大棚温湿度系统的设计.docx

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大棚温湿度系统的设计

摘要

随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的温度控制成为一个难题。

目前应用于温室大棚的温度检测系统大多采用由模拟温度传感器、多路模拟开关、A／D转换器及单片机等组成的传输系统。

这种温度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。

同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大，不利于控制者根据温度变化及时做出决定。

在这样的形式下。

开发一种实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的测控系统就很有必要。

本课题提出一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温度测控系统应用于温室大棚的的设计方案，该方案是利用温度传感器将温室大棚内温度的变化，变换成电流的变化，再转换为电压变化输入模数转换器，其值由单片机处理，最后由单片机去控制数字显示器，显示温室大棚内的实际温度。

一旦该温度值超过我们预先设定的上、下限，单片机便启动报警系统进行报警，进而对大棚内温度进行控制。

这种设计方案能对多点的温度进行实时巡检，各检测单元能独立完成各自功能，同时能够根据主控机的指令对温度进行定时采集，测量结

果不仅能在本地显示，而且可以利用单片机串行口，通过RS．485总线及通信协议将采集的数据传送到计算机，进行进一步的存档、处理。

主控机负责控制指令的发送，控制各个从机进行温度采集，收集测量数据，并对测量结果（包括历史数据）进行整理、显示和存储。

该测控系统不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，系统稳定可靠、可维护性好。

关键词；单片机；单总线技术；温度传感器；串行接口；温室大棚

ABSTRACT

Withthepopularizationofgreenhousetechnology,theamountofgreenhouseislargerandlarger．However,thetemperaturecontrolofgreenhouseisbecomingadifficultproblem．Currently,thetemperaturecontrolsystemofgreenhouseismostlyusingatransferssystemwhichconsistsofanalogtemperaturesensors，multiplexing

analogswitches，A／DconversionunitsandSCM．Thiskindoftemperaturecollectionsystemneedsalotofcableswhichislaidtomakethesignalofthesensorbesenttothecollectioncardinthegreenhouse．Thustheworkoffixingandtake—downismiscellaneous，andtheCOStishi曲．What’Smore，whatistransferredinthesystemisanalogsignalswhichareeasilyinterferedandhavemoreullage。

ItishardforthecontrollertomakeadecisionintimeaccordingtothechangeoftemperaturebecausethemeasureenDrisbigger．Sounderthiscircumstance．itisnecessarytoempolderarealtimeandprecisetemperaturecontrolsystemwhichisinapositiontodealwithtemperatureinformationofmanynods．

ThispapergivesagreenhousetemperaturecontrolprojectwhichisbasedupontheSCManddigitalmonobustechnology．Inthisproject，thechangeoftemperatureinthegreenhouseistransformedintothechangeofelectriccurrentandthenintothechangeofvoltagebyusingthetemperaturesensors．ThechangeofvoltageisinputintotheAfDconversionunitsandtheresultisdealtwithbySCM．AtlasttherealtimetemperatureinthegreenhouseisdisplayedonthemonitorunderthecontrolofSCM．Oncethevalueofthetemperatureinthegreenhouseexceedstheminimumandmaximumwhichispreestablished，theSCMwillgiveallalarmandautocontrolthetemperatureinthegreenhouse．Thisprojectcanmakerealtimepatrolcheckingtothedifferentnod’stemperatureinthegreenhouse，andeveryseparatecheckingunitcallfinishitstaskindependently．Atthesametime，veryseparatecheckingunitCanmaketimingcollectionaccordingtotheinstructionfromthemaincontrol，andthemeasureresultscannotonlybedisplayedathomebutalsoCanbefm'therprocessedandbekeptinthearchivesbyusingtheSCM’SserialinterfaceandRS·485busandcommunicationprotocols．Thistemperaturecontrolsystemwhosestabilizationandmaintainabilityisgooddoesn’tneedanyfixednetworktosupporcandiseasilyfixed．

Keywords：

SCM；monobustechnology；temperaturesensor；serialinterface；Greenhouse

第1章绪论

§1．1选题背景

在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。

无论你生活在哪里。

从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。

自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温度有着密切的联系。

在冶金、钢铁、石化，水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80％的工业部门都不得不考虑着温度的因素。

