1、 PAGE35 / NUMPAGES41摘要溫室是現代農業生產所必需的根本設備，用它有效地控制溫度、光照、濕度、二氧化碳濃度等是改變植物生長環境、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前提。本設計以STC89C52單片機為核心完成了對空氣溫度、土壤濕度、光照度進展數據的采集、處理、顯示等系統的根本框圖、工作原理和繼電器控制的設計的工作。主要容有：1通過單片雙端集成溫度傳感器AD590采集實時溫度。2通過濕度傳感器HS1100采集實時濕度。3通過固態電化學性二氧化碳傳感器TGS4160采集二氧化碳濃度。4判斷采集到的參數值與設置值是否一致，并進展繼電器控制。 通過以上設計

2、可以對植物生長過程中的土壤濕度、環境溫度、光照度以與二氧化碳濃度進展了實時地、連續地檢測、直觀地顯示并進展自動地控制。克制了傳統的人工測量方法不能進展連續測量的弊端，節省了工作量，并防止了人為的疏漏或錯誤造成的不必要的損失。關鍵詞：單片機 溫度傳感器 濕度傳感器 二氧化碳傳感器In this paperGreenhouse is essential for modern agriculture basic equipment, use it to effectively control, such as temperature, light, humidity, carbon dioxide

3、concentration is to change the plant growth environment, create the best condition for plant growth, avoid the seasons changeand the influence of bad weather. This design to STC89C52 single-chip microcomputer as the core to complete the air temperature, soil moisture, and light for data acquisition,

4、 processing and display system of the basic block diagram, working principle andthe design of relay control work. Main contents are: (1) by monolithic integrated temperature sensor AD590 to collect real-time temperature. (2) by the humidity sensor HS1100 gathering real-time humidity. (3) through sol

5、id electric chemical carbon dioxidesensor TGS4160 collecting carbon dioxide concentrations. (4) determine whether collected parameter value and set value, and relay control. Through the above can be designed for plants to grow in the process of soil humidity, environment temperature, light and co2 c

6、oncentration in real time, continuous detection, display visually and automatically control. Overcomes the traditional continuous measurement of the shortcomings of manual measurement method does not, and save the workload, and avoid the unnecessary loss caused by the omission or human error. Key wo

7、rds：SCMtemperature sensorhumidity sensorcarbon dioxide sensor目錄1.緒論1TOC o 1-3 t h z u HYPERLINK l _Toc7487 1.1 課題背景與研究意義11.2 國外溫室控制技術開展概況 HYPERLINK l _Toc26325 2 HYPERLINK l _Toc1569 國外狀況3 HYPERLINK l _Toc259 國狀況3 HYPERLINK l _Toc24383 1.3 選題的目的和意義32. 溫室大棚自動控制系統控制方案設計5 HYPERLINK l _Toc3157 2.1 控制方案設

8、計52.2 系統硬件結構62.3 HYPERLINK l _Toc20584 溫室大棚的硬件組成7 HYPERLINK l _Toc31262 7 HYPERLINK l _Toc21338 0 HYPERLINK l _Toc23546 2.4 溫室大棚的軟件組成11 HYPERLINK l _Toc32467 1 HYPERLINK l _Toc13070 2.5 測試系統的組成與原理13 HYPERLINK l _Toc1845 PAGEREF _Toc1845 14 HYPERLINK l _Toc8875 1 溫度測量電路 PAGEREF _Toc8875 14 HYPERLINK

9、l _Toc2367 2濕度測量電路 PAGEREF _Toc2367 15 HYPERLINK l _Toc26765 3CO2含量測量電路 PAGEREF _Toc26765 15 HYPERLINK l _Toc6065 PAGEREF _Toc6065 16 HYPERLINK l _Toc20621 2.6 程序模塊 PAGEREF _Toc20621 16 HYPERLINK l _Toc2764 PAGEREF _Toc2764 16 HYPERLINK l _Toc18060 PAGEREF _Toc18060 16 HYPERLINK l _Toc18696 PAGEREF

10、_Toc18696 17 HYPERLINK l _Toc202 PAGEREF _Toc202 173.溫室大棚的數據采集系統18 HYPERLINK l _Toc14989 3.1 系統設計18 HYPERLINK l _Toc19996 8 HYPERLINK l _Toc25882 9 HYPERLINK l _Toc11922 3.2 系統軟件設計19 HYPERLINK l _Toc23684 9 HYPERLINK l _Toc21134 9 HYPERLINK l _Toc21505 3.3 誤差分析19 HYPERLINK l _Toc15200 3.4 可靠性設計19 HY

11、PERLINK l _Toc16077 0 HYPERLINK l _Toc20953 PAGEREF _Toc20953 204.溫室大棚監測控制系統21 HYPERLINK l _Toc8939 4.1 系統的總體結構和特點 PAGEREF _Toc8939 21 HYPERLINK l _Toc10879 PAGEREF _Toc10879 21 HYPERLINK l _Toc5913 4.2 主要特點 PAGEREF _Toc5913 22 HYPERLINK l _Toc11325 PAGEREF _Toc11325 22 HYPERLINK l _Toc27945 PAGEREF

