温室多点温度检测系统的设计及其仿真.pdf

温 室多点温度检测系统的设计及其仿真 孙万麟 汤吉昀 昌吉学院物理系 新疆昌吉 831100 来稿日期 2020 01 05 基金项目 新疆维吾尔自治区教育科学 十二五 规划课题 145006 作者简介 孙万麟 1982 女 甘肃白银人 硕士研究生 副教授 主要研究方向 信息处理技术 汤吉昀 1992 男 甘肃张掖人 硕士研究生 讲师 主要研究方向 系统仿真 1 引言 温度是智能温室中最重要的参数之一 适宜的生长温度可 以维持温室的正常生产 甚至是提升农作物产量 提高经济效益 因而人们对智能温室系统中的温度检测性能提出了较高的要求 目前 国内关于温度检测系统的研究已经比较成熟 温室多点温 度检测系统设计的文献也不少 比如有一部分学者采用 Proteus 平台上进行了关于多点温度检测系统的设计及仿真 1 12 他们以 单片机作为控制核心 大都选用数字化温度传感器 DS18B20 联 合起来设计多点温度检测系统 实现低功耗 低成本的温室温度 检测 通过深入研究这些文献 它们也存在一些不足 有软件及器 件选择上不是最佳搭配 温度数据采集不及时 实时监测存在一定 误差等缺点 为了避免这些不足 并能精确采集与显示西红柿温 室内的多点温度 采用嵌入式微控制器 AT89C52 单片机作为上 位机 联合具有精度高 硬件成本低的数字温度传感器 DS18B20 摘 要 为了改善西红柿温室温度检测的准确性 文章采用 Proteus 软件作为虚拟实验仿真平台 以 AT89C52 单片机 可 编程分辨率的 1 Wire 数字温度传感器 DS18B20 和 LCD1602 液晶显示屏等为核心控制器件 设计了一款改进温室多点 温度检测系统 该系统将 4个 DS18B20 温度传感器与单片机之间采用单总线协议通信 并在总线上增加了 10k 上拉电 阻 以提高电平稳定性 还添加了电压探针和图表虚拟仪器 用于检测单片机与各个器件的通信情况 而且设计了友好的 人机交互电路 可以实现手动设置阈值 多个温度数据采集及显示以及超出阈值范围报警等功能 仿真及其分析表明 该 系统不仅实现了多点温度检测 而且具有检测精度高 稳定性强 显示直观 操作方便 实时监测等优点 对西红柿温室实 时控制在最佳生长温度范围具有一定的参考价值 关键词 Proteus 单片机 DS18B20 多点温度检测 中图分类号 TH16 TP31 文献标识码 A 文 章编号 3997 20 09 0258 04 Design and Simulation of Multi Point Temperature Detection System About Greenhouse SUN Wan lin TANG Ji yun The Department of Physics Changji College Xinjiang Changji 831100 China In order to improve the accuracy of tomato greenhouse temperature detection Proteus software was used as a virtual experiment simulation platform AT89C52 single chip microcomputer SCM programmable resolution 1 wire digital temperature sensor DS18B20 and LCD 1602 LCD screen as the core control devices were designed an improved greenhouse multi point temperature detection system In this system four DS18B20 temperature sensors were communicated with SCM by single bus protocol and 10k pull up resistance was added to the bus to improve the level stability Voltage probe and chart virtual instrument were also added to detect the communication between SCM and each device Friendly man machine interaction circuit was designed to realize the functions of manually setting threshold collecting and displaying multiple temperature data and alarming beyond the threshold range Simulation and analysis show that the system not only realizes multi point temperature