蔬菜大棚温度检测系统设计.docx
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蔬菜大棚温度检测系统设计
温室大棚温度测量系统设计
摘要
温度控制是蔬菜大棚最重要的一个管理因素，温度过高或过低，都会影响蔬菜的生长。
传统的温度控制是用温度计来测量，并根据此温度人工来调节其温度。
但仅靠人工控制既耗人力，又容易发生差错。
为此，现代的蔬菜大棚管理常需要温度自动控制系统，以简单方便、快速的的控制大棚的温度。
本设计以STC89C52RC单片机为控制中心，用DS18B20为温度检测传感器，NRF905无线射频芯片为传述单元并用LCD1602显示。
由温度测量控制电路、键盘、显示电路、报警电路等组成，实现对大棚环境温度测量与控制，用户可通过键盘设置需要报警的上下限值。
文中从硬件和软件两方面介绍了温度控制系统，对硬件原理图和程序流程图进行了系统的描述。
并用Keil作为软件调试界面，PROTEUS作为硬件仿真界面，实现了系统的总体调试，结果表明该系统能实现温度的自动测量和自动控制功能，可将棚的温度始终控制在适合蔬菜生长的温度围。
关键词:
STC89C52RC，温度传感器，NRF905，LCD1602
ABSTRACT
Forthevegetablegreenhouse,themostimportantmanagementfactoristhetemperaturecontrol.Ifthetemperatureistoohighortoolow,thevegetableswillbekilledorstoppedgrowing.Traditionaltemperaturecontrolissuspendedathermometerin greenhouseinternal,theworkerscanregulatethetemperatureinsidethegreenhousebasedonthetemperaturevalue.Now,themodernmanagementofvegetablegreenhousesusuallyusesautomatictemperaturetocontrolsystem.
ThedesignusetheSTC89C52RCmicrocontrollerasthecontrolcenter,withinDS18B20fortemperaturedetectionelement,includingthetemperaturecontrolcircuit,keyboard,displaycircuit,alarmcircuit,achievingthegreenhouseenvironment,temperaturemeasurementandcontrol,theusercansetthedesiredalarmthroughthekeyboard.AndusingKeilasasoftwaredebugginginterface,PROTEUSashardwareemulationanddebugginginterfacetoachievetheoverallsystemdebugging,theresultsshowthatthesystemcanrealizeautomatictemperaturemeasurementandautomaticcontrol,Socanalwayscontrolthetemperatureofgreenhouseforvegetablegrowth’stemperaturerange.
KEYWORDS：
STC89C52RC，temperaturesensor，NRF905，LCD1602
1绪论
1.1背景及意义
蔬菜的生长与温度息息相关，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素是温度控制。
温度太低，蔬菜就会被冻死或则停止生长，所以要将温度始终控制在适合蔬菜生长的围。
为此，智能的大棚温度控制系统已经成为农民的迫切需要。
最早的蔬菜大棚的温度监控方法无非是温度计查看，然后是人工处理，实时性差而且占用大量的人工资源，又容易发生差错。
大棚蔬菜的生长要受到环境中参数的影响。
如今大多数对大棚环境条件的监测与控制还是在采用很久以前的人工管理方式，这样很难避免的造成了测控误差时等缺点，容易造成难以估计的损失，结果浪费了人力、物力，而且很难达到很好的效果。
目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能特别提高生产效率的要求也越来越高，人们都迫切的希望大棚的生产实现自动化。
温室大棚是植物栽培生产中必不可少的设施之一，温度是衡量温室大棚的最重要的指标，它直接影响到栽培作物的的生长和产量，为了能给作物提供一个合适的生长环境，首要问题是加强温室的温度的监测控制。
温室大棚是设施农业的重要组成部分，大棚测控系统是实现大棚自动化、科学化的基本保证。
计算机应用技术的发展，也使得用计算机控制的方面也涉及到各个领域，其中在大棚用单片机控制温度是应用于实践的主要方面之一。
影响作物生长发育的环境条件主要包括:
温度、湿度、光照、CO2浓度、土壤等。
所有这些环境条件之间相互有着密切的联系，其中一个量的变化就会影响其它控制变量的变化。
作物的生长发育是所有这些环境条件综合作用的结果，而这其中有个最主要的环境影响就是温度[1]。
1.2国外研究现状
温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。
它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。
温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。
而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度[1]
