基于单片机的智能温室控制系统 毕业设计说明书.docx

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基于单片机的智能温室控制系统毕业设计说明书

化工学院

毕业设计说明书

题目：

基于单片机的智能温室控制系统

学生姓名：

学号：

指导教师：

张志福

专业年级：

2009级自动化班

所在班级：

2009级自动化班

完成日期：

2013年6月9日

答辩日期：

2013年6月14日

基于单片机的智能温室控制系统

摘要

现代农业生产离不开环境控制，在对国内外智能温室控制进行深入分析的基础上，针对温室智能化控制存在的诸多因子，将单片机用于智能温室环境的监测与控制，提出了基于单片机的智能温室控制系统设计方案。

系统采用层次化、模块化设计，整个系统由数据检测系统、单片机控制系统、上位机监控系统、A/D转换器、声光报警、显示电路、键盘电路、存储器等组成。

系统以单片机为核心，以温度、湿度、CO2浓度、光照传感器作为测量元件，通过A/D转换器与智能传感器相连，在连接至单片机，分析并存储智能传感器的测量数据。

在单片机系统中，还要实现程序的扩展存储、数据的显示、键盘输入、报警系统。

单片机作为监控计算机与智能传感器和A/D转换器连接的中心，另一方面通过RS-485总线参与上位机通信，将采集到的数据传输给上位机。

上位机将单片机传输的数据进行记录、显示，供工作人员浏览、记录和进行相关处理。

关键词:

AT89S51,通信,ADC0809,传感器，执行机构

INTELLIGENTGREENHOUSECONTROLSYSTEMBASEDONMCU

Abstract

Modernagriculturalproductionwithoutenvironmentalcontrol,intelligentcontrolinthegreenhouseathomeandabroadonthebasisofin-depthanalysis,intelligentcontrolforgreenhouseexistenceofmanyfactors,themicrocontrollerforintelligentmonitoringandcontrolofgreenhouseenvironmentisproposedbasedonsinglechipintelligentgreenhousecontrolsystemdesign.Systemusesahierarchicalandmodulardesign,theentiresystemconsistsofdatedetectionsystem,microprocessorcontrolsystems,SCADAsystems,A/Dconverter,soundandlightalarm,displaycircuit,keyboardcircuit,memoryandothercomponents.Systemmicrocontrollerasthecore,temperature,humidity,CO2concentration,lightsensorasameasuringelement,theA/Dconverterandintelligentsensorisconnected,theconnectiontothemicroconteller,analyzeandstorethesmartsensormeasurementdata.IntheSCMsystem,butalsotoachieveextendedstoredprocedures,datadisplay,keyboardinput,alarmsystem.SCMasacomputermonitorwithsmartsensorsandA/Dconverterisconnectedtothecenter,ontheotherhandthroughtheRS-485businvolvedinmonitoringcomputercommunications,thecollecteddatatothemonitoringcomputer.Themicrocontrollermonitorsthecomputerrecordsthedatatransmissionstorage,processingandalarm,browseforthestaff,recordsandrelatedprocessing.

Keywords:

AT89S51;Communicate;Sensor;Executivebody

1绪论

1.1课题的研究背景和意义

从当今人类社会发展的角度来看，我国农业现代化属于后现代化发展模式，因为农业现代化的发展，远远落后于我国的工业化和城市化的发展水平，因此，需要改变这种落后的发展格局就要设计适应现代社会发展速度的的新型化智能温室控制系统。

智能温室大棚内温度、湿度、光照度以及土壤湿度等因素，对温室内的农作物生长起着至关重要的作用。

基于我国的国情属于人口大国，虽然基于温饱的粮食问题已经得到了初步的解决，但是，随着经济的发展，人民生活的物质水平和精神水平也在缓步提高，大家对于非应季食品也都有着不同程度的购买度[1]。

因此，做好智能温室控制具有很大的发展前景。

近些年来，我国以塑料大棚、日光温室等简易型设施为主，这些简易设施抗自然灾害能力差，设施栽培的温度、湿度、CO2浓度等环境调控技术还不够成熟。

智能化温室控制系统的研究虽然在国内已经逐渐受到重视,已有采用工控机为控制手段的成套设备,而且有很多已经投入使用,但其控制成本高,性价比低[2]。

基于单片机的智能温室控制系统是采用以单片机为核心的控制系统，对温度，湿度，光照，以及土壤湿度等精确控制使其可以灵活的调整智能温室大棚的环境,并将所监测的数据由上位机输出显示，以满足大棚管理人员对大棚进行现代化的高速管理。