detection but also has the advantages of high detection accuracy strong stability intuitive display convenient operation real time monitoring and so on which has a certain reference value for real time control of tomato greenhouse in the optimal growth temperature range KeyWords Proteus SCM DS18B20 Multi PointTemperatureDetection 机械设计与制造 第 9期 20年 9月 258 等 器件 设计了一款温室多点温度检测系统 并利用 EDA平台 Proteus 软件对改进电路进行了设计 仿真及其分析 通过大量仿 真表明 所设计的多点温度检测系统 不仅实现温室内多点温度 的精准检测 而且具有显示直观 操作方便 实时监测等优点 对 西红柿温室系统中的温度检测部分具有一定的参考价值和借鉴 意义 2 多点温度检测系统电路设计 采用 Proteus 仿真软件设计及搭建系统硬件电路图 所设计 的改进多点温度检测系统电路主要由温度传感器电路 DS18B20 单片机最小系统以及人机交互电路 包括键盘 LCD 和扬声器 三 大部分组成 如图 1所示 图 1系统电路图 Fig 1 Circuit Diagram of System 在图 1中 多个温度传感器 DS18B20采用单总线连接 寄生 电源供电 每个 DS18B20的电源接口 VCC 和通信端口 DQ 都 连接到总线上 有效简化了电路 并在总线上加了 10k 上拉电 阻 以提高电平的稳定性 并添加 电压探针 分别设置在单总 线 P 3 7 LCD 的 D 0 D 7口 P 0 0 P 0 7 与 EN 端 P 2 4 RS 端 P 2 5 还将所有电压探针添加到虚拟分析图表中 用于检测单 片机与各个器件的通信情况 其中电压探针名称与相连的单片机 端口对应关系设置 如表 1所示 表 1电压探针名称 Tab 1 Name of Voltage Probe 电压探针名称 单片机端口 电压探针名称 单片机端口 U3 VCC P 3 7 D 3 P 0 3 EN P 2 4 D 4 P 0 4 RS P 2 5 D 5 P 0 5 D 0 P 0 0 D 6 P 0 6 D 1 P 0 1 D 7 P 0 7 D 2 P 0 2 键盘电路共设置有四个按键 K 1 K 2 K 3 K 4 各按键的功 能 如表 2所示 表 2各个按键功能 Tab 2 Key Function 按键名称 按键功能 K 1 按下 K 1键进入报警阈值设置界面 再次按下 K 1键 查看 ROM 编码 再次按下 K 1键返回温度监视界面 K 2 按下 K 2键报警阈值加 1 K 3 按下 K 3键报警阈值减 1 K 4 按下 K 4键选择调节报警阈值的上限值还是下限值 3 算法实现 本系统算法采用 C语言编写 源程序略 DS18B20采用单总 线协议 在单总线上有三个基本时序 复位时序 写时序和读时序 主控设备通过运用这三个基本时序能够与单总线上的设备进行通 信以及控 制 单总线上的设备 单片机要实现与多个 DS18B20通 信 需获取 各个温度传感器的 ROM 编码 并 需 对这 些 编码的 正 确 性进行 CRC 校验 3 1初始化 DS18B20 时序 在 初始 化序 列期间 由总线控 制 器 持续发出低 电平作 为 复 位 脉冲 这个 脉冲需 要 维持 480US 至 960US 然后释放 总线 总 线控 制 器进入接 收状态 1 4 单总线上的 10K上拉电阻将总线拉 到高电平 DS18B20检测到 DQ端 的上 升沿需 等 待 15 60 US 后 发出 一个 60 240 US 的 低 电平信 号 作 为存 在 脉冲 单片机 此 时检测到总线上电平信 号为负 则 表明总线上 挂 有 DS18B20 若 检测到的信 号为正 则 表明总线上 没 有 挂载 DS18B20或者 器件 出 现 故障 其 初始 化时序 如图 2所示 控 制 器 RX 480ms 480 960 ms 等 待 15 60 ms 60 240 ms DS18B20 V PU 单总线 GND DS18B20 低 电平 DS18B20存 在 脉冲 总线控 制 器 低 电平 电阻上拉 控 制 器 TX复位 脉冲 图 2初始 化时序图 Fig 2 Initialization Timing Diagram 3 2写 DS18B20 时序 DS18B20的 数据 读写是由总线控 制 器通过 发送 一个 短暂 的 低 电平信 号来确认 信 息 交 换 的 其写时序 如图 3所示 DS18B20 具有 两种 写时序 写 0时序和写 1时序 总线控 制 器通过写 1时 序 向 DS18B20写入 逻辑 1 写 0时序 向 DS18B20写入 逻辑 0 每 个写时序 必须持续 60US 以上 两 个写 周期之间 要有 1US 以上的 恢 复时 