蔬菜大棚温度控制系统设计.doc
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1、目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 选题背景11.2 国内发展现状及水平11.3 设计目的及意义11.4 本章小结2第2章 系统功能需求分析及方案选择32.1 设计要求32.2 系统的功能需求分析32.2.1 硬件功能需求分析32.2.2 软件功能需求分析42.3 工作原理42.4 控制方案42.4.1 主控制系统方案42.4.2 温度采集系统方案52.4.3 显示模块方案52.4.4 机械控制系统方案52.5 系统控制方案的确定62.6 本章小结7第3章 硬件电路设计93.1主控制器AT89C51单片机电路93.1.1 AT89C51功能介绍93.1.2单片机最小系统电路说明
2、93.2 温度采集电路10 3.2.1 DS18B20基本功能10 3.2.2 DS18B20 的电路连接原理113.3 显示模块电路11 3.3.1 LCD1602基本功能12 3.3.2 显示模块电路连接原理123.4键盘输入模块电路13 3.4.1键盘功能及其电路连接133.5 机械控制电路模块13 3.5.1 降温模块电路14 3.5.2 升温模块电路153.6 蜂鸣器报警电路153.7 电源输入部分163.8 本章小结17第4章 系统软件设计194.1 系统主程序流程194.2 DS18B20测温读取子程序204.3 LCD1602显示子程序214.4 机械控制子程序 214.5 定
3、时器子程序224.6 本章小结23第5章 系统调试与仿真255.1 系统调试255.2 系统仿真255.3仿真结果26第6章 结论27致谢29参考文献31附录33附录1 硬件电路原理图33附录2 元件清单表34附录3 源程序清单35摘要本设计完成了蔬菜大棚温度控制系统的系统设计。系统选用AT89C51单片机作为控制器,利用DS18B20数字温度传感器实时监测大棚当前温度,以加热灯泡和电机作为执行器,进行温度控制。采用Proteus软件绘制系统硬件电路图,以C语言为编程语言,利用Keil平台,完成了系统的软件开发,并进行了仿真。仿真结果表明,控制系统基本能够实现检测温度、降温和升温的功能,特别是
4、以不同的工作模式工作时,通过PWM脉宽调制技术控制的电机以不同的转速工作,满足基本的设计需求。关键词:AT89C51,DS18B20,温度控制ABSTRACTThe design is completed the system design vegetable greenhouse temperature control system. AT89C51 microcontroller as the controller system selected, using digital temperature sensor DS18B20 real-time monitoring greenhous
5、e current temperature, heating lamp and motors as actuators for temperature control. Proteus uses software rendering system hardware circuit, with C language programming language, using Keil platform to complete software development system, and simulation. The simulation results show that the contro
