温室智能控制系统大学毕业设计.docx

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温室智能控制系统大学毕业设计

温室智能控制系统大学毕业设计

摘要

近年来随着科学技术的发展，尤其是计算机应用技术的发展，计算机控制技术和自动化技术也延伸到各生产领域。

我们国家正在走现代化农业道路，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。

温室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监测和控制，这对于农作物的生长发育有非常大的促进作用，可以避免因为外部气候的剧烈变化对农作物造成的伤害，使农作物能够在一个最适合它的温度、湿度和光照的环境中生长发育，从而可以提高产量，增加经济效益。

本设计，由ATmega16单片机作为控制的核心器件的单片机模块，外加温度采集模块、湿度采集模块、光照采集模块、加热模块、降温模块、补光模块、报警模块以及显示模块组成。

采用DS18B20、DHT11和光敏电阻进行信息采集，将其采集到的数字信号传入ATmega16单片机，并在Nokia5110屏上显示其实时值。

单片机通过比较输入温度与设定温度来控制风扇或加热电路驱动电路，当棚内温度在设定范围内时，单片机不对风扇、棚顶电动窗或加热电路发出动作，实现了对大棚里植物生长温度及土壤和空气湿度的检测、监控，并能对超过正常温度、光强范围的状况进行实时处理，使大棚环境得到了良好的控制。

关键词：

温度检测；湿度检测；控制系统；报警系统

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,especiallythedevelopmentofcomputerapplicationtechnology,computercontroltechnologyandautomationtechnologyalsoextendstoallareasofproduction.Thedesign,bythemicrocontrollerATmega16microcontrollerasthecoremodulecontroldevice,plustemperatureacquisitionmodule,humidityacquisitionmodule,lightacquisitionmodule,heatingmodule,coolingmodule,filllightmodule,alarmmoduleanddisplaymodule.UsingatemperaturesensorDS18B20andhumiditysensorDHT11,photoresistorinformationcollection,whichwascollectedfromtheincomingdigitalsignalATmega16microcontrolleranddisplayscreenisactuallyatimewhentheNokia5110.SCMbycomparingtheinputtemperatureandsettemperaturetocontrolthefanorelectricdrivecircuit,whenthegreenhousetemperaturewithinasetrange,themicrocontrollerdoesnotfans,electricwindowsorheatingfurnaceroofissuingactiontoachieveatemperatureofgreenhousesforplantgrowthandsoilandairhumiditydetection,monitoring,andcanperformreal-timeprocessingofmorethanthenormaltemperature,lightintensityrange,thusenablingthegreenhouseenvironmenthasbeenwellcontrolled.

Keywords:

temperaturetesting;humiditytesting;controlsystem;alarmsyste

1绪论

在人类的进化史中，温湿度扮演着极其重要的角色。

随着时间的推移，温度已经融入了我们人类生活的各个方面。

无论身在哪里，从事何种工作，温度已经成为了我们不可避免的与之打交道的的朋友。

自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温湿度有着密切的联系。

在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温湿度的因素。

温湿度不但对于工业如此重要，在农业生产中温湿度度的监测与控制也有着十分重要的意义。

我国人多地少，人均占有耕地面积更少且农业活动的生产效率较发达国家低。

显而易见，改变这种局面只靠增加耕地面积是不可能实现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位产量。

温室大棚技术就是其中一个好的方法。

温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的约束。

而且，温室大棚能减小农作物生长对其所处环境的依赖性，能让大多数农作物在不适合自身生长的季节产出，使农作物对季节和气候条件的依赖性大大降低，部分甚至完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。

加之温室大棚能带来可观的经济效益，所以温室大棚技术越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段。

1.1课题研究的背景

温室大棚即我们日常所见的日光温室，可以用来养花、种植反季蔬菜。

随着改革开放的进一步深入，人民生活水平不断提高，农村人也改变了吃菜靠田间地头自给自足的方式。

随着生活条件的逐步转好，我们餐桌上的菜肴早就不局限于本地的特产和时令蔬菜。

特别是北方，每到冬季，每家每户都会储存冬白菜，饭桌上几乎看不到其它的菜品。

但是现在不同了，由于温室大棚技术的发展，在北方即使是寒冷的冬季，很多夏季蔬菜和南方的水果也渐渐的出现在了人们的餐桌上，再也不会只有白菜相伴了。

众所周知，植物的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对植物生长影响最大的是环境中的温度、湿度和光照。

