基于单片机的蔬菜大棚温湿度智能控制系统设计Word格式.docx

1、在-10+85范围内,精度为0.5,完全可以满足蔬菜大棚的温度要求2。湿度传感器选择了国产S302H2湿度传感器,它采用模块化设计,精度可达到3%RH,稳定性好,可靠性好,线性电压输出。微处理器选择了STC12C5616AD,该器件具有在系统/应用编程（IAP,ISP）功能,可实现在线升级;增强型8051内核,1个时钟/机器周期,速度相当于普通型8051的812倍。内部16KFLASH程序存储器;4K掉电不丢失数据存储器,该存储器可以用来存储温湿度设置参数;有8路10位AD,用于湿度传感器采集。2.2 控制输出电路设计该系统温度控制设计了两种方案:一种是通过可控硅控制电加热（可接解热灯加热丝）

2、;一种作为备用方案是火加热,通过步进电机控制火门的开度来调节大棚内温度。可控硅和步进电机驱动电路分别如图2.2-1所示。图2.2-1 控制输出电路设计图3 控制算法及软件设计3.1 主程序设计主程序设计总体采样循环结构主要包含几个模块:系统初始化、键盘扫描、数据采样、模糊PID算法模块和控制量输出模块。系统初始化主要完成微控制器初始化、LED显示初始化和系统外设检测等;键盘模块主要完成键盘扫描、系统设置和工艺设置等;这里的工艺设置是指,根据蔬菜的生长需要,不同的时间设置不同的温湿度值。主程序流程如图3.1-1所示：图3.1 主程序设计主程序设计3.2 控制算法程序控制算法程序主要完成三方面功能

3、:行过程中根据模糊控制表实时调试PID控制参数,使系统始终处于最优控制状态。同时也采用了积分分离算法避免了积分饱和问题。控制模糊PID算法程序流程图如图5所示,e（k）、e（k-1）分别为当前实际采样值与设定值的误差和上次采样值与设定值的误差;ec（k）是当前实际采样值与设定值的误差变化率;KP、KI、KD是系数;u（k）是计算输出值。蔬菜大棚智能温湿度控制系统采用了模糊控制与传统PID控制结合的控制方法,有效地解决了传统控制方法对棚内温湿度的控制不足;同时也设计了在Zigbee无线收发模块的接口,可以实现蔬菜大棚大规模生产和统一管理监控。该系统人机界面良好、操作简单方便、自动化程度高、稳定可

4、靠,经过实际种植和试验验证,效果良好,有效地降低了菜农的工作量,保证了大棚蔬菜的生产质量,在广大农村地区有广泛应用。4 总体方案的设计4.1 设计思想系统的一大特点是用户可以通过下位机中的键盘输入温湿度的上下限值和预置值，也可以通过上位机对温湿度的上下限值和预置值进行输入，从而实现上位机对大棚内作物生长的远程控制。系统下位机设在种植植物的大棚内，下位机中的温湿度传感器可以将环境中的温湿度非电量参数转化成电量信号，再将这些信号进行处理后送至下位机中的单片机，单片机读取数据后将数据送到缓冲区内，通过LED数码管进行实时显示。同时与原先内部设定的参数值进行比较处理；单片机可以根据比较的结果对执行机构

5、发出相应的信号，并通过继电器的控制对相应的设备如喷水器、吹风机、加热器、降温泵等进行操作，调节大棚内温湿度状态。用户直接通过键盘对温湿度的上下限值和预置值进行设置后，如果环境的实时参数超越上下限值，系统自动启动执行机构调节大棚内湿度和温度状态，直到温湿度状态处于上下限值以内为止。如果有预置初值，且与当前状态不相等时，系统也会启动执行机构动态调节温湿度状态，直到所处的平衡状态与预置值相等为止。上位机是用DELPHI软件编写的一个数据库系统管理系统，有着友好直观的用户界面，可直接设置温湿度的上下限值和读取下位机的数据，也可以直接对温室大棚内下位机的喷水器、吹风机、加热器、降温泵等进行操作，调节大棚

