【正文】 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 1 第 1 章 緒 論 課題 背景及研究意義 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(gè)重要組成部分?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)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(cè)控是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動(dòng)化、科學(xué)化的基本保證，通過對(duì)監(jiān)測(cè)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、濕度與二氧化碳含量等參數(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(jià)格非常昂貴，缺乏與我國氣候特點(diǎn)相適應(yīng)的測(cè)控軟件。而當(dāng)今大多數(shù)對(duì)大棚溫度、濕度、二氧化碳含量的檢測(cè)與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測(cè)控精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及由于測(cè)控不及時(shí)等弊端，容易造成不可彌補(bǔ)的損失，結(jié)果不但大大增加了成本，浪費(fèi)了人力資源，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。因此， 為了實(shí)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(dòng)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、濕度以及二氧化碳的含量，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)。目前，隨著蔬菜大棚的迅速增多，人們對(duì)其性能要求也越來越高，特別是為了提高生產(chǎn)效率，對(duì)大棚的自動(dòng)化程度要求也越來越高。由于單片機(jī)及各種電子器件性價(jià)比的迅速提高，使得這種要求變?yōu)榭赡堋?當(dāng)前農(nóng)業(yè)溫室大棚大多是中、 小規(guī)模， 要在大棚內(nèi)引人自 動(dòng)化控制系統(tǒng)，改變?nèi)咳斯す芾淼?方式，就要考慮系統(tǒng)的成本，因此，針對(duì)這種狀況，結(jié)合郊區(qū)農(nóng)戶的需要， 設(shè)計(jì)了一套低成本的溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)和單片機(jī)相結(jié)合，由上位機(jī)和下位機(jī) ( 都用單片機(jī)實(shí)現(xiàn) ) 構(gòu)成，采用 485 接口進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)溫室大棚自動(dòng)化控制。 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(gè)重要組成部分?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)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 。河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2 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(cè)控是實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動(dòng)化、科學(xué)化的基本保證，通過對(duì)監(jiān)測(cè)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、濕度與二氧化碳含量等參數(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(jià)格非常昂貴，缺乏與我國氣候特點(diǎn)相適應(yīng)的測(cè)控軟件。而當(dāng)今大多數(shù)對(duì)大棚溫度、濕度、二氧化碳含量的檢 測(cè)與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測(cè)控精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及由于測(cè)控不及時(shí)等弊端，容易造成不可彌補(bǔ)的損失，結(jié)果不但大大增加了成本，浪費(fèi)了人力資源，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。因此，為了實(shí)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(dòng)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、濕度以及二氧化碳的含量，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)。 目前，隨著蔬菜大棚的迅速增多 ， 人們對(duì)其性能要求也越來越高，特別是為了提高生產(chǎn)效率，對(duì) 大棚的自動(dòng)化程度要求也越來越高。由于單片機(jī)及各種電子器件性價(jià)比的迅速提高，使得這種要求變?yōu)榭赡堋? 國內(nèi)外溫室控制技術(shù)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(duì)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。 從國內(nèi)外溫室控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來看，溫室環(huán)境控制技術(shù)大致經(jīng)歷三個(gè)發(fā)展階段 : （ 1） 手動(dòng)控制。 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 3 這是在溫室技術(shù)發(fā)展初期所采取的控制手段，其時(shí)并沒有真正意義上的控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。生產(chǎn)一線的種植者既是溫室環(huán)境的傳感器，又是對(duì)溫室作物進(jìn)行管理的執(zhí) 行機(jī)構(gòu)，他們是溫室環(huán)境控制的核心。通過對(duì)溫室內(nèi)外的氣候狀況和對(duì)作物生長狀況的觀測(cè)，憑借長期積累的經(jīng)驗(yàn)和直覺推測(cè)及判斷，手動(dòng)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)環(huán)境。種植者采用手動(dòng)控制方式，對(duì)于作物生長狀況的反應(yīng)是最直接、最迅速且是最有效的，它符合傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)律。但這種控制方式的勞動(dòng)生產(chǎn)率較低，不適合工廠化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，而且對(duì)種植者的素質(zhì)要求較高。 （ 2） 自動(dòng)控制。 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(cè)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(duì)作物生長狀況的改變難以及時(shí) 做 出反應(yīng)，難以介入作物生長的內(nèi)在規(guī)律。目前我國絕大部分自主開發(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。 （ 3） 智能化控制。 這是在溫室自動(dòng)控制技術(shù)和生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過總結(jié)、收集農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)、技術(shù)和各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建專家系統(tǒng)，以建立植物生長的數(shù)學(xué)模型為理論依據(jù)，研究開發(fā)出的一種適合不同作物生 長的溫室專家控制系統(tǒng)技術(shù)。