温室数据采集与控制系统的研究与应用.docx

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温室数据采集与控制系统的研究与应用

本科生毕业设计

（2014届）

题目:

温室数据采集及控制系统的研究与应用

学院物理电气信息学院

专业电气工程与自动化

年级

学生姓名

学生学号1201

指导教师

2014年5月10日

摘要

中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。

本系统以AT89C52单片机为控制核心，利用温湿度传感器对蔬菜大棚内的温度和湿度进行实时采集，经过单片机分析处理，并发出控制指令，实现温室的温湿度自动控制。

系统由单片机系统模块、温湿度采集模块、加热模块、降温模块、湿度报警模块以及显示模块六个部分组成，可以通过按键设定温室的温度值和湿度值，采集的温湿度和设定的温湿度通过LM020L液晶数码管显示。

当所设定的温度值比采集的温度大时，通过加热器加热，以达到设定值；反之，开启降温风扇，以快速达到降温效果。

当温室湿度低于或者超过系统设定的湿度范围时，报警装置报警。

通过该系统，可对温室大棚内的温湿度进行有效、可靠地检测与控制，从而保证大棚内作物在最佳的条件下生长，提高质量和产量。

关键字：

温室单片机自动控制

Abstract

ThedevelopmentofChinaagriculturemusttakethispathofmodernagriculture,withtherapidgrowthofnationaleconomyofagriculturalresearchandapplicationtechnologyhasbeenpaidmoreandmoreattention,especiallygreenhousehasbecomeanimportantcomponentofefficientagriculture.

ThissystemtakestheAT89C52singlechipasthecontrolcore,real-timedataacquisitionandcontroloftemperatureandhumidityofthegreenhouseusingtemperatureandhumiditysensor,therealizationofautomaticcontroloftemperatureandhumidityingreenhouse.ThissystemiscomposedofMCUsystemmodule,temperatureandhumiditydataacquisitionmodule,aheatingmodule,temperaturemodule,dehumidificationmoduleanddisplaysmodulesixparts.Youcansetthekeygreenhousetemperaturevalue,thecollectionoftemperatureandsettemperaturebyLM020Ldigitaltubedisplay.Whenthesettemperaturevaluethantheacquisitionoftemperatureishigh,throughheating,inordertoreachthesetvalue;otherwise,openthecoolingfan,toachievecoolingeffect.Throughthesystem,effective,reliabledetectionandcontrolthetemperatureofthegreenhouse,soastoensurethegreenhousecropattheoptimumtemperatureofgrowth,improvequalityandyield.

