【正文】 大棚溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要：本設(shè)計(jì)是基于STC89C52RC單片機(jī)的大棚溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用SHT10作為溫濕度傳感器，LCD1602液晶屏進(jìn)行顯示。SHT10使用類似于I2C總線的時(shí)序與單片機(jī)進(jìn)行通信，由于它高度集成，已經(jīng)包括A/D轉(zhuǎn)換電路，所以使用方便，而且準(zhǔn)確、耐用。LCD1602能夠分兩行顯示數(shù)據(jù)，第一行顯示溫度，第二行顯示濕度。這個(gè)控制系統(tǒng)能夠測量溫室大棚中的溫度和濕度，將其顯示在液晶屏LCD1602上，同時(shí)將其與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，如果超出上下限，將進(jìn)行報(bào)警并啟動(dòng)溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備。此外，還可以通過獨(dú)立式鍵盤對(duì)設(shè)定的溫濕度進(jìn)行修改。通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖、用Proteus軟件進(jìn)行仿真，證明了該系統(tǒng)的可行性。關(guān)鍵詞：STC89C52RC，SHT10，I2C總線，獨(dú)立式鍵盤，溫濕度自動(dòng)控制Abstract: This design is an automatic temperature and humidity controller for greenhouses, with the STC89C52RC MCU being its main controller. It uses the SHT10 as the temperature and humidity sensor, and the LCD1602 to display the messages. The SHT10 uses a timing sequence much like the I2C to municate with the microcontroller. Because it’s a highly integrated chip, it already includes an analog to digital converter. Therefore, it’s quite convenient to use, and also accurate and durable. The LCD1602 can display two lines of messages, with the first line for temperature and the second line for humidity. The design can measure the temperature and humidity in a greenhouse, and then display it on a LCD1602. Meanwhile, it pares the data with the set limit. If the limit is exceeded, then the system will send out a warning using a buzzer and activate the temperature and humidity controlling equipment. Besides, the set limit can be modified with the independent keyboard. Through schematic design and Proteus simulation, the feasibility of this design has been proved.Keywords: STC89C52RC, SHT10, I2C bus, independent keyboard, temperature and humidity control目 錄1 前言 12 總體方案設(shè)計(jì) 3 溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則 3 可靠性 3 性價(jià)比 3 方案比較 4 方案一 4 方案二 4 方案論證 5 方案選擇 53 單元模塊設(shè)計(jì) 6 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì) 6 單片機(jī)最小系統(tǒng) 6 液晶顯示模塊 8 溫濕度傳感器模塊 8 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 9 輸出電路設(shè)計(jì) 10 電源的設(shè)計(jì) 12 按鍵電路設(shè)計(jì) 13 串口通信電路 14 元件清單 15 關(guān)鍵器件的介紹 17 STC89C52RC 17 SHT10溫濕度傳感器 194 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 22 