在不同的环境中，昼夜的温度和湿度变化是不同的，这其对植物生长是极为不利的。

因此必须对不同环境环境的温度和湿度进行监测和控制，使植物能在这些不同的环境下正常地生长，提高其产量和质量。

现在在许多温室大棚中还是沿用人工值守的方法来看管大棚，浪费了大量的人力和物力，而且大棚的温湿度控制并不精确，随之造成各种调控措施不及时，于是农作物也往往因为温湿度控制不当而减产，给菜农带来了极大的损失。

随着国家经济的快速发展，农业产业规模的不断提高，在大棚中培育的农产品品种越来越多，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。

因此发展现代化农业对日光温室的要求越来越高。

随着温室控制系统的应用越来越广，需要监控的对象趋于多样化，所以必须使用具有统一规范、可靠性高、组建灵活、扩展性好、维护简便、性价比高的方式来组建系统。

然而国外有一些自动检测控制仪器都是造价很昂贵的，对于普通农民来说是很难接受的。

所以寻求一种简单实用、经济实惠的温室大棚自动控制系统是非常有必要的。

因此，作为日光温室的一个重要组成部分—温度湿度光强的测控装置的研制非常需要。

在日光温室中，由于温度过高、过低，环境湿度过大光照强度过大、过小等都会影响农作物正常生长，若能有一测控系统能够有效地将温度控制在作物所需温度范围之内，也可以很好的改善大棚湿度，同时光强也保证在一定的范围之内，为农作物的生长提供一个良好的环境，并可以针对我国南方、北方的温度、湿度差异进行适当的调整，将会对温室大棚技术的进一步发展和推广，以及对增加广大农民的收入贡献不可替代的力量。

因此设计这样一种大棚温湿光测控系统对农业生产具有重要的意义。

要想实现这种控制系统，传感器的应用是必不可少的。

传感器（Transducer/Sensor）是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

一般由敏感元件和转换元件两大部分组成。

有时也将转换电路及辅助电路作为其组成部分。

传感器技术未来将向以下几个方面发展：

1）高精确度；2）小型化；3）多功能集成化；4）数字化；5）智能化。

鉴于本系统功能的实现对传感器的依赖性，对传感器的选择和应用成为非常重要的环节。

1.2课题研究的意义

随着单片机和传感器技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室大棚环境自动监测控制方面的研究有了明显进展，并且必将以其优异的性价比，逐步取代传统的温湿度控制措施。

传统的应用于温室大棚的温湿度检测系统大多是采用模拟传感器、多路模拟开关、A/D转换器及单片机等组成的传输系统。

这种采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。

同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大。

本文介绍的温湿光测控系统就是基于单总线技术及其器件组建的。

该系统能够对大棚内的温湿度及光强进行采集，利用传感器将温室大棚内温度湿度及光强的变化，变换成数字量，其值由单片机处理，最后由单片机去控制液晶显示器，显示温室大棚内的实际温度湿度和光强，同时通过与预设量比较，对大棚内的温度进行自动调节，如果超过我们预先设定的湿度限制，湿度报警模块将进行报警。

这种设计方案实现了温度湿度和光强的实时测量、显示和控制。

该系统抗干扰能力强，具有较高的测量精度，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。

这种温湿度测控系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对温度的实时控制，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，以带来很好的经济效益和社会效益。

1.3国内外研究现状、难点和趋势

1.3.1国外研究现状

世界发达国家大力发展集约化的温室生产，用计算机控制系统实现高效科学的环境调控与水肥管理，并从专用品种选育、工厂化育苗、病虫害的生物防治，到产品的采收、分级包装、冷藏运输，形成了完整的市场化技术服务体系。

