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论文初稿

摘要

目前应用于温室大棚的温度检测系统大多采用由模拟温度传感器、多路模拟开关及A/D转换器等组成的传输系统。

这种温度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。

同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，并且测量误差也比较大，不利于控制者根据温度变化及时做出决定。

在这样的形式下，开发一种实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的测控系统就很有必要。

关键词：

单片机、传感器、报警器

Abstract

Simulated by the analog temperature sensors, multiplex switch mostly adopts the temperature detecting system is currently used in the greenhouse Transmission system and A\/D converter.This temperature acquisition system need to be arranged in greenhouse numerous measurement Temperature sensing cable, to make the signal of the sensor to the acquisition,installation and removal of complex, high cost. At the same time Line on the analog signal is transmitted, vulnerable to interference and loss, and the measurement error is relatively large, are not conducive to control According to the temperature changes in a timely decision. In this situation,vulnerable to interference and loss, and the measurement error is relatively large, are not conducive to control According to the temperature changes in a timely decision. In this situation, the development of a real-time, high precision, can fully Combined treatment of culti-point temperature measurement and control system of information is very necessary.

Keywords:

 Microcontroller, sensor, alarm.

目录

基于单片机的大棚温室环境检测系统设计

1 绪论 

1.1 引言 

    随着我国国民经济的发展，人民的生活水平日益提高，冬季大棚蔬菜的市场日渐扩大，尤其是北方地区在寒冷的冬季用塑料大棚栽培蔬菜，更体现出经济价值。

仅靠南菜北调长途运输，一是成本高，二是运到目的地，蔬菜已经不新鲜了。

所以，依靠农业科技，大力推广温室大棚种植蔬菜能更好地满足人民生活需要，也是国家菜篮子工程所包括的内容，作为冬暖式蔬菜大棚的发源地，寿光掀起了我国的“菜篮子革命”，结束了冬季北方人吃不到新鲜蔬菜的历史，目前这里的无公害蔬菜大棚已经发展到80多万亩。

由于我国人口众多，土地、水资源及各种能源短缺，在人民生活水平不断提高，对农副产品的需求不断增加的今天，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。

以日光温室为主的温室大棚蔬菜生产，己成为我国园艺产品尤其是蔬菜产品周年供应的重要措施。

温室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，来消除温度对生物生长的约束。

而且，温室大棚能克服环境对生物生长的限制，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。

由于温室大棚能带来可观的经济效益，所以温室大棚技术越来越普及，并且已成为农民家庭收入的主要来源。

随着“工厂化高效农业示范工程”的推进，日光温室无论从规模上还是技术上，都取得了很大进步，但在配套设施的完善程度上，生产的稳定性、产业化程度和现代化水平上都只能算是工厂化农业的雏形，与发达国家的农业现代化相比，仍有相当大的距离，尤其在温室生产环境自动控制方面。

温室环境控制（（microenvironmental），即根据植物生长发育的需要，自动调节温室内环境条件的总称。

现代化温室，通过传感器技术、微型计算机及单片机技术和人工智能技术，能自动调控温室的环境，其中包括温度、几湿度、冬光照、C02浓度、水分等，使作物在不适宜生长发育的反季节中，获得比室外生长更优的环境条件，达到早熟、优质、高产的目的。

冬季大栅蔬菜最重要的一个管理因素是温度的控制。

温度太低，会发生蔬菜冻死或者停止生长，所以要将温度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。

1.2 选题的现实意义 

    今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。

单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。

时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化已成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。

单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。

因此，单片机对温度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。

基于此，本课题围绕应用于温室大棚的基于单片机的温度测控系统展开应用研究工作。

1. 3.1 国外研究现状 

    国外计算机用于温室环境控制技术研究较早，开始于上世纪70年代末。

随着通讯技术及计算机技术的发展，温室环境调控技术在日本、荷兰、美国、以色列等发达国家得到了迅速发展[7]1978年日本学者首先研制出微型计算机温室综合环境控制系统，随着计算机技术的发展，80年代末出现了分布式控制系统，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。

