大棚温湿度自动控制系统.docx
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大棚温湿度自动控制系统
重庆三峡学院
毕业设计（论文）
题目大棚温湿度自动控制系统
院系机械工程学院
专业机械设计制造及其自动化
年级2010级
学生姓名
学生学号
指导教师吴光杰职称教授
完成毕业设计（论文）时间2014年4月
大棚温湿度自动控制系统
名字
（重庆市三峡学院机械工程学院系机械设计专业2010级重庆万州404000）
摘要现今，对于人们来说，温室大棚是再熟悉不过的了，因为现在大棚技术广泛应用于我们生活中，其中像很多水果、蔬菜、花卉等都是由大棚温室栽培而来。
如何利用自动检测及自动控制系统对大棚的环境因子进行控制，以达到种植产物所需环境，从而提高效益，对我国温室的发展有不可估量的重要意义。
该设计采用STC89C52单片机作为核心处理系统，温湿度监测模块DHT11作为温湿度数据采集系统，这样就可以通过单片机进行处理和发出指令让各个执行机构作出相应动作，从而实现大棚温湿度值的自动调节。
同时该系统采用LCD1602液晶显示。
其具体为由DHT11采集大棚温湿度，然后传入STC89C52单片机进行处理。
当温湿度不在作物最适生长环境时，报警器报警，同时控制继电器开关开启或断开加热设备、加湿设备。
从而实现对大棚温湿度的自动控制，以达到作物最适温度值。
本系统具有系统稳定可靠、传输距离远、测量准确、功耗低、维护简单等优点。
并且该文章在其他相似领域也有一定参考价值。
关键词大棚温湿度传感器自动控制STC89C52
一、绪论
1.1课题背景
1.1.1国外温室发展历程及现状
在国外，罗马是最先进行温室栽培的国家，在公元时代的初期，罗马就把透明的云母片覆盖在黄瓜上，来让它快速的成熟。
到了15~16世纪，法国、英国、荷兰等国家开始应用比较原始的温室来生产当季蔬菜和水果；在17~18世纪，法国、英国、荷兰等国家又都纷纷开始建造用玻璃建造的温室。
到了19世纪初，英国就开始全身心投入到温室的加温设备和屋面的坡度对温室的进光量影响的研究，其最后研制和开发了双屋面的玻璃温室，其主要用于种植水果和蔬菜，例如：
柑橘、甜瓜、黄瓜、葡萄、甜橙、凤梨等作物。
后来，到了19世纪后期，温室栽培技术就从欧洲传到了世界的各地，并逐渐普及开来并得到广泛应用。
20世纪60年代，现代温室在世界各国都得到了逐步的完善并快速发展。
现代设施园艺发达国家的现代温室大都以大型连栋温室为主（只有我国仍以日光温室为主）。
从20世纪70年代以来，由于西方发达国家在设施农业上对用户大量投入和补贴，所以设施农业迅速得到发展。
到目前为止，全世界由塑料薄膜做成的温室约有60万
，在亚洲地区较多；欧美地区则主要以玻璃温室为主，其玻璃温室达40000
；全世界的新型覆盖材料聚碳酸酯板温室多于10000
。
而目前以荷兰作为代表的欧美国家，他们的设施园艺规模很大，并且自动化程度比较高、生产的效率非常高，温室内影响作物生长的各种因素比如：
光、水、气、肥等都实现了智能化的控制。
在荷兰，他们的人均耕地比较少而且土地资源也非常的紧缺，他们就主要发展现代设施园艺和养殖业，在世界上，它的设施园艺是最发达的。
到目前，荷兰的温室面积、规模、水平都排在世界前列。
现有现代玻璃温室达11000
，占世界玻璃温室面积的
，温室蔬菜产值占他们国家蔬菜生产总值的
。
荷兰是世界第一大花卉出口国，其花卉生产也主要是依靠温室。
但是，荷兰并没有专门从事温室制造的企业，只有一些生产配件的厂家，覆盖材料及保温材料全由比利时、瑞典等国提供进口。
另外以色列的现代温室也非常先进，它可以根据作物对环境的不同要求，通过计算机来自动检测环境和对其进行自动的调控，实现温室的环境随时保持在作物的最佳生产环境之中，从而实现高产，以满足人们的需求。
