計算機控制技術課程設計---基于單片機的糧倉溫度控制系設計

1、<p>　　課程設計名稱：基于單片機的糧倉溫度控制系設計</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p><b>　　1.1 課題背景</b></p><p>　　糧食的儲備是關系到國家危亡、百姓生活的大

2、事，糧食只有在一定的環(huán)境條件下才能長期存放，才能保證不發(fā)芽不變質(zhì)，保持糧食的新鮮品質(zhì)，延緩糧食品質(zhì)的劣變，減少經(jīng)濟和數(shù)量上的損失，所以對于貯存糧食的糧倉，除了在結構形式上有許多要求外，在溫度控制上有著較高的要求。一般來說，對于不同的地區(qū)，不同的貯存物，糧倉分常溫倉、準低溫倉和低溫倉。準低溫倉的溫度要求為15℃＜t＜20℃，低溫倉的要求為t＜15℃。</p><p>　　目前，在我國的北方地區(qū)，糧倉主要利用機械通風

3、設備進行糧倉內(nèi)、外空氣的交換來達到降低倉內(nèi)溫度，用來實現(xiàn)糧食的低溫保存。以前通風設備的開啟和關停，均是由人手動控制的，即由倉管人員定時查看倉內(nèi)外的溫度、濕度情況，按要求開關通風設備，這樣倉管人員的勞動強度大，可靠性差，而且管理人員多，管理成本高，造成很多不必要的浪費。另外，辦事效率也不高，不能做到實時控制。尤其是在遇到惡劣天氣或其他情況時，將不能得到有效、及時的控制。為此，我想到了基于單片機的糧倉溫度控制系統(tǒng)設計，單片機能夠?qū)Z倉內(nèi)的溫

4、度進行多點采集，然后將采集的數(shù)據(jù)通過DS18B20內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，送入單片機AT89S51，并通過執(zhí)行機構控制糧倉內(nèi)的溫度保持在控制要求范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)溫度控制的目的。</p><p><b>　　1.2 系統(tǒng)功能</b></p><p>　　通過在糧倉內(nèi)放置多個溫度傳感器DS18B20，能夠?qū)Z倉內(nèi)的溫度進行多點采集，然后將采集的數(shù)據(jù)通過DS18B20內(nèi)部

5、的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，送入單片機AT89S51，并通過執(zhí)行機構控制糧倉內(nèi)的溫度保持在控制要求范圍內(nèi)。當采集的溫度經(jīng)處理后超過規(guī)定溫度上限時，單片機通輸出控制信號，使繼電器開啟降溫設備 ( 壓縮制冷設備 ) ，使糧倉內(nèi)的溫度下降到給定值范圍內(nèi)；當采集的溫度經(jīng)處理后低于設定溫度下限時，單片機輸出控制信號，使繼電器開啟升溫設備 ( 加熱器)，使糧倉內(nèi)的溫度上升到給定值范圍內(nèi)。當由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感器

6、出現(xiàn)故障導致在一段時間內(nèi)不能將糧倉環(huán)境溫度調(diào)整到規(guī)定的溫度范圍內(nèi)的時候，單片機通過三極管驅(qū)動揚聲器發(fā)出警笛聲，實現(xiàn)報警。</p><p><b>　　2 總體方案設計</b></p><p><b>　　2.1計算機的選擇</b></p><p>　　2.1.1 PLC</p><p>　　早

7、期處理順序邏輯和開關信息量問題時一般采用繼電器電路來實現(xiàn)。但當信號較多、邏輯復雜時，使用繼電器數(shù)量很大，造成線路設計和調(diào)試都相當困難，可靠性也差。隨著PLC的出現(xiàn)，他逐漸取代了繼電器電路，隨著計算機的發(fā)展和滲透，PLC技術也在不斷提高和完善，有以下優(yōu)點：可靠性高，抗干擾能力強；編程簡單，易于實現(xiàn)；功能強大，易于掌握等。但是當前在國內(nèi)PLC的價格比較高，也在一部分程度上阻礙了它的發(fā)展。我們這次計算機控制課程設計用不到PLC，因此，PLC不

