1、長春大學電子信息工程學院畢業設計開題報告題 目：基于單片機的智能溫室大棚控制系統學 院：電子信息工程學院專 業：測控技術與儀器學生：學 號：指導教師：開題時間：2013年3月19日一、文獻綜述1.課題的研究目的及意義中國農業的發展必須走現代化農業這條道路，隨著國民經濟的迅速增長，農 業的研究和應用技術越來越受到重視，特別是溫室大棚已經成為高效農業的一個 重要組成部分。現代化農業生產中的重要一環就是對農業生產環境的一些重要參 數進行檢測和控制。例如：空氣的溫度、濕度、土壤的含水率等。在農業種植問 題中，溫室環境與生物的生長、發育、能量交換密切相關，進行環境測控是實現 溫室生產管理自動化、科學化的

2、基本保證，通過對監測數據的分析，結合作物生 長發育規律，控制環境條件，使作物到達優質、高產、高效的栽培目的。以蔬菜 大棚為代表的現代農業設施在現代化農業生產中發揮著巨大的作用。大棚內的溫度、濕度與土壤的含水率等參數，直接關系到蔬菜和水果的生長。國外的溫室設 施己經發展到比較完備的程度，并形成了一定的標準，但是價格非常昂貴，缺乏 與我國氣候特點相適應的測控軟件。而當今大多數對大棚溫度、濕度、土壤含水 率的檢測與控制都采用人工管理，這樣不可防止的有測控精度低、勞動強度大及 由于測控不及時等弊端，容易造成不可彌補的損失，結果不但大大增加了成本， 浪費了人力資源，而且很難到達預期的效果。因此，為了實現

3、高效農業生產的科 學化并提高農業研究的準確性，推動我國農業的發展，必須大力發展農業設施與 相應的農業工程，科學合理地調節大棚內溫度、濕度以及土壤的含水率，使大棚 內形成有利于蔬菜、水果生長的環境，是大棚蔬菜和水果早熟、優質高效益的重 要環節。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 是為了提高生產效率，對大棚的自動化程度要求也越來越高。由于單片機及各種 電子器件性價比的迅速提高，使得這種要求變為可能。當前農業溫室大棚大多是 中、小規模，要在大棚內引人自 動化控制系統，改變全部人工管理的方式，就 要考慮系統的成本，因此，針對這種狀況，結合郊區農戶的需要，設計了一套低 成本的

4、溫濕度自動控制系統。該系統采用傳感器技術和單片機相結合，由上位機 和下位機（都用單片機實現）構成，采用485接口進行通訊，實現溫室大棚自動化 控制。溫室是一種可以改變植物生長環境、為植物生長創造最正確條件、防止外界 四季變化和惡劣氣候對其影響的場所。 它以采光覆蓋材料作為全部或部分結構材 料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長的季節栽培植物。溫室生產以到達調節 產期，促進生長發育，防治病蟲害及提高質量、產量等為目的。而溫室設施的關 鍵技術是環境控制，該技術的最終目標是提高控制與作業精度。國外對溫室環境控制技術研究較早，始于 20世紀70年代。先是采用模擬式 的組合儀表，采集現場信息并進行指示、記

5、錄和控制。80年代末出現了分布式控 制系統。目前正開發和研制電腦數據采集控制系統的多因子綜合控制系統。現在 世界各國的溫室控制技術發展很快， 一些國家在實現自動化的基礎上正向著完全 自動化、無人化的方向發展。世界發達國家如荷蘭、美國、以色列等大力發展集約化的溫室產業，溫室內 溫度、光照、水、氣、肥實現了電腦調控，從品種選擇、栽培管理到采收包裝形 成了一整套完整的標準化技術體系。美國是最早發明電腦的國家，也是將電腦應用于溫室控制和管理最早、最多 的國家之一。美國有發達的設施栽培技術，綜合環境控制技術水平非常高。環境 控制電腦主要用來對溫室環境（氣象環境和栽培環境）進行監測和控制。以花卉溫 室為例

6、，溫室內監控項目包括室內氣溫、 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、CO&度、ECM節池和回流管數值、pHM節池和回流管數值；室外監控項目包括大氣溫度、太陽輻射強度、 風向風速、相對濕度等。溫室專家系統的應用給種植者帶來了一定的經濟效益， 提高了決策水平，減輕了技術管理工作量，同時也為種植帶來了很大方便2。平方米，占世界1/4以上，有85%的溫室用戶使用電腦控制溫室環境。荷蘭 開發的溫室電腦控制系統是通過人機交互界面進行參數設置和必要的信息顯示， 可繪制出設定參數曲線、修正值曲線以及測量的數據曲線，可以從數據庫內調出 設定的時間段內參

