智能大棚管理系统设计说明Word文档下载推荐.docx
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[摘 要]本系统以AT89C52为核心，通过温度传感器DS1820、温湿度传感器DHT11、土壤湿度传感器、光照强度传感器BH1750FVID分别采集温室大棚的温度、空气湿度、土壤湿度、光照强度。
由诺基亚5110液晶来实时显示各传感器采集到的数据。
用户根据需要预先输入预设值，当实际测量的温湿度和光照强度不符合预设的温湿度和光照强度标准时，发出报警信号，并通过加热电路控制加热丝加热提高温度，转动风扇降低温度，控制抽水电机调节湿度，控制LED调节光照强度，为大棚提供适合的生长环境。
从而提高农作物生产效率改善作物生长条件。
[关键词]蔬菜大棚；
温控系统；
光控系统；
湿控系统；
信号处理系统
DesignofintelligentGreenhouseManagementSystem
ElectronicAndInformationEngineeringSpecialtyZHAOZhong-yuan
Abstract:
ThecoreofthissystemisAT89C52.Collectthetemperature,humidityoftheair,humidityofthesoilandlightintensityinthegreenhousebytemperaturesensorDS18B20
humiditysensorDHT11,soilhumiditysensor,lightintensitysensorBH1750FVID.DisplayallthecollecteddataontheNokia5110LCD.Inputtheset-pointvaluewantedbytheusersandsendalarmsignalwhenthemeasuredvalueddifferentfromtheset-pointandstartthecontrolcircuittoadjustthevalueatthesametime,whichcanimprovethegrowsituationofthecrops.
Key
words:
Vegetable
greenhouse;
temperature
control
system;
light
humidity
signal
handle
system
1引言4
1.1选题背景与意义4
1.2国外研究现状4
1.3主要研究工作与论文容安排6
2系统整体方案设计6
2.1系统简介6
2.2系统总体设计7
2.2.1设计思想8
2.2.2系统组成8
2.2.3系统功能以及优势及特点9
2.3本系统主控芯介绍9
3信号采集分析部分设计12
3.1温度检测控制部分设计12
3.1.1测温方案的选择13
3.1.2温度传感器的使用13
3.1.3温度检测控制部分的组成和实现14
3.2湿度检测控制部分的设计15
3.2.1湿度检测控制部分分析16
3.2.2土壤湿度检测部分的实现17
3.2.3空气温湿度检测部分的实现18
3.3光照强度检测控制部分的设计20
3.3.1光照强度检测控制部分组成及设计21
3.3.2光照强度传感器的使用21
3.3.3光照强度检测部分的实现22
3.4显示部分的设计23
4信号处理调节部分24
4.1外设硬件设计25
4.2驱动外设的作用25
4.3电源电路的设计26
5软件设计部分28
5.1程序编写方法的选择28
5.2模块化设计28
5.3主程序设计28
5.4系统调试28
5.4.1调试手段29
5.4.2系统调试与结果分析30
5.4.3实验结果分析31
结束语33
参考文献34
附录35
致63
1引言
1.1选题背景与意义
随着科技每日一新的发展，人们在生活方面的要求也在不断的提高，绝大多数人都希望有什们东西可以代替人工。
而且智能化的产品工作的效率和质量都相对比人工要高，在当今这个社会中，科技的创新正以飞快的速度向前发展。
温室智能系统是保障温室正常运作的控制系统[1]。
现代化农业中保证农作物生长环境最总要的一环就是检测农作物生长环境的一些重要因素。
例如：
空气中的湿度、温度、土壤的含水量等。
在当代农业生产中发挥着巨大的作用是以智能大棚蔬菜管理系统。
温室农业设施在现代化农业生产过程中发挥着很大的作用。
