大棚温湿度自动控制系统设计.docx

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大棚温湿度自动控制系统设计

大棚温湿度自动控制系统设计

摘要：

本设计是基于STC89C52RC单片机的大棚温湿度自动控制系统，采用SHT10作为温湿度传感器，LCD1602液晶屏进行显示。

SHT10使用类似于I2C总线的时序与单片机进行通信，由于它高度集成，已经包括A/D转换电路，所以使用方便，而且准确、耐用。

LCD1602能够分两行显示数据，第一行显示温度，第二行显示湿度。

这个控制系统能够测量温室大棚中的温度和湿度，将其显示在液晶屏LCD1602上，同时将其与设定值进行对比，如果超出上下限，将进行报警并启动温湿度调节设备。

此外，还可以通过独立式键盘对设定的温湿度进行修改。

通过设计系统原理图、用Proteus软件进行仿真，证明了该系统的可行性。

关键词：

STC89C52RC，SHT10，I2C总线，独立式键盘，温湿度自动控制

Abstract:

Thisdesignisanautomatictemperatureandhumiditycontrollerforgreenhouses,withtheSTC89C52RCMCUbeingitsmaincontroller.ItusestheSHT10asthetemperatureandhumiditysensor,andtheLCD1602todisplaythemessages.TheSHT10usesatimingsequencemuchliketheI2Ctocommunicatewiththemicro-controller.Becauseit’sahighlyintegratedchip,italreadyincludesananalogtodigitalconverter.Therefore,it’squiteconvenienttouse,andalsoaccurateanddurable.TheLCD1602candisplaytwolinesofmessages,withthefirstlinefortemperatureandthesecondlineforhumidity.Thedesigncanmeasurethetemperatureandhumidityinagreenhouse,andthendisplayitonaLCD1602.Meanwhile,itcomparesthedatawiththesetlimit.Ifthelimitisexceeded,thenthesystemwillsendoutawarningusingabuzzerandactivatethetemperatureandhumiditycontrollingequipment.Besides,thesetlimitcanbemodifiedwiththeindependentkeyboard.ThroughschematicdesignandProteussimulation,thefeasibilityofthisdesignhasbeenproved.

Keywords:

STC89C52RC,SHT10,I2Cbus,independentkeyboard,temperatureandhumiditycontrol

1前言

温室大棚作为一种高效的农业生产方式，与传统农业生产方式相比具有很大的优点。

温室农业生产可以获得高产和优质的蔬菜、花卉、瓜果，不仅可改变这些产品按自然季节供应的模式，延长其供应期，而且可在不同地方进行种植，达到所谓“地不分东西南北，食不分春夏秋冬”。

温室农业可以改变传统农业劳动力冬闲夏忙的安排，以小面积获得高产，减轻大面积的土地压力。

温室农业采用适时适量供水的优化用水同时配以微灌和高湿环境，可达到农业用水高效高产，按产品的数量平均计算，节省水分量是很大的。

这种设施系统可以从简易到全自动控制，适宜各种状况下的选择，特别是对于日光温室、塑料大棚，相对投资较少。

若能降低成本、采用经久耐用的低成本采光材料，发展前景将更为广阔，即使在一些偏远地区的农村、场所，也可以修建单个的温室和塑料大棚，进行环境控制下的蔬菜和瓜果的生产，改变这些地区的生活条件。

要想实现温室大棚高效增产的作用，对温湿度的准确控制是极其重要的。

温室内空气湿度的日变化受天气、加温及通风换气量的影响，阴天或灌水后室内空气湿度几乎都在90％以上。

晴天在傍晚关窗至次日早晨开窗前温室维持在高湿度。

室内湿气遇冷后凝结成水滴附着在薄膜或玻璃的内表面上，待到加温或日出后，室内温度上升，湿度逐渐下降，附着在屋顶上的水滴随之消失。

温湿度的较大变化对农作物的生长十分不利，研究结果表明，由于植物体内水分不足导致气孔关闭，首先妨碍了CO2的交换，而使饱和作用显著下降，特别是在缺水状况加剧时，给细胞原生质的生化作用带来影响，光合作用显著下降。

而温度在夜间下降过低也会影响光合作用的效率。

因此，非常有必要使用一套温湿度控制系统，以维持温室大棚内的温度、湿度在一个合适的范围，实现大棚内农作物的水分、养分的有效供给，提高光合作用的效率，从而达到增产目的。

传统的温湿度控制是在温室大棚内部悬挂温、湿度计，通过读取温、湿度值进而了解实际的温度和湿度，然后根据现检测的温湿度与额定值进行比较，看温湿度是否超过限定值，然后进行相应的通风或者相应的洒水。

这些操作都是人工的，耗费了大量的人力以及物力。

现在，随着国家经济的迅速发展，农业产业规模的进一步提高，大棚中培育出的农产品品种数量的逐渐增多，对于数量较多而又大型的大棚，传统的温湿度控制措施就出现了局限性。

这要求我们提高温湿度检测与控制技术，来满足对温室大棚建设的需要。

在本设计中，采用单片机来控制温湿度，不仅具有廉价、配置简单和灵活的优势，而且可以大大提高所测温湿度的技术指标，从而可以提高产品的数量和质量。

单片机因为它具有功能强、高可靠性、体积小、造价便宜和开发周期短这些优势，广泛用于自动化测量和控制现场设备，特别是在日常生活中发挥的日益重要的作用。

这次选用STC89C52RC作为主控制器，可以从按键电路输入设定的温湿度，通过温湿度传感器SHT10对温度、湿度信号进行采集，然后通过I2C总线与单片机通信，并将温湿度显示在液晶屏LCD1602上，单片机把它们与设定的值进行对比后决定是否报警，并启动空调设备对温湿度进行调节。