目前荷兰、日本、美国、以色列、等发达国家可以根据温室作物的要求和特点，对温室内光照、温度、，水分、气、誉肥等诸多子进行自动控制。

在智能温室的发展方面，美国作为最早发明计算机的国家，它也是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一。

美国开发的温室计算机控制与管理系统可以根据温室作物的特点和要求，对温室内光照、温度、水、气、等诸多因子进行自动调控，还可利用差温管理技术实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。

、目前，美国已将全球定位系统、电脑和遥感遥侧等高新技术应用于温室生产，有82%的温室使用计算机进行控制，存67%的农户使用计算机，其中27%的农户还运用了网络技术。

炙现在国外温室环境控制技术正朝着-高科技方向发展，网络技术、一遥测技术己逐渐应用子管理与控制系统中。

1.3.2 国内研究现状 

    国内对温室控制技术研究起步较晚。

自20世纪80年代以来，在引进、吸收国外高科技温室生产技术的基础上，我国进行了温室中温度、湿度和二氧化碳等单项环境因子控制技术的研究。

1982年中国农业科学院建立了全国农业系统的第一个计算机应用研究机构。

1995年，北京农业大学研制成功的“WJG-1型实验温室环境监控计算机管理系统”，仅仅是进行单因子控制，操作性和可靠性均不够理想。

[9] 

     近几年来，我国加大了在温室结构和温室控制方面的研究力度。

从我国的温室控制系统和控制技术现状来看，温室设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。

但是，大部分采用的都是简单的直接数字控制方法，即在程序中设定各环境因子的上下限，当测定的环境参数超过上下限时，启动环境控制的硬件系统和机构。

这种方法尚不能根据作物对环境的反应进行实时控制。

目前国内温室专家决策系统的研究，针对农业病虫害诊断性方面的较多，而对于温室环境控制，乃至整个温室监控管理方面的研究不多。

尤其是智能决策系统在温室应用方面的研究历史相对较短，还处于刚刚起步阶段，有些方面甚至处于空白阶段。

智能化温室代表着温室的发展方向，将智能决策支持系统运用到温室环境因子的控制中，正是目前智能温室发展的趋势。

在各个方面与欧美等发达国家相比，存在较大差距，尚需深入研究。

1.4 系统功能 

本控制器可实时测量蔬菜大棚温度，并根据温度情况和人为设置情况调节现场温度，其中人为设置可通过操作按键完成；根据实际温度设置了4~20mA标准电流输出通道，便于远程传输；另外，本系统还具有温度超越界限时的报警功能。

本设计是对蔬菜大棚内温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：

当蔬菜大棚内温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使温度上升，同时绿灯亮。

当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当蔬菜大棚内温度高于设定上限温度时，系统自动启动风扇降温，使温度下降，同时红灯亮。

当温度下降到上限温度以下时，停止降温。

温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。

数码管即时显示温度。

2总体设计方案

2.1计算机的选择 

（1）PLC 早期处理顺序逻辑和开关信息量问题时一般采用继电器电路来实现。

但当信号较多、逻辑复杂时，使用继电器数量很大，造成线路设计和调试都相当困难，可靠性也差。

随着PLC的出现，他逐渐取代了继电器电路，随着计算机的发展和渗透，PLC技术也在不断提高和完善，有以下优点：

实现成本低，范围广，高速率，永远在线，便捷。

但是当前在国内PLC的价格比较高，也在一部分程度上阻碍了它的发展。

（2）工业PC对于一个任务不算小的系统设计来说，工业PC是首选。

它是专门考虑了生产现场环境条件差及各种干扰大而设计的，可以长期可靠运行，可靠性和可维护性都可达到要求。

另外，除了有多种模块的主机系统板外看，还配备有多种接口板，如多路模拟量输入/输出板、开关量输入输出板、图形板，以及扩展用的RS-232C、RS-422、RS-485、总线接口板和EPROM编程板等。

