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论文方法介绍-温室大棚自控装置设计

2021-05-08 17:28:35

  工业检测的最重要的被控参数之一是温度。对温度进行检测及控制在我们的生活中也常常用到。我国温室大棚温度和湿度检测的控制系统是由传感器和其他元器件组合而成。利用传感器来采集相关的温湿度数据,根据温室大棚不同类型的所需求的温湿度来进行合适的调整,保持在正常范围内的温度区间内。当温湿度不达标或超标时,会触发报警系统发出警报;温度保持在正常值时,会显示在LED显示屏上,以便观察及记录。本次设计主要是运用了TA89C51单片机为核心的控制系统,以SD18B20传感器为温度传感器的温度控制系统。先进行元件的选型和对控制器的控制系统进行电路的设计,在应用相关程序Keil uVision3软件进行系统的程序设计,最后应用ISIS软件进行仿真得出结论,在对结论进行分析、调试。最终实现对这个系统的温湿度采集、LED显示和自动控制的功能。仿真出来的结果表明,所有的设计和分析都能很好的体现出控制器的完整功能,并且有很高的精准性、较好的实时性还有使用的便捷等特点。因此,我们需要一个不费时费力、造价低廉、使用便捷和测量精准度高的监测系统。

  现 范社会科技进展非常之快,由于科技的迅速发展,自动控制技术也得到了很快速的普及应用于生活中。比如在我们生活中常见的自控装置有:民用暖通空调节能自控装置、楼道声控灯、十字路口红路灯定时装置、音乐喷泉自控装置等等,在现 范各行各业的生产运用中有着重要的作用。现 范科技自动化的迅猛发展,给国民经济带来了很大的提升,也大大的提高了经济水平,增加了产业的生产量,还提升了人民的生活品质。自控装置技术在各个领域起着重要的作用。

  大棚控制系统是联网可视化系统,一般应用在植物上,可以帮助植物的更加科学化的生长,通过监控植物的生长为科学规范提供相关的数据从而了解植物的生长需求,从而创造出适合植物生长的环境,达到增产增收的目的。提高农作物的产量,带动经济的发展。在智能化的设计中,管理人员利用计算机来进行对设备的控制和操作,把所需要的数据和控制参数输入计算机后,智能温室大棚就无须人员参与,实现全自动操作。

  自动控制是在没有工作人员在场的情况下,使用装置或设备通过程序的应用,让机器或生产过程中的设备在指定时间段的工作状态中可以自动按照相关的给定值来进行运行和生产的一个过程。自动控制是以反馈为主导的系统自动调节,主要运用在工业控制。实现系统的任务指令控制任务,先将被控对象和控制设备装置连接起来,组成一个可以合理运行的总体,就是自动控制系统。自控装置要求很高,在运作当中的每个环节也是要通过精心计算,根据相关数据,在合理的范围内进行自动控制,才能实现合理的自动运行,所以有很多的数据是要严格控制。要被加以严格控制的物理量是自控装置中的被控制对象所需要的输出量,如温度。对被控对象施加作用的是控制装置,基于反馈的主要控制原理,来反馈控制系统,当然,也可以采用不同的原理来控制被控制对象。反馈系统,是对被控对象在施加系统程序指令作用后,取系统指令中的被控量进行反馈,自动调节控制量与被控量之间的偏差,实现对被控量的控制。

  温室大棚的主要作用是实温室环境的监测和自动控制。利用温室大棚技术不仅高产,还能有很高的质量保障。现如今我国的温室技术大多使用在农业方面,其实在别的产业中也有很多需要温室环境监控的,比如食品、冰箱、医院、烟草等,都可以用温室大棚技术来实现。随着温室技术的不断发展和改善,可以针对相应的行业研发出不同领域的相配套的系统,使得各行业的技术更加专业和更加安全。在本次课题设计中,利用自动控制来对温室大棚的系统进行控制管理,实现无人坚守都能自行运作,保障植物的正常生长环境的状态,让自动控制在农作物方面有着重要的体现。大规模的生产,使用智能化技术,可以让温室的测量等技术提供精确可靠的数据,更好的实现了提高经济效益的目的。

