基于单片机的大棚温湿度控制系统的设计毕业设计.docx

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基于单片机的大棚温湿度控制系统的设计毕业设计

摘要

随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素是温湿度控制。

温湿度太低，蔬菜就会被冻死或则停止生长，所以要将温湿度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。

传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，工人依据读取的温度值来调节大棚内的温度。

如果仅靠人工控制既耗人力，又容易发生差错。

现在，随着农业产业规模的提高，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局性。

为此，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温湿度自动控制系统，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。

本论文主要阐述了基于AT89C51单片机的温室大棚温湿度控制系统设计原理，主要电路设计及软件设计等。

该系统采用AT89C51单片机作为控制器，SHT11作为温湿度数据采集系统，可对执行机构发出指令实现大棚温湿度参数调节，根据实际需求设计了单片机硬件系统，该系统能够实现数据采集，数据处理，数值显示，键盘扫描等功能功能。

同时介绍了温湿度传感器，单片机接口，及其应用软件的设计，该基于单片机和SHT11温湿度传感器的大棚温湿度控制系统，该系统性能可靠，结构简单，能实现对温室内温湿度的自动调节。

关键词：

AT89C51；SHT11；大棚；温湿度；控制系统；传感器；单片机

Abstract

Withthepopularizationoftrellistechnology,greenhousetrellisanever-growingnumber,forvegetableshedspeaking,oneofthemostimportantmanagementfactoristhetemperatureandhumiditycontrol.Temperatureistoolow,thevegetableswillfreezetodeathorstopgrowing,sowillalwayscontroltemperatureandhumidityinasuitablevegetablegrowthrange.Traditionaltemperaturecontrolisingreenhousetrellisinternalhangingathermometer,workersaccordingtoregulatethetemperaturereadingthetemperatureinsidetheshelter.Ifonlybyartificialcontrolbothconsumptionmanpower,andeasytoplaceregularorders.Now,withtheimprovementofagriculturalindustryscale,forlargerquantityoftrellis,traditionaltemperaturecontrolmeasureswillshowgreatbureausex.Therefore,inmodernvegetableshedmanagementzhongtongoftentemperatureandhumidityautomaticcontrolsystem,inordertocontrolthetemperature,adapttothetrellisvegetableproductionneeds.

ThisthesismainlyelaboratedbasedonAT89C51tomatoescanopytemperatureandhumiditycontrolsystemdesignprinciple,maincircuitdesignandsoftwaredesign,etc.ThissystemUSESAT89C51singlechipmicrocomputerascontroller,SHT10astemperatureandhumiditydataacquisitionsystem,maytotheactuatordirectivesrealizetrellistemperatureandhumidityparametersadjustment,hastheupperandlowerlevelcomputerdirectlysettemperaturerange,temperatureandhumidityreal-timedisplay,andotherfunctions.Accordingtotheactualdemanddesignthemicrocontrollerhardwaresystem,thissystemcanrealizedataacquisition,dataprocessing,thenumericaldisplay,keyboardscanfunctionfunction.Atthesametime,temperatureandhumiditysensorisintroduced,anditsapplicationsoftwareinterfacechipdesign,thisbasedonSCMandSHT10temperatureandhumiditysensorshelter,temperatureandhumiditycontrolsystemreliableperformance,thesystemstructureissimple,canrealizetheautomaticadjustmentofthetemperatureandhumidityinagreenhouse.

Keywords：

AT89C51;SHT10;vegetableshed;Temperatureandhumidity;ControlSystem;sensor;Single-chipmicrocomputer

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与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

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引言

在现代的温室种植技术中，温度、湿度是温室蔬菜能否茁壮成长的重要因素。

现在我国温室生产规模虽然空前巨大，但是温室的设备比较陈旧，温度采集方式落后，广大农村采用煤油温度计的温度采集方式，不仅温度采集较为老套，并且费时费力，不利于温室生产规模的扩大，也不利于信息化程度的提高，不符合党中央提出的科技兴农的战略目标。

农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类顿以生存的最重要的行业，由传统农业向现代化农业转变，由粗放经营向集约经营转变，必须要求农业科技有一个大的发展，进行一次新的农业技术革命。

科技的发展促进了农业的发展，温室大棚在农业中的应用越来越广泛。

传统的温室大棚的自动化程度很低，基本是是粗放型的人工操作，即便对于所给定的量，在操作中无法进行有效的控制，很大程度上限制了温室大棚的经济效益。

现代智能控制系统是进行温室大棚温湿度控制的有效手段和工具，它可以提高操作的准确性，有利于控制过程的科学管理，也降低了对操作者本身素质的要求和体力劳动强度。

除此之外，它还能准确、定时、定量、高效的进行温湿度控制，可以节省人力、体力而提高质量和产量。

智能温室大棚控制系统在我国农业中的使用为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，有很多是基本停留在人工操作，即使有些使用的了自动控制系统，但是也是以经验来自行设定很多参数，使得不能物尽其用而又造成浪费。