温度不但对于工业如此重要，在农业生产中温度的监测与控制也有着十分重要的意义。

我国人多地少，人均占有耕地面积更少。

因此，要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能实现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。

温室大棚技术就是其中一个好的方法。

温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的约束。

而且，温室大棚能克服环境对生物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长影响不大，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。

由于温室大棚能带来可观的经济效益，所以温室大棚技术越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段。

随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的温度控制便成为一个十分重要的课题。

传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，通过读取温度值来知道大棚内的实际温度，然后根据现有温度与额定温度进行比较，看温度是否过高或过低。

如果过高，就对大棚进行降温处理；如果过低，就对大棚进行升温处理。

这些操作都是在人工情况下进行的，耗费了大量的人力物力。

现在，随着国家经济的快速发展，农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，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限性【l】。

大型温室大棚的建设对温度检测技术也提出了越来越高的要求。

今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我q]N务。

单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。

时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化已成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。

采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。

因此，单片机对温度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。

基于此，本课题围绕应用于温室大棚的基于单片机的温度测控系统展开应用研究工作。

§1．2选题的现实意义

随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温度控制措施。

但是，目前应用于温室大棚的温度检测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟开关A／D转换器及单片机等组成的传输系统[21。

这种温度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。

同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大。

为了克服这些缺点，本文参考了一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温度测控系统应用于温室大棚的的设计方案【3】，根据实用者提出的问题进行了改进，提出了一种新的设计方案。

数字化单总线技术【4】是利用DALLAS公司生产的新型器件实现的。

它将系统的地址线、数据线、控制线合为一根导线，允许在这根导线上挂接数百个控制对象，形成多点单总线测控系统。

这些测控对象所用的芯片都由该公司提供。

采用单总线协议后，可在检测点将模拟信号数字化。

这样，在单总线上传输的便是数字信号。

本文介绍的温度测控系统就是基于单总线技术及其器传组建的。

该系统能够对大棚内的温度进行采集，利用温度传感器将温室大棚内温度的变化，变换成电流的变化，再转换为电压变化输入模数转换器，其值由单片机处理，最后由单片机去控制数字显示器，显示温室大棚内的实际温度，同时通过比较，对大棚内的温度是否超过温度限制进行分析。

如果超过我们预先设定的温度限制，温度报警系统将进行报警，并同时自动对大棚内的温度进行控制。

这种设计方案实现了温度实时测量、显示和控制。

该系统抗干扰能力强，具有较高的测量精度，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。

这种温度测控系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对温度的实时控制，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，以带来很好的经济效益和社会效益。

第2章系统硬件电路的设计

§2．1系统硬件电路构成及测量原理

由于系统要对大棚内部的温度进行测量和控制，因此采用单片机对单总线系统进行现场长期监控是非常经济实惠的方案，其硬件连接非常简单，可用单片机并口P1、P2、P3中的任一位端口与单总线连接来实现双向数据传输，而且还可通过RS232／485转换器串行口使单片机与上位计算机（PC机）连接，以便在WINDOWS平台上进行高级的软件管理。

§2．1。

1系统硬件电路构成

本系统以单片机为核心，组成一个集温度的采集、处理、显示、自动控制为一身的闭环控制系统，其原理框图如图2—1所示。

系统硬件电路由温度传感器、单片机、RS—485串口通信和计算机组成【5】。

图2—1温度测控系统硬件电路原理框图

温度传感器的作用是采集大棚内的温度，并进行判断和显示【6】。

由于智能温度传感器DSl8820既能对温度进行测量，又能设定所需要控制的温度，并对温度值能够把二进制转换成十进制，所以本设计系统中选用智能温度传感器DS18820。

该传感器是利用在板专利技术来测量温度的【7】。

传感器和数字转换电路都被集成在一起，每个DSl8820都具有唯一的64位序列号。

并且DSISB20只有一个数据输入／输出口，因此，多个DSl8820可以并联到3或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DSlgB20进行通信，而它们只需简单的通信协议就能加以识别，这样就节省了大量的引线和逻辑电路。