近几年，美国、日本等国采用人工补充光照、网络通讯技术和视频技术对温室环境进行远程诊断和控制，由机械手进行移栽作业，是世界最先进的全封闭式生产体系。
1.1.2国内温室发展历程及现状
在世界各国当中，我国是最早运用温室栽培的国家，早在2000多年前就用保护设施来种植各种当季蔬菜。
在1958年，我国就开始自行生产农用的聚乙烯薄膜，其主要运用在小棚之上。
20世纪60年代，我国的设施农业相对于其他国家来说还处于规模较小、水平较低、发展速度缓慢的阶段，主要是运用小棚技术，大棚还未出现。
小棚主要为拱形，高1.0m、宽1.5至2.0m。
到了1966年，小拱棚被改成2m高的方形，其出现在长春的郊区，但是它的抗雪能力很差，而且很容易倒塌。
最后经过了多次的改进设计，最后设计出高2m、宽15m的拱形大棚，这样的设计在北方得到认同后逐渐得到推广和普及。
随着科技的不断进步和经济的快速发展，在20世纪80年代，温室也得到了快速的发展。
在此期间，我国主要发展的是以塑料薄膜为覆盖材料的日光温室，使温室的生产效益较以前来说有了大大的提高，从而基本上解决了北方地区的蔬菜在淡季供应难的问题。
并且，我国还从国外引进了大约20
的大型连栋温室，分别建造在我国不同的气候带，但是由于缺乏管理和配套技术也存在问题，这些大型温室带来的经济效益均较差，又不得不陆续退出我国市场。
从90年代开始，我国的设施农业就渐渐开始向规模化、集约化和科学化的方向发展，在温室大棚的面积和农作物质量方面取得了双丰收。
我国近代温室在经过不断的改进后，从改良型日光温室，再到大型玻璃温室，最后到现代化温室，由最开始的低级到现在的高级，基本实现了结构类型的多样化，并且相关的配套设备和材料也越来越完善。
但是因为我国各个地区的生产状况、经济条件和利用目的不同，所以到目前为止国内并不是全部都应用的是现代温室，各个阶段的温室在我国都保有一定的量。
现今，我国的温室大棚面积居世界第一，总建筑面积高达200多万
，占世界温室面积的42.8%。
日光温室主要分布在山东省的青州市和附近的几个区县，主要用于种植蔬菜，也有用于栽培苗木的，但是占有量很少。
在南方地区则主要应用塑料大棚，用于种植花卉和苗木。
我国的温室在商品话方面占有的比例很低，由于受到生产成本等条件的限制，档次较高的商品话温室主要被一些机关团体、军队、农场和科研单位采用，很少被个体及一般农民使用。
普通农户基本上采用的是自己建造的简易拱棚，约占我国温室总量的60%以上。
他们当中有的温室结构比较简单而且设备也非常简陋，很难实现环境的综合调控。
1.2研究目的及意义
温室的作用就是用来改变植物的生长环境，改变长期以来外界环境对植物生长的不利影响，比如天气的变化，从而给植物创造一个适合它生长的最有利条件。
我们所说的温室一般都是用采光和覆盖材料来当它的结构材料，它可以在不适宜植物生长的季节来生产我们想要生产的作物，从而达到对植物进行调节生产季节、生产时间、促进生长发育、防止其受到病虫的危害以及提高作物产量的目的。
影响作物生长的环境因素有很多，比如光照，温度，湿度，二氧化碳浓度等因素，温室控制主要是控制温室内的温度、湿度等条件。
虽然我国的温室大棚面积在世界来说是第一，但是我国是农业大国，但是国内的粮食、水果、蔬菜等远不够满足国内所需，为了满足国人的需要每年大量从外国进口。
虽然我国的温室大棚面积居世界第一，但是在全国土地总面积上，我国的大棚面积占有量还是非常的少，尤其是南方，应用大棚技术的可以说是微乎其微，所以大棚的普及与发展迫切成为各地的强烈需求。
虽然在有些地方的温室中也安装了各种加热、加湿、通风和降温的设备，但是多半是由人工来操作完成。
当温室面积较大或者数量较多时，我们需要的人工数量就很大，而且他们的劳动很非常的大，即使这样人为操作也无法达到对温湿度的准确控制，所以对于大众来说自动化控制大棚技术迫切成为他们的需求。
为了解决这一现状本文就提出一种大棚温湿度自动控制系统，即基于51单片机和温湿度传感器的温室控制系统。
