1、長春大學(xué)電子信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報告題目：基于單片機(jī)的智能溫室大棚控制系統(tǒng)學(xué)院：電子信息工程學(xué)院專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器學(xué)生姓名：學(xué) 號：指導(dǎo)教師：開題時間：2013年3月19日一、文獻(xiàn)綜述1 .課題的研究目的及意義中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展必須走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)這條道路，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速增長，農(nóng) 業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來越受到重視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個 重要組成部分。現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參 數(shù)進(jìn)行檢測和控制。例如：空氣的溫度、濕度、土壤的含水率等。在農(nóng)業(yè)種植問 題中，溫室環(huán)境與生物的生長、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)，進(jìn)行環(huán)境測控是實(shí)現(xiàn) 溫室生產(chǎn)管理自動化、科學(xué)化

2、的基本保證，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生 長發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。以蔬菜 大棚為代表的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。大棚內(nèi)的溫度、濕度與土壤的含水率等參數(shù)，直接關(guān)系到蔬菜和水果的生長。國外的溫室設(shè) 施己經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但是價格非常昂貴，缺乏 與我國氣候特點(diǎn)相適應(yīng)的測控軟件。而當(dāng)今大多數(shù)對大棚溫度、濕度、土壤含水 率的檢測與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測控精度低、勞動強(qiáng)度大及 由于測控不及時等弊端，容易造成不可彌補(bǔ)的損失，結(jié)果不但大大增加了成本， 浪費(fèi)了人力資源，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。因此，為了實(shí)

3、現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科 學(xué)化并提高農(nóng)業(yè)研究的準(zhǔn)確性，推動我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，必須大力發(fā)展農(nóng)業(yè)設(shè)施與 相應(yīng)的農(nóng)業(yè)工程，科學(xué)合理地調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度、濕度以及土壤的含水率，使大棚 內(nèi)形成有利于蔬菜、水果生長的環(huán)境，是大棚蔬菜和水果早熟、優(yōu)質(zhì)高效益的重 要環(huán)節(jié)。目前，隨著蔬菜大棚的迅速增多，人們對其性能要求也越來越高，特別 是為了提高生產(chǎn)效率，對大棚的自動化程度要求也越來越高。由于單片機(jī)及各種 電子器件性價比的迅速提高，使得這種要求變?yōu)榭赡堋．?dāng)前農(nóng)業(yè)溫室大棚大多是 中、小規(guī)模，要在大棚內(nèi)引人自 動化控制系統(tǒng)，改變?nèi)咳斯す芾淼姆绞剑?要考慮系統(tǒng)的成本，因此，針對這種狀況，結(jié)合郊區(qū)農(nóng)戶的需要，設(shè)計(jì)了一套低 成本

4、的溫濕度自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)和單片機(jī)相結(jié)合，由上位機(jī) 和下位機(jī)（都用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)）構(gòu)成，采用485接口進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)溫室大棚自動化 控制。2 .國內(nèi)外研究現(xiàn)狀溫室是一種可以改變植物生長環(huán)境、為植物生長創(chuàng)造最佳條件、避免外界四 季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱鏊Ｋ圆晒飧采w材料作為全部或部分結(jié)構(gòu)材 料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)以達(dá)到調(diào)節(jié) 產(chǎn)期，促進(jìn)生長發(fā)育，防治病蟲害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目的。而溫室設(shè)施的關(guān) 鍵技術(shù)是環(huán)境控制，該技術(shù)的最終目標(biāo)是提高控制與作業(yè)精度。國外對溫室環(huán)境控制技術(shù)研究較早，始于 20世紀(jì)70年代。先是采用模擬式 的組合儀表，采集現(xiàn)場

5、信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控 制系統(tǒng)。目前正開發(fā)和研制計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)。現(xiàn) 在世界各國的溫室控制技術(shù)發(fā)展很快， 一些國家在實(shí)現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)上正向著完 全自動化、無人化的方向發(fā)展。世界發(fā)達(dá)國家如荷蘭、美國、以色列等大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè)，溫室內(nèi) 溫度、光照、水、氣、肥實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)調(diào)控，從品種選擇、栽培管理到采收包裝 形成了一整套完整的規(guī)范化技術(shù)體系。美國是最早發(fā)明計(jì)算機(jī)的國家，也是將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于溫室控制和管理最早、 最多的國家之一。美國有發(fā)達(dá)的設(shè)施栽培技術(shù)，綜合環(huán)境控制技術(shù)水平非常高。 環(huán)境控制計(jì)算機(jī)主要用來對溫室環(huán)境（氣象環(huán)境和栽培環(huán)境）進(jìn)行

