【文章內(nèi)容簡介】 強度有積極的作用。因此在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。 我國由于受經(jīng)濟發(fā)展、科技水平、農(nóng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等諸多因素的影響，長期以來缺乏設(shè)施農(nóng)業(yè)方面的基礎(chǔ)研究與戰(zhàn)略發(fā)展研究，在技術(shù)理論、生產(chǎn)發(fā)展與市場引導(dǎo)、宏觀政策等方面均存在很多的空白，因此溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也受到了一定的限制。我們的研究成果較少，制約了溫室企業(yè)技術(shù)和質(zhì)量方面的創(chuàng)新。使我國溫室企業(yè)在與國外溫室企業(yè)的競河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明 書 5 爭中，從一開始就處于劣勢。 目 前我國問世的環(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。因此，應(yīng)通過對溫室的結(jié)構(gòu)、材料、環(huán)境控制技術(shù)、再生能源綜合利用技術(shù)、補充光源、環(huán)境控制的儀器設(shè)備及自動控制的計算機軟件系統(tǒng)等方面做進(jìn)一步的研究和開發(fā)，盡快提高我國溫室生產(chǎn)的水平。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明 書 6 2系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo) 本論文采用單片機為執(zhí)行器（核心器件），通過溫度檢測電路，濕度檢測電路，光強檢測電路，控制系統(tǒng)，報警電路，顯示電路等部分形成了大棚溫濕度測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)Υ笈锘蚴覂?nèi)的溫度、濕度進(jìn)行自動檢測和控制，不僅具有控制方便、簡單靈活等特點，而且可以大大提高被控制溫度、濕度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。 其預(yù)期實現(xiàn)目標(biāo)功能如下： 溫度控制：根據(jù)使用大棚的具體面積均勻分布溫度傳感器，借以實現(xiàn)對溫度的精準(zhǔn)監(jiān)測。每個測溫模塊由溫度傳感器組成，在每個模塊里采集該傳感器所屬區(qū)域的實時溫度傳回主控單片機，經(jīng)由主控 模塊的單片機處理數(shù)據(jù)判斷是否符合所需溫度：符合則不動作，繼續(xù)監(jiān)測；假若溫度過低則由主控單片機發(fā)出命令啟動報警電路同時經(jīng)由驅(qū)動電路啟動補溫模塊即電熱絲；如果經(jīng)判斷溫度過高則發(fā)出命令啟動報警電路同時經(jīng)由驅(qū)動電路啟動降溫設(shè)備即溫室棚棚頂和側(cè)壁上的電動窗，同時啟動側(cè)壁的風(fēng)扇以便于空氣流通加快降溫速度。當(dāng)以上兩種措施實施的繼續(xù)監(jiān)測溫度送回主機判斷，符合溫度設(shè)置值測發(fā)出命令停止。 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，借以實現(xiàn)對濕度的精準(zhǔn)監(jiān)測。 每個濕度監(jiān)測模塊由濕度傳感器構(gòu)成，用以監(jiān)測器所屬區(qū)域的實時 濕度。然后把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳回主機，經(jīng)由主控模塊的單片機處理數(shù)據(jù)判斷是否符合所需濕度，若果符合則不動作，繼續(xù)監(jiān)測；假若濕度過低則發(fā)出命令啟動報警電路并同時經(jīng)由啟動電路啟動埋在土地中的噴水裝置對該域增區(qū)加濕度。 光強控制：光強監(jiān)測模塊由光敏電阻組成，監(jiān)測到實時的光照強度參數(shù)后傳入主機進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷，正常的話不動作繼續(xù)監(jiān)測，假若光照強度過低則啟動報警電路，同時單片機發(fā)出命令到繼電器然后啟動補光設(shè)備即照明燈；假若光照強度過高則由單片機發(fā)出命令由電機的驅(qū)動電路放下安裝在棚頂?shù)恼诠饩W(wǎng)。 人機交互設(shè)計：顯示屏上不僅可以顯示 時間，而且還可以通過按鍵實時設(shè)定被監(jiān)測溫度的上下限、被監(jiān)測濕度和被監(jiān)測光照強度的下限值。這樣不僅可以實現(xiàn)人機交互控制，還可以根據(jù)作物的不同生長階段，對溫度、濕度和光照強度的不同需要進(jìn)行針對性河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明 書 7 的設(shè)定，更可以保證作物健康生長。 系統(tǒng)設(shè)計 思路 本設(shè)計包括 硬件部分與軟件部分 兩個部分， 硬件部分包括 檢測子部分和控制子部分 。 硬件部分總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 21 所示；軟件部分見本論文第四章。 系統(tǒng)整體框圖如圖 21 所示。 設(shè) 定 初 值溫 度 檢 測濕 度 采 樣光 強 采 樣顯 示 電 路溫 度 控 制 電 路濕 度 控 制 電 路光 強 控 制 電 路單片機 圖 21 系統(tǒng)總框圖 本設(shè)計硬件組成部分中， 檢測 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 動作電路、報警電路、顯示電路和按鍵。 其中， 動作電路包括升溫電路、降溫電路、增加濕度電路、減小濕度電路、補光電路和減弱光強電路。