蔬菜大棚温度控制系统设计.docx

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蔬菜大棚温度控制系统设计

毕业设计（论文）

题目：

蔬菜大棚温度控制系统设计

摘要

蔬菜大棚温度自动控制系统由主控制器AT89C51单片机、并行口扩展芯片8255、74LS373、A/D转换器0809、、温度传感器DS1820、固态继电器、RAM6264、掉电保护和LED显示器和报警电路等构成，实现对蔬菜大棚温度的检测与控制，从而有效提高蔬菜的产量。

文中提出了具体设计方案，讨论了蔬菜大棚温湿度巡回检测与控制的基本原理，进行了可行性论证。

给出了电路图和程序流程图并附有源程序。

由于利用了单片机及数字控制系统的优点，系统的各方面性能得到了显著的提高。

关键词：

温度传感器快速检测A/D转换器LED显示器报警电路固态继电器；

5系统实验应用………………………………………………………………………………………………….17

5.1实验蔬菜大棚简介……………………………………………………………………………………….17

5.1.1实验大棚结构特点……………………………………………………………………………….17

5.1.2实验大棚内温度特点…………………………………………………………………………….17

5.2温度传感器测试实验…………………………………………………………………………………….18

5.3显示及报警实验………………………………………………………………………………………….19

结论………………………………………………………………………………………………………………...20

1概述

想要长出好的蔬菜，蔬菜大棚的温度控制是非常重要的，温室环境测控，即根据植物生长发育的需要，自动调节温室内环境条件的总称。

现代化温室，通过传感器技术、微型计算机及单片机技术和人工智能技术，能自动测控温室的环境，其中包括温度、湿度、光照、C02浓度等，使作物在不适宜生长发育的反季节中，获得比室外生长更优的环境条件，达到早熟、优质、高产的目的。

传统的环境测控管理采用模拟控制仪表和人工管理方法，工作效率低。

随着微机技术的发展，逐步采用配置灵活、开放式结构、运算能力较强、高可靠性、完善的开发手段及具有数据处理、统计分析、打印报表等功能的测控系统所代替，取得了较好的经济效益。

随着国民经济的迅速增长，现代农业得到长足发展，受控农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室工程已成为工厂化高效农业的一个重要组成部分。

支持温室工程的相关技术，如温室环境复杂系统的建模技术与专家决策支持系统、温室环境智能测控技术研究与系统开发、温室环境调配工程技术与设施研究等已成为当前该领域的关键技术和研究热点问题。

研究温室环境信息进行模拟、分析、预测，研究开发基于作物成长栽培环境的温室环境多因子智能化综合测控系统，研究高效生产的温室环境综合测控模式与配套设施等将是今后主要研究内容。

目前，我国农业正处在从传统农业向以优质、高效、高产为目的的现代化农业转化的新阶段。

农业环境控制工程作为农业生物速生、优质、高产手段是农业现代化的标志，农业设施的自动检测与控制是我国急待发展的项目。

应用自动控制和电子计算机实现农业生产和管理的自动化，是农业现代化的重要标志之一。

温度监测预警系统是针对蔬菜大棚温度监测而设计，同时也可用于粮食仓储、冷库及烟叶发酵等场合的温度监测。

蔬菜大棚作为一个相对封闭的环境，其内部形成了一个小气候环境，良好的空气环境是蔬菜正常生长的重要条件。

为了增产、增收，要注意大棚内部的气体、温度和湿度3个重要因素。

气体主要是指棚内的二氧化碳的含量。

当空气中的二氧化碳浓度提高到0.1%时，可使蔬菜的光合作用速率增加1倍以上，增产20%~80%；若使二氧化碳浓度降至0.005%时，光合作用几乎停止。

蔬菜生长的适宜温度为20°~30℃。

大棚内白天增温快，当棚外平均气温为15℃时，棚内可达40°~50℃。

因此，要适时调节棚内温度，避免高温危害。

塑料大棚经常处于密闭状态，蒸发量大大减小，内部湿度一般在80%~90%，湿度过大极易导致病虫害的发生。

现在对大棚内气体、温度和湿度的有效调节，主要是通过适时的通风来实现。

二氧化碳含量过大和湿度过大都会导致温度升高。

通过调节温度可以有效地控制二者的浓度。

因此，对棚内温度的控制是非常重要的。

本文介绍的分布式单总线蔬菜大棚温度监测预警系统，采用全数字化设计，直接监测每个棚内不同部分的温度，通过对温度的良好控制，有效地提高蔬菜的产量。

2蔬菜大棚的系统设计

2.1控制系统整体结构

1、温度传感器

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。

由于智能温度传感器DS18B20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DS18B20。

信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，传感器和数字转换电路都被集成在一起，每个DS18B20在出厂时都已给定了唯一的64位序列号，并且DS18B20只有一个数据输入/输出口，因此，多个DS18B20可以并联到3或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20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。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。

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DS18620。

由于该温度计采用数字输出形式，故不需要A/D转换器。

2、单片机控制系统

本系统中的单片机选用AT89S51做控制器。

主要功能是:

实现对数字量的采集，并把采集来的数据在LCD液晶显示器上进行显示;可以通过键盘设置参数，可以进行声光报警;可以通过按键来完成手动/自动控制方式的切换;可以通过串行接口把采集到的数据和控制信息传送至上位机，可以接收上位机命令实现参数设置;可以进行输出控制。

2.2系统的工作原理

采用单总线技术设计的温度监测系统。

整个系统以AT89S51单片机为主机，其他设备为从设备。

单片机通过RS-485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MAX813L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DS18B20，用于温室大棚内不同地方的温度测量和控制。

图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。

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DS18B20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。

3.蔬菜大棚系统的硬件设计

3.1系统主控制器部分设计

3.1.1AT89C51的工作原理

1CPU的结构

CPU是单片机内部的核心部分，是单片机的指挥和执行机构，它决定了单片机的主要功能特性。

从功能上看，CPU包括两个基本部分：

运算器和控制器。

下面说明控制器和运算器。

1）运算器

运算器包括算术逻辑运算部件ALU、累加器ACCC、B寄存器、暂存寄存器TMP1和TMP2、程序状态寄存器PSW、BCD码运算调整电路等。

2）时钟电路

AT89C51芯片内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器。

反向放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2。

在TXAL1和XTAL2两端跨接由石英晶体及两个电容构成的自激振荡器，如图2-1所示。

电容器C1和C2通常都取30pF左右，选用不同的电容量对振荡频率有微调作用。

但石英晶体本身的标定频率才是单片机振荡频率的决定因素。

其振荡频率范围是1～12MHz。

图3-1时钟电路

本设计考虑系统的独立完整性，选用内部时钟方式，石英震荡频率选用12MHZ，ALE信号频率为2MHZ。

2I/O口结构：

AT89C51单片机有4个8位并行I/O接口，记作P0、P1、P2和P3，每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。

每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。

每个端口都包括一个锁存器（即特殊功能寄存器P0～P3），一个输出驱动器和输入缓冲器，作输出时数据可以锁存，作输入时数据可以缓冲，但是这四个通道的功能完全不同。

3程序存储器及数据存储器

1）程序存储器

对AT89C51芯片来说，片内有4K字节ROM/EPROM，片外可扩展60K字节EPROM，片内和片外程序存储器统一编址。

在程序存储器中，有6个地址单元被保留用于某些特定的地址，如下表2-1所示。

2）数据存储器

AT89C51数据存储器空间也分为内片和外片两大部分，即片内数据存储器RAM和片外数据存储器RAM。

如何区别片内、片外RAM空间呢？

片内数据存储器最大可以寻址256个单元，片外最大可扩展64K字节RAM，并且片内使用的是MOV指令，片外64KROM空间专门为MOVX指令所用。

4定时器

AT89C51单片机的内部有两个16位可变成定时器0（T0）和定时器1（T1），它们都有定时或是事件计数的功能，可用于定时控制、延时、对外部事件计数和检测等场合。

表3-1AT89C51的复位、中断入口地址

入口地址

说明

0000H

复位后，PC=0000H

0003H

外部中断入口

000BH

定时器T0溢出中断入口

0013H

外部中断入口

001BH

定时器T1溢出中断口

0023H

串行口中断入口

它们具有计数和定时两种工作方式以及四种工作模式。

定时器T0具有方式0、方式1、方式2和方式3四种工作方式。

T1具有方式0、方式1和方式2三种工作方式。

5中断系统

AT89C51单片机有五个中断请求源。

其中，两个外部中断源；两个片内定时器/计数器（T0、T1）的溢出中断源TE0和TF1；一个片内串行口接受或发送中断源RI或TI。

这些中断请求分别由单片机的特殊功能寄存器TCON和SCON的相应位锁存。

当几个中断源同时向CPU请求中断，要求CPU提供服务的时候，就存在CPU优先响应哪一个中断请求，于是一些微处理器和单片机规定了每个中断源的优先级别。

3.1.2AT89C51的复位电路

AT89C51单片机通常采用上电自动复位和开关手动复位两种方式。

本设计采用上电复位电路，所谓上电复位，是指单片机只要一上电，便自动地进入复位状态。

在通电瞬间，电容C通过电阻R充电，RST端出现正脉冲，用以复位。

3.1.3AT89C51的引脚功能

AT89C51的40条引脚中，有2条专用于主电源的引脚，4条控制和其他电源复用的引脚，32条输入/输出引脚。

如图2-3所示，下面介绍主要引脚的名称和功能：

1）主电源引脚Vcc和Vss

Vcc：

接+5V电源。

Vss：

接电源地。

2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1：

接外部晶体的一端。

在单片机内部，它是反相放大器的输入端，该放大器构成了片内振荡器。

在采用外部时钟电路时，对于HMOS单片机上，此引脚必须接地；对AT89C51单片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2：

接外部晶体的另一端。

在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端，振荡器的频率是晶体振荡频率。

若采用外部时钟电路时，对于HMOS单片机上，该引脚输入外部时钟脉冲；对AT89C51单片机，此引脚应悬