基于51单片机的温室大棚小环境控制系统设计.docx

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基于51单片机的温室大棚小环境控制系统设计

****大学

毕业设计（论文）任务书

专业班级自动化学生姓名Damon

一、题目温室大棚小环境控制系统设计

QQ：

1043810875

二、起止日期年月日至年月日

三、主要任务与要求

检测温室大棚内的各种环境变量，温度、湿度和光照强度。

通过键盘设定温湿度的变化范围，通过显示屏显示出当前的温湿度和所设定的范围。

具体如降温和升温调节，加湿和除湿调节，光照强度的调节。

指导教师职称

学院领导签字（盖章）

年月日

****大学

毕业设计（论文）评阅人评语

题目温室大棚小环境控制系统设计

评阅人职称

工作单位

年月日

****大学

毕业设计（论文）评定书

题目温室大棚小环境控制系统设计

指导教师职称

年月日

****大学

毕业设计（论文）答辩许可证

答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料：

1、设计（论文）说明共页

2、图纸共张

3、指导教师意见共页

4、评阅人意见共页

经审查，自动化专业*班Damon同学所提交的毕业设计（论文），符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意参加毕业设计（论文）答辩。

指导教师签字（盖章）

年月日

根据审查，准予参加答辩。

答辩委员会主席（组长）签字（盖章）

年月日

****大学

毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议

**********学院自动化专业*班Damon

同学的毕业设计（论文）于2016年*月*日进行了答辩。

根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、指导教师和评阅人意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答辩委员会（小组）做出如下决议。

一、毕业设计（论文）的总评语

二、毕业设计（论文）的总评成绩：

三、答辩组组长签名：

答辩组成员签名：

答辩委员会主席：

签字（盖章）

年月日

摘要

我国是一个传统的农业大国，农业发展在我国占了很大的比重。

随着人们的生活水平日渐提高，消费能力也逐步增强，对于各种反季节作物蔬菜的需求越来越旺盛。

但是，作物生长所需要的环境限制了人们的需求，而解决这一矛盾的方法就是温室大棚技术。

伴随着温室大棚的广泛应用，同时也出现了一些问题。

温室大棚对于温度湿度、采光和通风等一系列环境要求非常严格，而人工控制费时费力且效率很低。

因此，本文为此设计了温室大棚小环境控制系统。

本文所论述的控制系统主要包括控制单元、检测单元、执行机构和人机交互单元。

控制单元采用了STC89C52；检测单元采用了DHT11温湿度传感器以及光敏电阻；执行单元采用的有驱动器ULN2083、步进电机以及继电器等。

人机交互单元采用了LCD1602显示屏和三个按键组成的键盘。

本系统的工作过程是：

首先通过人机交互单元设置合理的参数，然后测单元检测到的数据交送至控制单元进行判断处理，控制单元再对执行机构发送工作或者停止的命令，执行机构将对环境进行实质性调节。

本系统完成之后达成的效果如下：

如果温度或者湿度过高，通风机会启动运行，不但能降低温湿度，而且能够调节通风；如果温度或者湿度过低，相应的升温或加湿设备会运行；如果光照过强，遮阳帘会自动展开；如果光照减弱，遮阳帘会自动闭合。

关键词：

温室大棚；温湿度控制；DHT11；STC89C52；

Abstract

Chinaisatraditionalagriculturalcountry,agriculturaldevelopmentinourcountryaccountedforalargeproportionof.Aspeople'slivingstandardsimprove,theconsumptionabilityisgraduallystrengthened,andthedemandforvariouskindsofseasonalcropsandvegetablesismoreandmorestrong.However,theenvironmentwhichneedsforthegrowthofcropslimitspeople'sdemand,andthemethodtosolvethisproblemisthegreenhousetechnology.Alongwiththewideapplicationofthegreenhouse,therearesomeproblems.Greenhousefortemperatureandhumidity,lightingandventilation,aseriesofenvironmentalrequirementsareverystrict,andmanualcontrolistime-consumingandinefficient.Therefore,thispaperdesignedasmallgreenhouseenvironmentcontrolsystem.