8、會選。</p><p>　　2.1.2 工業(yè)PC</p><p>　　對于一個任務不算小的系統(tǒng)設計來說，工業(yè)PC是首選。它是專門考慮了生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境條件差及各種干擾大而設計的，可以長期可靠運行，可靠性和可維護性都可達到要求。另外，除了有多種模塊的主機系統(tǒng)板外看，還配備有多種接口板，如多路模擬量輸入/輸出板、開關量輸入輸出板、圖形板，以及擴展用的RS-232C、RS-422、RS-485、

9、總線接口板和EPROM編程板等?？傊蓴U充性不成問題。此外，模擬量輸入輸出、開關量輸入輸出的接口很多，并有大量的軟件支持，如匯編、高級語言和中文等。但是，工業(yè)PC體積較大，重量大，同樣也不適用于計算機控制課程設計。</p><p>　　2.1.3 單片機</p><p>　　現(xiàn)今的單片機正向著提高工業(yè)環(huán)境下控制系統(tǒng)的可靠性和靈活方便地構成應用系統(tǒng)界面的方向發(fā)展，并且控制功能越來越豐富。

10、在CPU芯片上，除嵌入RAM、ROM、和IO外，還有A/D、D/A、PWM、DMA、看門狗、串行接口和定時器/計數(shù)器等，另外還有顯示驅(qū)動、鍵盤控制、比較器和函數(shù)發(fā)生器等，能構成功能強大的應用系統(tǒng)。單片機比專用處理器最適合應用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應用。特別是它體積小，集成度高。性能穩(wěn)定，可靠性高，抗干擾能力較強。有較高的性價比。他越來越得到人們的信賴。 </p><p>　　通過比較論證，從經(jīng)濟和實用的

11、因素，以及我們本次做課程設計的需要等因素考慮，選用單片機AT89S51作為糧倉通風系統(tǒng)設計的控制器，再結合溫度傳感器DS18B20等其它器件就可以實現(xiàn)對糧倉溫度的控制，使其維持在設定范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)對溫度的控制。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)組成框圖及工作原理</p><p>　　2.2.1 系統(tǒng)組成框圖</p><p>　　系統(tǒng)的組成框圖如圖2.1所示。它有以

12、下幾部分組成。（1）鍵盤用于設置參數(shù)，設置糧倉內(nèi)的溫度給定值。（2）傳感器：使用多個溫度傳感器，分別放于糧倉環(huán)境現(xiàn)場，對糧倉內(nèi)環(huán)境的溫度進行多點測量，以便更好的控制。（3）變換電路將溫度傳感器檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換成標準模擬信號，并將其送到溫度傳感器DS18B20內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換芯片；或者將單片機的輸出信號經(jīng)過變換控制繼電器的動作。（4）A/D轉(zhuǎn)換電路，將標準模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入計算機。（5）計算機AT89S51對數(shù)據(jù)進行計算和處理

13、，并讓其顯示。（6）串并轉(zhuǎn)換將串口輸出轉(zhuǎn)換成并口形式，便于與LED連接，用于顯示溫度，這樣可以更直觀的觀察溫度的變化。（7）對計算機處理的結果進行直觀的顯示，便于我們進行直觀的了解當前情況，以便采取措施進行控制。（8）繼電器用于開啟和停止升降溫設備，當糧倉內(nèi)的溫度在給定范圍以外時，便會采取措施，對結果直接產(chǎn)生影響，進而維持糧倉內(nèi)的溫度在給定范圍以內(nèi)。</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件框圖如下：<

