花房温湿度自动控制系统.docx
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花房温湿度自动控制系统
《机电一体化系统设计》小论文
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学号：
_**********_
班级：
__Z电气111_
专业：
电气工程及其自动化
电气工程学院
2014.12.01
花房温湿度自动调节控制系统
第1章背景
1.1应用环境
随着农业现代化的快速发展，温室正朝着智能化控制的方向发展。
我国农业也逐渐地从传统农业向高产、优质、高效为目的的现代化农业转变。
因而花卉大棚自然也离不开现代化的科学技术。
通过国内外大量的科学实验和生产的实践证明，环境的控制对花卉生长起到非常重要的作用。
只有在适宜的环境下花卉才能生长良好。
对于花卉大棚内环境的控制主要对环境温度、湿度等进行测量和控制。
用单片机监控温室的温度/湿。
根据温室的温度/湿度的变化自动地实施喷灌调温。
确保温室各种花卉生长适宜的温度、湿度。
现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行监测和控制。
例如：
空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。
在现代化农业生产中，以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。
大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到花卉的生长。
国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。
当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的监测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。
为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于各种花卉生长的环境。
目前，随着花卉温室的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。
随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的温湿度控制便成为一个十分重要的课题。
传统的温湿度控制是在温室大棚内部悬挂温度计和湿度计，通过读取温度值和湿度值了解实际温湿度，然后根据现有温湿度与额定温湿度进行比较，看温湿度是否过高或过低，然后进行相应的通风或者洒水。
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，花卉品种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。
温室大棚的建设对温湿度检测与控制技术也提出了越来越高的要求。
1.2应用对象与要求
四季海棠属于喜温作物，但不喜高温。
据实验：
10℃以下停止生长，5℃以下会出现寒害。
适合生长的温度10℃-30℃，四季海棠生长最快。
四季秋海棠在夏季不耐阳光直射和雨淋，应遮阴和防雨，若长期受到与淋，容易造成花茎与叶片腐败。
冬天喜欢充足的阳光，光照不足，则生长柔弱，植株细长，叶色和花色变淡。
进入开花期，应加大通风量。
上午棚内温度升到20℃，要逐渐打开通风口，降温排湿。
从开花至浇催果水之前，棚温不要超过30℃。
下午当棚温降至10℃时将通风口关闭。
本系统主要完成对四季海棠花房内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。
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们服务。
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。
采用单片机来对温湿度进行控制，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湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量，更重要的是经济实惠。
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，单片机对温湿度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。
因此，本课题围绕基于单片机的花房温室度自动调节控制系统展开了应用研究工作。
1.3方案比较
1.3.1单片机的选择
方案一：
采用MCS-51系列单片机中的AT89C52芯片作为核心器件，有4K字节的内部FLASHPERAM，能于3V的超低压工作，而且与MCS-51系列单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏[3]。
方案二：
采用AT89S52芯片作为核心器件,片内ROM全都采用FlashROM；能以3V的超低压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全兼容。
该芯片内部存储器为8KBROM存储空间，同样具有89C51的功能，并且具有在线编程技术，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，由此不会对芯片造成损坏。
所以设计采用AT89S52作为主控制系统。
1.3.2温度传感器的选择
方案一：
采用数字式温度传感器DS18B20。
此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，由于其输出为数字量，所以不需要进行A/D转化，这样就降低了硬件成本，简化了系统电路。