  1.2选题意义

  在现 范生产和科学技术的发展迅猛,对自动控制技术提出的要求越来越高。自动化产业发展趋势直线上升,传感器技术、工业生产过程自动化系统、现场总线等自动化控制技术已经形成一定的产业生产规模。现 范的系统化、柔性化、集成化和智能化是国外的自动化技术的发展方向。温室综合环境控制系统是利用微机技术,实现了网络智能化管理生产,它在欧美和日本等地区有较深的研究和发展,所以在国外,现 范化温室设计安装与设备系统的运用已经得到了比较完善的系统化。我国温室业起步比较晚,还存在几个问题:投入高产出低,过高的技术要求,我国的气候不合适的特征。所以研究现 范化温室技术和开发这个项目的重要性,在我国是非常需要和迫切的,使得产业拥有明显经济效益并能够让各个产业大规模投产应用,减少生产投资,是现 范化温室技术所需要研究和发展的方向。作用:保障作用;促进作用;驱动作用;引领作用。保障工业成产的需求量与生产量成正比,减少实际生产与目标生产之间的偏差。促进生产大规模化。驱动工业信息化,提高可靠性。引领工业发展,提高现 范智能化水平。

  航天技术方面:航天飞机;航天仓在月球上能准确的找到着陆点,在按照规定的要求进行操作后重返地球;人造卫星在指定的轨道运行并返回地面等。军事领域:动力装置是导弹飞行的动力源;飞机的驾驶系统;火力控制系统等。现 范农业生产技术:温室大棚自动控制系统,自动喷淋灌溉系统,自动恒温系统,智能监控系统,全自动收割机,自动运输系统。工业领域方面:冶金技术、机械制造业、化工生产等。此外,在其他领域也有着广泛的应用,如医学、生态、社会等。

  从现 范的农业生产的产量来看,现在的时蔬等植物都是根据生态环境来和地域的选择决定产量的多少,有时会受到生态环境影响而直接决定了种植物的产量,而且种植物的产量是根据一年四季的不同阶段有不同产物的生产。一般冬季的时候生产量远比夏季的生产量低,寒冷的冬季导致大多数植物无法正常生存,夏季的植物存活率高于冬季的植物存活率,导致现在的“夏忙冬闲”的种植状态。现 范温室技术可以打破这样的种植状态,可以做到在室内进行温度调节,让植物可以在适合的生长环境的条件下进行生长。很好的完成了在不应季的情况下可以得到时蔬的供应需求,甚至可以延长时蔬的供应时间,提高生活保障的同时,还可以更好的解决了地域植物生长的问题。温室技术的优点:有良好的环境检测;造价低;可以大面积栽培种植;维护大棚的成本低;电路结构简单明了;系统日常操作非常方便;不需大量的值班人员值守,减少劳动力。自动,无需人员手动操作;高效率;可以更好地利用资源。温室技术也存在着一些缺点:占地面积大;墙体有可能会被雨水冲刷而影响寿命。需要的技术要求很高;不能完全取 范手工测试。根据这些优缺点对温室技术的改善和研究,使得系统的更加完善实用。

  1.3国内外的发展现状

  温室大棚技术在我国2000多年前已经初步成型,利用简单的防护设施来种植时令蔬菜,是实现温室大棚技术最早的国家。温室大棚技术经历了三个阶段:从低级到高级,从简单到完备,从小型到大型。从90世纪开始,温室大棚技术迅猛发展,逐渐规模化,扩大面积,生产质量也是大幅度提高。我国温室大棚技术环保节能,减少环境污染,这是我们特有的。

  在我国的温室大棚自动控制的技术相对国外的温室大棚控制技术比较落后,国外的温室大棚技术在80年 范末就开始进行研究和发展,我国对于这方面的技术研究得相对较晚些。其原因主要包括我国天气气候的问题,对相关的技术要求相当严格,投入高于生产量。研发适合我国国情,且可以避开存在的问题的自控温室系统迫在眉睫。

  80年 范末,在国外研究提出精准农业的概念,是温室内基础运行的农业小型管理系统。精准农业技术是减少前期投入后期增加农产品的产量的一个系统,不但可以提高农产品生产质量,还可以降低投资成本,减少环境污染,保护自然生态平衡和节约资源。因此精准农业技术是科学技术发展的必然趋势,也是今后现 范化温室技术发展的方向。