7、數以便于必要的數據查詢，并能直接對電腦用行口進行操作， 完成上位機與下位機之間的通信。上位機軟件集參數設置、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，國外溫室業正致力于向高科技方向發展。遙測技術、網絡技術、控制 局域網已逐漸應用于溫室的管理與控制中。 控制要求能在遠離溫室的電腦控制室 就能完成，即遠程控制。另外該網絡還連接有幾個通訊平臺，用戶可以在遙遠的 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對話，就像在現場操 作一樣，給人以身臨其境之感。從國內外溫室控制技術的發展狀況來看， 溫室環境控制技術大致經歷三個發 展階段：1手動控制。這是在溫

8、室技術發展初期所采取的控制手段，具時并沒有真正意義上的控制 系統及執行機構。生產一線的種植者既是溫室環境的傳感器，又是對溫室作物進 行管理的執行機構，他們是溫室環境控制的核心。通過對溫室內外的氣候狀況和 對作物生長狀況的觀測，憑借長期積累的經驗和直覺推測及判斷，手動調節溫室 內環境。種植者采用手動控制方式，對于作物生長狀況的反應是最直接、最迅速且是最有效的，它符合傳統農業的生產規律。但這種控制方式的勞動生產率較低, 不適合工廠化農業生產的需要，而且對種植者的素質要求較高。2自動控制。這種控制系統需要種植者輸入溫室作物生長所需環境的目標參數，電腦根據傳感器的實際測量值與事先設定的目標值進行比較，

9、以決定溫室環境因子的控制過程，控制相應機構進行加熱、降溫和通風等動作。電腦自動控制的溫室控制技 術實現了生產自動化，適合規模化生產，勞動生產率得到提高。通過改變溫室環 境設定目標值，可以自動地進行溫室內環境氣候調節，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，難以介入作物生長的內在規律。目前我國絕 大部分自主開發的大型現代化溫室及引進的國外設備都屬于這種控制方式。3智能化控制。這是在溫室自動控制技術和生產實踐的基礎上，通過總結、收集農業領域知 識、技術和各種試驗數據構建專家系統，以建立植物生長的數學模型為理論依據， 研究開發出的一種適合不同作物生長的溫室專家控制系統技術。溫室控制技

10、術沿著手動、自動、智能化控制的發展進程，向著越來越先進、功能越來越完備的方 向發展。由此可見，溫室環境控制朝著基于作物生長模型、溫室綜合環境因子分 析模型和農業專家系統的溫室信息自動采集及智能控制趨勢發展。3.參考文獻1 于海業，溫室環境自動檢測系統.農業工程學報，1997.2 牛皖閩，何立新.溫室控制系統試驗裝置與系統分析.齊齊哈爾輕工學院 學報，1995.3 Wray , Michelle Lynn ; A fuzzy logic controller for temperature control of a six2zone tube furnaceD. UNIVERSITY OF LO

11、UISVILLE 2001.4 鄭鋒，王巧芝，孫西瑞.溫室大棚自動控制系統的設計.農機科技與信 息，2008.5 路康，馬斌強，劉美琪，袁超.溫室大棚動態參數測試系統的設計.河 南農業大學學報,2008.6 Tetsuo Morimoto , Yasushi Hashimoto . An intelligent control for greenhouse automation , oriented by the concepts of SPA and SFAJ . Computers and Electronics in Agriculture , 2000 . 29: 320.7 丁鎮生.

12、傳感器及傳感器技術應用.北京：電子工業出版社，1998.8 何希才，薛永毅.傳感器及其應用實例.北京：機械工業出版社.2004.9 Diaz , Gerardo Gristian Simulation and control of heart exchangers Using artifical neural networks. D UNIVERSITY OF NOTRE DAME 2000.10 曹柏榮，瞿丹晨.溫室大棚中CO2濃度測量儀.儀表技術與傳感器， 2005.11 彭其圣，劉松齡.單片機溫室大棚種植參數監控系統.中南民族大學 學報：自然科學版，2004.12 周航慈.單片機應用程序

13、技術.北京：北京航空航天大學出版社，2002.200.14 National Semlcondactor. ADC0809UserGuiderM. s. L: National Semiconductor.2002.15 Anon. Chipcon AS Smart RFCC2420Preliminary Datasheet Z .S.1.： Chipcon. 2006.二、課題的主要研究內容和實施方案本設計以AT89C51單片機的溫度、濕度測量和控制系統為核心來對溫濕度進 行實時巡檢。單片機能獨立完成各自功能，同時能根據主控機的指令對溫度進行 定時采集。測量結果不僅能在本地顯示，而且可以利用

