基于单片机的温室大棚温度控制系统.docx
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基于单片机的温室大棚温度控制系统
基于单片机的温室大棚温度控制系统
学院：
电子与控制工程学院
专业：
自动化
姓名：
摘要
中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。
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检测和控制。
本系统以STC12C5A60S2单片机为控制核心，利用温度传感器DS18B20对蔬菜大棚内的温度进行实时采集与控制，实现温室温度的自动控制。
本系统由单片机系统模块、温度采集模块、加热模块、降温模块、按键以及显示模块六个部分组成。
可以通过按键设定温室的温度值，采集的温度和设定的温度通过LCD显示。
当所设定的温度值比采集的温度大时，通过加热器加热，以达到设定值；反之，开启降温风扇，以快速达到降温效果。
通过该系统，对蔬菜大棚内的温度进行有效、可靠地检测与控制，从而保证大棚内作物在最佳的温度条件下生长，提高质量和产量。
关键词：
单片机；温度传感器；温度显示；键盘输入；温室
ABSTRACT
DevelopmentofChina'sagriculturalmusttakethispathofmodernagriculture,withtherapidgrowthofthenationaleconomy,agriculturaltechnologyofresearchandapplicationtakesmoreandmoreattention,especiallyingreenhouseswhichhavebecomeanimportantpartofeffectiveagriculture.Oneoftheimportantpartsofmodernagriculturalproductionissomeimportantparametersfordetectionandcontrol.ThissystemtakestheSTC12C5A60S2singlechipasthecontrolcore,usingthetemperaturesensorDS18B20tocarryonreal-timegatheringandcontrollingtothegreenhouseofvegetables,soitcanrealizesauto-controltothegreenhouse’stemperature.Thissystemcontainstheminiaturesinglechipsystemmodule,thetemperaturegatheringmodule,theheatermodule,thedrop-temperaturemodule,thekeypressedmoduleandthedisplaymodule.ThegatheringtemperatureorthesettingtemperatureisdisplayedthroughtheLCD.Itcanbeestablishednewtemperaturevalueinthegreenhousethroughpressingbuttons,whenthistemperaturevalueishigherthanthegatheringtemperaturevalue,thenmakestheheaterworkinordertoachievethedefinedvalue;Otherwise,theheaterknocksoff,andopenstheventilatorasfastastoachievethesupposedtemperature.Itwillbeeffectiveandreliabletoexamandcontrolthetemperatureofthegreenhousebyusingthissystem,thusguaranteethecropgrowingfineunderthebesttemperaturecondition,andenhancesthecrops’qualityandoutput.
KEYWORDS:
Singlechip，Temperaturesensor，Temperaturecontrol，Temperaturedisplay，Keyboardentry，Greenhouse
第一章绪论
项目背景
我国人多地少，人均占有耕地面积更少。
因此，要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能实现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位亩产量。
塑料大棚技术就是其中一个好方法。
塑料大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对作物生长的约束。
塑料大棚能克服环境对作物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节产出，使季节对农作物的生长影响不大，部分或完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。
由于塑料大棚能带来可观的经济效益，所以塑料大棚技术越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段。
随着大棚技术的普及，塑料大棚的数量不断增多，塑料大棚的温度控制便成为一个十分重要的课题。
传统的温度控制是在塑料大棚内部悬挂温度计，通过读取温度值来知道大棚内的实际温度，然后根据现有温度与额定温度进行比较，看温度是否过高或过低。
如果过高，就对大棚进行降温处理；如果过低，就对大棚进行升温处理。
这些操作都是在人工情况下进行的，耗费了大量的人力及物力。
现在，随着经济的快速发展，农业产业规模的不断提高，农产品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，大型塑料大棚的建设对温度检测技术也提出了越来越高的要求。