Thecontrolsystemdiscussedinthispapermainlyincludescontrolunit,detectionunit,executivemechanismandhuman-computerinteractionunit.ThecontrolunitadoptsSTC89C52;thedetectionunitadoptstheDHT11temperatureandhumiditysensoraswellasthephotosensitiveresistance;theimplementationunitadoptsthedriveULN2083,thestepmotorandtherelay.Thehuman-computerinteractionunitadoptstheLCD1602displayscreenandthethreekeycomponentsofthekeyboard.Theworkingprocessofthissystemis:

firstthroughthehuman-computerinteractionunitsetreasonableparameters,thenmeasuringunitdetectsthedataissenttothecontrolunitforjudgingandprocessing,controlunitandtheimplementationortheagencytosendthecommandtostop,theactuatorwillbeontheenvironmentofsubstantiveregulation.

Afterthecompletionofthesystemtoreachtheeffectareasfollows:

ifthetemperatureorthehumidityistoohigh,ventilationopportunitytostartrunning,notonlycanreducethetemperatureandhumidity,butalsotoadjustventilation;ifthetemperatureorhumidityistoolow,thecorrespondingheatingorhumidifyingequipmentwillrun;ifstronglight,shadewillautomaticallyexpand;ifweakerlight,shadewillautomaticallyclose.

Keywords:

greenhouse;temperatureandhumiditycontrol;DHT11;STC89C52;

1绪论

1.1.课题研究的背景和意义

作为全世界最大的发展中国家，农业大国这个称号素来就是我国的代表，而气候对农业的影响非常之大。

我国大部分属于季风气候，冬季干冷而且夏季湿热，对农作物和蔬菜的生长有很大的影响。

我国作为世界上第一个人口大国，人口问题一直是一个很严峻的问题，我国的农作物生产水平必须符合我国的人口实际问题。

然而，我国目前面临城镇化、土地沙漠化、工业建设占用耕地等等问题，导致更耕地大面积减少，制约了我国农业的发展。

然而，随着时代的发展，我国人民进入了小康社会，对于生活质量有了更高的要求，其中一个显著的特点就是对于反季节蔬菜的需求越来越强烈，因此，农业发展在我国占有很大的地位。

我国从建国以来，就制定了各种方针政策，来发展农村经济，这些政策加速了传统农业向现代化农业发展。

其中，温室大棚技术自改革开放之后，在我国大力推广，发展速度很快，更加有效的利用了土地资源，增大了作物的产量，为我国农业现代化发展做出了巨大贡献。

但是，由于我国的温室大棚技术起步晚，目前依然存在很多问题，例如自动控制程度低、管理水平有限、科技含量低、控制能力有限等等问题。

而且，国外相关的技术成本价格昂贵，目前的形势非常不利于我国温室大棚技术发展。

温室技术对于环境的要求非常高。

其中包括温度和湿度、采光和通风等等。

温度和湿度会影响作物的品质和产量。

作物的生长离不开光合作用，光合作用的进行又离不开光线的照射。

作物和蔬菜对于光照十分敏感，因此，实时控制采光是非常重要的，光照太强容易使作物缺水死亡，光照太弱又会使光合作用缺乏影响作物生长。

因此，控制光照可以避免采光不当造成的损失。

二氧化碳也是光合作用必要条件之一，温室里的二氧化碳过多会导致温度过高，因此需要进行通风控制，使空气流动，保持温室内二氧化碳含量在正常值。

因此，需要通风控制装置，来控制通风。

空气中二氧化碳的含量可以随着通风的进行得到调节，并且同时可以使温湿度都得到降低。

要同时对通风、温湿度和采光进行自动控制，需要一个自动控制系统，能检测温室内的温湿度和光强，根据不同的数据来进行调节，从而使温室内的条件达到适宜作物生长的水平。

因此，研究开发一套能实现以上功能的而且符合我国作物大棚发展状况的自动控制系统非常重要，不仅可以减少人力物力，而且可以提高产量质量，具有巨大的经济和社会效益。

1.2.研究现状及发展趋势

1.2.1.国外发展现状

荷兰、日本、美国等国目前在温室大棚小环境控制方面的技术相比其他国家非常成熟，因为他们借鉴了许多工业和其他高科技领域的成果，对于不同作物，生长的最佳条件是不尽相同的，温室大棚内的环境因素可以随时满足作物的生长需求，这样就可以摆脱气候条件的限制，根据市场需要来定向生产作物，节省了土地资源。

他们的技术不但能够实时监控温湿度和各种环境参数，而且在参数优化、节能和执行机构的性能等多方面都取得了巨大进步。

荷兰的温室技术是世界领先的，温室大棚产业具有很强的工业化特征。

荷兰蔬菜温室大多是玻璃温室，整个智能温室大棚具有节能灌溉、温湿度控制、采光控制、气候控制和检测等功能，所有的操作数据都通过计算机输入，使蔬菜生产彻底摆脱了土地的约束和天气影响。