12、 _Toc27945 22 HYPERLINK l _Toc13772 PAGEREF _Toc13772 22 HYPERLINK l _Toc21598 PAGEREF _Toc21598 22 HYPERLINK l _Toc32550 4.3硬件結構 PAGEREF _Toc32550 23 HYPERLINK l _Toc23427 4.4系統軟件設計 PAGEREF _Toc23427 23 HYPERLINK l _Toc8125 PAGEREF _Toc8125 23 HYPERLINK l _Toc14541 PAGEREF _Toc14541 245.總結25致26英漢互譯

13、27參考文獻35附 主程序流程圖36第1章 緒 論1.1 課題背景與研究意義中國農業的開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局部。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展檢測和控制。例如：空氣的溫度、濕度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。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，進展環境測控是實現溫室生產管理自動化、科學化的根本保證，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

14、在現代化農業生產中發揮著巨大的作用。大棚的溫度、濕度與二氧化碳含量等參數，直接關系到蔬菜和水果的生長。國外的溫室設施己經開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、二氧化碳含量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、勞動強度大與由于測控不與時等弊端，容易造成不可彌補的損失，結果不但大大增加了本錢，浪費了人力資源，而且很難到達預期的效果。因此，為了實現高效農業生產的科學化并提高農業研究的準確性，推動我國農業的開展，必須大力開展農業設施與相應的農業工程，科學合理地調節大棚溫度、濕度以與二氧化碳的含量，

15、使大棚形成有利于蔬菜、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。由于單片機與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，就要考慮系統的本錢，因此，針對這種狀況，結合郊區農戶的需要， 設計了一套低本錢的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接口進展通訊，實現溫室大棚自動化控制。中國農業的開展必須

16、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局部。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展檢測和控制。例如：空氣的溫度、濕度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。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，進展環境測控是實現溫室生產管理自動化、科學化的根本保證，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。大棚的溫度、濕度與二氧化碳含量等參數，直接關系到蔬菜和水果

17、的生長。國外的溫室設施己經開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、二氧化碳含量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、勞動強度大與由于測控不與時等弊端，容易造成不可彌補的損失，結果不但大大增加了本錢，浪費了人力資源，而且很難到達預期的效果。因此，為了實現高效農業生產的科學化并提高農業研究的準確性，推動我國農業的開展，必須大力開展農業設施與相應的農業工程，科學合理地調節大棚溫度、濕度以與二氧化碳的含量，使大棚形成有利于蔬菜、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

18、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。由于單片機與各種電子器件性價比的迅速提高，使得這種要求變為可能。1.2國外溫室控制技術開展概況國外狀況世界興旺國家如荷蘭、美國、以色列等大力開展集約化的溫室產業，溫室溫度、光照、水、氣、肥實現了計算機調控，從品種選擇、栽培管理到采收包裝形成了一整套完整的規化技術體系。美國是最早創造計算機的國家，也是將計算機應用于溫室控制和管理最早、最多的國家之一。美國有興旺的設施栽培技術，綜合環境控制技術水平非常高。環境控制計算機主要用來對溫室環境(氣象環境和栽培環境)進展監測和控制。以花卉溫室為例，溫室

19、監控項目包括室氣溫、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、CO2濃度、Ec調節池和回流管數值、pH調節池和回流管數值；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。以園藝業著稱的荷蘭從20世紀80年代以來就開場全面開發溫室計算機自動控制系統，并不斷地開發模擬控制軟件。目前，荷蘭自動化智能玻璃溫室制造水平處于世界先進水平，擁有玻璃溫室1.2萬多平方米，占世界1/4以上，有85的溫室用戶使用計算機控制溫室環境。荷蘭開發的

20、溫室計算機控制系統是通過人機交互界面進展參數設置和必要的信息顯示，可繪制出設定參數曲線、修正值曲線以與測量的數據曲線，可以從數據庫調出設定的時間段參數以便于必要的數據查詢，并能直接對計算機串行口進展操作，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。此外，國外溫室業正致力于向高科技方向開展。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?？刂埔竽茉谶h離溫室的計算機控制室就能完成，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

21、像在現場操作一樣，給人以身臨其境之感。國狀況我國農業計算機的應用開場于20世紀70年代，80年代開場應用于溫室控制與管理領域。20世紀90年代初期，中國農業科學院農業氣象研究所和作物花卉研究所，研制開發了溫室控制與管理系統，并開發了基于Windows操作系統的控制軟件；90年代中后期，理工大學毛罕平等人研制開發了溫室軟硬件控制系統，能對營養液系統、溫度、光照、CO2、施肥等進展綜合控制，是目前國產化溫室計算機控制系統較為典型的研究成果。在此期間，中國科學院現代化研究所、中國農業大學、中國科學院植物生理研究所等單位也都側重不同領域，研究溫室設施的計算機控制與管理技術。“九五期間，國家科技攻關項目