国外温室的主要特点是规模大、设备齐全、环境控制系统先进。

计算机用于温室环境控制的技术研究开始于上世纪70年代末，东京大学首先研制出微型计算机温室综合环境控制系统。

随着计算机技术的发展，设施环境调控技术在日本、荷兰、以色列、美国等发达国家得到了迅速的发展。

目前日本、荷兰、以色列、美国等发达国家可以根据温室作物的生长要求和特点，对温室内光照、温度、水分、气、肥等诸多因子进行自动控制。

1.3.2国内发展现状

我国对温室环境控制系统的研究起步较晚，农业计算机的应用开始于20世纪70年代，80年代开始应用于温室控制与管理领域。

我国近代温室经历了发展改良日光温室、大型玻璃室和现代化温室三阶段，并且各阶段温室仍然并存，其中有一半为一面坡节能型日光温室，用于蔬菜、花卉的反季节生产。

现今我国温室的类型主要包括以玻璃为通明覆盖材料的玻璃温室、利用太阳能为能源的日光温室、活动屋面温室以及塑料温室等。

我国温室大棚种植技术已突破了传统的农作物种植受制于自然等环境诸多因素的限制，对农业生产有重大意义。

我国的温室自动控制研究大致有两个方向，一是智能环境控制系统，二是华北型连栋温室自动控制系统，采用以单片机为主控芯片的系统对温室环境进行自动监测与控制。

从总体上说，我国自行研制开发的温室环境测控系统的技术水平和调控能力与发达国家相比还有一定的差距。

1.3.3智能温室大棚的发展趋势

随着现代温室朝着集约化、规模化方向发展和温室管理智能化要求的提高，温室测控系统实现远程通信，进而实现温室内生产和管理的一体化，是现代智能温室发展的必然趋势；现代传感器技术、通信技术、自动化技术和计算机技术的发展，又为这一发展趋势推波助澜。

温室大棚主要包括两个方面的内容，一方面是温室结构工程，另一方面是温室测控系统，而温室测控系统又是数据采集系统与温室大棚环境控制系统两个部分组成的，两者相辅相成缺一不可。

国外温室业正致力于向高科技方向发展，遥测技术、网络技术、控制局域网已经逐渐应用于温室的管理与控制中。

近年来我国温室大棚智能控制系统的发展趋势主要是针对我国的国情和日光温室大棚的改造：

应用模糊控制、人工神经网络等理论，开发智能型的温室大棚专家系统。

利用上位机强大的存储空间和运行速度快的优点，尽量使硬件功能软件化，增加上位机管理软件的功能；进行温室多环境因子的联合检测与控制的研究工作，提出一种适合我国本土的温室大棚的多环境因子智能控制模型，逐步向着自动测试、智能化控制等方面发展。

我国温室未来的发展呈现出现代化、精准化、多元化和都市型。

1.3.4温室智能控制发展存在的难点

当前流行的智能温室是采用先进的科学技术，科学、合理的控制影响作物生长的多种环境因子，营造适合作物生长的人工气候环境，使作物能够部分或者全部克服外界气候和土壤因素的制约，做到既有利于作物的良好生长和适时上市，提高产品的质量、产量、经济价值和社会效益，又能尽量降低生产成本。

它对改善农业生态、生产条件、促进农业资源的科学开发和合理利用，进一步降低人类的劳动强度有积极的作用。

因此在全世界范围内得到了广泛的应用。

我国由于受经济发展、科技水平、农产品结构等诸多因素的影响，长期以来缺乏设施农业方面的基础研究与战略发展研究，在技术理论、生产发展与市场引导、宏观政策等方面均存在很多的空白，因此温室产业的发展也受到了一定的限制。

我们的研究成果较少，制约了温室企业技术和质量方面的创新。

使我国温室企业在与国外温室企业的竞争中，从一开始就处于劣势。

目前我国问世的环境控制水平总体上仍然较低，不能完全满足作物栽培的要求。

因此，应通过对温室的结构、材料、环境控制技术、再生能源综合利用技术、补充光源、环境控制的仪器设备及自动控制的计算机软件系统等方面做进一步的研究和开发，尽快提高我国温室生产的水平。