1.2国内外的研究发展状况

随着现代经济的发展趋势，人们的生活质量不断提高，对物质生活的追求也日益提高。

目前,我国农村普遍使用的简易日光温室绝大部分采用的是手动控制,生产效率比较低下,单位产品的生产成本偏高，人工的劳动强度偏大。

随着温室产业的发展,温室作物将趋向于多样化,对温室的控制要求也随之提高,手动控制因为其控制精度低已工作量大，已经开始不能满足温室生产的需求了。

需要设计一种解放劳动力的智能温室控制系统。

而当今国内常见的智能温室系统都是采用工控机或者PLC方案,价格昂贵,较大部分用户经济能力承受不起。

因此,在系统的设计过程中要充分考虑用户的经济承受能力,减少智能温室设计中的各种成本,提高劳动生产率,这在温室上具有较为深远的意义[3]。

为此,针对简易日光温室对温度、湿度以及光照度等环境因素的控制要求,设计出基于单片机的智能温室控制系统，以其他成为低成本的温室自动化控制系统能够广泛应于生产生活中。

实现从传统农业向以优质、高效、高产为目的的现代化农业的转化[4]。

1.3主要研究内容

主要研究的内容概括如下:

1、研究影响温室环境的温度参数及分析其调节控制方法。

2、针对当今农业温室的研究热点——智能化温室控制系统进行研究，运用传感器技术、通讯技术、单片机技术和模数转换技术，设计出了一套基于单片机的智能温室控制系统

3、详细描述了基于单片机的智能温室控制系统结构。

该系统由上位机和下位机系统组成。

上位机由RS-485接口与下位机进行通讯，为用户提供良好的界面，方便进行人机交流，实现数据处理和参数设置。

下位机是温室温度、湿度、CO2浓度和光照的采集系统，它以单片机AT89S51为核心，完成控制功能，并可独立工作。

4、完成了RS一485接口的方案设计，可以方便地进行远距离多节点通讯，实现多方面测控。

5、用户可以根据需要设置参数，通过系统的自动调节作用使温室温度处于适宜作物生长的最佳值，当环境参数超限时，可以发出声光报警。

6、对所取得的成果进行了总结，并对未来工作进行了展望。

2系统设计方案及系统框图

2.1设计背景描述

在国家政策的领导下，目前我国的设施农业得到了较大发展,温室大棚的种植技术已突破了传统的农作物种植受地域自然环境等诸多因素的限制,对农业生产具有重大意义。

但目前我国温室大棚的温湿度测量和设备的操作大多数还是由人工来完成,当温室较大时,操作人员的劳动强度很大[5]。

因此，智能温室大棚就应运而生了。

2.2设计方案

基于单片机的智能温室大棚的系统结构框图如图2-1所示。

在此设计中，使用了空气温度传感器、空气湿度传感器、土壤湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、和光照传感器五个传感器来进行智能温室里面的环境监测。

通过A/D转换器把模拟信号转换成为数字信号再传输给单片机。

当空气温度、空气湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度和光照没有达到设定的标准值或者超过了设定的标准值就会通过执行器操作调控，当执行器不能够及时进行操作时，报警系统就会报警，提醒操控人员来处理问题。

如果装置遇故障不能够自行调控，则可以通过键盘电路键入来调控。

整个智能温室的内部信息状况会同步显示在显示器和上位机上。

3单片机以及电路设计

3.1单片机的选型

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。

从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机[6]。

现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。

手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。

汽车上一般配备40多片单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同时工作！

单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算机的总和，甚至比人类的数量还要多。

目前，单片机已经深入到了我们的生活，在此设计中，选用的是AT89S51单片机。

AT89S51在工艺上进行了改进，AT89S51采用0.35nm新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。