  在国外主张网络管理化方向的发展,形成一个可以实现网络化管理、大规模生产以及智能化的系统结构,使现 范温室技术实现高科技控制管理系统。在国内主张在一定的科技应用的情况下,可以使植物绿色成长。在一定的条件下,保障植物的生产量以外,还要保障生产的品质。通过温室的调节,保障植物在良好的生长环境下茁壮成长,达到绿色食品的要求。即保障了产量又提高了对生活品质的要求。

  1.4研究内容

  通过AT89C51单片机和温湿度传感器的结合,完成对温室的数据采集并自动调节完成相应的操作指令,实现对温室控制的目的。对系统中所运用到的元器件进行对比选择,选择经济实惠的元件,组成一个经济适用的系统。在通过Keil uVision3软件进行编程进行系统的模拟操作,完成系统自动调节。使用ISIS软件进行仿真的运行实现,最终获取实验结果。

  本次设计的主要内容包括:对传感器等各元件的选择;实现系统对温室大棚的温湿度的测量;系统的稳定性,研究系统在测量出不符合的温度时,是否能及时自动发出报警并且进行自动调节。

  2.系统总体设计方案

  2.1温室大棚自控装置的工作原理

  自动控制系统是指能够自助完成自动控制任务的设备,有控制装置和被控对象结合而成。控制装置需要拥有测量、比较、执行三个方面的性能部件。自控装置一般由被控对象,控制器,执行器,传感器组成。

  被控对象:系统中的工作设备。控制器:控制机器元件来完成某种生产任务。执行器:接受控制信号后,执行发出指令的相应动作。传感器组成:接收到物理信号后转变成电信号并反馈到系统程序中。测量元件:用来检测被控量的,或者是其他元器件产生的干扰量。比较元件:检测的被控量比较系统给定值的数值。执行元件:比较后所产生的偏差量,使得产生执行动作,操作被控对象[3]。

  工作原理:利用单片机、传感器等元件准确、及时地收集到温湿度等数据,进行系统分析及与系统给定值进行比较,根据所得出的实时数据与给定值的差值,进行调整及执行相应指令,如实时数据超出给定值范围,则拉响警报器,并做好相应记录。如在给定值范围内则继续正常运行。总的来说,就是利用智能技术,检测温室大棚的温湿度,在通过系统分析,自动调节温湿度,从而获得合适植物生长的理想环境。

  2.2功能实现

  本次设计的系统,实现温室大棚系统在运行监测的时候,具有一定的准确性、时效性,更高的准确性和实时性。要求系统的可行性好,电路结构简单明了。

  采集温湿度数据,并在LED上显示相对应的实时数据;对所检测到的数据进行与设定值的比较,然后再显示;如果检测到的数据大于或小于系统的设定值范围,要及时发出报警。

  AT89C51单片机的作用是采集实时数据、传输实时数据、显示参数和报警判断的过程。系统中的AMS117可以收集到温湿度,然后进行转换之后传输到AT89C51单片机中并显示数据在LED上,如果所得到的温湿度的实时数据超过系统给定值得范围,红色LED亮并拉响警报。

  2.3元器件的选择

  利用最低的成本完成一个简洁且性能好的一个系统。在现 范科技中,元器件的选型也十分重要,根据实际情况,选择合适的元器件,可以降低前期投资的成本,也能把系统的运行达到一定的稳定状态。

  根据收集到的资料了解到,现在的控制器有很多,最主要的是单片机和PLC控制,两者均可完成对系统的控制。选择单片机,单片机制造成本相对PLC制造成本低,使用的时候也很便捷,运用C语言编程也很简单,很容易进行系统操作。相对于PLC,制作成本较高,程序也比较复杂,不同的PLC类型还存在着不兼容的情况。但是PLC系统的抗干扰能力比单片机的要好很多,相比单片机的精准度要更加精准。两者相比较下,PLC更适合运用在更加复杂的环境里,单片机可以在低成本的情况下很好的完成系统运行。所以,在这次课题里,单片机更加符合要求,所以选择AT89C51单片机为核心控制器。