国外塑料大棚技术的发展
西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早。
1949年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研究。
20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。
随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展，近几十年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展，特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。
80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的发展，迈入了网络化，智能化阶段。
目前，国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度，并形了一定的标准。
温室内的各环境因子大多由计算机集中控制，检测传感器也较为齐全，如温室内外的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制，如无级调节的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，由热水锅炉或热风机组成的升温系统，可定时喷灌或滴灌的灌溉系统，二氧化碳施肥系统，以及适用于温室作业的农业机械等。
计算机对这些系统的控制己经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人工智能控制，一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化、无人化的方向发展。
我国的塑料大棚技术
我国现代塑料大棚技术起步较晚，70年代以来，政府大力发展以塑料大棚、节能日光温室为主的设施农业，促进了农村经济的发展和缓和了蔬菜季节性短缺矛盾。
与此同时，从1979年至1994年，从欧美、日本等国家引进了一系列现代化温室（包括升温系统、湿帘降温系统、灌溉系统、监测与集中控制系统及其它附属设施）进行实验研究。
引进的温室与我国传统温室相比，其空间大，便于进行机械作业，生产率与资源利用率比较高，为我国塑料大棚的发展提供了借鉴作用。
我国现有的塑料大棚温度控制系统存在的不足之处主要表现在以下几个方面。
1）价格昂贵，国内农业生产目前难以接受。
2）缺乏与我国气候特点相适应的塑料大棚温度自动控制系统。
目前我国引进塑料大棚温度自动控制系统大多投资大、运行费用过高，并且控制系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾。
3）控制方式比较简单，软件实现模式固定，不能进行功能扩展。
随后在我国出现了一些国外的仿造产品，如江苏工学院研制的“温室环境测控系统”，主要用于无土栽培实验温室，造价仍较高，且处于实验阶段；吉林工业大学研制的“温室环境自动检测系统”，仅实现了温湿度的自动测试，“智能型温室环境控制器”仅实现了温室内的喷水自动控制等。
以上产品均没有面向我国广大农村现有的100万亩传统塑料大棚的改造工程。
所以，人们主要还是采用传统的方法,利用温度计来采集温度值，通过人工操作加热、降温来控制温度。
因此，以上产品的推广用价值仍然不大。
总体上说，我国自行开发的塑料大棚自动控制系统其技术水平和调控能力与发达国家还有一定的差距。
而我国综合环境测控技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单个或少量环境因子调控技术的阶段，而实际上，塑料大棚内的光照度、温度、湿度、C02浓度等环境因素，都是在相互影响、相互制约的状态中对作物的生长产生影响的，环境要素的空间变化、时间变化都很复杂。
因此，我们应该根据我国的国情研制出适合我国农业的发展的仪器仪表，并在农业设施中广泛推广。
国外的塑料大棚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控制软件。
而当今国内大多数对塑料大棚温度的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端而造成不可弥补的损失，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。
塑料大棚温度控制系统设计要求
随着社会的发展，市场上急需一套系统，它可以自动控制塑料大棚内的温度环境，使作物始终处于利于其生长的温度环境中，系统的主要性能应包括：
（1）温度设定范围为20℃～70℃，最小区分度为1℃;
（2）ＬＣＤ显示屏第一行显示设定温度（十进制显示）；
（3）ＬＣＤ显示屏第二行实时显示被测温度（十进制显示）；
（4）实测温度超过设定温度时启动风扇降温；
（5）实测温度低于设定温度时启动加热器升温；
（6）当实测温度超过70℃时，八位LED数码管闪烁。
第二章控制系统的设计
温度的调节与控制
温室内温度的调节和控制包括升温、降温方面。
1.升温。
升温有热风采暖系统、热水采暖系统、土壤升温三种形式。
热风采暖系统由加热棒直接加热空气及蒸汽热交换空气两种，前者适用于塑料大棚，后者适用于有集中供暖设备的温室；热水采暖系统的稳定性好，温度分布均匀，北方温室大都采用此种方式；土壤升温有酿热物升温、电热升温和水暖升温。
2.降温。
降温最简单的途径是通风，但在温度过高，依靠自然通风不能满足作物的要求时，必须进行人工强制降温。
降温包括遮光降温法、屋面流水降温法、蒸发冷却法及强制通风法。
遮光降温法是一种在室外与温室屋顶部相距40cm处张挂遮光幕，对温室降温很有效。
另一种在室内挂遮光幕，降温效果比挂在室外差;屋面流水降温法采用时须考虑安装成本，清除玻璃表面的水垢污染问题:
