智能环境温湿度监测与控制 论文讲解Word文件下载.docx
《智能环境温湿度监测与控制 论文讲解Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能环境温湿度监测与控制 论文讲解Word文件下载.docx（42页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
not
only
has
a
broad
market
prospect,
and
great
social
bene-fits.
Keywords:
Smart；
Temperature；
Single-chipmicrocomputer；
Humidity；
Sensors.
目录
1绪论1
1.1温湿度控制背景及研究意义1
1.2温湿度测控技术的发展状况2
1.2.1国外发展状况2
1.2.2国内发展状况2
1.3课题的主要内容及研究意义3
1.3.1课题的主要内容3
1.3.2课题的研究意义4
2研究方案的设计5
2.1室内温湿度参数的调节5
2.1.1温度的调节与控制5
2.1.2湿度的调节与控制5
2.1.3温度湿度之间的耦合控制6
2.2系统总体方案设计6
2.2.1概述6
2.2.2总体方案设计7
2.3本章小结8
3硬件设计9
3.1温度数据的采集与处理9
3.1.1温度传感器的选用9
3.2湿度数据的采集与处理9
3.2.1湿度传感器的选用10
3.2.2温湿度测量电路及其工作原理10
3.3键盘和显示电路设计13
3.3.1键盘电路设计13
3.3.2显示电路设计14
3.4报警电路15
3.5执行机构电路16
3.6本章小结17
4控制系统的软件结构和程序框图19
4.1主程序模块19
4.2系统各子程序模块20
4.2.1数据采集子程序模块20
4.2.2键盘子程序模块22
4.2.3显示子程序模块22
4.3本章小结23
5系统调试24
5.1软件调试24
5.2硬件调试24
5.3液晶模块调试25
5.4报警电路调试27
5.5本章小结27
6总结28
致谢29
参考文献30
附录31
附录A：
系统电路原理图31
附录B：
系统程序清单32
1绪论
本系统在工农业方面主要应用于温室大棚、粮食储存仓库等对密闭环境温湿度要求比较高的场所。
本文主要以农业中常见的温室大棚为例。
在我国，传统的温室大棚多为人工通过简单的温湿度计量设备或者简单的仪器仪表获取环境状态参数，并根据经验手动控制各个调节阀。
此种方式效率低下，控制效果也无法达到智能自动的要求，因此传统的监控管理方式已显示出诸多局限性。
1.1温湿度控制背景及研究意义
本系统的作用与意义主要体现在农业的应用。
众所周知，我国是农业大国，无论是农业大棚种植，还是粮食储存，都关系到国计民生。
我国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。
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、二氧化碳含量、土壤的含水量等。
在农业种植问题中，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。
大棚内的温度、湿度与含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。
而国外的温室设施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。
而当今大多数对大棚温度、湿度的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、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。
因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度，使大棚内形成有利于蔬菜，水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。
目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。
由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。
本文提出了一种以AT89S52单片机为控制核心的温湿度监控，主要是为了对蔬菜大棚内温度、湿度，以及含量进行有效、可靠地检测与控制而设计的。
该测控仪具有检测精度高、使用简单、成本较低和工作稳定可靠等特点，该系统具有较好的通用性和较强的适应性，并运用一定的仿真方法对该系统的正确性和实用性进行了验证，具有一定的应用前景。
1.2温湿度测控技术的发展状况
1.2.1国外发展状况
西方发达国家在现代温湿度测控技术上起步比较早。
1949年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研究。