檢測 子 部分 將從現(xiàn)場采集的溫度、濕度、光強等參數(shù)實時發(fā)送至控制子部分的 單片機， 單片機對傳回的數(shù)據(jù)、通過按鍵設(shè)定的各設(shè)定值進(jìn)行相應(yīng)的處理，以確定大棚內(nèi)溫度實時狀態(tài)、濕度實時狀態(tài)、光強實時狀態(tài)：當(dāng)溫度、濕度或者光強發(fā)生異常狀態(tài)時，單片機控制報警電路報警，同時控制動作電路進(jìn)行相應(yīng)動作，以實現(xiàn)對溫度、濕度以及光強的實時調(diào)節(jié)。另外，本系統(tǒng)還可以顯示實時溫度、實時濕度、實時光強 由主機來控制各個調(diào)節(jié)電路的動作與否，并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。 本系統(tǒng)有效實現(xiàn)了大棚內(nèi)溫度、濕度、光強的自動實時監(jiān)測與控制。 硬件設(shè)備的選擇方案 本設(shè)計主要包括三大部分，如圖 21 所示，左邊為信號采集部分，主要由各模塊傳河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明 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。中間為主控模塊，由單片機 Atmega16 主控模塊組成，是本設(shè)計的主要處理部分，主要負(fù)責(zé)各個傳感器傳來的信號的處理和將各個數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行對比處理，如果滿足要求，則不做動作，若不滿足要求，則進(jìn)行相應(yīng)處理。最右邊為動作電路，主要包括顯示模塊、報警電路、溫度過限控制電路、光強過限控制電路。這三部分組成的一個系統(tǒng)就是本設(shè)計的主要內(nèi)容，通過這個設(shè)計，使所要控制的量，如溫度、濕度、光強都在一個設(shè)定的范圍內(nèi)，能夠滿足我們的要求。 單片機的選擇 方案一： AT89S51 有 4K 的 Flash 程序存儲器， 128 字節(jié)的 RAM， 32 條 IO 口，中斷系統(tǒng)具有 6 個中斷源、 5 個終端矢量、 2 個中斷優(yōu)先級的中斷結(jié)構(gòu)；串行口是一個全雙工的串行通信口。假若采用 MCS51 系列單片機中的 AT89C51 芯片作為核心器件，其自帶的 4K 字節(jié)的內(nèi)部 FLASH EPRAM,能在 3V 的超低壓下工作，但運行速度很慢；所有的 I/0 口都是準(zhǔn)雙向口， I/0 口的驅(qū)動能力弱；芯片里面的 P0 口沒有上拉電阻如果要輸出高電平或者要定義成輸入口，一般要外接電阻上拉；芯片不能定義成內(nèi)部復(fù)位方式，只能用外部微 分電路復(fù)位；芯片內(nèi)部沒有 RC 振蕩，如要芯片正常工作，需要外加振蕩源；但是運用于電路設(shè)計中時由于不具備 ISP 在線編程技術(shù) , 當(dāng)在對電路進(jìn)行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，對芯片的多次拔插會對芯片造成一定的損壞，且功耗比較高，抗干擾能力也不是很強。 方案二：采用 ATmega16 芯片。該芯片有 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時讀寫的能力，即 RWW)， 512 字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM， 32 個通用 I/O 口線。 32個通用工作寄存器同樣具有 89C51 的功能，且具有在線編程可 擦除技術(shù)。 當(dāng)在對電路進(jìn)行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，不需要對芯片多次拔插，由此不會對芯片造成損壞并且是高性能、低功耗， 是 較 51 系列處理速度更快的 8 位 AVR 微處理器。所以，選擇采用 ATmega16 作為本次設(shè)計的控制系統(tǒng) 單片機。 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 個字符。它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。由若干個 57 者 511 等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明 書 9 一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形。而此次設(shè)計的是一個大棚溫濕度測控系統(tǒng)。這里我們需要將設(shè)定的溫度值，濕度值，以及采集過來的外界環(huán)境里的溫度值和濕度值顯示出來。而顯然 LCD1602 的顯示容量只有兩行，可以顯示八個漢字，這樣無法直接在一屏里面顯示溫度值和濕度值，需要分多次頁數(shù)來顯示，這樣不便于觀察溫濕度的變化，所以在本次設(shè)計中不采用 LCD1602 液晶顯示器。 方案二：采用 Nokia5110 顯示器 ,可以顯示四行漢字， 848 的點陣 LCD，這樣可進(jìn)行比較觀察，清晰明了，易于操作，性價比高， LCD1602 可以顯示 32 個字符，而 Nokia5110可以顯示 15 個漢字， 30 個字符。接口簡單，僅四根 I/O 線即可驅(qū)動，速度快，是 LCD1602的 40 倍。 Nokia5110 工作電壓 ，正常顯示時工作電流 200uA 以下，具有掉電模式，適合電池供電的便攜式移動設(shè)備。因此在本次設(shè)計中的顯示部分我們選用 Nokia5110 液晶顯示。 智能溫度傳感器 /控制器屬于智能化集成溫度傳感器和控制器 。其主要優(yōu)點是采用數(shù)字化技術(shù)，能以數(shù)字形式直接輸出被測溫度值，具有測溫誤差小、分辨率高、抗干擾能力強、能夠遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)、用戶可設(shè)定溫度上、下限、有越限自動報警功能、自帶串行總線借口等優(yōu)點，適配各種微控制器，含微處理器和單片機，是研制和開發(fā)具有高性價比的新一代溫度測控系統(tǒng)所必不可少的核心器件。 