基于单片机的温湿度及光照度采集系统的设计 大学毕业论文.docx
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基于单片机的温湿度及光照度采集系统的设计大学毕业论文
毕业论文
蔬菜大棚智能数据采集系统的设计
自动化
张经飞
092039116
学生姓名：
学号：
自动化
系部：
郭晋秦
专业：
指导教师：
二〇一三年六月
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
蔬菜大棚智能数据采集系统的设计
系部：
自动化专业：
自动化学号：
092039116
学生：
张经飞指导教师：
郭晋秦副教授专业负责人：
郭晋秦
1．设计（论文）的主要任务及目标
随着科技的进步和现代生活的快速发展，在工农业生产、气象、环保、国防、科研等部门及日常生活中，经常需要对环境温湿度与光照度进行检测及控制。
准确测量温湿度以及光照度对于生物制药、食品加工、等行业更是至关重要。
在检测技术不断发展完善的今天，检测装置也正在朝着集成化、智能化的方向发展。
主要表现在以下两个方面：
（1）传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件，
（2）在检测系统中普遍采用线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等几项新技术。
本论文是以蔬菜大棚为研究对象来设计一款基于单片机的温湿度、光照度检测装置。
温度、湿度、光照度是衡量蔬菜大棚的三项重要指标，它直接影响到栽培作物的生长和产量，蔬菜的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对蔬菜生长影响最大的是环境中的温湿度及光照度。
环境中昼夜的温湿度、光照度变化大，其对蔬菜生长极为不利。
因此必须对环境的温度和湿度进行监测和控制，使其适合蔬菜的生长，来提高其产量和质量。
但传统的人工的测试方法费时费力、效率低，且测试的误差大，随机性大。
因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的检测装置。
该论文即是针对这一问题，设计出了能够实现温湿度自动检测，LCD数字实时显示，按键调整上下限设置，超限报警等多功能的温湿度和光照度检测装置。
2．主要参考文献
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3.进度安排
在本论文初期，我对设计进度进行了具体的按排，如下表所示：
表1进度安排表
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
资料搜集、整理分析，提出研究技术路线（开题报告）
2013.2—2013.3.
2
方案的比较和论证
2013.3—2013.4
3
系统开发
2013.4
4
系统调试、完善
2013.5
5
撰写开发报告、答辩
2013.5—2013.6
蔬菜大棚智能数据采集系统的设计
摘要
本文的蔬菜大棚智能数据采集系统，通过对农村蔬菜大棚的实地考察和综合分析，结合农村的生产力条件和经济发展情况，本着务实、够用、功能实现完全的原则，采用STC89C52单片机的串口扩展功能，搭建了一个智能数据采集平台，用于检测蔬菜大棚的温湿度、光照度数据，同时在显示屏上显示数据，并且实现报警和报警值设置的功能，既满足了菜农的需求，又节约了成本，力求本系统应用到实际中。
关键词：
蔬菜大棚、数据采集、智能采集
TheIntelligentDataAcquisitionSystemdesign
forVegetablegreenhouses
Abstract
Thisvegetablegreenhousesintelligentdataacquisitionsystem,throughfieldworkinruralgreenhousesandcomprehensiveanalysis,combinedwiththeproductivityofruralconditionsandeconomicdevelopment,pragmatic,enough,toachievecompletefunctionalprinciple,theuseofsingle-chipserialportexpansionSTC89C52functions,tobuildanintelligentdataacquisitionplatformfordetectinggreenhousestemperature,humidity,lightintensitydata,whilethedataonthedisplay,andthevalueissettoachievealarmandalarmfunctions,bothtomeettheneedsoffarmers,butalsosavescosts,andstrivetoapplythissystemintopractice.