22、和國家自然科學基金均首次增設了工廠化農業(設施農業)研究項目，并且在項目中加大了計算機應用研究的力度，其中“九五國家重大科技產業工程“工廠化高效農業示工程中，直接設置了“智能型連棟塑料溫室結構與調控設施的優化設計與實施的專題3。20世紀90年代末，職業技術師學院的閆忠文研制了作物大棚溫濕度測量系統，能對大棚的溫濕度進展實時測量與控制。中科院智能機械研究所研制了“農業專家系統開發環境DET系列軟件和智能溫室自動控制系統，能夠有效地提高作物產量、縮短生長期、減小人工操作的盲目性。農業大學研制成功“WJG-1溫室環境監控計算機管理系統，采用了分布式控制系統。省農科院自動化控制中心研制了“GCSI型智

23、能化溫室自動控制系統，采用上位機加PLC的集散式控制方法，軟件采用智能化模糊算法。中國農業大學設計研制的“省大型育苗溫室計算機分布式控制系統，實現了計算機分布式控制4。1.3 選題的目的和意義溫室是欣賞植物栽培生產中必不可少的設施之一，不同種類欣賞花卉對溫度與濕度等生長所需條件的要求也不盡一樣，為它們提供一個更適宜其生長的封閉的、良好的生存環境，以提早或延遲花期，最終將會給我們帶來巨大的經濟效益。隨著現代科技的開展，電子計算機已用于控制溫室環境。該系統可自動控制加熱、降溫、通風。根據需要，通過按鍵將溫度信息輸入MCU，根據情況可隨時調節環境。溫室環境自動化控制系統在大型現代化溫室的利用，是設施

24、栽培高新技術的表達。 本文將使用8051型單片機對溫度與濕度控制的根本原理實例化，利用現有資源設計一個實時控制溫室大棚溫度、濕度等的控制系統。目的是通過這次畢業設計，讓我們將課本知識與實踐相結合，更加深刻的理解自動控制的運作模式與意義，也能夠將所學知識和技能更多的運用于生活和工作中，學以致用。第2章 溫室大棚自動控制系統的控制方案設計目前,我國農村使用的簡易日光溫室絕大局部采用手動控制,生產效率低下 ,單位產品的生產本錢偏高。隨著溫室產業的開展 ,溫室作物趨向于多樣化 ,對溫室的控制要求也隨之提高,手動控制因其控制精度低已開場不能滿足溫室生產的需求,需要設計一種控制器減少手動控制。而當今國常見

25、的智能溫室系統都是采用工控機或者PLC方案,價格昂貴,較大局部用戶經濟能力承受不起。因此,在系統的設計過程中要充分考慮用戶的經濟承受能力,減少溫室設計中的各種本錢,提高勞動生產率,這在溫室上具有較為深遠的意義。為此,針對簡易日光溫室對溫度、濕度以與光照度等環境因素的控制要求,設計和開發了基于STC89C58RD +單片機的低本錢溫室自動化控制系統。2.1 控制方案設計植物的生長是在一定環境中進展的,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。現代溫室有外遮陽系統、加溫系統、自然通風系統、濕簾風機

26、降溫系統、補光系統、補氣系統、環流風機、灌溉系統、施肥系統、自動控制系統等常用的環境系統，能夠對植物的生長進展合理的控制,而如何才能合理地控制這些配套設備的運作和協同那么需要有一套完善的硬、軟件溫室系統進展控制。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、濕度等參數進展巡回測量,并對測量的結果進展優化補償,并進展調控,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

27、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,并與系統設定值進展比較、判斷、處理以與相關數據的存儲。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與實時參數的設定。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,且芯片部自帶看門狗。STC89C58RD+單片機最高時鐘頻率為080MHz,32k的 Flash存儲器、12

28、80字節的RAM、擁有P4口適合需要多I/O的系統設計、16k字節的E2PROM可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方式進展燒錄。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。圖2.1 總體結構圖2.2 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總線送給上位機，上位機設有顯示功能，根據預先設置的參

29、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。后者建立在前者的根底上，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，其模式如圖2.2。另外，在設計過程中考慮到農生產的特點，每個系統的各局部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,擴大了適用圍。圖2.2 集散控制系統實現2.3 溫

30、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：圖2.3 溫室大棚系統的主要硬件組成原理圖本系統設計了對與作物生長發育有關的環境溫度、濕度、光照度、CO2含量與土壤水量等參數進展采集的功能,實現溫室大棚各種參數的數據采集任務，傳感器負責對溫室環境因子的采集，將采集信轉換為0-5伏的電壓信號，送入ADC0809,再經過數模轉換,供單片機使用，而使用的各種類型傳感器，分別介紹如下：1. 溫度傳感器 溫度傳感器的選擇余地較大可選用集成溫度傳感器鉑電阻傳感器與數字式傳感器本系統采用市科技開展公司自動化研究室生產的“可選通式溫度傳感器型號為KSG。優點是置選通碼和數字信號傳輸，測溫圍為-10-50

