蔬菜大棚温湿度的控制系统设计.docx

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蔬菜大棚温湿度的控制系统设计

摘要

随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素是温湿度控制。

温湿度太低，蔬菜就会被冻死或那么停顿生长，所以要将温湿度始终控制在适合蔬菜生长的围。

传统的温度控制是在温室大棚部悬挂温度计，工人依据读取的温度值来调节大棚的温度。

如果仅靠人工控制既耗人力，又容易发生过失。

现在，随着农业产业规模的提高，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局性。

为此，在现代化的蔬菜大棚管理常有温湿度自动控制系统，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。

本论文主要阐述了基于AT89C51单片机的西红柿大棚温湿度控制系统设计原理，主要电路设计及软件设计等。

该系统采用AT89C51单片机作为控制器，SHT10作为温湿度数据采集系统，可对执行机构发出指令实现大棚温湿度参数调节，具有上下位机直接设置温湿度围，温湿度实时显示等功能。

上位机采用Delphi软件进展编写，用户界面友好，操作简单，可以根据大棚西红柿生长情况绘制成简明直观的作物生长走势图，从而容易得出最适合作物生长的温湿度值。

关键词：

AT89C51；SHT10；蔬菜大棚；温湿度；控制系统；传感器

Abstract

Withthepopularizationoftrellistechnology,greenhousetrellisanever-growingnumber,forvegetableshedspeaking,oneofthemostimportantmanagementfactoristhetemperatureandhumiditycontrol.Temperatureistoolow,thevegetableswillfreezetodeathorstopgrowing,sowillalwayscontroltemperatureandhumidityinasuitablevegetablegrowthrange.Traditionaltemperaturecontrolisingreenhousetrellisinternalhangingathermometer,workersaccordingtoregulatethetemperaturereadingthetemperatureinsidetheshelter.Ifonlybyartificialcontrolbothconsumptionmanpower,andeasytoplaceregularorders.Now,withtheimprovementofagriculturalindustryscale,forlargerquantityoftrellis,traditionaltemperaturecontrolmeasureswillshowgreatbureausex.Therefore,inmodernvegetableshedmanagementzhongtongoftentemperatureandhumidityautomaticcontrolsystem,inordertocontrolthetemperature,adapttothetrellisvegetableproductionneeds.

ThisthesismainlyelaboratedbasedonAT89C51tomatoescanopytemperatureandhumiditycontrolsystemdesignprinciple,maincircuitdesignandsoftwaredesign,etc.ThissystemUSESAT89C51singlechipmicroputerascontroller,SHT10astemperatureandhumiditydataacquisitionsystem,maytotheactuatordirectivesrealizetrellistemperatureandhumidityparametersadjustment,hastheupperandlowerlevelputerdirectlysettemperaturerange,temperatureandhumidityreal-timedisplay,andotherfunctions.PCusingDelphisoftwaretopile,userfriendlyinterface,easyoperation,canaccordingtoshedtomatogrowthsituationblazonedwithsimple,directsimulationsofcropgrowth,thuseasytodrawthemostsuitableforcropgrowthoftemperatureandhumidityvalue.

Keywords：

AT89C51;SHT10;vegetableshed;Temperatureandhumidity;ControlSystem;sensor

第1章绪论

1.1系统设计背景

植物的生长都是在一定的环境中进展的，其在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对植物生长影响最大的是环境中的温度和湿度。

环境中昼夜的温度和湿度变化大，其对植物生长极为不利。

因此必须对环境的温度和湿度进展监测和控制，使其适合植物的生长，提高其产量和质量。

本系统就是利用价格廉价的一般电子器件来设计一个参数精度高，控制操作方便，性价比高的应用于农业种植生产的西红柿大棚温湿度测控系统。

西红柿属于喜温作物，但不喜高温。

据实验：

白天27℃，夜晚17℃，温差保持在10℃情况下，番茄生长最快。

进入开花期，应加大通风量。

上午棚温度升到20℃，要逐渐翻开通风口，降温排湿。

从开花至浇催果水之前，棚温不要超过28℃。

下午当棚温降至20℃时将通风口关闭。

本系统主要完成对西红柿大棚温度和湿度等参数的采集、存储，并具有向监控中心传送数据以及执行监控中心的指令等功能。

本系统温湿度的监控包括以下步骤：

感应环境温湿度；判断感应到的温湿度是否异常；假设感应到的温湿度异常，判断异常是否超过预设时间；假设异常超过预设时间，那么输出异常信号至主控机；异常报警；判断异常是否处理完毕；以及假设异常处理完毕，解除报警。

