【正文】 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。國外現(xiàn)有的溫室自動(dòng)化作業(yè)技術(shù)設(shè)施大致可以分為兩大類：自動(dòng)行走式自動(dòng)化作業(yè)設(shè)施和流水線式自動(dòng)化作業(yè)設(shè)施[2]。 我國是溫室栽培起源最早的國家，在2000多年前就已經(jīng)能利用保護(hù)設(shè)施（溫室的雛形）栽培多種蔬菜，至20世紀(jì)60年代，中國的設(shè)施農(nóng)業(yè)始終徘徊在小規(guī)模、低水平、發(fā)展速度緩慢的狀態(tài)，70年代初期地膜覆蓋技術(shù)引入中國。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技進(jìn)步，70年代至80年代，相繼出現(xiàn)了塑料大棚和日光溫室。90年代開始，中國設(shè)施農(nóng)業(yè)逐步向規(guī)模化、集約化和科學(xué)化方向發(fā)展，技術(shù)水平有了大幅的提高。隨著近年來國家相關(guān)科研項(xiàng)目的啟動(dòng)，在學(xué)習(xí)借鑒、吸收消化國外先進(jìn)技術(shù)的成果的基礎(chǔ)上，中國的設(shè)施農(nóng)業(yè)有了較快發(fā)展，設(shè)施水平不斷提高。近代溫室的發(fā)展經(jīng)歷了改良型日光溫室、大型玻璃溫室和現(xiàn)代化溫室三個(gè)階段。但由于各地區(qū)生產(chǎn)狀況、經(jīng)濟(jì)條件和利用目的的差異，至今各階段不同類型的溫室依然并存。目前，我國的溫室系統(tǒng)屬于半開放系統(tǒng)，溫室內(nèi)環(huán)境控制水平比較低，仍靠人工經(jīng)驗(yàn)來管理。而且，國內(nèi)的控制系統(tǒng)主要用于單因子控制，因而設(shè)施現(xiàn)代化水平低，對溫室環(huán)境的調(diào)控能力差，產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量難以得到保證。環(huán)境因素的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制的研究正處于起步階段，已嚴(yán)重影響了設(shè)施農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展。特別是北方地區(qū)因其緯度高，寒冷季長，四季溫差和晝夜溫差較大，不利于作物生長，目前應(yīng)用于溫室大棚的溫度檢測系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的溫度檢測。這種溫度采集系統(tǒng)需要在溫室大棚內(nèi)布置大量的測溫電纜，才能把現(xiàn)場傳感器的信號(hào)送到采集卡上，安裝和拆卸繁雜，成本也高。同時(shí)線路上傳送的是模擬信號(hào)，易受干擾和損耗，測量誤差也比較大，不利于控制者根據(jù)溫度變化及時(shí)作出決定。在這樣的形勢下，開發(fā)一種實(shí)時(shí)性高、精度高，能夠綜合處理多點(diǎn)溫度信息的測控系統(tǒng)就很有必要[2]。 溫室控制系統(tǒng)研究與開發(fā)的意義 隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，設(shè)施園藝工程因其涉及學(xué)科廣、科技含量高、與人民生活關(guān)系密切，已越來越受到世界各國的重視。這也為我國大型現(xiàn)代化溫室的發(fā)展提供了極好的機(jī)遇，并產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。我國的現(xiàn)代化溫室是在引進(jìn)與自我開發(fā)并進(jìn)的過程中發(fā)展起來的。溫室大棚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溆绊懙睦硐雸鏊?。?shí)現(xiàn)溫室大棚環(huán)境智能控制的目的是主動(dòng)的調(diào)節(jié)溫度、濕度、光照和二氧化碳?xì)怏w濃度等環(huán)境因素，以滿足作物最佳生長環(huán)境的要求。其中，溫濕度是最重要的環(huán)境因素。溫室是植物栽培生產(chǎn)中必不可少的設(shè)施之一，溫度是影響植物生長發(fā)育最重要的因子之一。植物生長的溫度范圍以1535攝氏度最適。為它們提供一個(gè)更適宜其生長的封閉的、良好的生存環(huán)境，以提早或延遲花期，最終將會(huì)給我們帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。溫室環(huán)境自動(dòng)化控制系統(tǒng)在大型現(xiàn)代化溫室的利用，是設(shè)施栽培高新技術(shù)的體現(xiàn)。改變傳統(tǒng)的控制方式，實(shí)施溫室環(huán)境的計(jì)算機(jī)控制，開發(fā)符合中國國情的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，對加快中國溫室生產(chǎn)的現(xiàn)代化水平和提高溫室的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。近20年來，“日光溫室”已成為農(nóng)業(yè)種植中效益最高的產(chǎn)業(yè)。它為解決長期困擾我國北方地區(qū)冬季的蔬菜供應(yīng)、增加農(nóng)民收入、節(jié)約能源、促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、提高城鄉(xiāng)居民的生活水平等均做出了歷史性貢獻(xiàn)。隨著社會(huì)的進(jìn)步科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國溫室的發(fā)展將向著區(qū)域化、節(jié)能化、專業(yè)化發(fā)展發(fā)展，形成高科技、自動(dòng)化、機(jī)械化、規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化的工廠型農(nóng)業(yè)，為社會(huì)提供更加豐富的無污染、安全、優(yōu)質(zhì)的綠色健康食品。我國溫室未來的發(fā)展呈現(xiàn)出現(xiàn)代化、精準(zhǔn)化、多元化、都市型的特點(diǎn)[4]。 本課題研究內(nèi)容與目標(biāo) 目前在溫室大棚控制技術(shù)上，主要方向是人機(jī)界面的人性化設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)等方面，集中在更方便的操作，多種可選控制方式上，并采用大人機(jī)界面來使操作更容易。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代控制理論對溫室內(nèi)的各種環(huán)境因子，包括溫度、光照、濕度、CO2濃度和施肥等，進(jìn)行自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)成為溫室控制的主要方式。根據(jù)溫室作物的生長習(xí)性和市場的需要，部分甚至完全擺脫自然環(huán)境的約束，使人為創(chuàng)造適宜作物生長最佳環(huán)境的自動(dòng)控制技術(shù)手段成為主流。此時(shí)的溫室有比較完整的控制系統(tǒng)，有各種傳感器采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境變化及控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，良好的人機(jī)界面使種植者的操作過程形象而且簡便。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(dòng)作。計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制的溫室控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)自動(dòng)化，適合規(guī)?；a(chǎn)，勞動(dòng)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(dòng)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(shí)作出反應(yīng)，難以介入作物生長的內(nèi)在規(guī)律。我國大部分自主開發(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[4]。第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思想 本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對數(shù)字信號(hào)的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)的性能，設(shè)計(jì)了一套溫濕度測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件組成主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、溫濕度檢測電路、鍵盤及液晶顯示電路、控制電路等部分， 單片機(jī)溫濕度顯示驅(qū)動(dòng)被控器件鍵盤控制溫濕度采集器 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖本設(shè)計(jì)由信號(hào)采集、信號(hào)分析和信號(hào)處理三個(gè)部分組成的。 (1)信號(hào)采集：由溫濕度傳感器組成； (2)信號(hào)分析：由單片機(jī)基本系統(tǒng)組成； (3)信號(hào)處理：由顯示器和控制系統(tǒng)等組成。大棚溫濕度控制系統(tǒng)上電工作后，用戶首先通過鍵盤輸入溫度及濕度的初值，單片機(jī)進(jìn)入主程序后，檢測溫濕度傳感器的溫濕度狀態(tài)，并將相應(yīng)的數(shù)值通過顯示器顯示輸出。當(dāng)溫室內(nèi)的溫度（或濕度）小于設(shè)置的初值時(shí)，單片機(jī)將通過控制輸出接口使加溫設(shè)備（或加濕設(shè)備）開始工作；當(dāng)溫室內(nèi)的溫度（或濕度）大于（或等于）設(shè)置的初值時(shí)，單片機(jī)將通過控制輸出接口使加溫設(shè)備（或加濕設(shè)備）停止工作。 基本功能(1)檢測溫度、濕度。(2)顯示溫度、濕度。(3)過限驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的被控器件如電爐、通風(fēng)口、卷簾機(jī)等工作（被控器件用發(fā)光二極管代替），實(shí)現(xiàn)溫濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。 主要技術(shù)參數(shù) 溫度檢測范圍：0℃—99℃測量精度：1℃濕度檢測范圍：10%RH—99%RH檢測精度：3%RH顯示方式：溫度：兩位顯示 濕度：兩位顯示 溫濕度測量電路設(shè)計(jì) 濕溫度傳感器SHT11 本課題所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用SHT11作為溫濕度測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心器件。SHT11是瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)的濕溫度傳感器。具有極高的可靠性和出色的長期穩(wěn)定性。該傳感器包括一個(gè)濕度敏感元件、一個(gè)溫度敏感元件，并在同一芯片上，與l4位的A／D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。每個(gè)傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，以濕度計(jì)為參照。校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存儲(chǔ)在OTP內(nèi)存中，在校正的過程中使用。兩線制的串行接口，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。微小的體積、極低的功耗，使其成為各類應(yīng)用的首選。 SHT11運(yùn)用電容式結(jié)構(gòu)，并采用具有不同保護(hù)的“微型結(jié)構(gòu)”檢測電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層來組成傳感器芯片的電容，除保持電容式濕敏器件的原有特性外，還可抵御來自外界的影響。