温室大棚设计毕业设计.docx

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温室大棚设计毕业设计

温室大棚设计毕业论文

摘要

随着大棚技术的普及，温室大棚数量的不断增多，对其温度的控制就显得非常重要，而利用科学技术改善大棚温度监测条件是符合社会主义新农村建设的指导思想的，因此，开发一种能够实时、准确地处理温度信息的无线测控系统就变得很有必要。

本课题是基于单片机并采用1-wire总线技术和无线传输技术，设计一种应用于温室大棚的温度测控系统。

它的原理是利用温度传感器将温室大棚内的温度发给单片机处理，最后再通过无线传输模块、RS-232总线将采集的数据传送到计算机，进行温度的显示、处理和报警。

整个系统设计分为硬件和软件两部分。

在硬件方面，对硬件的各个环节都进行了仔细的分析、选取和设计。

系统以单片机AT89S51为控制核心，采用温度传感器DS18B20进行数据采集，通过无线收发模块进行无线传输。

在无线接收端，利用LCD液晶显示模块进行相关数据显示，并且单片机可通过RS232接口与计算机通信，进行温度的检测与控制。

在软件方面，分为下位机软件与上位机软件两部分。

下位机软件采用了C51高级语言进行程序设计，实现软件编程的模块化和独立性，具有良好的可测试性和可靠性。

上位机软件采用C++Builder作为开发环境，实现与下位机通信、数据处理与显示等功能。

经过软件仿真和硬件实验，本设计实现了对大棚温度的监测和控制，监测距离大于200m。

【关键词】：

温室大棚；AT89S51；DS18B20；温度监控；无线传输

ABSTRACT

Asthegreenhousetechnologybecomesmoreandmorepopular,andthenumberofthebigshedsisontherise,thecontrolofitstemperaturebecomesveryimportant.Moreover,tokeeppacewiththemoderntechnology,improvingtheconditionofthemonitoringisverynecessary,whichisfitfortheguidingideologyofthesocialismnewcountrysideconstruction.Underthisbackground,developingawirelessmonitoringsystemwithreal-timeperformanceandaccuracyhasgainedmuchattention.

ThissubjectisputforwardbasedonMCU,the1-wiretechnologyandwirelesstransmittingtechnology,atemperaturemonitoringsystemappliedinthegreenhousewasdevised.Theworkingprincipleofthisprojectistheutilizationofthetemperaturesensors,whichtransfersthetemperatureoftheshedstoMCU,finallybywirelesstransmitmodule,RS232Bustransmittingthedatatothecomputer,carryingoutthetemperature’sdisplay,processandalarm.

Thewholesystemconsistsofthehardwareandsoftwaretwoparts.Forthehardwareaspect,thishasbeenmadeacarefullyanalysis,collectionanddesignontheeverysegmentofthehardware.ThesystemusesAT89S51chipasthecoreofthecontrol,choosesthetemperaturesensorDS18B20tocollectthedata,thenthroughwirelesstransceivermoduletransmititandinthewirelessreceiver,selectsLCDmoduletodisplayrelateddata,correspondingwiththecomputerthroughRS232interface,achievingthemonitoringandcontrolofthetemperature.Inthesoftware,itcanbedividedintotwoparts:

hostcomputerandslavecomputer.Intheslavecomputer,usingC51advancedlanguagetoprogram,makingitmodularizedandindependent,aswellaspossessingwelltestabilityandreliability.ThehostcomputerusesC++Builderasthedevelopmentenvironment,implementingthecommunication,dataprocessinganddisplaywiththecomputer.

Throughsoftwaresimulationandhardwareexperiment,thissystemsuccessfullycompletesthewirelessmonitoringofthehothouses,fulfillingthemeasureandthecontrolofthegreenhouse’stemperature.

