計算機控制及其應用課程設計--大棚溫度溫度濕度自動檢測系統(tǒng)設計

1、<p>　　計算機控制技術(shù)及其應用</p><p>　　題目：大棚溫度溫度濕度自動檢測系統(tǒng)設計</p><p>　　系別：電氣工程與自動化系</p><p>　　專業(yè)：電氣工程及其自動化</p><p><b>　　姓名： </b></p><p><b>　　指導老師： &l

2、t;/b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1.設計背景............................................3</p><p><b>　　2.總體設計</b></p><p>　　2.1總體設計框圖..............

3、.........................4</p><p>　　2.2系統(tǒng)工作原理.......................................4</p><p><b>　　3.硬件設計 </b></p><p>　　3.1 AT89C51.......................................

4、.....5</p><p>　　3.2 1602LCD顯示器.....................................6 </p><p>　　3.3A/D轉(zhuǎn)換接口........................................6</p><p>　　3.4溫度傳感器.................................

5、........8</p><p>　　3.5濕度傳感器.........................................9</p><p>　　3.6報警電路..........................................10</p><p><b>　　設計背景 </b></p><p

6、>　　目前,我國正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)到優(yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)為目標的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的新階段。隨著我國經(jīng)濟的騰飛，國民對生活質(zhì)量有了更高的要求，更注重食物的平衡搭配，對食物的要求已經(jīng)從原來的吃飽上升到吃好。人們越來越注重綠色食品的質(zhì)量和品種，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)已經(jīng)無法滿足這一要求。而大棚作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)實施的新產(chǎn)物，在各個地區(qū)得到了廣泛的應用。</p><p>　　隨著大棚技術(shù)的不斷普及，溫室大棚的數(shù)量不斷的增多，對于現(xiàn)在的蔬菜

7、大棚來說最重要的兩個管理因素就是溫度與濕度的控制，溫度太低，蔬菜就會被凍死，濕度太低，蔬菜就會停止生長，所以要將溫度和濕度控制在適合蔬菜生長的范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的溫度控制是在溫室大棚內(nèi)部懸掛一個溫度計，由人讀取的溫度值來調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度。如果緊緊依靠人工來控制，既耗人力，又容易出差錯?，F(xiàn)在隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴大，傳統(tǒng)的方法就會顯現(xiàn)很大的局限性。因此在現(xiàn)代化的蔬菜大棚管理中，通常有溫度濕度自動控制系統(tǒng)，來控制溫室大棚溫度濕度，適應生產(chǎn)需要。

8、現(xiàn)代化溫室，通過傳感器技術(shù)、微型計算機及單片機技術(shù)和人工智能技術(shù)，能自動測控溫室的環(huán)境，其中包括溫度、濕度、光照、C02濃度等，使作物在不適宜生長發(fā)育的反季節(jié)中，獲得比室外生長更優(yōu)的環(huán)境條件，達到早熟、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的目的。在農(nóng)業(yè)種植問題中，溫室環(huán)境與生物的生長、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)，進行環(huán)境測控是實現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動化、科學化的基本保證，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件，達到作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效盼栽培目的。傳統(tǒng)的

9、環(huán)境測控管理采用模擬控制儀表和人工管理方法，工作效率低。</p><p><b>　　2.總體設計</b></p><p><b>　　2.1設計框圖</b></p><p>　　本系統(tǒng)為一個溫濕度檢測系統(tǒng)系統(tǒng)，由以下幾部分組成：AT89C51單片機，溫濕度傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器器，報警和顯示模塊組成。系統(tǒng)的組成如圖所示：濕

10、度傳感器采用濕敏電容—MXS型濕度傳感器，溫度傳感器為pt100，選擇的A/D轉(zhuǎn)換器芯片為AD574。</p><p><b>　　圖2-1總體設計圖</b></p><p>　　2.2 系統(tǒng)工作原理</p><p>　　由溫度傳感器和濕度傳感器采集溫度、濕度信號，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并傳給單片機，經(jīng)單片機處理后判斷

11、溫濕度是否超標并通過顯示模塊顯示出溫濕度，如果超標，報警電路啟動。</p><p><b>　　3. 硬件設計</b></p><p>　　3.1 AT89C51</p><p>　　CPU是單片機內(nèi)部的核心部分，是單片機的指揮和執(zhí)行機構(gòu)，它決定了單片機的主要功能特性。</p><p>　　AT89C51的40條引腳中，

12、有2條專用于主電源的引腳，4條控制和其他電源復用的引腳，32條輸入/輸出引腳。</p><p>　　1）主電源引腳Vcc和Vss</p><p>　　Vcc：接+5V電源。</p><p><b>　?。航与娫吹亍?lt;/b></p><p>　　2）時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2</p><p>