31、，精度為:0.3，適用于遠距離傳輸。1.1溫度傳感器AD590簡介AD590是美國模擬器件公司生產的單片集成兩端感溫電流源。是利用PN結正向電流與溫度的關系制成的電流輸出型兩端溫度傳感器。AD590具有線性好、性能穩定、靈敏度高、無需補償、熱容量小，抗干擾能力強、可遠距離測溫并且使用方便等優點。這種器件在被測溫度一定時，相當于一個恒流源，測量精度高，并具有消除電源波動的特性。它的電源電壓可以在4V6V圍變化，電流Ir變化luA，相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。集成溫度傳感器實質上是一種半導體集成電路，它是利用晶體管的b一e結壓降的

32、不飽和值V與熱力學溫度T和通過發射極電流I的下述關系實現對溫度的檢測:V=lnI ，K-波爾茲常數； q-電子電荷絕對值 集成溫度傳感器的輸出形式分為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0時輸出為0，溫度25時輸出2.982v;電流輸出型的靈敏度一般為luA/K，本文選用的是電流輸出型溫度傳感器。AD59O的主要特性如下: 流過器件的電流(uA)等于器件所處環境的熱力學溫度(開爾文)度數，即:Ir/T=luA/K； AD590的測溫圍為-55+150； AD590的保存溫度為-65+175； AD590的電源電壓圍為4V30V 輸出電阻為710M； 響應時間僅為2

33、0us； 精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-5+l50圍，非線性誤差為0.3。濕度傳感器 本系統的濕度傳感器選用Honeywell公司的集成濕度傳感器HIH3610，該傳感器部集成了信號處理功能電路，可完成將相對濕度值變換成電容值，再將電容值轉換成線性電壓輸出的任務。輸出電壓為： 在本系統中固定為+5V，那么其輸出電壓值正比于濕度測量值，因此可由測試現場的溫度值決定。送LM258，在此處LM258起電壓跟隨作用，以與采集現場隔離和提高帶負載能力。然后信號送帶8路開關以與微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件AD轉換器ADC0809,經轉換后送單片機I/O口。在該

34、設計中溫度的極限參數為：-5OT7O；濕度的極限參數為lH99；溫度的顯示分度為01；濕度的顯示分度為05；芯片特點：低本錢，大批量OEM設計精度2%，激光修正互換性至5%線性電壓輸出對應%RH低功耗設計：200A驅動電流快速反響：15秒穩定性好、低漂移、抗化學腐蝕性能HIH-3610有許多性能指標，能性能指標見表3.5表3.5 HIH-3610性能指標RH精度12%RH，0-100%RH非凝結，25，供電電壓=5VDCRH互換性5%RH，0-60%RH；8%90%RHRH線性0.5%RH典型值RH遲滯1.2%RH滿量程(最大值)RH重復性0.5%RHRH反響時間1/e255秒，慢流動的空氣中

35、RH穩定性1%RH(典型值)，在50%RH環境，5年時間供電電源供電電壓消耗電源4到5.8VDC，傳感器在5VDC下標定0.2mA5VDC輸出電壓供電電壓=5VDC驅動限制Vout=Vsupply0.0062(Sensor RH)+0.16,典型值25(所附的工廠標定數據提供類似的、每個傳感器單獨標定的數據250.8到3.9VDC輸出25典型值對稱的拉/推：50A典型值，20A最小值，100A最大值開啟90%RH時，將引起3%RH的漂移2、當供電電壓處于5V時，上限可提高3、傳感器對光敏感，為得到最好的測量結果，應防止傳感器接收亮光。3. 光照傳感器 光照傳感器選用硅太陽能電池的感應元件與濾光

36、系統構成光照傳感器,該傳感器將0-150000LX的光照信號轉換為電壓信號，此信號經運放電路放大為0-5電壓輸出。4. 土壤水分傳感器土壤水分傳感器采用中科院土壤研究所研制的電阻式土壤濕度傳感器，該傳感器由頭、塑料連接收、壓阻傳感器、真空表頭四局部組成，該傳感器輸出為電壓值此電壓值雖能反映出土壤水勢的狀態變化但它不能直觀地反映土壤水勢指標值，所以需對傳感器進展重新標定。5. CO2傳感器CO2傳感器選用紅外線氣敏傳感器，此傳感器具有精度高，選擇性好，濃度檢測圍大等特點，此傳感器將質量分數圍在0-100010-6濃度的CO2轉換為0-5電壓輸出。傳感器輸出的電壓信號，直接送至A/D轉換器，經A/

