基于AT89C52的温室用温度监控系统设计

任 玲，翟旭军，李增国，张 衡

（江苏农牧科技职业学院 机电系，江苏 泰州225300）

温室大棚要求温度保持在某范围内，这个范围温度是动植物生长的最佳环境温度，因此必须对动植物生长的环境温度进行监测和控制，使其适合动植物的生长，以提高产量和质量。本设计就是对温室的温度控制要求进行全面分析，综合考虑系统精度和经济性多方面因素后，设计一种基于单片机的温度自动控制系统。本系统能够实现对温室大棚温度的自动监控，可以通过按键输入设定温度等控制指令，并且使温室温度保持在设定值的范围内，完成监控系统的工作。

1 系统总体方案

本系统以AT89C52单片机为主控制器，加外围的温度采集模块、键盘模块、显示电路模块、加热模块和降温模块构成，系统结构框图如图1所示。温度采集模块首先采集温度值，A/D转换后送入AT89C52单片机处理，处理后的温度值在显示器上显示。另外由键盘设定动植物生长所需的理想温度值，并送到单片机中，单片机采用PID算法比较设定的温度值和采集的温度值后发出控制信号到继电器，继电器驱动风扇降温或加热片加热，直到与设定的温度值一致就停止工作。

图1 系统框图Fig.1 The system block diagram

2 系统硬件设计

2.1 温度采集模块

目前，温度采集装置常采用热电偶，因热电偶输出为模拟量电压，且输出电压很小,只有几毫伏，必须经过信号放大，到5伏左右进行A/D转换，转化后送给单片机处理。此方案的优点在于测量温度范围大，从-100°C到上千摄氏度，且精度高,但系统硬件复杂，抗干扰能性较低。数字式温度传感器弥补了热电偶的缺点，DS18B20就是一款单总线数字式温度传感器，无需外接其他电路，直接输出就是数字量，写入DS18B20的信息或从DS18B20读出的信息仅需要一根线[1],DS18B20与单片机的连接电路如图2，因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，抗干扰能力增强。DS18B20的测温范围从-55～+125℃，增量值为0.5℃，可在1 s内将温度变换成数字。

图2 DS18B20测温电路Fig.2 DS18B20 temperature measurement circuit

DS18B20接收到单片机发出的温度开始转换命令后，DS18B20启动转换。转换后的温度值以16位带符号的二进制补码形式存储在暂存存储器的0和1字节中[1-2]。单片机通过单总线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后。温度值格式如表1，其中“S”为符号位，当高字节的前5位S=0时，代表正数，直接将高字节的低3位和低字节的二进制位转换成十进制就是对应的温度值；当高字节的前5位S=1时，代表负数，高字节的低3位和低字节的二进制位代表负数的补码，需先将补码变换成原码，再计算十进制值才是对应的温度值。

表1 DS18B20温度值格式表Tab.1 DS18B20 temperature values format table

2.2 继电器电路模块

由于本系统要控制加热片加热或电风扇降温，功率较大，因此要借助功率电路。如果采用可控硅控制实现可以达到很高的控制精度，但需加光耦合隔离器件，电路稍显复杂。采用继电器控制可以很容易实现通过较高的电压和电流，而且无需外加光耦，电路简单可靠。因此，本设计采用继电器控制风扇和加热片，其电路如图3所示。

图3 继电器控制电路图Fig.3 The relay control circuit diagram

当实测温度低于或高于设定温度的下限或上限值时，由单片机输出高电平信号，NPN三极管9014导通，继电器驱动加热器开始加热或电风扇开始降温。为了防止继电器频繁动作，在程序中对温度测量精确到小数点后两位，而在温度设定时只取整数[3]。继电器线圈旁边反方向并联一个二极管，二极管起到保护三极管的作用，防止三极管击穿。

2.3 键盘和显示模块

本系统需用4个LED数码管，分别显示温度的十位、个位和小数点后两位，当通过按键设定温度时，LED数码管停止显示当前温度，显示设定温度值，设定完毕后，继续显示当前的采集温度值。动态显示组合式数码管只需要较少的引脚个数，以4位一体组合式数码管为例，需要8+4=12个引脚。而如果每个数码管都要单独引脚，至少需要4*9=36个引脚。引脚数减少使得PCB板布线变得更为简单，因此，在需要使用多位数码管时，一般都用动态显示组合式。本设计采用四位一体的共阳极数码管，单片机P0口控制数码管的段a--dp，P2.4--P2.7通过4个9012 PNP型三极管接数码管的COM端。

温度的设置采用按键来实现，通过按键修改温度的上限值和下限值。按键采用独立式键盘，经上拉电阻分别接单片机的P1.1、P1.2和P1.3引脚上,其与单片机的连接如图4所示。先按一次控制键，然后每按上调或下调键一次，设定温度值增1或减1，再按一次控制键代表设定完毕。

3 系统软件设计

本系统的软件采用汇编语言设计，主程序中首先初始化，而后循环调用读温度、温度处理、显示、键盘和继电器控制子程序,实现温度控制的功能。

3.1 主程序流程图

主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图Fig.5 The main program flow chart

3.2 读温度模块子程序

DS18B20操作时都要严格按照DS18B20工作过程规定的协议进行。DS18B20应遵循以下工作协议：DS18B20复位->执行ROM命令->执行功能命令->数据处理，读取温度的子程序流图如图6所示。

3.3 数据处理子程序

图6 读温度子程序流图Fig.6 Read the temperature subroutine flow chart

由于DS18B20转换后的16位数据并不是实际的温度值，所以要进行数据处理。温度高字节中的高5位是用来表示温度的正负，高字节的低3位和低字节用来保存温度值。其中低字节的低4位用来保存温度的小数位。由于，1/2-4=0.062 5，所以，DS18B20的温度精度是0.062 5℃。用低字节的低4位数值乘以0.062 5，有可能是多个小数位，本设计要求温度值保留小数点后两位，所以采取四舍五入，得到真正的两位小数。具体算法是首先程序判断温度值是否为负，如果是，则DS18B20保存的是温度的补码值，需要先求其原码[5]。处理过后的温度存储到单片机的RAM中，然后将RAM中的十六进制码转换成BCD码。数据处理子程序流程图如图7所示。

图7 数据处理子程序流程图Fig.7 Data processing subroutine flow chart

3.4 键盘扫描子程序

按键采用3个按键，分别表示控制键、加1键和减1键，键盘子程序流程图如图8所示。

图8 键盘子程序流程图Fig.8 Keyboard subroutine flow chart

4 系统调试

本设计制作了硬件实物，系统采用的是分模块焊接与调试，目的是为了防止全部焊接调试困难，若一次不成功，查找错误麻烦。分步调试后，最后进行联调，由于条件限制，在本设计中采用室内温度进行测试，若设定温度高于当前温度值，加热器模拟灯会亮，但是室内温度不会变化那么快，采用体温来实现温度的快速升高，达到设定值，加热器灯灭。由此可见，该系统具有较高的控制精度。

5 结束语

该温度控制器能够实时监测温室大棚的温度，误差小于0.1℃；可以设定农作物生长的理想温度，根据当前温度与设定温度之间的差别，加热器或者风扇将自动启动，直至达到设定温度停止工作。经改进后，该系统可以广泛地应用在养殖大棚等场所的温度控制，保证农作物理想的生长温度，提高产量。

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