6、l system is basically possible to detect the temperature, cooling and heating function, especially in the different operating modes of work, by a motor control PWM pulse width modulation technology work at different speeds to meet the basic design requirements.Keywords: AT89C51 , DS18B20 , temperatu
7、re control第1章 绪论1.1 选题背景在生活中,能量对于所有生物的重要性不言而喻,而温度则是能量的一个很重要的体现,所有生物跟温度都有着密不可分的关系。自从第一次工业革命以来,温度的控制对于工业的发展有着十分重要的作用,可以说掌控了温度,就掌控了工业发展的命脉。中国是个农业大国,而有农作物的生长跟温度有很大的关系,因此可以说温度的控制在农业的生产中也十分重要。限制我国农业发展的两个难题是耕地面积少和气候条件复杂,虽然说中国地大物博,但人口众多,耕地面积少,加上日益破坏严重的环境,人均占有的耕地面积就更少,这极大的制约了我国农业的发展。温室大棚技术的出现就是其中一个解决这两个难题的好方
8、法。温室大棚通过温度控制建立一个适合农作物生长的人工气候环境,从而大大提高农作物产量。同时,温室大棚几乎可以建立在任何地方和任何环境,不用考虑地理因素和和环境因素,因此可以很好的解决制约农业发展中耕地面积少和气候条件差这两个难题,为农业的发展带来巨大的贡献。1.2 国内发展现状及水平随着生活水平不断提高,人们在解决温饱之后对生活的质量也有很高的要求,对绿色食物尤其是蔬菜的需求就在不断的增加。传统的农业生产带有很强季节性,即蔬菜的产量跟季节或自然环境有很大的关联,当季节不适合或自然环境不好时,其产量将大大降低,这就不能满足人们的需求,而蔬菜大棚的出现则能很好的解决这一难题。蔬菜大棚的主要技术核心
9、之一是温度控制,目前我国最常用的蔬菜大棚温度控制的方法是通过人工在蔬菜大棚内装上温度计,然后通过读取温度计上显示的温度值得到大棚的当前温度,再把得到的当前温度与设定温度进行比较,看当前温度是过高还是过低,然后再进行相对应的降温还是升温10。这种人工监控方法不仅费时费力,成本高,而且误差大,随机性大,其调节措施也有很大的局限性。因此,我们需要一种造价低廉、测量准确以及控制方便的温度控制系统来解决这些难题。1.3 设计目的及意义单片机控制技术的出现为我们解决蔬菜大棚中温度控制的难题提供了很好的思路。单片机在现代的控制领域中被称之为小电脑,被越来越多的应用到现代的生活中13。在蔬菜大棚中进行温度控制
10、时,采用单片机来控制温度的自动控制系统,其具有可靠性高、精度高、功能强以及造价低廉等的优点,这些优点可以大幅度提高被控温度的各项技术指标,给蔬菜提供一个适合生长的环境,从而大大提高蔬菜的生产质量和数量1。除此之外,在传统的大棚中,电机的转速在不同的温度下其转速都是一样的,当温度超过上限设定温度但不是很高的时候基本不会出现问题。但温度超过上限设定温度很多时,如果电机还是以较慢的转速开始工作,则会因为降温不及时而导致蔬菜生长受到影响。考虑到传统蔬菜大棚的这一缺陷,在本设计中运用PWM脉宽调制技术控制电机的转速2,避免出现上述提到的问题。同时,自动控制也将节省大量的人力和财力,给农民带来更高的收入。
11、因此,采用单片机控制蔬菜大棚温度的自动控制系统比传统的人工控制具有不可比拟的优势,它为现代农业的发展提供了强大的技术支持,并指明了方向。本文的组织结构如下:在第二章中分析了控制系统的硬件和软件功能需求,提出问题。在第三章内容中分模块进行电路设计,完成系统的总体电路设计。在第四章中根据系统流程图完成系统的软件开发。第五章运用Proteus软件和Keil程序编写软件对系统硬件和软件进行仿真并分析仿真结果。第六章中是整个设计的结论,并对论文进行总结。1.4 本章小结本章节首先给出此次设计的选题背景和国内发展现状及水平,说明蔬菜大棚存在的问题,然后通过设计目的及意义阐明研究问题的技术要点和方向,为下一