軟件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu) 22 主要模塊的設(shè)計(jì)流程框圖 24 主程序流程圖 24 SHT10子程序流程圖 25 LCD1602子程序流程圖 27 輸出控制子程序流程圖 28 鍵盤掃描子程序流程圖 29 軟件設(shè)計(jì)所用工具 31 Keil uVision4 31 Proteus 315 系統(tǒng)調(diào)試 32 用Proteus搭建仿真總圖 32 用Keil對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試、編譯 336 結(jié)論 36 系統(tǒng)的功能 36 系統(tǒng)的指標(biāo)參數(shù) 36 系統(tǒng)功能分析 367 總結(jié)與體會(huì) 388 致謝 399 參考文獻(xiàn) 40附錄1 系統(tǒng)的電路原理圖 41附錄2 系統(tǒng)仿真總圖 42附錄3 系統(tǒng)實(shí)物照片 43附錄4 系統(tǒng)源程序 44附錄5 英文參考資料 461 中文翻譯 462 英文原文 491 前言溫室大棚作為一種高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式相比具有很大的優(yōu)點(diǎn)。溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可以獲得高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的蔬菜、花卉、瓜果，不僅可改變這些產(chǎn)品按自然季節(jié)供應(yīng)的模式，延長其供應(yīng)期，而且可在不同地方進(jìn)行種植，達(dá)到所謂“地不分東西南北，食不分春夏秋冬”。溫室農(nóng)業(yè)可以改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力冬閑夏忙的安排，以小面積獲得高產(chǎn)，減輕大面積的土地壓力。溫室農(nóng)業(yè)采用適時(shí)適量供水的優(yōu)化用水同時(shí)配以微灌和高濕環(huán)境，可達(dá)到農(nóng)業(yè)用水高效高產(chǎn)，按產(chǎn)品的數(shù)量平均計(jì)算，節(jié)省水分量是很大的。這種設(shè)施系統(tǒng)可以從簡易到全自動(dòng)控制，適宜各種狀況下的選擇，特別是對(duì)于日光溫室、塑料大棚，相對(duì)投資較少。若能降低成本、采用經(jīng)久耐用的低成本采光材料，發(fā)展前景將更為廣闊，即使在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)村、場所，也可以修建單個(gè)的溫室和塑料大棚，進(jìn)行環(huán)境控制下的蔬菜和瓜果的生產(chǎn)，改變這些地區(qū)的生活條件。要想實(shí)現(xiàn)溫室大棚高效增產(chǎn)的作用，對(duì)溫濕度的準(zhǔn)確控制是極其重要的。溫室內(nèi)空氣濕度的日變化受天氣、加溫及通風(fēng)換氣量的影響，陰天或灌水后室內(nèi)空氣濕度幾乎都在90％以上。晴天在傍晚關(guān)窗至次日早晨開窗前溫室維持在高濕度。室內(nèi)濕氣遇冷后凝結(jié)成水滴附著在薄膜或玻璃的內(nèi)表面上，待到加溫或日出后，室內(nèi)溫度上升，濕度逐漸下降，附著在屋頂上的水滴隨之消失。溫濕度的較大變化對(duì)農(nóng)作物的生長十分不利，研究結(jié)果表明，由于植物體內(nèi)水分不足導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，首先妨礙了CO2的交換，而使飽和作用顯著下降，特別是在缺水狀況加劇時(shí)，給細(xì)胞原生質(zhì)的生化作用帶來影響，光合作用顯著下降。而溫度在夜間下降過低也會(huì)影響光合作用的效率。因此，非常有必要使用一套溫濕度控制系統(tǒng)，以維持溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度在一個(gè)合適的范圍，實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)農(nóng)作物的水分、養(yǎng)分的有效供給，提高光合作用的效率，從而達(dá)到增產(chǎn)目的。傳統(tǒng)的溫濕度控制是在溫室大棚內(nèi)部懸掛溫、濕度計(jì)，通過讀取溫、濕度值進(jìn)而了解實(shí)際的溫度和濕度，然后根據(jù)現(xiàn)檢測的溫濕度與額定值進(jìn)行比較，看溫濕度是否超過限定值，然后進(jìn)行相應(yīng)的通風(fēng)或者相應(yīng)的灑水。這些操作都是人工的，耗費(fèi)了大量的人力以及物力?，F(xiàn)在，隨著國家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的進(jìn)一步提高，大棚中培育出的農(nóng)產(chǎn)品品種數(shù)量的逐漸增多，對(duì)于數(shù)量較多而又大型的大棚，傳統(tǒng)的溫濕度控制措施就出現(xiàn)了局限性。這要求我們提高溫濕度檢測與控制技術(shù)，來滿足對(duì)溫室大棚建設(shè)的需要。