温室大棚智能控制系统设计Word下载.docx
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通过实践证明，系统具有性能好、操作方便等优点，能实现对温湿度等的显示、调节和控制。
系统在其它领域还具有一定的推广价值。
关键词：
大棚；
温度；
湿度；
传感器
ABSTRACT
Greenhouseisanimportantcomponentofprotectedagriculture.Measuringandcontrollingsystenisthebasisofthemanagementautomationinthegreenhouse.Withthegrowthrulesanalyzingmeasurementdataandcontrollingcircumstancecondition.Itmakesgreenhousebetter,andmoreproductiveandhighquality.Withthedevelopmentofcomputerapplicationtechnology,thecomputer-controlledareasarealsoinvolved,theplastictemperatureusingSCMandhumidityisoneofthemainaspectsusedinpractice.
Forvegetableshedspeaking,oneofthemostimportantmanagementfactoristhetemperatureandhumiditycontrol.The
thesisis
aboutanintelligentsystemdesignedforcontrollingthetemperatureandhumidityofagreenhouse.Itcanmeetthedemandofmonitoringthroughthedesignofhardwareandthatofsoftwareindetails.Theformerismoreimportantinthisdissertation,includingtheintroductionofsensorofmeasuringtemperatureandhumidity,demonstratingmodeofdata,themodeofcontrolandtheconnectingpartofthechangingcolumn.Andaccordingtothedesignthoughtsthelattershowstheflowchartofthemainprogramandthesubprogram,realizedbyprogram.Thisthesischoosethedecicesasfullconsiderationoftherationbetweenprformanceandcostaspossible.Thesystemadoptsquiteanewintegratedcircuit,whichmakesitfunctionbetterandrunmoreconvenientlywhenputintopractice.Furthermore,notonlycanitachievethegoalsofmanifestingandregulatingthetemperature,butalsoit
can
becontrolled.Andithasmuchofvaluetoapplyandpopularizeinotherfields.
KEYWORDS:
Vegetable,Temperature,Humidity,Sensor
1绪论
引言
现代社会随着科技的发展尤其是农业科技的日新月异，使得人们能通过创造适合农作物生长的环境来改变其生长周期。
满足人们对作物优质，高产和低耗的需求。
而随着计算机技术在农业中的运用，以及现代控制技术的飞速发展。
现代农业逐渐的趋向于农业的自动化，专业化。
温室智能控制系统是微电子技术，计算机技术和自动控制技术的结晶。
他大概经历了四个阶段：
最开始的原始的手工阶段，对于温室环境的改变大多只能依靠种植者的经验以避免环境的过度变化导致的农作物的减质减产。
手工阶段过后出现了各种各样的机械设备，大片温室安装了这样的机械来作为控制器。
二十世纪七十年代计算机的出现使得各种机械设备退出了历史的舞台。
而温室的智能控制便是于二十世界九十年代中期问世。
温室温湿度控制系统是温室智能控制系统的一个分支系统。
温室温湿度控制系统是温室管理者对于温室的温湿度环境的一种微电子技术，计算机技术和自动控制系统相结合的一种创新发明。
它更精确和系统的控制着温室的温湿度环境。
使得温室更适合农作物的生长。
现在一般的温室都有实施温室温湿度控制系统的硬件条件。
采用温室温湿度控制系统更能方便管理者的操作，提高工作效率节约各种资源，也提高了农作物的产量，使其质量和数量都能达到很高的标准，符合我国的现代化发展。
运用温室温湿度控制系统进行温室的管理，能更有效的提高温室管理者的工作成绩。
温室的管理，特别是大型温室的管理具有农作物数量大，品种多，需求的最佳环境变化大能缺点。
利用计算机的强大记忆和计算能力，对各种环境需求进行集中系统有效的控制。
