毕业设计温室大棚内温湿度自动控制技术的设计.docx

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毕业设计温室大棚内温湿度自动控制技术的设计

SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

毕业设计说明书

温室大棚中温湿度测控系统的设计

学院：

电气与电子工程学院

专业：

电子信息科学与技术

摘要

温室大棚在农业部门中快速发展。

传统的温度控制是在温室大棚内悬挂温度计，工人根据读取的值去调节大棚内的温度。

仅仅依靠人工去控制，既消耗了人力物力，还比较容易发生差错，而且随着温室大棚规模的不断发展，大棚数目的不断增多，要求也越来越提高，迫切要求在现代化的温室大棚建设中实现温湿度的自动测控系统，以控制温室大棚内的植物生长环境。

本设计是基于AT89C51单片机的温湿度测控系统。

该系统是利用温度传感器AD7416，湿度传感器SHT11分别对大棚内的温度、湿度进行采集，温湿度值由单片机处理，最后由单片机去控制数字显示器，从而显示出大棚内的实际温湿度值，并且通过与设定值比较，分析是否超出设定范围，如果超过了预先的温度设定，温度报警器就会发出报警，并同时对温室大棚里的温湿度进行相应的控制。

设计方案能对多点的温湿度进行定时巡检，并且可以利用单片机的串行口，通过RS-232串口通信将所测得温湿度数据传送到计算机中，进行处理。

此设计方案实现了对温湿度的测量，显示和控制。

该系统具有抗干扰能力强，有较高的测量精度，安装简单方便，性价比较高，可维护性好等一系列优点。

该系统实现了对温湿度的实时控制，是一种比较经济、智能的方案，适于大力推广，以便于促进农作物的生长，提高产量，以带来较好的社会经济效益。

关键词：

AT89C51单片机，AD7416温度传感器，SHT11湿度传感器，RS-232串口通信，数字显示器

Abstract

Withhegreenhouseisarapiddevelopmentoftheagriculturalsector.Thetemperaturecontrolishangingthermometerinthegreenhouseworkerstoadjustthetemperatureinthegreenhouseaccordingtothevaluesread.Relysolelyonhumancontrol,costlyinbothhumanandmaterialresources,morepronetoerror,andwiththecontinuousdevelopmentofthescaleofthegreenhouse,shedthegrowingnumberofrequirementsarealsogettingimproved,thereisanurgentrequirementinthemoderngreenhousesconstructionautomatictemperatureandhumiditycontrolsystem,tocontroltheplantgrowthenvironmentwithinthegreenhouse.

ThedesignisbasedonAT89C51microcontrolleranddigitaltemperaturecontrolsystemofthesingle-bustechnology.ThesystemtemperaturesensorAD7416,thehumiditysensorSHT11acquisitionwithinthegreenhousetemperature,humidity,temperatureandhumidityvaluesprocessedbythemicrocontroller,andfinallybythemicrocontrollertocontrolthedigitaldisplay,whichshowstheactualtemperatureandhumidityvaluesinthegreenhouse,andbycomparedwiththesetvalue,theanalysisbeyondthesetrange,ifmorethanthepriortemperaturesetting,thetemperaturealarmwillalarm,andatthesametimethecorrespondingcontroltemperatureandhumidityingreenhouses.Regularinspection,thedesignofmulti-pointtemperatureandhumidityandcantakeadvantageofthemicrocontrollerserialport,RS-232serialcommunicationtothemeasuredtemperatureandhumiditydatatransmittedtothecomputerforprocessing.Thisdesignisameasurementofgreenhousedisplayandcontrol.Thesystemhasstronganti-interferenceability,highmeasurementaccuracy,easyinstallation,highcostperformance,maintainability,andaseriesofadvantages.Thesystemrealizesthereal-timecontroloftemperatureandhumidity,amoreeconomical,intelligentprogram,suitabletopromoteinordertopromotethegrowthofcrops,increaseproduction,tobringabettersocialandeconomicbenefits.