20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。
随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展。
特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。
80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段。
目前，国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准。
温室内的各环境因子大多由计算机集中控制，检测传感器也较为齐全，如温室内外的温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现对各个执行机构的自动控制，如无级调节的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，由热水锅炉或热风机组成的加温系统，可定时喷灌或滴灌的灌溉系统，二氧化碳施肥系统，以及适用于温室作业的农业机械等。
计算机对这些系统的控制己经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人工智能控制，一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化、无人化的方向发展。
1.2.2国内发展状况
我国现代温室技术起步较晚，70年代以来，政府大力发展以塑料大棚、节能日光温室为主的设施农业，促进了农村经济的发展，同时也缓和了蔬菜季节性短缺的问题。
与此同时，从1979年至1994年，从欧美、日本等国家引进了一系列现代化温室（包括加温系统、湿帘降温系统、灌溉系统、监测与集中控制系统及其它附属设施）进行实验研究。
引进的温室与我国传统温室比较，其空间大，便于进行机械作业，生产率与资源利用率比较高，为我国温室的发展提供了借鉴作用。
但这些温室也存在着许多不足之处，主要表现在:
（1）价格昂贵，国内农业生产目前难以接受；
（2）缺乏与我国气候特点相适应的温室测控软件。
目前我国引进温室的测控系统大多投资大、运行费用过高，并且测控系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾；
（3）控制方式比较简单，软件实现模式固定，不能进行功能扩展。
随后在我国出现了一些国外的仿造产品，如江苏工学院研制的“温室环境测控系统’，主要用于无土栽培实验温室，造价仍较高，且处于实验阶段；
吉林工业大学研制的“温室环境自动检测系统”，仅实现了温湿度的自动测试，“智能型温室环境控制器”仅实现了温室内的喷水自动控制等。
以上产品均没有面向我国广大农村现有的100万亩传统温室的改造工程。
所以，传统的方法，人们主要还是采用温度计、湿度计来采集温度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温来控制温湿度。
因此，以上产品的推广使用价值仍然不大。
总体上说，我国综合环境测控技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单个或少量环境因子调控技术的阶段，自行开发的温室测控系统其技术水平和调控能力与发达国家还有一定的差距。
1.3课题的主要内容及研究意义
1.3.1课题的主要内容
为适应农业发展的需要，根据以上分析存在的问题，本文研制和设计了基于单片机的温湿度自动测控系统。
该系统在设计过程中充分考虑到性价比，选用价格低、性能稳定的元器件，可实现对大棚内温湿度的在线实时检测。
同时，本课题还设计了相应的控制系统，单片机实时监测大棚内的温湿度，当温湿度超过设定的上、下限时，单片机驱动固态继电器打开相应的执行机构，实现对温湿度、的补偿，从而使得大棚内的参数在适合作物生长的范围内保持稳定。
本课题主要研究内容包含以下几个方面:
（1）空气温度、湿度传感器的选型及相应信号处理电路的设计；
（2）实现温室内空气温度、湿度环境参数的自动测试；
（3）通过人机对话接口实现参数显示和在线参数设置；
另外，本系统在设计时加入了以下特色性能：
（1）可扩展性。
系统在设计过程中除满足当前需求外，还需为日后的系统扩展留有足够的接口，所有功能模块均为可组态化设计，可以灵活的增加或者删除。
（2）可集成性。
系统在设计过程中需具备高度集成性，满足于第三方平台的实时交互集成需求。
（3）可控制性。
系统建成后，要求对温室中的温湿度、光照强度、喷灌装置等设备可实现远程自动、手动控制，保证温室作物处于最优的生长环境中。
1.3.2课题的研究意义
传统的方法，人们主要采用温度计、湿度计来采集温度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度。
但是由于温度计、湿度计精度比较低，以及人工读数的人为因素等原因，温湿度检测不仅速度慢，精度低，实时性差，而且操作人员的劳动强度大。