14、;/b></p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)硬件框圖</p><p>　　2.2.2 系統(tǒng)工作原理</p><p>　　溫度傳感器 DS18B20 從設備環(huán)境的不同位置采集溫度，單片機 AT89S51 獲取采集的溫度值，經(jīng)處理后得到當前環(huán)境中一個比較穩(wěn)定的溫度值，再根據(jù)當前設定的溫度上下限值，通過加熱和降溫對當前溫度進行調(diào)整。當采集的溫度經(jīng)處理后超過設定溫

15、度的上限時，單片機通過三極管驅(qū)動繼電器開啟降溫設備 (壓縮制冷器) ，當采集的溫度經(jīng)處理后低于設定溫度的下時 , 單片機通過三極管驅(qū)動繼電器開啟升溫設備 (加熱器) 。 </p><p>　　當由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導致在一段時間內(nèi)不能將環(huán)境溫度調(diào)整到規(guī)定的溫度限內(nèi)的時候，單片機通過三極管驅(qū)動揚聲器發(fā)出警笛聲。 </p><p>　　系統(tǒng)

16、中將通過串口通訊連接PC機存儲溫度變化時的歷史數(shù)據(jù)，以便觀察整個溫度的控制過程及監(jiān)控溫度的變化全過程。</p><p>　　系統(tǒng)工作原理框圖如下:</p><p>　　圖2.2系統(tǒng)工作原理框圖</p><p>　　2.3 控制方案的論證和比較</p><p>　　一個控制系統(tǒng)，應按物理可實現(xiàn)性、穩(wěn)定性、準確性、快速性等指標進行設計。通過分

17、析控制器和執(zhí)行器的關系，選用位置式PID控制作為控制系統(tǒng)的控制策略。</p><p>　　控制算法如式2.1:</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　式中：Ki：積分系數(shù)、 Kd：微分系數(shù)</p><p><b>　　3 硬件電路設計</b></p>&

18、lt;p>　　3.1 系統(tǒng)設備選型</p><p>　　3.1.1 鍵盤 </p><p>　　在計算機控制系統(tǒng)中，通常都有人機對話功能，主要包括人對計算機控制系統(tǒng)的狀態(tài)干預與參數(shù)設定，以及計算機控制系統(tǒng)向人報告運行狀態(tài)與運行結果。而人對計算機控制系統(tǒng)的狀態(tài)干預與參數(shù)設定大部分都是通過鍵盤來完成的。</p><p>　　本課程設計的控制系統(tǒng)選用行列式鍵盤。

19、該鍵盤由行線和列線組成，按鍵設置在行、列結構的交叉點上，行列線分別連在按鍵開關的兩端。行線通過上拉電阻接至正電源，以便無鍵按下時行線處于高電平狀態(tài)。</p><p>　　3.1.2 溫度傳感器DS18B20</p><p>　　系統(tǒng)選用DS18B20作為溫度傳感器。DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的新型單總線數(shù)字溫度傳感器，供電電壓為3.0~5.5V，測溫范圍為-55~125℃，

20、可以直接與微機系統(tǒng)進行接口。分辨率認為12位。讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭朊钪恍枰桓鵌/O端口線，以串行方式與微控制器通信，并進行CRC校驗。該電路將半導體溫敏元件、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器等集成在一個很小的芯片上。一條單總線上可以掛斷若干個數(shù)字溫度傳感器，每個傳感器對應有一個唯一的地址編碼。傳感器直接輸出的就是溫度信號數(shù)字值，使用非常方便。</p><p>　　DS18B20的主特性參數(shù)如下：</p><p

21、>　　1、適用電壓：3~5V</p><p>　　2、9~12位分辨率可調(diào)</p><p>　　3、TO-92、SOIC及CSP封裝可選</p><p>　　4、測溫范圍：-55℃~125℃</p><p>　　5、精度：-10℃~85℃范圍內(nèi)為±0.5℃</p><p>　　6、無需外部元件，獨特的一

22、線接口，電源和信號復合在一起</p><p>　　7、每個芯片唯一編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址，零功耗等待</p><p>　　3.1.3 A/D轉(zhuǎn)換</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換可以選用ADC0809芯片實現(xiàn)，ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。但是，如果單獨使用A