6、内温湿度状态。由于上位机DELPHI软件有强大的数据库存储和处理功能，我们可以对下位机传送上来的各种环境中的数据参数进行处理，形成作物生长的走势图，从而通过生长走势图得出适合各种作物生长的最佳环境参数条件，为今后的温室种植提供参考。上下位机之间通过符合串行总线RS一232标准的通信通道以事先约定的协议进行通信。单片机作为控制器，可以接收温度和温度传感器从大棚中获取的温湿度信息，将这些信息与预置的温湿度范围值进行比较，然后通过继电器控制执行机构，对大棚进行相关的操作以保证大棚的温湿度范围能够在预置的范围内。下位机键盘显示部分可以直接对温湿度值进行预设，并可实现温湿度值的实时显示。上位机可通过通信

7、接口模块接收下位机传送过来的温湿度值，形成作物生长的图表，也可以直接设置温湿度值和控制执行机构对大棚进行相关操作。4.1.1 系统组成及框图系统由电源电路、温湿度传感器SHT10、数据通讯转换部分（RS232）、上位机管理软件和控制模块（AT89C51）组成。 1、温湿度传感器：负责检测并采集各控制点温湿度数据。2、数据通讯转换器：负责温湿度数据采集数据的信号转换。3、软件部分：软件部分负责对所有数据进行读取分析，并执行各项管理功能。4、控制部分（即温湿度调节系统）：执行远程控制指令。 控制部分连接增湿装置、干燥装置、温度的控制装置等。其系统原理图如图4.1.1-1所示：图4.1.1-1 蔬菜

8、大棚温湿度控制原理框图4.2 系统主要电路的设计4.2.1 主要芯片89C51的功能及引脚图芯片89C51共有40个引脚，其中电源引脚有4个，控制引脚有4个，并行的I/O接口有32个，其引脚图如图4.2.1-1所示图4.2.1-1 89C51引脚 （1）电源及时钟引脚（4个）Vcc:电源接入引脚；Vss:接地引脚；XTAL1:晶体振荡器接入的一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚接地）；XTAL2:晶体振荡器接入的另一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端）。（2）控制线引脚（4个）RST/VpD:复位信号输入引脚/备用电源输入引脚；ALE/PROG:地址锁存允许信号输出引脚/编

9、程脉冲输入引脚（低电平有效）；EA/Vpp:内外存储器选择引脚（低电平有效）/片内EPROM（或FlashROM）编程电压输入引脚；PSEN:外部存储器选通信号输出引脚（低电平有效）。（3）并行I/O引脚（32个，分成4个8位口）P0.0P0.7:一般I/O引脚或数据/低位地址总线服用引脚；P1.0P1.7:一般I/O引脚；P2.0P2.7:一般I/O引脚或高位地址总线引脚；P3.0P3.7:一般I/O引脚或第二功能引脚。4.2.2 温湿度检测电路的设计本系统选择的温湿度传感器是由 瑞士Sensirion公司推出了SHT10单片数字温湿度集成传感器，采用CMOS过程微加工专利技（CMOSens

10、technology），确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件、一个用能隙材料制成的温度敏感元件，并在同一芯片上，与l4位的AD转换器以及串行接口电路实现无缝连接。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式存储在OTP内存中，在校正的过程中使用。两线制的串行接口，使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用的首选。如图4.2.2-1所示 图4.2.2-1 传感器SHT10的原理图如图4.2.2-2所示，传感器SHT10的电路连接图 图4.2.2-1 SHT10传感器电路图（

11、1）数字集成温湿度传感器SHT10的主要特点a.相对湿度和温度的测量兼有露点输出；b.全部校准，数字输出；c.接口简单（2-wire）,响应速度快；d.超低功耗，自动休眠；e.出色的长期稳定性；f.超小体积（表面贴装）；g.测湿精度45%RH，测温精度0.5（25）。（2）引脚说明a.电源引脚（VDD、GND） SHT10的供电电压为2.4V5.5V。传感器上电后，要等待11ms，从“休眠”状态恢复。在此期间不发送任何指令。电源引脚（VDD和GND）之间可增加1个100nF的电容器，用于去耦滤波。b.串行接口 SHT10的两线串行接口（bidirectional 2-wire）在传感器信号读取

