【正文】 .............................................................. 22 參考文獻 .......................................................................... 23 附 錄 ............................................................................ 24 附錄 1： 產(chǎn)品使用說明 ......................................................... 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） ................................................ 26 致 謝 ............................................................................ 37 江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術學院論文（設計） 1 緒 論 動 植物的生長都是在一定的環(huán)境中進行的，在生長過程中受到環(huán)境中各種因素的影響，其中 對其 影響最大的 就 是溫度。若晝夜的溫度變化很大，其對 動 植物生長極為不利 ，因此必須對溫度進行監(jiān)測和控制，使其適合 動 植物的生長，以提高其產(chǎn)量和質(zhì)量。 本 設計 就是對 養(yǎng)殖場 內(nèi)溫度 控制要求進行分析 ，綜合考慮系統(tǒng)的精度、效率以及經(jīng)濟性要求多方面因素之后，設計一種基于 單片 機的 養(yǎng)殖 溫度自動控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)自動監(jiān)控，使其溫度控制在設定值的某個范圍內(nèi)，同時可以通過按鍵輸入設定溫度等 控制指令，完成監(jiān)控系統(tǒng)的工作?；诖耍菊n題的主要研究內(nèi)容有以下幾個部分 : [1] 溫度控 制 系統(tǒng)的總體方案設計部分 該部分主要研究養(yǎng)殖場溫度控制的實現(xiàn)原理，確定溫度控制系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程，進行系統(tǒng)的總體設計，給出硬件系統(tǒng)結構框圖，完成硬件各部分元器件的選擇等。 [2] 系統(tǒng)硬件設計部分 該部分主要完成單片機基本電路 (時鐘、復位電路等 )、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計，最后給出總原理圖的設計。 [3] 系統(tǒng)程序設計部分 此部分主要完成主服務程序、溫度采集與處理、按鍵輸入溫 度設定、溫度顯示、繼電器控制等程序模塊的設計。 [4] 系統(tǒng) 實現(xiàn) 該部分主要是從硬件與軟件兩個方面探討系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，采用分步焊接與調(diào)試，并 對系統(tǒng)進行了相應的試驗分析，以驗證系統(tǒng)所具有的功能。 本系統(tǒng)實現(xiàn)的溫度控制目標功能如下： (1) 系統(tǒng)能對環(huán)境溫度進行采集和顯示 (現(xiàn)場觀溫，軟件記錄 )。 (2) 能通過 按鍵 設定 動植物 生長期適宜溫度 并顯示 。 (3) 當環(huán)境溫度參數(shù)超過設定的上下限值時控制相應的 設備 啟動。 (4) 可實時顯示當前溫度信息，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)技術學院論文（設計） 2 統(tǒng)方案選擇和論證 題目要求 設計并制作一個溫度自動控制系統(tǒng)，控制對象為養(yǎng)殖大棚。溫度可以在一定范圍內(nèi)由人工設定，并能對環(huán)境溫度實現(xiàn)自動控制，以保持設定的溫度基本不變。 基本要求 （ 1）溫度設定范圍為 00℃ ～ 90℃ ，最小區(qū)分度為 1℃ ，標定溫度 ≤1 ℃； （ 2）環(huán)境溫度 若需 降低時（用電風扇降溫） ， 溫度控制的靜態(tài)誤差 ≤1 ℃； （ 3）環(huán)境溫度 若需升高 時（用 加熱器升 溫） ， 溫度控制的靜態(tài)誤差 ≤1 ℃； （ 4） 用十進制數(shù)碼管顯示實際溫度 。 （ 5）測量溫度時可在大棚內(nèi)任意設置一個測量點。 發(fā)揮部分 （ 1）采用適當?shù)目刂品椒?，當設定溫度突變（由 40℃ 提高到 60℃ ）時，減小系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量 ； （ 2）溫度控制的靜態(tài)誤差 ≤ ℃； 功能說明 （ 1）加熱器用一千瓦電爐； （ 2）如果采用單片機控制，允許使用已有的單片機最小系統(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)技術學院論文（設計） 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： 溫度測量 模塊，顯示 電路 模塊， 設定溫度模塊，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 為實現(xiàn)各模塊的功能，分別做了幾種不同的設計方案并進行論證。 （ 1）控制器模塊 根據(jù)題目要求，控制器主要用于對溫度測量信號的接受和處理、控制加熱絲和風扇使控制對象滿足設計要求、控制顯示電路對溫度值實時顯示以及控制鍵盤實現(xiàn)對溫度值的設定等。對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 功能強大，可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，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，并且可應用 EDA 軟件仿真、調(diào)試，易于進行功能擴展。 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)模實時系統(tǒng)控制核心。由溫度傳感器送來的溫度信號，經(jīng) FPGA 程序對其進行處理，控制加熱或降溫裝置動作。但由于本設計對數(shù)據(jù)處理的速度要求不高， FPGA 的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且其成本偏高，引腳較多，硬件電路布線復雜。 方案二： 采用模擬運算放大器組成 PID 控制系統(tǒng)。對于溫度控制是足夠的，但要附加顯示、溫度設定等功能，要附加許多電路，硬件電路稍顯麻煩。 控制部分 測溫部分 鍵盤（設定溫度） 顯示電路 加熱裝置 降溫裝置 Output Input 江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術學院論文（設計） 4 方案三： 采用 ATMEL 公司的 AT89C52 作為系 統(tǒng)控制器。單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、技術成熟和成本低等優(yōu)點。 基于以上分析擬訂方案三，由 AT89C52 作為控制核心，對溫度采集和實時顯示以及加熱裝置進行控制。 （ 2）加熱和降溫裝置控制模塊 根據(jù)題目要求，當溫度過低時，可以使用電熱爐進行加熱，當溫度過高時，關掉電熱爐開啟風扇進行降溫處理。對加熱和降溫裝置控制模塊有以下兩種方案： 方案一： 采用可控硅來控制。可控硅是一種半控器件，應用于交流電的功率控制有兩種形式：控制導通的交流周期數(shù)達 到控制功率的目的；控制導通角的方式控制交流功率。該方案電路稍復雜，需使用光耦合驅動芯片以及變壓器等器件。但該方案可以實現(xiàn)功率的連續(xù)調(diào)節(jié)，因此響應速度快，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現(xiàn)通過較高的電壓和電流，在正常條件下，工作十分可靠。繼電器無需外加光耦，自身即可實現(xiàn)電氣隔離。這種電路 無法精確實現(xiàn)功率控制，只能工作在最大功率或零功率，對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零檢測電路，只需在軟件上選用適當?shù)目刂扑惴?，同樣?以達到較好的效果。 （ 3）溫度采集模塊 題目要求溫度靜態(tài)誤差小于等于 ℃，溫度信號為模擬信號，本設計要對溫度進行控制和顯示，所以要把模擬量轉換為數(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，用儀表測量出熱電阻的阻值變化，從而得到與電阻值相應的溫度值。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，化學性質(zhì)不變。由鉑電阻阻值的變化經(jīng)小信號變送器 XTR101 將鉑電阻隨溫度的變化轉換為 4～ 20mA 線性變化電流，再將電流信號轉化為電壓 信號，送到 A/D 轉換器 ADC0809，即將模擬信號轉換為數(shù)字信號。該方案線性度優(yōu)于 ％。 方案二： 采用溫度傳感器 AD590K。 AD590K 具有較高精度和重復性，良好的非線性，保證177。 ℃的測量精度，加上軟件非線性補償即可以實現(xiàn)高精度測量。 AD590 將溫度轉化為電流信號，因此要加相應的調(diào)理電路，將電流信號轉化為電壓信號。送入 8 位 A/D轉換器，基本滿足題目要求。 江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術學院論文（設計） 5 方案三： 采用 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。 DS18B20 無需其他外加電路，直接輸出數(shù)字量，可直接與單片機通信，讀取測溫數(shù)據(jù)，電路簡單。 DS18B20 與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式。