从国外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段:
1.手动控制
这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。
生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。
通过对温室外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室环境。
种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。
但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。
2.自动控制
这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。
计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。
通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的在规律。
目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。
3.智能化控制
这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。
温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。
由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。
我国现有大型温室面积约10000公顷，其型的连栋塑料温室约占2/3以上，其余为玻璃温室。
建设在南方的大型温室以生产花卉为主，北方的则以栽培蔬菜为主。
少部分温室用于栽培苗木。
基本格局是北方地区以固体基质培为主，华东地区以营养液膜技术浅水培为主。
少部分温室用于栽培苗木。
而随着温室大棚的发展，环境控制计算机模拟模型、作物生长发育规律模拟模型研究向实用化方向发展，温室复合环境优化控制研究一直是各国温室技术研究的核心。
1.3选题的目的和意义
温室是观赏植物栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类观赏花卉对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，以提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。
随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制温室环境。
该系统可自动控制加热、降温、通风。
根据需要，通过按键将温度信息输入MCU，根据情况可随时调节环境。
温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。
智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规化。
因此智能温度传感器是蔬菜大棚温度自动测控系统的发展趋势。
本文将使用8051型单片机对温度及湿度控制的基本原理实例化，利用现有资源设计一个实时控制温室大棚温度、湿度等的控制系统。
目的是通过这次毕业设计，让我们将课本知识与实践相结合，更加深刻的理解自动控制的运作模式及意义，也能够将所学知识和技能更多的运用于生活和工作中，学以致用。
2.总体设计方案
2.1系统的特点及设计思路
2.1.1系统设计特点
目前，我国农村使用的简易日光温室绝大部分采用手动控制 ,生产效率低下，单位产品的生产成本偏高。
随着温室产业的发展，温室作物趋向于多样化，对温室的控制要求也随之提高，手动控制因其控制精度低已开始不能满足温室生产的需求，需要设计一种控制器减少手动控制。
而当今国常见的智能温室系统都是采用工控机或者PLC方案，价格昂贵 ,较大部分用户经济能力承受不起。
因此，在系统的设计过程中要充分考虑用户的经济承受能力，减少温室设计中的各种成本 ,提高劳动生产率，这在温室上具有较为深远的意义。
为此，针对简易日光温室对温度、湿度以及光照度等环境因素的控制要求，设计和开发了基于STC89C52RC单片机的低成本温室检测系统。
2.1.2系统设计思路
系统主要分为检测部分、传输部分、显示部分、处理及报警部分。
本次设计的主要思路是利用传感器采集温度，把采集到的数字信号传给单片机，再用嵌入式射频无线收发一体型芯片把采集到的信号打包发射出去，另一端利用嵌入式射频无线收发一体型芯片接收信号，把接收到的信号进行处理在LCD1602上显示并传给上位机，在上位机上进行保存、处理和显示。
如图2-1所示。
图2-1系统总体框图
2.2主要元器件选择
2.2.1传感器选择
一般情况下，对于温湿度传感器的选择，一般回遵循一下的几个原则：
1．测量围及测量精度是否在用户要求的围之。
测量的目的是为了进行控制，所以要求所检测出来的数据在正常需求围。
同时，由于在不同的环境下，对于精度控制有着不用的要求，这就要求我们和根据实际应用环境选择合适的器件。
2．测量元件检测的数据是否稳定可靠。
一般说来，工业环境比较复杂，受外界环境影响比大，传感器工作一段时间后，可能会由于受电磁、空气粉尘、毒性气体等影响，导致测量结果会产生一定的偏差。
在使用设计时，应充分考虑如何保证传感器如何长时间有效工作。
3．测量元件的开发难易程度和价钱是否合理。
在实际应用中，应综合考虑设计成本，尽量在满足测量需求的前提要降低开发时间和设计成本。
方案一：
采用热敏电阻，可满足40～90℃的测量围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性都比较差,对于检测小于1℃的温度信号是不适用的。
方案二：
采用温度传感器AD590。