间 5 8 写信 号 1ms 15ms 60 120 ms MIN DS18B20采 样 V PU 单总线 GND DS18B20低 电平 总线控 制 器 低 电平 电阻上拉 控 制 器写 0时序 控 制 器写 1时序 恢 复时 间 1ms START OR SLOT START OR SLOT 15ms 30ms 15ms 15ms 30ms MAX TYP MIN MAX TYP DS18B20采 样 图 3写时序图 Fig 3 Write Timing Chart 3 3读 DS18B20 时序 总线控 制 器 发起 读时序时 DS18B20只 能 向 总线传 送数据 其读时序 如图 4所示 读时序 开始 时总线控 制 器将总线拉 至低 电平 并 至少保持 1US 的时 间 触发 DS18B20的读时序 然后 总 线控 制 器 释放 总线 9 12 在总线控 制 器拉 低 总线电平的下 降沿产 生 后 DS18B20若 要 向 总线写入 逻辑 1则 拉高总线 写入 逻辑 0 则 拉 低 总线 DS18B20传 输逻辑 0结束后 总线 会被释放 由上拉 电阻返回高电平 状态 第 9期 孙万麟等 温室多点温度检测系统的设计及其仿真 259 15ms V PU 单总线 GND DS18B20低电平 总线控制器低电平 电阻上拉 15ms 45ms 1ms 1ms 控制器读 0时序 控制器读 1时序 控制器采样 恢复时间 1ms 控制器采样 图 4 读时序图 Fig 4 Reading Timing Chart 3 4 主程序设计流程图 本系统的键盘采用中断式键盘与查询式键盘相结合的混合 式键盘 按键 K 1作为外部中断触发源用来控制标志字 k 1 从而 影响主程序走向 其系统主程序流程图 如图 5所示 N N N N Y Y Y Y 开始 DS18B20初始化 搜索 ROM 并统计 器件个数 num 设置 DS18B20 键盘初始化 读取各个 器件的温度 判断是否超过阈值 显示温度及报警 键盘扫描 显示阈值 显示各个 ROM编码 k1 0 k1 1 k1 2 While 1 CRC校验是否吻合 图 5 主程序流程图 Fig 5 Flow Chart of Main Program 4 仿真及其分析 4 1 系统仿真 在 Proteus 软件中打开系统的 DSN 文件 添加已调试好的主 程序所对应的 HEX 文件 然后在仿真调试区点击 开始 按钮 就开始运行仿真 由于单总线上挂有 4个 DS18B20 U3 U6 故 可读出 4个温度 TEMP1 TEMP4 U3 至 U6在 LCD上对应显 示的编号是 TEMP1至 TEMP4 这里以西红柿温室最佳生长温 度 20 35 作为温度阈值上下限 即温度阈值上限值是 35 下限值是 20 通过调节按键设置温度阈值上下限界面 如图 6 所示 若温度在阈值范围之内 则显示 NORMAL 字样 若超出 阈值范围 则显示 WARNING 报警字样 与其同时扬声器会发 出 嘟嘟 声 以 TEMP1为例 系统正常运行情况 实时检测温 度为 25 2 在阈值范围之内 并显示 NORMAL 字样 如图 7所 示 异常运行情况 实时检测温度为 15 2 低于阈值下限 并显 示 WARNING 报警字样 与其同时扬声器会发出 嘟嘟 声 如 图 8所示 图 6阈值设置界面 Fig 6 Threshold Setting Interface 图 7 系统正常运行图 Fig 7 System Normal Operation Diagram 图 8 系统异常运行图 Fig 8 System Abnormal Operation Diagram 4 2 系统运行波形分析 利用 Proteus 虚拟分析工具 仿真图表 进行系统运行分析 并设置 仿真图表 结束时间为 11s 并右键单击图表选择使其最 大化 其系统完整周期运行波形变化 如图 9所示 该图显示了 11s 内系统从初始化 DS18B20到读取四个传感器温度的完整过 程 其中 U3 VCC 在仿真开始时就有复杂的波形 按照程序设 计 系统上电工作首先要通过单总线对线上器件进行初始化 并 对线上 DS18B20进行查询 以获取各个传感器的 ROM编码 因 此系统仿真开始 单总线上通 信频繁 输 出波形复杂 此时 LCD 不 会与单 片机 通 信 故其 余端口均 为 高 电平 在 688MS 时 单 片 机 在单总线上发出 指令 读取 第一 个 DS18B20 U 3 的温度值 之 后 U3 开始检测温度并 将 其 转 化 成二 进制 代 码 在 1306MS 处 U3 将 温度数 据 通过单总线传 递给 单 片机 每次 通 信 结束后 单总线 会置 高 电平 并 保持高 电平至下 次 通 信 单 片机将接收 到的温度 数 据处理 后通过 LCD显示 在波形图上 1325MS 时 单 片机 向 LCD传 输指令和 数 据 此时单总线已 保持高 电平 符 合实 际 通 信 情况 也证明 本设计合 理 机械设计与制造 No 9 Sept 2020 260 机 械设计与制造 No 9 Sept 2020 图 9系统运行图 Fig 9 Waveform Diagram