基于单片机的智能温室控制系统设计.docx

基于单片机的智能温室控制系统设计.docx

《基于单片机的智能温室控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的智能温室控制系统设计.docx（64页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的智能温室控制系统设计

基于单片机的智能温室控制系统设计

摘要

温度、湿度、光照强度等因素是影响农作物生长的重要的环境因子，如若能对温室内这些环境因子进行适当地控制，给农作物一个提供一个适合生长而且相对稳定的环境，对农业生产是非常有利的。

同时，考虑到我国国情，价格昂贵的温室控制系统不适合在国内推广。

所以，研究出一款低成本、操作简单、可靠性较高的温室控制系统具有很强的理论意义及实际意义。

根据以上目的，本文做了如下研究：

首先，本文阐述了智能温室控制系统的研究意义以及研究方向。

其次，对国内外情况进行对比分析，着重分析一些发达国家的成果及经验，论述了该理论较为先进的一些成果，并指出国内在此方面发展的不足，需要做出哪些改进和发展。

然后，通过比较和分析选择出合适的电路元器件并以这些元器件为基础搭建出传感器模块，A/D转换模块，显示模块，按键模块，继电器控制模块和电源模块的电路原理图并给出程序框图。

最后，以STC89C52单片机为核心，组成完整电路。

通过单片机对各个模块进行控制，实现温室内温度、湿度、光照强度的实时测量与控制，达到温室内各个环境因子维持在一定范围内的目的。

不仅克服了人工测量方法的弊端，还避免了人为的失误造成不必要的损失。

关键词温室控制；单片机；传感器；信号采集

DesignofIntelligentGreenhouseControlSystemBasedonMCU

Abstract

Temperature,humidity,andlightintensityaretheimportantfactorsforthecropgrowth.Itisreallybeneficialforagriculturalproductionifwecancontrolofthesefactorsinthegreenhouseproperlyandprovidearelativelyappropriateandstableenvironment.Besides,accordingtothesituationofourcountry,theexpensivegreenhousecontrolsystemisnotsuitableinthedomesticpromotion.Sodevelopingalowcost,simpleoperation,highreliabilityofthegreenhousecontrolsystemhasastrongtheoreticalandpracticalsignificance.Basedonthepurposeabove,thisdissertationmakesthefollowingresearch:

Firstofall,thisdissertationexpoundsthesignificanceandresearchdirectionsofintelligentgreenhousecontrolsystem.Secondly,itcomparesthesituationofdomesticandinternational,analyzestheachievementsandexperienceofsomedevelopedcountriesemphatically,discussessomeresultsofthetheorythatismoreadvanced,andpointsoutthedeficiencyofdomesticandwhatneedstobedonetoimproveanddevelopinthisrespect.Thenitchoosetheappropriatecircuitcomponentsbycomparingandanalyzing,buildthesensormodule,A/Dconversionmodule,displaymodule,keyboardmodule,relaycontrolmoduleandpowermodulecircuitdiagrambasedonthesecomponentsandgivestheprogramblock.Finally,itbuildsacompletecircuitbasedonSTC89C52microcontrollerasthecore.ThroughthecontrollingofothermodulesbyMCU,itrealizesthereal-timemeasurementandcontrollingoftemperature,humidityandlightintensityinthegreenhouseandreachingthepurposeofmaintainingtheenvironmentfactorswithinacertainrange.

Keywordsgreenhousecontrolling;MCU;sensor;Signalacquisition

第1章绪论

1.1智能温室系统的研究意义及发展方向

智能温室是现代农业重要组成部分，温室产业在我国农业比重不断增加，加快了我国现代化农业发展速度。

目前，我国温室面积遥遥领先世界各国，但是这些温室普遍智能化程度不高，缺少技术和设备，应对自然灾害能力很差，技术含量不高，对于环境的调控能力弱。

造成这样的根本原因在于缺少高效智能的现代控制系统，如果进口外国的控制系统和配套设备，那么生产成本极高，对于操作人员的要求也很高，同时在技术上收到知识产权和技术使用费用的不平等剥削。