KeyWords:

Hothouses;AT89S51;DS18B20;Temperaturemonitoring;

WirelesstransmitModule

1前言1

1.1课题来源1

1.2需求分析2

1.3课题研究内容3

2系统总体设计方案4

2.1系统工作原理5

2.2系统组成5

2.3系统性能指标6

3硬件电路设计7

3.1设计原则7

3.2单片机的选择7

3.3单片机的最小系统设计7

3.4温度传感器的选择8

3.5无线收发模块11

3.6串口通信12

4软件设计14

4.1设计原则14

4.2下位机软件设计14

4.3上位机软件设计17

5系统调试及结果分析22

5.1硬件电路的调试22

5.2系统可靠性及抗干扰设计25

5.3系统实时性26

6总结及问题探索28

6.1总结28

6.2问题探索29

致谢30

参考文献31

附录一：

实物图及PCB32

附录二：

中英文翻译34

温室大棚温度无线测控系统的设计

1前言

1.1课题来源

温室大棚是农业设施的重要组成部分，利用温室大棚栽培蔬菜可以促进其早熟和丰富其产量，延长蔬菜的供应期，是扩大蔬菜生产、实现周年供应的一种有效途径，是发展"三高"农业、振兴农村经济的组成部分，是我国农业走向现代化、科学化的标志之一。

尤其对于我国北方地区无霜期短，冬天日夜温差大，而长江流域地区虽然冬季能生产一些耐寒蔬菜，但种类单调，且若遇冬季寒潮或夏秋暴雨，连绵阴雨等灾害性天气，则早春育苗和秋冬蔬菜生产都可能会受到较大的损失，影响蔬菜的供应。

而利用塑料棚进行蔬菜栽培可利用保护设备在冬、春、秋进行蔬菜生产，以获得多样化的蔬菜产品。

以下将简要地介绍几种温室大棚。

第一种是薄膜温室大棚2，属于连栋温室中造价比较低的类型，但由于薄膜老化等原因，薄膜质保3年，因此，存在薄膜定期更换的问题。

它的优点是保温性能好，运行成本低；缺点是透光率低。

适合种植对光照要求不高的植物品种。

图1.1薄膜温室

第二种玻璃温室，它是源于早期引进的荷兰VENLO温室，由于荷兰属于寡日照地区，对透光要求高，因此，玻璃的高透光性非常适合于高光作物的种植。

另外，玻璃温室的外型美观，通透性强，因此，非常适合于建造花卉市场。

图1.2玻璃温室

在2009年4月14日，辽宁省成功研制出了“内保温组装式温室”。

它一种新的温室类型，具有环保、造价低、可移动等特点，推广价值大。

温室大棚测控系统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,结合作物生长规律,控制环境条件,使作物在不适宜生长的反季节中,可获得比室外生长更优的环境条件,从而使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。

单片机是专为工业测量与控制而设计，具有集成度高、可靠性高、性价比高的优势，它给人们带来的方便也是不可否定的，采用它制成的监测控制系统非常之多。

但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活提供更好的更方便的设施就需要从单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制的方向发展。

无线数据传输广泛地运用在车辆监控、遥控、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、工业数据采集系统、身份识别、小型无线数据终端、安全防火系统、无线232数据通信、数字音频、图像传输等领域中。

应用无线技术能够改善监测大棚温度的条件。

1.2需求分析

（1）国内外大棚温度控制技术的发展

国外采用多数是一种全自控的喷滴灌温室大棚控制系统，它不需要人的看管。

比较人工的控制来说，这种智能自控温室最大的好处就是能够相对恒定的控制温室内部的环境，对于对环境要求比较高的植物来说，更能避免因人为因素而造成生产损失。

北京的一家公司研制开发了一种应用于温室大棚的环测温控系统3。

它是采用PLC与各式的侦测器连线，管理人员需要在现场监控，温室的温度、湿度及亮度侦测器与PLC连结，MA8-6透过RS-232与PLC连结，使用图型化界面来设定与PLC之间的资料的交换格式，透过GPRS与Internet将相关数据资料传送到中央控制中心。

