基于单片机的葡萄大棚控制系统设计Word格式.docx

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但其造价成本高昂，控制也较为复杂。

而我国人口众多，农业用地日渐狭小，农业在很长时间内依然是劳动密集型产业，农业成本中，相对于发达国家，人力成本相对廉价，因此，改进农业生产技术的环节中，价格因素往往会是主导因素，而且，目前我国的农业温室体系中绝大部分是塑料大棚的温室，在人力成本不高的情况下，将大棚改造成适用于物联网之类的玻璃温室，显然不具有普遍性，所以，基于单片机的智能温室控制系统，由于其价格低廉，在塑料大棚内具有良好的适应性，依然具有相当的市场潜力。

本文就将设计一种基于单片机的智能温室控制系统，对葡萄的生长环境进行检测和控制。

1.2葡萄大棚控制系统原理概述

基于单片机的葡萄大棚管理系统[9]，采用数字温湿度数字传感器对葡萄大棚的环境进行监测，配合相应的控制系统，从而使得葡萄能够在不同的生长阶段处于科学的环境需求当中；

还将简化操作，使得最后的界面简单，数据直观有效，可以及时掌握被控温湿度等技术指标；

系统的数据测量和传输精度都很高，在选取构件时也考虑到了经济因素，增加了实用性和普适性；

而利用这样的自动控制系统，希望可以代替管理者的人工调控，减轻他们的劳动负担，也能更好地保障葡萄的生长，从而创造更大的效益。

1.3设计内容及目标

系统由基于STC89C52单片机的主控模块、DS1302时钟模块、DS18B20、DHT11数据采集模块、12864显示模块、控制模块、报警模块和电源模块组成，所有指令执行有STC89C52单片机控制，多个温湿度传感器测得空气和泥土的温度与湿度，单片机读取已经过AD转换的温度数据后进行数据处理，将数据与提前设定的温度上下限作比较，同时在液晶屏上显示。

如果比较的结果超出预设值，单片机控制电扇和水阀门开关及蜂鸣器报警。

本设计要实现的目的主要有以下几点：

1.可以现实当前时间和实时温湿度，温度精度为±

0.5℃，范围为-10℃-55℃；

湿度精度±

5%，为分辨率为1%，测量范围为20%-80%；

2.键盘输入设置时间和温湿度上下限；

3.当温湿度超出上下限时，进行报警和自动控制。

2.系统总体方案设计

2.1系统设计要求和功能

设计一款基于51单片机的葡萄大棚控制系统。

该控制系统具有的功能：

1.实时显示温湿度，温度测量范围在0~40℃，湿度测量范围在40%~70%；

2.温度高于设定值时，打开电扇，进行降温；

3.湿度低于设定值时，打开水阀，进行浇水；

4.显示当前时间。

2.2系统总设计方案

根据设计要求和功能，系统包含以下几个模块：

（1）数据采集模块：

利用传感器测量环境所需要的数据，具体为温度与湿度，使电路按照一定的序列将数字信号写入到单片机。

（2）控制模块：

采用单片机作为主控芯片，温度过高时，控制电风扇开启，湿度过低时，打开水阀门。

（3）单片机外围电路模块：

包括晶振电路、复位电路和电源电路，使单片机正常工作。

（4）键盘模块：

时间、温度上限、湿度下线的设置，菜单的选择。

综上所述，设计总方案，可以实时测量葡萄大棚中的温度和湿度情况，通过显示屏显示数据，在环境发生异常的时候，系统可以自动控制环境调节部分，使得温度与湿度趋于理想情况，基于安全性和实用性，考虑了一种改变温度和湿度的方式。

通过硬件构架，软件设计，从而使得系统可以在实际环境中顺利得到应用，并在现实中可以得到推广。

因此，作出葡萄大棚控制系统设计的基本原理框图如图2-1所示。

图2-1系统设原理框图

3.系统硬件设计

3.1主芯片的选择及介绍

本设计的控制器主要用于对温湿度测量信号的接受与处理、控制系统的开关、通过显示电路对温湿度值和当前时间的显示、超过设定温湿度范围的蜂鸣器报警、控制键盘实现对温使度上下限以及时间的设定等。

①.单片机的选择

方案一：

采用8031单片机作为系统控制器。

8031单片机体积小，成本低，可是它的功能不是那么的强大，稳定性和精确性也不太高，需要采用数字滤波方案来减少干扰信号，还要一些复杂的算法控制，比较麻烦。

方案二：

采用单片机STC89C52作为系统控制器。

STC89C52算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟、成本低，相对而言性价比方面都非常的高。