同时，国外的温室应用环境与我国地理条件还有较大差异，实践证明许多原样引进温室大多“水土不服”，不适合我国国情。

因此，开发具有自主产权的，适用于我国农业国情和特点的同时控制简单可靠、建设和维护成本低廉的智能温室控制系统就有着重要的理论意义和现实意义。

影响作物生长的温室环境因子很多，其中温度、湿度、CO2浓度、光强度等是作物生长最基本要素。

要创造适宜作物生长的人工环境，就要将温室系统的温度、湿度、CO2浓度、光照强度等参数控制在合适的范围[1]。

智能温室采用先进的科学技术进行设计，是集计算机科学、信息处理、工程科学、农业生物学、环境科学等于一体的多元综合技术。

它能够为种植的作物提供生长必须的良好环境，并且能够控制和调节温室的小气候，使得作物生长不再受限于温度、湿度、光照等外部因素。

智能温室能有效的改善农业生态、生产条件、促进农业资源的科学开发和合理利用，实现了农业的科学发展。

同样，如果温室控制系统要为作物创造合适的生长环境，光照、温度、湿度、CO2浓度等条件都要调控在适当的范围，因此就要定制灵活多样的控制决策和管理策略，要适应作物种类的多样化需求，适应市场环境的多变，真正做到低投入、高产出、高质量的目标，体现出高科技温室的智能性和优越性。

如今，温室环境中的受控对象的不确定行和需求的多样性，使得温室控制比一般的工业控制更加复杂。

如果采用常规的控制方法来处理这种多输入、多输出、非线性的控制过程就很难获得理想的结果。

因此我们要从系统的控制算法和控制结构上进行彻底的改进。

比如农业专家系统：

它是基于神经网络、PID控制基础上提出的，在集合了众多控制算法的优点并结合了温室特点建立的。

将神经网络的智能控制方法运用到温室环境控制中，提高了控制的运动化和智能化，真正意义上实现了温室控制的高效化、自动化和节约能源，指明了温室产业的一个发展方向。

温室产业的另一个重要的发展方向是农业装备自动化。

温室环境自动化监测作为多个温室大棚同时管理的有效措施，不仅是实现了农业身缠自动化和高效化的关键环节之一，同样是未来农业发展的重要途径之一[2]。

目前，单片机和计算机市场价格较低，如果仪器设计从应用的实际情况出发，最大限度满足客户的要求，温室控制仪器的研制与生产就会有较大发展前景。

1.2智能温室系统国内外研究现状及科研成果

1.2.1智能温室系统国外研究现状

国外的温室栽培历史可以追溯到公元前三年，从上个世纪七十年代开始，西方的发达国家投入了大量的研究力量和资金补贴发展现代农业，其中荷兰，美国，以色列，日本，加拿大等国家的现代农业技术十分发达，居于世界领先地位。

国外发达国家在温室环境的智能控制技术方面进行了大量的研究，取得了很多重要的研究成果。

这些国家温室种植规模大、自动化程度高、生产效率高，实现了温室内水分、温度、光照、CO2浓度等智能化控制。

例如，以色列的智能温室控制根据作物的需求不同，利用计算机对温室环境进行自动监测和调控，实现了作物全天候、周年性的高效生产；美国和日本等国家也采用了全智能化的控制生产体系，利用人工补充光照，视频监控、远程监控和控制、智能机器手等先进的技术，大大提高了劳动生产率和产品产出率。

如今，国外的智能温室产业有一下发展趋势：

温室的面积继续呈现扩大的趋势，在农业技术发达的国家，每栋智能温室的面积都在0.5hm2以上，这样便于机械化作业和立体栽培；建筑材料多样化和多功能方向发展，气温较低的北欧国家采用玻璃覆盖，法国等南欧国家采用塑料；无土栽培技术迅速发展，融入机械化、工程化、自动化，多因素自动态控制取代了单一因素控制；温室管理向智能化和网络化发展；温室生产向节能化、环保等方向发展；智能温室大多采用了微喷滴灌等技术进行作物灌溉，研究作物需水的专家知识库，以此为依据建立智能灌溉监控系统。