中央控制中心的监控主机经由RS-232与MA8-1连结，当回传资料值超出或低于设定临界值时，监控主机将报警资料经由短消息系统传送给相关管理人员，管理人员可以及早采取措施解决问题。

图1.3环测温控系统

（2）结论

本系统设计和国外的先进设备相比还是存在一定的差距，与上述的环测温控系统相比，本设计最大的特点是采用无线传输技术，管理人员不需要留在现场也能监测到大棚的温度情况。

而且使用数字温度传感器，这样硬件电路简单，调试起来也方便，还节省成本，测量和控制的目标都能实现。

1.3课题研究内容

本课题的任务是设计一个大棚温度无线测控系统，对温室大棚的温度进行监测和控制。

本文将详细地介绍利用单片机制成的测温模块的软硬件设计和无线传输模块的具体应用，并给出温度传感器接口的软件设计方案以及上位机界面的设计方案。

图1.4大棚温度无线测控系统的信息流图

2系统总体设计方案

本系统主要针对温室内温度，设计了以PC机为上位机,单片机为下位机的温室大棚的温度无线测控系统。

综合考虑系统的精度、效率以及经济性要求这三个方面之后,最终确定下位机以AT89S51单片机为控制核心,选用性价比比较高的传感器DS18B20，实现对温度精确测量与准确控制。

当单片机检测到温度超过设定值时,则启动报警措施。

下位机可以通过RS-232实现和上位机的串行通讯。

为了便于系统的调试、移植、修改,软件设计以C语言为基础,采用模块化设计,主要包括单片机的最小系统、数据采集模块、液晶显示模块、无线收发模块以及串行通讯模块。

上位机使用C++Builder编写温度监控界面。

系统的总体设计分为硬件和软件设计两方面，首先确定系统实现的功能，然后对硬件、软件分别进行规划，完成这些准备工作之后，就可以开始制作硬件电路，编写软件程序，在模块化调试结束后，进行软硬件联调，针对出现的问题对软硬件进行相应的修改，直到调试成功为止。

系统的总体设计流程图如图2.1所示。

图2.1系统总体设计流程图

2.1系统工作原理

单片机首先通过温度传感器DS18B20采集温室大棚的温度，再通过无线发射模块，利用单片机的串口进行编程，将测得大棚的温度一位一位地传送到监控室的接收模块中；接收模块通过RS232接口与电脑相连，把数据传给电脑。

在上位机中，利用C++Builder编程，让电脑和单片机正常地进行数据传输，同时上位机界面显示大棚的温度，并对异常的温度变化进行报警，实现对大棚温度的无线测控，保证了农作物在适宜的温度下生长。

2.2系统组成

整个无线监测系统主要分为三部分：

即温度检测、无线传输和PC机对温度的监测环节。

图2.2系统的整体连接图

（1）温度检测模块的组成

在温度检测中,由单片机AT89S51主控制器所组成的最小系统以及外部接口模块主要有温度传感器（DS18B20）、LED八段码显示器,无线发射模块，各模块连接如下图所示。

图2.3单片机温度检测模块

（2）温度无线传输模块的组成

无线传输系统主要有单片机AT89S51组成的最小系统以及无线接收模块，液晶1602显示和串口通讯模块组成。

在本设计中，在无线接收端采用1602液晶（16引脚带背光接口）进行显示。

液晶是一种极低功耗的显示器件。

在袖珍式仪表或低功耗应用系统中使用较多。

各模块的连接框图如图2.4所示。

图2.4无线传输模块

（3）上位机对温度的监测

实现大棚温度的显示并且实时绘制出曲线，一旦温度有异常变化马上让电脑发出报警提示。

还加以整个系统的介绍和图片，方便使用者了解系统的原理和功能。

图2.5上位机的监测模块

2.3系统性能指标

本系统具有良好的可靠性和经济性，能够实现对温室大棚温度的准确测量和控制，在实际应用中有一定价值。

具体性能指标分述如下。

●测温范围：

0℃～+50℃；

●测温分辨率：

0.1℃；

●工作电压：

220V；

●功耗：

600mW；

●监测距离：

200m左右；

3硬件电路设计

3.1设计原则

（1）尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。

为硬件电路的标准化、模块化打下良好基础。

可靠性和抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片和器件的选择、去耦电容、滤波电容、电路板的布线等。