该系统实现了大棚温湿度的自动检测和自动调节，大大降低了人为操作的步骤，降低了人们的劳动强度，并且本系统采用的是喷灌系统作为改变大棚温室湿度环境的方法，大大节约了水资源。
二、系统的整体设计方案
2.1系统的设计分析
植物温室大棚的作用是改变植物的生长因子，从而去除外界环境中不利于植物生长的不良因素，为植物提供一个良好的生长环境。
在温室大棚中，一般采用到的材料有采光较好的玻璃和钢铁，还有遮阳性的材料。
它可以培养不适应在该季节下生长的植物，对农作物的生长因子进行调节，促进植物的生长发育，防止天气、病虫的危害，以达到增产的目的。
本设计的主要研究对象是自动检测与控制大棚温室的温度和湿度。
应用温湿度传感器对温湿度进行检测，传入单片机进行处理，当检测到的温湿度不符合作物的生长时，打开相对应的设备进行调节。
温度调节主要是通过加热片进行加热（现实中利用加热机进行加热），而湿度调节主要是通过超声波雾化器进行加湿。
由于现实中一般情况下温度不会大于植物所需温度，湿度控制好浇水量也不会大于植物所需湿度，当温湿度大于所需温湿度时可采用通风来实现降低温湿度。
2.2系统的设计的具体内容
本系统要求设计的是一个大棚基地温湿度自动控制系统，本文所采用的是DHT11温湿度传感器进行大棚空气中温湿度的检测，然后传入STC89C52单片机进行处理，当检测到的温度低于预设的作物最适温度范围值时，报警器进行报警，同时打开加热片进行加热且指示灯亮，直到加热到作物最适温度下限，报警器停止工作，加热到最适温度上限停止加热。
当温度高于最适温度时，蜂鸣器工作，报警。
当DHT11检测到空气中湿度低于预设范围时，蜂鸣器报警且打开超声波雾化器加湿和工作指示灯，当达到最适温度下限时蜂鸣器停止工作，加湿到最适湿度上限停止超声波雾化器工作，当DHT11检测到空气中湿度高于预设范围时，蜂鸣器报警。
2.3系统硬件电路整体框架图
图2-1系统硬件电路整体框架图
DHT11温湿度检测模块用于对大棚的温湿度进行数据采集，STC89C52单片机进行数据处理，LCD1602显示模块用于显示人为给大棚设定的标准值和当前测量得到的温湿度值。
复位模块用于对单片机设置的温湿度范围进行复位调节。
晶振模块用于传输时钟信号给单片机。
按键模块用于对大棚温湿度的范围值进行调节，由于不同的作物需要不同的温湿度范围，所以按键模块用于调节预设值，可以设置不同的范围。
温湿度报警模块用于对超过预设定的温湿度值时进行报警提示。
温度调节系统用于对温度进行调节，湿度调节系统用于对湿度进行调节。
2.4系统硬件总体电路图
图2-2系统硬件总体电路图
三、大棚温湿度自动控制系统硬件系统设计与选型
3.1单片机的选择
单片机自从问世以来，它就广泛用于工业检测和控制应用。
当今世界上的单片机种类有很多种，产品性能也各有不同。
市场上常用的单片机有MICROCHIP公司生产的PIC单片机系列，Atmel公司的AT89、AT90系列，Intel公司的MCS-51系列和STC公司的单片机等。
其中，STC单片机主要是基于8051内核，是新一代增强型单片机，指令代码不仅完全兼容传统的8051单片机，而且速度是其8到12倍。
并且依然具有传统单片机的体积小，可靠性高，功能强，价格低等特点，还有加密型好，抗干扰强等特点。
最开始的8031单片机片内没有自带的程序存储器ROM，使用时就要外接程序存储器和逻辑电路74LS373，在我们用到的外接程序存储器一般都用的是EPROM的2764系列。
如果用户想对EPROM中已经有的程序加以修改的话，就必须擦除里面原有的程序，因为单片机没有自带的擦除功能，只有另外用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，然后再可写入。
但是，写进到外界程序存储器的程序代码就没有保密性。
而8051单片机在片内多加了一个4K的ROM，从此就不用再外接存储器了。