6、監(jiān)測和控制。以 花卉溫室為例，溫室內(nèi)監(jiān)控項(xiàng)目包括室內(nèi)氣溫、水溫、土壤溫度、鍋爐溫度、管 道溫度、相對空氣濕度、保溫幕狀況、通窗狀況、泵的工作狀況、COft度、Ec調(diào)節(jié)池和回流管數(shù)值、pHM節(jié)池和回流管數(shù)值；室外監(jiān)控項(xiàng)目包括大氣溫度、太 陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)向風(fēng)速、相對濕度等。溫室專家系統(tǒng)的應(yīng)用給種植者帶來了一定 的經(jīng)濟(jì)效益，提高了決策水平，減輕了技術(shù)管理工作量，同時也為種植帶來了很 大方便2。以園藝業(yè)著稱的荷蘭從20世紀(jì)80年代以來就開始全面開發(fā)溫室計(jì)算機(jī)自動 控制系統(tǒng)，并不斷地開發(fā)模擬控制軟件。目前，荷蘭自動化智能玻璃溫室制造水 平處于世界先進(jìn)水平，擁有玻璃溫室1.2萬多平方米，占世界1/4以上，

7、有85%的 溫室用戶使用計(jì)算機(jī)控制溫室環(huán)境。荷蘭開發(fā)的溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是通過人機(jī) 交互界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和必要的信息顯示，可繪制出設(shè)定參數(shù)曲線、修正值曲線 以及測量的數(shù)據(jù)曲線，可以從數(shù)據(jù)庫內(nèi)調(diào)出設(shè)定的時間段內(nèi)參數(shù)以便于必要的數(shù) 據(jù)查詢，并能直接對計(jì)算機(jī)用行口進(jìn)行操作，完成上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。 上位機(jī)軟件集參數(shù)設(shè)置、信息顯示、控制等功能于一體，同時還能夠很好地完成 溫室灌溉和氣候的控制和管理。止匕外，國外溫室業(yè)正致力于向高科技方向發(fā)展。遙測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制 局域網(wǎng)已逐漸應(yīng)用于溫室的管理與控制中。 控制要求能在遠(yuǎn)離溫室的計(jì)算機(jī)控制 室就能完成，即遠(yuǎn)程控制。另外該網(wǎng)絡(luò)還連接有幾個通訊平臺，

8、用戶可以在遙遠(yuǎn) 的地方通過形象、直觀的圖形化界面與這種分布式的控制系統(tǒng)對話，就像在現(xiàn)場 操作一樣，給人以身臨其境之感。從國內(nèi)外溫室控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來看， 溫室環(huán)境控制技術(shù)大致經(jīng)歷三個發(fā) 展階段：1）手動控制。這是在溫室技術(shù)發(fā)展初期所采取的控制手段，具時并沒有真正意義上的控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。生產(chǎn)一線的種植者既是溫室環(huán)境的傳感器，又是對溫室作物進(jìn) 行管理的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，他們是溫室環(huán)境控制的核心。通過對溫室內(nèi)外的氣候狀況和 對作物生長狀況的觀測，憑借長期積累的經(jīng)驗(yàn)和直覺推測及判斷，手動調(diào)節(jié)溫室 內(nèi)環(huán)境。種植者采用手動控制方式，對于作物生長狀況的反應(yīng)是最直接、最迅速 且是最有效的，它符合傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)

9、律。但這種控制方式的勞動生產(chǎn)率較低， 不適合工廠化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，而且對種植者的素質(zhì)要求較高。2）自動控制。這種控制系統(tǒng)需要種植者輸入溫室作物生長所需環(huán)境的目標(biāo)參數(shù)，計(jì)算機(jī)根據(jù)傳感器的實(shí)際測量值與事先設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行比較，以決定溫室環(huán)境因子的控制過程，控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加熱、降溫和通風(fēng)等動作。計(jì)算機(jī)自動控制的溫室控 制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)自動化，適合規(guī)模化生產(chǎn)，勞動生產(chǎn)率得到提高。通過改變溫 室環(huán)境設(shè)定目標(biāo)值，可以自動地進(jìn)行溫室內(nèi)環(huán)境氣候調(diào)節(jié)，但是這種控制方式對 作物生長狀況的改變難以及時做出反應(yīng)，難以介入作物生長的內(nèi)在規(guī)律。目前我 國絕大部分自主開發(fā)的大型現(xiàn)代化溫室及引進(jìn)的國外設(shè)備都屬于這種控制方式