Keywords:

AT89C51microcontroller，AD7416TemperatureSensor，SHT11humiditysensor，RS-232serialcommunication，DigitalDisplay。

第一章绪论

1.1选题背景以及意义

中国的农业要发展必须要走现代化道路，随着经济的快速增长，农业的研究以及其应用技也术越来越受到注重，尤其是温室大棚技术已经成为了高效农业的一个重要的组成部分。

温室大棚就是建立了一个模拟适合生物生长的气候条件，创造了一个人工环境，从而消除了温度对生物生长的限制。

而且，温室大棚能够克服环境对农作物生长的限制，能使不同的农作物在不适合生长的季节生长，使农作物的生长不再受季节的过度影响，部分或者完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。

由于温室大棚可以带来非常可观的经济效益，所以温室大棚技术在农业的发展中越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段。

随着温室大棚技术的普及，以及数量的不断增多，温室大棚的温湿度控制便成为了一个特别重要的课题。

传统的温湿度控制是在温室大棚内部悬挂温、湿度计，通过读取温、湿度值进而了解实际的温度和湿度，然后根据现检测的温湿度与额定值进行比较，看温湿度是否超过限定值，然后进行相应的通风或者相应的洒水。

这些操作都是人工的，耗费了大量的人力以及物力。

现在，随着国家经济的迅速发展，农业产业规模的进一步提高，大棚中培育出的农产品品种数量的逐渐增多，对于数量较多而又大型的大棚，传统的温湿度控制措施就出现了局限性。

这要求我们提高温湿度检测与控制技术，来满足对温室大棚建设的需要。

目前，随着蔬菜大棚数目的增多，人们对其性能要求也相应的越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化控制程度要求也越来越高，采用单片机来控制温湿度，不仅具有容易控制、配置简单和灵活性的优势，而且可以大大提高所测温湿度的技术指标，从而可以提高产品的数量和质量。

单片机因为它具有功能强、高可靠性、体积小、造价便宜和开发周期短这些优势，广泛用于自动化测量和控制现场设备，特别是在日常生活中发挥的日益重要的作用。

因此，单片机对温度和湿度的控制问题在农业生产中是一个会经常会遇到的问题。

因此，本课题围绕基于单片机的温室大棚中温湿度的测量和控制系统展开了主题研究工作。

1.2国内外温湿度测控技术的研究及发展状况

国外对温室环境控制技术的研究相对较早，先是采用模拟式组合仪表，采集信并息进行指示、记录以及控制。

而后又出现了分布式的控制系统。

目前正研制的是计算机数据采集测控系统的多因子综合测控系统。

目前世界各国的温室大棚测控技术的发展很迅速，一些国家也朝着完全自动化、无人化的这个进行方向进行发展。

从国内外温室测控技术的发展状况来看，温室测控控制技术大致有三个发展阶段，手动控制阶段：

这是温室大棚控制技术发展的初期所采取的种植者既充当温室环境的传感器的一种基本的手段，手动控制其实并没有真正意义上的控制系统。

又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室大棚控制的核心。

通过对温室内外的环境和对作物生长状况的观察，凭借积累的经验和直觉进行判断，手动调节温室大棚内的环境。

种植者用手动控制的方式，对于农作物生长状况的反应是最迅速、最直接而且是最有效率的，这符合传统的农业生产自然规律。

但是手动控制的劳动生产率特别低，不能够满足工厂化农业生产的各项需要，而且要求种植者的素质特别高。

自动控制阶段：

这种测控系统需要种植者来输入温室内农作物生长环境的限定参数，计算机则根据各个传感器实际的测量值与限定值进行一定的比较，以决定温室大棚内环境的控制过程，并控制相应的机构进行降温、加热和通风等动作。

计算机控制的温室测控系统实现了生产的自动化，适合大规模化的生产，同时提高了劳动生产率。

通过改变温室内的环境限定值，可以自动调节温室内环境气候，但是这种测控方式难以对农作物生长状况的改变做出及时的反应。

目前我国绝大部分的自主开发现代化的大型温室测控及从国外引进的一些设备也都是属于这种测控方式。

智能化控制阶段：

这是在温室生产实践和温室自动控制的基础上，通过收集农业领域知识、技术进行总结和专家系统的各种试验数据，以建立的植物生长数学模型作为理论的依据，研究开发出的温室专家测控系统技术，它可以适合不同农作物的生长。