37、D轉換后由單片機進展相應的運算、顯示和儲存。它主要包括：ADC0809數模轉換、單片機89C51、繼電器、侍服電機、本系統采用啟動三環計算機廠生產的SCB-51-IU單片機應用板,采用片選法配備了89C51、2764、ADC0809、8155等芯片,具有較強的抗干擾能力微機系統采用普通的微機即可。1. A/D 轉換該設計選用ADC0809 把各被檢測電壓信號轉換為數字信號送至主控制器，其優點在于換精度高，抗干擾能力強，線性度高，并可通過軟件程下直接實現溫度、土壤含水率等參數的切換。2. 系統控制器該設計選用20K字節存存儲器和部256字節RAM 的單片機AT89C55作為主控器。該系統由單片機

38、對溫度濕度等參數進展巡回測量，并對測量的結果進展優化補償，并進展調控，此外，主控制器還可以同時完成系統參數測量，數據存儲，以與與上位機通信等功能。主控器控制功能主要包括調濕、調溫和室外保溫等控制。調濕，通過AT89C55 控制加熱爐和風機完成升溫，室降溫主要通過排氣扇完成和風機完成。土壤調濕主要通過澆水、加肥來實現，可自動完成或采用輔助報警，由人工完成。室外保溫通風調光主要采用自動或半自動得外部設備完成。鍵盤和顯示由HD7279A完成。2.4 溫室大棚的軟件組成系統軟件設計包括單片機程序設計和微機程序設計。它的主要功能模塊有：采集模塊、控制模塊、通訊模塊。1. 采集模塊采集模塊主要完成對ADC

39、0809的通道的控制和轉換結果的讀取，并將結果暫存人數據區。通過對AT89S51定時器T0的計數實現定時，每15min 采集1 次，用定時器T,定時來確定三個參量的采集時間間隔，定為0.50s。溫室布置有溫度、濕度、土壤水分、光照傳感器、溫度傳感器將采集的信號送到89C51的定時器T0的輸入端, 通過對定時器 T0的計數,實現溫度的采集；度、土壤水分、光照傳感器采集的電壓值分別通過校正，轉換為標準的0-5電壓，送到ADC0809的輸入端，再經過數模轉換，變換為數字信號，送到89C51。由于傳感器、ADC0809的采集、轉換速度快，一分鐘可以采集成千上萬條數據，溫室環境因子變化沒有這么快，在實際

40、應用中，沒有必要對這些數據都進展處理，所以要對采集的周期加以控制。本實驗每五分鐘采集一次溫度、濕度、土壤水分、光照傳感器，將采集值送到89C51。2. 控制模塊控制模塊分溫度控制、空氣濕度控制、光照控制、土壤濕度控制。根據不同的控制要求，發出不同的控制信號,。通過繼電器、行程開關、電機、控制開關窗、屋頂噴淋、遮陽網、滴灌，到達實時控制的要求控制模塊實現對通風和噴灌裝置的控制，當接收到上位機的控制信號時，將相應的引腳置零即可開通通風和噴灌裝置。控制模塊分溫度控制、濕度控制、光照控制，當溫室的溫度高于設定的溫度上限時，通過開窗裝置開窗通風，噴淋裝置在屋頂上噴淋，到達溫室降溫的目的，當溫室的溫度低于

41、設定的溫度下限時，通過關窗來實現保溫目的。濕度的控制同樣是通過開關窗和溫室噴淋來實現光照控制是通過遮陽網來實現，當太陽的光照強度高于設定的光照值時，關遮陽網，低于設定的值，開遮陽網，滴灌控制是當土壤水分傳感器的值低于設定的值時，翻開滴灌裝置進展灌溉。3. 通信模塊通訊模塊可將采集到的參量傳到上位機，并接收上位機發來的控制信息。實現上位機和單片機之間的通信，便于用戶遠程管理，單片機將采集的數據和控制裝置當前的狀態信息通過RS-485送到上位機，實現信息的上傳。通訊模塊首先需要初始化設置,設置串口的工作方式、波特率、定時器的工作方式,設置串口中斷位和全局中斷位。其次設置傳輸數據的幀格式,向上位機發

42、送的數據有溫度、濕度、光照、當前設備的狀態等,不同的數據之間需要有區分標志,在數據區的頭部加上聯絡標志和完畢標志；接收到上位機的數據有各種控制信號,在各個控制信號間有區分標志,同樣在數據區的頭尾有標志信號,目的是區分是有效數據還是誤碼。如果是誤碼, 那么不處理,不執行控制處理程序,直接退出中斷；如果是有效數據, 那么接收, 并根據控制信號進展操作,向控制部件發送命令,控制開關窗、遮陽網等部件,到達實時控制的目的。最后在主程序中,使用順序方式向微機發送數據；使用中斷方式承受微機發來的數據。單片機串行通信的工作方式如下:MOV TMOD, #25H；選用定時器T1作為波特率發生器,工作模式 2。M

