【正文】 /O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。JQC3FF 繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等構(gòu)件組成。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性，可有效地利用其線性特性 。接口簡(jiǎn)單，僅四根 I/O 線即可驅(qū)動(dòng)，速度快，是 LCD1602的 40 倍。最右邊為動(dòng)作電路，主要包括顯示模塊、報(bào)警電路、溫度過(guò)限控制電路、光強(qiáng)過(guò)限控制電路。 濕度控制：根據(jù)使用大棚的具體面積均勻分布濕度度傳感器，借以實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。 近年來(lái)我國(guó)溫室大棚智能控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)主要是針對(duì)我國(guó)的國(guó)情和日光溫室大棚的改造：應(yīng)用模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論，開發(fā)智能型的溫室大棚專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的測(cè)量精度，不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，安裝簡(jiǎn)單方便，性價(jià)比高，可維護(hù)性好。因此，作為日光溫室的一個(gè)重要組成部分 —溫度濕度光強(qiáng)的測(cè)控裝置的研制非常需要。而且，溫室大棚能減小農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)其所處環(huán)境的依賴性，能讓大多數(shù)農(nóng)作物在不適合自身生長(zhǎng)的季節(jié)產(chǎn)出， 使農(nóng)作物對(duì)季節(jié)和氣候條件的依賴性大大降低，部分甚至完全擺脫了農(nóng)作物對(duì)自然條件的依賴。本設(shè)計(jì)，由 ATmega16 單片機(jī)作為控制的核心器件的單片機(jī)模塊，外加溫度采集模塊、濕度采集模塊、光照采集模塊、加熱模塊、降溫模塊、補(bǔ)光模塊、報(bào)警模塊以及顯示模塊組成。自 18 世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，工業(yè)發(fā)展與是否能掌握溫濕度有著密切的聯(lián)系。因此必須對(duì)不同環(huán)境環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，使植物能在這些不同的環(huán)境下正常地生長(zhǎng)，提高其產(chǎn)量和質(zhì)量。 課題研究的意義 隨著單片機(jī)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化，溫室大棚環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制方面的研究有了明顯進(jìn)展，并且必將以其優(yōu)異的性價(jià)比，逐步取代傳統(tǒng)的溫濕度控制措施?，F(xiàn)今我國(guó)溫室的類型主要包括以玻璃為通明覆蓋材料的玻璃溫室、利用太陽(yáng)能為能源的日光溫室、活動(dòng)屋面溫室以及塑料溫室等。 目 前我國(guó)問世的環(huán)境控制水平總體上仍然較低，不能完全滿足作物栽培的要求。 設(shè) 定 初 值溫 度 檢 測(cè)濕 度 采 樣光 強(qiáng) 采 樣顯 示 電 路溫 度 控 制 電 路濕 度 控 制 電 路光 強(qiáng) 控 制 電 路單片機(jī) 圖 21 系統(tǒng)總框圖 本設(shè)計(jì)硬件組成部分中， 檢測(cè) 子 部分主要由溫度傳感器、濕度傳感器和光敏電阻 ；控制 子 部分主要 包括 動(dòng)作電路、報(bào)警電路、顯示電路和按鍵。 方案一：采用 LCD1602 液晶顯示器，該顯示器是工業(yè)字符型液晶顯示器，能夠顯示 32 個(gè)字符。 DS18B20 可以直接讀出被測(cè)溫度值。當(dāng)它受到光的照射時(shí)，半導(dǎo)體片（光敏層）內(nèi)就激發(fā)出電子 —空穴對(duì)，參與導(dǎo)電，使電路中電流增強(qiáng)。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。如果 JTAG 接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。接好這 3 種電路的單片機(jī)系統(tǒng)，就稱為單片機(jī)最小系統(tǒng)。第 4 引腳為復(fù)位輸入端 ,接上電容 ,電阻及開關(guān)后夠上電復(fù)位電路， 2 1 39 引腳為接地端 , 1 3 2 29 引腳為電源端 。根據(jù)每個(gè)溫度傳感器檢測(cè)到的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)首先存儲(chǔ)在單片機(jī)中，然后單片機(jī)執(zhí)行循環(huán)掃描數(shù)據(jù)功能，以判斷溫度是否符合作生長(zhǎng)的需求。