1.2.2智能温室系统国内研究现状

我国的只能温室产业起步较晚，农业计算机的应用开始于20世纪70年代中期，到80年代初期计算机开始应用于温室的管理和控制领域。

但发展很快，特别是日光温室蔬菜生产是我国农业种植中效益最大的产业。

截止到2010年，我国日光温室建筑面积超过480万亩，塑料大棚建筑面积突破930万亩，均已居于世界首位[3]。

我国的日光温室在建筑结构、环境调控和无土栽培等方面的不断改进，形成了节能型日光温室。

我国的日光温室大多数以塑料为覆盖材料，逐渐向大型化和多样化发展方向发展。

各地纷纷建立了现代化高效的农业示范园。

我国的温室虽然很大，但是智能化程度普遍不高，具有智能控制的温室仅仅占总面积的0.01%左右。

我国在“十”和“十一五”期间，在科技部的领导和组织下，实施了“工厂化高效农业研究示范项目”，引进了现代化的温室设备和技术，通过借鉴和技术创新，进行了品种选育、无土栽培、温度湿度等环境因素的综合控制技术的研究和攻关，取得了一系列的科技成果，有效的推动了我国智能温室的发展。

有关的科研单位在温室控制系统方面进行了很多的探索和研究，取得了可喜的成果。

同时结合我国的具体气候和农业发展水平，形成了具有自主特色的现代温室控制技术。

节能型日光温室控制系统就是其中典型的技术创新，它能够在不同的地区、不同的气候下实现温室的智能化和现代化控制。

在温室的环境监控和决策的研究方面，我国的相关部门也取得了开拓性的进展。

在温室控制和作物栽培技术方面，中国农业大学进行了卓有成效的研究。

这些研究不仅推动了我国农业现代化的发展，构建了温室控制的理论基础，同时填补了我国智能温室控制方面的空白。

但是这些控制系统都对多输入—多输出的多因子控制缺乏有效的控制，所以很难大面积推广。

我国温室产业的发展还存在以下几个问题：

科学技术含量较低。

中国的温室种植无论在设备本身还是在栽培管理和控制方面，大多数的设施简陋，栽培管理以传统经验为主，控制手段采用人工方式，效率低，效果差。

在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与欧美等发达国家相比，存在较大差距，尚需深入研究[4]。

国内的温室控制系统与国外的相比较存在相当大的差距，而且国内现有的一些的研究成果很难真正懂得推广和应用。

环境调控技术和设备落后，缺乏理论基础与量化指标。

由于大多数的温室设备简单、类型落后，因此环境的可调节程度和控制技术都比较有限，塑料温室往往收到自然灾害的影响而无法生产。

即使在正常条件下，大多数的日光温室可以进行的环境调控手段也仅有通风和避风等，对于温度过高、日光太强或太弱都无法进行调节。

缺少优秀的温室控制软件。

我国智能化程度较高的温室大多引进国外的控制系统，这些系统的使用费用很高，自行研制的温室控制系统稳定性和有效性有待提高，多数采用单因子开关量进行调节，温室中温度、湿度、湿度光照、CO2浓度等因素彼此存在着关联，环境因素的时间变化和空间变化很复杂，当改变某一环境因子时经常会影响到其他的环境因子，使温室的调控呈现出动态的波动，很难达到合适的程度。

因此，结合温室结构模型、作物生长的模型和温室生产的经济模型，开发出适应我国温室发展现状的优化控制软件很有必要。

1.2.3智能温室系统一些科研成果

目前温室系统按照控制方法分类可分为基于单片机控制，基于PLC控制，基于网络控制，基于总线控制，基于工控技术等[2]。

1．基于远程控制技术的温室系统。

温室远程控制技术属于网络控制技术的一种典型代表。

温室远程控制技术是在温室控制技术与网络技术结合基础上发展起来的，综合多种高新技术，将温室智能控制技术与互联网相结合利用互联网延伸被控对象的距离，打破了地域和空间的限制。