大大降低了温室管理者的劳动强度。
研究现状
温室温湿度控制系统这一项技术已经在全球范围内得到广泛的运用，该系统已经发展到了专业化，精确化和大规模生产化。
规范的营运操作使得温室的相关产品得到大量的生产，成为如今世界上一项新型的产业。
系统所用的单片机也有多种多样，比如PIC系列和AT89C52等。
而各个系统在各方面也有各自的优缺点。
目前来说温室温湿度控制系统主要有单片机作为主要的中央控制器，通过温湿度传感器收集信息，以强大的数据库，和精确及时的计算能力作为依靠，迅速做出控制，以达到对温室环境的控制。
现代温室的控制理论主要有PID控制法和模糊理论控制法。
PID控制法，即比例（P）控制，积分（I）控制，微分（D）控制。
此类控制法已经广泛应用于温室控制系统中。
但由于温室农作物生长周期的数据复杂性，需求环境因素的变化量大，以及各种外部环境因素的原因，导致了计算机对环境的监控出现偏差，控制也将相应的出现何种错误指令。
最终使得温室农作物的减质减产。
相对来说此类控制方法的效果不够理想。
模糊控制法，是以模糊集合为基础的，它的基本思想是收集模糊性现象，以处理具有模糊现象的事物为目标。
并将其转化成精确的数据为计算机所能处理。
它不主张使用复杂繁琐的数学模型来解决问题。
模糊控制具有的优点为以下几点：
1、模糊控制是一种基于规则的控制。
主要采用语言型控制规则。
设计中是不需要精确的数据模型的。
因此便于理解和操作；
2、模糊控制适用于动态特征不容易掌握的对象；
3、模糊控制由于采用语言控制规则，具有很强的独立性，能与语言规则之间找到折中的控制选择。
4、模糊控制采用的语言控制规则具有一定的启发性设计，有利于模拟人工控制，大大的提高了系统的适应能力，并具有一定的智力；
5、模糊控制的抗干扰性强。
模糊控制的主要缺陷：
信息收集的信息模糊，将导致系统控制的精确性下降。
如果要提高系统的精确性，则需要收集更大量的环境因素和建议更精确的模糊语言规则。
从而导致了决策速度的降低，严重时甚至不能做到实时控制。
模糊控制的规则选择和运用也无精确的标准。
发展趋势
随着计算机技术，微电子技术和自动控制技术的进一步发展，使得全球市场对温室温湿度控制系统的要求进一步细致化和增强化。
因此温室温湿度控制系统也在智能性，安全性，可靠性，方便性等方面得到飞速发展。
具体在一下几个方面：
1、智能化技术。
由于温室作物的生长周期长，过程复杂，其所需要的最佳环境也是一个模糊的动态数据。
这造成了温室控制的不精确性。
而且考虑到温室作物的安全性，以及温室管理所涉及的市场，人员，技术，设备等因素，温室控制还是无法实现无人化管理。
模糊控制理论的提出以及应用，适应了温室环境环境控制的特点，是现阶段温室温湿度控制技术发展的主要趋势之一；
2、分布式系统结构。
过去的温室控制系统主要由一个主机终端作为控制中心，对各个子系统进行控制调节。
这种模式的使用不够灵活，可靠性差。
一旦主机出现故障将导致整个系统的崩溃。
分布式系统的发展方向是采用了无控制中心的方式，每个子系统都有个自己的任务。
当一个字系统出现故障并不会影响其他子系统的运行;
3、多因子控制方式。
实现以各个因子相互影响控制。
能提高温室控制的效果；
4、人机智能系统的集成。
温室环境控制的各个系统的相互制约。
因其复杂性，需要提供新型的概念，新方法。
需温室管理者与温室控制系统的相互结合达到集成一体的人机智能系统，是未来温室控制系统的发展方向。
研究存在的问题
温室温湿度控制系统对于温室的温湿度检测调控的精确性和及时性有待改善。
在节能，无污染和操作性上也需要进行强化。
2设计方案论证
设计要求及框图
本设计需要设计一个大棚温湿度测控系统，设计选用单片机为执行器，通过温度监测电路，湿度监测电路，控制系统，报警电路，显示电路等组成这样一个系统[2]。
系统设计框图如图2-1所示。
图2-1系统电路设计框图
Figure2-1systemcircuitdesignblockdiagram
元器件的选择
2.2.1单片机的选择
方案一：
采用MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片作为核心器件，有4K字节的内部FLASHPERAM，能于3V的超低压工作，而且与MCS-51系列单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏[3]。
方案二：
采用AT89S52芯片作为核心器件,片内ROM全都采用FlashROM；
能以3V的超低压工作；
同时也与MCS-51系列单片机完全兼容。
该芯片内部存储器为8KBROM存储空间，同样具有89C51的功能，并且具有在线编程技术，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，由此不会对芯片造成损坏。
所以设计采用AT89S52作为主控制系统。
2.2.2温度传感器的选择
采用数字式温度传感器DS18B20。
此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，由于其输出为数字量，所以不需要进行A/D转化，这样就降低了硬件成本，简化了系统电路。