它具有较高的精度和重复性，相比于热敏电阻精度有很大提高，非线性误差为±0.3℃，且检测温度围为：
-55～+155℃，完全满足要求，但设计电路时需要模数转换，较为麻烦。
方案三：
采用DS18B20。
它是美国DALLAS公司专利产品，它的测温围为-55～+125℃，测温分辨率±0．5℃，设计电路简单，单总线方式接线，多个可以直接并联。
故选择DS18B20。
S18B20是新一代数字式温度传感器，具有独特的单总线接口方式，允许在一条信号线上接数十甚至上百个数字式传感器，从而使测温装置与各传感器的接口变得十分简单，克服了模拟式传感器与微机接口时需要的A／D转换器及其它复杂外围电路的缺点，在设计时不需要进行模数转换。
也可通过总线供电，组成的测温系统简单，成本低、体积小、可靠性高、方便携带。
它的测温围为-55～+125℃，测温分辨率±0．5℃，由于每一个DS18B20出厂时都刻有唯一的序列号并存入ROM中，因此CPU可用简单的通信协议就可识别，从而节省大量的引线和逻辑电路。
2.2.2单片机选择
一般情况下，控制器的选择需要遵循以下几个原则：
1．控制器的基本性能参数是否满足设计需求。
比如控制器的指令执行速度I/0口引脚数量、程序存储器（ROM、RAM）的容量及是否支持外部扩展、UART或者SPI口的数量、中断处理系统等是否满足设计要求。
2．控制器的工作电压及工作温度是否满足现场环境的要求。
3．开发成本是否相对物美价廉。
当基本性能参数都基本满足后就必须要综合考虑开发成本的问题，开发周期的长短也对可移植性提出一定的要求，最后还需考虑到系统是否容易维护及产品优化等问题。
单片机作为系统的核心部件它的选择对整个系统起着很重要的作用。
目前较为广泛应用的单片机有51系列的8位、面向大数字信号处理领域的数字信号处理器（DSP）、增强型的16位单片机机以及32位的AR芯片这几种。
ARM芯片的优点是体积小、功耗低、功能广泛和性能高的特点，它主要应用在比较简单的小型的场合。
51单片机是从八十年代就开始流行的处理器，其价格低，开发技术成熟，应用广泛，但不足在于功能过于简单，计算能力有限，并且扩展麻烦、功耗高，已不能适应于目前对测控系统功能和速度的要求。
方案一：
采用89C51，其部有4KB的闪烁存储器，且编码后以并行方式传输数据。
它的优点是方便实现，软件开销小。
方案二：
采用8051，其部无片程序存储器，因此，必须在片外扩展EPROM。
综合分析，采用方案一以比较方便。
2.2.3显示部分
方案一：
LED数码管显示，向每一个数码管发送数据，通过控制器控制显示顺序，由于显示速度快，肉眼看不出闪烁，完成显示。
但是占用控制器资源太多。
方案二：
LCD液晶显示，虽然其功耗低，体积小，抗干扰能力强，但易碎，控制时序上麻烦。
综合分析，虽然方案一占用的资源太多，但如果采用扩展I/O口的方法，是比方案二可行的，因此选方案一。
2.2.4无线模块选择
无线射频芯片是整个无线通信系统最重要的元器件，它的选择将直接关系到整个无线数据采集电路的性能、成本和开发周期及难易程度。
正确的选择射频芯片可以使整个研发过程简单化，降低成本。
基于本模块的实际需求，应该选用成本低、体积小、功耗低、高集成度、兼容性强、外围元件较少、抗干扰能力强、接口简单、开发方便的无线射频收发一体、对于发射没有具体高要求的芯片。
无线射频收发一体型芯片采用了目前先进的单芯片设计，在一块芯片上集合了信号调制解调、信号射频发射、信号接收电平转换等功能，有些无线射频收发一体型芯片部还集合了单片机单元，允许用户直接对其进行编程，是一种高集成度的多功能芯片。
表2.1几种常用无线收发芯片性能比较
nRF24L0l
nRF905
TRF6900
RF2915
BCC418
XEl201A
CC400
生产公司
NORDIC
NORDIC
TI
RFMD
Bluechip
Xemics
ChipCon
通信频率（MHz）
2.7～5
1.6～3.6
2.2～3.6
2.4～5
2.5～3.4
2.4～5.5
2.7～3.3
是否需要曼彻斯特编码
不需要
不需要
需要
需要
需要
需要
需要
调制方式
GFSK
GFSK
FSK
FSK
FSK
FSK
FS
最人数据传输速率（Kbps）
100
100
30
9.6
<128（外部调制）2．4
64
9.6
发射电流（mA）
8～18
11
50
27
45
10
91
接收电流（mA）
10
12.5
34
6.8
8
7.5
40
最大输出功率（dBm）
+10
+10
+4.5
+10
+12
+5
+14
外围元器件
约lO个
约lO个
约5O个
约5O个
>50个
约30个
>25个
从上表中可以看出，相比其它几种芯片，Nordic公司的nRF905无线射频收发一体芯片功耗低，自身进行曼彻斯特编码，数据传输速率快，所需外围元器件少，输出功率大，并且采用了比FSK调制抗干扰能力更强的GFSK调制，数据传输更加稳定可靠，而外围器件相对需要的比较少，因而本模块选用nRF905作为本系统的无线数据传输芯片[1]。
2.3基本功能
蔬菜大棚温度控制系统的基本功能：
1.温度检测：
采用AD590温度传感器作为检测端。
2.具有显示功能：
利用数码管显示温度。
3.具有用户输入功能：
利用键盘输入对温度的上下限进行设置。
4.具有报警功能：
声光报警。
5.具有自动加热制冷保护功能：
如果实际测定的温度值超过了系统设置的最高温度，单片机就会发出命令，进行制冷；如果实际测定的温度值超过了系统设置的最低温度，单片机会发出命令，进行加热；并伴随着声光报警。
6.蔬菜大棚管理人员可以随时查询采集过来的温度历史记录。
3.硬件电路设计
温室大棚温度测量系统电路是以STC89C52RC单片机为控制核心来进行整体设计的，并用集成温度传感器DS18B20为温度的检测元器件。
因此，整个系统的硬件部分包括温度采集放大电路、无线传输电路、显示电路、声光报警电路等，再配上C语言的程序使软件得以实现，进而实现温度自动控制的基本功能。
3.1电源模块设计