方案一：使用熱敏電阻作為傳感器，用熱敏電阻與一個相應(yīng)阻值電阻相串聯(lián)分壓，利用熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化的特性，采集這兩個電阻變化的分壓值，并進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。此設(shè)計方案需用 A/D 轉(zhuǎn)換電路，這樣一來，就增加了硬件成本，而 且熱敏電阻的感溫特性曲線并不是嚴(yán)格線性的，會產(chǎn)生較大的測量誤差。 方案二：采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20,該傳感器為數(shù)字式傳感器。獨特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20的雙向通訊 ,DS18B20 的測溫范圍 55℃ ~125℃，分辨率最大可達(dá) ℃。 DS18B20 可以直接讀出被測溫度值。而且采用 3 線制與單片機相連，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點，封裝成后可應(yīng)用于多種場合。使其成為我們在選擇溫濕度傳感器時的首選。 DS18B20 實物圖如圖 23 所示。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明 書 10 圖 23 DS18B20 實物圖 濕度傳感器的選擇 方案一：采用 HOS201 濕敏傳感器。 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℃）時為 1MΩ。這種傳感器原是用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性 。 方案二：采用數(shù)字式濕度傳感器 DHT11,該傳感器為數(shù)字式傳感器，采集濕度的精度是 14 位，端口較少，只需要單片機的一個端口即可驅(qū)動，每個 DHT11 傳感器都在即為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)，除此之外，單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá) 20 米以上，使其成為給類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝，連接方便，傳感器比較簡單，四條引角中有兩條是電源引腳，有兩條是輸出數(shù)據(jù)的引腳，只需要給他供上額定電壓，然后在輸出引腳采集信號就可以了，因此選擇了 DHT11 濕度傳感器作為此設(shè)計傳感器的首選。 DHT11 實物圖如圖 24 所示 圖 24 DHT11 實物圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明 書 11 光敏電阻 的選擇 光照強度的測量選用了常用的光敏電阻。光敏電阻對于光照敏感度高，光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光敏電阻器是硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（ ~ m）的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它阻值的變化。通常，光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。當(dāng)它受到光的照射時，半導(dǎo)體片（光敏層）內(nèi)就激發(fā)出電子 —空穴對，參與導(dǎo)電，使電路中電流增強。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案，它是在一定的掩膜下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。 光敏電阻實物圖如圖 25 所示。 圖 25 光敏電阻實圖 繼電器的選擇 因為調(diào)節(jié)電路中需要啟動風(fēng)扇和節(jié)能燈等高電壓設(shè)備，所以要應(yīng)用到繼電器作為高壓設(shè)備啟動開關(guān)。本設(shè)計中采用 5 引腳大功率超小型繼電器 JQC3FF。繼電器就是通過低電壓小電流，控制高電壓大電流的設(shè)備。 JQC3FF 繼電器是一組 常開、一組常閉的。JQC3FF 繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等構(gòu)件組成。在線圈兩端加上一定的電壓，常閉觸點斷開，常開觸點閉合，接通高壓電路。 動力電機的選擇 本設(shè)計中在大棚的側(cè)壁裝有通風(fēng)散熱用的電動窗和風(fēng)扇，棚頂裝有電動窗和卷起遮光薄膜的裝置，這些都需要電機為其提供動力 ,風(fēng)扇的動力電機選擇 一般電風(fēng)扇用的電壓為 220V 的單相交流電機；電動窗的動力電機選擇 則不用選擇太大的電機，同時為了滿足動力需求，選擇市面上經(jīng) 常使用的電動窗簾的直流電機即可。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明 書 12 3 硬件電路設(shè)計 硬件是整個系統(tǒng)的工作平臺，各種應(yīng)用功能的實現(xiàn)和軟件的運行都是以硬件為基礎(chǔ)的，所以硬件設(shè)計的合理與否從根本上決定了整個系統(tǒng)的質(zhì)量。 為了充分發(fā)揮單片機的長處，實現(xiàn)盡可能多的功能，使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，工作得更可靠，操作更具備人機交互性，并且要使整個系統(tǒng)能真正的在實際應(yīng)用中