43、OV TH1, #0F3H；定時器初植,波特率為 1200B/S。MOV TL1, #0F3H；8 位重裝。MOV SCON, #50H；串行口工作方式設置為方式 1,REN=1。MOV PCON, #00H；設置波特率的選擇位。SETB TR1；啟動定時器 T1。SETB ES；串口中斷允許SETB EA；中斷允許。微機軟件設計也由動態顯示模塊、控制模塊、數據庫模塊、通信模塊四個局部組成，通過動態顯示模塊可以與時監控各環境因子的變化，控制模塊可對整個系統進展監控，如開關窗、噴淋等控制，數據庫模塊是為作物生長環境的設定而積累數據，通信模塊是實現上位機和單片機之間的通信，上位機將控制信號通過RS

44、-485送到單片機實現信息的下傳。下面給出主程序流程圖，如附錄所示：溫室大棚種植提高了人們的生活水平并得到了迅速的推廣和應用。溫室大棚種植的環境,如溫度、濕度和二氧化碳含量等是對農作物生長影響最大的因素,傳統的人工檢測方式難以實現對農業綜合生態信息管理與科學種植的要求,國對溫室大棚參數自動監控系統的研究與應用尚在起步階段,而引進國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統價格昂貴,很難適合中國農村的實際需求。為此,作者研制了一種性價比較高、運行可靠的自動測試系統,以適合中國溫室大棚種植科學化管理的推廣與應用。2.5 測試系統的組成與原理本系統采用最簡捷的數字采集系統將其動態參數實時地測量并顯示,設計分

45、為硬件局部和軟件局部。硬件方框圖如圖2.5所示。分為傳感器與其整理電路模塊、A/D轉換模塊、單片機模塊、按鍵與顯示模塊。傳感器把被測參數轉換為電信號,并經過整理電路調理變為05V的直流電壓信號,再經過A/D轉換器轉換為數字信號,送入單片機,經過計算,以分時顯示的形式,把3個被測信號實時地輪流顯示出來，軟件采用匯編語言的程序模塊構成。圖2.5 動態參數測試系統方框圖設計的關鍵是傳感器與其整理電路。傳感器性能的好壞直接影響到測量精度、測量圍和響應速度。因此，選擇適宜的傳感器直接關系到整個系統的性能，溫度傳感器選用單片雙端集成溫度傳感器AD590,濕度傳感器選用濕敏電容 HS1100,CO2傳感器選

46、用固態電化學型CO2傳感器TGS4160 。1 溫度測量電路采用溫度傳感器 AD590,其測溫放大電路設計如2.6示。電路中的ICL7650S芯片是斬波穩零運算放大器。直流電壓 +12V通過電阻R1、電位器RP1加到AD590上,AD590的輸出電流在R1,RP1上產生電壓降,使放大器ICL7650S反相輸入端的電位隨溫度而變化,在其輸出端獲得與被測溫度成正比的直流電壓。電路中的電位器RP1用于調零,RP3用于調滿刻度,這樣可以極改善AD590非線性引起的誤差,R用于調節放大器ICL7650S的輸入失調,ICL7650S輸出端的R5 和C1構成濾波器用于濾除斬波尖峰干擾。電路的測溫圍為0100

47、,相應輸出為05V,呈現線性關系。圖2.6溫度傳感器 AD590的檢測電路2濕度測量電路采用的HS1100濕度傳感器是Sensation公司基于獨特工藝設計的電容元件， HS1100濕度傳感器的原理是由濕度傳感器的干濕介質在外界的相對濕度變化時，吸附/脫附空氣中的水汽分子,使感濕介質的介電常數發生變化,引起濕度傳感器的電容值改變，濕度傳感器實際上相當于1個可變電容,其電容的變化值與空氣中的相對濕度成一一對應的正比線性關系,相對濕度越大,濕度傳感器的電容越大；相對濕度越小,濕度傳感器的電容越小。將電容的變化量準確地轉變為單片機承受的信號,常用2種方法:一是將該濕敏電容置于運放與容阻組成的放大器電

48、路中,所產生的電壓信號經直流放大、 再經A/D轉換為數字信號；另一種是將該濕敏電容置于振蕩電路中,將電容值的變化轉為與之呈反比的電壓頻串信號,可直接被計算機所采集。在此采用第1種測量方法,測量電路如圖2.7示。Uf為外加的10 kHz方波信號。C2是固定電容,為了獲得最正確的靈敏度放大系數取其電容值為180 pF,由此將相對濕度的基準點定為55%,并且與濕度傳感器HS1100的電容CT構成一開關電容分壓放大電路,CT 與C2的連接點電壓UC為運放的同相輸入電壓信號,U02為運放輸出電壓信號,其輸入/輸出特性:當輸入電壓UC減小時,輸出電壓U02增大。當相對濕度減小時,CT 容抗增大,UC增大,