现在农业上基本沿用人工的测控方法，这就不可避免的存在着劳动强度大、繁琐、测量精度低，并且由于检测报警不及时，给农业生产和科研工作造成了一定的损失。
近年来，随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用，人们对大棚内参数检测的准确性、稳定性要求也越来越高。
本课题就是针对此问题，设计相对精度高、性能稳定、价格便宜的温湿度测控装置。
该仪器可广泛地应用于诸如温室大棚、畜牧业中的孵化和饲养环境调节、粮食储藏以及其它农业生产和科研领域，并且由于系统的灵活性和模块化，也可以方便地满足其它领域的需要。
2研究方案的设计
2.1室内温湿度参数的调节
2.1.1温度的调节与控制
目前温室内温度的调节和控制包括加温、降温和保温三个方面，具体表现在：
（1）加温。
加温有热风采暖系统、热水采暖系统、土壤加温三种形式。
热风采暖系统由热风炉直接加热空气和蒸汽热交换空气两种。
前者适用于塑料大棚，后者适用于有集中供暖设备的温室；
热水采暖系统的稳定性好，温度分布均匀，北方温室大都采用此种方式；
土壤加温有酿热物加温、电热加温和水暖加温。
（2）降温。
降温最简单的途径是通风，但在温度过高，依靠自然通风不能满足作物的要求时，必须进行人工强制降温。
降温包括遮光降温法、屋面流水降温法、蒸发冷却法及强制通风法。
遮光降温法是一种在室外与温室屋顶部相距约40cm处张挂遮光幕，对温室降温很有效。
另一种在室内挂遮光幕，降温效果比挂在室外差；
屋面流水降温法采用时须考虑安装成本，清除玻璃表面的水垢污染问题：
蒸发冷却法使空气先经过水的蒸发冷却降温后再送入室内，达到降温目的。
蒸发冷却法有湿帘法、风机降温法、细雾降温法、屋顶喷雾法。
（3）保温。
保温包括减少贯流放热和通风换气量、增大保温比、增大地表热流量。
减少贯流的放热和通风换气量包括减少向温室内表表面的对流传热核辐射传热、减少覆盖材料自身的热传导散热、减少温室外表面向大气的对流和辐射传热、减少覆盖面因漏风而引起的换气传热；
增大保温比是适当的降低温室的高度，缩小夜间保护设施的散热面积，从而有利的提高温室内昼夜的气温和低温；
增大地表热流量可以采用增大保护设施的透光率，且经常保持覆盖材料干洁，及设置防寒沟，防止地中热量横向流出。
2.1.2湿度的调节与控制
大棚内空气湿度的调节与控制，从环境调控的观点来说，空气湿度的调控，主要是防止作物沾湿和降低空气湿度两个直接目的。
而防止作物沾湿主要是为了抑制病害。
除湿的方法有通风换气、加温除湿、覆盖地膜、适当地控制灌水量、使用除湿机、除湿型热交换通风装置。
一般采用在不加温的温室里自然通风，达到降低温室内湿度的目的，其效果显著。
在有条件的情况下，可采用强制通风，可由风机功率和通风时间计算出通风量，而且便于控制；
其他的方法如覆盖地膜、热泵除湿等也能达到除湿的目的。
加湿的方法包括喷雾加湿、湿帘加湿、温室内顶部安装喷雾系统。
喷雾加湿时可根据温室面积选择合适的喷雾器，此法效果明显，常与降温结合使用。
湿帘加湿主要用来降温，同时也可达到增加室内湿度的目的；
温室内顶部安装喷雾系统，降温的同时也可以加湿。
2.1.3温度湿度之间的耦合控制
温度与湿度之间有一定的耦合关系，对一个因子的控制常会带来另一个因子的变化。
在冬季温室环境控制中，默认为温度控制优先的原则，在温度条件满足后，再来满足湿度条件。
如温度过低、湿度过大的情况下，以加温为主导，只有当温度上升到一定值后，才能通风降湿，另一方面，温度提高本身可以使相对湿度降低。
在夏季降温加湿的过程中，采用以湿度优先的原则。
当湿度过小时，开启蒸发降温加湿装置。
而当温度过高需要启动蒸发降温执行机构时，必须先检测室内的相对湿度，只有湿度低于某一设定范围时，才能启动蒸发装置。
2.2系统总体方案设计
2.2.1概述
本文设计和研制上、下位机温室大棚测控系统，以满足不同的需求。
其中，上位机采用PC机，下位机采用单片机。
下位机控制器应能完成以下工作：
脱离监控主机独立地进行数据采集与控制，通过人机接口（键盘和显示器）实现参数设定、显示和人工干预控制输出等功能。
下位机控制器是以单片机为核心的，整个系统包括主模块、数据采集与处理模块、输出控制模块、键盘显示模块和数据通信模块等。
数据采集与处理模块能够完成温室内温度、湿度和二氧化碳浓度的模拟量的采集和处理，结果送数据存储器或传输给监控服务器，由监控服务器存储和管理，输出控制模块主要负责温室执行机构的控制，通信模块则是基于RS-232总线，由双绞线进行远程的数据传输，实现单片机和上位机的通信。
本系统主要由温室内外环境自动测试系统，自动控制系统，人机对话接口和通讯接口四个部分组成。
系统流程框图如图2-1所示。
（1）三个温湿度测量传感器组成温室内外环境自动测试系统。
主要测试温室外空气温度、湿度，温室内空气温度、湿度等环境参数。
（2）继电器控制的风扇电机等硬件组成温室内环境自动控制系统。
根据环境自动测试系统得到的结果控制相应执行机构的执行，为作物提供良好的生长环境。
（3）人机对话接口包括。
LED液晶屏显示系统:
显示温室内的空气温度和湿度的参数值。
键盘:
用以人工预置各适宜环境参数值.
