温室大棚自动控制系统的设计Word文档下载推荐.docx
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日落后4-5h内，要将棚内温度从20℃逐渐降到15℃上下，以促进体内同化物的运转。
此后，再将夜温降到10-12℃，以抑制呼吸、减少消耗、增加积累。
但不可把温度降得过低，以免发生低温危害。
另外，阴雨天光照不足，光合作用不能正常进行，棚内温度也应比晴天低5℃左右，以降低呼吸消耗。
随着单片机的飞速发展，通过单片机对被控制对象进行控制日益广泛，其具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于自动控制系统中可以起到更好的控温作用，可完成对温度采集和控制等要求。
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。
例如：
空气的温度、湿度、光照强度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。
温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。
以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用，所以对大棚内的温度、湿度与光照强度等参数的控制就显的非常重要了。
传统的方法是用毛发湿度表、酒精温度计等进行人工测量，再对不符合的温度、湿度、光照度通过在温室大棚进行灌溉、降温、遮光等控制操作[1]来调节，这种人工测控的方法费时费力、效率低、且无法保证测量的连续性，测量的误差大、随机性大，随意性强。
为了克服以上几点不足，我们需要一种造价低廉，使用方便且测量准确的自动测控系统。
1.2国内外发展现状
国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历了3个发展阶段：
（1）手动控制：
这是在温室控制技术发展初期所采取的控制手段，其实并没有真正意义上的控制系统及执行机构。
生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构。
他们是温室环境控制的核心。
通过对温室内外的气候的状况和对作物生长状况进行观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。
种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接，最迅速且最有效的，它符合传统农业的生产规律。
但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工业化农业的生产需要，而且对种植者的素质要求较高。
（2）自动控制：
这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器实际的测量值与事先设定的目标进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。
计算机自动控制的温室控制技术实现了生产的自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到了提高。
通过改变温室环境设定目标值，可以自动的进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生产状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律。
目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。
（3）智能化控制：
这是温度自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结，收集农业领域知识、技术和各种实验数据构建专家系统，以建立作物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。
温室控制技术沿着手动、自动、自动化控制的生产进程，向着越来越先进的，功能越来越完备的方向发展。
由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型，温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。
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。
国外的温室设施虽然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测控软件，不利于在我国广泛地推广，而当今在我国大多数地方对大棚温度、湿度、二氧化碳含量，光照强度的检测与控制都采用人工管理，存在着测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果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。
本系统主要针对温室大棚内温度、湿度，光照强度研制了单片机控制的温室大棚自动控制系统,综合考虑系统的精度、效率以及经济性要求三个方面因素之后，最终确定以STC89C52单片机为控制核心，选用性价比比较高的传感器，实现对温湿度的精确测量与准确控制，同时又具有价格低等优点，便于在我国推广。
1.3课题内容、目的及思路
1.温度控制系统
温度控制系统的硬件部分包括温度检测系统（采用高精度热敏电阻）、信号放大系统、A/D转换、单片机、I/O设备、控制执行系统等。
由于热敏电阻具有负的电阻温度特性，当温度升高时，电阻值减小，它的阻值—温度特性曲线是一条指数曲线，非线性较大。
而对温度要求不高，是在室温环境下热敏电阻的阻值与环境温度基本呈线性关系，这样可以通过电阻分压简单地将温度值转化为电压值。
根据上式，可以把电阻值岁温度的变化关系转化为电压随温度变化的关系，由于热敏电阻的电信号一般都是毫伏级，必须经过放大吗，才能在单片机中使用。
温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到单片机可以处理的范围内，经过低通滤波，滤掉干扰信号送入单片机，由于传感器输出微弱的模拟信号，当信号中存在环境干扰时，干扰信号也被同时放大，影响检测精度，所以需要滤波电路对模拟信号进行处理，以提高信号的抗干扰能力。
2.湿度控制系统
温度控制系统的硬件部分包括湿度检测电路、单片机、LED显示电路电源恒压电路。
湿度传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ-1KHZ，测量湿度范围为0-100%RH，工作温度范围为0-50℃，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。
这种传感器只限于在一定范围内使用时具有良好的线性，有效地利用其线性特性。
3.光照控制系统
光照度的控制主要靠遮阳幕的开关，光照度过高时，系统通过关闭大棚顶部的遮阳幕，避免阳光直射作物，减小光照度，及减少强光对作物生长的影响。
当光照度过低时，就打开遮阳幕，增加光照度。
如果检测的光照度在适宜范围，单片机将维持现状。
4.设计主要思想
通过热电偶加温度传感器的形式，利用A/D转换将单片机无法测量的温度信号转换为可测量的电信号，然后在将温度值在LED数码管上显示出来，温度传感器将温度信号变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到单片机可以处理的范围内，经过低通滤波，滤掉干扰信号送入单片机。