另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。
方案二：
采用数字式温湿度传感器DHT90。
该传感器为数字式传感器，可以同时采集温度和湿度，两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。
微小的体积和极低的功耗等优点，使其成为选择温湿度传感器时的首选。
1.3.3湿度传感器的选择
方案一：
采用HS1100/HS1101湿度传感器。
HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
该传感器具有高可靠性、长期稳定性和快速响应时间等特点，由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。
方案二：
采用数字式温湿度传感器DHT90。
该传感器为数字式传感器，采集湿度的精度是14位，端口少，只需要单片机的一个端口即可驱动，精度较高，除此之外，该传感器还可以同时采集温度和湿度，并能进行相对湿度补偿，易于应用，操作简单。
1.3.4显示模块的选择
方案一：
采用LCD1602液晶显示器。
其显示容量为16*2个字符，而此次设计的是一个大棚温湿度测控系统，需要将设定的温湿度值以及采集过来的外界环境里的温度值和湿度值显示出来，而LCD-1602的显示容量只有两行，可以显示八个汉字，这样无法直接在一屏里面显示温度值和湿度值，需要分多次页数来显示，这样不便于观察温湿度的变化，所以在本次设计中不采用LCD1602液晶显示器。
方案二：
采用LCD12864液晶显示器,可以显示四行汉字，每行为16个字符，八个汉字，这样可进行观察和比较，清晰明了，易于操作，占用的单片机口线少，可以满足本系统的设计要求。
因此在本次设计中的显示部分选用LCD12864液晶显示器[4]。
1.4方案的确定
综上所述，对本次设计系统的方案选定如下:
采用AT89S52作为主控制系统；液晶显示模块LCD12864作为本次系统的显示；DHT90温湿度传感器作为本次系统温度和湿度的信息采集[5]。
通过论证拟采用的设计方案内容包括以下几点：
1.选择AT89S52单片机作为整个系统的核心器件，发送并时时处理系统信息。
2.传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。
工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。
本设计选用集成温湿度传感器DHT90。
3.显示电路的设计：
设计采用液晶LCD12864进行显示，简单明了。
4.报警电路的设计：
在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。
其方法就是把计算机采集的数据通过计算机进行数据处理、数字滤波和标度变换，这些已经在软件程序里边处理过，所以显示温湿度即为外界采集的温湿度，和设定的值比较，如果高于上限值或低于下限值则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。
本设计采用声光报警电路。
温度和湿度任何一个超过设定范围，蜂鸣器均报警。
设计选用二极管的亮灭显示温度或者湿度是否过限，这样便于观察，可以更加直接的确定是要升降温还是要增减湿度，给工作人员减少了工作量。
蜂鸣器报警电路是通过MCS-52的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。
5.温湿度控制主程序的设计要考虑以下问题：
（1）温湿度采样，数字滤波；
（2）越限报警和处理；
（3）温度标度转换。
第2章硬件设计
2.1系统总体结构设计
根据题目要求和单片机的工作原理，以AT89S52为控制器，进行主要的信息处理。
系统只要由检测电路、显示电路、复位电路、报警电路、键盘电路以及调节电路组成。
总体结构框图如图1：
总体结构框图
2.2单片机模块的设计
2.2.1单片机的功能特性描述
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，存储器是采用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品的指令和引脚完全兼容。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52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。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作；掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止一切工作，直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89S52的引脚结构图如图2-1所示。
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
2.2.2单片机的中断系统
单片机与外部设备交换信息一般采用两种方式，即查询方式和中断方式。
中断方式具有CPU效率高，适合于实时控制，将从现场采集到的数据通过中断方式及时传送给CPU，经过处理后就可立即做出响应，实现现场控制。
而采用查询方式就很难做到及时采集、实时控制。
从面向用户的角度来看，8051单片机的中断系统就是由如下几个殊功能寄存器组成：
·定时器控制寄存器TCON
·中断允许寄存器IE
·中断优先级寄存器IP
·串行口控制器SCON
89C51单片机是一个多中断源系统。
有5个中断源，即两个外部中断，两个外部中断、两个定时器/计数器中断和一个串行口中断。
定时器控制寄存器TCON
表5TCON控制位的分布
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
