毕业设计(论文)-智能温度控制系统设计.doc
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1、 学号_20090605050120 密级_ _ 兰州城市学院本科毕业论文兰州城市学院本科毕业论文 智能温度控制系统设计智能温度控制系统设计 学 院 名 称:兰州城市学院 专 业 名 称:机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名: 指 导 教 师: 教授 二一二年五月 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 I 郑郑 重重 声声 明明 本人呈交的学位论文,是在导师的指导下,独立进行研究工作 所取得的成果,所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知,除文中 已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体,均已在文中
2、以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于 培养单位。 本人签名: 日期: 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 II 摘 要 随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用,以单片机为核心的温度 采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水 平。本设计以保质、节能、安全和方便为基准设计了一套温室控制系统,能实 现温度的自动调节及其控制。整个系统核心为单片机AT89C51。该温度系统采用 温度传感器DS18B20来获得当前温度,并以数字信号的方式传送给单片机。采集 的温度与从4X4矩阵键盘输入的温度值进行比较,并通过LED显示器显示出来。 如果采集温度低于
3、设置温度,系统将通过继电器模块自动控制升温;如果采集 温度高于设置温度,系统将通过继电器模块自动控制降温。 关键词:单片机 AT89C51;温度传感器 DS18B20;LED 显示器;键盘 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 III ABSTRACTABSTRACT with the rapid development and wide application of computer measurement and control technology, research and application of temperature acquisition and contr
4、ol system based on MCU by raising the temperature to control the level of production and life in the very great degree. This design with quality, energy saving, safety and convenience for reference to design a set of greenhouse control system, automatic control can realize temperature and its contro
5、l. The systems core is the single chip microcomputer AT89C51. The temperature system uses temperature sensor DS18B20 to get the current temperature, and digital signals transmitted to the microcontroller. The collection of temperature are compared with those from the 4X4 matrix keyboard input temper
6、ature value, and through the LED display. If the acquisition of temperature below the set temperature, the system will automatically control the heating by the relay module; if the acquisition of temperature is higher than the set temperature, the system will automatically control cooling through th
7、e relay module. KeywordsKeywords: microcontroller AT89C51; temperature sensor DS18B20; LED display; keyboard. 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 IV 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 选题背景与意义.1 1.2 设计任务及要求.1 1.2.1 设计任务.1 1.2.2 设计要求.1 1.3 智能温度控制系统的发展趋势.2 第二章第二章 选题简介及系统设计方案选题简介及系统设计方案3 2.1 选题简介.3 2.2 系统设计方案.3 第三章第三章 硬件的选择