总之，可扩充性不成问题。

此外，模拟量输入输出、开关量输入输出的接口很多，并有大量的软件支持，如汇编、高级语言和中文等。

（3）单片机现今的单片机正向着提高工业环境下控制系统的可靠性和灵活方便地构成应用系统界面的方向发展，并且控制功能越来越丰富。

在CPU芯片上，除嵌入RAM、ROM、和IO外，还有A/D、D/A、PWM、DMA、看门狗、串行接口和定时器/计数器等，另外还有显示驱动、键盘控制、比较器和函数发生器等，能构成功能强大的应用系统。

单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。

特别是它体积小，集成度高。

性能稳定，可靠性高。

有较高的性价比。

他越来越得到人们的信赖。

 通过比较论证，从经济因素等考虑，选用单片机AT89C52作为蔬菜大棚温度控制的控制器。

2.2 系统组成框图及工作原理 

     蔬菜大棚用埋在土壤表层的电加温线完成对其内部进行加热，本设计中温度较低且温度要求不高，采用AD590作为测温元件。

蔬菜大棚的电源采用交流电，使用可控硅来控制加热功率。

由于本设计中的功率只有2000W，则采用220V交流电即可。

温度控制系统启动以后能够通过实测温度和设定温度通过单片机的运算输出信号控制双向晶闸管的导通角，从而控制蔬菜大棚的加热功率，调节温度，是温度保持在设定值。

在单片机进行运算时，会进行相应的报警判断，来决定是否输出报警信号。

温度控制系统分为三个部分：

人及对话部分，主机，温度检测限额与控制部分。

图1.温度控制系统原理框图

2.3硬件及整体机构

2.3.1 硬件       

    本系统以一台微型机作为上位机，以多台AT89C52单片机作为下位机组成分布式控制系统。

下位机实现对温室温度参数的检测和控制，把由温度传感器采集的温度信息暂存起来，与给定值进行比较，经过一定的控制计算，输出相应的控制信号去控制执行机构进行调节控制;同时通过串行通信接口将数据送至上位机，由上位机完成对数据的管理、决策和统计分析，并对数据进行显示、编辑、存储等处理。

控制系统工作过程如下:

上位微型机经过运行一定的程序后，向单片机发出启动信号，启动单片机及其被控的机构，同时准备接收单片机发送来的信号和数据。

被启动的下位机，一方面定时开启各个传感器测量温室温度环境，传感器将采集到的信号送入单片机进行数据预处理判断分析;另一方面把上次采集到的数据向上位机发送，同时依据计算机发出的控制信号去控制执行机构以便控制调节温室环境温度。

当数据发送完毕且上位机也接受完毕后，上位机把接收到的数据存储、显示或打印，并与参数的设定值进行比较运算，然后把运算结果送入单片机得出控制信号以此控制执行机构的动作。

然后等待下一个时钟中断信号的到来后再向上位机传送数据，如此不断的循环，以保证温室温度参数被控制于所设置范围之内。

2.3.2 控制系统整体结构 

   本系统以单片机为核心，组成一个集温度的采集、处理、显示、自动控制为一身的闭环控制系统，其原理框图如图2-1所示。

系统整体结构由温度传感器、单片机、RS-485串口通信、输出控制电路和上位计算机组成。

图2-1温度测控系统硬件电路原理框图 

（1）、温度传感器 

温度传感器的作用是采集大棚内的温度，并进行判断和显示。

由于智能温度传感器DS1820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DS1820。

信息经过单线接口送入DS1820或从DS1820送出，传感器和数字转换电路都被集成在一起，每个DS1820在出厂时都已给定了唯一的64位序列号，并且DS1820只有一个数据输入/输出口，因此，多个DS1820可以并联到3或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS1820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。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。

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DS1820。

由于该温度计采用数字输出形式，故不需要A/D转换器。

（2）、单片机控制系统 

    本系统中的单片机选用AT89S51做控制器。

主要功能是:

实现对数字量的采集，并把采集来的数据在LCD液晶显示器上进行显示;可以通过键盘设置参数，可以进行声光报警;可以通过按键来完成手动/自动控制方式的切换;可以通过串行接口把采集到的数据和控制信息传送至上位机，可以接收上位机命令实现参数设置;可以进行输出控制。