Keywords:
Vegetablegreenhouses、dataacquisition、intelligentcollection
1绪论
1.1本课题研究背景
根据我国第二次农业普查的数据显示，截止到2008年，我国农业所培养的蔬菜面积81千公顷"在这一个大基数的培养面积中，大棚的面积465千公顷，寿光、青州一带大多数是这样的大棚"另外，中小棚建筑面积231千公顷"在蔬菜供应方面，大小棚和蔬菜所种植的蔬菜723千公顷，占全国全部蔬菜种植总面积的4.3%"种植的水果和园艺苗木184公顷，占全国果园总面积的1.80/0"农业的生态建设和设施建设为主导的高科技农业发展，大大的促进了农产品的质量的提高，也促进了数量的快速增长。
对于蔬菜大棚来说，温度、湿度、光照度是衡量蔬菜大棚的三项重要指标，它直接影响到栽培作物的生长和产量，蔬菜的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对蔬菜生长影响最大的是环境中的温湿度及光照度。
环境中昼夜的温湿度、光照度变化大，其对蔬菜生长极为不利。
因此必须对环境的温度和湿度进行监测和控制，使其适合蔬菜的生长，来提高其产量和质量。
但传统的人工的测试方法费时费力、效率低，且测试的误差大，随机性大。
因此，研究一种低廉、使用方便且测量准确的检测装置是非常有必要的，本课题就是以太原市为背景，以番茄为研究对象设计的一款智能数据采集系统。
1.2国内外现状
1.2.1国内外总体发展状况
从国内外蔬菜大棚控制技术的发展状况来看，控制技术大致经历三个发展阶段：
手动控制，自动化控制，智能化控制。
（1）手动控制
这是在温室大棚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。
种植者既是温室大棚环境的传感器，北京利康搬家公司又是对作物进行管理的执行机构，他们是环境控制的核心。
通过对温室大棚
内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，手动调节温室大棚内环境。
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，以决定温室大棚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。
通过改变温室大棚环境设定目标值，可以自动地进行环境气候调节，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利康搬家公司电话，难以介入作物生长的内在规律。
目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室大棚及引进的国外设备都属于这种控制方式。
（3）智能化控制
这是在温室大棚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专家控制系统技术。
温室大棚控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，网站优化向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。
由此可见，温室大棚环境控制朝着基于作物生长模型、温室大棚综合环境因子分析模型和农业专家系统的信息自动采集及智能控制趋势发展。
1.2.2国外现状
世界发达国家如荷兰、美国、以色列等大力发展集约化的蔬菜大棚产业，蔬菜大棚内温度、光照、水、气、肥实现了计算机调控，从品种选择、栽培管理到采收包装形成了一整套完整的规范化技术体系。
美国是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于蔬菜大棚控制和管理最早、最多的国家之一。
美国有发达的设施栽培技术，综合环境控制技术水平非常高。
环境控制计算机主要用来对蔬菜大棚环境进行监测和控制。
以蔬菜大棚为例，蔬菜大棚内监控项目包括室内温度、湿度、相对空气湿度、通窗状况、泵的工作状况、CO2浓度；大棚外监控项目包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等。