大棚的温度、湿度、与二氧化碳含量和土壤汗水量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。
然而当前大多对大棚温度、湿度、二氧化碳含量等作物生长环境的的检测与控制都采用人为管理，这样不可能避免的有劳动强度大、测控精度低以及由于测控不及时等毛病，非常容易造成不可弥补的损失，结果是不但大大增加了生产成本，还浪费了大量的人力资源，而且很难达到想要的效果。
因此，科学合理地调节大棚温度、湿度以及二氧化碳的含量是大棚蔬菜控制系统自动化发展和农业发展的必要。
它能使大棚形成有利于蔬菜，水果等作物生长的环境。
当前，随着反季节蔬菜大棚的迅速增多，怎么提高其农作物产量变成了人们所关注的问题，人们对大棚的性能要求变的越来越高，特别是为了提高生产效率减少人力资源投入，对大棚的自动化程度要求也变的越来越高。
由于单片机及各种电子器件价格低廉，使得这种要求变为可能。
本文提出了一种以MCS-51系列的AT89C51单片机为控制核心的环境检测的测控系统，主要是为了对温室大棚温湿度度、光照强度、土壤湿度进行可靠地检测与控制而设计的。
1.2国外研究现状
（1）国外状况
温室的智能控制便是于二十世界九十年代中期问世[2]。
世界发达国家如荷兰、美国、等大力发展集约化的温室产业。
温室温度、光照、水分、湿度实现了计算机调控。
从品种选择、自动栽培管理到采收包装形成了一整套完整的规化技术体系。
计算机发明最早的国家是美国，美国同样也是将计算机用在温室控制和管理最早、最多的国家之一。
美国有发达的设施栽培技术。
美国的综合环境控制技术水平也非常高。
计算机控制环境主要用来对温室环境（栽培环境和气象环境）进行监测和控制。
以蔬菜温室为例，温室监控项目主要包括水温、土壤温度、气温、通窗状况、相对空气湿度、泵的工作状况、CO2浓度、H调节池和回流管数值；
室外监控项目主要包括大气温度、风向风速、太阳辐射强度、相对湿度等智能大棚管理系统的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了生成水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带生长来了很大方优势。
从20世纪80年代以来以园艺业而文明的的荷兰就开始了全面发展温室计算机自动控制系统；
并不间断地开发模拟控制形软件。
荷兰拥有玻璃温室1.2万多平方米，占世界1/4左右，有82％的温室用户使用计算机控制温室环境。
由荷兰开发的智能温室计算机控制系统采用计算机进行参数设置和必要的信息显示。
此系统可绘制出设相应的特定参数及修正值曲线和测量的测量数据曲线。
温室计算机控制系统还能从数据库调出相应的时间段的特定参数，方便于于必要的重要数据查询。
大棚温室计算机智能控制系统可直接对计算机进行串口操作，方便完成上位机和下位机之间的通信控制等操作。
上位机软件可进行数值设置、信号信息的显示、以及控制外设等功能.同时还能够很好地完成温室灌溉和环境因素的控制和管理。
此外，国外温室业正着重于向高科技方向发展。
网络技术、遥测技术和控制局域网等技术开始逐渐应用于温室系统的监控、管理和控制中。
控制功能要求能在远离温室的计算机控制室的前提下完成，即远程控制。
此外外该网络还连接有多个通讯平台。
用户可以在不同的地方通过上位机的操作界面与大棚的控制系统进行控制如同现场操作一样。
通过智能大棚管理系统我们可以提高生产效率，腾出更多的时间做更多的事情，国外起得了不错的成绩。
（2）国状况
20世纪70年代我国业计算机开始应用而温室控制与管理领域于90年代开始。
21世纪以来，中国的农业科学研究院、农业气象所和作物花卉研究所。
研制并开发了温室监控与管理的系统，并开发出了关于的控制软件；
90年代中后期，理工大学定天等人研制开发出了温室软硬件监控系统。
它能对施肥系统、温度、光照、CO2、施肥等进行综合控制。
它是当前国产化温室智能控制系统比较典型的研究。
在这个期间，大学、中国科学研究所、现代化研究院、植物研究所等单位也都侧重不同领域的不同方面，研究温室大棚设施的计算机监控与管理技术。
“九五”期间，国家科技研究项目和国家自然科研究院都首次增加了智能化农业（设施农业）研究项目的投资。
并且在这个项目中加大了单片机研究的力度。
其中“九五”国家重大自然科技工程“工厂化高效率农业示工程”中设置了“智能型连温室结构及调控设施的优化设计及实施”的专题栏目。