（3）, RS-485串行通讯 

RS-485串行通讯是一种多发送器的电路新标准，它采用了差分平衡的电气接口，利用平衡驱动、差分接收的方法，从根本上消除了地线信号。

因此，RS-485可用于距离1200m，速度为100kb/s的高速通讯。

由于从大棚到计算机的距离较长，因此，在本课题设计中，需要在PC机侧配置RS-485转换器，以达到数据传输的目的。

RS-485串行通讯的作用是实现控制系统中上位机与单片机系统之间的通讯，通过串行通讯，下位机接收上位机发送的设置命令、数据采集命令和输出控制命令并进行判断后执行相应的程序，下位机所采集到的数据信息也是通过通讯接口传送到上位机进行显示存储等。

（4）、上位机 

    系统采用一台微型计算机作为上位机，其主要功能是:

通过RS-485串行通讯，向下位机发送数据采集命令和输出控制命令，并接收下位机传送的采集数据;通过上位机界面设定下位机号、切换工作方式、设定报警温度上下限值和控制参数;对采集的数据进行显示和存储，对历史数据进行查询。

2.3.3 系统工作原理 

    采用单总线技术设计的温度监测系统，如图2-2所示。

整个系统以AT89S51单片机为主机，其他设备为从设备。

单片机通过RS-485总线与PC机通讯。

PC机作上位机进行实时监控管理，控制器选用MAX813L组成上电复位和看门狗电路。

该系统只要一条双绞线（一根为信号线，一根为地线）从单片机拉向监控现场，然后将各种监控对象（传感器）挂接在一根总线上就可以了。

本系统通过单总线可以挂接很多个智能温度传感器DS1820，用于温室大棚内不同地方的温度测量和控制。

图中只画出了一个监控现场的配置，其布线接头与通常电话线路使用的一样，插入和拔出都很方便。

图2-2单总线器件组建温度测控系统示意图 

图2-3温度越限自动控制示意图

该温度测控系统的工作原理就是进行计算机编程和单片机编程，使智能温度传感器DS1820正常工作，去检测大棚内实际的温度，并由数字显示电路显示出当时的温度值。

如果采集的温度值高于上限报警温度，系统将发出报警，并同时起动制冷设备，把温度降下来，当温度降到一定的程度，即低于上限复位值时，立即关闭制冷设备，使制冷设备停止工作。

当采集的温度值低于下限报警温度值时，系统又发出报警，并同时起动制热设备，使大棚内的温度上升，当温度上升到一定的程度，即高于下限复位值时，立即关闭制热设备，使制热设备停止工作，从而使温室大棚的温度值维持在一定的范围内。

其具体的温度越限自动控制过程如图2-3所示。

 在测控系统中，开关量控制是应用最多的。

对计算机来讲，则是送出一位0或1控制码信号，用它去触发被控电路。

通常是先触发光电祸合器，然后启动继电器、晶闸管或固体继电器，视被控设备功率大小而选用合适的开关器件。

本系统选用了可寻址的单总线控制开关DS2405，由它送出1位0或1作为控制码信息，去控制报警设备、通风机执行机构等的开启与关闭。

当单片机发现温度传感器DS1820采集到大棚内的实际温度超过温度限制时，便让控制开关DS2405去开启声光报替器报警，同时开启空调机工作。

DS9052为防静电保护二极管。

为防止处在开路状态易受静电等干扰侵入通常在单总线线路的末端都接上DS9502之类防静电保护电路。

2.3.4 系统主要技术指标 

①测量范围:

-55℃一++125℃②测量精度:

0. 5 ℃③反应时间蕊500ms.

2.4 硬件设备的选择 

2.4.1 单片机的选择 

（1）、单片机概述 

将运算器、控制器、存储器和各种输入/输出接口等计算机的主要部件集成在一块芯片上，就能得到一个单芯片的微型计算机。

它虽然只是一个芯片，但在组成和功能上己经具有了计算机系统的特点，因此称之为单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer），简称单片机。

因为其体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。

（2）AT89S51芯片的主要性能 

  AT89S51最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上ISP功能等新功能才能更好实现其控制功能。