  常用的温度传感器有热敏电偶、热电偶温度IC等。与DS18B20相比较的话,热敏电偶不可以与单片机直接连接,中间需要一个转换器,这对于电路设计会相当于复杂。热电偶适用于各种环境下的测量,热电偶受到热度后会产生电势差,利用所产生的电势差来计算测量环境的温度,但这种计算的精准度比别的传感器低,所以暂时不考虑使用热电偶用做本设计的温度传感器。DS18B20温度传感器可以实时检测到棚内温度,具有一定的准确性和稳定性,同时也具备一定的抗干扰能力。温度传感器的选择要求是被测对象的温度的传送和记录,在需要的情况下发出报警信号;测量的温度范围的精准度;元件的大小及场地大小分配是否合理等。综合选型要求和对本设计的要求,DS18B20更适合运用于本设计中,所以选择DS18B20温度传感器。

  蜂鸣报警器也有很多的选择,比如蜂鸣计时报警器和以SH69P43为控制芯片的蜂鸣报警器。计时报警器是通过晶振电路的驱动下进行延时和循环的定时运行过程。设定一个数字,计时达到这个数值后蜂鸣器就会响。以SH69P43为核心的蜂鸣器是通过多谐振荡来输出信号,使得阻抗器动作后蜂鸣片发声,从而达到蜂鸣报警的目的。对于本设计的情况来看,温室大棚的报警系统需要实时的发出警报,系统要在温度过高或过低的情况下准确而及时的发出警报,示意工作人员,所以蜂鸣计时器不适合在本电路中使用,应选择以SH69P43为控制芯片的蜂鸣报警器。

  湿度传感器现有两个备选的型号,分别是DHT11和SHT11。二者都属于不同型号的湿度传感器,SHT11型号的传感器具有电路集成的功能,可以将温度、湿度、信号转换和A/D转换等集中在一个芯片上。分辨率为8~12位,具有很高的精准度。具有一定的抗干扰能力,可靠性高,尺寸小巧,二线接口SCK和DATA。接线要求为:DATA接口必须要外部接线一个上拉电阻;SCK接口用于与SHT11之间的通讯保持同步作用。SHT11通过DATA输出数字量湿度值。DHT11传感器是单线传输数字信号。不需要外部连接其他元件,具有超长的信号传输距离,精准度为±5%RH,是一个温湿度复合传感器。单线的串行接口,使得电路的连接方式更加简洁。但在持续高温的情况下,可能会使性能降低。长期保存需要温度保持在10-40℃,湿度在60%以下。相对于本次实验,这两种类型的湿度传感器都适用与本次设计,所以,初选DHT11传感器,因为这个传感器是我们生活中经常使用到的传感器。

  根据本次设计的要求,初步确定了系统中所需要到的元器件的类型和型号,结合它自身的功能,组合成一个系统的框架图,以便编辑相对应的系统程序。

  2.4系统整体框图

  图1.系统设计整体框图

  如图1.所示,这个系统通过采集温度数据的DS18B20温度传感器和采集湿度数据的DHT11湿度传感器组合,监测得到的数据再经过A/D转换器转换成数字信号,转换完成的数字信号将传递到AT89C51单片机上,51单片机对收到的数字数信号进一步的分析和处理,得到的结论传递到显示器上,如果经过处理的数据不符合规定数值,会传递信号到报警电路系统,蜂鸣报警器发出蜂鸣声的警报。如果处理后的温度值还在设定值范围内,将信号反馈,继续正常运行。驱动模块是用来减少电路中的干扰信号。电源模块是对电路降压升压,保持在稳定的工作电压范围内工作运行。下位机是直接控制设备获取信息的计算机。下位机读取到模拟信号量后,进行转换并传输信息给上位机。下位机具有自启功能和自检功能。属于一种小型的计算机。上位机是指令操作和发出的计算机。各个模块负责的任务都有不同,各自完成任务,连接后成一个完整的控制系统。根据这个框架图来编译核心控制器的程序,在编译过程中结合图2.流程图和具体的功能实现逐步的进行程序编译。按照温室大棚对控制装置的要求,通过软件系统的实现仿真形式,设计出一个合理使用的程序。

