基于单片机的棚内温度控制系统的设计和仿真(编辑修改稿)

基于单片机的棚内温度控制系统的设计和仿真(编辑修改稿)内容摘要：

化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20 做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。 DS18B20 与传统的热敏电阻相比， 它可以直接测量当前环境的温度， 并且可 按照自己的需求采用 编程实现数字 读取。 另外 从 数字温度传感器 DS18B20 读出的 数据 或写入的 数据只 要 一根线就可以完成， 因而使用 DS18B20 可使 设计的硬件电路结 构更 加 简单，可靠性更高。 所以 此 设计中选用 DS18B20 温度传感器， 既 节省了 A/D 转换器， 又 节省了 I/O 输出口，同时误差小，测量准确。 显示电路模块的选择 选择一：采用 12864 液晶模块显示测得的数据。 该显示模块可以显示较多组的数据，字体较大，读数清晰，但 12864 液晶模块价格昂贵，接线复杂。 选择二：采用 LM016L 液晶模块显示所测数据。 LM016L 液晶接线简单方便，也能满足显示需求，而且价格远低于 12864 液晶。 综上所述，显示模块选择选择二。 升温降温模块的选择 根据题目，可以使用电热炉进行加热，控制电热炉的功率即可以控制 加热的速度。 当温度过高时，关掉电热炉打开通风机进行降温处理。 当需要加热时开启电炉关闭通风机。 由于电热炉和通风机的功率较大，考虑到简化电路的设计，我们直接采用 220V 电源。 对升温降温模块有以下两种选择： 选择一：采用继电器控制。 使用继电器可以很容易实现地通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。 继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离。 这种电路无法精确实现电热丝功率控制，电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。 5 选择二： 应用了光 电 耦合器，光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。 它由发光源和受光器两部分组成。 把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此 间用透明绝缘体隔离。 发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端。 其工作 时 ，在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就可以实现电一光一电的转换 ， 从而 把输入和输出的独立开来。 由于光 电 耦合器 把输入和输出相互隔离 ， 使 传输 的电信号只能 单向 传导 ，因而 可以很好实现电路的抗干扰功能和绝缘功能。 另外，为了达到高强的共模抑制功能，在 光电耦合器的输入端加入了电流型的低阻元件。 所以，在 使用到 长线传输信息 的系统 中 把它 作为 一种 终端 的 隔离元件 ， 可以 有效的提高 系统的 信噪比。 在计算机 用到 数字通信 部分和 实时控制 部分时，将其 作为 一种 信号隔离的接口 部 件，可以 有效地提高 计算机 在工作时 的可靠性 通过比较，我们选择选择二。 报警模块的选择 按照设计要求，当温度低于下限或高于上限时，应具有报警功能。 这样就可以用一只蜂鸣器作为三极管 VT1 的集电极负载，当 VT1 导通时，蜂鸣器发出鸣叫声； VT1 截止时，蜂鸣器不发声。 本设计系统的最终方案 根据以上分析，结合器件和设备等因素，确定如下方案： 1. 采用 AT89C51 单片机作为控制器，分别对温度采集、 LCD 显示、温度设定、升温降温等控制。 2. 温度测量模块采用数字温度传感器 DS18B20。 3. 电热炉和通风机控制采用光耦合器控制。 4. 显示用 LCD1602 显示实时温度值。 本设计的工作原理 棚内温度控制 系统能完成数据采集、数据处理、数据显示、参数设定和过限报警等多种功能，由数据采集部分、数据处理部分、显示部分 、 过限报警部分 和温度调控部分等 5个大的部分组成。 该系统具有实时采集（检测 温室内的温度）、实时处理（使所检测的温度值与设定值进行比较分析，决定下一步操作）、实时 报警 （根据处理的结果发出控制指令， 驱动或不驱动报警器工作 ） 和温度调控 （根据处理的结果发出控制指令， 驱动或不驱动调温设备工作 ）的功能。 主要硬件包括温度传感器、 单片机、键盘、 LCD 显示器和报警器 、调温设备 等。 其原理结构图如下图 21 所示。 6 A T 8 9 C 5 1单 片 机显 示 器 模 块降 温 模 块升 温 模 块报 警 模 块复 位 和 晶 振 模 块温 度 采 集 模 块上 下 限 设 定 模 块 图 21 温度自动控制主要组成部分 由图 21 所示，本系统的核心部分是 AT89C51，此芯片是该电路的枢纽。 由它先控制着温度传感器 对温度采集，将采集到的温度转换数字，采集到的温度由 LCD 液晶显示屏显示。 再将采集到的温度与人工设置的哪个范围比较，从而控制 继电器动作 ， 继而控制 加热 设备 和 通风散热设备 作出相应的动作，达到对棚内温度的自动控制。 7 3 棚内温度控制系统的硬件电路设计 本系统的硬件电路设计主要包括单片机 AT89C5振荡和复位电路、温度采集电路、键盘 电路、显示电路，升降温电路与报警电路 ，下面将一一介绍。 AT89C51 单片机 本系统采用 AT89C51 单片机，它是美国 ATMEL 公司生产的低电 压、高性能 CMOS8位单片机，片内含 4KB 的 EPROM 和 128B 的 RAM，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51 指令系统，片内置通用 8 位 CPU 和 FLASH 存储单元，功能强大，可灵活应用于多种控制领域 ，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 振荡电路和复位电路 AT89C51 的 XTAL1 和 XTAL2 引脚分别为单片机内反相放大器的输入和输出端，其频率上限为 23MHz。 这个内部反相器与外部元件组成皮尔斯振荡器， C C2 是 30PF 的电容， X1 没有严格的要求 ，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡工作的稳定性、起振的难易程度，通常选择在 10～ 30PF 之间。 在任何情况下，振荡器都会始终驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号。 时钟发生器的输入是一个二分频触发器，对外部的振荡信号脉冲没有特殊要求，但必须要保证高低电平的最小宽度。 在外接晶振 时，一个机器周期为 1 微秒，一个振荡周期为1/12 微秒。 简单的复位电路包括上电复位和手动复位两种，无论哪一种复位电路都必须要保证在RST 引脚上供应 10ms 以上稳定的高电平。 复位电路包括芯片内和芯片外两部分 ，外部电路产生的复位信号送至斯密特触发器，再经片内复位电路在每个机器周期的 S5P2 时刻对斯密特触发器的输出进行采样，之后得到内部复位操作需要的信号。 本设计中的复位电路，由 C R R6 和按键组成的电平复位，复位端经电阻与 VCC 电源接通。 其连接电路如图 31 所示。 8 图 31 振荡电路和复位电路 温度采集电路 温度采集电路采用美国 DALLAS 半导体公司生产的 DS18B20 型单线智能温度传感器 , 属于新一代适配微处理器的智能传感器。 该传感器适应电压范围宽，可实现高精度测温，检测速度快，测量结果直接以数字温度信号输出，具有极强的抗干扰纠错能力、传输距离长、分辨率强等优点。 DS18B20 在使用时，只需将其信号线与单片机的 1 位 I/O 线相连，且单片机的 1 位 I/O线可挂多个 DS18B20，可以实现单点或多点温度检测。 DS18B20 的 I/O 口属于漏极开路输出，外接上拉电阻后常态下呈高电平。 该器件内含寄生电源，其供电方式可以 选择寄生电源供电，也可以选用外部电源供电。 为方便起见，本系统采用外部电源供电。 本设计DS18B20 的 DQ 与单片机的 端口连接，其连接电路如图 32 所示。 图 32 温度检测电路 键盘电路 基于单片机的温度控制系统工作时应具备以下功能：一、可以切换显示实时温度和温度上下限的值。 二、可以调节温度上下限。 要实现这些功能，可以通过按键输入电路。 键盘结构可分为独立式键盘和行列式键盘（矩阵式）两类，由于本系统只采用 4 个按 9 键，因此可选用独立式按键。 如图 33 所示，电路有四个按键组成，按键采用轻触开关。 图 33 键盘与 AT89C51 单片机的连接 各个按键的功能为： S1：上限上调键（按此键则显示的报警上限增 1） S2：上限下调键（按此键则显示的报警上限减 1.） S3：下限上调键（按此键则显示的报警上限增 1.） S4：下限下调键（按此键则显示的报警上限减 1） 显示电路 显示电路部分采用 LCD 为液晶显示器，由于 LCD 的控制必须使用专用的驱动电路，且 LCD 面板的接线需要采用特殊技巧，再加上 LCD 面板十分脆弱，因此一般不会单独使用，而是将 LCD 面板、驱动与控制电路组合成 LCM 模块一起使用。 该系统采用数 字式的LM016L 显示器，显示器通过电压对其显示区域进行控制。 其接口简单，操作方便。 显示器与单片机连接图如图 34 所示。 LM016L 引脚功能如 表 31 所示。 表 31 LM016L引脚功能表 引脚号 功能或接法 1 接地 2 接 5V正电源 3 对比度调整端 4 寄存器选择 5 读写信号线 ， 高电平时会进行读操作 6 使能端 ，低电平时 液晶模块会执行命令 7~14 88 位双向数据线 10 图 34 显示器与 AT89C51 的连接图 P0 口接上拉电阻时应注意的几点： P0 口作为 I/O 口输出的时 候，输出低电平位 0，输出高电平为高阻态（并非 5V，相当于悬空状态）。 也就是说 P0 口不能真正的输出高电平给所接的负载提供电流。 升温电路和降温电路 本设计采用了光电耦合器控制三极管 ，再 进一步控制继电器线圈，这样做的好处：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。 如图所示 35 所示。 11 图 35 升降温电路 单片机的 和 口控制两个光电隔离的输出口，当单片机输出低电平是发光二极管发光，三极管导通，然 后驱动下一个三极管使之导通，线圈导通后继电器触点接通从而接通通风机或电热炉。 报警电路 报警器是一种为了防止或预防某事件发生造成的后果，以声、光、气压等形式来提醒或者警示操作人员采取某种措施的电子产品。 随着当今科技的发展，机械式报警器正逐渐被先进的电子报警器取代。 报警器常应用于系统故障、交通运输、应急救灾、感。