從 DS18B20 讀出的信息或寫入 DS18B20 的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫 ,因而使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結構更趨簡單，可靠性更高。 它 在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面帶來了令人滿意的效果。 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）鍵盤與顯示模塊 根據(jù)題目要求，溫度要由人工設定，并能實時顯示溫度值。對鍵盤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。液晶顯示屏（ LCD）具有功耗小、輕薄短小無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍，可視面積大，畫面效果好，抗干擾能力強等特點。但由于只需顯示四位溫度值，信息量比較少，且由于液晶是以點陣的模式顯示各種符號，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，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、個位和小數(shù)點后兩位。按鍵采用單列 3 按鍵進行溫度設定。數(shù)碼管具有低能耗、低壓、壽命長，對外界環(huán)境要求較低。同時數(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)碼管的動態(tài)顯示，節(jié)省單片機的內(nèi)部資源。 系統(tǒng)各模塊的最終方案 根據(jù)以上分析，結合器件和設備等因素，確定如下方案： (1)采用 AT89C52 單片機作為控制器，分別對溫度采集、 LED 顯示、溫度設定、加熱裝置和降溫裝置控制。 (2) 溫度測量模塊采用 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。此器件經(jīng)軟件設置可以實現(xiàn)高分辨率測量。 (3)電熱絲和風扇采用繼電器控制，實現(xiàn)電路簡單實用，加上溫度變化緩慢可以滿足設計要求。 江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術學院論文（設計） 6 (4) 顯示用 LED 數(shù)碼管顯示 實時溫度值，用 ENTER（確定）、 UP（上調(diào)）、 DOWN（下調(diào)）三個單鍵實現(xiàn)溫度值的設定。 CPU（ AT 89C52）首先寫入命令給 DS18B20，然后 DS18B20 開始轉換數(shù)據(jù)，轉換后通過 89S52 來處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理后的結果就顯示到數(shù)碼管上。 另外由鍵盤設定溫度值送到單片機，單片機通過數(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)的實現(xiàn)框圖如圖 12 所示。 圖 12 系統(tǒng)實現(xiàn)框圖 本章小結 本章通 過對養(yǎng)殖場溫度控制器的功能要求進行分析，并對實現(xiàn)該系統(tǒng)的各部分功能進行方案論證與比較，最后給出總體方案設計思路。為第二章系統(tǒng)硬件電路原理圖的設計做了有力的鋪墊。 Output 四位一體 LED數(shù)碼管顯示 繼電器（風扇，加熱器） DS18B20 鍵盤輸入（上調(diào)，下調(diào)，確定） AT89C52 Input 江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術學院論文（設計） 7 系統(tǒng) 硬件 模塊關系 本系統(tǒng)的執(zhí)行方法是循環(huán)查詢執(zhí)行的，鍵盤掃描也是用循環(huán)查詢的辦法，由于本系統(tǒng)對實時性要求不是很高，所以沒有用到中斷方式來處理。 各模塊關系圖如圖 21 所示。 圖 21 系 統(tǒng) 硬件 模塊關系 圖 主要單元電路的設計 溫度采集部分設計 本系統(tǒng)采用 單總線可編程溫度傳感器 DS18B20 來實現(xiàn)對溫度的采集和轉換， 直接輸出數(shù)字量，可以直接和單片機進行通訊， 大大簡化了電路的復雜度 。 DS18B20 應用廣泛，性能可以滿足題目的設計要求。 DS18B20 的測溫電路如圖 22所示。 初始化模塊 DS18B20測得溫度值，存入到 BUFFER 處理溫度值，換成 BCD碼 溫度顯示模塊 鍵盤掃描模塊（有無確定鍵按下） 繼電器控制模塊 江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術學院論文（設計） 8 圖 22 DS18B20測溫電路 （ 1） DS18B20 的測溫功能的實現(xiàn) DS18B20 測溫功能的實現(xiàn)主要是依靠編程。 當 DS18B20 接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉 換。轉換完成后的溫度值就以 16 位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的 0， 1 字節(jié)。單片機可通過單線接口讀