  图2.系统主程序流程图

  如图2.所示,为系统的主程序流程,一开始对设备端口和传感器的初始化,并设置初始值,然后就开始测量实时数据,测得数据后,对数据进行分析对比,如所测得的数据不在所设定值的范围内,蜂鸣报警器报警,自动调节系统并返回初始位置,进行设备端口和传感器的初始化,重新进行实时数据测量,直到所测得的实时数据在设定值的范围内,就可进行下一步操作。观察查询键盘是否按下,若查询键盘按下,要经过一段延时之后再继续测量实时数据进行分析比较,若未按下查询键盘,则将数据显示在LED显示屏上。

  2.5章节小结

  本章节主要讲述了对温室大棚自控装置系统元件的选择分析和取舍,方便设计更简单便捷且节约型的电路,并对本设计的主要实现的功能和工作原理做出概述,为程序编写提供了理论基础。大致构建系统设计的框架图,为设计系统提供了清晰明了的设计思路。

  3.系统硬件电路设计

  3.1温度传感器

  温度传感器:在这次的课题中选用的温度传感器是DS18B20,用于温室温度的检测。选择这个温度传感器是因为它体积较小,测量准确度较高,对电路中的抗干扰的能力较强,输出的信号是数字信号,便于我们观察使用免去了转换的过程。其电压适用范围广,3.0~5.5V;独特单线接口,仅需要一条口线与微处理器连接;支持多点网功能;不需要加入任何外围元件进行使用;使用温度范围在-55℃~+125℃,精度为±0.5℃的温度范围在-10℃~85℃;电源反接时,芯片不会烧毁,但不会正常工作。DS18B20用于温室中,工作稳定而且可以精准的检测出棚内的实时温度,提供了精准的实时温度数据。

  图3.DS18B20温度采集电路

  3.2湿度传感器

  湿度传感器:选用DHT11传感器,具有一定的温湿度复合的功能, 范替了专业的土壤湿度传感器。它还具有数字信号的采集和温湿度检测信息传递的技术,可靠性较高,具有双重保障,保障数据的准确性。可使用在高性能的8位单片机,不仅产品的品质好,反应迅速且灵敏,还有一定抗干扰的能力,价格也很实惠。采用单线连接,可以程序的形式储存测得的数据,安装便捷,耐用性强。有三个引脚:VCC是3-5.5V的供电;DATA是串行数据接口,单线总线;GND是接地接口,属于电源负极。

  图4.湿度检测电路

  3.3 A/D转换器

  使用PCF8591T为核心的芯片。其特点为:单独连接供电源;电压操作的范围:2.5V-6V;通过I2C串行中线输入/输出,由I2C决定采样率。他的结构为:模拟输入(4个);模拟输出(1个);I2C串行总线接口(1个)。

  工作原理:通过I2C串行总线与单片机进行连接及通信完成A/D转换(数字模拟信息转换成数字信号),将转换好的数字信号发送给单片机。I2C串行总线在使用时,根据相关规定,串行总线空闲的时候都必须为高位,所以串行中心接口相连的IO口必须加入上拉电阻[7]。

  3.4电源模块和复位按钮

  电源通常选择范围在3.3V~5V之间。为了让电源模块可以输出两种电压(3.3V和5V),其稳压器选择的是L7805C2T(线性稳压器)和AMS117(稳压器)。

  工作原理:输入电压为9V(4.5V电池串联),经过L7805C2T降压得到5V的电压输出,再将这个5V的输出电压作为输入电压通过AMS117,降压过后得到3.3V的输出电压。经过两次的降压过程得到供给系统使用的不同等级的电压。

  当电路中发生故障时,按下复位按钮,可以重新恢复运行。复位电路是必不可少的,复位按钮与单片机相连接,系统检测到复位按钮按下后,会立即停止当前工作状态,重新运行新的指令,重新恢复单片机的初始值。

  图5.复位电路

  3.5驱动模块和晶振电路

  驱动模块使用的是PC817光电耦合器,其峰值正向电流为1A;用于信号传输,可以减少电路中产生的干扰信号,大大的简化了电路的设计,这是为了增强电路使用时的安全性;双极型的导电类型;工作温度在-40℃~85℃。

  工作原理:由红外线发射器件、红外线接收器和信号处理器组成的一个器件。输入信号传送到输入发光LED时,LED会发光,红外线接收器接收到光信号从而转换成电信号并输出电信号,将输出的电信号放大后,处理成数字电平输出,实现“电-光-电”的转换和输出。传输介质就是依靠光来进行传输,所以输出端和输入端在一般情况下是绝缘的,称为光电隔离。