需温室管理者与温室控制系统的相互结合达到集成一体的人机智能系统，是未来温室控制系统的发展方向[3]。
职业技术学院的王西平在20世纪70年代末研制了作物大棚温湿度测量系统。
此系统能对大棚的温湿度进行实时测量与控制。
智能温室自动控制系统，能够有效地提高作物产量。
还能缩短生长期、减小人工操作的盲目性。
农业大学研制成功“WG-1”温室环境监控计算机监控系统，采用了分布式控制系统。
省农科院植物研究中心和省自动控制中心合作研制出了“Cu—I型智能化温室自动检查控制系统”。
采用上位机加PLC的控制方法，软件采用智能化块化实现。
中国农业大学设计研制的“省大型育苗温室计算机单步式控制系统”，实现了计算机单步控制.。
这造成了温室控制的不精确性[4]。
1.3主要研究工作与论文容安排
本文以AT的AT89C52单片机为核心，设计一套以单片机为核心的大棚控制系统，主要由单片机系统、驱动电路、传感器及液晶显示、指示灯以及报警电路、驱动电路、响应电路等组成，均由单片机输出驱动液晶显示。
本文各部分的安排：
第一部分介绍了课题的选题背景和意义，分析多智能大棚管理系统的发展现状，指出了智能大棚管理系统展方向。
第二部分介绍了系统的总体方案设计以及主控芯片。
阐述了本系统的总体方案设计及系统功能优势和特点，还对主控芯片进行了具体分析。
第三部分介绍了系统的各个模块设计，阐述了18b20、dht11等基本理论，详细介绍了各个部分的实线方法以及模块的特点和用法。
第四部分介绍了系统对信号进行处理主要外设。
第五部分介绍了系统的软件设计，主要是应用Keil平台进行的软件设计。
详细介绍AT89C51单片机的编程要点和实现。
2系统整体方案设计
2.1系统简介
智能大棚栽培管系统包括三个部分：
主控芯-AT89C52，环境监控部分-各种传感器，环境调节部分-各种外设。
本系统通过温度传感器ds18b20将环境中的温度检测出来传送至单片机，当温度低于设定温度时通过驱动电路驱动继电器控加热电路提高温度，当温度高于设定温度时驱动风扇通风换气从而降低温度；
通过光照强度传感器BH1750FVI实时检测环境中光照强度，光照强度超过预定值时，步进电机转动从而带动
用于遮光的布条减弱光照强度，当光照强度低于设定值时由驱动电路驱动继电器从而控制日光灯来加强光照强度；
通通温湿度传感器DHT11检测空气中的湿度并由相应的模块做出调节；
通过土壤湿度传感器检测土壤中的水分含量，驱动相应的电路来控制其水分含量。
系统简介图如图1所示。
图1系统简介图
2.2系统总体设计
此智能大棚管理系统由传感器，单片机，显示器，键盘，控制器五部分组成。
本设计大致与上述组件相同。
在A/D转化模块中，本设计采用了集成在单片机部的A/D。
系统的系统框图如图2所示,原理图如图3所示。
键盘
图2系统框图
图3系统原理图
2.2.1设计思想
智能大棚管理系统上电工作后，控制器单片机进入主程序后。
开始时时显示的方式检测温湿度传感器的温湿度状态，光照强度，并将相应的数值通过显示器显示输出。
当温室的温度光照湿度等小于或大于设置的初值时，单片机将通过控制各电机设备开始工作。
2.2.2系统组成
智能大棚管理系统由单片机电源电路、温度传感器DS18B20、湿度传感器DHT11、土壤湿度传感器模块、光敏BH1750FVI模块、电机、步进电机、诺基亚5110液晶显示和主控芯片（AT89C52）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，复位等。
（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）：
执行指令，由各直流电动机和步进电机完成。
2.2.3系统功能以及优势及特点
智能大棚栽培管理充分利用AT89C52单片机的软、硬件资源并增添加了各种各样的测量电路。
它能完成多任务、多通道的检测和输出。
智能大棚栽培管理具有测量围广、测量精度高等特点。
测量系统可由前端测量用的传感器类型的基础上修改为其他非电量参数进行控制。
温度检测系统由DS18B20测量元件完成。
湿度检测系统采用DHT11湿度传感器来完成。
光度检测采用光敏BH1750FVI模块实现。
系统在硬件设计上考虑了可扩展性,经过一定的添加或改造,就能增加功能。
根据温室大棚的光照强度传感器、温湿度传感器、温度传感器、土壤湿度传感器等采集到的信息，利用数据总线将传感器检测到的信息送给51单片机，再通过诺基亚5110液晶显示。