of Complete Cycle Operation System 4 3 系统功能验证性分析 首先查看 ROM 编码 在 Proteus 软件中 DS18B20只允许用 户修改前 24位序列号 后 24位序列号默认为 0 在仿真运行停 止的状态下 右键单击 U3 选择 编辑属性 弹出 编辑元件 面 板 将 编辑元件 面板中的 ROMSerialNumber 栏更改为十六进 制的 C8C530H 测试值 如图 10所示 更改完 U3 的序列码之后 开始仿真运行 系统开始显示温度后 两次按下 K 1键 进入 ROM 编码显示界面 LCD会循环显示各个 DS18B20的 ROM 值 其中 U3 的 ROM 编码显示内容 如图 11所示 图 10 DS18B20 编辑元件 面板 Fig 10 DS18B20 Edit Components Panel 图 11 U3 ROM 编码显示界面 Fig 11 Code Display Interface of U3 ROM 理论推导 U 3 的 ROM 编码 DS18B20内部具有 64 位光刻 ROM 即 8位 CRC 码 48 位序列号 8位系列码 这 64 位光刻 ROM 后 8位是产品系列码 不同型号的温度传感器系列码是不同 的 DS18B20的系列码为 28H 中间 48位是 DS18B20唯一的序列 号 最高 8位是 CRC 验证码 因前 7个字节的 ROM 编码按高到低 的顺序排列应为 000000C8C53028H 根据 CRC 校验原理 可以计 算出这 56位编码的 CRC 检验码为 26H 完整的 64 位 ROM 编码 则为 26000000C8C53028H 和图 11中 LCD显示的编码一致 当然 还可以通过 ROM 窗口查看每个 DS18B20的 ROM 编 码 每个编码按照低字节储存在低地址单元 高字节储存在高地 址单元的方式存放在单片机 RAM 编码中 其中 U3 的 ROM 编 码 如图 12框中所示 可见储存在单片机中 U3 的 ROM 编码与 真实 ROM 编码一致 再应用 CRC 检验原理 对 U3 的 64 位 ROM 编码进行校验 得到其余数为 0 则 CRC 校验结果正确 故系统 CRC 校验部分设计有效可行 同理 在对报警阈值和 U3 U4 U5 进行设定后 各个温度传感器的读数 报警信息 ROM 搜索 CRC 校 验也均正确 以上分析及检验表明 本系统多点温度检测与显示 ROM 搜索及 CRC 校验等功能均正常 故本设计正确 图 12单片机 RAM Fig 12 RAM of Single Chip Microcomputer 5 结论 以西红柿最佳生长温度为阈值 以嵌入式微控制器单片机 AT89C52 作为上位机和数字温度传感器 DS18B20等器件设计了 一款多点温室温度检测系统 利用 Proteus 软件进行了电 路 的设计 与仿真 成 功实 现 温室内多点温度的 准 确 采集 与显示 并 根据最佳 温度阈值 范围 能实 时调 节温室温度 以 保 证 农 作 物适宜 生长 该 系 统具有检测 精 度高 稳 定性 强 显示 直观 操 作方 便 实 时监 测等 优 点 既 可以在西红柿温室 大棚 中 使 用 也可以通过 重置 阈值上下 限 在其 他农 作 物 温室 大棚 中 使 用 具有一定的 参考价 值和应用前 景 参考文献 1 胡凯伟 孙毅 毛亚郎 基于 Proteus 的 ARM 温度 采集 系统仿真设计 J 机 械 设计与制 造 2010 2 28 30 Hu Kai wei Sun Yi Mao Ya lang The proteus based simulation des ignoftemperature acquisitionARMsystem J MachineryDesign Man ufacture 2010 2 28 30 2 邵春声 温室温度测控电 路 在 Proteus 中的仿真实 现 J 常 州工学院学 报 2016 29 1 20 24 Shao Chun sheng Simulation of a greenhouse temperature measurement and control circuit on proteus J Journal of Changzhou Institute of Tec hnology 2016 29 1 20 24 3 翟政凯 基于 单片机的单 总线 多点温度测控系统 J 电 子 测试 2017 1 3 4 ZhaiZheng kai Singlebusmultipointtemperaturemeasurementandco ntrolsystembasedonsinglechipmicrocomputer J EiectronicTest 2017 1 3 4 4 吕俊亚 一 种基于 单片机的温度控制系统设计与实 现 J 计算机仿 真 2012 29 7 230 233 Lv Jun ya Design and implementation of temperature controlling syst embasedonsinglechip J