12、和电源功耗方面都做了优化处理，其总线类似I2C总线但并不兼容I2C总线。 串行时钟输入（SCK）。SCK引脚是MCU与SHTIO之问通信的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有最小时钟频率。即微控制器可以以任意慢的速度与SHT10通信。串行数据（DATA）。DATA三态引脚是内部的数据的输出和外部数据的输入引脚。DATA在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并在SCK时钟的上升沿有效。即微控制器可以在SCK的高电平段读取有效数据。在微控制器向SHT10传输数据的过程中，必须保证数据线在时钟线的高电平段内稳定。为了避免信号冲突，微控制器仅将数据线拉低，在需要输出高电平的时候，微控制器将引脚置为

13、高阻态，由外部的上拉电阻（例如：lOk）将信号拉至高电平。为避免数据发生冲突，MCU应该驱动DATA使其处于低电平状态，而外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平。发送一组“传输启动”序列进行数据传输初始化，如图2-5所示。其时序为：当SCK为高电平时DT翻转保持低电平，紧接着SCK产生1个发脉冲，随后在SCK为高电平时DATA翻转保持高电平。图4.2.2-2 命令时序紧接着的命令包括3个地址位（仅支持“000”）和5个命令位。SHT10指示正确接收命令的时序为：在第8个SCK时钟的下降沿之后将DATA拉为低电平（ACK位）,在第9个SCK时钟的下降沿之后释放DATA（此时为高电平）。b.测量时序（

14、RH和T）“000 00101”为相对湿度（RH）量，“000 00101”为温度（）测量。发送一组测量命令后控制器要等待测量结束，这个过程大约需要20/80/320ms对应其8/12/14位的测量。测量时间随内部晶振的速度而变化，最多能够缩短30%。SHT10下拉DATA至低电平而使其进入空闲模式。重新启动SCK时钟读出数据之前，控制器必须等待这个“数据准备好”信号。接下来传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC校验。MCU必须通过拉低DATA来确认每个字节。所有的数据都从MSB开始，至LSB有效。例如对于12位数据，第5个SCK时钟时的数值作为MSB位；而对于8位数据，第1个字节（高8位）

15、数据无意义。确认CRC数据位之后，通信结束。如果不使用CRC-8校验，控制器可以在测量数据LSB位之后，通过保持ACK位为高电平来结束本次通信。测量和通信结束后，SHT10自动进入休眠状态模式。c.复位时序如果与SHT10的通信发生中断，可以通过随后的信号序列来复位串口，如图2-6所示。保持DATA为高电平，触发SCK时钟9次或更多，接着在执行下次命令之前必须发送一组“传输启动”序列。这些序列仅仅复位串口，状态寄存器的内容仍然保留。图4.2.2-3复位时序（3）传感器SHT10与AT89C51的接口电路如图2-7所示，传感器SHT10将采集的温湿度值与键盘设定温湿度值进行比较，并将信息送给89

16、C51进行处理，89C51将信息送给显示模块进行显示，用户需要对系统进行相应的温湿度调节。图4.2.2-4 传感器接口电路图4.2.3复位电路的设计本系统采用RC复位电路，RC复位电路实质是一阶充放电电路。如图2-9所示。该电路提供有效的复位信号RST（高电平）直至系统电源稳定后撤销复位信号（低电平）。从理论上说51系列单片机复位引脚只要外加两个机器周期的有效信号即可复位，设t为保持高电平的时间，只要保证t=RC2M（M为机器周期）即可。但在实际设计过程中，通常C1取10uF以上，R1通常取10K左右。时间发现，如果R1取值太小，如R1取1K.则会导致RST信号驱动能力变差而无法使系统可靠复位