每個(gè) DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。 12345678P C 0P C 1P C 2P C 3P C 4P C 5P C 6P C 7N O K I A 5 1 1 0 圖 312 顯示電路原理圖設(shè)計(jì) 報(bào)警電路 在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對(duì)于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報(bào)警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。另外，當(dāng)穩(wěn)壓塊電壓輸入端距離電源太近時(shí)也可通過(guò)在輸入端與地之間接一抗干擾電容。因?yàn)?PID 控制的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用的廣泛性，研究者對(duì)PID 控制設(shè)計(jì)了多種改進(jìn)方法。 PID 控制器是基于偏差的比例、積分及微分的控制器，是經(jīng)典控制領(lǐng)域的優(yōu)秀成果。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 26 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化，子程序化設(shè)計(jì)思路，即整個(gè)控制軟件由許多獨(dú)立的小程序模塊組成，它們之間通過(guò)軟件接口連接。 下圖是本設(shè)計(jì)的報(bào)警電路 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 24 Q3BUZZERGND 圖 313 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用聲光報(bào)警電路。 光敏電阻的應(yīng)用光敏電阻屬半導(dǎo)體光敏器件，除具靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及 r 值一致性好等特點(diǎn)外，在高溫，多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，可廣泛應(yīng)用于照相機(jī)，路燈，草坪燈，驗(yàn)鈔機(jī)，石英鐘，音樂杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開關(guān)，路燈自動(dòng)開關(guān)以及各種光控玩具，光控?zé)麸?，燈具等光自?dòng)開關(guān)控 制領(lǐng)域。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。當(dāng)溫度達(dá)到要求值后，則指示燈會(huì)自動(dòng)熄滅，同時(shí)繼電器會(huì)斷開，加熱燈停止工作。主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在 ～ 12MHz 之間選取。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。 其端口介紹 如下： VCC：電源正 GND：電源地 端口 A(PA7~PA0)： 做為 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。 光敏電阻實(shí)物圖如圖 25 所示。使其成為我們?cè)谶x擇溫濕度傳感器時(shí)的首選。由若干個(gè) 57 者 511 等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 9 一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形。檢測(cè) 子 部分 將從現(xiàn)場(chǎng)采集的溫度、濕度、光強(qiáng)等參數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送至控制子部分的 單片機(jī)， 單片機(jī)對(duì)傳回的數(shù)據(jù)、通過(guò)按鍵設(shè)定的各設(shè)定值進(jìn)行相應(yīng)的處理，以確定大棚內(nèi)溫度實(shí)時(shí)狀態(tài)、濕度實(shí)時(shí)狀態(tài)、光強(qiáng)實(shí)時(shí)狀態(tài)：當(dāng)溫度、濕度或者光強(qiáng)發(fā)生異常狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)控制報(bào)警電路報(bào)警，同時(shí)控制動(dòng)作電路進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度以及光強(qiáng)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 6 2系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo) 本論文采用單片機(jī)為執(zhí)行器（核心器件），通過(guò)溫度檢測(cè)電路，濕度檢測(cè)電路，光強(qiáng)檢測(cè)電路，控制系統(tǒng)，報(bào)警電路，顯示電路等部分形成了大棚溫濕度測(cè)控系統(tǒng)。