基于单片机的智能温室大棚温度控制系统设计与仿真

基于单片机的智能温室大棚温度控制系统设计与仿真内容摘要：

制信号 ） [67]； P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如 表 所示： 表 P3 口管脚及功能 卜纪清 ： 基于单片机的智能温室大棚温度控制系统设计与仿真 8 端 口 管 脚 备选功能 RXD 串行输入口 TXD 串行输出口 INT0 外部中断 0 INT1 外部中断 1 T0 记时器 0 外部输入 T1 记时器 1 外部输入 WR 外部数据存储器写选通道 RD 外部数据存储器读选通道 上述 4 个 I/O 口，各有各的用途，在一般情况下， P0 口专用于分时传送低 8 位地址信号和 8 位数据信号， P2 口专用于传送高 8 位地址信号， P3 口根据需要常用于第二功能，真正可供用户使用的 I/O 口是 P1 口和一部分来用做第二功能的 P3 口端线。 (3)存储空间配置和功能： AT89C51 单片机的存储器组织结构可以分为三个不同的存储空间，分别是： ① 64KB 程序存储器 (ROM)，包括片内 ROM 和片外 ROM； ② 64KB 外部数据存储器 (外 RAM)； ③ 256KB(包括特殊功能寄存器 )内部数据存储器 (内 RAM)； (4)三个不同的存储空间用不同的指令和控制信号实现读写功能操作： ① ROM 空间用 MOVC 指令实现只读功能操作，用 PSEN 信号选通读外 ROM； ② 外 RAM 空间用 MOVX 指令实现读写功能操作，用 RD 信号选通读外 RAM，用 WR信号选通写外 RAM； ③ 内 RAM(包括特殊功能寄存器 )用 MOV 指令实现读写和其它功能操作； (5)程序存储器 (ROM)： ROM 空间共 64KB ,其中 60KB 在片外。 地址范围 为 1000H～ FFFFH，无论片内片外， ROM 地址空间是统一 并且 不重叠。 对于有内 ROM 的 AT89C51， EA 应接高电平，复位后先从内 ROM0000H 开始执行程序，当 PC 值超出内 ROM4KB 空间时，会自动转向片外 ROM1000H 依次执行程序； 读 ROM 是以程序计数器 PC 作为 16 位地址指针，依次读 取 相应 的 地址 ROM 中的指令和数据，每读一个字节， (PC)+1→PC ，这是 CPU 自动形成的。 但是有些指令有修改 PC的功能，例如转移类指令和 MOVC 指令， CPU 将按修改后的 PC16 位地址读 ROM。 读外 ROM 的过程： CPU 从 PC 中取出当前 ROM 的 16 位地址，分别由 P0 口 (低 8 位 )和 P2 口 (高 8 位 )同时输出， ALE 信号有效时由地址锁存器锁存低 8 位地址信号，地址锁存 卜纪清 ： 基于单片机的智能温室大棚温度控制系统设计与仿真 9 器输出的低 8位地址信号和 P2口输出的高 8位地址信号同时加到外 ROM16位地址输入端，当 PSEN 信号有效时，外 ROM 将相应地址存储单元中的内容送至数据总线 (P0 口 )， CPU读入后存入指定单元。 需要指出的是， 64KB 中有一小段范围是单片机系统的专用单元， 0003H～ 0023H 是五个中断源中断服务程序入口地址，用户不能安排其它内容。 单片机复位后， (PC)=0000H，CPU 从地址为 0000H 的 ROM 单元中读取指令和数据。 从 0000H 到 0003H 只有 3 个字节，根本不可能安排一个完整的系统程序，而单片机又是依次读 ROM 字节的，因此，这 3 个字节只能用来安排一条跳转指令，跳转到其它合适的地址范围执行真正的主程序。 (6)外部数据存储器 (外 RAM)： 外部数据存储器共 64KB，读写外 RAM 用 MOVX 指令，控制信号是 P3 的 WR 和 RD。 读写外 RAM 的过程：外 RAM16 位地址分到由 P0 口 (低 8 位 )和 P2 口 (高 8 位 )同时输出， ALE 信号有效时由地址锁存器锁存低 8 位地址信号，地址锁存器输出的低 8 位地址信号和 P2 口 输出的高 8 位地址信号同时加到外 RAM16 位地址输入端，当信号有效时，外RAM 将相应地址单元中的内容送至数据总线 (P0 口 )， CPU 读入后存入指定单元。 或当信号有效时，外 RAM 将数据总线 (P0 口分别传送 )上的内容写入相应地址存储单元中。 外部数据存储器主要用于存放数据和运算结果。 一般情况下，只有在内 RAM 不能满足应用时，才接外 RAM。 其最大容量可达 64K 字节，外部数据存储器和内部数据存储器的功能基本相同，但前者不能用于堆栈操作。 必须注意，由于数据存储器与程序存储器全部 64K 地址重叠，且数据存储器的片内外的低字 节地址重叠。 所以，对片内、片外数据存储器的操作使用不同的指令。 对片内 RAM读写数据时，无读写信号 (RD， WR)产生；对片外 RAM 读写数据时，有读写信号产生。 同样对程序存储器和数据存储器的操作也是靠不同的控制信号 PSEN、 RD、 WR 来区分的。 另外，在片外数据存储器中，数据区和扩展的 I/O 口是统一编址的，使用的指令也完全相同。 因此，在系统设计时，必须合理的进行外部 RAM 和 I/O 口的地址分配，并保证译码的唯一性 [8]，如表 所示： 表 端 口 管 脚 备选功能 T2 定时器 T2 外部输 入 WR 外部数据存贮器写选通道 卜纪清 ： 基于单片机的智能温室大棚温度控制系统设计与仿真 10 RD 外部数据存储器读选通道 单片机复位电路 当 AT89C51 系列单片机的复位引脚 RST 出现 2 个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。 如果 RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。 本系统的复位电路如图 所示： 图 单片机复位电路 时钟电路 由 2 个 22pF 的电容和一个 12MHz 的晶体振荡器构成。 在引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体振荡器，就构成了内部震荡方式。 由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生震荡时钟脉冲。 内部震荡方式的外部电路如图 所示： 图 晶振电路 输入通道 多功能农田 温度自动 环境监测系统 温度传感器测温模块设计 温 湿 度是一种最基本的环境参数，日常生活和工农业生产中经常要检测温度 和 湿度。 传统的方式是采用热电偶或热电阻，但是由于模拟温度传感器输出为模拟信号，必须经过 卜纪清 ： 基于单片机的智能温室大棚温度控制系统设计与仿真 11 A/D 转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器接口，使得硬件电路结构复杂，制作成本较高。 近年来，随着科学技术的发展，特别是现代仪器的发展，微型化、集成化与数字化正在 成为传感器的一个重要发展方向。 该 环境监测系统 的温度传感器的选择有两种方案，下面为两种方案的对比与选择： 方案 一： 采用热电阻温度传感器。 热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。 现 在 应用较多的有铂、铜、镍等热电阻 ， 其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。 铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。 缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。 铜电阻的温度系数比铂电阻的温度系数 大，价格 低，也易于提纯和加工。 但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。 在工业中用于 － 50～ 180℃ 测温。 方案二：采用 DS18B20，温度测量范围从 － 55℃ ～ +125℃ ， － 10～ +85℃ 时测量精度为 177。 ℃ ，测量分辨率为 ℃ ，电源电压范围从 ～ 5V。 它支持 “一线总线 ”的数字方式传输，可组建传感器网络。 而且，无需进行线性校正，使用非常方便，接口简单，成本低廉。 与传统的热敏电阻温度传感器不同，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现 9～ 12 位的数字值读数方式，可以分别在 和 750ms 内将温度值转化 9 位和 12 位的 数字量。 它具有体积小、接口方便、传输距离远等特点，内含寄生电源，其系统有如下特点： ① 使用电压为 3V～ 5V，不需要备份电源，可通过信号线供电； ② 送串行数据，不需要外部元件； ③ 零功耗等待； ④ 仅适用一条口线； ⑤ 系统的抗干扰性好，适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备过程控制、测温类消费电子产品等 [910]。 