12、步的系统功能需求分析和方案选择打好基础,并在本章节的最后给出论文的结构。第2章 系统功能需求分析及方案选择完整的控制系统一般包含了多个部分的电路,每一部分电路可以由多种方案实现,但每一种方案在实现所需要的功能时,其电路在精确度、复杂程度、可行性分析等方面都各有所不同。为了使整个系统电路变的简单,制作成本低,精准度高,可行性好,本章将对整个系统的电路进行拆分,依次对每一部分电路的选择方案进行论证,使用最优的方案达到最优控制的目的。2.1 设计要求本次设计需要设计一个蔬菜大棚温度控制系统,其具体要求如下:蔬菜大棚设定的初始上下限温度值分别为30和20,也可以由人为调控设定,并通过显示器显示出上下限
13、温度值和实时温度值,其最小的区分度为1。当实时温度在上下限温度之间时,表示系统温度处于正常状态,机械控制模块不工作;当实时温度高于上限温度时,蜂鸣器发出声音进行报警,机械控制模块控制降温设备进行散热降温,同时要求当实时温度超过上限温度越多,散热越快。当温度回降到上下限的中间值即25时,降温设备停止工作。当实时温度低于下限温度时,蜂鸣器发出声音进行报警,机械控制模块控制升温设备进行加热升温;当温度回升到上下限的中间值即25时,升温设备停止工作。2.2 系统的功能需求分析系统的功能需求分析包括硬件功能需求分析和软件功能需求分析。根据设计要求和系统的功能需求分析,得到系统的功能需求。2.2.1 硬件
14、功能需求分析首先,需要选择一个主控制器来进行数据的检测和处理,在大棚温度控制的过程中需要加热以及散热,所以在硬件系统中需要一个加热灯泡和电风扇,电风扇用电机代替。当通过主控制器检测到温度低于设定的温度下限时,则启动加热灯泡开始对空气温度进行加热升温,让系统的温度保持在所设定温度上下限值的范围内。在此过程中用到的温度传感装置为DS18B20,主控制器通过接收传感器传回的温度数据,判断是否在所设定温度上下限值的范围内。在本设计中当温度超过设定温度上限越多,电机转动的越快,这就需要控制电机速度2,根据电机所学知识,电机的转速与施加在电机两端的电压大小成正比,但是电机在接入电压后转速不会立即到最大值,
15、而使在经过一段时间的加速后才会到达当前电压下的最大转速。在电机的速度控制程序中,通过控制输出高低电平占空比进而控制电机两端的平均电压,即通过PWM脉宽调试改变电机输入电压的占空比来实现的。2.2.2 软件功能需求分析软件就是对主控制器的编程,在软件编写的过程中以软件流程图为依据,然后根据硬件系统的设计要求按步编写。系统开始运行后,主控制器将检测到的温度信息进行分析,检测温度是否在所设定温度上下限值的范围内,若不在则主控制器与加热灯泡或电机相连的引脚输出高电平,使加热灯泡或电机工作开始对空气温度进行升温或降温。同时通过程序的编写,让主控制器能输出相应的PWM波信号,完成电机调速的功能。在本设计中
16、用到的温度检测元件是DS18B20温度检测器,这就需要在程序中引入DS18B20的基本读写程序。按照上述对蔬菜大棚温度控制系统要求的分析,通过硬件系统和软件系统的配合工作来达到本设计的控制要求。2.3 工作原理本次设计的蔬菜大棚温度控制系统主要的工作原理过程是:温度采集模块对温度进行采集,在显示模块上显示出来的同时传给主控制模块,通过主控制模块的整合处理,最后通过主控模块输出的电平信号来使机械控制模块进行相对应的工作,使蔬菜大棚的温度达到所要求控制的目标。2.4 控制方案控制方案的选择关系到控制系统的成败,完整的控制方案一般包含了多个小的模块方案,每一小模块方案功能的实现,则控制系统将能完成所
17、需要的功能。为了使整个控制方案合理可行,下面将进行收集分析各模块资料信息的工作,最终选出最合理的控制方案。2.4.1 主控制系统方案随着科技的进步发展,目前常见的的温度控制器有很多种,其中单片机和PLC是最先进的两种,以这两种为主控制系统的设计方案十分符合蔬菜大棚温度自动控制的要求。方案一:单片机控制系统 由于要对系统内的温度进行检测和控制,因此选用AT89C51型号的单片机在控制性能要求上是可以完成主控制任务。AT89C51型号的单片机的电路的连接比较简单,其与其他设备很容易就可以实现双向数据传输交换8。同时,单片机控制系统的优点是单片机的价格便宜,使用灵活;其缺点是单片机的编程比较难,而且