10、。3）智能化控制。這是在溫室自動控制技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過總結(jié)、收集農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知 識、技術(shù)和各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建專家系統(tǒng)，以建立植物生長的數(shù)學(xué)模型為理論依據(jù)， 研究開發(fā)出的一種適合不同作物生長的溫室專家控制系統(tǒng)技術(shù)。溫室控制技術(shù)沿著手動、自動、智能化控制的發(fā)展進(jìn)程，向著越來越先進(jìn)、功能越來越完備的方 向發(fā)展。由此可見，溫室環(huán)境控制朝著基于作物生長模型、溫室綜合環(huán)境因子分 析模型和農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的溫室信息自動采集及智能控制趨勢發(fā)展。3.參考文獻(xiàn)1 于海業(yè)，溫室環(huán)境自動檢測系統(tǒng).農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1997.2 牛皖閩，何立新.溫室控制系統(tǒng)試驗(yàn)裝置與系統(tǒng)分析.齊齊哈爾輕工學(xué)院 學(xué)報，1995.3 Wray

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14、ry Datasheet Z .S.1.： Chipcon. 2006.二、課題的主要研究內(nèi)容和實(shí)施方案1.主要研究內(nèi)容本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)的溫度、濕度測量和控制系統(tǒng)為核心來對溫濕度進(jìn) 行實(shí)時巡檢。單片機(jī)能獨(dú)立完成各自功能，同時能根據(jù)主控機(jī)的指令對溫度進(jìn)行 定時采集。測量結(jié)果不僅能在本地顯示，而且可以利用單片機(jī)的用行口和 RS-232 總線通信協(xié)議能把溫室中的溫度、濕度等參數(shù)及時上傳至上位機(jī)，并與設(shè)定值進(jìn) 行比較，與設(shè)定值不符時采取相應(yīng)的處理措施，以實(shí)現(xiàn)恒溫恒濕環(huán)境。在設(shè)計(jì)的過程中充分考慮到性價比和精度，在選用低價格、通用元件的的基 礎(chǔ)上，盡量滿足設(shè)計(jì)要求，并使系統(tǒng)具有高的精度。本控制

15、系統(tǒng)以單片機(jī)的控制 為核心，實(shí)時監(jiān)測環(huán)境的溫度和濕度，并設(shè)定了這兩個參數(shù)的上下限定值，并具 有相應(yīng)的報警系統(tǒng)，當(dāng)超過設(shè)定的限定值時，單片機(jī)控制報警系統(tǒng)進(jìn)行報警，而 且同時驅(qū)動繼電器打開相應(yīng)的開關(guān)使相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行。當(dāng)參數(shù)值恢復(fù)到設(shè)定值范圍內(nèi)時，單片機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止運(yùn)行。從而使環(huán)境的溫濕度在一定的范圍 內(nèi)得到控制。本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括以下幾個方面：1、選擇適合的兩種傳感器，設(shè)計(jì)相應(yīng)的信號采集和處理電路。2、掌握AT89C51單片機(jī)的主要功能和特性，以其為核心設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。3、設(shè)計(jì)簡單的人機(jī)對話接口系統(tǒng)，如鍵盤、顯示、報警等。4、利用RS232實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)的通信。5、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性和抗干

16、擾性。2.實(shí)施方案1）植物的生長是在一定環(huán)境中進(jìn)行的，在生長過程中受到環(huán)境中各種因素的 影響，其中對植物生長影響最大的是溫度、濕度和光照度。環(huán)境中晝夜的溫度、 濕度和光照度的變化大，對植物生長極為不利。現(xiàn)代溫室有內(nèi)外遮陽系統(tǒng)、加溫 系統(tǒng)、自然通風(fēng)系統(tǒng)、濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、補(bǔ)氣系統(tǒng)、環(huán)流風(fēng)機(jī)、灌 溉系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等常用的環(huán)境系統(tǒng)，能夠?qū)χ参锏纳L進(jìn)行合 理的控制，而如何才能合理地控制這些配套設(shè)備的運(yùn)作和協(xié)同則需要有一套完 善的硬、軟件溫室系統(tǒng)進(jìn)行控制。因此，本系統(tǒng)就是利用價格便宜的一般電子器 件來設(shè)計(jì)一個參數(shù)精度高，控制操作方便，性價比高的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)的 溫室大棚測控