温室测控技术沿着手动、自动、智能化控制的进程进行发展，向着功能越来越完备、越来越先进的方向进行发展。

因此，温室环境测控也正朝着基于作物的生长模型、温室综合环境因子的分析模型以及农业专家系统的自动采集温室信息及智能测控的趋势进行发展。

1.3设计的主要内容

此次设计的主要内容：

硬件电路部分：

（1）根据测控系统的需要来完成传感器的类型选择工作。

本系统能够同时检测出多路温度及湿度，同时能根据实际的需要，检测点数可以扩展。

（2）串行通讯接口的设计。

本系统能够实现主机与从机的通讯。

在主机上能够以友好的界面来显示温室大棚的状态，这可很大程度上给管理人员进行操作和科研人员进行数据分析提供了方便。

本测控系统串行通讯接口采用RS-232标准与上位PC机进行通讯，硬件芯片则采用MAX232进行电平的转换。

（3）显示功能的设计。

用LED循环显示各个测量点的温湿度值。

（4）报警功能的设计。

当某个测量点的温度或者湿度值超过了限定值时，启动声音报警装置进行报警。

温湿度测控系统的主要技术指标：

温度检测范围：

20℃~30℃

测量的精度：

0.5℃

湿度检测范围：

65%~85%RH

检测的精度：

1%RH

显示方式：

温度、湿度进行分时显示，四位显示

报警方式：

三极管驱动蜂鸣音报警

软件的部分：

本测控系统的软件部分是采用的是C语言进行编程，而且采用了模块化的设计思路来实现测控系统的各个功能。

满足上述所有功能的温湿度测控系统的程序由主程序、温湿度采集子程序、报警子程序，通信子程序这四部分组成。

第二章系统硬件电路的总体分析与设计

2.1整个系统方案的设计

温室测控系统是依据温室内外传感器所检测到的温湿度值，用单片机去控制各个部分，通过执行机构对温室内的温湿度值进行调节控制以达到温室内温湿度需要值。

由于温室占地面积较大、被控对象多，导致温室环境监控系统需要使用大量的传感器、执行机构以及控制器，测控系统设计采用智能型温度传感器AD7416，从而可以利用节约成本，提高监控系统的可靠性和实用性。

系统原理框图见图2-1所示。

图2-1系统原理总框图

2.2单片机的选择

AT89C51是美国的ATMEL公司所生产的功耗低、性能高的8位CMOS单片机，片内含4kbytes的可以系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用的ATMEL公司的生产技术具有高密度、非易失性存储的优点，与8051指令系统及引脚兼容。

它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可以用传统的方法进行编写程序及通用8位微处理器于单片芯片之中，ATMEL公司生产的功能强大、价位低的AT89C51单片机可以应用于很多高性价比的场合，可以灵活的应用于多种控制领域。

2.2.1AT89C51的主要性能参数

（1）内含4KB的Flash存储器，1000次写∕擦写周期；

（2）内含128字节的RAM；

（3）32个可编程I/O口线；

（4）2个16位定时器/计数器；

（5）6个中断源、5个中断矢量、2级优先权的中断结构；

（6）具有一个全双工UART串行通道；

（7）掉电模式和低功耗空闲；

（8）具有1个数据指针DATA；

（9）具有可编程的3级程序锁定器；

2.2.2AT89C51主要引脚功能

AT89C51的管脚排列如图2一2所示：

图2一2AT89C51引脚图

P0口（P0.0~P0.7）：

P0口是一组8位的漏极开路型的双向的I/O口，也即地址/数据总线的复用口。

当作为输出口使用时，每位能够驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”则可作为高阻抗的输入端使用。

当访问外部得数据存储器或者程序存储器的时侯，这组口线分时转换德地址（低8位）和数据总线复用，在访问器件激活内部的上拉电阻。

P1口（P1.0~P1.7）：

Pl是内部带上拉电阻的一个8位双向的I／O口，Pl的输出缓冲级可以驱动4个TTL逻辑门电路。

对端口进行写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部的上拉电阻，引脚通过一个外部信号被拉到低电平时会输出一个电流（IIL）。

Flash编程和程序验证期间，Pl接收低八位地址。

P2口（P2.0~P2.7）：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位的双向I／O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。