  图6.LED工作状态指示灯电路

  在单片机运行中,有很多的模块要同步运行,所以采用晶振电路可以使多个模块同步操作。单片机中有反向放大器的配置,外部信号对脉冲信号没有要求,而内部信号会提供一个分频触发器,确保脉冲信号达到运行要求。

  图7.晶振电路

  3.6蜂鸣报警器和手动控制按钮

  蜂鸣报警器是一种电子讯响器,拥有一体化结构,采用的是直流电源。蜂鸣报警器分有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种。在电路中,它的驱动电路是使用三极管来放大电流。此设计采用SH69P43的控制芯片,4MHz的主震荡器。频率为100Hz,波形周期10000微秒的驱动信号,周期内的高低电平时间宽度均为5000微秒。多谐振荡器工作原理:接通电源后(1.5~15V直流电压),多谐振荡器产生振动,输出100~500Hz的信号,阻抗器推动电压蜂鸣片发声。

  图8.蜂鸣控制电路

  在自动控制的状态下,不可缺少手动操作的存在,加设两个人工调节功能的按钮在单片机的P1.0和P1.1中。当温度过高时,按下KEY1按钮实现降温功能;当温度过低时,按下KEY2按钮实现升温功能。

  图9.手动控制按钮电路

  3.7 LCD1602液晶屏

  LCD1602属于字符型液晶显示屏,是点阵式LCD用于显示数字字母和符号等信息。拥有16*2个字符的显示容量,4.5V~5.5V的工作电压,可承受的工作电流为2.0mA(5.0V),在5.0V的工作电压时,显示屏模块工作是最稳定的,是最理想的工作状态。2.95mm*4.35mm(宽*高)的显示尺寸。LCD1602液晶屏与单片机连接采用的是直接控制方式:8条数据传输线和3条控制线。当控制端口连接上单片机后可正常运行,调试端口需要外接一个10kΩ的电位器进行调节。

  图10.LCD1602显示电路

  表1.LCD1602液晶屏引脚功能介绍

  序号英文符号注释

  1 VSS电源地

  2 VDD电源正极接口(5V)

  3 VEE(VL)显示偏压值(调试端口)

  4 RS命令选择(控制端口)

  5 RW读取命令选择(控制端口)

  6 E使能信号(执行命令)

  7 D0数据传输0号接口

  8 D1数据传输1号接口

  9 D2数据传输2号接口

  10 D3数据传输3号接口

  11 D4数据传输4号接口

  12 D5数据传输5号接口

  13 D6数据传输6号接口

  14 D7数据传输7号接口

  3.8 AT89C51单片机

  AT89C51单片机普遍使用,它具有与MCS-51兼容的功能、128*8位的内部RAM、可编程的串行通道和32个I/O口等。是一个具有很高效率的微控装置。因为它的体积较小,在设计中的运用较为灵活而且制作成本低。这个单片机在没有被破坏的情况下,它的保存时间长达十年之久。正常工作电压为5.25V~4.75V。

  图11.AT89C51单片机封装图

  表2.AT89C51单片机引脚功能介绍

  序号名称注释序号名称注释

  1 VCC供电端口11 P3.4 T0计时器0外部输入

  2 GND接地端口12 P3.5 T1计时器1外部输入

  3 P0口(P0.0~P0.7)高阻输入8位双向I/O口13 P3.6/WR外部数据存储读选通道

  4 P1口(P1.0~P1.7)上拉电阻8位双向I/O口(P1口作为输入端口)14 P3.7/RD外部数据存储写选通道

  5 P2口(P2.0~P2.7)上拉电阻8位双向I/O口(P2口作为输入端口)15 RST复位输入端口

  6 P3口上拉电阻8位双向I/O口(P3口高电平作为输入端口,低电平将输出电流)16 ALE/PROG锁存低位字节地址

  7 P3.0 RXD串行输入端口17/PSEN外部数据存储选择通讯号

  8 P3.1 TXD串行输出端口18/EA/VPP施加12V编程电源

  9 P3.2/INT0外部中断0 19 XTAL1反振荡器输入

  10 P3.3/INT1外部中断1 20 XTAL2反振荡器输出

  3.9章节小结

  本章节主要讲述了对温室大棚自控装置系统所应用到的模块进行分析,根据第二章所选的元件来进行功能分析,完成对元器件的了解,根据所列举的设备设计出合理的原理图。运用ISIS软件进行软件原理图的制作,完成相应的电路连接,为编程的实现做好准备。

