毕业设计-基于单片机的恒温恒湿试验箱(共29页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上 本科生毕业论文(设计)题 目: 基于单片机的环境控制模拟实验箱 (恒温恒湿控制系统) 姓 名: 孙嘉骏 学 院: 工学院 专 业: 电子信息科学与技术 班 级: 信息95 学 号: 指导教师: 卢伟 职称: 讲师 2013 年 5月 1 日南京农业大学教务处制目 录3567专心-专注-专业 基于单片机的环境控制模拟实验箱 (恒温恒湿控制系统) 电子信息科学与技术专业学生 孙嘉骏指导教师 卢伟摘要:随着物质生活水平的日益提高和社会经济的不断发展,人们对生活品质的要求也日益提高,因此引入了科技住宅这一概念,绿色科技住宅最为吸引人的一点即为24小时的恒温恒湿,如何有效的控
2、制温度和湿度,也一直是人们探讨的话题。本论文主要阐述了利用C8051F020单片机设计一个模拟智能家居的温湿度检测控制系统,对室内的温湿度进行检测控制并实时显示。其中温湿度传感器采用AM2301数字温湿度传感器,通过C8051F020单片机的处理把温湿度值显示在1602液晶上。同时通过4*4矩阵键盘设定所需的温湿度,并实时判断温湿度值是否满足设定的温湿度范围,若超出设定范围,通过C8051F020启动温湿度控制系统,达到恒温恒湿的目的。关键词:C8051F020;AM2301;1602液晶;恒温恒湿 The environmental simulate box based on single-
3、chip microcomputer(Constant temperature and humidity control system) Student majoring in Electronic and Information Science and Technology Sun Jiajun Tutor Lu WeiAbstract:With the continuous development of material living standards and increasing the social economy, peoples quality of life demands a
4、re increasing, thus introducing the concept of residential technology, the constant temperature and humidity an attraction for 24 hours for residential green technology, how to effectively control the temperature and humidity, has always been people discussion on topic.This paper mainly expounds the
5、 temperature and humidity measuring and controlling system using C8051F020 single-chip microcomputer to design a simulation of intelligent home furnishing, temperature and humidity on the indoor test control and real-time display. The temperature and humidity sensor using AM2301 digital temperature
6、and humidity sensors, through the C8051F020 MCU to temperature and humidity values in the 1602 liquid crystal display. At the same time, through the 4*4 matrix keyboard set temperature and humidity is required, and the real-time judgment of temperature and humidity value meets the set humidity and t
7、emperature range, if exceed the set range, through the C8051F020 start temperature and humidity control system, to achieve the purpose of constant temperature and humidity.Key words: C8051F020;AM2301;1602LCD;Constant temperature and humidity引言 随着物质生活水平的日益提高和社会经济的不断发展,人们对生活品质的要求也日益提高,因此引入了科技住宅这一概念,绿色