8、及设计硬件的选择及设计5 3.1 器材选用分析.5 3.1.1 单片机的选择.5 3.1.2 温度传感器的选择.9 3.1.3 显示器的选择.16 3.1.4 键盘的选择.17 3.1.5 存储设备.17 3.2 硬件的设计.18 3.2.1 数据采集模块.18 3.2.2 主控模块.20 3.2.3 温度控制模块.20 3.2.4 人机接口.21 3.2.5 测量方法.21 第四章第四章 软件的设计软件的设计23 4.1 软件的设计的主流程.23 4.2 温度采集子程序.24 4.3 温度显示子程序.25 4.4 温度比较子程序.25 结结 论论27 致致 谢谢28 参考文献参考文献29 兰
9、州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 V 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统设计1 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 选题背景与意义选题背景与意义 为满足日益增长的蔬菜市场需求, 提高人民的生活水平, 现代农业生 产中大量采用温室进行蔬菜等农作物培育。其中温度监测是控制作物生长的 关键因素, 由于不同温室中的农作物生长所需要的温度不同且要求稳定在一 定的温度范围内。仅仅是依靠人工管理存在温度调节不及时、不准确, 影响 作物生长及人力资源浪费等问题。因此要求有一种能对温室温度的检测具有 足够精度和实时控制的温度控制系统来代替人工操作, 并尽可
10、能具有较低成 本, 这样的产品才有实用价值。 本文所设计的的温室智能温度控制系统采用基于 DS18B20 具有多点温度监 测控制、能对异常情况进行记录并可调用历史数据进行分析的优点, 能满足作 为温室温度监测控制系统要求。并且采用的一总线温度传感器 DS18B20 可以直 接输出数字量, 不需要 A/D 转换, 与微处理器容易接口, 能够有效的解决 硬件电路复杂, 软件调试复杂的问题。本文还包括自动升温系统和自动降温系 统。 1.21.2 设计任务及要求设计任务及要求 1.2.11.2.1 设计任务设计任务 现代社会生活中,多功能的数字温度计可以给我们的生活带来很大的方便; 支持“一线总线”接
11、口的温度传感器简化了数字温度计的设计,降低了成本; 以美国MAXIM/DALLAS半导体公司的单总线温度传感器DS18B20为核心,以国产的 STC12C5A60S2为控制器设计的DS18B20温度控制器结构简单、测温准确、具有一 定控制功能的智能温度控制器。 此次设计,就是用单片机实现温度控制,传统的温度检测大多以热敏电阻 为温度传感器,但热敏电阻的可靠性差,测量温度准确率低,而且必须经过专 门的接口电路转换成数字信号才能由单片机进行处理。本次采用DS18B20数字温 度传感器来实现基于单片机AT89C51的数字温度计的设计。 1.2.21.2.2 设计要求设计要求 兰州城市学院机械设计制造
12、及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计2 设计一种温度测控装置,可以实现对温度的测量,并能根据设定值对环境 温度进行调节,实现控温的目的。 1.31.3 智能温度控制系统的发展趋势智能温度控制系统的发展趋势 单片机具有体积小、功耗低、价格便宜等优点,今年来还开发了一些以单 片机母片(如8051),在片中嵌入更多的专用型单片机,因此单片机在计算机 控制领域中应用越来越广泛。 单片机的应用意义不仅带来的巨大经济效益。更重要的意义还在于单片机 的应用正从根本上改变着传统的抗争系统设计思想和设计方法。从前必须由模 拟电路或数字电路实现的大部分功能,现在已能用单片机通过软件的方法实现。 这
13、种以软件取代硬件并提高系统性能的控制技术,称之为微控制技术。微控制 技术标志着一种全新概念的出现,是对传统控制技术的一次革命。随着单片机 应用的推广和普及,微控制技术必将不断发展,日益完善。 温度是工业控制对象中主要的被控参数之一,特别是在冶金,化工, 建材,食 品加工,机械制造等各类工业中广泛使用加热炉,热处理炉,反应炉等。这些技术 高精度高的自动控制可以使用计算机来完成。但由于在工业生产中,生产的对 象往往是复杂多变的,都用计算机控制可能增加生产成本,因此为了能够满足 人们的生产需要,在很多生产控制中就运用到了单片机控制下面就是运用单片 机控制元件生成的推舟设计系统。 兰州城市学院机械设计
14、制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计3 第二章第二章 选题简介及系统设计方案选题简介及系统设计方案 2.12.1 选题简介选题简介 一般农作物的白天温度在 32 度,夜间最低也要 12 度(特殊天气时短时更 低的温度也可)。关于高温的上限有的可短时达 55 度高温,温室大棚的温度范 围分为:种植作物期间和没有种植作物的期间温度的上下限,一般来说种植作 物时大棚内的温度应该控制在最低平均温度为 12 度以上(这样不破坏根系的生 长),作物生长点处的极限平均最高应在 34 度以下(不损害生长点为宜)。如 果没有作物低温随环境温度,最高温度最好不要超过 50 度,如果超过 50
15、度覆 盖的薄膜会老化很快的,基于以上原因,设计有以下几点 主要任务:将温度控制在设定的温度值,设定范围为12-50度,针对在生产 和日常生活中温度智能化控制系统的实现。 技术指标: (1)以AT89C51系列单片机为核心部件 (2)以数字电路和模拟电路为硬件基础 (3)以C语言为软件实现语言 功能概述:在该环境温度控制系统中,单片机作为核心部件进行检测控制, 增强了设计的通用性,适时性。在该环境温度控制系统中温度检测采用DS18B20 温度传感器,它不仅具有较高的精度,而且适用电压宽。同时采用了4X2矩阵扫 描键盘输入,显示设备等外围扩展芯片。温度控制分为升温和降温控制,升温 控制和降温控制分
16、别采用继电器来控制外部的升温和降温设备。软件部分采用 流程图来表示。 2.22.2 系统设计方案系统设计方案 由于此温度控制系统是针对温室大棚而设计的,所以其大体框架图如图 2.1 所示: 提及到温度的检测,我们首先会考虑传统的测温元件有热电偶和热电阻, 而热电偶和热电阻测出的一般都是电压,再转换成对应的温度,需要比较多的 外部硬件支持,硬件电路复杂,软件调试也复杂,制作成本高。 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计4 因此,本数字温度计设计采用智能温度传感器 DS18B20 作为检测元件,测 温 温室 1温室 2温室 3温室 n 总控制室 图图 2.1