在单片机中对信号进行采样，为进一步提高测量精度，采样后对信号进行数字滤波单片机将检测到的温度信息与设定值进行比较，如果不相符，数字调节程序根据给定值与测得值的差值按PID控制法设计控制量，触发程序根据控制量控制执行单元。
本系统主要采用STC89c52单片机作为系统的控制核心，由温室内的空气温度传感器、土壤湿度传感器、光照度传感器采集数据，经过模数转换后送入单片机，由单片机根据采集的数据做出相应的控制，例如控制继电器的开合，使换气风扇、滴灌设备、遮阳幕等设备的启动或停止，达到控制温室各项参数的目的。
同时在外接的LCD液晶上显示实时参数，便于观察。
外接的键盘可以设定系统控制的温度值，以满足不同条件下对温度的不同要求。
1.4设计过程及工艺要求
在本系统中为了保证对温度、湿度和光照度的检测的实时性和准确性，采用了数字温度传感器DS18B20来检测温度。
采用湿度传感器HS1101来检测土壤湿度。
采用光敏电阻检测光照度。
最后通过单片机STC89C52处理后显示在1602液晶显示屏上，并通过控制继电器的开合控制相应的调节部件对植物的生长环境的各项参数进行调节，以达到适合植物生长的环境条件。
在此系统中，温度传感器获得所测环境中的检测温度信号，信号处理和放大后，由A/D转换器转换成数字信号进入单片机内部，显示于LED显示器上。
单片机将给定的温度安全范围与测量的温度相比较，若测量温度在给定的温度安全范围则表明所测环境温度正常，各工作器件可在此环境中继续工作；
同时此系统设有看门狗电路模块，可以防止程序在运行过程中“跑飞”，保证系统运行的稳定、可靠。
本系统的基本功能有：
检测空气温度、土壤湿度、环境光照度。
显示以上各项参数并自动调节。
第2章方案的比较和选择
2.1湿度传感器的选择
单片机作为控制核心，要有被检测信号输入，由单片机处理。
如何准确的确定外围环境的各项参数就显的非常重要。
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，如果没有传感器对原始信号进行准确可靠的捕捉和转换，系统就无法实现要求的各项功能。
工业生产过程中的自动化的测量和控制，大部分主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各项参量，使系统工作在最佳的状态下。
测量土壤湿度的方法有很多种，其原理是根据某种物质从其周围的土壤中吸收水分后引起的物理或化学的性质的变化，间接的获得土壤的湿度。
电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件分别是根据其高分子材料吸水后的介电常数、电阻率和体积发生的变化进行湿度的测量。
方案一：
采用HOS-201湿敏传感器[2]。
HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ～1KHZ，测量范围为0%～100%RH，工作温度为0～50℃
，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。
这种传感器主要用于开关的传感器，不能在宽频域内检测湿度。
这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性度。
方案二：
采用HS1100/HS1101湿度传感器[3]。
HS1100/HS1101湿度传感器，在电路结构上等效于一个电容器，其电容量随着土壤湿度的增大而增大，不需要校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应，专利设计的固态聚合物结构由顶端接触（HS1100）和侧面接触（HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路。
综合比较方案一和方案二，方案一虽然满足精度和测量温度的要求，但是只是限定于一定的范围内使用时具有良好的线性度。
因此，我们选择方案二作为本设计的湿度传感器。
图2-1HS1101湿度－电容响应曲线
湿度传感器HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。
可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。
它有以下几个显著的特点：
（1）全互换性，在标准环境下不需校正
（2）长时间饱和下快速脱湿
（3）可以自动化焊接，包括波峰或水浸
（4）高可靠性与长时间稳定性
（5）专利的固态聚合物结构
（6）可用于线性电压或频率输出回路
（7）快速反应时间
相对湿度在1%～100%RH范围内：
电容量有16pF变到200pF，其误差不大于
RH,响应时间小于5S，温度系数为0.04pF/
。
由此可以看出HS1101具有测量精度高，反应速度高的优点，其湿度－电容响应曲线如图2-1：
HS1101的一些常用参数如表2-1：
表2-1：
HS1101常用参数
参数
符号
参数值
单位
工作温度
Ta
-40～100
℃
储存温度
Tstg
-40～125
供电电压
Vs
10
Vac
湿度范围
RH
0～100
%RH
焊接时间@=260℃
t
S
2.2温度传感器的选择
采用AD590温度传感器[4]。
AD590温度传感器是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。
AD590性能描述：
测量范围在-50℃--+150℃，满刻度范围误差为±
0.3℃，当电源电压在5—10V之间，稳定度为1﹪时，误差只有±
0.01℃。
AD590为电流型传感器温度每变化1℃其电流变化1uA在35℃和95℃时输出电流分别为308.2uA和368.2uA。
方案二：
采用DS18B20温度传感器[5]。
美国DALLAS公司的产品可编程单总线数字式温度传感器DS18B20可实现室内温度信号的采集，有很多优点：
如直接输出数字信号，故省去了后继的信号放大及模数转换部分，外围电路简单，成本低;
单总线接口，只有一根信号线作为单总线与CPU连接，且每一只都有自己唯一的64位系列号存储在其内部的ROM存储器中，故在一根信号线上可以挂接多个DS18B20,便于多点测量且易于扩展。
综合比较方案一和方案二，两方案都可以满足设计所要求的精度温度要求，但方案一的后续电路复杂，需要经过放大，数模转换等步骤，增加了设计的复杂度和成本，并需要占用单片机较多的I/O口。
方案二的后续电路简单，占用的I/O口数量少，为整体设计留出了足够的I/O口资源。
故我们采用方案二作为本系统的温度传感器。
DS18B20数字温度传感器采用DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样等优点，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
DS18B20具有以下特性：
（1）适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数
据线供电
、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯
（2）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温
（3）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部