由于它將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起而構(gòu)成了一個(gè)單一的個(gè)體，因而測量精度高且可精確得出露點(diǎn)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化引起的誤會(huì)。CMOSensTM技術(shù)不僅將溫濕度傳感器結(jié)合在一起，而且還將信號(hào)放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、標(biāo)準(zhǔn)I2C總線等電路全部集成在一個(gè)芯片內(nèi)。SHT11的每一個(gè)傳感器都是在極為精確的濕度室內(nèi)中校準(zhǔn)的。SHT11傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)預(yù)先存在OTP內(nèi)存中。經(jīng)校準(zhǔn)的相對濕度和溫度傳感器與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器相連，可將裝換后的數(shù)字溫濕度值送給I2C總線器件，從而將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合I2C總線協(xié)議的串行數(shù)字信號(hào)。由于將傳感器與電路部分結(jié)合在一起，因此，該傳感器具有比其他類型的溫濕度傳感器優(yōu)越得多的性能。首先是傳感器信號(hào)強(qiáng)度的增加增強(qiáng)了傳感器的抗干擾性能，保證了傳感器的長期穩(wěn)定性，而A/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)完成，則降低了傳感器對干擾噪聲的敏感程序。其次在傳感器芯片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保證了每一只溫濕度傳感器都具有相同的功能，即具有100%的互換性。最后，傳感器可直接通過I2C總線與任何類型的微處理器、微控制器系統(tǒng)連接，從而減少了接口電路的硬件成本，簡化了接口方式。[5] SHT11工作原理 。 濕度傳感器溫度傳感器放大器14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器I2C總線接口標(biāo)定存儲(chǔ)器SCKDATAGNDVDD 圖 SHT11 內(nèi)部結(jié)構(gòu) SHT11的每一個(gè)傳感器都是在極為精確的濕度室中校準(zhǔn)的。SHT11傳感器的校準(zhǔn)系數(shù)預(yù)先存在OTP內(nèi)存中。經(jīng)校準(zhǔn)的相對濕度和溫度傳感器與一個(gè)14位的Ａ/Ｄ轉(zhuǎn)換器相連，可將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字溫濕度值送給二線I2C總線器件，從而將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合I2C總線協(xié)議的串行數(shù)字信號(hào)。 SHT11管腳及性能特點(diǎn) ，其引腳說明如下： GND：接地端DATA：雙向串行數(shù)據(jù)線 SCK：串行時(shí)鐘輸入VDD：電源端 NC：空管腳 SHT11管腳圖SHT11溫濕度傳感器的主要特性如下： (1)將溫濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一芯片（CMOSensTM技術(shù)）；(2)可給出全校準(zhǔn)相對濕度及溫度值輸出；(3)帶有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線數(shù)字輸出接口；(4)具有露點(diǎn)值計(jì)算輸出功能；(5)具有卓越的長期穩(wěn)定性；(6)濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為12位和8位；(7)小體積（），可表面貼裝；(8)具有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能；(9)片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)系數(shù)可保證100％互換性；(10)～；(11)電流消耗,測量時(shí)為55μA，平均為28μA，休眠時(shí)為3μA[6]。 SHT11 與單片機(jī)接口電路 由于SHT11將溫度傳感器、濕度傳感器、信號(hào)調(diào)理、模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、標(biāo)定參數(shù)及I2C總線接口全部集成到傳感器內(nèi)部，因此，它可以直接與單片機(jī)I/O口連接，簡化了接口方式。串行時(shí)鐘輸入SCK 用于微處理器與SHT11之間的通訊同步。串行數(shù)據(jù)DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK 時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK 時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA必須保持穩(wěn)定。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA 在低電平。需要一個(gè)外部的上拉電阻（例如：10kΩ）將信號(hào)提拉至高電平。上拉電阻通常已包含在微處理器的I/O 電路中[7]。 SHT11 與單片機(jī)接口電路 單片機(jī)及其電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)AT89C51 本課題所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用AT89C51作為溫濕度測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心器件。該器件是INTEL公司生產(chǎn)的MCS52系列單片機(jī)中的基礎(chǔ)產(chǎn)品，采用了可靠的CMOS工藝制造技術(shù)，具有高性能的8位單片機(jī)。不僅結(jié)合了HMOS的高速和高密度技術(shù)及CMOS的低功耗特征，而且繼承和擴(kuò)展了MCS48單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。芯片89C51共有38個(gè)引腳，其中電源引腳有4個(gè)，控