但是我们根本没有办法私下将程序烧写进去，只有将编的程序交给芯片厂让其帮忙烧写，而且烧写的程序今后都不能修改。
8751单片机总体上来说和8051单片机差不多，只是8751单片机片内加了一个4K的EPROM，用户可以私下将自己的编写的程序烧写到EPROM中，但是如果要修改程序的话，同样要用紫外线照射来擦除，而后才可以从新烧写新的程序。
89C51单片机为EPROM型，可以说89C51单片机融合了8051和8751的优点，在应用中可以完全代替他们，因为他不仅有他们的功能，而且管脚也兼容，而且存储器为4K的并是FLASH工艺的。
89C52是由北京集成电路中心（BIDC）设计，由美国的Atmel公司生产八位单片机。
AT89系列不仅与8051系列单片机兼容，而且他是8位Flash单片机。
并且他有很多优点，例如：
低功耗、高性能、可烧录及可擦除程序等功能。
经过以上的对比来看，考虑到使用方便与简化电路以及其性价比等，89C52比较合适。
而且深圳宏晶科技有限公司生产的STC89C52单片机由于具有其他公司生产的89C52单片机的全部优点，而且其具有加密型好，抗干扰强，而且价格相对较低，所以本设计中，最终确定选用STC89C52单片机。
STC89C52管脚图如图3-1所示。
图3-1STC89C52引脚图
STC89C52的主要管脚功能如下：
VCC（40引脚）：
电源电压+5V
VSS（20引脚）：
接地
P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：
输入输出脚，可用于8位并行I/O口或分时复用为地址和数据总线。
作为输出口，每个引脚能驱动8个TTL负载。
定义为I/O时，需外接上拉电阻。
P1端口（P1.0～P1.7，1～8引脚）：
输入输出脚，8位准双向并行I/O口。
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
能负载4个TTL。
P2端口（P2.0～P2.7，21～28引脚）：
输入输出脚，8位准双向并行I/O口。
P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
能负载4个TTL。
P3端口（P3.0～P3.7，10～17引脚）：
输入输出脚，8位准双向并行I/O口。
P3口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。
能负载4个TTL。
而且都具有第二功能，P3.0和P3.1为串行数据传输，P3.2和P3.3为外部中断请求，P3.4和P3.5分别为定时器0和1的外部输入，P3.6和P3.7分别用于读写单片机外部RAM，是外部数据写选通信号和读选通信号。
RST（9引脚）：
单片机内部CPU的复位信号输入端。
ALE/
（30引脚）：
ALE是地址锁存使能端和编程脉冲输入端。
（29引脚）：
片外程序存储器读选通信号线，低电平有效。
当从外部程序存储器读取指令或者数据期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线P0口都回指令或者常数。
在访问片外数据存储器期间，
信号处于无效状态。
XTAL1（19引脚）：
接外部石英晶体的一端。
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2（18引脚）：
接外部石英晶体的另一端。
振荡器反相放大器的输出端。
（31引脚）：
当
输入端输入高电平时，CPU可访问片内程序存储器4KB或8KB的地址范围。
当
输入低电平时，则只能访问片外程序存储器，不论片内是否有程序存储器。
3.2温湿度数据采集系统的选型及简介
3.2.1温湿度数据采集系统的选型
在单片机的应用当中，数据采集是一个非常重要的环节，并且它也是单片机和传感器工作的重要接口。