（2）尽量朝单片方向设计硬件。

硬件器件越多，器件之间相互干扰越强，功耗也会越大，就会不可避免的降低系统的稳定性。

（3）在速度允许的情况下，尽量使用串行为主的扩展方式。

串行扩展具有方便、灵活、电路简单、占用I/O资源少等特点。

（4）留下一些指示灯或通信口以方便调试和判别系统问题。

3.2单片机的选择

在此次设计中，采用AT89S51作为系统的控制芯片。

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元。

3.3单片机的最小系统设计

在本设计中采用了AT89S51单片机作为核心处理器，因此在电路中首先设计的是AT89S51的最小系统。

AT89S51单片机的最小系统包含以下几部分。

●单片机供电电路：

AT89S51需要可靠的5V供电，在电路图中的VCC和GND为供电网络标识符；

●振荡电路：

AT89S51需要一个稳定的振荡电路才能够正常工作，单片机的时钟信号是用来提供单片机内各种微操作的基准。

在该电路中采用了12MHz的晶振作为AT89S51的时钟源；这里采用的是内部振荡方式，在引脚XTAL1和XTAL2外接晶振，通过内部振荡得到的时钟信号比较稳定，在电路中使用较多。

在下面的电路图中可以看到在晶振两侧连了两个电容C2，C3，它们是起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值一般为5～30pF。

本设计中用的是30pF的电容。

●复位电路：

复位电路是单片机正常运行的一个必要部分。

复位操作一般有两种基本形式：

上电复位和开关复位。

在本设计中采用的是第二种。

复位电路应该保证单片机在上电的瞬间进行一次有效的复位，在单片机正常工作时将RST引脚置低。

此外通过一个按键进行手动复位，在单片机运行不正常时使用。

上电后，由于电容充电，是RST持续一段高电平时间。

当单片机已经在运行时，按下复位键也能使RST持续一段高电平，从而实现上电且开关复位的操作。

通常我们选择的复位电容为10～50µF，电阻为1～10k。

在本设计中复位电容选的是47µF的，电阻选的是10k的。

AT89S51的最小系统电路如图3.1所示。

图3.1AT89S51的最小系统电路

3.4温度传感器的选择

在选择温度传感器时，应考虑的主要因素有温度的测量范围、精度、测温时间、稳定性、灵敏度和经济性。

（1）温度传感器的种类4

温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段：

●传统的分立式温度传感器；

●模拟集成温度传感器；

●智能温度传感器；

目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。

常见的温度传感器有模拟集成温度传感器（AD590、LM334）、单总线数字温度传感器（DS18B20）、标准总线式智能传感器（DS1629）、多通道智能温度传感器（MAX6691）、热电偶温度传感器、光纤传感器等。

以下将对这些传感器简单介绍一下。

1）模拟集成温度传感器

它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。

模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准。

2）热电偶温度传感器

热电偶是工业上最常用的测温检测元件之一，其优点是测量精度高，测温范围广，常用的热电偶从-50～+1600℃均可连续测量。

但是，热电偶的材料一般都比较贵重，成本较高，而且一般需要冷端补偿。

3）数字温度传感器

数字温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。

它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。

这些芯片在检测点已把被测信号数字化了，因此在单总线上传送的是数字信号，这使得系统的抗干扰性好、可靠性高、传输距离远。

●结论

由于AT89S51单片机内没有A/D转换器，为了准确地采集温度，一种方法是在外围电路中加A/D转换器，但是这样就使软硬件设计更加复杂化；还有一种更简单的方法就是使用数字温度传感器。