2系统设计

2.1系统的预期目标

本论文采用单片机为执行器（核心器件），通过温度检测电路，湿度检测电路，光强检测电路，控制系统，报警电路，显示电路等部分形成了大棚温湿度测控系统。

该系统能够对大棚或室内的温度、湿度进行自动检测和控制，不仅具有控制方便、简单灵活等特点，而且可以大大提高被控制温度、湿度的技术指标，从而能够大大提高作物的质量和产量。

其预期实现目标功能如下：

温度控制：

根据使用大棚的具体面积均匀分布温度传感器，借以实现对温度的精准监测。

每个测温模块由温度传感器组成，在每个模块里采集该传感器所属区域的实时温度传回主控单片机，经由主控模块的单片机处理数据判断是否符合所需温度：

符合则不动作，继续监测；假若温度过低则由主控单片机发出命令启动报警电路同时经由驱动电路启动补温模块即电热丝；如果经判断温度过高则发出命令启动报警电路同时经由驱动电路启动降温设备即温室棚棚顶和侧壁上的电动窗，同时启动侧壁的风扇以便于空气流通加快降温速度。

当以上两种措施实施的继续监测温度送回主机判断，符合温度设置值测发出命令停止。

湿度控制：

根据使用大棚的具体面积均匀分布湿度度传感器，借以实现对湿度的精准监测。

每个湿度监测模块由湿度传感器构成，用以监测器所属区域的实时湿度。

然后把监测到的数据传回主机，经由主控模块的单片机处理数据判断是否符合所需湿度，若果符合则不动作，继续监测；假若湿度过低则发出命令启动报警电路并同时经由启动电路启动埋在土地中的喷水装置对该域增区加湿度。

光强控制：

光强监测模块由光敏电阻组成，监测到实时的光照强度参数后传入主机进行数据判断，正常的话不动作继续监测，假若光照强度过低则启动报警电路，同时单片机发出命令到继电器然后启动补光设备即照明灯；假若光照强度过高则由单片机发出命令由电机的驱动电路放下安装在棚顶的遮光网。

人机交互设计：

显示屏上不仅可以显示时间，而且还可以通过按键实时设定被监测温度的上下限、被监测湿度和被监测光照强度的下限值。

这样不仅可以实现人机交互控制，还可以根据作物的不同生长阶段，对温度、湿度和光照强度的不同需要进行针对性的设定，更可以保证作物健康生长。

2.2系统设计思路

本设计包括硬件部分与软件部分两个部分，硬件部分包括检测子部分和控制子部分。

硬件部分总体系统结构示意图如图2-1所示；软件部分见本论文第四章。

系统整体框图如图2-1所示。

图2-1系统总框图

本设计硬件组成部分中，检测子部分主要由温度传感器、湿度传感器和光敏电阻；控制子部分主要包括动作电路、报警电路、显示电路和按键。

其中，动作电路包括升温电路、降温电路、增加湿度电路、减小湿度电路、补光电路和减弱光强电路。

检测子部分将从现场采集的温度、湿度、光强等参数实时发送至控制子部分的单片机，单片机对传回的数据、通过按键设定的各设定值进行相应的处理，以确定大棚内温度实时状态、湿度实时状态、光强实时状态：

当温度、湿度或者光强发生异常状态时，单片机控制报警电路报警，同时控制动作电路进行相应动作，以实现对温度、湿度以及光强的实时调节。

另外，本系统还可以显示实时温度、实时湿度、实时光强由主机来控制各个调节电路的动作与否，并且将数据进行显示。

本系统有效实现了大棚内温度、湿度、光强的自动实时监测与控制。

2.3硬件设备的选择方案

本设计主要包括三大部分，如图2-1所示，左边为信号采集部分，主要由各模块传感器及其所在电路构成，包括温度采集、光线采集、湿度采集等三块内容，被称为传感器模块。

中间为主控模块，由单片机Atmega16主控模块组成，是本设计的主要处理部分，主要负责各个传感器传来的信号的处理和将各个数值与设定值进行对比处理，如果满足要求，则不做动作，若不满足要求，则进行相应处理。