17、2.1 温控总框图温控总框图 范围为-55至+125,最大分辨率可达 0.0625。DS18B20 可以直接读出被测 量的温度值,而采用三线制与单片机相连,减少了外部的硬件电路,具有低成 本和易使用的特点。 按照系统设计功能的要求,确定系统由三个模块组成:主控制器 AT89C51,温度传感器 DS18B20,驱动显示电路,外围控制电路。总体电路框图 如图 2.2 所 示: 图图 2.22.2 系统总体框图系统总体框图 主控制器 AT89C51 驱动显示电路及 温度控制电路 DS18B20 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计5 第三章第三章 硬件的选择及
18、设计硬件的选择及设计 3.13.1 器材选用分析器材选用分析 3.1.13.1.1 单片机的选择单片机的选择 AT89C51是一种与MCS51单片机相兼容的、高性能的8位CMOS微控制芯片, 采用40引脚DIP封装,片内带有4KB的快闪可编程/擦除只读存储器(FPEROM)。 是当前较先进的一种电擦除8位单片机,它与MCS-51指令系统完全兼容,片内 FPEROM允许对程序存储器在线重新编程。也可用常规的EPROM编程器编程。具有 超强的加密功能。ATMEL公司生产的这种89C51微控制器,将具有多种功能的8位 CPU与FPEROM结合在同一芯片上,可完全替代87C51和8751/8752,为
19、很多嵌入式 控制应用提供了设计灵活且价格适宜的方案,深受用户欢迎。此外,AT89C51还 增加了在零频下工作的静态逻辑方式及空闲和掉电两种可选的省电模式,在空闲 模式下,CPU停止工作,但RAM,定时/计数器,串行口和中断系统仍然工作.在掉电 模式下,只保存RAM的内容,振荡器停振,关闭芯片的所有其它功能,直到下一次硬 件复位为止。其空闲和掉电两种工作方式以及静态逻辑运作等情况,与MCSC51相 同。故我们选AT89C51作为我系统的核心。 图图 3.13.1 AT89C51AT89C51 引脚图引脚图 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计6 (1)AT
20、89C51主要特性如下: 与MCS-51产品兼容;4K字节可编程闪烁存储器;寿命:1000写/擦循环;数 据保留时间:10年;全静态工作:0Hz-24Hz;三级程序存储器锁定;128*8位内 部RAM;32可编程I/O线;两个16位定时器/计数器;5个中断源;可编程串行通 道;低功耗的闲置和掉电模式;片内振荡器和时钟电路;可编程全双工串行; 4KB的在线可重复编程快闪存储器,写/檫可达1000次以上。 (2)AT89C51内部结构说明 AT89C51的FLASH存储器有4KB,RAM只有128字节,加密位有三位,加密位为 LB1,LB2。AT89C51是一带有2KB字节的闪速可编程可擦除的只读
21、存储器 (PEOM),低电压,高性能的8位CMOS微型计算机,有如下特性;和MCS51系 列产品完全兼容,2KB的FLASH的程序存储器,可擦写1000次,2.76电压范围, 静态工作方式,可外接024MHZ的晶体振荡器,;两级程序存储器,;128字节 SRAM;32根可编程I/O引线;三个16位定时/计数器,六个中断源,可编程UART 串行口,直接LED驱动输出,片内模拟比较器,低功耗空闲方式和掉电工作方式。 AT89C51是ATMEL微控器家族中廉价的成员,它含有2KB字节的快闪存储器和 MCS51结构兼容并可用MCS51指令集进行编程,89C51程序存储器大小的物理 范围为000H-7F
22、FH,且89C2051中已保留了标准中断服务的子程序的地址, AT89C51包含128字节内部数据存储器,这样8951中堆栈的深度局限于内部RAM的 128字节范围内,它既不支持外部数据存储器的访问,也不支持外部程序存储器 的访问的执行,因此,程序中不应该包含MOV指令。 (3) 端口介绍: ALE端口:地址锁存使能在访问外部存储器时输出脉冲锁存地址的低字节在 正常情况下ALE 输出信号恒定为1/6 振荡频率并可用作外部时钟或定时注意每 次访问外部数据时一个ALE 脉冲将被忽略ALE 可以通过置位SFR 的auxlilary.0 禁止置位后ALE 只能在执行MOVX 指令时被激活。 PSEN端
23、口:程序存储使能当执行外部程序存储器代码时PSEN 每个机器周期 被激活两次在访问外部数据存储器时PSEN无效访问内部程序存储器时PSEN 无效。 EA/Vpp:外部寻址使能/编程电压在访问整个外部程序存储器时EA 必须外 兰州城市学院机械设计制造及其自动化 09 级毕业设计 智能温度控制系统的设计7 部置低如果EA 为高时将执行内部程序除非程序计数器包含大于片内FLASH 的地 址该引脚在对FLASH 编程时接5V/12V 编程电压(Vpp) 如果保密位1 已编程EA 在复位时由内部锁存。RST为复位输入端,振荡器工作时,该引脚上两个周期的 高电平复位AT89C2051。 XTAL1:振荡器
24、反相放大器内部工作时钟电路输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 P0 口: P0 口是开漏双向口可以写为1 使其状态为悬浮,用作高阻输入P0 也可以在访问外部程序存储器时作地,址的低字节在访问外部数据存储器时作 数据总线此时,通过内部强上拉输出1。 P1 口 :P1 口是带内部上拉的双向I/O 口向P1 口写入1,时P1 口被内部 上拉为高电平可用作输入口当作为,输入脚时被外部拉低的P1 口会因为内部上 拉而输出电,流(见DC 电气特性) P1 口第2 功能,T2(P1.0) 定时/计数器2 的 外部计数输入/时钟输出(见可编程输出),T2EX(P1.1) 定时/计数器2 重装载/
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