ComputerSimulation 2012 29 7 230 233 5 雷霖 沈小林 李萍 基于 单片机的多点温度测控系统的设计 J 电 子 世 界 2015 17 123 124 Lei Lin Shen Xiao lin Li Ping Design of multipoint temperature mea surement and control system based on single chip microcomputer J Electronic World 2015 17 123 124 6 陈芳 江 和 温度传感器 DS18B20在 Proteus 中的仿真 J 单片机与嵌 入式系统应用 2010 7 17 20 Chen Fang Jiang He Simulation of temperature sensor DS18B20 in pr oteus J Microwntrollers Embedded Systems 2010 7 17 20 7 程院莲 基于 51单片机的多点温度检测系统设计 J 数字 技术 与应 用 2012 11 8 下转第 266页 261 由上述计算结果可知 水平静载工况时第三类负重轮的最 大应力较小 极限工况和转向工况时负重轮应力 应变和变形较 大 且转向工况时最大应力的数值已经超过了材料的许用应力 最大应力出现位置在图中有对应标识 4 4计算结果汇总分析 负重轮轮盘结构设计的主要目的之一是在保证强度的基础 上实现轻量化 这三类负重轮的质量 如表 5所示 表 5三类负重轮质量 Tab 5 Mass of Three Types of Loading Wheel 第一类负重轮 第二类负重轮 第三类负重轮 质量 kg 19 267 17 101 18 039 将这三种类型的负重轮在三种不同工况下的最大应力汇总 如图 13所示 采用柱状图表示 为了分析在同一工况下三种负重轮 的最大应力变化趋势 同时采用折线图来表示这种变化趋势 水平静载工况 极限工况 转向工况 水平静载工况 极限工况 转向工况 1 2 3 负重轮类型 最 大 应 力 MPa 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 图 13 负重轮最大应力汇总图 Fig 13 Summary of Loading Wheels Max Stress 根据表 5和图 13可知 第一类负重轮在三种工况下最大应 力均为最低 但质量也最大 第二类负重轮在极限工况和转向工 况下的最大应力均大于第一类负重轮 但其应力值依然低于材料 的屈服应力 而且其质量为最小 第三类负重轮在极限工况下的 最大应力低于第二类负重轮 但在转向工况下的最大应力已经超 过材料屈服应力 因此 第二类负重轮轮盘结构较为合理 5 结语 通过对这三种类型的负重轮的计算结果进行对比分析可以 发现 1 在水平静载工况下 负重轮的最大应力值都较小 但在 极限工况和转向工况下 最大应力值都相对较大 2 在极限工况 下做比较 可以看出第二类负重轮的最大应力值为最大 但未超 过材料的屈服极限 在转向工况下做比较 可以看出第一类负重 轮的最大应力值最小 而第三类负重轮的最大应力值较大 已超 过了材料的屈服极限 在使用过程中极其容易损坏 3 通过负重 轮质量与应力分布情况综合考虑可以发现 第二类负重轮轮盘结 构较为合理 综上所述可知 不同形式的轮盘结构对于负重轮在 不同工况下的承载能力有很大影响 计算结果对于负重轮轮盘结 构的设计具有参考意义 参考文献 1 信义兵 高跃飞 刘海涛 基于 Ansys Workbench 某轮毂结构的优化设 计 J 煤矿机械 2015 36 3 270 272 XinYi bing GaoYue fei LiuHai tao Optimizationdesignofwheelbo ss based on Ansys Workbench J Coal Mine Machinery 2015 36 3 270 272 2 朱兴高 顾亮 基于有限元法的履带车辆负重轮结构强度分析 J 煤 矿机械 2015 36 4 211 213 Zhu Xing gao Gu Liang Structural strength analysis of certain type of track based on FEM J Coal Mine Machinery 2015 36 4 211 213 3 常旭青 张佳磊 杨勇彪 镁合金负重轮动静态力学性能测试分析 J 热加工工艺 2014 43 18 42 48 Chang Xu qing Zhang Jia lei Yang Yong biao Testing and analysis on static and dynamic mechanical properties of magnesium alloy loading wheel J Hot Working Technology 2014 43 18 42 48 4 蒋轩 孙逢春 郑慕侨 负重轮 非 线性有限元力学分析 及建模研究 J 兵 工学 报 2000 21 3 241 244 Jiang