KeyWords：

Greenhousemicrocontrollerautomaticcontrol

目录

第一章绪论1

1.1选题的目的和意义1

1.2温室数据采集的国内外研究现状2

1.2.1国外研究状况2

1.2.2国内研究现状3

1.3论文所做的工作4

第二章温室控制系统的总体设计5

2.1温室环境的主要参数5

2.2控制系统设计要求5

2.3控制系统总体设计6

第三章温室控制系统硬件部分研究8

3.1基于AT89c52单片机系统8

3.1.1时钟脉冲11

3.1.2复位电路11

3.2温湿度采集模块12

3.3显示模块14

3.4温度调节模块16

3.5湿度报警模块17

第四章温室系统软件部分设计18

4.1整体系统框图19

4.2LM020L显示模块程序设计20

4.3温度控制模块程序设计21

4.4湿度报警程序设计22

第五章系统抗干扰措施23

5.1系统硬件抗干扰措施23

5.2系统的软件抗干扰措施23

第六章结论与展望25

6.1结论25

6.2展望25

参考文献27

致谢29

附录130

系统结构图30

附录231

系统主程序31

第一章绪论

1.1选题的目的和意义

随着信息技术的快速发展，传感器技术、计算机技术、通信技术和自动控制技术在农业生产中得到了广泛应用。

我国是一个农业大国,超过总人口的百分之六十的国民在从事农业生产，而且，可耕地面积在世界上处于前列。

但我国的农业生产大部分还是处于传统的农业阶段。

现代化水平低，地区差异大。

将我国的传统农业转换成优质、高产、高效的现代化新型农业,是本世纪我国农业工作者的重要任务。

这就需要我们引进国外农业领域先进的技术和管理经验,同时结合我国具体的国情，形成具有我国特色的农业技术和管理体系，提高农业的技术水平和生产率。

二十一世纪是生命科学的世纪,加强以信息农业为主体的农业高新科技的研发,是本世纪我国在农业领域能否掌握科技进步主动权的关键。

设施农业是农业可持续发展的一个重要途径,已经成为农业现代化的一个重要标志。

近年来,温室在我国得到了广泛的应用,它可以人为地改善农作物的生长环境,为作物生长创造有利条件,提高生长率，促进作物的生长。

微型计算机和信息技术的迅猛发展,为温室的自动管理提供了强有力的手段,也为实现温室的标准化、自动化和信息化奠定了基础。

因此,摆在农业工作者面前的一个重要课题就是如何利用通信技术、传感器技术、计算机技术和自动控制技术,以及温室栽培技术,研制出温室环境的采集与监控系统,为农作物的生长提供最适宜的外部条件。

本研究弥补了传统农业主要靠人工经验进行管理,缺乏系统科学指导和量化分析等缺陷。

该数据采集系统可以对采集到温室实时数据进行存储和显示,为各环境因子进行量化分析和温室的控制提供了依据,对提高温室环境控制的自动化与智能化具有重要的意义。

温室的数据采集,是指从传感器和其它待测设备中获取温室环境因子信息,并进行处理的过程。

温室是信息农业的重要组成部分,其数据采集和自动控制技术不断得到提高。

温室数据采集系统,是根据温室的具体特性,结合计算机的硬件和软件技术,用户自定义的、灵活多变的温室各环境因子的测量系统,它是控制器与外部物理世界连接的桥梁。

随着计算机技术、智能控制理论和农业的信息化管理的进步,它的重要性越来越显著。

控制系统的性能很大程度上取决于其数据采集系统的性能,为了对温室环境进行理想的控制,就必须要对温室内外的环境进行准确地釆集,实时掌握温室内外各环境因子的数值和作物的生长状况。

如何利用温室监控系统有效地提高温室环境控制水平和现代化管理程度,是目前温室技术研究的重要课题之一。

1.2温室数据采集的国内外研究现状

1.2.1国外研究状况

二十世纪七十年代,随着电子技术的迅猛发展和微型计算机的问世,温室环境采集与控制技术发生了革命性的突破。

上世纪八十年代,微型计算机产生了日新月异的进步,价格大幅度下降,同时对温室的釆集和控制要求不断得到提高,以计算机为核心的温室环境控制系统,在西方农业发达国家得到了迅速地发展,并逐步迈入了网络化、智能化阶段。

希腊Loukfarm公司开发的温室控制系统由三部分组成:

主计算机、气象站和营养液控制系统。

这套系统与装有控制软件的上位计算机相连,构成了主从关系,可以进行数据采集、存储和运算,还可以在上位计算机上对下位机进行远程控制,并由精确的执行机构来准确有效地控制温室内的各个环境参数。

日本四国电力集团开发出一套远程监控系统:

OpenPlanet。

该系统主要由检测控制局域网、信息采集、数据记录、分散控制器、0P服务器等部分组成,可以实现多温室的集群管理。

日本还开发出Fieldsverer系统,又叫现场服务器,是一种基于嵌入式处理器的多传感器数据釆集装置,它可以连接多种不同类型的传感器,同时测量多路传感器信号。

该系统内部集成了一个微型摄像机,可以同时采集多个图像视频,通过TCP/IP协议将采集到的信息发送到中心服务器。

该系统还可以使用电池进行供电,具有体积小、低功耗、功能强等特点。

美国还推出了代表当今世界农业领域最先进水平的全封闭式的作物生产体系。

这套体系人工模拟太阳光补充光照,利用网络通信技术和视频技术进行温室环境的远程数据采集、控制与诊断,对每棵作物都进行编号,并对其在不同生长阶段所需要的水分和各种肥料进行量化,由智能机器人来完成该智能生产体系中的相关操作,及大地提高了劳动生产率。