2总体方案设计

2.1温湿度控制系统的设计指标要求

本文要设计的大棚温湿度自动控制系统，要能够及时、准确地对温室大棚内的温度、湿度进行采集，将其显示在LCD1602液晶显示器上，然后与设定的上下限值进行比较，如果超出限制则启动温度、湿度控制设备，并通过蜂鸣器报警，直到温湿度回到规定的范围。

另外，还要能够通过按键修改设定的上下限。

为了能够满足农业生产的需要，此次设计要达到一下指标：

（1）工作环境：

温室大棚；

（2）温度测量误差：

±1℃；

（3）测温范围：

0~+55℃；

（4）湿度测量误差：

±5%RH；

（5）测湿范围：

0～100%RH；

（6）通过键盘电路修改上下限：

有；

（6）温湿度报警：

有；

2.2系统设计的原则

2.2.1可靠性

可靠性是在设计过程中应该优先考虑的一个因素，一个控制系统必须要能稳定、可靠地工作，才能投入到生产实践中去。

如果系统的可靠性不能达标，那么系统出现故障的可能就会增大，造成很大的损失。

这种损失不仅包括经济上和信誉上的损失，而且可能会对人身安全产生威胁。

要提高控制系统的可靠性，那么就要注意以下几个方面：

选用的元器件要有很高的可靠性；由于供电电源很容易产生干扰，所以应该对其采用抗干扰措施；对输入输出通道也一样，要采用抗干扰措施；在对电路板的设计时，要合理的布线和接地；软硬件都要进行滤波；系统要有自己诊断功能等。

2.2.2性价比

性价比也是一个系统设计中所要考虑的重要因素。

性价比高的产品更容易被消费者接收，但是设计过程中不能盲目地追求性价比，它应该建立在对产品性能要求的基础上，首先要满足性能要求，然后再设法降低产品成本。

2.3方案比较

2.3.1方案一

采用PLC作为主控制器。

使用PLC的最大优点在于PLC使用梯形图进行编程，编程语言形象直观，难度较低，因此开发周期短，便于扩展。

而且PLC抗干扰能力强，工作稳定可靠，这一点已被长期的工业控制实践所证明。

图2.1用PLC作为主控制器的控制系统

2.3.2方案二

使用单片机进行控制。

采用STC89C52RC单片机作为主控制器，可以用C语言进行编程，由于它支持ISP在线编程，因此可以通过RS232串口将程序烧录到单片机中，很方便。

温湿度传感器SHT10通过I2C总线与单片机连接。

图2.2用单片机作为主控制器的控制系统

2.4方案论证

从功能上看，两种控制器都能满足要求。

PLC在工业控制领域用得比较多，编程简单，而且抗干扰能力强。

但是本系统是用于温室大棚，并没有其他大型工业设备的干扰。

单片机用C语言编程，相对PLC的梯形图要复杂得多，但是编程更为灵活，可以实现复杂的功能。

从价格方面上看，单片机就比PLC具有很大的优势。

一个单片机只要几块钱，而一个很一般的PLC一般也要几百上千元。

另外，中国是农业大国，随着温室大棚越来越普及，农村对温湿度控制系统的需求也会越来越旺盛，因此虽然用单片机开发的周期较长，但是一旦完成开发，后期生产环节的边际成本很小；而基于PLC的控制系统受制于PLC的高昂价格，价格难以降低。

2.5方案选择

PLC和单片机都能作为主控制器进行设计，但是在价格方面单片机具有巨大优势。

综上所述，本次设计采用单片机作为主控制器。

3单元模块设计

3.1各单元模块功能介绍及电路设计

3.1.1单片机最小系统

图3.1单片机最小系统

单片机最小系统包括单片机、电源电路、时钟电路和复位电路。

时钟电路用于产生单片机工作时候所必须的时钟信号，单片机在时钟信号的节拍下逐条地执行指令。

单片机有两种时钟信号产生方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。

外部时钟方式是把已有的时钟信号从XTAL1或XTAL2送入单片，一般用于有多个单片机的情况，所以本设计中时钟电路采用内部时钟方式，选用12M的晶振和两个30pF的电容与片内的高增益反相放大器构成一个自激振荡器。

电源电路后面的模块中会单独提到，用5V的直流电源。

下面着重论述一下复位电路。

图3.2上电+手动复位电路

单片机的复位主要有上电复位和手动复位，之所以要进行复位，目的就是为了让单片机进入初始状态，比如让PC指向0000H，这样单片机才能从头运行程序。

因此上电的时候就要让单片机复位一次；在运行过程中，如果程序出错，也需要进行手动复位。

本设计中的复位电路就是上电+手动复位电路，复位时要让STC89C52RC的RST引脚得到2个机器周期以上的高电平。

先说说上电复位的工作原理，当单片机上电时，电源+5V的Vcc通过10K的电阻对10uF的电容进行充电。

刚上电时，有较大的电流从Vcc经电容、电阻流向GND，由于电容两端的电压不可突变，因此仍然为0V，于是电阻的两端分得5V的电压，即RST引脚此时的电势为5V。

随着充电的继续进行，电流会逐渐减小，电阻两端的电压UR=IR也逐渐减小，即RST引脚的电势逐渐减小。

过了一定时间，RST引脚两端的电压下降到不再是高电平，只要这个充电的时间大于单片机两个机器周期，就能使单片机复位。

程序运