装订线长 春 大 学 温室大棚自动控制系统的设计目录第1章 绪论11.1选题背景11.2 国内外发展现状21.3 课题内容、目的及思路31.4 设计过程及工艺要求5第2章 方案的比较和选择62.1 湿度传感器的选择62.2温度传感器的选择82.3 光照度传感器的选择10第3章 系统的总体设计113.1 确定系统任务113.2 系统的组成和工作原理123.3 元件的特性153.3.1 STC89C52特点153.3.2 AD0804特点16第4章 电路设计184.1 湿度测量电路184.2 温度测量电路194.3 光照度测量电路194.4 数据显示电路204.5 复位电路214.6 键盘电路224.7继电器控制电路224.8 电源设计23第5章 软件设计255.1系统概述255.2 Keil C51单片机软件开发系统的整体结构255.3 使用独立的Keil仿真器时，注意事项265.4 Keil C51单片机软件基本操作步骤265.5 主程序流程图265.6 参数测量子程序流程图285.7 键盘扫描子程序流程28第6章 结 论31致 谢32参考文献33附录34附录1.系统总体电路图34附录2.系统源代码35装订线长 春 大 学 温室大棚自动控制系统的设计第1章 绪论1.1选题背景随着改革开放，特别是90年代以来，我国的温室大棚产业得到迅猛的发展，以蔬菜大棚、花卉为主植物栽培设施栽培在大江南北遍地开花，随着政府对城市蔬菜产业的不断投入，在乡镇内蔬菜大棚产业被看作是21世纪最具活力的新产业之一。温室是蔬菜等植物在栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类的蔬菜对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为他们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，从而可以通过提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣天气对其影响的场所，它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。显示采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，也就是说一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。单片机虽小，但它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。同时它也被称为微控制器（Microcontroller）,是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成在复杂的，而对提及要求严格的控制设备当中。单片机比专用处理器最合适应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所有的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。我国北方冬季寒冷而漫长，大力推广蔬菜大棚种植蔬菜能更好的满足人民生活水平日益提高的需求。冬季蔬菜大棚管理最重要的一个因素是温度的控制。温度管理一般把一天分为午前、午后、前半夜和后半夜4个时段来进行温度调节。午前以促进光合作用，增加同化量为主，一般将棚温保持在25-30为宜；午后光合作用呈下降趋势，应将温度比午前降低5左右，以20-25为好，避免高温下养分消耗过多。日落后4-5h内，要将棚内温度从20逐渐降到15上下，以促进体内同化物的运转。此后，再将夜温降到10-12，以抑制呼吸、减少消耗、增加积累。但不可把温度降得过低，以免发生低温危害。另外，阴雨天光照不足，光合作用不能正常进行，棚内温度也应比晴天低5左右，以降低呼吸消耗。随着单片机的飞速发展，通过单片机对被控制对象进行控制日益广泛，其具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于自动控制系统中可以起到更好的控温作用，可完成对温度采集和控制等要求。现代化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检测和控制。例如：空气的温度、湿度、光照强度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控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，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用，所以对大棚内的温度、湿度与光照强度等参数的控制就显的非常重要了。传统的方法是用毛发湿度表、酒精温度计等进行人工测量，再对不符合的温度、湿度、光照度通过在温室大棚进行灌溉、降温、遮光等控制操作1来调节，这种人工测控的方法费时费力、效率低、且无法保证测量的连续性，测量的误差大、随机性大，随意性强。为了克服以上几点不足，我们需要一种造价低廉，使用方便且测量准确的自动测控系统。1.2 国内外发展现状国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历了3个发展阶段：（1）手动控制：这是在温室控制技术发展初期所采取的控制手段，其实并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构。他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候的状况和对作物生长状况进行观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接，最迅速且最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工业化农业的生产需要，而且对种植者的素质要求较高。（2）自动控制：这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器实际的测量值与事先设定的目标进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产的自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到了提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动的进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生产状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。（3）智能化控制：这是温度自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结，收集农业领域知识、技术和各种实验数据构建专家系统，以建立作物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制技术沿着手动、自动、自动化控制的生产进程，向着越来越先进的，功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型，温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。国外对温室环境控制技术的研究相对较早，先是采用模拟式组合仪表，采集信并息进行指示、记录以及控制。而后又出现了分布式的控制系统。目前正研制的是计算机数据采集测控系统的多因子综合测控系统。目前世界各国的温室大棚测控技术的发展很迅速，一些国家也朝着完全自动化、无人化的这个进行方向进行发展。国外的温室设施虽然己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件，不利于在我国广泛地推广，而当今在我国大多数地方对大棚温度、湿度、二氧化碳含量，光照强度的检测与控制都采用人工管理，存在着测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。本系统主要针对温室大棚内温度、湿度，光照强度研制了单片机控制的温室大棚自动控制系统,综合考虑系统的精度、效率以及经济性要求三个方面因素之后，最终确定以STC89C52单片机为控制核心，选用性价比比较高的传感器，实现对温湿度的精确测量与准确控制，同时又具有价格低等优点，便于在我国推广。1.3 课题内容、目的及思路1.温度控制系统 温度控制系统的硬件部分包括 温度检测系统（采用高精度热敏电阻）、信号放大系统、A/D转换、单片机、I/O设备、控制执行系统等。由于热敏电阻具有负的电阻温度特性，当温度升高时，电阻值减小，它的阻值温度特性曲线是一条指数曲线，非线性较大。而对温度要求不高，是在室温环境下热敏电阻的阻值与环境温度基本呈线性关系，这样可以通过电阻分压简单地将温度值转化为电压值。根据上式，可以把电阻值岁温度的变化关系转化为电压随温度变化的关系，由于热敏电阻的电信号一般都是毫伏级，必须经过放大吗，才能在单片机中使用。温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到单片机可以处理的范围内，经过低通滤波，滤掉干扰信号送入单片机，由于传感器输出微弱的模拟信号，当信号中存在环境干扰时，干扰信号也被同时放大，影响检测精度，所以需要滤波电路对模拟信号进行处理，以提高信号的抗干扰能力。2.湿度控制系统 温度控制系统的硬件部分包括湿度检测电路、单片机、LED显示电路电源恒压电路。湿度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50HZ-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1M。这种传感器只限于在一定范围内使用时具有良好的线性，有效地利用其线性特性。3.光照控制系统光照度的控制主要靠遮阳幕的开关，光照度过高时，系统通过关闭大棚顶部的遮阳幕，避免阳光直射作物，减小光照度，及减少强光对作物生长的影响。当光照度过低时，就打开遮阳幕，增加光照度。如果检测的光照度在适宜范围，单片机将维持现状。 4.设计主要思想通过热电偶加温度传感器的形式，利用A/D转换将单片机无法测量的温度信号转换为可测量的电信号，然后在将温度值在LED数码管上显示出来，温度传感器将温度信号变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到单片机可以处理的范围内，经过低通滤波，滤掉干扰信号送入单片机。在单片机中对信号进行采样，为进一步提高测量精度，采样后对信号进行数字滤波单片机将检测到的温度信息与设定值进行比较，如果不相符，数字调节程序根据给定值与测得值的差值按PID控制法设计控制量，触发程