23、/D轉(zhuǎn)換器，由于各方面的干擾，會使得在應用過程中，轉(zhuǎn)換精度不夠，分辨率達不到要求，造成一定的誤差，從而給糧倉的溫度控制帶來一定的困難。</p><p>　　而采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器，可以使得電路結構更加簡單，而且減少了溫度測量轉(zhuǎn)換時的精度損失，使得A/D轉(zhuǎn)換更加精確，測量溫度更加精確。使用集成芯片DS18B20，能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度，簡化電路的結構。因此，本課程設計

24、中的A/D轉(zhuǎn)換器使用溫度傳感器DS18B20內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　綜上，在本控制系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換器采用溫度芯片DS18B20內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器。而且，該芯片的物理化學性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，且此元件線形較好。在0—100攝氏度時，最大線形偏差小于1攝氏度。該芯片直接向單片機傳輸數(shù)字信號，便于單片機處理及控制。</p><p>　　圖3.1 溫度芯片DS18B

25、20</p><p>　　3.1.4 控制器選擇</p><p>　　在控制系統(tǒng)設計中，我選用高性能、低成本的AT89S51單片機。 AT89S51 是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-

26、51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗

27、（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。</p><p>　　此外，AT89S51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。</p><p>　　

28、由于系統(tǒng)控制方案簡單 ,數(shù)據(jù)量也不大 ,考慮到電路的簡單和成本等因素 ,因此在本設計中選用 ATMEL 公司的 AT89S51單片機作為主控芯片。主控模塊采用單片機最小系統(tǒng)是由于 AT89S51芯片內(nèi)含有4 kB的 E2PROM ,無需外擴存儲器 ,電路簡單可靠 ,其時鐘頻率為 0～24 MHz ,并且價格低廉 ,批量價在 10元以內(nèi)。</p><p><b>　　其主要功能特性：</b>&

29、lt;/p><p>　　兼容MCS-51指令系統(tǒng) 4k可反復擦寫(>1000次）ISP Flash ROM</p><p>　　32個雙向I/O口 4.5-5.5V工作電壓</p><p>　　2個16位可編程定時/計數(shù)器 時鐘頻率0-33MHz</p><p>　　

30、全雙工UART串行中斷口線 128x8 bit內(nèi)部RAM</p><p>　　2個外部中斷源 低功耗空閑和省電模式</p><p>　　中斷喚醒省電模式 3級加密位</p><p>　　看門狗（WDT）電路 軟件設置空閑和省電功能</p>

31、<p>　　靈活的ISP字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 </p><p>　　可以看出AT89S51提供以下標準功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，看門狗（WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16位定時器/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘。同時, AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)

32、電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式何在RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一個硬件復位。</p><p><b>　　復位電路如下：</b></p><p>　　圖3.2 復位電路</p><p>　　3.1.5 LED顯示</p>

33、<p>　　系統(tǒng)選用LED對所處理的結果進行顯示。采用動態(tài)LED顯示器接口技術。動態(tài)顯示，就是微處理器定時地對顯示器件所顯示的內(nèi)容進行掃描。在這種方法中，各顯示器件是分時工作的，任一時刻只有一個顯示器件在顯示，但由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象，當掃描顯示每一個器件達到一定的速度時，人看到的就是所有的器件都在顯示。</p><p>　　3.1.6 繼電器</p><p>　　選用電流繼電

34、器作為此次設計的繼電器，電流繼電器的輸入電流x從零連續(xù)增加達到銜鐵開始吸合時的動作值xx,繼電器的輸出信號立刻從y=0跳躍到y(tǒng)=ym,即常開觸點從斷到通。一旦觸點閉合，輸入量x繼續(xù)增大，輸出信號y將不再起變化。當輸入量x從某一大于xx值下降到xf,繼電器開始釋放，常開觸點斷開。</p><p>　　3.2 部分系統(tǒng)硬件電路設計</p><p>　　3.2.1 溫差測量電路</p&g