蒸发冷却法使空气先经过水的蒸发冷却降温后再送入室内，达到降温目的。
蒸发冷却法有湿帘风机降温法、细雾降温法、屋顶喷雾法。
鉴于实际情况，系统的升温方式采用电灯泡直接加热空气来执行，而降热方式采用风扇强制通风来执行。
控制系统总体方案设计与选择
随着科技发展的进步，目前市场上有大量的温度控制器，其中包括单片机、PLC等。
因此，塑料大棚温度自动控制系统的设计方法有很多种，其中以下两种设计方案较受市场青睐。
方案一：
单片机控制系统
由于系统要求对大棚内部的温度进行测量和控制，因此采用单片机对总线系统进行现场长期监控是非常经济实惠的方案，其硬件连接非常简单，可用单片机并口Pl、P2、P3中的任一位端口与单总线连接来实现双向数据传输，系统以单片机为核心，组成一个集温度的采集、处理、显示、自动控制为一身的控制系统，其原理框图如图2-1所示。
系统硬件电路由温度传感器、单片机等组成。
图2-1单片机控制系统
控制主板采用STC12C5A60S2作为核心芯片。
作为与MCS-51系列兼容的单片机，无论在运算速度，还是在内部资源上均可胜任系统的性能要求。
根据塑料大棚温度采集及处理的要求，系统适合采用DS18B20作为温度传感器，DS18B20不需要A/D转换，温度测量和转换的工作都在一个器件中完成，它与单片机的的I/O直接连接即可读出其中的数据。
驱动电路采取继电器驱动，显示器采用液晶LCD1602来显示。
单片机控制的系统，其优点是单片机比较便宜，而且使用比较灵活，但是其缺点是单片机编程相当难，而且必须有得到电路板技术的支持。
方案二：
PLC控制系统
图2-2PLC控制系统
塑料大棚温度自动控制系统主要控制大棚中的温度，被控的对象是风扇、电灯泡。
控制方式是用户根据不同作物、生物需要的相应的环境条件，设置目标参数,PLC控制器自动控制设备的反应动作。
上位机的主要作用是参数设定和实时监控，PLC通过采集到塑料大棚内的传感器信号，操作执行结构，达到用户需求的自动调节温度环境的控制。
其具体结构图如图2-2所示。
该设计系统的主要工作流程为：
PLC接收到温度传感器传输过来的数据后，将它与设定的温度参数作比较，并利用执行机构对其做适当的调整。
执行机构电灯泡的工作目的是为系统升温，风扇工作的作用是降低系统的温度。
PLC控制系统虽具有高可靠性和稳定性，但是PLC价格比较昂贵，并且它的体系结构是封闭的，各PLC厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统也各异，当用户选择了一种PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，并且学习特定的编程语言。
综上所述，虽然PLC可以用在环境复杂的工业中,且其可靠性比单片机要高，但是，PLC主要用在自动化控制上，但是单片机一样可以通过编程达到自动化的目的。
结合系统的成本、中国环境的现状、市场的需要，最后，塑料大棚温度自动控制系统的控制方法最终决定采用单片机进行控制，即采取方案一的设计系统。
第三章温度控制系统硬件设计
以单片机为核心，整个系统包括主控模块、数据采集与处理模块、输出控制模块、按键显示模块和数据通信模块等。
计算机通过键盘和显示器实现参数设定、显示和人工干预控制输出等功能。
单片机的选择
计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积庞大。
单片机就是在这种情况下诞生的。
它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的，在智能控制系统中，单片机得到了广泛的应用。
单片机目前已被广泛地应用于家电、医疗、仪器仪表、工业自动化、航空航天等领域。
市场上比较流行的单片机种类主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8051系列单片机，Motorola公司的M6800系列单片机，Intel公司的MCS96系列单片机以及Microchip公司的PIC系列单片机等。
各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、I/0能力、功耗、功能、价格等方面各有优劣。
这些种类繁多的单片机家族，给我们单片机的选择也提供了很大的余地。
在这里我们选择了STC12C5A60S2芯片。
STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。
1、增强型8051CPU，1T（1024G），单时钟/机器周期
2、工作电压
3、1280字节RAM
4、通用I/O口，复位后为：
准双向口/弱上拉可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA
5、有EEPROM功能
6、看门狗
7、内部集成MAX810专用复位电路
8、外部掉电检测电路
9、时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器常温下内部R/C振荡器频率为:
11~17MHz,单片机为8~12MHz
10、4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1
11、3个时钟输出口，可由T0的溢出在T0输出时钟，可由T1的溢出在T1输出时钟，独立波特率发生器可以在口输出时钟
12、外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/，INT1/，T0/，T1/，RxD/，CCP0/，CCP0/
13、PWM2路
14、A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S
15、通用全双工异步串行口（UART）
16、双串口，RxD2/，TxD2/
17、工作范围：
-40~85
18、封装：
LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，
PLCC管脚说明
P0：
P0口既可以作为输入/输出口，也可以作为地址/数据复用总线使用。