所以，在本设计中，采用的是单总线数字温度传感器（DS18B20）。

它能够满足本设计要求，而且它具有体积小、构成的系统结构简单并且成本低等优点，应用越来越广泛。

（2）单总线协议的介绍

1）单总线的工作原理

近年来，美国的达拉斯半导体公司推出了一项特有的单总线（1-WireBus）技术。

该技术采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的。

顾名思义，单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都由这根线完成。

设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线。

单总线通常要求外接一个约为4.7K的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。

主机和从机之间的通信可通过3个步骤完成，分别为初始化1-wire器件、识别1-wire器件和交换数据。

由于它们是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主机访问1-wire器件都必须严格遵循单总线命令序列，即初始化、ROM、功能命令。

2）单总线的特点

单总线技术以其线路简单、硬件开销少、成本低廉、节省I/O口资源、便于总线扩展和维护、软件设计简单的优势而有着无可比拟的应用前景。

其通信可靠简单，很容易实现，是值得关注的一个发展领域。

（3）DS18B20的功能介绍

DS18B20是Maxim-Dallas公司生产的一款高性能、宽测温范围的串行数字接口温度传感器。

它是一种可组网的高精度数字式温度传感器，由于其具有单总线的独特优点，可以使用户轻松地组建起传感器网络，并可使多点温度测量电路变得简单、可靠。

它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统。

DS18B20的ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,共分为8个字节，字节0的内容是该产品的厂家代号28H，字节1～6的内容是48位器件序列号，字节7是ROM前56位校验码。

它可以看作是该DS18B20的地址序列码,每个DS18B20的64位序列号均不相同，这样就可以实现1根总线上并接多个DS18B20温度传感器而互不影响。

在单片机容量允许内，最多可以挂接256个DS18B20（实际应用中最多挂8个，超过8个就需要解决微处理器的总线驱动问题）。

以下将简要地介绍它的使用。

1）DS18B20的性能指标

DS18B20温度传感器的主要性能指标如下：

●供电电压：

3.0V～5.5V；

●测量温度范围：

-55℃～+125℃；

●测量温度精度：

在-10℃～+85℃是0.5℃；

●测温分辨率可达0.0625℃；

2）DS18B20的引脚定义及结构

DS18B20具有8-Pin的SOIC封装和TO-92的封装，其

引脚分布如图3.2所示。

DS18B20的各引脚功能说明如下：

●DQ：

数据端；

●VDD：

供电电源；

●GND：

电源供给地；

DS18B20主要有64位ROM、温度敏感元件、非易失性温度报警触发器TH和TL及配置寄存器四部分组成。

配置寄存器为高速暂存存储器的第5个字节。

DS18B20在工作时按此寄存器的分辨率将温度转换成相应精度的数值。

DS18B20对所测数据的转换结果以16bit带符号位扩展的二进制补码的形式存放在寄存器中。

DS18B20通过其内部的数字转换电路将模拟量转换为数字量,通过显示模块直接以数字方式显示温度。

其典型的温度值数据如表3.1所示。

DS18B20的电源供电方式有2种：

外部供电方式和寄生电源方式。

工作于寄生电源方式时,VDD和GND均接地,它在需要远程温度探测和空间受限的场合特别有用,原理是当1－Wire总线的信号线DQ为高电平时,窃取信号能量给DS18B20供电,同时一部分能量给内部电容充电,当DQ为低电平时释放能量为DS18B20供电。

但寄生电源方式需要强上拉电路,软件控制变得复杂（特别是在完成温度转换和拷贝数据到E2PROM时）,同时芯片的性能也有所降低。

因此,在条件允许的场合,尽量采用外供电方式。

4）DS18B20的单片机接口电路

当使用AT89S51控制DS18B20进行温度测量时，只需要使用AT89S51的一个引脚和DS18B20的数据端口相连即可，其电路图如图3.3所示。

使用4.7k上拉电阻的作用：

因为DS18B20是单总线温度传感器，数据线是漏极开路，如果DS18B20没接电源，则需要数据线强上拉，给DS18