17、系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機(jī)對溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行巡回測量，并對測量的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償，并進(jìn)行調(diào)控，此外主控制器還可以同時完成系統(tǒng)參數(shù) 測量，數(shù)據(jù)存儲等，硬件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 2.1所示。由圖2.1可知，整個系統(tǒng) 采用STC89C58RD單片機(jī)為處理核心，通過溫室現(xiàn)有的各種傳感器檢測溫室的 溫度、濕度、光照度等環(huán)境因素，經(jīng)由控制系統(tǒng)的8路模擬量、數(shù)字量輸入接口傳輸?shù)紺PU中，并與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較、判斷、處理以及相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲。然 后將CPU處理后各種控制結(jié)果通過16路開關(guān)量輸出口傳送到電機(jī)和電磁閥等執(zhí) 行機(jī)構(gòu)上，從而實(shí)現(xiàn)對溫室的控制。溫室獨(dú)立控制系統(tǒng)上還包擴(kuò)各種人機(jī)界面和 數(shù)據(jù)傳輸接口，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交

18、換方式以及實(shí)時參數(shù)的設(shè)定。本控制系統(tǒng)采用宏晶 科技公司生產(chǎn)STC51系列單片機(jī)控制器(STC89C58RD + )。該單片機(jī)具有強(qiáng)加 密性，無法解密，具有超強(qiáng)的抗干擾性能，且芯片內(nèi)部自帶看門狗。STC89C58RD 單片機(jī)最高時鐘頻率為 080MHz,32k的Flash存儲器、1280字節(jié)的RAM擁有 P4 口適合需要多I/O的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、16k字節(jié)的E2PROMT以提供比其它單片機(jī)更 多的存儲空間。其不需要依靠任何燒錄器，直接通過電腦上的串口以ISP方式進(jìn) 行燒錄。這種單片機(jī)的燒錄方式操作簡單容易，程序的調(diào)試靈活，修改方便，且 不受地域、時間和環(huán)境的影響和限制，可為以后產(chǎn)品的改進(jìn)和升級提供方便

19、。溫濕度傳感器光照度傳感器土壤含水率傳感器R通風(fēng)系統(tǒng) 乙，執(zhí)行電機(jī)鍵盤接口16路開光量輸出接口'加熱系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)濕連水泵圖2.1總體結(jié)構(gòu)圖2)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)由傳感器和單片機(jī)、控制裝置組成，傳感器將物理參量轉(zhuǎn)換為電壓并完成信號的調(diào)理，再送人模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809 ,由下位單片機(jī)AT89S51讀取，單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過485總線送給上位機(jī)，上位機(jī)設(shè)有 顯示功能，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的參數(shù)決定要采取的措施，并將信息傳給下位機(jī)，由下 位機(jī)控制通風(fēng)和噴灌裝置，也可以通過鍵盤強(qiáng)制控制。智能溫室大棚控制系統(tǒng)的 組成基于兩個方面：單棟溫室大棚控制系統(tǒng)和集約化生產(chǎn)連棟溫室大棚控制系

20、統(tǒng)。后者建立在前者的基礎(chǔ)上，前者適于我國農(nóng)村個體經(jīng)營的現(xiàn)狀。對于單棟溫 室大棚控制系統(tǒng)，設(shè)置了獨(dú)立的控制和顯示等功能， 并設(shè)置了 RS-232和RS-485通訊接口，便于和上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)集散控制系統(tǒng)，具模式如圖2.2 o另外，在設(shè)計(jì)過程中考慮到農(nóng)生產(chǎn)的特點(diǎn)，每個系統(tǒng)的各部分接口都作了模塊化設(shè)計(jì)，并 增加備用接口和功能，便于大棚生產(chǎn)重建和生產(chǎn)場地的變化，也增加了系統(tǒng)的通 用性，擴(kuò)大了適用范圍。上位機(jī)大棚1大棚n-1大棚n通信接口圖2.2集散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3）溫室大棚的硬件組成溫室大棚的硬件組成原理如圖2.3所示：濕度傳感器空氣濕度傳感器土壤含水率傳感器測 溫 放 大 器程控放大器IA/I轉(zhuǎn) 換 器P1