13、;　　XTAL1：接外部晶體的一端。在單片機內(nèi)部，它是反相放大器的輸入端，該放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。在采用外部時鐘電路時，對于HMOS單片機上，此引腳必須接地；對AT89C51單片機，此引腳作為驅(qū)動端。XTAL2：接外部晶體的另一端。在單片機內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端，振蕩器的頻率是晶體振蕩頻率。若采用外部時鐘電路時，對于HMOS單片機上，該引腳輸入外部時鐘脈沖；對AT89C51單片機，此引腳應懸空。</p>

14、<p>　　圖3-1 AT89C51主要引腳圖</p><p>　　3）控制信號引腳RST/、ALE/、和/</p><p>　　RST/：復位/備用電源輸入端。單片機商店后，只要在該引腳上輸入24個振蕩周期（2個機器周期）寬度以上的高電平就會使單片機復位；若在RST與Vcc之間接一個10F的電容，而在RST與Vss之間接一個8.2k的下拉電阻，則可實現(xiàn)單片機上電自動復位。&l

15、t;/p><p>　　4）輸入/輸出（I/O）引腳P0、P1、P2和P3</p><p>　　P0.0～P0.7：P0口是一個8位雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它分時提供低8位地址和作8位雙向數(shù)據(jù)總線。在EOROM編程時，從P0口輸入指令字節(jié)；在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)（驗證時，要接上拉電阻）。P0口能以吸收電流的方式驅(qū)動8個LSTTL負載。</p><p>　

16、　P1.0～P1.7：P1是8位準雙向I/O端口。在EPROM編程和程序驗證時，它輸入低8位地址。P1口能驅(qū)動4個LSTTL負載。</p><p>　　P2.0～P2.7：P2是8位準雙向I/O端口。在CPU訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址，在對EPROM編程和程序檢驗時，它輸入高8位地址。P2口可驅(qū)動4個LSTTL負載。</p><p>　　P3.0～P3.7：P3是8位準雙向I/O端

17、口。它是一個復用功能口，作為第一功能使用時，為普通I/O口，其功能和操作方法與P1口相同。作為第二功能使用時，各引腳的定義如下表。P3口的每一條條引腳均可以獨立的定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。P3口能驅(qū)動4個LSTTL負載。</p><p>　　3.2 1602LCD顯示器</p><p>　　1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字符、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊

18、。它是由5x7或者5x11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間又一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16x2，即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊。</p><p><b>　　特性:</b></p><p>　　5V工作電壓，對比度可調(diào)</p><p><

19、;b>　　內(nèi)含復位電路</b></p><p>　　提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能</p><p>　　有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器</p><p>　　內(nèi)建有160個5X7點陣的字型的字符發(fā)生器CGROM</p><p>　　8個可由用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器CGRAM</p>

20、;<p>　　3.3 A/D轉(zhuǎn)換接口</p><p>　　AD574是12位單片A/D轉(zhuǎn)換器。它采用逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器，最大轉(zhuǎn)換時間為25us，轉(zhuǎn)換精度為0.05%，所以適合于高精度的快速轉(zhuǎn)換采樣系統(tǒng)。芯片內(nèi)部包含微處理器借口邏輯（有三態(tài)輸出緩沖器），故可直接與各種類型的8位或者16位的微處理器連接，而無需附加邏輯接口電路，切能與CMOS及TTL電路兼容。AD574采用28腳雙列直插標準封裝，

21、其引腳圖如下:</p><p>　　圖3-2 AD574管腳圖</p><p>　　A/D574有5根控制線，邏輯控制輸入信號有：</p><p>　　A0：字節(jié)選擇控制信號。</p><p><b>　　CE：片啟動信號。</b></p><p>　　/CS：片選信號。當/CS=0，CE=1同時

22、滿足時，AD574才處于工作狀態(tài)，否則工作被禁止。</p><p>　　R/-C：讀數(shù)據(jù)/轉(zhuǎn)換控制信號。</p><p>　　12/-8：數(shù)據(jù)輸出格式選擇控制信號。當其為高電平時，對應12位并行輸出；為低電平時，對應8位輸出。</p><p>　　當R/-C=0，啟動A/D轉(zhuǎn)換：當A0=0，啟動12位A/D轉(zhuǎn)換方式；當A0=1，啟動8位轉(zhuǎn)換方式。</p>

23、<p>　　當R/-C=1，數(shù)據(jù)輸出，A0=0時，高8位數(shù)據(jù)有效；A0=1時，低4位數(shù)據(jù)有效，中間4位為0，高4位為三態(tài)。</p><p><b>　　輸出信號有：</b></p><p>　　STS：工作狀態(tài)信號線。當啟動A/D進行轉(zhuǎn)換時，STS為高電平；當A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時為低電平。則可以利用此線驅(qū)動一信號二極管的亮滅，從而表示是否處于A/D轉(zhuǎn)換。&l

