【正文】 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 41 頁 共 41 頁1. 引言 溫室控制系統(tǒng)設(shè)計背景中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展必須走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)這條道路，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速增長，農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來越受到重視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分。現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測和控制。例如:空氣的溫度、濕度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在農(nóng)業(yè)種植問題中，溫室環(huán)境與生物的生長、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)，進(jìn)行環(huán)境測控是實現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動化、科學(xué)化的基本保證，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。以蔬菜大棚為代表的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。大棚內(nèi)的溫度和濕度參數(shù)，直接關(guān)系到蔬菜和水果的生長。國外的溫室設(shè)施己經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但是價格非常昂貴，缺乏與我國氣候特點相適應(yīng)的測控軟件。而當(dāng)今大多數(shù)對大棚溫度、濕度的檢測與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測控精度低、勞動強度大及由于測控不及時等弊端，容易造成不可彌補的損失，結(jié)果不但大大增加了成本，浪費了人力資源，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。因此，為了實現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)化并提高農(nóng)業(yè)研究的準(zhǔn)確性，推動我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，必須大力發(fā)展農(nóng)業(yè)設(shè)施與相應(yīng)的農(nóng)業(yè)工程，科學(xué)合理地調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度、濕度，使大棚內(nèi)形成有利于蔬菜，水果生長的環(huán)境，是大棚蔬菜和水果早熟、優(yōu)質(zhì)、高效益的重要環(huán)節(jié)[1]。 影響作物生長發(fā)育的環(huán)境條件主要包括:溫度、濕度、光照、CO2濃度、土壤等。所有這些環(huán)境條件之間是相互作用、相互聯(lián)系、相互耦合的，某個控制變量發(fā)生改變，會影響其它控制變量的變化。作物的生長發(fā)育是所有這些環(huán)境條件綜合作用的結(jié)果。溫度和濕度一直是人類關(guān)注的對象，這兩種環(huán)境因素時刻影響著人們的生產(chǎn)和生活，下面主要就溫度和濕度對作物的影響進(jìn)行簡略說明。 （1）溫度 溫室內(nèi)氣溫、地溫對作物的光合作用、呼吸作用、根系的生長和水分、養(yǎng)分的吸收有著顯著的影響，因此影響作物生長發(fā)育的環(huán)境條件中，以溫度最為敏感，也最為重要，對溫室環(huán)境控制的研究也是最先從溫度控制開始的。不同種類的作物對溫度的要求是不同的，同一作物在不同發(fā)育階段對溫度的要求亦有所不同，而且在同一發(fā)育期階段內(nèi)對溫度的要求也會隨著晝夜變化而呈周期性地變化。一般說來在白天作物進(jìn)行光合作用需要的溫度較高，晚上維持呼吸作用所需的溫度要低一些。 作物生長發(fā)育適宜的溫度，隨種類、品種、生育階段及生理活動的變化而變化。為了增加光合產(chǎn)物的生成，抑制不必要的呼吸消耗，在一天中，隨著光照強度的變化，實行變溫管理是一種很有效的管理方法[1]。 （2）濕度 溫室內(nèi)作物對水分的要求體現(xiàn)為對溫室內(nèi)空氣濕度和土壤濕度的要求?？諝鉂穸扔孟鄬穸葋肀硎?，因為相對濕度更能反應(yīng)事實。根據(jù)有關(guān)研究記載，除了陰雨天以外，溫室內(nèi)午后過低的空氣濕度會導(dǎo)致作物發(fā)生光合作用的午休現(xiàn)象，因此空氣相對濕度的大小直接影響到作物的光合作用，這時就需要增加溫室內(nèi)的空氣濕度。當(dāng)溫室內(nèi)的空氣濕度較高時，可能會誘發(fā)一些病蟲害。溫室中空氣濕度的管理包括增濕和降濕。 土壤濕度對作物的影響也很大。如果土壤中水分過剩，濕度過高，導(dǎo)致土壤中的氧氣含量減少，作物根部呼吸困難，進(jìn)而危害作物的生長發(fā)育。相反，當(dāng)土壤中含水量減少時，作物根部吸收的水分就相應(yīng)的減少，從而阻礙作物的生長，嚴(yán)重時作物出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象。不同的作物對濕度的要求不同，即使是同一種類在不同發(fā)育階段對濕度的要求也不盡相同。 土壤濕度的管理就是把包括滲灌、滴灌、微灌等灌溉技術(shù)應(yīng)用到溫室中來。傳統(tǒng)的大水漫灌既浪費水資源，又容易使土壤發(fā)生板結(jié)，提高了室內(nèi)濕度。在溫室中應(yīng)用滲灌技術(shù)具有灌水均勻，提高地溫，保持土壤疏松，降低室內(nèi)濕度，減輕病害發(fā)生，生育期提前等優(yōu)點。 從很久以前人類就想出各種方法控制溫度和濕度，以滿足人們生產(chǎn)生活的需要。