【正文】 度，這種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低，準(zhǔn)確度也不高， 隨機(jī)性大 ，當(dāng)然也就不夠科學(xué)。因此，需要研制一種結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉的測控系統(tǒng)來達(dá) 到自動(dòng)調(diào)節(jié)溫濕度調(diào)節(jié)及報(bào)警的目的。 隨著科技的迅猛發(fā)展，我國逐漸實(shí)現(xiàn)日光溫室系統(tǒng)管理智能化，但是智能化程度與普及率過低。雖然有些也引進(jìn)了一些國外的計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)，如溫室環(huán)境控制系統(tǒng)。也真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化，但投資過大，系統(tǒng)故障維護(hù)不便，且經(jīng)濟(jì)效益過低。因此實(shí)現(xiàn)開發(fā)低價(jià)位實(shí)用型日光溫室系統(tǒng)已迫在眉睫，對于推進(jìn)我國日光溫室智能化管理以及最大限度的減少倉庫火災(zāi)進(jìn)程具有極為重要的意義，同時(shí)也具有很大的市場商機(jī)。 日光溫室以其低成木、節(jié)能耗的優(yōu)點(diǎn)被大而積推廣，成為我國現(xiàn)階段主要農(nóng)業(yè)設(shè)施類型。近年來，單 片機(jī)在我國的許多領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)良的性價(jià)比特別適合于日光溫室的建設(shè)要求。因此，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)日光溫室內(nèi)環(huán)境與水肥灌溉的自動(dòng)控制，營造作物適宜的生長環(huán)境，是使日光溫室生產(chǎn)能夠持續(xù)快速發(fā)展和解決實(shí)際生產(chǎn)管理問題的重要手段。 我國農(nóng)業(yè)正處在從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向以優(yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)為目的的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的新階段。農(nóng)業(yè)環(huán)境控制工程作為農(nóng)業(yè)生物速生、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)手段是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，農(nóng)業(yè)設(shè)施的自動(dòng)檢測與控制是我國急待發(fā)展的項(xiàng)目。我國目前大多數(shù)溫室內(nèi)的環(huán)境仍靠人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來管理，從某種程度上也影響了其效益和發(fā)展。同 時(shí)微型計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟、硬件邏輯功能、高性能價(jià)格比、高可靠性，為溫室自動(dòng)管理提供了強(qiáng)有力的手段，也為實(shí)現(xiàn)溫室的標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)環(huán)境控制對作物生產(chǎn)的重要作用己為國內(nèi)外大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐所證實(shí)。只有在適宜的環(huán)境條件下，作物才能充分發(fā)揮其高產(chǎn)潛力。幾十年來，有關(guān)作物生理和其生長環(huán)境的研究，不僅指導(dǎo)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且為溫室環(huán)境工程及控制的研究提供了依據(jù)和參數(shù)。但如何把這類系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，從而為作物提供最佳的生長環(huán)境，一直是研究者面臨的一項(xiàng)重要的任務(wù)。 鑒于上述，本文提出了溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系 統(tǒng)以 89C51 單片機(jī)為中心，編制出一套溫室自動(dòng)控制系統(tǒng) 國內(nèi)外研究發(fā)展概況 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?。它以采光覆蓋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)?，F(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(dòng)化的基礎(chǔ)上正向著完全自動(dòng)化、無人化的方向發(fā)展。像園藝強(qiáng)國荷蘭，以先進(jìn)的鮮花生產(chǎn)技術(shù)著稱于世，其玻璃溫室全部由計(jì)算機(jī)操作。日本研制的蔬菜塑料大棚在播種、間苗、運(yùn)苗、灌水、噴藥等作業(yè)的自動(dòng)化和無人化方面都有應(yīng)用。日本利用計(jì)算機(jī)控制溫室環(huán)境因素的方法，主要是將各種作物不同生長發(fā)育階段所需要的環(huán)境條件輸入計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)某一環(huán)境因素發(fā)生改變時(shí)，其余因 素自動(dòng)作出相應(yīng)修正或調(diào)整。一般以光照條件為始變因素，溫度、濕度和 CO2 濃度為隨變因素，使這四個(gè)主要環(huán)境因素隨時(shí)處于最佳配合狀態(tài)。美國和荷蘭還利用差溫管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對花卉、果蔬等產(chǎn)品的開花和成熟期進(jìn)行控制，以滿足生產(chǎn)和市場的需要。