24、t;/p><p><b>　　其它管腳功能如下：</b></p><p>　　10Vin,20Vin：模擬量輸入端，分別為10V和20V量程的輸入端，信號的另一端接至AGND。</p><p>　　DB11~DB0：12位數(shù)字量輸出端，送單片機進行數(shù)據(jù)處理。</p><p>　　REF OUT ：10V內(nèi)部參考電壓輸出端。&

25、lt;/p><p>　　REF IN ：內(nèi)部解碼網(wǎng)絡所需參考電壓輸入端。</p><p>　　BIP OFF ：補償校正端，接至正負可調(diào)的分壓網(wǎng)絡，0輸入時調(diào)整數(shù)字輸出為0；</p><p>　　AGND：接模擬地。</p><p>　　DGND：接數(shù)字地。</p><p>　　由于對AD574 8、10、12引腳的外

26、接電路有不同連接方式，所以AD574與單片機的接口方案有兩種，一種是單極性接法，可實現(xiàn)輸入信號0～10V或者0～20V的轉(zhuǎn)換；另一種為雙極性接法，可實現(xiàn)輸入信號-5～+5V或者-10～+10V之間轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　3.4溫度傳感器</b></p><p>　　選擇PT100溫度傳感器采集信號</p><p>　　PT100是鉑

27、熱電阻，它的阻值跟溫度的變化成正比。PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為：當PT100溫度為0℃時它的阻值為100歐姆，在100℃時它的阻值約為138.5歐姆。它的工作原理：當PT100在0攝氏度的時候他的阻值為100歐姆，它的阻值會隨著溫度上升而成勻速增長的。溫度的測量方法多采用集成的半導體模擬溫度傳感器，傳感器輸出的電壓或電流與溫度在一定范圍呈線性關(guān)系。通過放大，采樣得到被測量。</p><p>　　溫度在 10

28、攝氏度到80攝氏度范圍內(nèi)可調(diào)，通過單片機系統(tǒng)設計實現(xiàn)對溫度的顯示和控制功能。本溫度控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由溫度傳感器PT100對保溫箱溫度進行檢測，經(jīng)過調(diào)理電路得到合適的電壓信號。此電壓信號通過單片機得到相應的PWM，將所得的PWM值送給TIP127三極管進行控制電流從而加熱電阻的溫度也得到控制，并使單片機有相對應的信號輸出顯示。去調(diào)節(jié)PWM可使加熱電阻的功率的變化，從而實現(xiàn)對溫度的顯示和控制。</p><

29、p><b>　　信號放大</b></p><p>　　溫度傳感器通過感應外界的溫度，使溫度傳感器對應的阻值變化，將此信號轉(zhuǎn)換為電壓變化；為了不受前后級的影響，經(jīng)運放（LM324）的一級跟隨；為了讓采集信號更精確，本電路采用了減法器，把變化的信號單獨取出；將這微小的信號進行放大；為了不受后級的影響，放大后再跟隨隔離一次供給單片機的P1.0口。用此電路需要注意，供給此電路的電壓一定要穩(wěn)定。

30、</p><p><b>　　如圖3-3所示：</b></p><p><b>　　圖3-3</b></p><p><b>　　3.5濕度傳感器</b></p><p>　　本例中采用8255來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。EL7556由積分電路、基準電路、頻率轉(zhuǎn)換電路及頻率—電壓（F/V）轉(zhuǎn)換

31、電路等組成，積分電路及R1、R2、C1用于產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號并從5腳送至8腳。調(diào)節(jié)R2可對該脈沖信號頻率進行調(diào)整，從而使?jié)穸葌鞲衅鞯木€性和靈敏度處于較好狀態(tài)；基準電路和頻率轉(zhuǎn)換電路可將濕度傳感器的電容變化轉(zhuǎn)換成頻率變化，再經(jīng)頻率—電壓轉(zhuǎn)換電路后從9腳輸出與頻率成線性的電壓，然后經(jīng)C3等濾波后送入A/D轉(zhuǎn)換器，再進行A/D轉(zhuǎn)換以將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。本設計的濕敏傳感器為MXS型電容式濕敏傳感器，濕度為76%RH時的電容值為500pF，電

32、容相對變化率為＋1.7 pF/%。當濕度為0%～100%RH時，9腳輸出的相應信號頻率為0～1000Hz，精度為2%，F(xiàn)/V電路輸出的電壓為0～5V。</p><p>　　主要特性：1）與MCS-51 兼容 ；2）4K字節(jié)可編程閃爍存儲器；3） 壽命：1000寫/擦循環(huán)；4）數(shù)據(jù)保留時間：10年</p><p>　　圖3-4 濕度傳感器外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p&g