在我们实际的应用当中，单片机的数据采集信号类型主要分为以下几种：
一种是模拟的电压信号和电流信号，另一种是数字信号。
一般的单片机都是用A/D转换从而来实现对外部电压信号的采集，利用电流/电压转换芯片和A/D转换实现对电流信号的检测；通过脉冲计数或I/O口时序来处理数字信号。
在我们现实生活中的工农业生产环境当中，是非常难找到一个与温湿度无关的领域。
由于我们应用的领域各不相同，所以对温湿度的测量精度要求和传感器的技术要求也不同。
从制造的角度来看，温湿度传感器由于材料和结构及其工艺不同，造成了它性能和技术指标相互之间也有非常大的区别，所以价格也因此而相差巨大。
现目前市面上有很多种类的温湿度传感器，比如由瑞士Sensirion推出的SHTxx系列的数字温湿度传感器、HRTMS02温湿度传感模块以及DHT11温湿度传感器等。
由于DHT11具有非常多的优点，例如：
品质卓越，响应快、抗干扰能力强、性价比极高等，而且它的体积很小，功耗也很小，并且信号传输距离可达20m以上，使其应用范围极广甚至最为苛刻的应用场合，故综合以上优点本系统决定采用DHT11温湿度传感器。
3.2.2DHT11温湿度传感器的资料简介
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。
每个DHT11传感器都是在极为精确的湿度校验室中校准出来的。
校准系数以程序的形式存储在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
DHT11芯片如图3-2所示，引脚说明如表3-1所示。
图3-2DHT11传感器
表3-1DHT11引脚说明
Pin
名称
注释
1
供电3－5.5VDC
2
DATA
串行数据，单总线
3
NC
空脚，请悬空
4
GND
接地，电源负极
DHT11性能参数如下表3-2所示：
表3-2DHT11性能参数
参数
条件
Min
Typ
Max
单位
湿度
分辨率
1
1
1
%RH
8
Bit
重复性
±1
%RH
精度
25℃
±4
%RH
0～50℃
±5
%RH
互换性
可完全互换
量程范围
0℃
30
90
%RH
25℃
20
90
%RH
50℃
20
80
%RH
响应时间
1/e（63%）25℃，1m/s空气
6
10
15
S
迟滞
±1
%RH
长期稳定性
典型值
±1
%RH/yr
温度
分辨率
1
1
1
℃
8
8
8
Bit
重复性
±1
℃
精度
±1
±2
℃
量程范围
0
50
℃
响应时间
1/e（63%）
6
30
S
DHT11的供电电压为3～5.5V。
DHT11温湿度传感器上电后，需要等待1s用来越过其不稳定的状态，在这期间不需要发送任何指令。
电源引脚（
，GND）之间可增加一个100nF的电容，用来去耦滤波。
单片机和DHT11之间的通信和同步采用的是单总线数据格式，一次通信时间大约为4ms，数据分为小数和整数两部分。
单片机读取操作时，连续读出5个字节的内容，即一次完整的数据传输为40bit，高位先出。
其数据含义如表3-3所示。
表3-3DHT11数据格式
读出数据顺序
含义
1
8bit湿度整数数据
2
8bit湿度小数数据
3
8bit温度整数数据
4
8bit湿度小数数据
5
8bit校验和
其中：
数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据、8bit湿度小数数据、8bit温度整数数据、8bit温度小数数据”几位相加所得结果的末8位。
单片机发送一次开始信号之后，DHT11温湿度传感器就从低功耗模式转为高速模式，等主机开始信号完成后，DHT11就发送相应的信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可以选择读取部分数据。
从高速模式下，DHT11温湿度传感器接收到开始信号后触发一次温湿度数据采集，如果没有接收到主机发送的开始信号，DHT11温湿度传感器就不会主动去进行温湿度数据采集。