并可以利用控制器和主控机来到达机房温湿度的远程控制，从而实现环境温湿度管理的实时性和有效性。

为此，在现代化的蔬菜大棚管理常有温湿度自动控制系统，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。

它以先进的技术和现代化设施，人为控制作物生长的环境条件，使作物生长不受自然气候的影响，做到常年工厂化，进展高效率，高产值和高效益的生产。

1.2系统功能、优势及特点

该检测系统充分利用AT89C51单片机的软、硬件资源,辅以相应的测量电路和SHT10数字式集成温湿度传感器等智能仪器,能实现多任务、多通道的检测和输出。

并且通过RS232接口实现与上位PC机的连接,进展数据的分析、处理和存储及打印输出等。

它具有测量围广、测量精度高等特点,前端测量用的传感器类型可在该根底上修改为其他非电量参数的测量系统。

温湿度检测系统采用SHT10为温湿度测量元件。

系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性,经过一定的添加或改造,很容易增加功能。

根据温室大棚的温湿度、土壤水分、土壤温度等传感器采集到的信息，利用RS485总线将传感器信息送给485转232的转换器，接到上位计算机上进展显示，报警，查询。

监控中心将收到的采样数据以表格形式显示和存储，然后将其与设定的报警值相比拟，假设实测值超出设定围，那么通过屏幕显示报警或语音报警，并打印记录。

与此同时，监控中心可向现场控制器发出控制指令，监测仪根据指令控制风机、水泵、等设备进展降温除湿，以保证大棚作物的生长环境。

监控中心也可以通过报警指令来启动现场监测仪上的声光报警装置，通知大棚管理人员采取相应措施来确保大棚的环境正常。

1.2.1系统功能及优势

1.系统优越性：

系统构造清晰，高度集成化，安装、操作简单，适用于各类使用环境，操作界面充分考虑客户个性化需求，系统运行稳定性好。

2.自动记录:

实时更新并自动记录温湿值，所有温湿度历史记录及相关数据真实可靠，存储方式专用

3.易于查询:

查询任何该蔬菜温室的固定测点及移动测点的温湿度历史数据记录、温湿度历史曲线、温湿度预警信息、温湿度超限信息、超限处理措施及整改提示、监测点环境情况评估、监测点故障、监测点地理位置等信息。

4.完整准确且灵活记录打印:

将预订的时间点自动记录所有测点的温湿度值及报警信息，形成可查询、打印的历史记录、历史曲线、报表。

5.灵活的报警功能:

报警方式有电脑声光报警、就地测点声光报警、预设地点〔值班室〕声光报警、手机短信报警、电子报警等。

6.传感器在线标定:

需要标定系统测试精度时无须拆卸传感器，只需通过软件设定即可。

7.系统可扩大性强:

测点可在一定围任意增加。

8.安装简单:

接线方便可靠。

9.低功耗设计：

独有的自备电源管理方案，配有小容量UPS电源。

1.2.2系统特点

1.远距离:

识别的最远距离是80m〔正常的距离是0～50米，50～80米的距离要另外配置天线〕，识别距离可调。

2.防冲突性:

先进的防碰撞技术，可同时识别200个/秒以上标识。

3.高速度:

最高识别速度可达200公里/小时。

4.平安性:

加密算法与认证，确保数据平安，防止链路窃听与数据破解。

5.方向性:

可实现有方向性和无方向性的识别。

6.高可靠:

 -40℃-85℃，防冲击。

7.本钱性:

全部采用0.18uM的芯片，本钱更低。

8.功耗性:

超低功耗，更安康、更平安。

9.传输性:

全球开放的ISM微波频段，无须申请和付费。

10.高抗干扰性:

对现场各种干扰源无特殊要求高抗干擾性。

11.温度特性：

±0.1℃〔如果要求的温度围更宽，那么要特殊定〕。

12.湿度特性：

±2%H〔如果要求的湿度围更宽，那么要特殊定制〕。

13.测量时间间隔：

至少需要1.5S〔如果需要更快，那么要特殊定制开发〕。

第2章设计容

2.1总体方案的设计

2.1.1设计思想

系统的一大特点是用户可以通过下位机中的键盘输入温湿度的上下限值和预置值，也可以通过上位机对温湿度的上下限值和预置值进展输入，从而实现上位机对大棚作物生长的远程控制。