49、而U02減小,反之當濕度增大時,U02增大。圖2.7 濕度/電壓轉換電路3CO2含量測量電路采用TGS4160型CO2傳感器測量CO2,它是一種電化學型氣體的敏感元件,當該元件暴露在CO2氣體環境中時,就會產生電化學反響,通過監測S(+),S(-)2個電極之間所產生的電勢值EMF,就可以測量CO2的含量值。為使傳感器保持在最敏感的溫度上,需要給加熱器提供加熱電壓進展加熱，加熱電壓穩定在(50.2)V。為了保證CO2含量的準確測量,除了保證加熱電壓穩定與對環境溫度的變化進展溫度補償外,更主要的是要測量兩電極之間變化的電勢值,而不是絕對電勢值。在-10 +50溫度圍,根本不受溫度的影響保持常量.傳

50、感器測量圍是 3501 000 mLL - 1,但根據溫室大棚CO2含量的實際情況,在此設定所測量的CO2含量在350900mLL- 1之間,在這個圍可以滿足測試系統的實際需要。但要把TGS4160的輸出信號轉換成05V的電壓,需要把傳感器的輸出信號CO2含量對應的絕對電勢值轉換到傳感器兩極之間變化的電勢值,然后再放大。設計采用2級減法運算放大電路實現(圖2.8) 圖2.8 測量CO2電路的減法電路微處理器選擇ATMEL公司生產的AT89C51單片機,A/D轉換器選用ADC0809,利用ADC0809轉換器三態輸出鎖存功能,直接與AT89C51的總線相連接口電路如圖2.9所示,按鍵電路設計為4

51、個按鍵,其中SW4是復位鍵,另3個是功能鍵。設置的按鍵的功能是:按SW1顯示溫度的參數值；按S W2顯示濕度的參數值；按SW3顯示CO2含量參數值；復位鍵的作用是,當按下“S W1,“S W2或“S W3 任意1個鍵時,顯示器那么只顯示其對應的參數值,可以通過按復位來使顯示器恢復輪流顯示，顯示采用4位LED顯示，其中3位顯示所測量參數信號的大小,另1位代表所測信號的通道，利用AT89C51的P0口和P2口的低4位來驅動顯示。在P0口的8根數據線和段碼管的8根數據線之間接一單向驅動芯片74LS244,增加P0口的驅動能力,驅動芯片的輸出口又接了8個470的電阻RP ,可以作為限流電阻,以免段碼管

52、的功耗太大而燒壞管子。P2口的低4位輸出是選擇位段碼。顯示電路的工作方式是動態掃描法。圖2.9 微處理器硬件接口電路2.6 程序模塊系統上電時,初始化程序將70H,71H,72H存單元清零，P3口置零。剛上電時,系統默認位循環顯示3個通道的參數值狀態.當進展一次測量時,將顯示每一通道的A /D轉換值 ,每個通道的數據顯示時間為 1 s左右。主程序在調用測試子程序,顯示子程序和判斷按鍵之間循環,主程序圖見圖2.10。顯示子程序采用動態掃描法實現4位數碼管的數值顯示，測得的A/D轉換數據放在70H,71H和72H存單元中,測量數據在顯示時需要轉換為BCD碼放在 73H,74H和75H單元中,其中7

53、6H存放通道標志數。存放器R3用作3路循環控制,R0用作顯示數據地址指針，由于顯示器用的是段碼顯示,不能顯示各參數的單位,但各個通道的單位是一定的。模/數轉換測量子程序用來控制對ADC0809三路模擬輸入電壓的A/D轉換,并將對應的數值移入70H,71H和72H存單元。圖2.10測試系統主程序流程圖溫度的測量圍是0100,模擬量輸出是05V；濕度的測量圍是 0100%,模擬量輸出為 03.55 V；CO2含量的測量圍是 350900mLL - 1,輸出為 03.46V。運用程序進展數據處理可到達要求的精度。第3章 溫室大棚的數據采集系統隨著我國經濟的開展,農民增收緩慢的問題逐漸成為阻礙我國經濟

54、穩定開展的一大隱患。解決此問題的關鍵是大力開展農業科技,逐步走向農業現代化。溫室大棚技術在農業中有著舉足輕重的作用,是提高農業科技水平的關鍵。3.1 系統設計本系統采用的是網絡式的數據采集結構。上位機由AT89S51 單片機作為控制器,外加LCD1602和假設干按鍵構成人機交互界面,同時設有報警裝置。上位機硬件框圖如圖3.1所示:上位機主要完成的功能是接收下位機傳遞的數據并顯示溫室大棚中的平均溫度和平均濕度。用戶可以通過按鍵對進展溫度和濕度的設定。同時,還具有報警機制,當某處的溫度和濕度出現異常時進展聲光報警并顯示異常點。下位機由ATtiny2313和溫濕度傳感器組成。主要完成的工作是溫度信號