通过远程控制系统，控制人员可以在互联网的任意节点上总览温室现场控制信息和作物生长状况，实现对分散在各地的温室进行状态监测、远程控制及实时的在线帮助。

典型产品如中农环球温控控制科技有限公司设计的DX-KE科研型控制系统。

该系统以PC主机为上位机，以少于100的若干个温室内的DX-KE控制器为下位机，期间以RS-485通讯线路相连接。

该系统有以下几个部分组成：

（1）.主机：

它是监控系统的头脑和心脏，具有发布监控命令，显示系统运行状态以及完成环境内监控数据检索、统计分析和报表打印等主要功能。

（2）.气候参数采集模块：

由土壤温度传感器，叶面湿度传感器，空气温湿度一体化传感器，光照度传感器，CO2传感器，它们是监控系统的信息来源。

（3）.伺服机构：

具体执行着，包括通风机，加热器，喷淋水泵，光照调节装置，施放机构等设备。

（4）.DX-KE控制器：

它是该系统下位机，其核心是Atmel公司生产的高速单片机。

2．基于CAN总线的温室控制系统。

CAN线是一种有效地支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络。

作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，CAN总线已广泛应用于各个自动化控制系统中[5]。

为提高温室控制系统的性能，将CAN总线应用于温室控制中，建立基于CAN总线的智能控制系统。

基于CAN总线建立的温室控制系统将环境参数变量的采集以及对执行设备进行控制的功能分散到各个CAN网络终端上l2J，这些CAN网络终端称为智能节点。

另外，测控系统还应该具有使用户可以随时察看测控系统中的各个环境参数的状态、监视系统的工作状态、显示当前时间、一定范围内改变环境参数以及对整个控制系统进行选程操作等功能，这些功能由组成测控系统的另一重要部分—智能控制器实现，它主要提供友好的人机界面（键盘、显示）、实时时钟与上位机的通信接口等功能，用来方便用户的操作和实现对整个控制统中各个智能节点动作的协调。

以CAN总线作为底层网络的智能温室控制系统，使用智能节点采集传感器信号和控制外部设备动作，实现了多传感器的实时监控与分布式处理。

采用专家系统和多输入多输出的模糊控制策略实现了温室环境参数的智能控制。

基于CAN总线的智能温室控制系统具有布线简单、系统控制器稳定、数据传输可靠性高等特点，满足温室环境的要求，代表了温室控制系统的一种发展方向[6]。

3．基于BP神经网络的温室控制系统。

PID控制要取得较好的控制效果，就必须通过一定的参数整定方法得到比例、积分、微分环节的系数，形成控制量既相互配合又相互制约的关系。

这种关系并非简单的线性组合，而是从无数非线性组合中找出的一组使PID算法控制效果最佳的组合。

传统的数字PID控制器参数的选择方法有两种：

是理论计算法整定，这种方法计算麻烦，计算出的数据未必能直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改；二是工程整定法，主要依赖工程设计在现场调试时最后确定。

这些方法都依赖于现场调试，整定过程繁杂，付出的代价较高。

因此，利用神经网络所具有的任意非线性表达能力，将最优参数选择任务交给BP网络完成，建立参数自学习的PID控制器。

基于BP神经网络的PID控制算法是采用了BP神经网络来实现参数整定的一种最优选择算法。

一般来说，BP神经网络包含3层，即输入层、隐含层和输出层。

从仿真结果可以看出，BP神经网络利用其本身较强的自学习能力，能够很好地解决PID控制中的参数在线整定[7]。

4．基于ZigBee无线网络的温室控制系统。

ZigBee技术是基于IEEE802.15.4无线标准的通信技术，是2001年成立的ZigBee联盟开发并推出的。

此技术受到蓝牙技术和传统无线传感器网络的影响和启发。

2005年ZigBee联盟发布了ZigBee规范V1.0，定义了在IEEE802.15.4-2003物理层PHY与标准媒体控制层MAC上的网络层及支持的服务应用。

然后ZigBee联盟对ZigBee标准进行升级，并于2006年推出了ZigBee2006。

又在2007年推出了ZigBee2007/PRO规范协议。

ZigBee技术是一种低数据传输率、低成本、近距离数据传输以及低复杂程度的无线网络，该技术可用于医疗设备、家庭电子、工业监测及传感器检测与控制等领域。

相较于传统大型的无线传感网络，ZigBee技术主要有一下特点：

1.网络容量大，容纳节点多。

2.功耗小，节省电能。

3.通信距离短。

4.安全性能好。

5.数据传输速率低。

6.成本低，适用范围广。

针对温室环境监测系统存在的不足，则有了基于ZigBee无线网络的智能温室环境监测系统。

该监测系统由ZigBee无线传感器节点、无线路由器节点、无线网络协调器和监控主机四部分组成。

ZigBee无线传感器节点用于采集环境信息，无线路由节点接收传感器送来的环境数据并通过网络协调器转送到监控主机处理。

监控主机发出控制命令，实现环境参数的自动控制。

监控主机还可以连接到Internet互联网实现远程控制。

基于其特点，ZigBee无线智能网络可以在温室监控系统中可以代替有限网络，通过无线方式构建系统，无线传输监控数据，造价低，施工灵活简单，传感器可自由移动，解决了智能温室存在的问题，具有广阔的市场前景和应用价值[12]。