我國(guó)的溫室自動(dòng)控制研究大致有兩個(gè)方向，一是智能環(huán)境控制河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 4 系統(tǒng)，二是華北型連棟溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用以單片機(jī)為主控芯片的系統(tǒng)對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制。這種采集系統(tǒng)需要在溫室大棚內(nèi)布置大量的測(cè)溫電纜，才能把現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)送到采集卡上，安裝和拆卸繁雜，成本也高。 隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷提高，在大棚中培 育的農(nóng)產(chǎn)品品種越來(lái)越多，傳統(tǒng)的溫度控制措施就顯現(xiàn)出很大的局限性。溫濕度不但對(duì)于工業(yè)如此重要，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫濕度度的監(jiān)測(cè)與控制也有著十分重要的意義。我們國(guó)家正在 走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)道路， 農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來(lái)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。溫室大棚技術(shù)就是其中一個(gè)好的方法。然而國(guó)外有一些自動(dòng)檢測(cè)控制儀器都是造價(jià)很昂貴的，對(duì)于普通農(nóng)民來(lái)說(shuō)是很難接受的。該系統(tǒng)能夠?qū)Υ蠛幽侠砉ご髮W(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 3 棚內(nèi)的溫濕度及光強(qiáng)進(jìn)行采集，利用傳感器將溫室大棚內(nèi)溫度濕度及光強(qiáng)的變化，變換成數(shù)字量，其值由單片機(jī)處理，最后由單片機(jī)去控制液晶顯示器，顯示溫室大棚內(nèi)的實(shí)際溫度濕 度和光強(qiáng)，同時(shí)通過(guò)與預(yù)設(shè)量比較，對(duì)大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，如果超過(guò)我們預(yù)先設(shè)定的濕度限制，濕度報(bào)警模塊將進(jìn)行報(bào)警。溫室大棚主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一方面是溫室結(jié)構(gòu)工程，另一方面是溫室測(cè)控系統(tǒng)，而溫室測(cè)控系統(tǒng)又是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與溫室大棚環(huán)境控制系統(tǒng)兩個(gè)部分組成的，兩者相輔相成缺一不可。每個(gè)測(cè)溫模塊由溫度傳感器組成，在每個(gè)模塊里采集該傳感器所屬區(qū)域的實(shí)時(shí)溫度傳回主控單片機(jī)，經(jīng)由主控 模塊的單片機(jī)處理數(shù)據(jù)判斷是否符合所需溫度：符合則不動(dòng)作，繼續(xù)監(jiān)測(cè)；假若溫度過(guò)低則由主控單片機(jī)發(fā)出命令啟動(dòng)報(bào)警電路同時(shí)經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)補(bǔ)溫模塊即電熱絲；如果經(jīng)判斷溫度過(guò)高則發(fā)出命令啟動(dòng)報(bào)警電路同時(shí)經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)降溫設(shè)備即溫室棚棚頂和側(cè)壁上的電動(dòng)窗，同時(shí)啟動(dòng)側(cè)壁的風(fēng)扇以便于空氣流通加快降溫速度。 硬件設(shè)備的選擇方案 本設(shè)計(jì)主要包括三大部分，如圖 21 所示，左邊為信號(hào)采集部分，主要由各模塊傳河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 8 感器及其 所在電路構(gòu)成，包括溫度采集、光線采集、濕度采集等三塊內(nèi)容，被稱為傳感器模塊。而顯然 LCD1602 的顯示容量只有兩行，可以顯示八個(gè)漢字，這樣無(wú)法直接在一屏里面顯示溫度值和濕度值，需要分多次頁(yè)數(shù)來(lái)顯示，這樣不便于觀察溫濕度的變化，所以在本次設(shè)計(jì)中不采用 LCD1602 液晶顯示器。 HOS201 濕敏傳感器為高濕度開關(guān)傳感器，它的工作電壓為交流 1V 以下，頻率為 50 KHZ～ 1KHZ，測(cè)量濕度范圍為 0～ 100%RH，工作溫度范圍為 0～ 50℃，阻抗在 75%RH（ 25℃）時(shí)為 1MΩ。