Xuan Sun Feng chun Zheng Mu qiao Nonlinear finite element mechanical analysis of road wheel and its modeling J Acta Armament arii 2000 21 3 241 244 5 刘 晓明 杨 晓翔 韦铁 平 发动机飞轮 壳 强度有限元分析 J 机械设计 与 制造 2015 11 239 242 LiuXiao ming YangXiao xiang WeiTie ping Strengthanalysisof en gine s flywheel housing based on FEM J Machinery Design Manuf acture 2015 11 239 242 6 李霞 张 迪迪 速腾轿 车 后悬架纵臂 有限元分析 J 机械设计与 制造 2016 4 145 148 Li Xia Zhang Di di Finite element analysis of the sagitar rear suspen sion trailing arm J Machinery Design Manufacture 2016 4 145 148 7 王开松 许 文 超 王雨晨 汽 车 驱 动 桥壳 有限元分析与轻量化设计 J 机械设计与 制造 2016 7 222 225 Wang Kai song Xu Wen chao Wang Yu chen FE analysis and ligh tweightdesignofvehicledriveaxlehousing J MachineryDesign Man ufacture 2016 7 222 225 8 齐志权 张 军 负重轮轮盘强度和 刚 度的 板壳 理 论 分析 J 车辆与动 力 技术 2001 2 45 48 Qi Zhi quan Zhang Jun Analysis of the intensity and stiffness of wheel disc of roadwheels using the theory of board and hull J Vehicle Po wer Technology 2001 2 45 48 机械设计与制造 No 9 Sept 2020 上接第 261页 Cheng Yuan lian Design of multipoint temperature detection system based on 51 single chip microcomputer J Digital Technology and Ap plication 2012 11 8 8 8 王战备 室内温 度 多点检 测 系统 设计 J 信 息技术 2011 35 1 20 22 Wang Zhan bei Design of indoor temperature multi point detection system J Information Technology 2011 35 1 20 22 9 吕建波 基于 单 总线数 字温 度 传感器 DS18B20的测 温系统 设计 J 现 代电子技术 2012 35 19 117 119 Lv Jian bo Design of temperature measurement system based on sing lewireDS18B20 J ModernElectronics Technique 2012 35 19 117 119 10 刘 德全 智 能 温室多点温 度 检 测 系统电路 设计与 仿真 J 实 验室研 究 与 探索 2014 33 11 77 82 Liu De quan Circuit design and simulation of intelligent greenhouse multi point temperature measurement system J Research and Explo ration in Laboratory 2014 33 11 77 82 11 刘 彬 基于 单 总线数 字温 度 传感器 的 单 总线 多点 测 温技术 J 化工 自 动化 及仪 表 2015 42 12 1308 1309 Liu Bin Sensor based on monobus multi point temperature measurem ent technology J Chemical Automation and Instrumentation 2015 42 12 1308 1309 12 王红玲 白政民 基于 AT89C51 的 多点温 度 检 测 系统 设计 J 现 代电 子技术 2010 33 9 126 128 Wang Hong ling Bai Zheng min Design of multi point temperature detecting system based on AT89C51 J Modern Electronics Techn ique 2010 33 9 126 128 266