端口进行写“1”，端口拉高内部上拉电子可以作为输入，当被用作输入口时，因为内部有上拉电阻，某个引脚在被外部信号拉低的时侯会输出电流（IIL）。

在进行访问外部的程序存储器或16位地址外部数据存储器的时侯，P2口会送出一个高8位地址数据。

在进行访问8位地址的外部数据存储器的时侯，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器内容），在整个访问期间不改变。

Flash编程或者使校验得时侯，P口2亦接收一些高位地址和其它的控制信号。

P3口（P3.0~P3.7）：

P3口是一组有内部上拉电阻的8位的双向I／0口。

P3口输出缓冲级可驱动4个TTL的逻辑门电路。

对P3口进行写入“l”时，被内部的上拉电阻拉高且可以作为一个输入端口。

作输入端时，被外部拉低的P3口将会使用上拉电阻来输出电流（IIL）。

P3口除了作为一个一般的I／0口线外，它的第二功能有更重要的用途。

ALE∕PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

RST：

复位输入端。

在震荡期稳定有效运行情况下，RST端维持两个机器周期的高电平，便可复位器件。

∕PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

低电平有效，在片外程序存储器取指期间，当∕PSEN有效时，程序存储器的内容将会被送至P0口，在访问外部RAM时，∕PSEN无效。

∕EA∕VPP：

当∕EA保持低电平时，则在此期间外部存储器（0000H~FFFH），不论是否有内部程序存储器。

VCC：

电源电压。

XTALI：

单芯片系统时钟的反向放大器输入端。

使用外部振荡器时，连接外部石英晶体和微调电容。

XTAL2：

系统时钟的反向放大器输出端。

当使用片内振荡器时，外部接石英晶体和微调电容。

2.2.3AT89C51基本电路

图2-3ST89C51基本电路

时钟振荡电路是CPU所需的所有的定时控制信号所必备的单元。

CPU仅在控制信号和时序信号的协调工作下，才能够执行各种程序指令。

AT89C51单片机的内部含有振荡器电路，但电容和晶体振荡器在片外，由XTATL1和XTATL2接片内。

XTAL1是振荡器的反相放大器和内部的时钟信号发生电路产生的电路输入输入，XTAL2是振荡器反相放大器的输出。

在XTAL1和XTAL2的引脚上进行外接定时元器件，内部的振荡电路会产生自激振荡。

本系统所采用的定时元器件是晶振和电容所组成的并联谐振回路。

晶振的频率为12MHz，电容大小通常选在20~30pF，这里选30pF。

电容的大小则可以起到调节频率的作用。

其电路图如2-3所示。

在正常工作下，按下开关键S1，即可实现手动复位。

复位时C1相当于短路。

2.3温度测控设计

2.3.1温度传感器的选择

AD7416是美国模拟器件有限公司生产的单片机温度测控集成电路，它的内部包含带隙温度传感器和10位数模转换器，具有8引脚SO-8和RM-8封装形式。

测温分辨率能达到0.25℃，而且具有I2C总线接口等特点。

最多可进行级联8片芯片，组成多回路温度检测，温度测量范围是-55℃~+125℃.现场温度直接以数字方式输出，这样，有效的提高了测控系统的抗干扰性。

AD7416的8脚管脚排列如图2-4所示；

图2-4AD7416封装图

引脚说明：

GND：

电源地；

VDD：

正电源电压，2.7~5.5V；

SCL：

串行总线时钟；

OTI：

超温掉电输出，漏极开路，可做中断输出信号，在系统构成时为了降低功耗，上拉电阻的阻值至少大于10KΩ；

SDA：

数字I/O。

双向的数据串行总线，漏极开路输出，使用时必须接上拉电阻；

A2~A0：

可编程串行总线地址的低3位；

该器件主要组成部分为：

带隙温度传感器、10位A∕D转换器、可设点比较器、温度寄存器、故障排队计数器。

AD7416内部的配置寄存器为8位读∕写寄存器，可用于设置操作方式，其格式为表1所示：

表1温度寄存器

D7D6D5

D4D3

D2

D1

D0

通道选择

故障排队

OTI输出极性

比较∕中断

工作方式