综合比较方案一与方案二，成本相差不多，方案二具有更高的抗干扰能力和 测量 精度，电路结构简单， 所以 选择方案二作为本设计的温度传感器。 美国 DALLAS 半导体 公司生产的 DSl8B20 温度传感器为代表的新型单总线数字式温度传感器， 具有耐磨耐碰，体积小，附加功能强大，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 它 相对于传统温度传感器具有精度高、稳定性好、电路简单、控制方便等特点，并且 具有把温度信号直接转换为串行数字信号的功能。 以其突出优点广泛使用于仓储管理、工农业生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中。 本论文的温度传感器亦将采用数字温度传感器 DS18B20。 (1)DS18B20 的结构 卜纪清 ： 基于单片机的智能温室大棚温度控制系统设计与仿真 12 DS18B20 温度传感器的引脚有三个接口：一个接地口， 一个电源电压接口，一个单数据总线和单片机的一个 I/O 口连接。 具体结构如图 所示。 图 传感器结构图 (2)DS18B20 特性 ① 九位温度读数， 测温范围 为 － 55～ +125℃ ，最大精度 为 ℃ ； ② 全数字温度转换及输出，不需要 A/D 转换， 只通过一条数据线即可实现通信， 无需任何外围硬件 ； ③ 先进的单总线数据通信， 每个 DS18B20 器件上都有独一无二的序列号，所以一条数据线上可以挂接很多该传感器 ； (3)DS18B20 由三个主要数字器件组成： ① 64bit 闪速 ROM； ② 温度传感器； ③ 非易失性温度报警触发器 TH 和 TL。 (4)DS18B20 的测温原理： DS18B20 测量温度时使用特有的温度测量技术，其测量电路框图如图 所示。 卜纪清 ： 基于单片机的智能温室大棚温度控制系统设计与仿真 13 图 测量电路 内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时振荡器的脉冲无法通过门电路。 计数器设置为 55℃ 时的值，如果计数器到达 0 之前，门电路未关闭，则温度寄存器的值将增加，这表示当前温度高于55℃。 同时，计数器复位在 当前温度值上，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。 如果门电路仍然未关闭，则重复以上过程。 DS18B20 测温时，计数门打开， DS18B20 就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。 计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将 55 ℃ 所对应的基数分别置入减法计数器 1 和温度寄存器中，减法计数器 1 和温度寄存器被预置在 55 ℃ 所对应的一个基数值。 减法计数器 1 对低温度系数晶振而产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器 1 的预置值减到 0 时温度寄存器的值 将加 1，减法计数器 1 的预置值将重新被装入，减法计数器 1 重新开始对低温度系数晶振所产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。 斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，所测出的温度通过 I/O 口则传送到液晶上显示出当前的温度。 当温度发生变化时，则对应的测量温度同样也在液晶上显示出来 [11]。 斜率累加器 计数器 =0 计数器 =0 比较 预置 温度寄存器 预置 低温度系数振荡器 高温度系数振荡器 停止 加 1 LSB 设置清除 卜纪清 ： 基于单片机的智能温室大棚温度控制系统设计与仿真 14 本设计用 DS18B20 的外部电源供电方式 在 外部电源供电方式下 ， DS18B20 工作电源由 VDD 引脚接入，此时 I/O 线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个 DS18B20 传感器，组成多点测温系统。 注意：在外部供电的方式下， DS18B20 的 GND 引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是 85℃。 温度传感器测得 农田 内的即时温度，。