17、。另外实验证明，图中的虚线所接的续流二极管D1对于改善复位性能起到了至关重要的作用，它的作用是在电源电压瞬间下降时，电容迅速放电，因此一定宽度的电源毛刺也可使系统可靠复位。4.2.4 温湿度调节系统的设计温湿度调节系统包括加湿模块除湿模块、加温模块和制冷模块。它是由单片机的IO 口控制的，有效控制电平为+5V，执行机构的各种设备都是在市电下正常工作的，必须采用IO口控制继电器的导通和切断来控制市电的通断，也即控制执行设备的工作状态。由于单片机的IO不能提供足够的电流，不能直接驱动继电器导通，因此，我们采用达林顿管，将进行两级放大，提供了足够大的驱动电流，让继电器中的电感线圈产生足够大的磁力，将

18、开关吸合。用户预先输入温湿度报警值到程序中，该值作为系统阈值。温湿度传感器监测值传输给单片机，当单片机比较监测到的数值超出所设定阈值时，驱动蜂鸣器报警，并为温湿度调节系统提供控制信号，实现自动控制。4.2.5SHT10数据采集程序如图2-10所示，SHT10数据采集过程。图4.2.5-1 SHT10数据采集流程图温湿度传感器SHTl0完成一次测量的工作顺序一般为：设置传感器分辨率发送“启动传输”命令发送测量命令读输出的测量值将输出测量值转换为物理量。微控制器首先发布一个启动传输时序，接着调用写时序发布温度或湿度（取决于人口参数）的测量命令，之后等待测量的完成，在测量完成后，调用读时序读回测量结

19、果。需要注意的一点是，仅当通信错误标志error为0时，才说明通信正确，读回的结果有效。在主程序中若检测到通信错误标志error非零，需要使用复位时序，来复位串行端口， SHT10读写数据的规则是：从微控制器向SHT10写数据的角度来看，可以理解为上升沿将触发SHT10锁存数据，即微控制器在下降沿输出数据，再给出上升沿触发SHT10锁存数据。下降沿和上升沿之间的时间间隔需要满足SHT10的数据建立时间1 （最小值为lOOns），上升沿之后数据也需要保持一段时间，这段时间用于满足SHT1 0的数据保持时间TH（典型值为lOns）。当SHT10完成测量后，微控制器需要发布读时序将测量结果读回。实现

20、读时序首先需要实现8个数据位的读取。DATA在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并在SCK时钟的上升沿有效。从微控制器读数据的角度理解，时钟线的下降沿将触发SHT10接口内的锁存器输出数据，输出数据在时钟线上升沿之后达到稳定，下降沿和上升沿之间的时间间隔要大于SHT10的输出数据有效时间Tv（典型值为250ns），即微控制器需要先给出下降沿，延时一段时间待数据稳定后再读取数据。此外，微处理器需要在第9个时钟给出应答位，这属于写时序，写时序可参考前文的论述。读时序的C语言程序代码如下，程序的人口参数为0或1，0代表给出应答位，继续接收后续数据；1表示终止通信5 系统软件的设计5.1 上位机软件设计

21、上位机软件采用Borland Delphi编写。Delphi是强大，灵活的基于Windows的可视化应用程序开发工具。它将可视化技术与ObjectPascal语言完美结合，具有良好的数据库访问能力，是一个非常强大的应用程序开发组件的集合。上位机软件主窗口如图2所示，它是系统启 窗口等待用户操作。主窗口包括四大部分，即温动后显示在用户面前的第一个窗口，系统将在此 度实时监测图形，湿度实时监测图形，当日环境参数表以及其他窗口的弹出按钮。系统的实时监测数据是上位机每隔15分钟向下位机发出命令采集的，时间间隔合理，能达到实时监测的目地。系统软件本着方便用户使用的原则，采用人机交互方式、弹出式窗口、错误