溫室控制技術(shù)沿著手動(dòng)、自動(dòng)、智能化控制的發(fā)展進(jìn)程，向著越來越先進(jìn)、功能越來越完備的方向發(fā)展。由此可見，溫室環(huán)境控制朝著基于作物生長模型、溫室綜合環(huán)境因子分析模型和農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的溫室信息自動(dòng)采集及智能控制趨勢(shì)發(fā)展。 選題的目的和意義 溫室是觀賞植物栽培生產(chǎn)中必不可少的設(shè)施之一，不同種類觀賞花卉對(duì)溫度及濕度等生長所需條件的要求也不盡相同，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。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)已用于控 制溫室環(huán)境。該系統(tǒng)可自動(dòng)控制加熱、降溫、通風(fēng)。根據(jù)需要，通過按鍵將溫度信息輸入 MCU，根據(jù)情況可隨時(shí)調(diào)節(jié)環(huán)境。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)。 本文將使用 8051 型單片機(jī)對(duì)溫度及濕度控制的基本原理實(shí)例化，利用現(xiàn)有資源設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)時(shí)控制 溫室大棚 溫度 、 濕度 等 的控制系統(tǒng)。 目的是通過這次畢業(yè)設(shè)河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 4 計(jì)，讓我們將課本知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，更加深刻的理解自動(dòng)控制的運(yùn)作模式及意義，也能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)和技能更多的運(yùn)用于生活和工作中，學(xué)以致用。 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5 第 2 章 溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制方案設(shè)計(jì) 目 前 ,我國農(nóng)村使用的簡易日光溫室絕大部分采用手動(dòng)控制 ,生產(chǎn)效率低下 ,單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本偏高。隨著溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 ,溫室作物趨向于多樣化 ,對(duì)溫室的控制要求也隨之提高 ,手動(dòng)控制因其控制精度低已開始不能滿足溫室生產(chǎn)的需求 ,需要設(shè)計(jì)一種控制器減少手動(dòng)控制。而當(dāng)今國內(nèi)常見的智能溫室系統(tǒng)都是采用工控機(jī)或者 PLC 方案 ,價(jià)格昂貴 ,較大部分用戶經(jīng)濟(jì)能力承受不起。因此 ,在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要充分考慮用戶的經(jīng)濟(jì)承受能力 ,減少溫室設(shè)計(jì)中的各種成本 ,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率 ,這在溫室上具有較為深遠(yuǎn)的意義。為此 ,針對(duì)簡易 日光溫室對(duì)溫度、 濕度以及光照度等環(huán)境因素的控制要求 ,設(shè)計(jì)和開發(fā)了基于 STC89C58RD +單片機(jī)的低成本溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 控制方案設(shè)計(jì) 植物的生長是在一定環(huán)境中進(jìn)行的 ,在生長過程中受到環(huán)境中各種因素的影響 ,其中對(duì)植物生長影響最大的是溫度、濕度和光照度。環(huán)境中晝夜的溫度、濕度和光照度的變化大 ,對(duì)植物生長極為不利?，F(xiàn)代溫室有內(nèi)外遮陽系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、自然通風(fēng)系統(tǒng)、濕簾風(fēng)機(jī)降溫系統(tǒng)、補(bǔ)光系統(tǒng)、補(bǔ)氣系統(tǒng)、環(huán)流風(fēng)機(jī)、灌溉系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等常用的環(huán)境系統(tǒng)，能夠?qū)χ参锏纳L進(jìn)行合理的 控制 ,而如何才能合理地控制這些配套設(shè)備的運(yùn)作和協(xié)同則需要有一套完善的硬、軟件溫室系統(tǒng)進(jìn)行控制。因此 ,本系統(tǒng)就是利用價(jià)格便宜的一般電子器件來設(shè)計(jì)一個(gè)參數(shù)精度高 ,控制操作方便 ,性價(jià)比高的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)的溫室大棚測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機(jī)對(duì)溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行巡回測(cè)量 ,并對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)償 ,并進(jìn)行調(diào)控 ,此外主控制器還可以同時(shí)完成系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量 ,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等， 硬件總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 所示。由圖 可知 ,整個(gè)系統(tǒng)采用 STC89C58RD +單片機(jī)為處理核心 ,通過溫室現(xiàn)有的各種傳感器檢測(cè)溫 室的溫度、 濕度、 光照度等環(huán)境因素 ,經(jīng)由控制系統(tǒng)的 8 路模擬量、數(shù)字量輸入接口傳輸?shù)? CPU中 ,并與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較、判斷、處理以及相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。然后將 CPU處理后各種控制結(jié)果通過 16 路開關(guān)量輸出口傳送到電機(jī)和電磁閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)上 ,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的控制。溫室獨(dú)立控制系統(tǒng)上還包擴(kuò)各種人機(jī)界面和數(shù)據(jù)傳輸接口 ,實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交換方式以及實(shí)時(shí)參數(shù)的設(shè)定。本控制系統(tǒng)采用宏晶科技公司生產(chǎn) STC 51 系列單片機(jī)控制器 ( STC89C58RD + )。該單片機(jī)具有強(qiáng)加密性 ,無法解密 ， 具有超強(qiáng)的抗干擾性能 ,且芯片內(nèi)部自帶看門狗。 STC89C58RD +單片機(jī)最河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 6 高時(shí)鐘頻率為 0～ 80MHz,32k 的 Flash 存儲(chǔ)器、 1280 字節(jié)的 RAM、擁有 P4 口適合需要多 I/O 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 16k 字節(jié)的 E2PROM 可以提供比其它單片機(jī)