最右边为动作电路，主要包括显示模块、报警电路、温度过限控制电路、光强过限控制电路。

这三部分组成的一个系统就是本设计的主要内容，通过这个设计，使所要控制的量，如温度、湿度、光强都在一个设定的范围内，能够满足我们的要求。

2.3.1单片机的选择

方案一：

AT89S51有4K的Flash程序存储器，128字节的RAM，32条IO口，中断系统具有6个中断源、5个终端矢量、2个中断优先级的中断结构；串行口是一个全双工的串行通信口。

假若采用MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片作为核心器件，其自带的4K字节的内部FLASHEPRAM,能在3V的超低压下工作，但运行速度很慢；所有的I/0口都是准双向口，I/0口的驱动能力弱；芯片里面的P0口没有上拉电阻如果要输出高电平或者要定义成输入口，一般要外接电阻上拉；芯片不能定义成内部复位方式，只能用外部微分电路复位；芯片内部没有RC振荡，如要芯片正常工作，需要外加振荡源；但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏，且功耗比较高，抗干扰能力也不是很强。

方案二：

采用ATmega16芯片。

该芯片有16K字节的系统内可编程Flash（具有同时读写的能力，即RWW），512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线。

32个通用工作寄存器同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术。

当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，由此不会对芯片造成损坏并且是高性能、低功耗，是较51系列处理速度更快的8位AVR微处理器。

所以，选择采用ATmega16作为本次设计的控制系统单片机。

2.3.2显示模块的选择

方案一：

采用LCD-1602液晶显示器，该显示器是工业字符型液晶显示器，能够显示32个字符。

它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

由若干个5×7者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。

而此次设计的是一个大棚温湿度测控系统。

这里我们需要将设定的温度值，湿度值，以及采集过来的外界环境里的温度值和湿度值显示出来。

而显然LCD-1602的显示容量只有两行，可以显示八个汉字，这样无法直接在一屏里面显示温度值和湿度值，需要分多次页数来显示，这样不便于观察温湿度的变化，所以在本次设计中不采用LCD-1602液晶显示器。

方案二：

采用Nokia5110显示器,可以显示四行汉字，84×8的点阵LCD，这样可进行比较观察，清晰明了，易于操作，性价比高，LCD1602可以显示32个字符，而Nokia5110可以显示15个汉字，30个字符。

接口简单，仅四根I/O线即可驱动，速度快，是LCD1602的40倍。

Nokia5110工作电压3.3V，正常显示时工作电流200uA以下，具有掉电模式，适合电池供电的便携式移动设备。

因此在本次设计中的显示部分我们选用Nokia5110液晶显示。

2.3.3温度传感器的选择

智能温度传感器/控制器属于智能化集成温度传感器和控制器。

其主要优点是采用数字化技术，能以数字形式直接输出被测温度值，具有测温误差小、分辨率高、抗干扰能力强、能够远程传输数据、用户可设定温度上、下限、有越限自动报警功能、自带串行总线借口等优点，适配各种微控制器，含微处理器和单片机，是研制和开发具有高性价比的新一代温度测控系统所必不可少的核心器件。

方案一：

使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。

此设计方案需用A/D转换电路，这样一来，就增加了硬件成本，而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。

方案二：

采用数字式温度传感器DS18B20,该传感器为数字式传感器。

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,DS18B20的测温范围-55℃~125℃，分辨率最大可达0.0625℃。

DS18B20可以直接读出被测温度值。

而且采用3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点，封装成后可应用于多种场合。

使其成为我们在选择温湿度传感器时的首选。

DS18B20实物图如图2-3所示。

图2-3DS18B20实物图

2.3.4湿度传感器的选择

方案一：

采用HOS-201湿敏传感器。

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50KHZ～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。

这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。

然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。

方案二：

采用数字式湿度传感器DHT11,该传感器为数字式传感器，采集湿度的精度是14位，端口较少，只需要单片机的一个端口即可驱动，每个DHT11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准，除此之外，单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

产品为4针单排引脚封装，连接方便，传感器比较简单，四条引角中有两条是电源引脚，有两条是输出数据的引脚，只需要给他供上额定电压，然后在输出引脚采集信号就可以了，因此选择了DHT11湿度传感器作为此设计传感器的首选。

DHT11实物图如图2-4所示

图2-4DHT11实物图

2.3.5光敏电阻的选择

光照强度的测量选用了常用的光