22、屏蔽、友情提示等技术，最大限度地方便用户操作。系统窗口简洁明了，数据显示采用表格或图形的形式，使得用户更方便地查看、查询数据。温湿度数据接收软件界面图如图5.1-1所示：图5.1-1 温度、湿度数据接收软件界面图如图3-2所示，上位机软件主要由实时监测模块、大棚信息模块、智能控制模块、环境参数设置模块、作物长势记录模块和直接控制模块6大模块组成，用户可以通过具体界面来了解下位机所在的大棚内作物的生长情况，通过界面内作物生长的走势图可以得出最适合作物生长的环境条件。上位机软件控制界面友好，操作简单明了，十分适合用户操作。5.2 通信模块软硬件设计5.2.1 通信硬件设计89C51单片机与PC系列

23、微机是两种不同类型的机种，硬件结构不同，电气特性也不一样，因此它们之间不能用导线直接连接，而要通过电平转换电路。本系统采用的串行通信的接口标准RS一232C。（1）RS一232C电气特性RS一232C采用负逻辑在TxD和RxD上：逻辑1（MARK）=一515V逻辑0（SPACE）=+5+15VRS一232C的主要电气特性为：带37k欧姆负载时驱动器的输出电平：逻辑“1”：一5 一12V；逻辑“0“：+5 +12V。不带负载时驱动器的输出电平： 一25+25V。驱动器转换速率：30V，L 。接收器输入阻抗：37K欧姆之间。接收器输入电压的允许范围：一25 +25V。最大负载电容：2500PF。（

24、2）RS一232C的电平转换RS一232C是用正负电压来表示逻辑状态，与1vrL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。为了能够同计算机接口或终端的1vrL器件连接，必须在EIARS一232C与1vrL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现变换的方法目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成1vrL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75 154可实现EIA电平到1vrL电平的转换，MAX232芯片可完成1vrL一IA双向电平转换。MAX232芯片的转换口，包含两路驱动器和接收器的RS一232转换芯片。芯片内部有一个电压转换器，可以把输入的+5V电压转换为R

25、S一232接口所需的10V电压，最大的好处是工作电压为+5V，不需要额外电源。5.2.2 通信软件设计系统的设计中，考虑到下位机位于温室大棚内，离上位机即计算机的控制有一定距离，而且系统对于传送速度的要求也不是很高，且考虑到传输的信息量不会非常大，并从降低成本的角度出发，所以采用异步串行通信的方式。（1）异步通讯方式异步通讯方式既不需要同步字符SYNC，也不要求保持数据流的连续性，它规定传输格式，每个数据均以相同的帧格式发送。每帧信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成，帧与帧之间用高电平隔开。（2）通信程序的编写由于汇编语言程序结构紧凑、灵活，汇编成目标程序效率高、占用存储器空间少、运行

26、速度快和实时性强等特点，适合实时测控等领域，所以本系统通信程序采用了汇编语言进行编写。在异步串行通信中，要保证通信成功，通信双方必需对数据传送方式有一系列的约定，比如：作为发送方，必须知道什么时候发送信息、发什么、对方是否收到、收到的内容有没有错、要不要重发、怎样通知对方结束等；作为接收方，必须知道对方是否发送了信息、发的是什么、收到的信息是否有错、如果错了怎样通知对方重发、怎样判断结束等。这种约定称为通信协议，它必须在编程之前就确定下来，只有双方都正确地识别并遵守这些规定才能顺利地进行通信。本设计的通信协议格式设置为：我们选定常用的波特率2400位 ，串行通信工作于方式1，SMOD = 1，

27、晶体震荡频率为12MHz。由于定时计数器1的溢出率= For,c12* （2 一N）次 ，而串行通信方式1的波特率为： （定时计数器1溢出率）*2SMOD32，因此可以得出下式：2400= （2SMOD32）*Fosc12* （2 一N）可求得N =F3H，因此TH =F3H，TL=F3H。*波特率设置：选用定时计数器1定时模式，工作方式1，计数常数F3H，SMOD=1，波特率2400bps，*串行通讯设置：异步通讯方式1，允许接收；*1位起始位，8个数据位，1个停止位。5.3 系统主程序本系统的智能核心是AT89C51，其监控程序和应用软件全部固化在EPROM内。他的工作过程是：当系统接通电源后，AT89C51单片机进入监控状态，同时完成对各个端口的初始化工