蔬菜大棚数据采集系统的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带来了很大方便。
以园艺业著称的荷兰从20世纪80年代以来就开始全面开发蔬菜大棚计算
机自动控制系统，并不断地开发模拟控制软件。
目前，荷兰自动化智能玻璃蔬菜大棚制造水平处于世界先进水平，荷兰开发的蔬菜大棚计算机控制系统是通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示，可绘制出设定参数曲线、修正值曲线以及测量的数据曲线，可以从数据库内调出设定的时间段内参数以便于必要的数据查询，并能直接对计算机串行口进行操作，完成上位机与下位机之间的通信。
上位机软件集参数设置、信息显示、控制等功能于一体，同时还能够很好地完成蔬菜灌溉和气候的控制和管理。
此外，国外蔬菜大棚业正致力于向高科技方向发展。
遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于蔬菜大棚的管理与控制中。
控制要求能在远离蔬菜大棚的计算机控制室就能完成，即远程控制。
另外该网络还连接有几个通讯平台，用户可以在遥远的地方通过形象、直观的图形化界面与这种分布式的控制系统对话，就像在现场操作一样，给人以身临其境之感。
国外对蔬菜大棚环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。
蔬菜大棚先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。
80年代末出现了遍布式控制系统。
目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。
现在世界各国的蔬菜控制技术发展很快，一些国家在落实自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。
1.2.3国内现状
我国农业计算机的应用开始于20世纪70年代，80年代开始应用于蔬菜控制与管理领域。
20世纪90年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和作物花卉研究所，研制开发了蔬菜大棚控制与管理系统，并开发了基于Windows操作系统的控制软件；90年代中后期，江苏理工大学毛罕平等人研制开发了蔬菜大棚软硬件控制系统，能对温度、光照、CO2、湿度等进行综合控制，是目前国产化蔬菜大棚计算机控制系统较为典型的研究成果。
在此期间，中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学、中国科学院上海蔬菜生理研究所等单位也都侧重不同领域，研究蔬菜大棚设施的计算机控制与管理技术。
“九五”期间，国家科技攻关项目和国家自然科学基金均首次增设了工厂化农业（设施农业）研究项目，并且在项目中加大了计算机应用研究的力度，其中“九五”国家重大
科技产业工程“工厂化高效农业示范工程”中，直接设置了“智能型连栋塑料蔬菜结构及调控设施的优化设计及实施”的专题。
20世纪90年代末，河北职业技术师范学院的闫忠文研制了大棚温湿度测量系统，能对大棚内的温湿度进行实时测量与控制。
中科院合肥智能机械研究所研制了“农业专家系统开发环境—DET系列软件”和智能蔬菜自动控制系统，能够有效地提高作物产量、缩短生长期、减小人工操作的盲目性。
北京农业大学研制成功“WJG-1”蔬菜大棚环境监控计算机管理系统，采用了分布式控制系统。
河南省农科院自动化控制中心研制了“GCS—I型智能化蔬菜大棚自动控制系统”，采用上位机加PLC的集散式控制方法，软件采用智能化模糊算法。
中国农业大学设计研制的“山东省济宁大型育苗蔬菜大棚计算机分布式控制系统”，实现了计算机分布式控制。
1.2.4我国蔬菜大棚存在的问题
（1）科技含量和总体发展水平较低。
我国设施栽培起步晚、基础差，没有将其作为整体工程问题研究。
从设施装备到栽培技术的生产管理不配套，生产不规范，难以形成大规模商品生产。
（2）我国现有的蔬菜控制系统仍以控制一个蔬菜为主，没有基于蔬菜群的控制系统。
这样降低了生产管理的效率。
（3）蔬菜测控系统的通信仍然采用有线方式。
我国蔬菜测控系统的通信主要有485总线以及CAN总线等有线方式。