报警信号:
当对加热器、排风扇、通风窗和喷水设备的控制失效时，以及某环境参数值超过限定界限时，发出声光报警信号，提醒管理人员采取相应措施。
（4）通讯接口。
用来实现与PC机的通讯，将存储的测试数据传送给PC机，可以方便的实现集中式管理。
图2-1温湿智能测控系统流程图
2.2.2总体方案设计
大棚蔬菜栽培，主要以冬、春两季为主。
温度条件是促进蔬菜生长发育的动力。
大棚内的温度变化规律是：
昼夜温差大；
晴天温差大于阴天，且棚温回升快；
阴天棚温增温效果不明显。
大棚内的蔬菜花卉在不同的季节所需要的具体的温度、湿度是不同的，而且具体的不同的农作物所需要的温、湿度也是不同的。
本文通过以上对大棚蔬菜中的参量及其相互关系的分析研究，对系统总体方案进行了详细设计，采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为核心控制处理器。
温湿度传感器采用简单易用，含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器DHT11。
显示部分采用我比较熟悉的12864液晶屏，对温度、湿度进行分时显示。
当温度、湿度中任何一个量低于或者高于期望的范围时，系统会控制自动报警。
本设计采用的是声光报警，声光报警主要是控制蜂鸣器的发声频率和控制指示灯，使其在指定的区域一亮一灭，从而达到报警的目的。
由于本系统所控制的温度、湿度都是大惯量环节，大棚容量大，而控制精度要求相对不高，所以用常规的乒乓控制方法即可满足控制要求。
具体的控制过程是:
湿度低于某一值即打开滴灌电磁阀进行喷水，当湿度在期望值的范围内即关闭电磁阀；
当温度高于期望的上限或湿度高于期望值上限时，单片机控制风扇进行排风；
当温度低于期望值下限时，单片机驱动加热器进行加热。
2.3本章小结
本章综述了温室大棚内温度、湿度常用的调节与控制方法，确定了系统框架，结合实际情况，选定温湿度传感器、核心处理器等硬件电路，并针对温室大棚的环境，提出了温度、湿度测控系统的方案设计，为下文的展开做了前期准备。
3硬件设计
大棚内温度、湿度检测属监控系统范畴。
近年来，由于传感器技术、计算机技术、超大规模集成电路技术和网络通信技术的发展，使监控系统广泛应用于工农业生产等领域。
因此，温度、湿度检测技术的研究在软、硬件等方面都有了一定的进展。
本部分是大棚检测和控制系统的核心部分，主要涉及微控制器及其外围接口电路，包括信号的输入，输出通道及系统键盘显示电路，执行机构电路等。
本章将针对温室大棚中的温度、湿度的检测与控制进行深入的研究。
3.1温度数据的采集与处理
作物的生长，即有机物质的积累是在连续的、同时进行的两个相反过程--同化和异化中形成的。
虽然温度对每个过程的影响都不同，但也有其共同的特征。
即随着温度的升高，作物的生命过程最初是加快的。
当温度超过一定界限时，光合作用（同化）和呼吸作用（异化）就减弱下来。
当温度更高时，作用就停止了。
也就是说，光合作用和呼吸作用都有它们各自的最低、最适和最高温度。
在作物生活所需要的其他因子得到满足时农作物的增长是决定于光合作用制造的有机物质与呼吸作用消耗的有机物质之差，即有机物质的积累。
所以，在大棚中对室内温度的控制显得尤为重要，通过对温度数据的采集，经过单片机的处理控制相应的设备对温度进行相应的调整，使其温度处于最适合植物生长的范围内。
3.1.1温度传感器的选用
由于温度是非电量，因此，对温度的检测与控制需要使用传感器或温度敏感元件。
一般采用热电偶、热敏电阻和集成温度传感器等测温元件来检测温度。
热电偶和热敏电阻的测量精度都比较高，而且测量的范围也比较宽，但是它容易受到测量场所以及环境的限制，高温或长期使用时由于环境的影响会使其性能下降，给实际应用带来了很大的不便。
而集成温度传感器，如DS18B20，具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便、价格比较低，并且具有长期稳定性等优点，因此得到广泛应用。
但是调试过程中发现，每个DS18B20芯片都有特定的ROM值，多个DS18B20之间通讯，读取温度时容易混乱。
故放弃此芯片。
3.2湿度数据的采集与处理
湿度是表示空气干湿程度的物理量。
单位体积空气中所含水蒸汽的质量，称作空气的绝对湿度。
相对湿度就是1m3空气中实际所含水蒸汽的质量和同温度下饱和状态时所含水蒸汽的质量百分比。
通常，我们所说的湿度大小，都是指相对湿度大小。
随着湿度的变化,温室大棚内的空气会由于吸收过多的水分而变得潮湿，也会因原有水分被蒸发而变得干燥。
温室内湿度的变化,由室内的水分平衡决定。
温室内水分的变化与室内作物栽培床的蒸散率、土壤蒸发率、喷淋系统的蒸发速率、水蒸汽的凝结率、水蒸汽的渗漏率和通风换气影响水蒸汽的变化率有关。
3.2.1湿
升级会员 