從古代人們通過扇子、雨傘、毛巾等試圖去控制溫度和濕度到今天高科技發(fā)展迅速的社會所發(fā)明出的各種工具，如風(fēng)扇、空調(diào)、加熱器等，表明人類一直努力去控制這兩種和人類密切相關(guān)的環(huán)境因素?，F(xiàn)代科技的發(fā)展，使得溫度和濕度的控制更容易，更高效，特別是傳感器和單片機的應(yīng)用，使得溫度和濕度控制系統(tǒng)性能有了根本性的提高，精度更高，而且實現(xiàn)了自動化[2]。 人們使用溫度計、濕度計來采集溫度和濕度，通過人工操作加熱、加濕、通風(fēng)和降溫設(shè)備來控制溫濕度，這樣不但控制精度低、實時性差，而且操作人員的勞動強度大。即使有些用戶采用半導(dǎo)體二極管作溫度傳感器，但由于其互換性差，效果也不理想。在某些行業(yè)中對溫濕度的要求較高，特別是在大型的電力系統(tǒng)中，由于溫度過高或過低引起的元器件失效或由于環(huán)境濕度過高而引起的漏電事故時有發(fā)生。對電力系統(tǒng)的可靠運行造成影響，甚至危及到電力系統(tǒng)局部及操作人員的安全。為了避免這些故障，需要在電力設(shè)備柜體內(nèi)安裝控溫、除濕設(shè)備。 本設(shè)計的內(nèi)容及意義 本設(shè)計的主要內(nèi)容 本設(shè)計以STC89C51單片機的溫度、濕度測量和控制系統(tǒng)為核心來對溫濕度進(jìn)行實時巡檢。單片機能獨立完成各自功能，同時能根據(jù)主控機的指令對溫度進(jìn)行定時采集。測量結(jié)果不僅能在本地顯示，而且可以利用單片機的串行口和 RS232總線通信協(xié)議能把溫室中的溫度、濕度等參數(shù)及時上傳至上位機，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，與設(shè)定值不符時采取相應(yīng)的處理措施，以實現(xiàn)恒溫恒濕環(huán)境。 在設(shè)計的過程中充分考慮到性價比和精度，在選用低價格、通用元件的的基礎(chǔ)上，盡量滿足設(shè)計要求，并使系統(tǒng)具有高的精度。本控制系統(tǒng)以單片機的控制為核心，實時監(jiān)測環(huán)境的溫度和濕度，并設(shè)定了這兩個參數(shù)的上下限定值，并具有相應(yīng)的報警系統(tǒng)，當(dāng)超過設(shè)定的限定值時，單片機控制報警系統(tǒng)進(jìn)行報警，而且同時驅(qū)動繼電器打開相應(yīng)的開關(guān)使相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)運行。當(dāng)參數(shù)值恢復(fù)到設(shè)定值范圍內(nèi)時，單片機控制執(zhí)行機構(gòu)停止運行。從而使環(huán)境的溫濕度在一定的范圍內(nèi)得到控制。本設(shè)計主要內(nèi)容包括以下幾個方面：（1）掌握STC89C51單片機的主要功能和特性，以其為核心設(shè)計控制系統(tǒng)。（2）設(shè)計簡單的人機對話接口系統(tǒng)，如鍵盤、顯示、報警等。（3）利用RS232實現(xiàn)單片機與上位機的通信。（4）實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。（5）選擇適合的傳感器，設(shè)計相應(yīng)的信號采集和處理電路。 傳統(tǒng)的方法，人們主要采用溫度計、濕度計來采集溫度值和濕度值，通過人工操作加熱、加濕、通風(fēng)和降溫設(shè)備來控制溫濕度。但是由于溫度計、濕度計精度比較低，以及人工讀數(shù)的人為因素等原因，溫濕度檢測不僅速度慢，精度低，實時性差，而且操作人員的勞動強度大。隨著科技的發(fā)展，采用各種傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、報警器等組成的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的出現(xiàn)，可對環(huán)境內(nèi)的各個測點進(jìn)行巡回檢測，檢測速度、精度有了一定的提高，降低了勞動強度，但由于所采用的傳感器靈敏度比較低、穩(wěn)定性比較差，致使檢測精度、系統(tǒng)可靠性還不夠理想，同時在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)科研過程中的很多場合需要對上面提到的物理量進(jìn)行精確的檢測和控制。由于現(xiàn)在基本沿用人工的測控方法，這就不可避免的存在著勞動強度大、繁瑣、測量精度低，并且由于檢測報警不及時，給生產(chǎn)和科研工作造成了一定的損失[2]。 近年來，隨著單片機功能的日益強大和計算機的廣泛應(yīng)用，人們對參數(shù)監(jiān)測的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性要求也越來越高。本設(shè)計就是針對此問題，設(shè)計相對精度高、性能穩(wěn)定的、的溫度濕度控制裝置。該儀器可廣泛應(yīng)用于大棚、倉庫、體育場等領(lǐng)域。2. 溫室控制系統(tǒng)總體設(shè)計 測控系統(tǒng)的設(shè)計要求 （1） 能夠?qū)崟r采集與顯示室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)。： 主要環(huán)境參數(shù)參數(shù)名檢測范圍檢測精度溫度30℃～+50℃177。℃相對濕度10%～100%RH177。%RH （2） 能夠根據(jù)每天各個階段以及季節(jié)等的外部環(huán)境變化通過鍵盤輸入改變對參數(shù)的設(shè)置，以滿足不同的要求達(dá)到最佳效益； （3） 聲音報警功能； （4） 根據(jù)檢測到的信號，實時控制執(zhí)行機構(gòu)的開啟與關(guān)斷。 （5） 自帶+5 V和+12 V直流穩(wěn)壓電源。 設(shè)計目標(biāo)本設(shè)計是基于STC89C51單片機的溫濕度智能控制采集系統(tǒng)，主要完成一下主要任務(wù)： （1）選擇STC89C51單片機，了解其基本特性和功能，使用STC89C51實現(xiàn)對溫濕度的智能控制。 （2）使用溫度傳感器測量環(huán)境的溫度，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并傳送到單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)范圍為30℃～+50℃溫度采集和控制。 （3）使用濕度傳感器對現(xiàn)場環(huán)境濕度數(shù)據(jù)采集，由單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，實現(xiàn)范圍為10%～100%RH的濕度控制。 （4）采用串行總線RS232實現(xiàn)單片機和上位機通訊。 （5）設(shè)計人機對話接口，鍵盤、顯示和報警系統(tǒng)。 （6）設(shè)計執(zhí)行機構(gòu)電路，使單片機能自動控制執(zhí)行機構(gòu)工作。 使系統(tǒng)完成特定功能的同時，要保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，使系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定的工作。還要盡量實現(xiàn)系統(tǒng)的低成本、低功耗和高精度。 測控系統(tǒng)的組成及控制原理本設(shè)計是以STC89C51單片機為核心的自動控制系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)由鍵盤輸入電路、LCD顯示電路、傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路、和執(zhí)行電路、報警電路等組成。：鍵盤輸入溫度傳感器濕度傳感器A/D轉(zhuǎn)換MCUSTCT89C51LCD顯示報警電路 測控系統(tǒng)硬件組成原理框圖 傳感器一般輸出的為模擬量，需要通過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為單片機能夠接收的數(shù)字信號，若模擬信號太弱，還需經(jīng)過運算放大器放大信號。鍵盤輸入的是系統(tǒng)參數(shù)的上、下限極限值，若檢測到的信號值出現(xiàn)不在此極限區(qū)間的情況，單片機就會驅(qū)動蜂鳴器產(chǎn)生報警，此時就需要執(zhí)行機構(gòu)控制室內(nèi)環(huán)境相應(yīng)的改變，使得環(huán)境參數(shù)重新回到設(shè)定的理想?yún)^(qū)間。3. 硬件設(shè)計 硬件元器件的選擇，必須考慮到功能的實現(xiàn)、器件的適時性、價格和通用性等幾個方面。在電路的設(shè)計中，在實現(xiàn)所要求功能的基礎(chǔ)上，盡量使電路簡單。 單片機的選擇及其特性 計算機的產(chǎn)生加快了人類改造世界的步伐，但是它畢竟體積龐大。單片機（微控制器）就是在這種情況下誕生的。微控制器，亦稱單片機或者單片微型計算機。它是把中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出端口(1/0) 等主要計算機功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。它的結(jié)構(gòu)與指令功能都是按照工業(yè)控制的要求設(shè)計的，在智能控制系統(tǒng)中，微控制器得到了廣泛的應(yīng)用。 單片機目前己被廣泛地應(yīng)用于家電、醫(yī)療、儀器儀表、工業(yè)自動化、航空航天等領(lǐng)域。市場上比較流行的單片機種類主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8951系列單片機，Motorola公司的M6800系列單片機，Intel公司的MCS96系列單片機,Microchip公司的PIC系列單片機等。各個系列的單片機各有所長，在處理速度、穩(wěn)定性、I/O能力、功耗、功能、價格等方面各有優(yōu)劣。這些種類繁多的單片機家族，給我們單片機的選擇也提供了很大的余地。本設(shè)計選用STC89C51單片機，它是一種低功耗、低價格，高性能8位微處理器[3]。 STC89C51系列單片機介紹 STC89C51 是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含4k bytes 的可反復(fù)擦寫的Flash 只讀程序存儲器和256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS51 指令系統(tǒng)及8051產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8 位中央處理器（CPU）和Flash 存儲單元，功能強大的STC89C51 單片機適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。 STC89C51基本特性STC89C51系列單片機主要性能參數(shù)如下：與MCS51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：0Hz24MHz三級加密程序存儲器256字節(jié)內(nèi)部RAM32個可編程I/O口線3個16位定時/計數(shù)器8個中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式。STC89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash 閃速存儲器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，3 個16 位定時/計數(shù)器，一個6 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，STC89C52 可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU 的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。 STC89C51單片機的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)： STC89C51單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) STC89C51的引腳功能：Vcc：電源電壓GND：地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或