数字温度传感器AD7416的最大的一个特点就是I2C总线数据传输方式。

在数据的传送过程中，AD7416作为从器件通过数据输入∕输出线SDA及时钟信号线SCL与总线连接。

当在时钟信号SCL是高电平的时候，数据线SDA从高电平跳变为低电平则说明数据开始传送，然后就会传送AD7416地址信息的读∕写控制位，它的地址信息格式是：

1001A2A1A0R/W。

根据A2A1A0的不同的编码，一个串行总线上最多可以悬挂8片AD7416，读∕写控制位为1的时候，就表示对AD7416进行读操作；为0的时候就表示是进行写操作。

当传送结束的时候，必须要在收到数据的确认信号（ACK）时才可以开始下一步的操作。

然后在读∕写控制位和地址信息后传送寄存器的数据以及地址，最后，在SCL保持高电平时，当SDA由低电平跳变到高电平的时候就终止数据的传输。

2.3.2AD7416测控电路

其基本电路连接图如图2-5所示；

图2-5AD7416连接图

AD7416与单片机连接如图2-6所示

图2-6AD7416与单片机的连接图

该连接电路比较简单，VDD为电源端口，GND为接地端，SDL为串行数据输入，连接单片机I∕O口，必须接上拉电阻。

SCL为时钟信号输入端。

当AD7416处于写存储器操作以及温度A∕D转换时，总线上必须使用上拉电阻，因此接入1K的电阻，而且上拉电阻开启的时间最大为10us。

其工作原理则是进行计算机编程、单片机编程，使传感器可以正常的工作，去检测大棚里的温度，并会由数字电路显示出所测的温度值。

而AD7416的A2A1A0为“000”是表示传输第一片的温度采集值，A2A1A0为“001”时表示传输第二片的采集值。

2.4湿度测控设计

2.4.1湿度传感器的选择

SHT11是瑞士森斯瑞公司推出的超小型、自校型、高精度、多功能式的智能传感器，可以用来测量相对湿度、温度和露点等参数。

这类智能传感器广泛用于工农业生产、环境监测、通风及空调设备等领域。

SHT11的主要性能如下：

（1）将温湿度传感器、信号放大器、A/D转换、I²C总线接口全部集成于一个芯片；

（2）可给出全校准相对湿度计温度值输出；

（3）具有漏点值计算输出功能；

（4）湿度值分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可以变成12位和8位；

（5）小体积，可表面贴装；

（6）具有可靠的CRC数据传输校验功能；

（7）片内装载的校准系数可保证100%互换性；

（8）电流消耗低，测量时550µA,平均28µA，休眠时3µA；

SHT11的引脚图如图2-7所示

图2-7SHT11管脚排列

2.4.2SHT11与单片机连接图

湿度传感器的测温原理是，首先利用两只传感器分别产生了相对湿度的信号,经过了放大，再分别送到A∕D转换器进行数∕模转换、校准以及纠错，最后会通过二线串行接口把相对湿度数据送到微控器。

微控器芯片得内部有一个加热器，利用它可以实现下列这三种功能：

（1）通过进行比较加热前后所测出来的相对湿度值就可以确定传感器是否能够正常的工作；

（2）在潮湿的环境下用加热器也可以避免传感器产生凝露；

（3）测量露点的时侯也会用加热器。

SHT11在使用时，在数据线上用一组“启动传输”的时序来表示初始化数据传输。

包括：

当SUK时钟为高电平的时侯，DATA翻转至低电平，紧接着SUK变成低电平，随后在SUK时钟为高电平的时侯DATA翻转为高电平。

后续德命令包含3个地址（目前支持“000”）和5个命令位，具体命令集见表4。

SHT11会用下述来方式表示已经正确接受到了指令：

在第8个SUK的时钟下降沿后，将DATA下拉至低电平（ACK位）；在第9个SUK的时钟下降沿后，释放DATA（恢复为高电平）。

表2-1SHT11的命令集

命令

代码

预留

0000x

温度测量

00011

湿度测量

00101

读状态寄存器

00111

写状态寄存器

00110

预留

0101x～1110x

软复位，复位接口、清空状态寄存器为默认值，下一个命令前等待至少11ms

11110

SHT11测量时，发布测量命令（‘00000101’表示的是相对湿度RH，‘00000011’表示的是温度T）后，控制器等待测量停止后。

此过程大约需要1