系统下位机设在种植植物的大棚，下位机中的温湿度传感器可以将环境中的温湿度非电量参数转化成电量信号，再将这些信号进展处理后送至下位机中的单片机，单片机读取数据后将数据送到缓冲区，通过LED数码管进展实时显示。

同时与原先部设定的参数值进展比拟处理；单片机可以根据比拟的结果对执行机构发出相应的信号，并通过继电器的控制对相应的设备如喷水器、吹风机、加热器、降温泵等进展操作，调节大棚温湿度状态。

用户直接通过键盘对温湿度的上下限值和预置值进展设置后，如果环境的实时参数超越上下限值，系统自动启动执行机构调节大棚湿度和温度状态，直到温湿度状态处于上下限值以为止。

如果有预置初值，且与当前状态不相等时，系统也会启动执行机构动态调节温湿度状态，直到所处的平衡状态与预置值相等为止。

上位机是用DELPHI软件编写的一个数据库系统管理系统，有着友好直观的用户界面，可直接设置温湿度的上下限值和读取下位机的数据，也可以直接对温室大棚下位机的喷水器、吹风机、加热器、降温泵等进展操作，调节大棚温湿度状态。

由于上位机DELPHI软件有强大的数据库存储和处理功能，我们可以对下位机传送上来的各种环境中的数据参数进展处理，形成作物生长的走势图，从而通过生长走势图得出适合各种作物生长的最正确环境参数条件，为今后的温室种植提供参考。

上下位机之间通过符合串行总线RS一232标准的通信通道以事先约定的协议进展通信。

单片机作为控制器，可以接收温度和温度传感器从大棚中获取的温湿度信息，将这些信息与预置的温湿度围值进展比拟，然后通过继电器控制执行机构，对大棚进展相关的操作以保证大棚的温湿度围能够在预置的围。

下位机键盘显示局部可以直接对温湿度值进展预设，并可实现温湿度值的实时显示。

上位机可通过通信接口模块接收下位机传送过来的温湿度值，形成作物生长的图表，也可以直接设置温湿度值和控制执行机构对大棚进展相关操作。

4、控制局部〔即温湿度调节系统〕：

执行远程控制指令。

控制局部连接增湿装置、枯燥装置、温度的控制装置等。

图2-1蔬菜大棚温湿度控制原理框图

2.2系统主要电路的设计

2.2.1主要芯片89C51的功能及引脚图

芯片89C51共有40个引脚，其中电源引脚有4个，控制引脚有4个，并行的I/O接口有32个，其引脚图如图2-2所示：

图2-289C51引脚

〔1〕电源及时钟引脚〔4个〕

Vcc:

电源接入引脚；

Vss:

接地引脚；

XTAL1:

晶体振荡器接入的一个引脚〔采用外部振荡器时，此引脚接地〕；

XTAL2:

晶体振荡器接入的另一个引脚〔采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端〕。

〔2〕控制线引脚〔4个〕

RST/VpD:

复位信号输入引脚/备用电源输入引脚；

ALE/PROG:

地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚（低电平有效〕；

EA/Vpp:

外存储器选择引脚〔低电平有效〕/片EPROM〔或FlashROM〕编程电压输入引脚；

PSEN:

外部存储器选通信号输出引脚〔低电平有效〕。

（3）并行I/O引脚〔32个，分成4个8位口〕

P0.0～P0.7:

一般I/O引脚或数据/低位地址总线服用引脚；

P1.0～P1.7:

一般I/O引脚；

P2.0～P2.7:

一般I/O引脚或高位地址总线引脚；

P3.0～P3.7:

一般I/O引脚或第二功能引脚。

2.2.2温湿度检测电路的设计

本系统选择的温湿度传感器是由瑞士Sensirion公司推出了SHT10单片数字温湿度集成传感器，采用CMOS过程微加工专利技术〔CMOSenstechnology〕，确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。

该传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件、一个用能隙材料制成的温度敏感元件，并在同一芯片上，与l4位的A／D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。