英國倫敦大學(xué)農(nóng)學(xué)院研制的溫室計(jì)算機(jī)遙控技術(shù)，可以觀測 50km 以外溫室內(nèi)的光、溫、濕、氣和水等環(huán)境狀況，并進(jìn)行遙控。 我國對于溫室控制技術(shù)的研究較晚，始于 20世紀(jì) 80 年代。我國工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國家溫室控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，才掌握了人工氣候室內(nèi)微機(jī)控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于溫度、濕度和 CO2 濃度等單項(xiàng)環(huán)境因子的控制。之后，我國的溫室控制技術(shù)得到了迅速發(fā)展。 20 世紀(jì) 80 年代，由于當(dāng)時(shí)只注重引進(jìn)溫室設(shè)備，而忽略了溫室的管理技術(shù)和栽培技術(shù)，且引進(jìn)的溫室能耗過高，致使企業(yè)相繼虧損或停產(chǎn)。90年代初，我國大型溫室跌入了發(fā)展的低谷。 “ 九五 ” 初期，以以色列溫室為代表的北京中以示范農(nóng)場的建立，拉開了我國第二次學(xué)習(xí)和引進(jìn)國外現(xiàn)代溫室技術(shù)的序幕。到 90 年代中后期，在對國外溫室設(shè)備配置、溫室栽培品種、栽培技術(shù)等各個(gè)方面進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，我國自主開發(fā)了一些研究性質(zhì)的環(huán)境控制系統(tǒng)。 1995 年，北京農(nóng)業(yè)大學(xué)研制成功了 “ WJG1 型實(shí)驗(yàn)溫室環(huán)境監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng) ” ，此系統(tǒng)屬于小型分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。 1996 年，江蘇理工大學(xué)毛罕平等研制成功了使用工控機(jī)進(jìn)行管理的植物工廠系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對溫度、光照、 CO2 濃度、營養(yǎng)液和施肥等進(jìn)行綜合控制，是目前國產(chǎn)化溫室控制技術(shù)比較典型的研究成果。中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制成功了新型智能溫室系統(tǒng)。該系統(tǒng)由大棚本體及通風(fēng)降溫系統(tǒng)、太陽能貯存系統(tǒng)、燃油熱風(fēng)加熱系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)環(huán)境參數(shù)測控系統(tǒng)等組成。 1997 年以來，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)在溫室環(huán)境的自動(dòng)控制技術(shù)方面也取得了一定的成果。 90 年代末， 河北職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院的閏忠文研制了蔬菜大棚，其能夠?qū)亍穸冗M(jìn)行實(shí)時(shí)測量與控制。但由于我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平較低，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力大量過剩，溫室的一次性投資大，資金短缺以及對操作人員的素質(zhì)要求比較高等因素，限制了溫室控制技術(shù)在溫室系統(tǒng)的擴(kuò)展。 本課題的主要研究內(nèi)容 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的硬件主要包括：主要是單片機(jī) AT89C51，檢測系統(tǒng)，顯示電路，報(bào)警電路等。利用傳感器測量大棚內(nèi)的溫濕度經(jīng)過信號處理，將傳感器測得的數(shù)據(jù)送至控制系統(tǒng)（ AT89C51），與預(yù)設(shè)的農(nóng)作物最適合生長的溫濕度值的上下限進(jìn)行對比，并通過顯示電路將 測得的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。如果不同作物的適合生長的溫度不一樣，可以通過鍵盤電路修改預(yù)設(shè)值。控制系統(tǒng)根據(jù)比較的結(jié)果對控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令，通過五個(gè)不同的 LED 燈發(fā)光，分別表示正常、加熱、降溫、加濕、干燥五個(gè)控制命令，并且如果測得的溫度超過了預(yù)設(shè)溫度的下限，則報(bào)警電路會報(bào)警。這樣就實(shí)現(xiàn)了溫室自動(dòng)監(jiān)控及低溫預(yù)警的目的。 本文主要研究內(nèi)容如下： 。 。 。 LCD 對溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。 ，系統(tǒng)可自動(dòng)報(bào)警，并通過不同 LED 發(fā)光表示不同控制信號 9 第二章 設(shè)計(jì)方案 溫濕度傳感器的選擇 溫濕度傳感器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。溫濕度采集系統(tǒng)目前普遍采用的幾種方案： 方案一：采用單總線的 DS1820的溫度傳感器和 HS110X相對濕度傳感器組成的溫濕度采集系統(tǒng)。 方案二：采用集溫濕度傳感器于一體的 SHT11芯片為主要芯片的溫濕度采集系統(tǒng)。 由于傳統(tǒng)的模擬式濕度傳感器（方案一）不僅要設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路，還要經(jīng)過復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過程， 其測量精度難以保證。