1.3课题的选题背景

传统农业温室测量通常采用一些简单设备如酒精温度计，毛发湿度表等等，通过定时或不定时人工监控和测量然后在采取相应措施。

这种办法虽然成本低，操作简单，但是较占用人力资源，效率较低，而且测量误差、随机性和随意性较大。

为了让农作物获得较好和较稳定的生长环境，同时不给农民添加负担，非常有必要研发一种简单实用的智能温室控制系统。

本课题的意义即在此。

通过有效的对温室内环境因素如温度湿度光照等的检测，将检测到的信号传递给单片机，然后再通过单片机发出指令控制灌溉设备、排气扇、喷雾设备以及遮阳幕等设备进行工作，使温室内各个环境参数始终维持在一定范围内。

1.4课题的研究内容和所做工作

本课题的主要控制对象为温室大棚内温度，湿度，光照强度等环境因子，以STC89C52单片机为核心，通过控制各个传感器来采集信号，控制各个继电器电路使得温室内环境因子维持在一定合理范围内，然后将其实时地显示在液晶显示屏上，并且各种设置或显示均可通过按键进行操作。

具体所做研究和工作如下：

1．分析国内外温室系统研究现状并对较为先进的技术进行一定了解。

2．对电路所需要的元器件如传感器等进行比较和选择。

3．给出系统总框图和各个模块程序流程图。

4．对各个模块电路进行具体设计和绘制。

5．给出结论。

第2章各个元器件的比较和选择

确定所使用的元器件，需要考虑的因素有很多。

首先，元器件一定要在功能方面满足本课题的要求，但是不一定功能越复杂越强大越好。

对于传感器来说，温室在线控制系统的设计不仅要符合国家相关标准及规定|，而且要充分了解不同传感器的工作原理及组合方式，从而选择合适的传感器及控制器。

同时，温室环境在线控制系统需要优化传感器在温室内的位置，提高所获得信息的准确性，更准确地反映温室内的作物生长状况，提高温室环境的控制效果和减少调控所需的能源消耗。

其次，所选择的元器件在测量精度上要满足要求。

再次，要考虑实际因素，如成本问题，所选元器件价格不要过高，再如操作难度问题，不宜选择软件控制或者硬件控制过为复杂的电路。

最后，还要抱着研究和学习的态度，尽量选择能让自己多学到东西的元器件，能够在实际中应用较为广泛的元器件。

毕业设计不仅仅是为了完成任务，更需要在完成任务的过程中学到有用的知识。

2.1单片机的比较与选择

方案1：

本课题选用STC89C52单片机，STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52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。

它具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

方案2：

也可以选择PIC系列单片。

PIC单片机是一种用来可开发的去控制外围设备的可编程集成电路，由美国Microchip公司推出的PIC单片机系列产品，首先采用了RISC结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OPT技术等都体现出单片机产业的新趋势。

其I/O接口具有20mA的驱动能力；具有8路、10位A/D转换；I2C，SPI，USART，USB，CAN接口；看门狗定时器；内置EEROM；3路定时器；多种中断源并支持休眠的低功耗模式；内置LCD控制器等等。

PIC系列单片机还有一个显著地优势：

其指令系统仅有35条指令，常用约有20余条，较MCS-51系列单片机简单易用。

综合分析和比较以上两个方案，PIC系列单片机片内自带A/D转换功能，而我们抱着学习和研究的态度更应该熟悉单片机典型电路的搭建、程序的编写和单片机片外扩展，所以STC89C52这款单片机是更好的选择。

2.2温度传感器的比较与选择

方案1：

可选择2451型袖珍式温度传感器，此种类型传感器精度较高，量程较大（-55~90℃），但是需要接加法电路及A/D转换电路，后续电路较为复杂[8]。

方案2：

可选择A/D590。

AD590是美国ANALOGDEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。

在4V至30V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1µA/K。

AD590的测温范围为-55℃~+150℃，电压范围为4~30V，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件即使反接也不会被损坏；精度高，非线性误差仅为0.3℃。

低成本的单芯片集成电路及无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。

应用AD590时，无需线性