8、科技住宅最为吸引人的一点即为24小时的恒温恒湿,如何有效的控制温度和湿度,也一直是人们探讨的话题。而基于单片机的温湿度控制系统的模拟实验箱对解决这一问题有着非常重大的意义。1论文概述1.1课题背景随着物质生活水平的日益提高和社会经济的不断发展,人们对生活品质的要求也日益提高,因此引入了科技住宅这一概念,绿色科技住宅最为吸引人的一点即为24小时的恒温恒湿,如何有效的控制温度和湿度,也一直是人们探讨的话题。而基于单片机的温湿度控制系统的模拟实验箱对解决这一问题有着非常重大的意义。之前的恒温恒湿家居主要设定一固定的温湿度,为了充分的利用好恒温恒湿这一高效技术,就必需有一套科学的,先进的技术处理手段,
9、用以对不同的人在不同的季节和气候条件下对温度和湿度有着截然不同的需求。温湿度控制对于单片机的应用具有一定的实际意义,它代表了一类自动控制的方法。而且其应用十分广泛。1.2课题研究的目的和意义随着经济和社会的不断发展,人们对自己的生活环境越来越严格。基于单片机的温湿度监测控制统设计,将对环境的温湿度监测控制系统做详细的设计与实现。采用高性能的控制芯片C8051F020,向模块化、高速化、智能化的单片机数据采集系统靠近。将此系统应用到智能家居中无疑为人们的日常生活提供了更加适宜的环境,使人们不用再受室外的气候和天气影响,具有十分良好的发展前景。本系统拟采用的C8051F020为89C51单片机的一
10、款升级衍化产品。89C51单片机是常用于控制的芯片,在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果,用其作为温湿度检测控制系统的实例也很多。使用89C51单片机能够实现温湿度全程的自动检测与控制,而且89C51单片机易于学习、掌握,性价比高。使用89C51型单片机设计温湿度检测控制系统,可以及时、精确的反映室内的温度以及湿度的变化。完成诸如升温到特定温度、降温到特定温度、在温度上下限范围内保持恒温等多种控制方式,在湿度控制方面也是如此。将此系统应用到智能家居,科技住宅领域中无疑能方便的给人们提供更加舒适的居住环境。1.3国内外发展状况国外在这一领域较为领先,技术也较为成熟,
11、目前这方面主要的发展方向一是利用计算机仿真技术,与PC机结合,做仿真实验。二是提高试验速度,降低试验成本。多功能化、智能化,更加安全、精确。虽然现在温湿箱只能模拟两种参数,但是将来将重点发展复合式的多功能智能化试验箱2。恒温恒湿试验箱的应用越来越广, 生产、科研对它的要求也越来越高。要求它的性能价格比更高, 使用寿命更长, 使用费用更少(省电) , 响应速度更快。近几年来,我国从国外引进了大批试验系统,为我国工业产品的研制和定型发挥了重要作用,但由于其本身的复杂性,使得试验箱在运行中出现了许多问题,而且出现了问题不能及时解决,大大延长了试验周期,影响了产品的研制工作。而产生这些现象的原因是对综
12、合试验的工作原理不了解3。因此本次课题将从恒温恒湿箱原理出发,在实现恒温恒湿控制的基础上进一步在精度上,加湿方式等方面进行完善和提高。1.4研究的主要内容 本研究主要集中于设备的结构、温控和湿控选择、控制精度与测试监控等方面。主要研究内容如下:1. 温度检测与控制:对箱内温度进行测量,并通过升温或降温达到最佳温度。2. 湿度检测与控制:对箱内湿度进行测量,并通过喷雾或去湿达到最佳湿度。3. 显示: LCD显示相应的温湿度,并有相应的控制界面。4. 人性化的控制设计:根据个人具体的生活需求,可通过输入按键或触摸屏进行温湿度设置,把温湿度值控制在一定的范围内。2系统的总体设计2.1 系统设计的原则
13、要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。可靠性:高可靠性是单片机系统应用的前提,在系统设计的每一个环节,都应该将可靠性作为首要的设计准则。提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑:使用可靠性高的元器件;设计电路板时布线和接地要合理;对供电电源采用抗干扰措施;输入输出通道抗干扰措施;进行软硬件滤波;系统自诊判断功能等。操作维护方便:在系统的软硬件设计时,应从操作者的角度考虑操作和维护方便,尽量减少对操作人员专用知识的要求,以利于系统的推广。因此在设计时,要尽可能减少人机交换接口,多采用操作内置或简化的方法。同时系统应配有现场故障自动诊断程序,一旦发生故障能保证有效地对故障进行定
14、位,以便进行维修。性价比:单片机除体积小、功耗低等特点外,最大的优势在于高性能价格比。一个单片机应用系统能否被广泛使用,性价比是其中一个关键因素。因此,再设计时,除了保持高性能外,尽可能降低成本,如简化外围硬件电路,在系统性能和速度允许的情况下尽可能使用软件功能取代硬件功能等。2.2 系统的组成测控系统主要采用SOC单片机C8051F020,选用温湿度传感器AM2301,1602LCD显示器,4*4矩阵键盘,以及控制温度的制热制冷设备和控制湿度喷雾设备。系统总的组成如图2.1所示:图2.12.3 系统的工作原理本系统以单片机C8051F020为核心,数据采集、传输、显示都要通过单片机。数据采集
15、通过单总线的智能数字温湿度传感器AM2301完成;通过单片机把采集的数据显示在LCD上。并通过键盘设定控制的温湿度范围。在整个系统中采用了AM2301单总线技术,采用C语言进行单片机编程。 温室温湿度控制系统是以C8051F020单片机作为中央控制装置,制冷,制热设备,加湿设备,除湿设备等。 C8051F020作为中央控制装置,负责中心运算和控制,协调系统各个模块的工作。 矩阵键盘:负责设定控制的温湿度范围。 制冷设备:负责系统的降温工作。 加热设备:负责系统的加热工作。 喷雾设备:负责系统的加湿工作。3.系统的硬件设计3.1单片机的设计3.1.1 C8051F020单片机概述 C8051F系