另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。
采用数字式温湿度传感器DHT90。
该传感器为数字式传感器，可以同时采集温度和湿度，两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。
微小的体积和极低的功耗等优点，使其成为选择温湿度传感器时的首选。
2.2.3湿度传感器的选择
采用HS1100/HS1101湿度传感器。
HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
该传感器具有高可靠性、长期稳定性和快速响应时间等特点，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。
该传感器为数字式传感器，采集湿度的精度是14位，端口少，只需要单片机的一个端口即可驱动，精度较高，除此之外，该传感器还可以同时采集温度和湿度，并能进行相对湿度补偿，易于应用，操作简单。
2.2.4显示模块的选择
采用LCD1602液晶显示器。
其显示容量为16*2个字符，而此次设计的是一个大棚温湿度测控系统，需要将设定的温湿度值以及采集过来的外界环境里的温度值和湿度值显示出来，而LCD-1602的显示容量只有两行，可以显示八个汉字，这样无法直接在一屏里面显示温度值和湿度值，需要分多次页数来显示，这样不便于观察温湿度的变化，所以在本次设计中不采用LCD1602液晶显示器。
采用LCD12864液晶显示器,可以显示四行汉字，每行为16个字符，八个汉字，这样可进行观察和比较，清晰明了，易于操作，占用的单片机口线少，可以满足本系统的设计要求。
因此在本次设计中的显示部分选用LCD12864液晶显示器[4]。
2.2.5系统设计方案的确定
综上所述，对本次设计系统的方案选定如下:
采用AT89S52作为主控制系统；
液晶显示模块LCD12864作为本次系统的显示；
DHT90温湿度传感器作为本次系统温度和湿度的信息采集[5]。
通过论证拟采用的设计方案内容包括以下几点：
1.选择AT89S52单片机作为整个系统的核心器件，发送并时时处理系统信息。
2.传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。
工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。
本设计选用集成温湿度传感器DHT90。
3.显示电路的设计：
设计采用液晶LCD12864进行显示，简单明了。
4.报警电路的设计：
在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。
其方法就是把计算机采集的数据通过计算机进行数据处理、数字滤波和标度变换，这些已经在软件程序里边处理过，所以显示温湿度即为外界采集的温湿度，和设定的值比较，如果高于上限值或低于下限值则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。
本设计采用声光报警电路。
温度和湿度任何一个超过设定范围，蜂鸣器均报警。
设计选用二极管的亮灭显示温度或者湿度是否过限，这样便于观察，可以更加直接的确定是要升降温还是要增减湿度，给工作人员减少了工作量。
蜂鸣器报警电路是通过MCS-52的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。
5.温湿度控制主程序的设计要考虑以下问题：
（1）温湿度采样，数字滤波；
（2）越限报警和处理；
（3）温度标度转换。
3系统的硬件设计
系统硬件的简述
系统采用单片机对大棚的温度、湿度进行自动监测和控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等特点，而且还可以大大提高被控制温度、湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
本设计利用单片机的这些特点对大棚的温度、湿度进行控制，将其保持在一个合适的范围内。
若温度低于10℃，加热装置工作；
若温度高于40℃，通风装置工作；
湿度低于30%RH，喷灌装置工作；
湿度达到或超过70%RH，喷灌装置停止工作[6]。
单片机模块的设计
3.2.1单片机的功能特性描述
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，存储器是采用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品的指令和引脚完全兼容。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作；
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止一切工作，直到下一个中断或硬件复位为止[7]。
AT89S52的引脚结构图如图2-1所示。
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；
在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