14、單片機的用行口和 RS-232 總線通信協議能把溫室中的溫度、濕度等參數及時上傳至上位機，并與設定值進 行比較，與設定值不符時采取相應的處理措施，以實現恒溫恒濕環境。在設計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 礎上，盡量滿足設計要求，并使系統具有高的精度。本控制系統以單片機的控制 為核心，實時監測環境的溫度和濕度，并設定了這兩個參數的上下限定值，并具 有相應的報警系統，當超過設定的限定值時，單片機控制報警系統進行報警，而 且同時驅動繼電器打開相應的開關使相應的執行機構運行。當參數值恢復到設定值范圍內時，單片機控制執行機構停止運行。從而使環境的溫濕度在一定的范圍 內得到控

15、制。本設計主要內容包括以下幾個方面：1、選擇適合的兩種傳感器，設計相應的信號采集和處理電路。2、掌握AT89C51單片機的主要功能和特性，以其為核心設計控制系統。3、設計簡單的人機對話接口系統，如鍵盤、顯示、報警等。4、利用RS232實現單片機與上位機的通信。5、實現系統的可靠性和抗干擾性。1）植物的生長是在一定環境中進行的，在生長過程中受到環境中各種因素的 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。現代溫室有內外遮陽系統、加溫 系統、自然通風系統、濕簾風機降溫系統、補光系統、補氣系統、環流風機、灌 溉系統、施肥系統、自動

16、控制系統等常用的環境系統，能夠對植物的生長進行合 理的控制，而如何才能合理地控制這些配套設備的運作和協同則需要有一套完 善的硬、軟件溫室系統進行控制。因此，本系統就是利用價格廉價的一般電子器 件來設計一個參數精度高，控制操作方便，性價比高的應用于農業種植生產的 溫室大棚測控系統。該系統由單片機對溫度、濕度等參數進行巡回測量，并對測量的結果進行優化補償，并進行調控，此外主控制器還可以同時完成系統參數 測量,數據存儲等，硬件總體設計結構如圖 2.1所示。由圖2.1可知，整個系統 采用STC89C58RD單片機為處理核心，通過溫室現有的各種傳感器檢測溫室的 溫度、濕度、光照度等環境因素，經由控制系統

17、的8路模擬量、數字量輸入接口傳輸到CPU中，并與系統設定值進行比較、判斷、處理以及相關數據的存儲。然 后將CPU處理后各種控制結果通過16路開關量輸出口傳送到電機和電磁閥等執 行機構上，從而實現對溫室的控制。溫室獨立控制系統上還包擴各種人機界面和 數據傳輸接口，實現了人機交換方式以及實時參數的設定。本控制系統采用宏晶 科技公司生產STC51系列單片機控制器(STC89C58RD + )。該單片機具有強加 密性，無法解密，具有超強的抗干擾性能，且芯片內部自帶看門狗。STC89C58RD 單片機最高時鐘頻率為 080MHz,32k的Flash存儲器、1280字節的RAM擁有 P4 口適合需要多I/

18、O的系統設計、16k字節的E2PROMT以提供比其它單片機更 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 行燒錄。這種單片機的燒錄方式操作簡單容易，程序的調試靈活，修改方便，且 不受地域、時間和環境的影響和限制，可為以后產品的改良和升級提供方便。溫濕度傳感器光照度傳感器土壤含水率傳感器8路模擬量機路數字量輸入接口LCDRS鍵盤接口16路開光量輸出接口2系統硬件結構整個系統采用模塊化設計，硬件結構由傳感器和單片機、控制裝置組成，傳感器將物理參量轉換為電壓并完成信號的調理,再送人模數轉換器ADC0809 ,由下位單片機AT89S51讀取，單片機將數據通過485總線送給

19、上位機，上位機設有 顯示功能，根據預先設置的參數決定要采取的措施，并將信息傳給下位機，由下 位機控制通風和噴灌裝置，也可以通過鍵盤強制控制。智能溫室大棚控制系統的 組成基于兩個方面：單棟溫室大棚控制系統和集約化生產連棟溫室大棚控制系統。后者建立在前者的基礎上，前者適于我國農村個體經營的現狀。對于單棟溫 室大棚控制系統，設置了獨立的控制和顯示等功能， 并設置了 RS-232和RS-485通訊接口，便于和上位機通信，實現集散控制系統，具模式如圖。另外，在設計 過程中考慮到農生產的特點，每個系統的各部分接口都作了模塊化設計，并增加 備用接口和功能，便于大棚生產重建和生產場地的變化，也增加了系統的通用性, 擴大了適用范圍。大棚1大棚n-1上位機通信接口大棚2 大棚n3溫室大棚的硬件組成溫室大棚的硬件組成原理如下圖:濕度傳感器空氣濕度傳感器土壤含水率傳感器其他傳感器0piP2AT89C51P0P1測溫放大器程控放大器A/D 轉, 換7 器通訊口顯示鍵盤Ma MAX813調光繼 電 器儲存器圖