18、必须得到电路板技术的支持。方案二:PLC控制系统PLC的控制方式主要是根据所需求的环境条件,设置目标参数,然后PLC控制器根据已设置的目标参数自动进行相对应的动作,以达到所要完成的自动控制的任务。PLC的控制方式优点是稳定性和可靠性很高,能在各种复杂环境下稳定工作。但是,其缺点也比较明显,就是PLC本身的价格昂贵,类型不同的PLC不能兼容使用,其相对应的编程语言和指令系统也不兼容。综上所述,虽然PLC控制系统能很好的在复杂的环境中工作,其可靠性能也比单片机的要高,但是单片机也能通过编程完成自动控制的目的,而且更加经济实惠。所以,主控制系统选用单片机控制系统,即选择方案一。2.4.2 温度采集系
19、统方案方案一:使用热敏电阻。使用热敏电阻所测量的温度,不能直接显示被测温度,需要进行A/D转换,因此电路设计复杂,而且测温精度低,抗干扰能力差,不利于完成控制任务。方案二:温度采集电路可以使用DS18B20温度传感器。DS18B20温度传感器的精度高,工作稳定性好,具有很好的抗干扰能力,而且价格适中,其测温方式简单,能直接读取被测温度值,不用经过各种复杂的转换。因此,DS18B20温度传感器能很好的完成测温任务。综上所述,采用DS18B20温度传感器的测温电路连接比较简单,而采用热敏电阻之类器件的测温电路比较复杂,测温精度及稳定性也不高,因此测温方式采用方案二的。2.4.3 显示模块方案由设计
20、要求所知在显示器上所要显示的内容为实时温度值和设定的温度上下限值,要完成这个要求就需要合理选择显示器,因此在本小节中将通过对比分析选择大棚温度的显示模块。方案一:采用LED数码管显示。数码管使用简单,但一个数码管只能显示一个字符,要显示多位数据时就要使用多个数码管,这就增加了硬件电路的复杂度和额外功耗,而且LED数码管也无法显示字12。而本次设计显示模块需要显示出实时温度值和设定的温度上下限值,显示内容比较复杂,而LED数码管也无法显示字母,即LED数码管没办法显示这么多的内容,因此排除使用数码管。方案二:采用LCD1602液晶显示。LCD1602液晶具有功耗低,显示内容丰富清晰,显示信息量大
21、,显示速度较快,使用简单等特点且得到了广泛的应用。并且与单片机连接电路简单,容易控制。综上所述,通过以上方案论述且由于LCD1602可以满足本设计的基本要求,因此选择方案二。2.4.4 机械控制系统方案在本次设计中,当系统的温度不在所设定温度范围内时,就需要机械控制系统进行相对应的动作使温度能够维持在所设定的范围内。机械控制系统包括升温模块和降温模块,其中升温设备是使用大功率电灯泡来加热空气温度进行升温,这种升温方式既快捷又方便,所以主要考虑的是降温的方案。降温最简单的方式是打开大棚的天窗进行自然通风,但当温度过高时,自然通风不能达到降温要求时,就需要机械控制通风进行降温,而机械控制通风最好的
22、方式是采用风扇通风。蔬菜大棚温度控制系统是个模拟系统,所以使用电机来代替风扇来进行模拟实验。根据设计要求里的温度越高,降温越快的要求,这就涉及到电机的调速问题。目前,最常应用于调速的电机主要有步进电机和直流电机。根据对电机的分析,就可以选择合适的电机。方案一:采用步进电机。步进电机可以准确的控制电机的转动角度,但是如果控制不当就容易产生共振,难以获得较大的转矩和转速,而且调速范围小,耗电量也大,所以不适合使用在调速系统中。方案二:采用直流电机。直流电机可以在精确控制的情况下得到加大的转矩和较大的转速。同时,直流电机具有调速范围广、易于使用和安装,耗电量低,寿命长,抗干扰能力强等优点,所以被广泛
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