以色列的气候是地中海气候，冬季非常寒冷，因此他们开发了高效节能日光温室技术，在世界上都非常有名。

以色列的科学家研究出一系列计算机硬件和软件系统，来实现温室中的供水、施肥和温湿度的自动化控制。

近些年来开始对外销售其温室材料到世界各地，他们的技术在我国长城以南一些地区己得到推广使用，但在长城以北那些比较寒冷的地区应用较少。

1860年，美国建造了世界上第一个温室大棚试验站，到20世纪初，美国已经有1000多个温室大棚用于冬季蔬菜栽培。

到20世纪60年代，美国研制了无土栽培技术，这使温室大棚技术发生了一次大变革。

到70年代初，美国己有400公顷，无土栽培温室来用于生产各种蔬菜。

到1980年，在全世界进行蔬菜生产的温室大棚面积达16.5万公顷，年总产值大约300亿美元。

日本的温室大棚配套设施和环境调控技术是非常先进的，已经达到世界顶级水平，日本研发的智能监控系统能全方位的监控温室环境，包括温度和湿度、土壤成分、水分、光照等多个因素，后期对温室内植物的处理具有较高水平，如农作物的采摘、清洗、分类和包装等都实现了自动化操作。

1.2.2.国内发展现状

我国是农业大国，是世界上温室大棚使用面积最大的国家，随着科技水平的发展、人们对于生活资料需求的增加，着力发展温室大棚技术成了最近几十年的重点，从上世纪开始，我国温室大棚的发展速度比较快，我国温室面积每年以100-150公顷的速度快速增长。

我国温室大棚技术的起步相对较晚，60年代采用简易塑料大棚种植蔬菜，那时候采用人工控制的方法，不但费时费力，而且还浪费资源。

到了70年代时，节能型日光温室在我国得到应用。

80年代后，我们从美国等一些西发达国家引进了先进技术和装备，充分借鉴和研究了国外先进的控制理论和经验，而且对我国的技术加以改造，这对我国温室技术的发展起到了很大的作用。

到20世纪90年代中期，经过我国技术人员的不断努力，国内的温室大棚技术取得了很大的发展，我国依据自己的国情和当时的温室大棚技术，开始着手设计适合中国发展的温室大棚环境控制系统。

最早有中国农机化研究院开发出的新型温室环境智能控制系统；后来，“WJG-1型温室环境监控计算机管理系统”在北京一所高校开发出来，这个系统的特点是小型分布式数据采集；江苏理工大学开发了智能温室群集散控制系统；再后来，很多新型的温室大棚小环境控制系统被开发出来。

步入21世纪后，温室大棚环境控制技术在我国又得到了比较快的发展。

但是一般使用单片机嵌入式测控系统来作为控制系统，从而形成的是单片机系统，因此人机界面并不很友好，非专业操作人员使用起来困难，难以进行操控，因此自动控制模式大都处于闲置状态，这是严重的资源浪费。

总体来说，我国温室大棚的自动化水平和智能化技程度与发达国家比较起来，还处十落后的地步，并且和发达国家相比仍然存在着较大的差距。

所以，我们应该开发出符合我国国情以及农业发展的智能温室控制系统，并使之在农业领域广泛的推广使用。

从目前来看，从农村到城市，从个体经营到乡镇企业，温室技术己逐渐发展并且普及开来，而且向着结构化、简约化、产业化方向进行发展。

一大批不同层次和规模的现代化高新技术示范园区已经在我国一些经济发展相对比较快的区域逐步建立，最为显著的是农业产业化的结构调整，我国现代温室技术的发展从根本上被推动，从而使得我国温室面积急速扩大，农作物和蔬菜种类不断翻升，温室智能设备不断完善，管理水平也逐步提高。

1.3.本文的主要工作及章节安排

1.3.1.本文的主要工作

根据以上叙述，可以知道温室大棚在我国农业发展中的地位是十分重要的，上述分析也说明温室大棚实现自动控制的参数和指标要求是非常复杂和精密的。

本文主要是阐述了课题设计原理、所实现的功能以及相关领域的发展现状。

上述设计的温室大棚小环境控制系统是基于单片机STC89C52的。

在性价比得到充分考虑的基础上，达到经济、高效、高精度的温湿度、光照的实时检测，同时实现针对各参数进行调节的控制系统。

当实时检测到温湿度、光照强度超过或低于预先设定的上下限值时，控制相应的执行机构进行调节，从而实现各参数变量的的自动控制和调节，从而使作物的生长环境始终处于最适宜的状态，从而使生产效率得到提高。