这些有线通信方式不仅使得蔬菜内的信号线和动力线错综复杂，而且导致系统的可靠性降低，安装维护工作量变大，同时也不利于农业机器人等移动设备的作业，难以达到蔬菜生产的“工厂化农业”水平。
（4）缺少基于农业专家知识的上位机管理系统。
我国目前的蔬菜控制系统中，一些上位机只限于存储采集的历史数据，没有根据农业专家知识的实时控制管理系统。
（5）设施水平低，抵御自然灾害的能力差。
我国目前部分蔬菜的建筑材料主要是钢材和玻璃。
但没有形成国家统一的标准和工厂系列的产品，且应用率仅占设施栽培面积的10％，而绝大部分由农民自行建造的塑料日光蔬菜也只能
起到一定的保温作用，根本不能实现对温度、湿度、光照等环境因子的调控。
（6）机械化水平低，调控能力差，作业主要依靠人力。
生产管理主要靠经验和单因子定性调控。
1.3本课题任务
针对我国蔬菜大棚存在的问题，通过调查分析，确定了设计任务。
本系统要能对温湿度、光照度进行实时采集，采集到的数据传入单片机中，通过单片机对采集到的数据进行处理，处理过的数据通过单片机接口送达显示模块显示，当数据超出系统设定的报警值时，系统会进行报警，要能通过按键调整报警上限值。
2系统总体设计方案
2.1系统设计的思路
本课题研究的是蔬菜大棚智能数据采集系统的设计，所以必须先对蔬菜的生长进行了解，众所周知，蔬菜的生长三要素是温度、湿度、光照度，在设计本系统前必须对三要素进行了解，因此我对三要素进行了初步研究，了解了他们对蔬菜生长的影响。
（1）光照与温度对蔬菜的影响
光照和温度对作物的的影响最大，在光照的条件下，蔬菜体才能把二氧化碳和水转化成有机物和氧，同时将光能转化成化学能"在大棚生产的过程中，光照和温度缺一不可，温度的控制至关重要，低温和高温都会带来负面影响"持续的低温很不利于蔬菜的生长和发育，它会降低光合作用的速度，使矿物质的吸收迟缓，使得蔬菜的器官代谢活动收到抑制，导致生长发育缓慢，甚至在叶面上出现坏死现象，所以大多数蔬菜都有一个临界温度，如果低于这个温度，蔬菜就会受到损坏"同理，温度过高同样对温度有着致命的影响，特别是在开花的时候"在高温的驱使下，蔬菜的光合作用减弱，呼吸作用增强，过分的高温使得蔬菜的两个过程产生严重紊乱，使得蔬菜的生长速度加快，增加了体内蛋白质的凝聚水平，长时间的高温亦可加速蔬菜的死亡。
（2）湿度影响
湿度对蔬菜的影响同样不可忽视，及时的给蔬菜的体内供应更多的养分，加快蔬菜体内水分和无机盐的运输，保证根茎叶花等各个器官顺利生长，作用十分重要。
蒸腾作用的目的就是通过把水分从蔬菜的叶子中蒸发出来，蒸腾在蒸腾的过程中，能增加空气的湿度，所以植被繁茂的地方一般来说对气候和空气起着积极的调节作用，但是反过来，空气的湿度同样影响着蔬菜蒸腾作用是否能顺利进行，湿度过高，使得蒸腾作用减弱，蔬菜体内养分供给不足，蔬菜体会变得发黄脆弱，缺乏营养。
同理，蒸腾作用越大，使得作物的水分和矿物质蒸发过快，蔬菜易出现萎蔫现象，不仅如此，光、温度、风、C02浓度同样会对作物起着不同程度的影响。
2.2系统性能分析
该系统是以太原为地理背景，以番茄的生长环境为设计背景来设计的一个数据采集系统,所以系统的性能必须符合番茄的生长习性。
2.2.1番茄的生长习性及特点
番茄，别名西红柿、洋柿子、柿子、番柿，起源于南美洲的安第斯山的秘鲁、厄瓜多尔、玻利维亚等地。
（1）对温度的要求
番茄是喜温性蔬菜，在正常条件下，同化作用最适宜的温度为20～25℃，温度低于15℃，不能开花或授粉受精不良，导致落花等生殖生长障碍。
温度降至10℃时，植株停止生长，长时间5℃以下的低温能引起低温危害。
温度上升到30℃时，同化作用显著降低，升高至35℃以上时，生殖生长受到干扰与破坏，即使是短时间的35℃的高温，也会产生生理性干扰，导致落花落果或果实不发育。
不同生育时期对温度的要求及反应是有差别的。
种子发芽的适宜温度为25～30℃，最低12℃。
幼苗期的适宜温度为20～25℃，开花期对温度比较敏感，白天适温为20～30℃，过低（15℃以下）或过高（35℃以上）都不利于花器官的正常发育。
结果期适温为25～28℃，温度低，果实生长速度慢，日温增高到30～35℃时，果实生长速度较快，但着果少，夜温过高不利于营养物质积累，果实发育不良。
26～28℃以上的高温能抑制番茄茄红素及其它色素的形成，影响果实正常转色。
由此可得结论：
番茄最是生长温度为20～30℃。
上下限分别为35℃和15℃。
（2）对光照的要求