控制位
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
·TF1（TCON.7）：
计时器1溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为1，在执行相对的中断服务程序后则自动清0。
·TR1（TCON.6）：
计时器1启动控制位，可以由软件来设定或清除。
TR1时启动计时器工作，TRl=0时关闭。
·TF0（TCON.5）：
计时器0溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为1，在执行相对的中断服务程序后则自动清0。
·TR0（TCON.4）：
计时器0启动控制位，可以由软件来设定或清除。
TR0=1时，启动计时器工作，TR0=时关闭。
·IE1（TCON.3）：
外部中断1工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设定此位，在执行中断服务程序后，则清0。
·IT1（TCON.2）：
外部中断1工作形式选择，IT1=1时，由下降缘产生外部中断，IT1=0时，则为低电位产生中断。
2.3温湿度采集系统的设计
2.3.1温湿度传感器的概述
DHT90是数字温湿度传感器系列中插针型的传感器。
此类型传感器把传感元件和信号处理集成起来，输出全标定的数字信号。
传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。
传感器采用专利的CMOS技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
因此，该产品具有品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
传感器采用的是原装进口数字温湿度传感器芯片，引脚插针为标准2.54插针，使用时无需重新校准。
传感器直接与单片机相连，无需其他外部元件。
总之，极低的功耗、极高的性价比、卓越的品质等优点使其成为我们在选择温湿度传感器时的首选。
DHT90的基本特性如下：
测湿范围：
0～100%RH；
测温范围：
-40～123.8℃；
响应时间：
温度：
< 30s，湿度：
<8s；
分辨率：
温度：
0.01℃，湿度：
0.03%RH；
重复性：
温度：
0.1℃ 湿度：
0.1%RH；
测量精度：
温度：
±0.5℃湿度：
±4.5%RH；
安装方式：
2.54mm间距插针。
2.3.2DHT90的温湿度补偿及转换
相对湿度
为补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，可参阅表3-2，可使用公式（3-1）。
（3-1）
表3-2湿度转换系数
12bit
-4.0000
0.0405
-2.8000E-6
8bit
-4.0000
0.6480
-7.2000E-4
温度转换
温度转换数可参阅表3-3，可使用温度转度公式（3-2）。
（3-2）
表3-3温度转换数
VDD
d1（℃）
d1（℉）
5V
-40.1
-40.2
4V
-39.8
-39.6
3.5V
-39.7
-39.5
3V
-39.6
-39.3
2.5V
-39.4
-38.9
SOT
d2（℃）
d2（℉）
14bit
0.01
0.018
12bit
0.04
0.072
2.3.3传感器的接口说明
DHT90引脚结构如表2-1所示。
表2-1DHT90引脚结构
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1
SCK
时钟信号
2
VDD
电源
3
GND
地
4
DATA
数据输出
DHT90的供电电压为2.4-5.5V，建议供电电压为3.3V。
DHT90的串行接口，在传感器信号的读取及电源损耗方面，都做了优化处理；传感器不能按照I2C协议编址，但是，如果I2C总线上没有挂接别的元件，传感器可以连接到I2C总线上，但单片机必须按照传感器的协议工作。
SCK用于微处理器与DHT90之间的通讯同步。
由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。
DATA三态门用于数据的读取。
DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并且仅在SCK时钟上升沿有效。
数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。
为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。
需要一个外部的上拉电阻（例如：
10kΩ）将信号提拉至高电平。
热电偶是一种感温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号。
常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。
所调用标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、答应误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。
非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。
标准化热电偶我国从1988年1月1日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
本论文采用的是K型热电阻。
2.4显示模块的设计
2.4.1LCD12864的概述
显示器是最常用的输出设备。
显示器件使用最多的是发光二极管显示器（LED）和液晶显示器（LCD）。
因为它们都具有结构简单、耗电少、价格低廉、接口简单、寿命长等优点，广泛应用于智能仪表场合，尤其是单片机系统中大量应用。
LCD以其功耗低、视觉范围广等特点也被广泛应用。