89SXX可以像下兼容89CXX等51系列芯片。

AT89S51单片机是低功耗的、具有4KB在线课编程Flash存储器的单片机。

它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。

片内的Flash可允许在线重新编程，也可使用非易失性存储器编程[7]。

他将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能性价比的微控制器[8]。

3.1.1AT89S51的特性

（1）指令架构：

CISC（复杂指令）

（2）最大吞吐量：

3MIPS

（3）片内程序存储器含有4KB的Flash存储器，允许在线编程，檫写周期可达1000次；

（4）片内数据存储器内含128字节的RAM；

（5）I/O口具有32根可编程I/O线；

（6）具有两个16位I/O线；

（7）中断系统具有6个中断源、5个终端矢量、2个中断优先级的中断结构；

（8）串行口是一个全双工的串行通信口；--具有两个数据指针DPTR0和DPTR1；

（9）低功耗节电模式有节电模式和掉电模式；

（10）包含3级程序锁定位；

（11）AT89S51的电源电压为4.0-5.5V；

（12）振荡器频率0-33MHz（AT89S51）；

（13）具有片内看门狗定时器（WatchDog）；

（14）灵活的在线片内编程模式（字节和页编程模式）；

（15）具有断电标志模式POF.

（16）具有6个中断源

（17）具有2个计数/定时器

（18）具有1个串口

3.1.2AT89S51的引脚说明

其引脚的主要功能如下

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89S51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3.1.3单片机时钟电路

AT89S51单片机芯片里面有一个由反向放大器所构成的振荡器。

XTAL1为振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端，XTAL2为振荡器反相放大器的输出端。

在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元器件，内部振荡电路就会产生自激振荡。

本系统采用的定时元器件为石英晶体（晶振）和电容组成的并联谐振回路。

晶振频率为12MHz，电容大小为22pF，电容的大小可以起到频率微调的作用。

时钟电路如图3-2所示[9,10]。

3.1.4单片机复位电路

复位电路如图3-3所示，当通电时，电容C1相当于短路，使单片机复位；在正常工作时，按下开关使单片机复位。

复位电路的C1可以选为22μF，R1为200欧姆，R2为1000欧姆。

该复位电路结构简单，制作方便，是所有单片机复位电路里使用最多的一种，适合在干扰不是很严重的情况下使用。

其缺点是当干扰较大时，干扰易串入复位端，一般情况下是不会造成单片机复位错误，但可能会引起某些寄存器复位错误。

可以在RESET端加一个去耦电容来解决单片机的复位电路[11,12,13]。

3.2单片机与A/D转换器的连接

单片机只能接收数字量，但在控制系统中，许多输入量都并不是以数字信号输入的，在整个测控系统的设计方案中，温度、湿度、光照、二氧化碳等五个测量因素所用的传感器都是模拟传感器，输出的都是模拟量。

A/D转换器的作用就是把传感器输出的模拟量变换成单片机能够接收的数字量。

A/D变换过程主要包括：

采样、量化及编码。

采样是使模拟信号在时间上离散化，量化及编码是把采样后的值按比例变换成相应的二进制数码。

如8位A/D转换器，采集到0V电压则变成00000000V数字信号，采集到5V电压，则变换成11111111B数字信号，其他在0～5V之间的模拟量都可转换成00H～FFH之间的数字量。

通过对数字量的运算比较的结果，再实现对模拟量的测量及控制。

A/D转换芯片，发展迅速，种类繁多，性能各不相同，但按其变换原理可分成逐次逼近式、双积分式、并行式、跟踪比较式等等。

其中逐次逼近式精度、速度及价格都适中，即性能价格比最优，应用最广泛；并行式速度快，但价格高；而双积分式精度高，抗干扰能力强，价格低，但速度偏低。

根据智能温室环境测控系统的设计要求及系统运行的特点，选择逐次逼近式A/D转换器ADC0809较为合适[14]

ALE信号经D触发器二分频作为时钟信号，如时钟频率为6MHz，则ALE脚的输出频率为1MHz，二分频后为500kHz，符合0809对时钟频率的要求。

0809具有输出三态锁存器，8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。

地址译码引脚ADDC、ADDB、ADDA分别与地址总线Q2、Q1、Q0相连，以选通IN0~IN7中的一个。

P2.7（A15）作为片选信号，在启动A/D转换时，由WR*和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动，由于ALE和START连在一起，因此0809在锁存通道地址的同时，启动并进行转换。

在读取转换结果时，用低电平的读信号和P2.7脚经1级或非门后，产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器[15]。

3.3单片机与存储器接口电路

89S51单片机内部数据存储器容量较少，为满足系统设计需求，采用了外接芯片的方法对其进行扩展。

本系统选用数据存储器6264芯片及程序存储器27256芯片作为外部存储器。

接口设计如图。

89S51具有32根I/O口线,其中P0引脚用于连接外部锁存器74LS373芯片的D0-D7引脚、外部存储器6264芯片的D0-D7引脚；P2.0-P2.4引脚作为地址高5位连接到6264芯片的高地址引脚；P2.0-P2.6引脚作为地址高7位连接到27256芯片的高地址引脚；74LS373芯片的Q0-Q7引脚作为地址低8位连接到6264芯片的低地址引脚及27256芯片的低地址引脚。