AT89S51就是在这样的背景下取代89C51的，现在，AT89S51已经成为实际应用市场上的主流产品。

89S51在工艺上进行了改进，它采用了新工艺，成本降低，而且将功能提升，增强了竞争力。

与MCS-51产品指令系统完全兼容，4K字节在线编程（ISP） F1闪速存储器，1000次擦写周期4. 0-5. 5V的工作电压范围，全静态工作模式:

OHz-33Hz三级程序加密锁，28X8字节内部RAM32个外部双向输入/输出（I/0）口，2个16位可编程定时/计数器，6个中断源，2个全双工串行通信口，低功耗空闲和掉电模式，中断可从空闲模式唤醒系统。

（3）AT89S51芯片的内部结构

功能强大的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价的解决方案。

AT89S51单片机的内部结构可以划分为CPU、存储器、I/0接口、定时与中断系统四部分。

（4）AT89S51引脚功能 

AT89S51与89C51相比，外型管脚完全相同，如图2-4所示。

引脚功能说明如下:

图2-4AT89C51引脚

1电源引脚（<2个）

 ②外接晶体引脚（（2个） 

③并行输入/输出引脚（32个，分成4个8一位口） 

④控制引脚（<4个）

（5） AT89S51的复位

AT89S51-单片机的复位方法有以下2种:

（1）上电复位。

打开电源后，利用R, C充电自动完成上电复位。

当晶体振荡器采用61u}-Iz的频率时，复位电路如图2-5 （a）所示。

（2）上电复位兼手动复位。

既可以上电复位，又可以利用按键闭合，使单片机复位引脚保持2个机器周期以上的高电平，完成手动复位功能。

复位电路如图2-5 （b）所示。

图2-5复位电路

（a）上电复位（b）上电复位兼手动复位

2.4.2 温度传感器的选择 

    当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号通过输入通道，由计算机获取必要的输入信息。

对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务;而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。

传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，工农业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。

2.4.3 晶振电路 

单片机XIAL1和XIAL2分别接30PF的电容，中间再并个12MHZ的晶振，形成单片机的晶振电路。

 晶体振荡器在固定频率振荡器中能够提供较高的精度，绝大多数RTC采用32.768kHz的晶体，晶体振荡器输出经过分频后会产生1Hz的基准来刷新时间和日期。

RTC的精度主要取决于晶振的精度，晶体振荡器在固定频率振荡器中能够提供较高的精度，绝大多数RTC采用32.768kHz的晶体，晶体振荡器输出经过分频后会产生1Hz的基准来刷新时间和日期。

RTC的精度主要取决于晶振的精度，晶振一般在特定的电容负载下，其调谐振荡在正确的频点，而当晶振调谐于12.5pF负载的RTC电路中时，使用6pF负载的晶振将会使时钟变快。

Dallas Semiconductor提供的所有RTC均采用内部偏置网络，因而晶振可直接连接到RTC的X1、X2引脚，而不需要额外的元件。

由于RTC的晶振输入电路具有很高的输入阻抗，因此，它与晶振的连线犹如一个天线，很容易耦合系统其余电路的高频干扰。

而干扰信号被耦合到晶振引脚将导致时钟数的增加或减少。

考虑到线路板上大多数信号的频率高于32.768kHz，所以，通常会产生额外的时钟脉冲计数。

因此，晶振应尽可能靠近X1、X2引脚安装，同时晶振、X1/X2引脚的下方最好布成地平面

图2-6晶振电路

1、常见温度传感器 

温度是一个和人们生活有密切关系的物理量，也是人们在科学试验和生产活动中需要控制的重要物理量。

而在蔬菜大棚生产过程中，温度更是一个影响作物产量和质量的重要因素。

在各种传感器中，温度传感器是应用最广泛的一种。

实际的温度测量中有多种不同的测量方法，常见的温度传感器有以下几种:

（1）热电阻传感器  

（2）热电偶传感器   

（3）半导体管温度传感器     

（4）模拟集成传感器  

 （5）智能温度传感器

   本系统中传感器与数据采集器距离较远，并且需要多点检测，因此，综合上述各温度传感器特点，本系统采用智能温度传感器DS18B20作为温度测量装置。

2.DS18B20简介 

    DS18B20是该公司继DS1820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