16、列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片,具有与8051兼容的CIP-51微控制器内核,采用流水线结构,单周期指令运行速度是8051的12倍,全指令集运行速度是原来的9.5倍。熟悉NCS-51系列单片机的工程技术人员可以很容易地掌握C8051F的应用技术并能进行软件的移植。但是不能将8051的程序完全照搬的应用于C8051F单片机中,这是因为两者的内部资源存在较大的差异,必须经过加工才能予以使用。其中C8051F020以其功能较全面,应用较广泛的特点成为C8051F的代表性产品,其性能价格比在目前应用领域也极具竞争力。C8051F020的内部电路包括CIP-51微控制器内核及RAM、ROM、IO
17、口、定时计数器、ADC、DAC、PCA(PrintedCircuitAssembly印制电路组装)、SPI(SerialPeripheralInterface-串行外设接口)和SMBus(SystemManagementBus)等部件,即把计算机的基本组成单元以及模拟和数字外设集成在一个芯片上,构成一个完整的片上系统(SoC)。本次所采用的最小开发板如图3.1所示:图3.13.1.2 C8051F020单片机与80C51主要的不同点运行速度: C8051F020的指令运行速度是一般80C51系列单片机的10倍以上。因为其CIP-51中采用了流水线处理结构,已经没有了机器周期时序,指令执行的最小
18、时序单位为系统时钟,大部分指令只要12个系统周期即可完成。又由于其时钟系统比80C51的更加完善,有多个时钟源,且时钟源可编程,时钟频率范围为025MHz,当CIP-5l工作在最大系统时钟频率25MHz时,它的峰值速度可以达到25MIs,C8051F020已进入了8位高速单片机行列。IO端口的配置方式: C8051F020拥有8个8位的IO端口,大量减少了外部连线和器件扩展,有利于提高可靠性和抗干扰能力。其中低4个IO端口除可作为一般的通用IO端口外,还可作为其他功能模块的输入或输出引脚,它是通过交叉开关配置寄存器XBR0、XBR1、XBR2选择并控制的,可将片内的计数器定时器、串行总线、硬件
19、中断、比较器输出及其它的数字信号配置为在端口IO引脚出现,这样用户可以根据自己的特定需要选择所需的数字资源和通用IO口。数字交叉开关是一个比较大的数字开关网路,这在所有80C51系列单片机上是一个空白。另外P1MDIN用于选择P1的输入方式是模拟输入还是数字输入,复位值为B,即默认为数字输入方式。而80C51单片机的IO引脚是固定分配的,即占用引脚多,配置又不够灵活。C8051F020通过优先权交叉开关译码器(如图2所示)控制数字开关网路,端口引脚的分配顺序是从P0.0开始一直到P3.7。当交叉开关配置寄存器XBR0、XBR1和XBR2中外设的对应使能位被设置为逻辑“1”时,交叉开关将端口引脚
20、分配给外设,例如,如果UARTOEN位(XBR0.2)被设置为逻辑“1”,则TX0和RX0引脚将分别被分配到P0.0和P0.1。因为UART0有最高优先权,所以当UARTOEN位被设置为逻辑“1”时其引脚将总是被分配到P0.0和P0.1。未被设置的交叉开关分配端口可作为通用IO口。注意:当选择了串行通信外设(即SMBus、SPI或UART)时,交叉开关将为所有相关功能分配引脚。例如,不能为UART0功能只分配TX0引脚而不分配RX0引脚。交叉开关寄存器被正确配置后,通过将XBARE(XBR2.6)设置为逻辑“1”来使能交叉开关。内部功能: C8051F020内部带有数据采集所需的ADC和DAC
21、,其中ADC有两个,一个是8路12位逐次逼近型ADC,可编程转换速率,最大为100kSs可通过多通道选择器配置为单端输入或差分输入。内有可编程增益放大器PGA用于将输入的信号放大,提高AD的转换精度。可编程增益为:0.5、1、2、4、8或16,复位时默认值为1。另一个是8路8位ADC,可编程转换速率最大为500kSs,其可编程放大增益为0.5、1、2、4,复位时默认值为0.5。有2个12位的DAC,用于将12位的数字量转换为电压量,可产生连续变化的波形,两路信号可同步输出。外部接口:C8051F020外设还增添了三个串行口。可同时与外界进行串行数据通信,SMBus兼容于I2C串行扩展总线;SP
22、I串行扩展接口;两个增强型UART串口。C8051F020具有基于JTAG接口的在系统调试功能,片内的调试电路通过JTAG接口可提供高速、方便的在系统调试。3.2 温湿度传感器的设计1)AM2301产品概述AM2301数字温湿度传感器(如图3.2)是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个AM2301传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数
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