当系统报警时单片机可向外设发出处理，控制散热风机、加热电路、抽水水泵、等设备进行降温、加温除湿、加湿、遮光和补光等动作。
保证了大棚作物的生长环境。
单片机也可以通过相应的指令来启动现场监测系统的声光报警装置，通知大棚管理人员采取措施以确保大棚作物的生长环境。
2.3本系统主控芯介绍
（1）本系统主控芯片51单片机的硬件结构
MCS-51单片机的片结构如图4所示。
MCS–51单片机是在一个有限的芯片上集成控制应用所必须的单元。
图4片结构图
下面对各功能部件作进一步的说明:
●微处理器（CPU）
MCS-51单片机中有1个8位的微处理器。
它与通用的微处理器基本完全相同，同样也包括了运算器和控制器两大部分。
仅仅增加了面向控制的处理功能，不但可处理字节数据，而且可以进行位变量的处理。
比如:
位处理、查表、状态检测、中断处理等。
●数据存储器（RAM）
片为128个字节（52子系列的为256个字节）。
●程序存储器（ROMlEPROM）
8051为4K字节ROM;
8751则为4K字节EPROM。
●中断系统
具有5个中断源，2级中断优先权。
●定时器/计数器
片有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。
在单片机的应用中，往往需要精确的定时，或对外部事件进行计数。
●串行口
全双工的串行口，一共具有四种工作模式。
可用来进行串行通讯，扩展并I/O口，甚至还与多个单片机相连来构成多机系统。
从而使单片机的功能变地更强且应用地更广。
●P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位IO口。
●特殊功能寄存器（SFR）。
共有21个，用于对片各功能部件进行管理、控制、监视。
实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。
（2）本系统主控芯片51单片机的结构
MCS-51单片机存储器采用的是哈佛（Har-vard）结构。
即程序存储器空间和数据存储器空间截然分开。
程序存储器和数据存储器各有自己的寻址方式和控制系统。
这种结构对于"
面向控制"
的实际的应用中变地极为方便、有用。
在805118751单片机中，在片集成了一定容量的程序存储器和数据存储器及众多的特殊功能寄存器。
还具有极强的外部存储器的扩展能力，寻址能力分别可达64邸，寻址和操作简单方便。
MCS-51的存储器空间可划分为如下5类:
●程序存储器
单片机系统能够按照一定的顺序进行工作。
主要是因为程序存储器中存放了经调试确定正确的应用程序和表格之类固有常数。
程序实际上是一串二进制码，程序存储器可以分为片和片外两部分。
由于无部程序存储器，所以只能外扩程序存储器来存放程序。
●部数据存储器
MCS-51单片机部有128个字节的随机存取存储器RAM；
作为用户的数据寄存器，它能满足大多数控制型应用场合的需要；
用作处理问题的数据缓冲器。
●特殊功能寄存器（SFR-SpecialFunctionRegister）
特殊功能寄存器反映了MCS-51单片机的状态，实际上是MCS-51单片机各功能部件的状态及控制寄存器。
例如，前面提到的PSW程序状态字寄存器，就是一个特殊功能寄存器。
掌握理解好SFR，对于掌握MCS-51单片机是十分重要的。
SFR综合的、实际的反映了整个单片机基本系统部的工作状态及工作方式。
在单片机中设置SFR，为程序设计提供了不少方便，这一点在读者研究了MCS-51单片机指令系统后体会将会更深刻。
●位地址空间
MCS-51单片机的一个很大优点在于它具有一个功能很强的位处理机。
在MCS-51单片机的指令系统中，有一个位处理指令的子集，使用这些指令，所处理的数据仅为一位二进制数（0或1）。
在MCS-51单片机部一共具有211个可寻址位。
●外部数据寄存器
当MCS-51单片机的片RAM不够用时，可在片外扩充数据存储器。
MCS-51单片机给用户提供了可寻址64K字节的外扩RAM的能力，至于扩多少RAM，则根据用户实际需要来定。
●外部时钟方式
外部的时钟源直接接到XTA口端，直接输入到片的时钟发生器上。
时钟电路图如图5所示。
由于XTA口的逻辑电平不是1，故建议外接一个4.7K-lOK的上拉电阻。
图5时钟电路图
●控制器
控制器是单片机的指挥控制部件。
控制器的主要任务是识别指令，并根据指令的性质控制单片机各功能部件。