用户还可自设定非易失性温度报警上下限值，并可用报警搜索命令识别温度超限的DSlgB20。

由于该温度计采用数字输出形式，故不需要A／D转换器。

单片机主要是对温度传感器DSl8820进行编程【8】，读取温度传感器的温度值，并把温度值通过串口通信送入计算机。

由于AT89系列单片枧与MCS．51系列单片机兼容，所以，本系统中的单片机选用AT89C2051。

串口通信的作用是把单片机送来的数据送到计算机里，起到传输数据的作用。

虽然RS232是串行通讯中目前最常用的接口，且在PC机系列中，每台微机均配有标准的RS232，但是这种共地传输，由于受距离与环境的影响，极易受到干扰。

因此，RS232方式的通讯，一般应用于速度低于20kb／s，距离20m以内的条件下，不适合于高速、远距离通讯。

而RS485串行通讯是一种多发送器的电路新标准，它采用了差分平衡的电气接口，利用平衡驱动、差分接收的方法，从根本上消除了地线信号。

因此，RS485可用于距离1200m，速度为100kb／s的高速通讯。

由于从大棚到计算机的距离较长，因此，在本课题设计中，需要在PC机侧配置RS485转换器，以达到数据传输的目的。

计算机主要是进行编程，对温度进行显示、报警和控制等。

§2．1．2系统工作原理

采用单总线技术设计的温度监测系统，如图2．2所示【9】。

整个系统以AT89C2051单片机为主机，其他设备为从设备。

单片机通过RS485总线与PC机通讯。

PC机作上位机进行实时监控管理，控制器选用Max705组成上电复位和看门狗电路。

该系统只要一条双绞线（一根为信号线，一根为地线）从单片机拉向监控现场，然后将各种监控对象（传感器）挂接在一根总线上就可以了。

本系统通过单总线可以挂接很多个智能温度传感器DSl8820，用于温室大棚内不同地方的温度测量和控制。

图2-2中只画出了一个监控现场的配置，其布线接头与通常电话线路使用的一样，插入和拔出都很方便。

图2-2用单总线器件组建温度测控系统示意图

该温度测控系统的工作原理就是进行计算机编程和单片机编程，使智能温度传感器DSl8820正常工作，去检测大棚内实际的温度，并由数字显示电路显示出当时的温度值。

如果采集的温度值高于上限报警温度，系统将发出报警，并同时起动制冷设备，把温度降下来，当温度降到一定的程度，即低于上限复位值时，立即关闭制冷设备，使制冷设备停止工作。

当采集的温度值低于下限报警温度值时，系统又发出报警，并同时起动制热设备，使大棚内的温度上升，当温度上升到一定的程度，即高于下限复位值时，立即关闭制热设备，使制热设备停止工作，从而使温室大棚的温度值维持在一定的范围内。

其具体的温度越限自动控制过程如图2．3所示。

温室控制系统的执行机构采用开关量控制，本系统选用了可寻址的单总线控制开关DS2405，由它送出l位0或1作为控制码信息，去控制报警设备、通风机执行机构（空调）等的开启与关闭。

当单片机发现温度传感器DSl8820采集到大棚内的实际温度超过温度限制时，便让控制开关DS2405去开启声光报警器报警，同时开启空调机工作。

DS2405是DALLAS公司提供了一种可寻址的开关器件，其主要特性为：

·适用于单总线协议。

·由单总线上的数据作为开关信号，控制漏极开路输出端的通断状态。

·控制信号输出端P10引脚吸收能力大于4mA／0．4V。

·不用外接电源。

·三种封装形式；TO一92三脚塑封；SOT，223四脚平面封装和C-Lead六脚表面安装封装。

DS9502为防静电保护二极管。

为防止处在开路状态易受静电等干扰侵入，通常在单总线线路的末端都接上DS9502之类防静电保护电路。

图2．2中每个与单总线直接相连的测控对象的机构芯片内均有一64位（bit）的ROM，其中存有48位（hi0--进制编码的序列号，称之为身份证，以确保芯片挂接在总线上可以被识别出来，这是在单总线上实现定位和寻址通信的关键所在【10】。