35、t;<p>　　為了簡化測量電路，降低成本，本次設計沒有采用傳統(tǒng)測量庫內(nèi)外溫度再求其差的方法。測量電路如圖7所示。直接采用DS18B20溫度傳感器進行測溫，分別置于庫內(nèi)外，利用圖7直接測量溫差。顯然VT正比（T1－T2），其中T1，T2分別為糧庫內(nèi)、外的溫度。</p><p><b>　　溫差測量電路：</b></p><p>　　圖3.3 溫差測量電

36、路</p><p>　　3.2.2 串并轉(zhuǎn)換</p><p>　　系統(tǒng)選用ZQL9712S作為串并轉(zhuǎn)換芯片。ZQL9712S 是專門為LED 驅(qū)動應用設計的串并轉(zhuǎn)換芯片，采用了先進的CMOS 工藝，具有低功耗的優(yōu)點。ZQL9712S 具備通用串并轉(zhuǎn)換控制接口，本地3 位并行驅(qū)動輸出，特別適合于多離散點的級連應用。ZQL9712S 串移時鐘頻率可達15MHz，且提供最大30mA 的驅(qū)動電流

37、。ZQL9712S 包括串行移位寄存器和輸出鎖存器。經(jīng)串行移位寄存器，串移輸入信號轉(zhuǎn)換為3 位并行輸出，并把該輸出作為輸出寄存器的輸入。串移寄存器和輸出寄存器由不同的時鐘信號控制，并且都是在時鐘信號的上升沿有效。ZQL9712S 將控制信號驅(qū)動后輸出，該輸出可作為后級電路的輸入信號。</p><p>　　3.2.3 部分系統(tǒng)原理圖</p><p>　　系統(tǒng)的部分硬件組成原理如圖3.4所示。

38、當采集的溫度經(jīng)處理后超過規(guī)定溫度上限時，單片機通過 P1.4 輸出控制信號驅(qū)動三極管 D1 ，使繼電器 K1 開啟降溫設備 ( 壓縮制冷設備 ) ：當采集的溫度經(jīng)處理后低于設定溫度下限時，單片機通過 P1.5 輸出控制信號驅(qū)動三極管 D2 ，使繼電器 K2 開啟升溫設備 ( 加熱器1) 。</p><p>　　當由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導致在一段時間內(nèi)不能將環(huán)境溫

39、度調(diào)整到規(guī)定的溫度限內(nèi)的時候，單片機通過三極管驅(qū)動揚聲器發(fā)出警笛聲。</p><p>　　而溫差的設定值可由用戶根據(jù)季節(jié)氣候隨時修改，自由調(diào)整，以適應不同環(huán)境的需要，節(jié)約成本，提高效益。</p><p>　　系統(tǒng)的部分硬件組成原理下圖所示：</p><p>　　圖3.4 系統(tǒng)部分硬件原理圖</p><p><b>　　4 軟件

40、設計</b></p><p>　　4.1 主程序流程圖</p><p>　　主程序用于完成系統(tǒng)初始化、鍵盤管理以及設定糧倉系統(tǒng)的初始溫度值，并進行糧倉內(nèi)外溫差的測量。程序流程圖見圖4.1.通過鍵盤我們設置給定，通過中斷處理對系統(tǒng)進行處理。</p><p>　　圖4.1 主程序流程圖</p><p>　　4.2 中斷程序流程圖

41、</p><p>　　中斷服務程序，主要用于判定測量時間是否已到，時間沒到，繼續(xù)等待；時間到了，進行采集溫度、溫差測量與換算；進一步判定是否啟動升降溫設備。若滿足啟動升溫設備條件P1.5置位，啟動升溫設備；若滿足啟動降溫設備條件P1.4置位，啟動降溫設備，最終維持糧倉內(nèi)溫度在給定值范圍內(nèi)。</p><p>　　程序流程圖如下圖所示：</p><p><b>