而 SHT11 是瑞士 Sensirion公司生產(chǎn)的具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對濕度和溫度傳感器，可用來測量相對濕度、溫度和露點(diǎn)等參數(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換的特點(diǎn)。該傳感器將 CMOS 芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)融合，為開發(fā)高集成度、高精度、高可靠性的溫濕度測控系統(tǒng)提供了解決方案。所以本設(shè)計(jì)采用的是方案二。 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)要滿足以下條件 ： 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng) 能完成數(shù)據(jù)采集和處理、顯示、輸出控制信號等多種功能。 由數(shù)據(jù)采集、鍵盤掃描、單片機(jī)、 數(shù)據(jù)顯示等部分組成。該測控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)采集（檢測室內(nèi)的溫度）、實(shí)時(shí)顯示、（對監(jiān)測到的溫濕度進(jìn)行顯示）、實(shí)時(shí)報(bào)警 （根據(jù) 監(jiān)測的結(jié)果 ， 低于預(yù)設(shè)定的值的進(jìn)行蜂鳴警告 ）的功能 。 傳感器是實(shí)現(xiàn)測量首要環(huán)節(jié)，是監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的測量和控制都將無法實(shí)現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 21所示： 10 21 系統(tǒng)整體框圖 第三章 硬件設(shè)計(jì) 芯片介紹 單片機(jī) AT89C51 為了設(shè)計(jì)此系統(tǒng)，我們采用了 80C51 單片機(jī)作為控制芯片。 89C51 是 MCS51系列單片機(jī)中 CMOS工藝的一個(gè)典型品種 ；其它廠商以 8951為基核開發(fā)出的 CMOS工藝單片機(jī)產(chǎn)品統(tǒng)稱為 89C51 系列。 該系 列單片機(jī)是 采用高性能的靜態(tài) 89C51 設(shè)計(jì) 由先進(jìn) CMOS 工藝制造并帶有非易失性 FLASH 程序存儲器 全部支 持 12時(shí)鐘和6 時(shí)鐘操作 P89C51X2 和 P89C52X2/54X2/58X2 分別包含 128 字節(jié)和 256 字節(jié)RAM 32條 I/O 口線 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 6 輸 入 4 優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu) 1 個(gè)串行 I/O 口可用于多機(jī)通信 I/O 擴(kuò)展或全雙工 UART 以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 。此外，由于器件采用了靜態(tài)設(shè)計(jì)，可提供很寬的操作頻率范圍，頻率可降至 0 ?？蓪?shí)現(xiàn)兩個(gè)由軟件選擇的節(jié)電模式，空閑模式和掉電模式，空閑模式凍結(jié) CPU但 RAM 定時(shí)器，串口和中斷系統(tǒng)仍然工作掉電模式保存 RAM 的內(nèi)容 但是凍結(jié)振蕩器 導(dǎo)致所有其它的片內(nèi)功能停止工作。由于設(shè)計(jì)是靜態(tài)的時(shí)鐘可停止 而不會丟失用戶數(shù)據(jù) 運(yùn)行可從時(shí)鐘停止處恢復(fù) 。 89C51的基本結(jié)構(gòu)如圖 38 所示： 溫濕度測量電路 鍵盤掃描電路 復(fù)位和時(shí)鐘電路 AT89C51 報(bào)警電路 顯示電路 超限處理電路 時(shí) 鐘 電 路總 線 控 制C P UR O M / E P R O M / F L A S H4 K 字 節(jié)R A M 1 2 8 字 節(jié)S F R 2 1 個(gè)定 時(shí) / 計(jì) 數(shù) 器2 個(gè)中 斷 系 統(tǒng)5 中 斷 源 、 2 優(yōu) 先 級串 行 口全 雙 工 2 個(gè)并 行 口4 個(gè)R S TE A A L E P S E NX T A L 2 X T A L 1P 0 P 1 P 2 P 3V C CV S S 11 圖 38 89C51結(jié)構(gòu)圖 89C51 的引腳圖如圖 39 所示： 圖 39 89C51 引腳圖 89C51 的制作工藝為 CMOS， 采用 40 管腳雙列直插 DIP 封裝，引腳說明如下： 12 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸 入 。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0輸出原碼，此時(shí) P0外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收 ，輸出 4個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1” 時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí)， P2口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門電流。當(dāng) P3口寫入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0外部輸入） T1（記時(shí)器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） 13 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲 器讀選通） P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周