每个传感器芯片都在极为准确的湿度腔室中进展标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。

校准系数以程序形式存储在OTP存中，在校正的过程中使用。

两线制的串行接口，使外围系统集成变得快速而简单。

微小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用的首选。

如图2-3所示，传感器SHT10的原理图

图2-3传感器SHT10的原理图

如图2-4所示，传感器SHT10的电路连接图

图2-4SHT10传感器电路图

（1）数字集成温湿度传感器SHT10的主要特点

a.相对湿度和温度的测量兼有露点输出；

b.全部校准，数字输出；

c.接口简单〔2-wire〕,响应速度快；

d.超低功耗，自动休眠；

e.出色的长期稳定性；

f.超小体积〔外表贴装〕；

g.测湿精度±45%RH，测温精度±0.5℃〔25℃〕。

〔2）引脚说明

a.电源引脚〔VDD、GND〕

SHT10的供电电压为2.4V～5.5V。

传感器上电后，要等待11ms，从“休眠〞状态恢复。

在此期间不发送任何指令。

电源引脚〔VDD和GND〕之间可增加1个100nF的电容器，用于去耦滤波。

b.串行接口

SHT10的两线串行接口〔bidirectional2-wire〕在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理，其总线类似I2C总线但并不兼容I2C总线。

①串行时钟输入〔SCK〕。

SCK引脚是MCU与SHTIO之问通信的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有最小时钟频率。

即微控制器可以以任意慢的速度与SHT10通信。

②串行数据〔DATA〕。

DATA三态引脚是部的数据的输出和外部数据的输入引脚。

DATA在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并在SCK时钟的上升沿有效。

即微控制器可以在SCK的高电平段读取有效数据。

在微控制器向SHT10传输数据的过程中，必须保证数据线在时钟线的高电平段稳定。

为了防止信号冲突，微控制器仅将数据线拉低，在需要输出高电平的时候，微控制器将引脚置为高阻态，由外部的上拉电阻（例如：

lOk~）将信号拉至高电平。

为防止数据发生冲突，MCU应该驱动DATA使其处于低电平状态，而外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平。

（3）命令与时序

SHT10命令如表2-1所列。

表2-1SHT10的命令

命令

代码

保存

0000X

测量温度

00011

测量湿度

00101

读状态存放器

00111

写状态存放器

00110

保存

0101X～1110X

软件复位，复位接口、清楚状态存放器为默认值，下一个命令前等待至少11ms

11110

a.命令时序

发送一组“传输启动〞序列进展数据传输初始化，如图2-5所示。

其时序为：

当SCK为高电平时DT翻转保持低电平，紧接着SCK产生1个发脉冲，随后在SCK为高电平时DATA翻转保持高电平。

图2-5命令时序

紧接着的命令包括3个地址位〔仅支持“000〞〕和5个命令位。

SHT10指示正确接收命令的时序为：

在第8个SCK时钟的下降沿之后将DATA拉为低电平〔ACK位〕,在第9个SCK时钟的下降沿之后释放DATA〔此时为高电平〕。

b.测量时序〔RH和T〕

“00000101〞为相对湿度〔RH〕量，“00000101〞为温度〔θ〕测量。

发送一组测量命令后控制器要等待测量完毕，这个过程大约需要20/80/320ms对应其8/12/14位的测量。

测量时间随部晶振的速度而变化，最多能够缩短30%。

SHT10下拉DATA至低电平而使其进入空闲模式。

重新启动SCK时钟读出数据之前，控制器必须等待这个“数据准备好〞信号。

接下来传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC校验。

MCU必须通过拉低DATA来确认每个字节。

所有的数据都从MSB开场，至LSB有效。

例如对于12位数据，第5个SCK时钟时的数值作为MSB位；而对于8位数据，第1个字节〔高8位〕数据无意义。

确认CRC数据位之后，通信完毕。

如果不使用CRC-8校验，控制器可以在测量数据LSB位之后，通过保持ACK位为高电平来完毕本次通信。

测量和通信完毕后，SHT10自动进入休眠状态模式。

c.复位时序

如果与SHT10的通信发生中断，可以通过随后的信号序列来复位串口，如图2-6所示。

保持DATA为高电平，触发SCK时钟9次或更多，接着在执行下次命令之前必须发送一组“传输启动〞序列。

这些序列仅仅复位串口，状态存放器的容仍然保存。

图2-6复位时序

（4）传感器SHT10与AT89C51的接口电路

如图2-7所示，传感器SHT10将采集的温湿度值与键盘设定温湿度值进展比拟，并将信息送给89C51进展处理，89C51将信息送给显示模块进展显示，用户需要对系统进展相应的温湿度调节。

