基于AT89C51单片机的蔬菜大棚温度控制系统设计

引言：

蔬菜的生长与温度息息相关，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素是温度控制。温度太低，蔬菜就会被冻死或则停止生长，所以要将温度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。如果仅靠人工控制既费时费力, 效率低，又容易发生差错，为此，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温度自动控制系统，来监控采集大棚内各个角落的温度变化情况，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。要时刻对蔬菜大棚的温度进行测量，就离不开温度传感器。

传统的继电器调温电路简单实用 ,但由于继电器动作频繁 ,可能会因触点不良而影响正常工作。控制领域还大量采用传统的PID控制方式,但PID控制对象的模型难以建立,并且当扰动因素不明确时,参数调整不便仍是普遍存在的问题。而采用数字温度传感器DS18B20，因其内部集成了A/D转换器，使得电路结构更加简单，而且减少了温度测量转换时的精度损失，使得测量温度更加精确。数字温度传感器DS18B20只用一个引脚即可与单片机进行通信，大大减少了接线的麻烦，使得单片机更加具有扩展性。由于DS18B20芯片的小型化，更加可以通过单跳数据线就可以和主电路连接，故可以把数字温度传感器DS18B20做成探头，探入到狭小的地方，增加了实用性。

1. 系统方案选择和论证

1.1 任务

设计一个大棚温度自动控制系统。系统温度可以在一定范围内由人工设定，并能在环境温度降低时实现自动通风降温，在环境温度升高时实现自动加温，以保持设定的温度基本不变。

1.2 任务要求

设计基于AT89C51单片机的大棚温度温度控制器，用于控制温度。具体要求如下: 大棚温度控制在15℃-28℃之间。 控制10台50KW三相电阻炉为加热设备。 采用5台单相100W通风机作为通风散热设备。 易于操作，方便人机对话。

1.3 系统基本方案

根据题目要求系统模块分可以划分为：键盘模块，温度测量模块，显示电路模块，升温降温模块，报警模块。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。

1.3.1 各模块电路的方案选择及论证 （一）键盘模块

方案一：采用4*4矩阵型按键

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。矩阵按键对应独立按键，可以节约数据线，但需要特定的键盘扫描程序，占用空间较大。通常在按键大于6个的时候是用矩阵式按键。 方案二：

采用独立按键，接线简单，易于理解，不需要特定的键盘扫描程序，占用空间比较少。

在本设计中用到了5个按键，所以选用独立按键比较合适。 （二）温度测量模块 方案一：

利用热电阻传感器作为感温元件，热电阻随温度变化而变化，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值相应的温度值。最常用的是铂电阻传感器，铂电阻在氧化介质中，甚至在高温的条件下其物理，化学性质不变。由铂电阻阻值的变化经小信号变送器XTR101将铂电阻随温度变化的转换为4～20mA线形变化电路，再将电流信号转化为电压信号，送到A/D转换器，即将模拟信号转换为数字信号。电路结构复杂，误差较大。 方案二：

采用数字温度传感器DS18B20。DS18B20为数字式温度传感器，无需其他外加电路，直接输出数字量。可直接与单片机通信，读取测温数据，电路简单。DS18B20 的测温范围-55℃~125℃，分辨率最大可达0.0625 ℃。DS18B20 是Dallas 半导体公司的数字化温度传感器，它是一种支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。一线总线将独特的电源和信号复合在一起，并仅使用一条线，每个芯片都有唯一的编码，支持联网寻址，简单的网络化的温度感知，零功耗等待等特点。

DS18B20与传统的热敏电阻相比，他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。并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面带来了令人满意的效果。

所以比设计中选用DS18B20温度传感器，节省了A/D转换器，同时也节省了I/O输出口，误差小，测量准确。 （三）显示电路模块 方案一：

使用静态显示，此方法不用另加外界驱动直接与单片机输出口相连，不需

要单独的程序来完成显示。但是占用I/O借口多。 方案二：

使用动态显示，节省了I/O输出口，但是此方法需加外加外部驱动以此增加输出电流来更好的驱动数码管显示，电路简单，成本稍高，需要特定的编程来完成动态刷新。

本设计中使用的是动态显示，因为没有太多的输出口来完成静态显示，故选动态显示。

（四）升温降温模块

根据题目，可以使用电热炉进行加热，控制电热炉的功率即可以控制加热的速度。当温度过高时，关掉电热炉打开通风机进行降温处理。当需要加热时开启电炉关闭通风机。由于电热炉和通风机的功率较大，考虑到简化电路的设计，我们直接采用220V电源。对升温降温模块有以下两种方案： 方案一：

采用继电器控制。使用继电器可以很容易实现地通过较高的电压和电流，在正常条件下，工作十分可靠。继电器无需外加光耦，自身即可实现电气隔离。这种电路无法精确实现电热丝功率控制，电热丝只能工作在最大功率或零功率，对控制精度将造成影响。 方案二：