显示电路的设计是不可缺少的。
对于温湿度测控系统的设计而言，显示电路的设计也是不可缺少的。
在本设计系统中，不仅要显示测量的温湿度值，而且还有不同的温湿度报警参数，故而显示器的设计是十分必要的。
考虑到本设计的特点（工作温湿度、显示行列数、光线等），设计中选用的是FYD12864显示器。
该显示器的大屏幕显示具有显示清晰、视觉范围广、价格低等优点。
液晶显示模块提供两种界面来连接微处理机：
8位串行及并行两种连接方式。
具有多种功能：
光标显示、画面移位、睡眠模式等。
和LED显示器一样，LCD也有字符型和点阵型两种。
字符和数字的简单显示，不能满足汉字和图形曲线现实的要求；点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种曲线、图像及汉字，并且可以实现屏幕上下的滚动、反转、闪烁等功能，用途十分广泛。
本设计中的显示器设计采用的是点阵式液晶显示模块。
FYD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。
低电压低功耗是其又一显著特点。
与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论其硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块[10]。
其基本特性如下：
低电源电压：
VDD:
+3.0--+5.5V；
显示分辨率：
128×64点；
内置汉字字库：
提供8192个16×16点阵汉字（简繁体可选）；
内置点阵字符：
128个16×8；
时钟频率：
2MHZ；
显示方式：
STN、半透、正显；
驱动方式：
1/32DUTY，1/5BIAS；
视角方向：
6点；
背光方式：
侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10；
通讯方式：
串行、并口可选；
内置转换电路：
DC-DC，无需外加负压；
工作温度：
0℃-+55℃，存储温度：
-20℃-+60℃。
显示模块流程图如下所示：
图3-6LCD显示流程图
第3章软件设计
与硬件设计相对应，软件设计也采用模块化程序设计的方式，包括主程序模块，初始化参数设置模块，无线通讯发送模块，无线通讯接收模块，数据采集程序模块，显示模块。
3.1初始化子程序
初始化程序主要完成以下功能：
当系统启动时确定电磁阀关闭、程序设置温湿度的上下限值的初始值、用于定时器T1、TO的初始化、串口中断的初始化。
/*------------------------------------------------
定时器0初始化
------------------------------------------------*/
voidTIM0init（void）//定时器0初始化
{
TMOD=0x02;//定时器0工作方式2，TH0是重装值，TL0是初值
TH0=0x00;//重载值
TL0=0x00;//初始化值
ET0=1;//开中断
TR0=1;
}
/*------------------------------------------------
外部中断0初始化
------------------------------------------------*/
voidEX0init（void）
{
IT0=1;//指定外部中断0下降沿触发，INT0（P3.2）
EX0=1;//使能外部中断
EA=1;//开总中断
}
3.2数据采集模块
软件流程
准备开始标志：
当低电平低于18ms后，单片机将输出端口改为输入，开始读取DHT11的数据。
然后将电平拉高，等待DHT11响应，DHT11将电平信号拉低以示响应单片机信号，而后将电平拉高准备发送数据信息。
读取数据过程：
DHT11先发送12—14us的低电平信号，然后紧跟高电平，如果在116—118us左右，将自动识别为1，如果在26—28us左右将识别为0。
这样循环40次，共40位二进制数，每八位为一组，其中包括八位湿度整数位、八位湿度小数位、八位温度整数位，八位温度小数位、八位较检位。
由于设计的需要，现只读取八位湿度整数值，将读取的湿度值传给单片机。
程序如下:
#include"DHT11.h"
unsignedcharwendu,shidu;
voiddelay_us（）//延时子程序
{
unsignedchari;
i--;
i--;
i--;
i--;
i--;
i--;
}
voiddelayms（unsignedintx）//根据给定值进行延时子程序
{
unsignedcharn;
while（（x--）!
=0）
{
for（n=0;n<115;n++）{;}
}
}
charreceive（）
{
unsignedinti;
unsignedchartemp,respond;
unsignedcharcom_data=0;
for（i=0;i<=7;i++）
{
respond=2;
while（（!
TRH）&&respond++）;
delay_us（）;
delay_us（）;
delay_us（）;
if（TRH）
{
temp=1;
respond=2;
while（（TRH）&&respond++）;
}
else
temp=0;
com_data<<=1;
com_data|=temp;
}
return（com_data）;
}
//湿度读取子程序
//温度高8位==TL_data
//温度低8位==TH_data
//湿度高8位==RH_data
//湿度低8位==RH_data
//校验8位==CK_data
//调用的程序有delay（）;,Delay_5us（）;,RECEIVE（）;
voidread（）
{
unsignedintrespond;
unsignedintRH_temp,RL_te
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