从而保证单片机各部分能自动而协调地工作。
单片机执行指令是在控制器的的控制下进行的。
控制器主要包括程序计数器、程序地址寄存器、指令寄存器IR等。
还有指令译码器、条件转移逻辑电路。
●程序计数器PC{Pro伊mCounter）
程序计数器PC是控制部件中最基本的寄存器。
是一个独立的计数器，存放着下一条将要从程序存储器中取出的指令的地址。
然后程序存储器按此地址输出指令字节。
同时程序计数器本身自动加1。
读完本条指令；
PC指向下一条指令在程序存储器中的地址。
●程序计数器的基本工作方式有以下几种:
程序计数器自动加1，这是最基本的工作方式，这也是为何该寄存器被称为计数器的原因。
在执行调用子程序指令或响应中断时，单片机自动完成如下的操作:
PC的现行值，即下一条将要执行的指令的地址，即断点值，自动送人堆拢。
将子程序的人口地址或中断向量的地址送人PC，程序流向发生变化，执行子程序或中断子程序。
子程序或中断子程序执行完毕，遇到返回指令R或RETI时，将楼顶的断点值弹到程序计数器PC中，程序的流程又返回到原来的地方，继续执行。
3信号采集分析部分设计
3.1温度检测控制部分设计
显示器
对于智能大棚管理系统来说温度检测显得非常重要，温度传感器采集温度将温度数据提取出来通过信号处理函数让外设作出相应的反应并将温度数据送至显示函数显示。
其主要过程是通过温度传感器器将温度采集出来，由单片机判断，当温度低于键盘所设定的温度时，单片机驱动继电器从而控制风扇旋旋转来降温，当温度低于键盘所设温度时，单片机驱动继电器从而控制加热丝加热。
温度检测控制部分实验框图如图6所示。
图6温度部分实验框图
3.1.1测温方案的选择
方案一：
热敏电阻。
热敏电阻属于热敏器件由半导体材料构成，它测量温度的原理是把电阻随温度变化的关系转换为电压随温度变化的关系。
再把热敏电阻电压模拟量转化为数字量，然后通过软件方法通过特定公示计算得到温度数值值，再进行显示等处理。
它的阻值与温度变化并非有线性的关系。
故稳定性和互换性相比较差。
因此使用中是必须要进行线性化的处理的，这样就比较麻烦。
线性化处理尽管可以解决热敏电阻的特性曲线的问题，但比较复杂困难。
方案二：
DS18B20温度传感器。
DS18B20与单片机只有一根线连接，它只定义了一根信号线。
总线上的每个器件都能够在合适的时间驱动DS18B20。
相当于把单片机的地址总线、数据总线、控制总线、合为一根信号线对外进行数据处理和交换。
并且，它不再把模拟量转化为数字量，直接测得为数字量，简化了许多工作量，电路也变地简单可靠了许多。
综合上述，为了设计方便从简化电路，经济实惠，自动测量等方面考虑，我们采用方案二。
DS18B20的接口如图7所示。
图7DS18B20接口图
3.1.2温度传感器的使用
DS18B20部结构主要由64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器这四部分组成。
DS18B20的管脚排列如图8所示:
DQ为数字信号输入/输出端；
GND为电源地；
VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
图8DS18B20管脚排列图
（1）DS1820使用中注意事项
在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。
这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。
（2）DS18B20的时序
由于DS18B20采用的是单总线协议方式工作地。
就是在一根数据线实现数据的双向传输。
而对89C52单片机来说，并没有总线接口，因此，我们必须采用编程的方法来模拟单总线通讯。
3.1.3温度检测控制部分的组成和实现
智能大棚管理系统的温度检测控制系统由单片机电源电路、温度传感器DS18B20、继电器电路、散热风扇、加热电阻丝、诺基亚5110液晶显示和主控芯片（AT89C52）组成。
通过以上的分析我们已经选择了采用以单总线为工作方式的ds18b20作为温度检测的传感器。
通过温度传感器检测温度，将检测到的温度与键盘所设温度做比较，当我们检测到的温度高于我们设定的温度时，单片机将作出反应，发出低电平，通过I0口
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