图2-7传感器接口电路图

2.2.3复位电路的设计

本系统采用RC复位电路，RC复位电路实质是一阶充放电电路。

如图2-9所示。

该电路提供有效的复位信号RST〔高电平）直至系统电源稳定后撤销复位信号〔低电平〕。

从理论上说51系列单片机复位引脚只要外加两个机器周期的有效信号即可复位，设t为保持高电平的时间，只要保证t=RC>2M〔M为机器周期〕即可。

但在实际设计过程中，通常C1取10uF以上，R1通常取10K左右。

时间发现，如果R1取值太小，如R1取1K.那么会导致RST信号驱动能力变差而无法使系统可靠复位。

另外实验证明，图中的虚线所接的续流二极管D1对于改善复位性能起到了至关重要的作用，它的作用是在电源电压瞬间下降时，电容迅速放电，因此一定宽度的电源毛刺也可使系统可靠复位。

RST

Vcc●

C122uF

R1D1

10K4148

●

图2-9RC复位电路

2.2.4温湿度调节系统的设计

温湿度调节系统包括加湿模块除湿模块、加温模块和制冷模块。

它是由单片机的I／O口控制的，有效控制电平为+5V，执行机构的各种设备都是在市电下正常工作的，必须采用I／O口控制继电器的导通和切断来控制市电的通断，也即控制执行设备的工作状态。

由于单片机的I／O不能提供足够的电流，不能直接驱动继电器导通，因此，我们采用达林顿管，将进展两级放大，提供了足够大的驱动电流，让继电器中的电感线圈产生足够大的磁力，将开关吸合。

用户预先输入温湿度报警值到程序中，该值作为系统阈值。

温湿度传感器监测值传输给单片机，当单片机比拟监测到的数值超出所设定阈值时，驱动蜂鸣器报警，并为温湿度调节系统提供控制信号，实现自动控制。

2.2.5SHT10数据采集程序

如图2-10所示，SHT10数据采集过程。

图2-10SHT10数据采集流程图

温湿度传感器SHTl0完成一次测量的工作顺序一般为：

设置传感器分辨率→发送“启动传输〞命令→发送测量命令→读输出的测量值→将输出测量值转换为物理量。

。

微控制器首先发布一个启动传输时序，接着调用写时序发布温度或湿度（取决于人口参数）的测量命令，之后等待测量的完成，在测量完成后，调用读时序读回测量结果。

需要注意的一点是，仅当通信错误标志error为0时，才说明通信正确，读回的结果有效。

在主程序中假设检测到通信错误标志error非零，需要使用复位时序，来复位串行端口，然后重新进展测量SHTlO数据采集程序流程图如图2.10所示：

SHT10读写数据的规那么是：

DATA在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并在SCK时钟的上升沿有效。

从微控制器向SHT10写数据的角度来看，可以理解为上升沿将触发SHT10锁存数据，即微控制器在下降沿输出数据，再给出上升沿触发SHT10锁存数据。

下降沿和上升沿之间的时间间隔需要满足SHT10的数据建立时间1（最小值为lOOns），上升沿之后数据也需要保持一段时间，这段时间用于满足SHT10的数据保持时间TH（典型值为lOns）。

当SHT10完成测量后，微控制器需要发布读时序将测量结果读回。

实现读时序首先需要实现8个数据位的读取。

SHT10读写数据的规那么是：

DA—TA在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并在SCK时钟的上升沿有效。

从微控制器读数据的角度理解，时钟线的下降沿将触发SHT10接口的锁存器输出数据，输出数据在时钟线上升沿之后到达稳定，下降沿和上升沿之间的时间间隔要大于SHT10的输出数据有效时间Tv（典型值为250ns），即微控制器需要先给出下降沿，延时一段时间待数据稳定后再读取数据。

此外，微处理器需要在第9个时钟给出应答位，这属于写时序，写时序可参考前文的论述。

读时序的C语言程序代码如下，程序的人口参数为0或1，0代表给出应答位，继续接收后续数据；1表示终止通信。

第3章系统软件的设计

3.1上位机软件设计

上位机软件采用BorlandDelphi编写。

Delphi是强大，灵活的基于Windows的可视化应用程序开发工具。

它将可视化技术与ObjectPasc