基于以上分析拟订方案二，由STC89C52作为控制核心，对温湿度采集、控制和实时显示以及对上传数据进行控制。

②.STC89C52单片机概述

STC89C52[10]由美国ATMEL公司开发，它的制造工艺采用可靠的CMOS工艺技术，属于标准的MCS-51的8位单片机。

采用40引脚的双列直插封装（DIP）。

如图3-1所示为单片机封装图。

89C52的40只引脚按功能分类，可分为3类：

（1）电源及时钟引脚：

Vcc、Vss；

XTAL1、XTAL2；

（2）控制引脚：

PSEN、ALE、EA、RESER（即RST）；

（3）I/O口引脚：

P0、P1、P2、P3，四个都为8位的外部引脚。

图3-1单片机封装图

其主要特性如下：

●与MCS-51兼容；

●4K字节可编程闪烁存储器；

寿命：

1000写/擦循环；

数据保留时间：

10年；

●全静态工作：

0Hz-24Hz；

●三级程序存储器锁定；

●128*8位内部RAM；

●32可编程I/O线；

●两个16位定时器/计数器；

●5个中断源；

●可编程串行通道。

I/O口的特性及相关功能[11]：

P0口：

P0口是一个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FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH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4TTL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，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STC89C52的一些特殊功能口[12]，如表3-1所示：

表3-1P3口替代功能

引脚

替代功能

说明

P3.0

RXD

串行数据接收

P3.1

TXD

串行数据发送

P3.2

INT0

外部中断0申请

P3.3

INT1

外部中断1申请

P3.4

T0

定时器0外部事件计数输入

P3.5

T1

定时器1外部事件计数输入

P3.6

WR

外部RAM写选通

P3.7

RD

外部RAM读选通

3.2单片机外围电路设计

单片机外围电路包括晶振电路和复位电路，它和主控单片机芯片、电源电路组成单片机最小应用系统。

3.2.1晶振电路

晶振电路是一种时序电路，为单片机提供脉冲信号使其正常工作。

由于MCS-51系列单片机内部已集成了时钟电路，所以在使用时只要外接晶体振荡器和电容就可以产生脉冲信号。

晶体振荡器和电容所组成的电路称为晶振电路。

如图3-2所示为晶振电路图，由11.0592MHz的石英晶体和两个22PF的电容组成。

X1（晶振）直接接在STC89C52的XTAL1、XTAL2两端，其中CB1、CB2为起振电容。

图3-2晶振电路连接图

3.2.2复位电路

复位就是让单片机从程序的最初开始重新运行，就像电脑的重启一样。

单片机在启动运行时，都需要先复位，即是使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

MCS-51系列单片机本身，一般不能自动进行复位，必须配合相应的外部电路才能实现。

复位电路的作用就是使单片机在上电时能够复位或运行出错时进入复位状态。

本设计中STC89C52的复位引脚（Reset）是第9引脚，因此引脚连接高电平超过2个机器周期（一个机器周期为6个时钟脉冲），即可产生复位动作[14]。

以12MHz的时钟脉冲为例，每个时钟脉冲1微秒，两个机器周期为2微秒，因此，在第九引脚上连接一个2微秒以上的高电平脉冲，即可产生复位的动作，复位电路图如3-3所示。

图3-3复位电路连接图

3.3时钟模块电路设计

应设计要求，显示屏要现实当前时间和日期，则需要精确较高的时钟芯片。

一般娇典型的有DS1302，DS12887等。

①.芯片的选择

选择DS1302[15]芯片。

它是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。

采用三线接口和CPU进行同步通信，并可以采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。

DS1302内部有一个31×

8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。

选择DS12887。

它也是由美国DALLAS生产，其内部自带晶体振荡器及锂电池，可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日、月、年七中日历信息，并带闰年补偿。

功能强大，但价格较高，投入到控制系统的生产需要较大的资金。

由于本设计所需要的功能不要需要2000多年的日历计算，并考虑到投入生产所要的资金问题，选择DS1302芯片。

②.芯片介绍

时钟芯片采用DS1302，它的引脚功能如图3-4所示：

图3-4DS1302封装图

VCC2:

主电源；

VCC1:

备份电源。

当VCC2>

VCC1+0.2V时，由VCC2向DS1302供电，当VCC2<

VCC1时，由VCC1向DS1302供电。

SCLK:

串行时钟，输入，控制数据的输入与输出；

I/O：

三线接口时的双向数据线；

CE/RST:

输入信号，在读、写数据期间，必须为高电平，则允许对数据进行操作以及初始化操作，为低电平则数据此次数据传输中止。

该引脚有两个功能：

第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；

其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。

DS1302引脚连接方式如图所示，X1，X2脚串联一个32.768KHz的晶振，该晶振的作用是产生基准时钟信号，它与芯片内部的电路组成振荡器，进过分频可以得到精确的秒信号，与电子手表的晶振是一致的，产生的时间信号较为精确。