番茄是喜光性作物，在一定范围内，光照越强，光合作用越旺盛。
番茄不同生育期对光照的要求不同。
发芽期不需要光照，有光反而抑制种子发芽，降低种子的发芽率，延长种子发芽时间。
幼苗期既是营养生长期，又是花芽分化和发育期，光照应保持在20000lx～52000lx之间，光照不足，光合作用降低，植株营养生长不良，将使花芽分化延迟，着花节位上升，花数减少，花的素质下降，子房变小，心室数减少，影响果实发育。
开花期光照不足，容易落花落果。
结果期在强光下坐果多，单果大，产量高。
反之在弱光下坐果率降低，单果重下降，产量低，还容易产生空洞果和筋腐果。
所以可得结论番茄最适生长光照度为20000lx～52000lx。
上、下限值分别为55000lx和2000lx。
（3）对湿度的要求
番茄地上部茎叶繁茂，蒸腾作用比较强烈，但番茄根系比较发达，吸水力较强，对水分的要求属于半耐旱蔬菜。
不同生长时期对水分需求不同。
番茄第一花序开花结实期，为使开花整齐，不落花，确保前期的产量，要控制植株的营养生长，调节好秧与果之间的关系。
一方面要降低棚温，白天棚温保持在20～25℃，夜间13～15℃较为适宜。
此时空气相对湿度控制在45％～55％，盛果期大棚内空气湿度保持在45％～55％最适宜，棚内湿度过大，易发生各种病害，尤其在每次浇水后或阴雨天，必须加大通风量，以降低棚内湿度。
当外界夜温不低于15℃时，可昼夜通风，棚温过高还会使番茄红素氧化分解，影响果实着色。
可见，对番茄而已，最适宜湿度为45%～55%之间。
上、下限值分别为%32～65%。
2.2.2本系统功能简介
本系统的设计是以符合番茄的生长习性为原则，针对小型蔬菜大棚而设计的，大棚规格为667㎡，每个大棚内放置5个本设计成品，根据番茄的生长需要，每个成品都要能实现以下功能：
（1）能在番茄最适生长环境范围内工作。
（2）实现蔬菜大棚内温湿度、光照度的采集。
（3）实现采集到的温湿度、光照的进行显示。
（4）实现报警功能。
（4）实现对报警上下限值的设置功能。
2.3温湿度传感器的选择
2.3.1温湿度传感器介绍
温湿度传感器就是能够感知和测量环境中某点温度和湿度的一种敏感元器件，它将环境中的温度、湿度或者与其相关的参量的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得被监测点在环境中的温度、湿度信息从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、监控、报警系统。
2.3.1温湿度传感器分类
根据输出信号的模式，温湿度传感器可以分为以下三类：
（1）模拟输出型温湿度传感器
该类型传感器是输出模拟信号的传感器，他们的输出信号是微弱的电信号，在一些温湿度范围内线性不好，需要进行各种补偿，还有热惯性大，响应时间慢。
例如：
模拟型温湿度传感器HTG3515CH以及JWSL-3系列温湿度传感器。
该类传感器适用于通讯机房、办公室、仓库、医院、档案馆良好环境的温湿度测量。
（2）逻辑输出型温湿度传感器
逻辑输出型温湿度传感器判断温度、湿度是否超出了一个设定范围，一旦温湿度超出所规定的范围，则发出报警信号。
LM56、MAX6501-MAX6504、MAX6509/6510是其典型代表。
该类传感器主要应用在并不需要严格测量温度值，只关心温度是否超出了一个设定范围，的测很难场合。
（3）数字输出型温湿度传感器
数字输出型温湿度传感器输出的信号直接就是数字信号，他的特点是：
无需Ａ/Ｄ转换，坑干扰能力强，无需外部放大电路，外围电路简单。
例如：
DHT11、HTG383X系列、SHTII等，该类温湿度传感器应用范围较广，车行业、楼宇控制、暖通空调、电力机房、农业、工业、医药业等领域。
根据本系统设计综合考虑，本课题采用数字输出型温湿度传感器DHT11采集温湿度。
2.2.4数字型温湿度传感器DHT11简介
（1）产品概述
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件并与一个高性能8位单片机相连接。
图3.1BHTII实物图
（2）产品亮点
成本低、长期稳定、相对湿度和温度测量、品质卓越、超快响应、抗
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