采集到数据后就转换到低速模式，时序波形如图3-3所示。
图3-3DHT11波形图
总线空闲状态为高电平。
在单片机把总线拉低等待DHT11响应的时候，单片机就一定要把总线拉低大于18ms，这样才能保证DHT11能检测到起始信号。
当DHT11接收到单片机的开始信号后，需要等待单片机开始信号的结束，然后DHT11温湿度传感器就发送80µs低电平响应信号。
通信过程如图3-4所示。
图3-4DHT11通讯图
单片机发送结束信号之后，需要延时等待20µs～40µs，然后才能读取DHT11的响应信号。
总线由上拉电阻拉高，在DHT11发送响应信号时，总线电平变低。
当总线为低电平的时候，就说明DHT11发送了响应信号，然后，再把总线拉高80µs，准备发送数据，每一bit数据都以50µs低电平时隙开始，数据位的0和1主要由高点平的长短来决定。
数字0信号表示方法如图3-5所示，数字1信号表示方法如图3-6所示。
图3-5数据“0”信号表示方法
图3-6数据“1”表示方法
如果我们读取到的响应信号为高电平的话，则代表DHT11没有根本响应，那么我们就应该检查线路是否连接正常。
当最后1bit数据传送完之后，DHT11就把总线拉低50µs，之后总线由上拉电阻进入空闲状态。
DHT11温湿度传感器应用电路比较简单，只需把数据脚和单片机的I/O相连即可。
电路接口连接如下图3-7所示。
图3-7DHT11电路连接图
如果连接线长度短于20m的话，建议用5KΩ的上拉电阻，如果大于20m的时候则可以根据实际情况选择合适的上拉电阻。
本设计采用的是5kΩ的上拉电阻。
3.3LCD1602液晶显示模块介绍
3.3.1LCD1602液晶显示器基本介绍
由于本设计中涉及到温湿度的同时显示，所以显示内容至少两行，而一般的显示器只能显示单个数字，而1602微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等特点成为选择的最理想用品。
LCD1602液晶显示屏模块是用5*7点阵图形显示一个字符，其中‘16’代表每行可以最多显示16个字符；‘02’代表总共可以显示两行。
其模块实物图如图3-8所示。
（a）1602液晶显示屏实物图正面
（b）1602液晶显示屏实物图背面
图3-8LCD1602液晶模块产品实物图
3.3.2LCD的基本参数及引脚功能
目前市场上有多种1602液晶模块产品，基本可分为带背光和不带背光的两种，其液晶模块基本是使用HD4470驱动芯片，其中带背光的体积比不带背光的要稍大，但是功能方面它们两者的区别不大。
其尺寸差别如图3-9所示。
图3-9LCD1602尺寸图
1602液晶显示模块主要技术参数参考表如表3-4所示。
表3-41602液晶模块技术参数
参数
取值
工作电压
4.5V-5.5V
工作电流
2.0mA
模块最佳工作电压
5.0V
显示字符尺寸
2.95（W）*4.95（H）（mm）
1602液晶模块引脚采用标准的单列直插接口方式，其中带背光模块为16个引脚，不带背光模块是14个引脚。
本设计中采用背光模块，其引脚功能表如表3-5所示。
表3-51602液晶模块引脚功能
引脚编号
电路符号
引脚功能
引脚编号
电路符号
引脚功能
1
VSS
电源接地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
R/S
数据/命令
12
D5
数据
5
R/W
读/写
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背景灯正极
8
D1
数据
16
BLK
背景灯负极
1、VSS和VDD是1602液晶显示模块的电源引脚，
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