外部扩展存储器与单片机的连接为直接连接，因此，编址采用线编址方式，程序存储器27256芯片地址范围为：

8000H~0FFFFH；EA为数据存储器6264芯片的片选信号，其地址范围为：

0E000H~0FFFFH。

3.4二氧化碳浓度传感器的选型

大气中的CO2是作物进行光合作用和呼吸作用的原料之一，其浓度大小会影响农作物的光合作用，从而会影响农作物质和量。

若温室内CO2浓度过高，则不利于农作物的生长，这时可以打开通风机，温室大棚外有充足的新鲜空气可以去稀释室内的CO2的浓度。

若温室与外界环境空气交换充分，则温室内的CO2浓度和大气中的CO2浓度就能基本保持一致。

但是在温室外部环境温度很低的时候如冬季，为保存室内能量，只允许温室与外界进行极少量的空气交换量。

这时由于农作物在白天进行了光合作用，温室内CO2浓度偏低，又无法从外界补充CO2，影响作物光合作用，此时必须补充CO2以利于作物的增产增收[16]。

T6004型CO2模块是一种集成气体传感器，具有体积小、功耗低、无须校准等特点，非常适合以微处理器为基础设计的控制器和相关设备应用。

该传感器的主要参数有：

（1）测量方法：

单波非色散红外原理；

（2）气体采样方法：

流通式和扩散式；

（3）测量范围：

0~2000ppm；

（4）精度（25℃）：

±40ppm；

（5）温度漂移：

0.2%FS/℃；

（6）稳定性：

在使用寿命期间（15年）<2%FS；

（7）重复性：

<1%FS；

（8）压力漂移：

读数的0.13%/mmHg；

（9）校准间隔：

不需要；

（10）响应时间：

<60秒；

（11）信号刷新时间：

1.6秒；

（12）预热时间：

<2分钟，十分钟（最高精度）；

（13）工作环境：

0~50℃，0~95%RH非凝露；

（14）输出信号：

SPI或UART9600波特数字方式输出，模拟输出0~4VDC（0~2000ppm）；

（15）供电电源：

标准5VDC（±10%）；

二氧化碳浓度传感器的输出接到A/D转换器的IN0端口

3.5土壤湿度传感器的选型

水分对农作物的生长起到至关重要的作用，在给农作物施肥时，农作物通过其根部毛细导管的吸收，因此肥料需要溶解在水中。

农作物在进行光合作用时所产生的有机物质要运送到农作物体的各个部分也必须要通过植物体内的搬运工水，才能运送到植物的各部分。

如果土壤中严重缺水，则会使农作物严重脱水细胞死亡而枯死。

如果土壤中的水分过多，则会导致土壤中的氧气含量减少，农作物的根部呼吸作用减弱，从而导致农作物对营养吸收的速度减缓，农作物会发生沤根，严重的会使农作物萎蔫甚至死亡[17]。

设计选用HL-TR02土壤水分传感器，它是一款基于频域反射原理，利用高频电子技术制造的高精度、高灵敏度的测量土壤水分的传感器。

通过测量土壤的介电常数，能直接稳定地反映各种土壤的真实水分含量。

测量时，传感器产生的高频电磁波沿传输线进行传播，在末端经过周围有土壤介质的反射并在传输线上形成驻波，驻波的电压随着探针和周围土壤介质阻抗的变化而变化，通过测量传输线两端的电压差即可测出土壤的介电常数，从而测出土壤的含水量。

HL-TR02土壤水分传感器可测量土壤水分的体积百分比，是目前国际上最流行的土壤水分测量方法。

该传感器的主要参数有：

（1）测量参数：

土壤容积含水率

（2）测量单位：

%（m3/m3）

（3）测量量程：

0～100%

（4）测量精度：

0～50%（m3/m3）

（5）范围内为±2%（m3/m3）

（6）工作范围：

-30℃～70℃

（7）工作电压：

电压输出信号0~5VDC

（8）稳定时间：

通电后1秒

（9）响应时间：

＜1秒

（10）测量区域：

以中央探针为中心的直径为3cm、高为7cm的圆柱体

（11）探针长度：

78mm

（12）探针