如图3-1电路为输出电压+5V、输出电流1.5A的稳压电源。
它由电源变压器，桥式整流电路D1～D4，滤波电容C10、C12，防止自激电容C11、C13和一只固定式三端稳压器（7805）极为简捷方便地搭成的。
220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1～D4和滤波电容C10的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。
此直流电压经过LM7805的稳压和C12的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。
本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。
三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。
LM78M05必须要加装散热片。
图3-6 电源模块电路图
3.1单片机
STC89C52RC系列单片机是兼容8051核的单片机，是高速／低功耗的新一代8051单片机，12时钟／机器周期和６时钟／机器周期可反复设置，最新的Ｄ版本部集成MAX810专用复位电路。
3.1.1STC89C52RC特点
1.增强型６时钟／机器周期，12时钟／机器周期8051CPU；
2.工作电压：
5.5V～3.4V（5V单片机）／3.8Ｖ～2.0Ｖ（3V单片机）；
3.工作频率围：
0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz．实际工作频率可达48MHz；
4.用户应用程序空间4K／8K／15K／16K／20K／32K／64K字节；
5.片上集成512字节／1280字节RAM；
6.部集成MAX810专用复位电路（D版本才有），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路；
7.作温度围：
0 ～75℃／－40～＋85℃。
3.1.2单片机引脚图
单片机引脚图如图3-1所示。
图3-1单片机引脚图
单片机最小系统有两种，一种是上电复位，另一种是下拉复位。
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路。
如图3-2所示。
图3-2最小系统图
复位电路:
由电容串联电阻构成，由图并结合"电容电压不能突变"的性质，可以知道,当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。
一般教科书推荐C取10u，R取8.2K。
当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平，晶振电路，典型的晶振取11.0592MHz。
1．单片机时钟电路
AT89S52单片机的时钟信号由两种电路形式得到：
部振荡电路和外部振荡电路。
本设计使用的是部振荡电路。
引脚XTALl和XTAL2分别是放大器的输入、输出端，外接石英晶体和微调电容。
AT89S52单片机有一个用于构成部振荡器的反相放大器，按图3-12连接即可构成自激振荡电路。
产生由石英晶体决定的振荡时钟脉冲。
电容C3和C4主要起频率微调和稳定作用。
图示电路中的电容值取33pF，晶振频率为12MHz。
采用部振荡方式所得到的时钟信号比较稳定。
2．复位电路
单片机要正常工作，上电时先要复位，发生故障后也要复位。
复位方式一般有两种：
手动复位和上电复位。
手动复位需要人为使RST引脚（第9引脚）至少保持2个机器周期的高电平。
本系统的时钟频率为12MHz，每机器周期2us，则需要持续4us以上的时间的高电平。
本系统采用手动复位和上电复位相结合的方式。
在RST端和电源VCC之间接一个按钮，当用户按下该按钮时，则VCC的+5V电压就会直接加到RST端。
即使人很快松开按钮，接通时间也会保持达数10毫妙，所以能保证满足复位的时间要求。
单片机时钟复位电路如图3-3所示。
图3-3时钟复位电路图
3.2温度采集电路设计
3.2.1DSl8B20介绍
DS18B20是美国DALLAS公司推出的智能化数字式温度传感器。
信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出，因此从中央处理器到DSl8B20仅需连接一条线。
读，写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。
DSl8B20支持“一线总线”接口，测量温度围为-55℃～+125℃，在-10～+85℃围，精度为±0.5℃。
现场温度直接以“单总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
1.特征：
（1）独特的单线接口。
只需1个接口引脚即可通信
（2）多个能力使分布式温度检测应用得以简化
（3）不需要外部组件
（4）可用数据线供电
（5）不需备份电源
（6）测温围从-55℃～+125℃，增量值为0.5℃
DS18B20引脚及部结构
1.引脚定义：
（1）DQ为数字信号输入/输出端；
（2）GND为电源地；
（3）VDD为外接供电电源输入端。
2.部结构
DSl8B20部有四个主要部分：
①64位光刻ROM数据存储器②温度传感器③非易失性电可擦写温度报警触发器TH、TL④非易失性电可擦写设置寄存器。
除此之外还有告诉缓存存储器。
器件只有3根外部引脚，其中VDD和GND为电源引脚，另一根DQ线则用作]／O总线，因此称为一线式数据总线。
如图3-4。
与单片机接口的每个I／O口可挂接多个。
图3-4DS18B20部结构图
（1）DS18B20部4个主要的数据部件介绍：
①光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以
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