传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内
（4）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±
0.5℃
（5）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温
（6）在9位分辨率时最多在
93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快
（7）测量结果直接输出数字温度信号，以"
一
线总线"
串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力
（8）负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，
但不能正常工作。
DS18B20的温度值格式如表2-2：
表2-2DS18B20的温度值格式
位7
位6
位5
位4
位3
位2
位1
位0
低字节
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
位15
位14
位13
位12
位11
位10
位9
位8
高字节
26
25
24
DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位二进制形式提供，形式表达，其中S为符号位。
例如＋125℃的数字输出为07D0H（正温度直接把16进制数转成10进制即得到温度值）;
-55℃的数字输出为FC90H。
（负温度把得到的16进制数取反后1再转成10进制数）。
数字输出格式如表2-3：
表2-3DS18B20的数字输出格式表
温度
数字输出（二进制）
数字输出（十六进制）
+125
0000011111010000
07D0h
+85
0000010101010000
0550h
+25.0625
0000000110010001
0191h
+10.125
0000000010100010
00A2h
+0.5
0000000000001000
0008h
0000000000000000
0000h
-0.5
1111111111111000
FFF8h
-10.125
1111111101011110
FF5Eh
2.3光照度传感器的选择
采用光照度传感器M124749，该光照度传感器采用先进的电路模块技术开发变送器，用于实现对环境光照度的测量，输出标准的电压及电流信号，体积小，安装方便，线性度好，传输距离长，抗干扰能力强，量程可调。
但价格昂贵，性价比不高，且不易购买。
采用光敏电阻。
光敏电阻的工作原理是当有光线照射时，电阻内原本处于稳定状态的电子受到激发，成为自由电子，所以光线越强，产生的自由电子也就越多，电阻就会越小。
光敏电阻的优点有内部的光电效应和电极无关（光电二极管才有关），即可以使用直流电源。
灵敏度和半导体材料、以及入射光的波长有关，价格低廉，性价比高。
比较以上两个方案，方案一虽然具有更好的设计精度和线性度，但性价比不如光敏电阻好。
方案二具有较高的性价比且同时也能满足系统的设计要求，故采用光敏电阻作为光照度传感器。
光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感。
它在无光照射时，呈高阻状态；
当有光照射时，其电阻值迅速减小，在同样之电压下，照度愈强，光电流愈大，亦即是电阻愈小。
光敏电阻具有以下特性：
（1）CDS相对灵敏度与照射光线灵敏度有关，波长从5500至6500A（1A=1.10-8.00cm）之间有最大的灵敏度。
（2）在同样之电压下，照度愈强，电阻愈小，适当的添加杂质，便能使照度在小1~1000
LUX范围内保持与光电时间的直线关系。
（3）光照射到部件，光电流达到正常值63%的时间，称为"
上升时间"
，反之，将光遮断，光电流减少为原来的63%之时间，则叫做"
衰弱时间"
，一般其值为10毫秒至数秒。
此外，负载电阻增大，则“上升时间”就变短而“衰弱时间”就变长。
（4）CDS禁带宽度高达2.4EV（EV为电子伏特），故可以在-20°
C～70°
C
范围内工作，当温度上升，光灵敏度减少，在低照度时特别显著。
第3章系统的总体设计
3.1确定系统任务
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（微控制器）就是在这种情况下诞生的。
微控制器，亦称单片机或者单片微型计算机。
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（1/0）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，微控制器得到了广泛的应用。
单片机目前己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,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/O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。
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。
采用单片机来对温湿度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
在日常生活中也发挥越来越大的作用。
因此，单片机对温湿度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。
因此，本课题围绕基于单片机的温室大棚控制系统展开了应用研究工作。
单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。
它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器叶数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，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。
正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器（MCU）代替单片微型计算机（SCM）这一名称。
“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。
单片机的主要特点有:
（1）具有优异的性能价格比。
（2）集成度高、体积小、可靠性高。
（3）控制功能强。
（4）低电压，低功耗。
因此，在本课题设计的温湿度测控系统中，采用单片机来实现。
在单片机选用方面，由于STC89系列单片机与MCS-51系列单片机兼容，所以，本系统中选用STC89C52单片机。
本设计的要求是以STC89C52为控制核心，以HS1101湿度传感器、DS18B20、光敏电阻完成对温室大棚内的各项参数进行测量，并将数据输入到单片机中，有单片机根据所编写的程序，通过继电器控制电路控制相应的设备达到自动调控温室大棚内各项参数的目的，同时将通过各种传感器测的数据实时地显示在液晶屏上。
系统可通过按键人为地设定合适的参数，便于根据不同的植被的环境中使用。
3.2系统的组成和工作原理
硬件系统主要有信号采
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