图3-1AT89S52引脚图
Figure3-1AT89S52pindiagram
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平，单片机复位。
ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
应注意的是：
每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
PSEN：
程序储存允许输出（PSEN）是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP：
外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（其地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
3.2.2单片机的最小系统
单片机的最小系统应包括振荡电路和复位电路等[8]。
振荡电路（时钟电路）的主要任务是为AT89S52单片机正常工作需要的时钟电路提供一个稳定的工作频率。
根据AT89S52单片机时钟周期的要求，回路需要选用频率为12MHz的晶振。
晶振回路由电容和陶瓷谐振器并联组成，作为单片机的时钟源。
AT89S52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2端口接上时钟电源即可构成时钟电路。
本设计中采用内部时钟产生方式，如图所示。
在XTAL1和XTAL2两端跨接晶振，与内部的反相器构成稳定的自激振荡器。
其发出的时钟脉冲直接送入单片机内定时控制部件。
电容C8和C9对频率有微调作用。
电容C1和C3，应尽可能的安装在单片机芯片附近，以减少寄生电容，保证振荡器稳定可靠的工作。
复位电路的功能就是对CPU进行实时监测，当CPU落入死循环之后，能及时发现并使整个系统复位。
为确保微机系统中电路稳未定可靠工作，复位可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。
一般微机电路正常工作需要供电电源为〜。
由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC上电时，只有当VCC超过，低于以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。
单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。
温湿度采集系统的设计
3.3.1温湿度传感器的概述
DHT9x是数字温湿度传感器系列中插针型的传感器。
此类型传感器把传感元件和信号处理集成起来，输出全标定的数字信号。
传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。
传感器采用专利的CMOS技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
因此，该产品具有品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
传感器采用的是原装进口数字温湿度传感器芯片，引脚插针为标准插针，使用时无需重新校准。
传感器直接与单片机相连，无需其他外部元件。
总之，极低的功耗、极高的性价比、卓越的品质等优点使其成为我们在选择温湿度传感器时的首选。
DHT90的基本特性如下：
测湿范围：
0～100%RH；
测温范围：
-40～℃；
响应时间：
温度：
<
30s，湿度：
8s；
分辨率：
℃，湿度：
%RH；
重复性：
℃
湿度：
测量精度：
±
℃湿度：
安装方式：
间距插针。
3.3.2传感器的接口说明
DHT90引脚结构如表3-2所示。
表3-2DHT90引脚结构
Table3-2DHT90pinstructure
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1
SCK
时钟信号
2
VDD
电源
3
GND
地
4
DATA
数据输出
DHT90的供电电压为，建议供电电压为。
DHT90的串行接口，在传感器信号的读取及电源损耗方面，都做了优化处理；
传感器不能按照I2C协议编址，但是，如果I2C总线上没有挂接别的元件，传感器可以连接到I2C总线上，但单片机必须按照传感器的协议工作。
SCK用于微处理器与DHT90之间的通讯同步。
由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。
DATA三态门用于数据的读取。
DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并且仅在SCK时钟上升沿有效。
数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。
为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。
需要一个外部的上拉电
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