在本設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)來控制溫濕度，不僅具有廉價(jià)、配置簡單和靈活的優(yōu)勢，而且可以大大提高所測溫濕度的技術(shù)指標(biāo)，從而可以提高產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量。單片機(jī)因?yàn)樗哂泄δ軓?qiáng)、高可靠性、體積小、造價(jià)便宜和開發(fā)周期短這些優(yōu)勢，廣泛用于自動(dòng)化測量和控制現(xiàn)場設(shè)備，特別是在日常生活中發(fā)揮的日益重要的作用。這次選用STC89C52RC作為主控制器，可以從按鍵電路輸入設(shè)定的溫濕度，通過溫濕度傳感器SHT10對(duì)溫度、濕度信號(hào)進(jìn)行采集，然后通過I2C總線與單片機(jī)通信，并將溫濕度顯示在液晶屏LCD1602上，單片機(jī)把它們與設(shè)定的值進(jìn)行對(duì)比后決定是否報(bào)警，并啟動(dòng)空調(diào)設(shè)備對(duì)溫濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。 2 總體方案設(shè)計(jì) 溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求本文要設(shè)計(jì)的大棚溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)，要能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度進(jìn)行采集，將其顯示在LCD1602液晶顯示器上，然后與設(shè)定的上下限值進(jìn)行比較，如果超出限制則啟動(dòng)溫度、濕度控制設(shè)備，并通過蜂鳴器報(bào)警，直到溫濕度回到規(guī)定的范圍。另外，還要能夠通過按鍵修改設(shè)定的上下限。為了能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，此次設(shè)計(jì)要達(dá)到一下指標(biāo)：（1）工作環(huán)境：溫室大棚；（2）溫度測量誤差：177。1℃；（3）測溫范圍：0~+55℃；（4）濕度測量誤差：177。5%RH；（5）測濕范圍：0～100%RH；（6）通過鍵盤電路修改上下限：有；（6）溫濕度報(bào)警：有； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則 可靠性可靠性是在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該優(yōu)先考慮的一個(gè)因素，一個(gè)控制系統(tǒng)必須要能穩(wěn)定、可靠地工作，才能投入到生產(chǎn)實(shí)踐中去。如果系統(tǒng)的可靠性不能達(dá)標(biāo)，那么系統(tǒng)出現(xiàn)故障的可能就會(huì)增大，造成很大的損失。這種損失不僅包括經(jīng)濟(jì)上和信譽(yù)上的損失，而且可能會(huì)對(duì)人身安全產(chǎn)生威脅。要提高控制系統(tǒng)的可靠性，那么就要注意以下幾個(gè)方面：選用的元器件要有很高的可靠性；由于供電電源很容易產(chǎn)生干擾，所以應(yīng)該對(duì)其采用抗干擾措施；對(duì)輸入輸出通道也一樣，要采用抗干擾措施；在對(duì)電路板的設(shè)計(jì)時(shí)，要合理的布線和接地；軟硬件都要進(jìn)行濾波；系統(tǒng)要有自己診斷功能等。 性價(jià)比性價(jià)比也是一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所要考慮的重要因素。性價(jià)比高的產(chǎn)品更容易被消費(fèi)者接收，但是設(shè)計(jì)過程中不能盲目地追求性價(jià)比，它應(yīng)該建立在對(duì)產(chǎn)品性能要求的基礎(chǔ)上，首先要滿足性能要求，然后再設(shè)法降低產(chǎn)品成本。 方案比較 方案一采用PLC作為主控制器。使用PLC的最大優(yōu)點(diǎn)在于PLC使用梯形圖進(jìn)行編程，編程語言形象直觀，難度較低，因此開發(fā)周期短，便于擴(kuò)展。而且PLC抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定可靠，這一點(diǎn)已被長期的工業(yè)控制實(shí)踐所證明。繼電器鍵盤輸入加熱器制冷器加濕器除濕器液晶顯示 蜂鳴器報(bào)警溫濕度傳感器 PLC溫室大棚 用PLC作為主控制器的控制系統(tǒng) 方案二使用單片機(jī)進(jìn)行控制。采用STC89C52RC單片機(jī)作為主控制器，可以用C語言進(jìn)行編程，由于它支持ISP在線編程，因此可以通過RS232串口將程序燒錄到單片機(jī)中，很方便。溫濕度傳感器SHT10通過I2C總線與單片機(jī)連接。溫濕度傳感器 單片機(jī)加熱器制冷器加濕器除濕器鍵盤輸入 蜂鳴器報(bào)警繼電器液晶顯示溫室大棚 用單片機(jī)作為主控制器的控制系統(tǒng) 方案論證從功能上看，兩種控制器都能滿足要求。PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域用得比較多，編程簡單，而且抗干擾能力強(qiáng)。但是本系統(tǒng)是用于溫室大棚，并沒有其他大型工業(yè)設(shè)備的干擾。單片機(jī)用C語言編程，相對(duì)PLC的梯形圖要復(fù)雜得多，但是編程更為靈活，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。從價(jià)格方面上看，單片機(jī)就比PLC具有很大的優(yōu)勢。一個(gè)單片機(jī)只要幾塊錢，而一個(gè)很一般的PLC一般也要幾百上千元。另外，中國是農(nóng)業(yè)大國，隨著溫室大棚越來越普及，農(nóng)村對(duì)溫濕度控制系統(tǒng)的需求也會(huì)越來越旺盛，因此雖然用單片機(jī)開發(fā)的周期較長，但是一旦完成開發(fā)，后期生產(chǎn)環(huán)節(jié)的邊際成本很??；而基于PLC的控制系統(tǒng)受制于PLC的高昂價(jià)格，價(jià)格難以降低。 方案選擇PLC和單片機(jī)都能作為主控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是在價(jià)格方面單片機(jī)具有巨大優(yōu)勢。綜上所述，本次設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為主控制器。 3 單元模塊設(shè)計(jì) 各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、電源電路、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)候所必須的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)在時(shí)鐘信號(hào)的節(jié)拍下逐條地執(zhí)行指令。單片機(jī)有兩種時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種是外部時(shí)鐘方式。外部時(shí)鐘方式是把已有的時(shí)鐘信號(hào)從XTAL1或XTAL2送入單片，一般用于有多個(gè)單片機(jī)的情況，所以本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘電路采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，選用12M的晶振和兩個(gè)30pF的電容與片內(nèi)的高增益反相放大器構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。電源電路后面的模塊中會(huì)單獨(dú)提到，用5V的直流電源。下面著重論述一下復(fù)位電路。 上電+手動(dòng)復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位主要有上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，之所以要進(jìn)行復(fù)位，目的就是為了讓單片機(jī)進(jìn)入初始狀態(tài)，比如讓PC指向0000H，這樣單片機(jī)才能從頭運(yùn)行程序。因此上電的時(shí)候就要讓單片機(jī)復(fù)位一次；在運(yùn)行過程中，如果程序出錯(cuò)，也需要進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位。 本設(shè)計(jì)中的復(fù)位電路就是上電+手動(dòng)復(fù)位電路，復(fù)位時(shí)要讓STC89C52RC的RST引腳得到2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平。先說說上電復(fù)位的工作原理，當(dāng)單片機(jī)上電時(shí)，電源+5V的Vcc通過10K的電阻對(duì)10uF的電容進(jìn)行充電。剛上電時(shí)，有較大的電流從Vcc經(jīng)電容、電阻流向GND，由于電容兩端的電壓不可突變，因此仍然為0V，于是電阻的兩端分得5V的電壓，即RST引腳此時(shí)的電勢為5V。隨著充電的繼續(xù)進(jìn)行，電流會(huì)逐漸減小，電阻兩端的電壓UR=IR也逐漸減小，即RST引腳的電勢逐漸減小。過了一定時(shí)間，RST引腳兩端的電壓下降到不再是高電平，只要這個(gè)充電的時(shí)間大于單片機(jī)兩個(gè)機(jī)器周期，就能使單片機(jī)復(fù)位。程序運(yùn)行過程中如果跑飛了、程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，就需要用到手動(dòng)復(fù)位。手動(dòng)復(fù)位就是在上電復(fù)位電路的電容兩邊并聯(lián)一個(gè)微動(dòng)開關(guān)，需要手動(dòng)復(fù)位時(shí)將其按下，使之接通，RST獲得高電平，而且人按動(dòng)按鈕的時(shí)間肯定是超過兩個(gè)機(jī)器周期的，于是單片機(jī)復(fù)位。 液晶顯示模塊測量到的溫濕度值將顯示到液晶屏L