本系统包括以下几个方面的研究内容。

（1）选用相应的温度、湿度传感器和光敏电阻，并根据传感器的特点设计出测量电路和控制电路。

（2）实现温室大棚内各主要检测环境参数的数据存储和数据处理。

（3）实现各环境参数的在线显示和在线控制，并能实现参数超限进行自动调节。

（4）实现系统的抗干扰设计和可靠性设计。

1.3.2.本文的章节安排

本文旨在研究一种成本低、性能高、集检测与控制于一身的温室大棚自动控制系统。

论文有六个章节，各章节内容安排如下:

第一章绪论。

本章主要是对本系统的研究背景进行分析，通过对比国内外温室大棚小环境控制系统的发展现状，来说明开发本系统的必要性。

最后，根据课题研究的内容，列出本文各章节的安排。

第二章系统的总体设计。

首先对温室大棚中需要控制和调节的环境参数进行分析，从而来确定系统的功能，对系统进行总体的设计和具体的设计思路描述，从这两个方面对本系统设计进行详细的阐述。

第三章系统的硬件设计。

本章的内容是对控制系统的硬件设计详细的进行了介绍。

根据本系统所要完成的功能及要求，分析得出本系统应该分为四个部分，它们是控制单元、检测单元、执行单元和人机对话单元等四个单元。

重点介绍了单片机模块以及传感器和显示器等几个比较核心的模块。

第四章系统的软件设计。

根据第三章的硬件设计和系统所需要完成的功能，分别对控制单元、检测单元、执行单元和人机对话单元之间信息交互进行了软件设计。

控制单元软件设计包括液晶显示子程序、键盘按键子程序和延时子程序等；检测单元的软件设计主要为DHT11传感器的数据采集子程序；执行单元的软件设计主要为继电器子程序和步进电机子程序；人机对话单元的软件设计主要包括LCD1602子程序和键盘子程序。

第五章实物制作与调试。

完成了实物的硬件和软件之后，对实物进行测试，看是否能满足温湿度和刚照的检测和控制功能。

第六章总结与展望。

总结了本文设计的自动控制系统实现的功能，对本次毕业设计进行了简单的总结。

并且指出了系统的不足，指明了以后的改进方向。

2系统的总体设计

温室大棚是一个比较封闭的环境，大棚内作物的遗传特性决定了它的大部分形态，但作物的质量和产量却和大棚内的环境因素至关重要。

在这样一个封闭的环境中，许多因素在制约着温室作物的生长发育，比如:

土壤的特性、作物疾病、作物本身特点、肥料的使用、农药的使用、温度和湿度、光照和二氧化碳浓度等等。

然而，这些环境因子常常是多变的，不可能随时满足作物的生长需要，因此，必须加以相应的调节措施，使各个环境因素都保持在合适的水平，以达到优质高产的目的。

通过对温室大棚内环境参数的控制和调节，环境条件可以被人为地改变，大棚和自然环境的不同就在这里。

大棚小环境控制系统的作用就是通过资源的合理利用，采用适当的调节方式，使温室内的环境条件满足作物的生长。

控制温室的各环境因素涉及诸多的领域的技术，比一般的环境控制复杂的多。

温室小环境控制是多项技术的综合，它包括计算机技术、控制技术、通讯技术、生物学、环境科学等方面。

要想营造一个合适作物生长的最佳环境条件，熟悉温室小环境的要求和特点，然后再制定出控制系统设计方案的总体以及控制策略，最终进行实施。

2.1.主要环境参数的控制方案

2.1.1.温度的控制方案

温度是温室小环境控制系统的主要参数，它也是影响作物生长的最重要的因素之一。

虽然不同作物对温室内的温度要求不完全相同，但是通常来说，因为光合作用的原因，植物在白天所需的温度相对比较高，晚上则需要相对较低的温度。

对于大部分瓜果蔬菜来讲，合适生长的温度范围在白天和夜晚是大不相同的。

当温度范围十一植物生长时，植物生长发育的速度非常快;超出或低于该范围时，植物的生理代谢会变得反常。

北方的气候类型导致了气温的高低差距比较大，温室内夏季温度较高，冬季的温度较低，不适合植物的生长需求。

所以，温度控制在温室小环境控制中非常重要。

一般来说，调节和控制温室内的温度需要加温和降温，具体如下:

（1）加温

目前主要有三种加温方式，分别是热水加温、热风加温、土壤加温。

第一种加温方法的特点是能使温度均匀分布，能持续稳定的加温，对北方的温室比较适用;第二种加温方式又分为热风供暖和蒸汽热交换两种方式，塑料大棚的温度控制多用前者，而具有集中供暖设备的温室大棚适宜用后者;土壤加温的方法则分为热物供暖和电热供暖以及暖水加温三种，由于此种加热方式成本较高，而本文论述的系统主打低成本，因此对此方法不再赘述。

（2）降温

最简单常用的方法就是通风降温。

通风能使空气流动，能带走热空气，在后面的通风的控制与调节这一小节中，会有详细讲述。

还有一种降温方式是遮光降温，这种方法利用了光照调节，在后面小节叙述。

还有其他比较常见的比如风机降温、喷雾降温、细雾降温等等。

2.1.2.湿度的控制方案

在温室大棚这样一个封闭的系统中，湿度对于作物的影响至关重要，其对作物的影响有以下几点:

（1）湿度过高会抑制蒸腾作用，时间过长会导致作物发育不良，严重的会使作物死亡。

（2）湿度过高或过低会导致植物气孔的闭合。

气孔是吸收光合作用的原料二氧化碳的通道，从而影响光合作用，严重时会导致作物死亡。

（3）湿度过大有利于病菌的繁殖，而太低又会发生红蜘蛛等瞒类虫害。

（4）湿度过高还会使水分凝结在叶面，破坏叶面细胞。

因此，应该使温室大棚中的湿度保持在一个比较合适的范围。

湿度控制包括除湿和加湿，具体方法如下：

（1）加湿

最常见的加湿手段有喷雾加湿、湿帘加湿。

湿帘加湿的方法能长时间缓慢加湿，也可以起到降温效果;喷雾加湿法利用特定的喷雾装置在温室内适当的地方进行喷雾，效果快速而准确，同时也能明显的起到降温效果。

（2）除湿

除湿有很多种方法，最常用的有升温除湿和通风换气除湿等方法。

除湿最常采用的方法是通风法，效果非常显著，然而，自然通风一般满足不了除湿要求，这种情况下，一般采用强制通风，这种方法是采用通风机等装置，其功率和控制时间可以控制，利用这种方法，除湿效果更加明显。

此外，还有其他很多方法都有比较良好的除湿效果，不再一一叙述。

2.1.3.光照的控制方案

植物制造养份不可缺少的一个重要条件就是光照，它对温室大棚小气候的形成至关重要，大棚内光照不足，会影响作物的质量，营养价值低而且效益差。

如果光照过强，对作物的生长也有不利影响。

一种常用的光照控制方法是遮光帘法。

这种方法是将颜色比较深的遮光帘，放置在温室大棚的顶部，通过光敏电阻来检测光照的强度，然后根据是否符合设定值，采用步进电机正反转来控制遮光帘的移动，从而改变温室内光照强度。

此外，利用遮光帘，在夏季光照强度大的时候，还可以起到降温的效果。

2.1.4.通风的控制方案

温室大棚另一个重要指标就是二氧化碳。

由于作物每天要进行光合作用，消耗大量二氧化碳，会造成大棚内二氧化碳缺乏，不利于作物生长。

而解决这个问题最简单有效的方法是进行通风。

通风有两个好处，首先，能使大棚内的二氧化碳浓度达到作物生长适宜的水平；其次，通风还能使温室内的温度和湿度降低，温湿度的重要性之前已经讨论过，在此不再赘述。

再次，结合前面对温湿度的降低调节时，都采用了通风机，因为时间和资金限制，因此，本系统的通风调节的工作是依附于对温湿度的降低调节。

2.2.系统总体方案设计

2.2.1.总体方案设计

本系统结合了单片机技术、检测和传感器技术等等，设计出来的控制系统低成本、高性能，非常适合商用。

本系统的特点是:

能够脱离上位PC机，独立地进行数据采集和控制，利用三个按键和显示屏等人机交换装置，来完成自动控制命令的输入、参数的设定和输入、检测结果的显示等功能，这样可以摆脱上位机，简化了系统，能够使成本降低，但是仍然能够满足温室大棚小环境控制的最基本要求。

本系统主要包括数据检测单元和控制单元及人机对话单元