只有提高自动控制系统的智能，使得在农业生产中更加智能和方便并采用廉价的器材使其价格能被广大农业生产者所接受，才能促进智能温室大棚温湿度控制在农业中的广泛应用和提高其经济效益。

随着微型计算机和传感器技术的迅猛发展，其价格低、可靠性高，给改造农业带来了很多便利。

用高新技术改造农业生产，是我国农业和国民经济持续发展的根本大事。

本文旨在对温室大棚温湿度监控系统的设计，一种基于51单片机的控制系统，通过高灵敏度的温湿度传感器检测大棚内的温湿度，并通过控制系统进行温室度调节。

第一章绪论

1.1课题的提出和意义

随着社会的发展,各种园艺温室和农作物温室的数量在不断增加。

这些温室有的也安装有各种加热、加湿、通风和降温的设备,但对于相应设备的操作大多还是由人工来完成。

当温室的面积达到上千平米甚至更大时,操作人员的劳动强度会变的很大,并且光靠人工也已经无法完成温室内的温度和湿度的调节。

该课题研究的温室控制系统可完成对温室内温湿度的自动测量和调节,大大降低了操作人员的劳动强度,并且使温室达到了比较先进的管理水平。

并且在我国的发展过程中，我国的温、湿度自动调节及报警系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高。

在我国的一些中小城市，就日光温室的现状来看，许多地方依然靠开关门窗来调节温湿度，这种方法不仅费时费力，效率低，准确度也不高，随机性大，当然也就不够科学。

因此，需要研制一种结构简单、价格低廉的测控系统来达到自动调节温湿度调节及报警的目的。

随着科技的迅猛发展，我国逐渐实现日光温室系统管理智能化，但是智能化程度与普及率过低。

虽然有些也引进了一些国外的计算机智能控制系统，如温室环境控制系统。

也真正实现了数字化、智能化、自动化，但投资过大，系统故障维护不便，且经济效益过低。

因此实现开发低价位实用型日光温室系统已迫在眉睫，对于推进我国日光温室智能化管理以及最大限度的减少仓库火灾进程具有极为重要的意义，同时也具有很大的市场商机。

日光温室以其低成木、节能耗的优点被大而积推广，成为我国现阶段主要农业设施类型。

近年来，单片机在我国的许多领域均得到了广泛的应用，其优良的性价比特别适合于日光温室的建设要求。

因此，利用单片机实现日光温室内环境与水肥灌溉的自动控制，营造作物适宜的生长环境，是使日光温室生产能够持续快速发展和解决实际生产管理问题的重要手段。

我国农业正处在从传统农业向以优质、高效、高产为目的的现代化农业转化的新阶段。

农业环境控制工程作为农业生物速生、优质、高产手段是农业现代化的重要标志，农业设施的自动检测与控制是我国急待发展的项目。

我国目前大多数温室内的环境仍靠人工根据经验来管理，从某种程度上也影响了其效益和发展。

同时微型计算机强大的软、硬件逻辑功能、高性能价格比、高可靠性，为温室自动管理提供了强有力的手段，也为实现温室的标准化、自动化奠定了基础环境控制对作物生产的重要作用己为国内外大量的科学实验和生产实践所证实。

只有在适宜的环境条件下，作物才能充分发挥其高产潜力。

几十年来，有关作物生理和其生长环境的研究，不仅指导了农业生产，而且为温室环境工程及控制的研究提供了依据和参数。

但如何把这类系统用计算机来实现监控，从而为作物提供最佳的生长环境，一直是研究者面临的一项重要的任务。

鉴于上述，本文提出了温室自动控制系统的设计。

系统以89C51单片机为中心，编制出一套温室自动控制系统

1.2国内外研究发展概况

温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。

它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。

温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。

而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。

　　国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。

先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。

80年代末出现了分布式控制系统。

目前正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。

现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。

像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。

日本研制的蔬菜塑料大棚在播种、间苗、运苗、灌水、喷药等作业的自动化和无人化方面都有应用。

日本利用计算机控制温室环境因素的方法，主要是将各种作物不同生长发育阶段所需要的环境条件输入计算机程序，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动作出相应修正或调整。

一般以光照条件为始变因素，温度、湿度和CO2浓度为随变因素，使这四个主要环境因素随时处于最佳配合状态。

美国和荷兰还利用差温管理技术，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。

英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测50km以外温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。