1.2.2国内研究现状

近年来,随着我国工农业的快速发展,温室在我国得到了广泛的应用,而且正从传统的温室向自动化、智能化温室转化。

国内的一些大学、科研机构以及专门的企业也开展了温室采集与控制技术的研究,并取得很多具有代表性的研究成果。

武汉理工大学杜欢、郝国法等人发出了基于CPLD的高速数据采集系统。

其控制电路以CPLD为主控芯片,在数据传输部分,采用了高速USB接口,传输速度可以达到480Mbps,极大地提高了数据采集速度,而且精度高、功耗低、易扩展_。

中国农业信息化工程技术研究中心开发了一套智能型远程温室环境监控系统,可监测温室内大气温度、大气湿度、土壤温度、土壤湿度、叶片含水量、光照强度、二氧化碳浓度等因子,并将采集到的数据进行统计分析,通过计算机网络,实现对温室加温、灌溉、施肥、农药喷施、通风换气等过程的智能调控。

这套设备可进行温室数据测量、存储、远程控制和自动报警,提高了农业信息化程度,它使操作者足不出户,在监控室里就能通过网络看到植物生长状况,并进行远程监控。

中国农业大学研制的温室环境监测与控制系统,由主控计算机、温室下位机和室外气象站三大部分组成。

主控计算机是整个系统的中心,它的运算速度快,存储容量大,可以对整个系统进行统一管理。

主控计算机用于完成各种参数的设置,采集数据的记录、查询、打印、控制算法的选择和实现,以及控制命令的生成等功能。

每一个温室设置了一台温室下位机、连接了高精度的温、湿度、二氧化碳、光照度、雨雪等多种传感器,以及各种执行机构和专用摄像头,可以实时、快速地将温室内各环境因子的大小、设备运行状况、实时视频等信息传输到监控现场。

同时该系统还可以通过电话线和互联网设备,将监测的温室内外环境数据和农作物生长状况等信息传到专家的单片机上,以便他们根据提供的信息远程地进行农业生产指实现对温室环境的监测控制。

1.3论文所做的工作

本次研究主要针对温室内温度、湿度等环境主要参数数据釆集以及针对各种情况实行自主的控制，使温室环境能保持在一个良好的稳定状态下，保证温室植物能健康的生长,此次研究内容如下:

（1）温室数据采集系统硬件配置。

包括各传感器的选型,单片机、A/D转换电路、液晶显示模块的选配。

（2）温室控制系统硬件配置。

包括单片机、温度调节电路、湿度报警电路等器件的选配和运行。

（3）温室数据采集及控制系统软件设计。

采用模块化思想,将软件按功能分成若干个模块,每个模块分别进行设计和调试,用KeiluVisioM和Proteus7.5作为设计工具进行软件设计。

（4）利用单片机及软件程序对温室内数据的实时监测和自主的调节或者报警，简单的模拟出了温室环境异常时单片机的自动调节功能，让温室环境保持在一个稳定的、适合作物生长的环境下。

第二章温室控制系统的总体设计

2.1温室环境的主要参数

作物的生长发育及产品的最终形成，其产量与质量一方面取决于作物本身的遗传特性，另一方面取则决于外部环境条件。

在实际生产中，一方面通过育种技术来获得具有新遗传性的品种，另一方面要通过先进的栽培技术及适宜的环境条件来控制其生长和发育。

影响作物生长的因素有很多，光照影响作物光合作用，水分影响作物的生长发育，温度影响作物的生长周期，土壤酸碱度，室内的二氧化碳浓度都或多或少的影响着作物的健康生长。

本次论文主要针对温室的温度和湿度进行分析和设计。

温室内温度、湿度对作物的光合作用、呼吸作用、根系的生长和水分、养分的吸收有着显著的影响，因此影响作物生长发育的环境条件中，以温度湿度最为敏感，也最为重要，因此对温室环境控制的研究也要最先从温湿度的控制开始。

不同种类的作物对温湿度的要求是不同的，同一作物在不同发育阶段对温湿度的要求亦有所不同，而且在同一发育期阶段内对温湿度的要求也会随着昼夜变化而呈周期性地变化。

一般说来在白天作物进行光合作用需要的温度较高，晚上维持呼吸作用所需的温度要低一些。

另外温室内的气温要受到太阳辐射强度和室外气温变化的影响，在温室环境自动控制系统的研究中应该考虑到这种情况。

作物生长发育适宜的温度和湿度，随种类、品种、生育阶段及生理活动的变化而变化。

为了增加光合产物的生成，抑制不必要的呼吸消耗，在一天中，随着光照强度的变化，实行变温保湿管理是一种很有效的管理方法。

2.2控制系统设计要求

本系统以温室温度为主要控制参数，温湿度控制系统的设计，主要完成以下功能:

1.实现对温室温度参数的实时采集模拟，测量温室空间内可能出现温度数据：

根据测量温室内温湿度的实际需求，由温湿度传感器对关键温度敏感点进行测量，由单片机对各组数据进行循环检测、数据处理、存储，实现温度的智能、多点的模拟测量。

2.湿度报警功能：

当湿度大于65%RH或者小于45%RH时，，湿度报警模块报警，当湿度处于45%RH和65%RH之间时，湿度报警模块关闭，从而实现超数据的及时报警。

3.存储一定时间的温室环境参数值。

由于单片机对温室环境的检测是一个连续的过程，单片机数据存储器能够储存一定量的数据记录，需要保存一组由室内、外环境参数及其本组数据采集时间组成的一条测控记录。

4.能够根据季节、地区和作物的不同，设置不同的控制参数。

操作人员可以根据不同的季节、地区和作物，来设置不同的环境控制参数，以满足不同的需要达到最佳效益。

5.自动调节温室内的环境参数。

当温度超过系统设置的温度范围时，通过单片机分析处理，发出指令，温度调节模块自动识别信号，完成控温的操作。

当湿度超过范围时，湿度报警模块报警。

2.3控制系统总体设计

系统原理框图如图2-1所示，温室环境自动控制系统总体电路图见附录一。

本系统由单片机系统模块、温度采集模块、温度加热模块、降温模块、湿度报警模块以及显示模块六个部分组成。

图2-1系统原理框图

通过系统软件设定温度值，设定的温度值和采集的温度值都可以通过LM020L液晶数码管显示。

当所设定的温度值比采集的温度大时，通过加热器加热，以达到设定值；反之，开启降温风扇，以快速达到降温效果。

该系统对温度的控制范围在20℃——30℃，温度控制的误差小于等于0.5℃。

通过使用该系统，对蔬菜大棚内的温度进行有效、可靠地检测与控制,保证大棚内作物在最佳的温度条件下生长，提高质量和产量。

系统工作原理：

本系统由如图2-1所示，DS18B20温度采集器与SHT11湿度传感器采集数据，AT89C52单片机进行数据处理，LM020L显示模块显示温湿度。

由PWM控制温度调节模块进行温度调节，当温度小于18℃时，MOTORAC电机停止运转，当温室大于28℃时，MOTORAC电机全速运转，当温度处于18℃和28℃之间时，通过PWM控制，MOTORAC电机转速。

由AT89C52单片机输出高低电平控制湿度报警模块，当湿度大于65%RH或者小于45%RH时，AT89C52单片机输出高电平，湿度报警模块报警，当湿度处于45%RH和65%RH之间时，AT89C52单片机输出低电平，湿度报警模块关闭。

第三章温室控制系统硬件部分研究

该系统分为六个模块，分别是单片机系统模块、温湿度采集模块、显示模块、加热模块和降温模块、湿度报警模块等。

现分别介绍如下：

3.1基于AT89c52单片机系统

本系统采用Atmel公司所生产的MCS—51系列中的AT89C52单片机，引脚图如图3-1所示

图3-1AT89C52引脚图

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。

AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

主要功能特性：

（1）兼容MCS51指令系统·8k可反复擦写（>1000次）FlashROM

（2）32个双向I/O口·256x8bit内部RAM

（3）3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz

（4）2个串行中断·可编程UART串行通道

（5）2个外部中断源·共6个中断源

（6）2个读写中断口线·3级加密位

（7）低功耗空闲和掉电模式·软件设置睡眠和唤醒功能

AT89C52各引脚功能及管脚电压

概述：

AT89C52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。

主要管脚有：

XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。

RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。

P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

另外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

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将使单片机复位。

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。

要注意的是：

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（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52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（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。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

XTAL1：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

AT89c52单片机系统由两部分组成，现介绍如下：

3.1.1时钟脉冲

AT89C52单片机芯片内部设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11.0592MHz，电容大小为30pF，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。

图3-2时钟电路

3.1.2