当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电阻，无需外接上拉电阻。
当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线A0~A7，数据线D0~D7
ADC0/CLKOUT2标准IO口、ADC输入通道0、独立波特率发生器的时钟输出
ADC1
ADC2/ECI/RxD2标准IO口、ADC输入通道2,PCA计数器的外部脉冲输入脚，第二串口数据接收端
ADC3/CCP0/TxD2外部信号捕获，高速脉冲输出及脉宽调制输出、第二串口数据发送端
ADC4/CCP1/SS非SPI同步串行接口的从机选择信号
ADC5/MOSISPI同步串行接口的主出从入（主器件的输入和从器件的输出）
ADC7/SCLKSPI同步串行接口的主入从出
~P2口内部有上拉电阻，既可作为输入输出口（8位准双向口），也可作为高8位地址总线使用。
RxD标准IO口、串口1数据接收端
INT0非外部中断0,下降沿中断或低电平中断
INT1T0/INT非/CLKOUT0定时器计数器0外部输入、定时器0下降沿中断、定时计数器0的时钟输出A/D转换器的结构
STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口，有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHz（25万次/秒）。
8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。
上电复位后P1口为弱上拉型IO口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不须作为A/D使用的口可继续作为IO口使用。
单片机ADC由多路开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC、转换结果寄存器以及ADC_CONTER构成。
该单片机的ADC是逐次比较型ADC。
逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。
逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。
需作为AD使用的口先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置为‘1’，将相应的口设置为模拟功能。
STC12C5A60引脚图
温度传感器设计与选择
温度传感器的作用是采集大棚内的温度，并进行判断和发送显示。
测量温度的关键是温度传感器，温度传感器的发展主要大体经过了三个阶段:
1.传统的分立式温度传感器（含敏感元件）；
2.模拟集成温度传感器/控制器;
3.智能温度传感器。
模拟集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。
模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它是将温度传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
它是目前在国内外应用最为普遍的一种集成传感器，典型产品有AD59O、AD592、TMP17、LM135等。
模拟集成温度传感器主要包括温控开关和可编程温度控制器，典型产品有LM56、AD22105和MAX6509。
某些增强型集成温度控制器（例如TC652/653）中还包含了A/D转换器以及固化好的程序，这与智能温度传感器有某些相似之处。
但它自成系统，工作时并不受微处理器的控制，这是二者的主要区别。
智能温度传感器（亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。
它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE）的结晶。
目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。
智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。
有的产品还带多路择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器；并且它是在硬件的基础上通过软件来实现测试功能的，其智能化程度取决于软件的开发水平。
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。
基于单片机的温度测控系统在温室大棚中的传感器与数字转换电路都被集成在一起，每个DS18B20都具有唯一的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。
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DS18B20。
由于该温度计采用数字输出形式，故不需要A/D转换器。
智能温度传感器DS18B20正是朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。
因此，智能温度传感器DS18B20作为温度测量装置己广泛应用于人民的日常生活和工农业生产中。
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS182O之后最新推出的一种数字化单总线器件，属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。
与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。
可以分别在和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B
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