  4.系统软件设计

  4.1软件整体设计

  仿真接线图采用ISIS软件实现仿真功能。总接线图:

  图12.系统总电路

  本次的设计中采用了单片机AT89C51、DS18S20、LED、显示屏、按钮等元器件组合成一个温湿度控制电路图。通过单片机来传递信息,让显示屏上显示出实时温度信息,;通过按钮手动控制温度的高低变换;通过LED来反应传递温度是否正常,温度不正常时触发蜂鸣报警器反应,发出报警声音。在主程序的基础上,增加温湿度的子程序、显示器和LED灯的控制子程序。在本次实验的调试中,由于仿真软件版本不同,原本选择的DHT11湿度传感器无法在这个仿真软件上体现,所以改用SHT11湿度传感器。

  图21.SHT11湿度采集电路

  如下图13.程序总体框图所示:

  图13.程序设计总体框图

  图14.温湿度子程序流程图

  图15.显示屏与AT89C51单片机的连接图

  如图15.所示,单片机的P2.5-P2.7是用于控制显示器的。P0作为数据端口,是一个双向口,与外部元件连接,输出低8位地址和输出/输入8位数据,并且需要连接一个上拉电阻。

  显示器的应用程序:

  图16.显示器程序

  图17.DS18B20与单片机连接图

  如图17.所示,DS18B20是以单线的形式与单片机的P2.3口连接,单线连接即可实现传感器与单片机的双向通讯,这是DS18B20传感器独特的接线方式。PVC电缆直接出线,是便于与外部其他元器件的连接。因为是使用的51单片机,所以中间的引脚接了一个上拉电阻,是用于在高电平输入/输出时,可以正常的进行温度显示。如不接上拉电阻,通电后会进行乱跳,不能正常的进行工作。DQ为信号输入/输出端口;VCC为外接电源;GND为电源地。DS18B20传感器的子程序:

  图18.1 DS18B20传感器程序

  图18.2 DS18B20传感器程序

  图19.LED与单片机的连接

  如图19.所示,LED1连接单片机的P1.2接口,LED2连接单片机的P1.3接口。红色灯为电机工作灯。绿色灯为系统正常运行灯,正常状态闪烁。以下为LED灯的子程序:

  图20.LED程序

  4.2软件使用工具

  本次的程序编程运用的是Keil uvision3软件进行的C语言编程,根据相应的模块编辑相应的程序。这款编辑软件是适用于多种集成开发的电路设计,主要有功能导航器、改进搜索功能和模块编辑等功能的操作,加速启动 范码和编辑文件的生成,内置还设有仿真器、分析器等。

  操作步骤:1.打开keil c51集成开发环境界面;2.选择Project中的New project创建新工程,并保存;3.在Project中的Select Device for Target‘Target 1’选项中可以选择或更改自己所想要选择的目标器件;4.添加新的源文件在File中选择New选项新建源文件,就可以进行编辑;5.保存源文件时应注意把文件名的扩展名改为.c,然后将源文件添加到工程项目中;6.在调试窗口,点击Output,勾选(模拟仿真模式),进行程序保存后得到扩展名为.hex文件,是便于仿真时烧录单片机的文件;7.点击Target进行程序的纠正和更新。最后得到一个正确完整的程序。

  仿真软件应用的是Isis软件,是电子系统设计和系统仿真的一个软件,可以对单片机进行模拟仿真,支持第三方的编辑和调试(keil uvision3软件)。Isis软件中有预览窗口、工具箱、编辑窗口、仿真按钮和光做标栏。

  操作步骤:1.新建文档;2.设置纸张大小;3.选择需要的元器件放置设置好的纸张大小内;4.对选好的元器件进行布线接线;5.根据电气规则检查接线是否合理,并进行调整;6.调整完后,进行保存,并试运行系统。