我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。

我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和CO2浓度等单项环境因子的控制。

之后，我国的温室控制技术得到了迅速发展。

20世纪80年代，由于当时只注重引进温室设备，而忽略了温室的管理技术和栽培技术，且引进的温室能耗过高，致使企业相继亏损或停产。

90年代初，我国大型温室跌入了发展的低谷。

“九五”初期，以以色列温室为代表的北京中以示范农场的建立，拉开了我国第二次学习和引进国外现代温室技术的序幕。

到90年代中后期，在对国外温室设备配置、温室栽培品种、栽培技术等各个方面进行研究的基础上，我国自主开发了一些研究性质的环境控制系统。

1995年，北京农业大学研制成功了“WJG-1型实验温室环境监控计算机管理系统”，此系统属于小型分布式数据采集控制系统。

1996年，江苏理工大学毛罕平等研制成功了使用工控机进行管理的植物工厂系统。

该系统能对温度、光照、CO2浓度、营养液和施肥等进行综合控制，是目前国产化温室控制技术比较典型的研究成果。

中国农业机械化科学研究院研制成功了新型智能温室系统。

该系统由大棚本体及通风降温系统、太阳能贮存系统、燃油热风加热系统、灌溉系统、计算机环境参数测控系统等组成。

1997年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面也取得了一定的成果。

90年代末，河北职业技术师范学院的闰忠文研制了蔬菜大棚，其能够对温、湿度进行实时测量与控制。

但由于我国农业现代化水平较低，农业劳动力大量过剩，温室的一次性投资大，资金短缺以及对操作人员的素质要求比较高等因素，限制了温室控制技术在温室系统的扩展。

1.3本课题的主要研究内容

本系统的设计的硬件主要包括：

主要是单片机AT89C51，检测系统，显示电路，报警电路等。

利用传感器测量大棚内的温湿度经过信号处理，将传感器测得的数据送至控制系统（AT89C51），与预设的农作物最适合生长的温湿度值的上下限进行对比，并通过显示电路将测得的温湿度进行实时显示。

如果不同作物的适合生长的温度不一样，可以通过键盘电路修改预设值。

控制系统根据比较的结果对控制系统发出相应的指令，通过五个不同的LED灯发光，分别表示正常、加热、降温、加湿、干燥五个控制命令，并且如果测得的温度超过了预设温度的下限，则报警电路会报警。

这样就实现了温室自动监控及低温预警的目的。

本文主要研究内容如下：

1.进行温湿度控制系统的整体研究与设计。

2.利用键盘设置温湿度的上下限值。

3.利用数字温湿度传感器测量大棚内的温湿度。

4.利用LCD对温湿度进行实时显示。

5.当温室温度低于温度下限时，系统可自动报警，并通过不同LED发光表示不同控制信号

第二章设计方案

2.1温湿度传感器的选择

温湿度传感器在工农业生产、气象、环保、医学等领域得到越来越广泛的应用。

温湿度采集系统目前普遍采用的几种方案：

方案一：

采用单总线的DS1820的温度传感器和HS110X相对湿度传感器组成的温湿度采集系统。

方案二：

采用集温湿度传感器于一体的SHT11芯片为主要芯片的温湿度采集系统。

由于传统的模拟式湿度传感器（方案一）不仅要设计信号调理电路，还要经过复杂的校准和标定过程，其测量精度难以保证。

而SHT11是瑞士Sensiri-on公司生产的具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。

该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术融合，为开发高集成度、高精度、高可靠性的温湿度测控系统提供了解决方案。

所以本设计采用的是方案二。

2.2系统的整体设计

温湿度监测系统要满足以下条件：

温湿度监测系统能完成数据采集和处理、显示、输出控制信号等多种功能。

由数据采集、键盘扫描、单片机、数据显示等部分组成。

该测控系统具有实时采集（检测室内的温度）、实时显示、（对监测到的温湿度进行显示）、实时报警（根据监测的结果，低于预设定的值的进行蜂鸣警告）的功能。

传感器是实现测量首要环节，是监测系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。

工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

系统的总体设计框图如图2-1所示：

2-1系统整体框图

第三章硬件设计

3.1芯片介绍

3.1.1单片机AT89C51

为了设计此系统，我们采用了80c51单片机作为控制芯片。

89C51是MCS-51系列单片机中CMOS工艺的一个典型品种；其它厂商以8951为基核开发出的CMOS工艺单片机产品统称为89C51系列。

该系列单片机是采用高性能的静态89C51设计由先进CMOS工艺制造并带有非易失性Flash程序存储器全部支持12时钟和6时钟操作P89C51X2和P89C52X2/54X2/58X2分别包含128字节和256字节RAM32条I/O口线3个16位定时/计数器6输入4优先级嵌套中断结构1个串行I/O口可用于多机通信I/O扩展或全双工UART以及片内振荡器和时钟电路。

此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围，频率可降至0。

可实现两个由软件选择的节电模式，空闲模式和掉电模式，空闲模式冻结CPU但RAM定时器，串口和中断系统仍然工作掉电模式保存RAM的内容但是冻结振荡器导致所有其它的片内功能停止工作。

由于设计是静态的时钟可停止而不会丢失用户数据运行可从时钟停止处恢复。

1、89c51的基本结构如图3-8所示：

图3-889c51结构图

2、89c51的引脚图如图3-9所示：

图3-989C51引脚图

89C51的制作工艺为CMOS，采用40管脚双列直插DIP封装，引脚说明如下：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

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。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

3、89c51的存储器配置

图3-1089C51存储器配置

4、程序存储器

与ROM密切相关的两个引脚

地址锁存允许信号端

外部程序存储器允许输出信号端

当ROM容量不够时,尽