VCC1的备用电源在主电源关闭或遭遇故障的时候使得时钟芯片依然能够工作，选择的电容器应接近芯片的负载电容，如果断电时间较短，漏电较小的普通电解电容器就能胜任。

图3-5时钟电路连接图

选择DS1302用于数据记录，是因为其对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。

这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。

这也是保障在环境突发变化的情况下，能够及时的得到时间资料[13]。

传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此，只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；

而若单单采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且，某些测控系统可能不允许，因此，在系统中采用时钟芯片DS1302，能很好地解决这些问题。

3.4温度数据采集电路设计

①.元器件的选择

选用传统的热电偶和热电阻测温元件。

传统的热电偶和热电阻测出的一般都是电压，然后再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。

选用DS18B20。

它是有美国DALLAS公司生产的测温元件，它的全部传感元件及转换电路集成就像是一只三极管的集成电路。

它体积小，使用方便灵活，适应电压范围宽，更利于温度的准确测量。

经过以上对比，采用DS18B20作为大棚控制系统的测温元件。

②.元器件的介绍

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS18B20之后推出的一种改进型智能温度传感器，它的内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

基本特性：

1、温度适用范围：

－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±

0.5℃。

2、电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。

3、可编程，分辨率为9～12位，对应的可分辨温度为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

4、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。

5、负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

6、在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在一只形如三极管的集成电路内。

7、内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM，温度传感器，温度报警触发器TH和TL，配置寄存器。

图3-6DS18B20引脚图

温度传感器DS18B20的引脚如图3-6所示，各引脚的功能为：

GND：

接地端，电源必须接地

DQ：

数字端，信号的输入输出

VDD：

电源端，可选择寄生电源，该传感器电源极性不能接反，否则会显示恒定温度值。

DS18B20的工作原理[16]，在于低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。

计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

如图3-7所示为DS18B20工作原理图。

图3-7DS18B20工作原理图

3.5湿度数据采集电路设计

（1）元器件的选择

选用JCJ100S传感器。

它采用进口高精度湿敏电容，配合线性放大电路和温度补偿电路,具有性能可靠、使用寿命长等特点。

它是一体式变送器,广泛使用于一般室内测量，如机房、宾馆、生产车间、档案馆等环境较好的场所。

选用DHT11传感器。

它是一款含有已校准数字信号输出的数字传感器，具有体积小巧、功耗极低、接口简单、响应速度快、性价比高等特点，可测泥土湿度，并且信号传输距离可达20米以上。

相比两者特性和使用范围，DHT11更适合大棚内湿度测量。

（2）元器件的介绍

DHT11数字温湿度传感器，含有已校准数字信号输出。

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和长期稳定性。

传感器由一个电阻式感湿元件、一个NTC测温元件和一个相连的高性能8位单片机组成。

因此该产品具有品质卓越、响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点。

每个DHT11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

产品为4针单排引脚封装，连接方便。

其基本特性：

1）测量湿度范围：

20%~95%；

2）电压范围：

3.0～5.5V；

3）测量精度：

±

5%；

4）分辨率：

1%；

5）工作稳定，可实现互换。

图3-8DHT11电路连接图

如图3-8为DHT11数字温湿度传感器的连接方式，它的各引脚功能为

VCC：

电源端

DATA：

数据端

NC：

空置端

接地端

以如上方式将湿度传感器接入单片机，从而实现湿度的测量，并在湿度超出预设范围的时候，开启警报和自动调节湿度功能。

考虑到现实应用，设计了多点测量。

3.6液晶显示模块电路设计

本此设计硬件显示采用了12864LCD液晶中文显示[19]，可以显示系统的时间，所测量的温度、湿度数据及预设温湿度。

其基本特性为：

（1）显示大小：

128x64点阵的液晶显示；

（2）工作电压：

4.75V~5.25V；

（3）背景：

LED光源；

（4）数据总线：

8位并口；

（5）工作温度：

-20℃~70℃。

如图3-9所示为12864显示屏的电路图，各引脚功能如下：

图3-912864电路连接图

电源接地

电源输入

VL：

液晶显示对比度调节

RS：

数据输入

RW：

读写选择

EN：

读写使能

D0-D7：

数据总线

CS1,2：

U1,2片选

RST：

液晶模组复位

VEE：

液晶驱动电源

BL+:

LED电源正

BL-：

LED电源接地

该显示器体积较小，价格低廉，适用于本系统，该显示器由于是液晶模组，抗震性能较差，而且静电防护能力也较弱，但由于本系统适用于大棚环境，无需二次运输，而且相对湿度较高，因此也正好克服了这些弱点。

值得注意的是，对液晶材料施加直流电压，会引起液晶材料迅速恶化，应该确保提供交流波形的M信号的连续应用。

特别是，在电源开关时应遵照供电顺序，避免驱动锁存及直流直接加至液晶屏。

3.7报警、控制模块电路设计

本设计采用对电阀门的开关来实现温湿度的报警与控制。

当所测温度或湿度超过设定值的上下限，就会报警。

电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。

接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，