí)現(xiàn)主要是依靠編程。 當(dāng) DS18B20 接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn) 換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以 16 位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的 0， 1 字節(jié)。單片機(jī)可通過(guò)單線(xiàn)接口讀