单总线芯片入口示意图如图24所示。

由图2-4可见，芯片内还含有收、发控制和电源电路，其耗电量都很小，从总线上获得一点电量存储在大电容中就可以正常工作了，故一般不需要另附电源。

图2—4收、发控制和入口示意图

§2．1．3系统主要技术指标：

①测量范围：

．55"C-+125"C，②测量精度：

O．5。

C，③反应时问_<500ms。

§2．2温度传感器的选择

测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展主要大体经过了三个阶段：

1．传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；2．模拟集成温度传感器／控制器；3．智能温度传感器。

模拟集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。

模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用Ic。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。

它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD590、AD592、TMPl7、LMl35等。

模拟集成温度控制器主要包括温控开关和可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。

某些增强型集成温度控制器（例如TC652／653）中还包含了彤D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。

但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。

智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。

它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。

目前，国际上己开发出多种智能温度传感器系列产品。

智能温度传感器内部都包含温度传感器、A／D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（Mc∽；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度

也取决于软件的开发水平。

目前，国际上薪型温度传感器正从模拟式向数字式、从集成化向智能化和网络化的方向飞速发展。

智能温度传感器DSl8820正是朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。

因此，智能温度传感器DSl8820作为温度测量装置已广泛应用于人民的日常生活和工农业生产中。

§2．2．1DSl8820简介

DSl8820是美国DALLAS半导体公司继DSl820之后最新推出的一种数字化单总线器件【11】，属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9,--12位的数字值读数方式。

可以分别在93．75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DSl8820读出的信息或写入DSl8820的信息仅需要一根121线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DSl8820供电，而无需额外电源。

因而使用DSl8820可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

同时其“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入了全新的概念。

DSl8820“一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为．550C~+1250C，在．10---+85。

C范围内，精度为士o．50c。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，用符号扩展的16位数字量方式串行输出，大大提高了系统的抗干扰性。

因此，数字化单总线器件DSl8820适合于恶劣环境的现场温度测量，如：

环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DSl820都有了很大的改进，给用户带来了更方便和更令人满意的效果。

可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。

§2．2．2DSl8820的性能特点

（1）采用DALLAS公司独特的单线接口方式：

DSl8820与微处理器连接时

仅需要一条口线即可实现微处理器与DSl8820的双向通讯。

（2）在使用中不需要任何外围元件。

（3）可用数据线供电，供电电压范围：

+3．0～+5．5V。

（4）测温范围：

-55～+125℃。

固有测温分辨率为0．5℃。

当在-10℃～+85℃范围内，可确保测量误差不超过O．5℃，在-55～+125℃范围内，测量误差也不超过2℃。

（5）通过编程可实现9～12位的数字读数方式。

（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。

（7）支持多点组网功能，多个DSl8820可以并联在唯一的三线上，实现多点测温【12】。

（8）负压特性，即具有电源反接保护电路。

当电源电压的极性反按时，能保护DSl8820不会因发热而烧毁。

但此时芯片无法正常工作。

（9）DSl8820的转换速率比较高，进行9位的温度转换仅需93．75ms。

（10）适配各种单片机或系统。

（11）内含64位激光修正的只读存储ROM，扣除8位产品系列号和8位循环冗余校验码（CRC）之后，产品序号占48位。

出厂前产品序号存入其ROM中。

在构成大型温控系统时，允许在单线总线上挂按多片DSISB20。

§2．2．3DSl8820的管脚排列

DSl8820采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装。

其管脚排列如图2—5所

图2—5I）S18820的管脚排列

I／O为数据输入／输出端（即单线总线），它属于漏极开路输出，外接上拉电阻后，常态下呈高电平。

UDD是可供选用的外部电源端，不用时接地，GND为地，NC空脚。

§2．2．4DSl8820的内部结构

DSl8820的内部结构框图如图2-6所示。

它主要包括7部分：

l、寄生电源；2、温度传感器；3、64位激光（10ser）ROM与单线接口；4、高速暂存器，即便筏式RAM，用于存放中间数据；5、TH触发寄存器和TL触发寄存器，分别用来存储用户设定的温度上下限值；6、存储和控制逻辑；7、8位循环冗余校验码（CRC）发生器。

图2_6DSl8820的内部结构框图

（1）64位闪速ROM的结构如下：

高8位是CRC校验码，接