55、與濕度信號的采集,同時傳輸給上位機。ATtiny2313是 AT2MEL 公司發布的AVR 系列中的一款低端產品。該芯片采用的 RISC結構,比一樣時鐘的51單片機執行速度快約12倍。它有20個引腳,其中有18個是可編程的I0口,具有豐富的擴展功能,并且部集成了RC振蕩器,無需外部晶振。芯片還具有三個定時器其中一個帶有捕獲功能,兩個外部中斷。芯片價格低廉也是其優點之一。上位機與下位機通信采用的RS485總線形式,這種通信接口允許在簡單的一對雙絞線上進展多點雙向通信,它所具有的噪聲抑制能力、數據傳輸速率、電纜長度與可靠性是其他標準無法比較的。圖3.1 上位機硬件框圖數據采集系統的下位機采集現場溫

56、度和濕度,經過數字濾波處理后存儲在控制器中,當上位機查詢下位機時,下位機通過RS485總線將溫度值和濕度值傳輸至上位機。上位機每隔10分鐘查詢一次所有的下位機,將采集到的數據經行處理,排除干擾值,確定當前的溫室大棚的溫度和濕度,同時將其顯示在 LCD 屏上。上位機根據當前溫室大棚的溫度和濕度,判斷是否需要操作相應的執行機構。上位機除了正常的數據收集和顯示作用外,還可以通過按鍵進展溫濕度的設定,查詢每個下位機的具體值。同時還具有報警功能,當系統檢測到溫濕度異常時能經行聲光報警。3.2 系統軟件設計上位機軟件主要有鍵盤模塊,顯示模塊,控制決策模塊,通訊模塊,和報警模塊。鍵盤模塊功能包括參數和功能設

57、置,下位機查詢。顯示模塊是用于同時顯示測得的溫度值和濕度值?？刂茮Q策模塊根據下位機傳輸的數據判斷當前是否需要調溫或調濕。通訊模塊功能是與下位機經行數據的傳輸。報警模塊是指溫度或濕度出現異常時,發出警報。下位機軟件主要有采集模塊,通訊模塊和控制模塊。采集模塊主要完成溫度采集和濕度采集。通訊模塊主要完成向上位機傳輸數據的工作。控制模塊功能是控制調溫裝置和調濕裝置。3.3 誤差分析系統誤差來源有兩個,一個是系統硬件,另一個是系統軟件。硬件帶來的誤差包括傳感器選型,采樣電路器件選型和電路設計等方面。軟件誤差主要是指異常數據的干擾和數值處理的精度。減小誤差的方法有以下幾種:1選擇高精度的傳感器。2設計抗

58、干擾性強的電路。3選擇支持浮點運算的控制器。4對數據進展數字濾波,排除干擾。5數值處理利用定點算法。本系統在選擇適宜的器件和合理的電路同時,在軟件上也采用了數字濾波和定點算法,減小了系統誤差。3.4 可靠性設計用于工業控制場合的系統對可靠性有較高的要求,只有具有較高可靠性的系統才具有實用價值。系統的可靠性包括軟件的可靠性和硬件的可靠性。單片機硬件系統的抗干擾能力與元器件質量、裝配質量等因素都有關系,但其中起決定作用的是設計過程,因此在設計中我們采取了以下抗干擾措施:(1) 采用光電隔離；(2)采用過壓保護電路；(3)采用抗干擾穩壓電源；(4)采用良好的接地系統。軟件局部可靠性主要通過抗干擾設計

59、實現,其中本系統中的抗干擾設計主要包括以下局部:(1)采用數字濾波方法來抑制輸入通道的干擾；(2)對數字輸出信號處理；(3) 對局部關鍵控制設備的運行狀態進展監測；(4) 采用指令冗余、軟件陷阱、“ 看門狗 等方法防止程序混亂。第4章 溫室大棚監測控制系統近年來，我國的設施農業得到了較大的開展，溫室大棚作為新的農作物種植技術，已突破了傳統農作物種植受地域 、自然環境、氣候等諸多因素的限制，對農業生產有重大意義。而溫室大棚的檢測控制系統是實現其生產自動化、高效化的最關鍵、最為重要的環節。目前我國的溫室大棚，多依靠人工經歷進展管理，或以單片機控制的單參數單回路的較多，自動化程度不高，效率低下，就農

60、作物的生長環境而言，溫度、 濕度、光照、二氧化碳是其最根本的要素，作為檢測控制系統必須能夠實現對以上要素的數據采集與分析處理，并進展相應的控制，以使溫室大棚為農作物的生長提供一個良好的環境。4.1 系統的總體結構和特點溫室大棚檢測控制系統為滿足室環境檢測的實時性要求，應采用多級子系統分布式結構。該系統總體結構包括傳感器子系統、數據采集子系統、信息處理子系統和伺服子系統4局部。1. 傳感器子系統 傳感器子系統是檢測控制系統的主要信息來源，它關系到整個系統檢測，分析加工和控制的可靠性與準確性。傳感器主要包括檢測溫室大棚部溫度的溫度傳感器、檢測室空氣與土壤水分的濕度傳感器、檢測室光照度的光照傳感器、