繼電器就是通過(guò)低電壓小電流，控制高電壓大電流的設(shè)備。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。端口 D 也可以用做其他不同的特殊功能 . RESET：復(fù)位輸入引腳。本電路選用的電容為 22pF，晶振頻率為。獨(dú)特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 17 線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊。 圖 37 溫度補(bǔ)償電路設(shè) 計(jì) 在設(shè)計(jì)之初，加熱裝置打算使用電熱絲，但是由于一般農(nóng)作物隨溫度的要求沒有那么高，且電熱絲在加熱的同時(shí)會(huì)釋放很大的熱量，出于安全角度考慮，故使用節(jié)能燈來(lái)進(jìn)行代替。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。 補(bǔ)光電路 圖 311 補(bǔ)光模塊設(shè)計(jì) 圖 311 為補(bǔ)光燈模塊，當(dāng)處理器對(duì)比光照強(qiáng)度后，如果光強(qiáng)低于設(shè)定值 ，則發(fā)出補(bǔ)光信號(hào)，使補(bǔ)光燈模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，補(bǔ)光燈模塊由三極管、繼電器和 補(bǔ)光燈串聯(lián) 組成 。在圖 313 中，蜂鳴器與三極管 Q3 相連，三極管一端接電源，一端接 I/O 口 ，另一端直接與蜂鳴器相連。 本設(shè)計(jì)對(duì)于溫度、濕度和光照強(qiáng)度的控制模塊的設(shè)計(jì)采用了 PID 算法來(lái)解決。 PID 算法的基本原理圖如下圖 41 所示 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 27 比 例微 分積 分被 控 對(duì) 象e ( t )u ( t ) 圖 41 PID 算法基本原理圖 針對(duì)于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，溫度、濕度和光照強(qiáng)度的采用如下圖 42 所示的原理圖 P I D 控 制 器 D / A 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 被 控 對(duì) 象A / D傳 感 器r ( k )u ( k )e ( k )u ( t ) 圖 42 PID 控制器原理圖 主程序流程圖 整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程，主要的功能子程序有：系統(tǒng)初始化， DHT11的初始化， Nokia5110 的初始化。只有在 PID 控制器的參數(shù)調(diào)整得較好時(shí)，系統(tǒng)方能產(chǎn)生良好的控制效果。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 25 圖 314 +5V 電源電路圖 采用變壓器及整流電路把電壓轉(zhuǎn)換為 15V，再選用穩(wěn)壓塊 7805，得到穩(wěn)定的 5V 電壓輸出。 表 31 諾基亞 5110 液晶顯示模塊的管腳 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 23 引腳序號(hào) 引腳名稱 功能 引腳序號(hào) 引腳名稱 功能 1 SDIN 串行數(shù)據(jù)線 5 RES 復(fù)位 2 SCLK 串行時(shí)鐘線 6 VCC 電源正 3 D/C 模式選擇 7 LIGHT 背光燈 4 SCE 芯片使能 8 GND 電源地 顯示電路原理圖 Nokia5110 與單片機(jī)有 8 個(gè)管腳相連，其中 1~5 為 I/O 管腳，為信號(hào)輸入端， 6 為電源輸入， 7 為背光輸入， 8 為 GND。 DHT11 與單片機(jī)的 接法 電路 P B . 6 1234 1 0 KD H 1 1 圖 39 濕度傳感器與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) DHT11 是數(shù)字傳感器，所以不需要進(jìn)行模數(shù)的轉(zhuǎn)換，具體接口如下 引腳 1： VDD 供電 3～ 引腳 2： DATA 串行數(shù)據(jù)，單總線 引腳 3： NC 空腳，請(qǐng)懸空 引腳 4： GND 接地，電源負(fù)極 注意：引腳 2 在接單片機(jī)時(shí)，同時(shí)要在數(shù)據(jù)線接一上拉電阻，接到電源上。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。 DS18B20 與單片機(jī)的接法如示意 圖 36 所示 P B . 7V C CD QG N D1321 0 K 圖 36 溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中，如上圖 36 溫度傳感器的 GND 為接地端， DQ 為數(shù)字信號(hào)輸入 /輸出接， VCC 為外接供電電源輸入端。而單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞 ,直接影響