【導(dǎo)讀】動化技術(shù)也延伸到各生產(chǎn)領(lǐng)域。我們國家正在走現(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。高產(chǎn)量，增加經(jīng)濟效益。本設(shè)計，由ATmega16單片機作為控制的核心器件的單片機模。塊、報警模塊以及顯示模塊組成。采用DS18B20、DHT11和光敏電阻進行信息采集，將其采集到的數(shù)字信號傳入ATmega16單片機，并在Nokia5110屏上顯示其實時值。時處理，使大棚環(huán)境得到了良好的控制。

　　

【正文】 ，為控制端，集電極為供電端，與電源相連，發(fā)射極與小風(fēng)扇一端相連，控制電流通過此斷進入小風(fēng)扇，小風(fēng)扇另一端接地，形成一個通路。這就是通風(fēng)散熱模塊的詳細(xì)構(gòu)成。 濕度 監(jiān)測 DHT11 濕度傳感器 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。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期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC 測溫元件，并與一個高性能 8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個 DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在 OTP 內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。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，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。 DATA 用于微處理器與 DHT11 之間的通訊和同步 ， 采用單總線數(shù)據(jù)格式 ,一次通訊河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明 書 20 時間 4ms 左右 ， 數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分 ， 具體格式在下面說明 ， 當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴展 ,現(xiàn)讀出為零 .操作流程如下 ： 用戶 MCU 發(fā)送一次開始信號后 ， DHT11 從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式 ， 等待主機開始信號結(jié)束后 ， DHT11 發(fā)送響應(yīng)信號 ， 送出 40bit的數(shù)據(jù) ， 并觸發(fā)一次信號采集 ， 用戶可選擇 讀取部分?jǐn)?shù)據(jù) 。 從模式下 DHT11 接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集 ， 如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號 ， DHT11 不會主動進行溫濕度采集 .采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。 DHT11 的供電電壓為 3～ 。傳感器上電后，要等待 1s 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（ VDD， GND）之間可增加一個 100nF 的電容，用以去耦濾波。 長時間暴露在太陽光下或強烈的紫外線輻射中，會使性能降低。因此要妥善放置，盡量避免太陽光的直接照射，還要避免高溫，以及雨水的沾濕，這樣才能保證傳感器正常工作。 DHT11 與單片機的 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接口電路設(shè)計 DHT11 是數(shù)字傳感器，所以不需要進行模數(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，請懸空 引腳 4： GND 接地，電源負(fù)極 注意：引腳 2 在接單片機時，同時要在數(shù)據(jù)線接一上拉電阻，接到電源上。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明 書 21 光強測量與控制 光敏電阻 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。構(gòu)成光敏電阻的材料有金屬的硫化物、硒化物、碲化物等半導(dǎo)體。 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，路燈，草坪燈，驗鈔機，石英鐘，音樂杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開關(guān)，路燈自動開關(guān)以及各種光控玩具，光控?zé)麸棧瑹艟叩裙庾詣娱_關(guān)控 制領(lǐng)域。 測光電路 P A . 0 P A . 1R 11 0 KR 21 0 KGMDZGMDZ 圖 310 感光模塊電路設(shè)計 圖 310為測光強電路，電路通過上拉電阻 R1和 R2來使光敏電阻 GMDZ1和 GMDZ2正常工作，其中 GMDZ1 和 GMDZ2 一端接地，一端接 I/O 端口 PA0 和 PA1。通過 I/O河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明 書 22 端口將采集到的信號發(fā)送給處理器。 補光電路 圖 311 補光模塊設(shè)計 圖 311 為補光燈模塊，當(dāng)處理器對比光照強度后，如果光強低于設(shè)定值 ，則發(fā)出補光信號，使補光燈模塊進入工作狀態(tài)，補光燈模塊由三極管、繼電器和 補光燈串聯(lián) 組成 ?？紤]到光強對 作物的影響，以及現(xiàn)實情況，當(dāng)測得的光強低于設(shè)定值時報警并且補光； 如果在設(shè)定值之上（包括設(shè)定值），則不動作，因為人類能接受的光照，作物 的接受能力比人類要強，所以可以不對光強上限進行設(shè)定即可滿足需求， 這就是光控模塊。 顯示電路 液晶顯示模塊提供兩種界面來連接微處理機： 8 位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：光標(biāo)顯示，畫面移位，睡眠模式等。 Nokia5110 是一款經(jīng)典機型，可能由于經(jīng)典的緣故，舊機器很多，所以很多電子工程師就把舊機器的屏幕拆下來，自己驅(qū)動Nokia5110，用于開發(fā)的設(shè)備顯示，取代 LCD1602。并且 Nokia5110 的控制器／驅(qū)動器芯片已綁定到 LCD 晶片上，模塊的體積很小。接口信號線數(shù)量相對 LCD1602 少的多，并且傳輸速率非?？臁? Nokia5110引腳說明 LCD 引腳說明如下表 31 所示。 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（論文）說明 書 23 引腳序號 引腳名稱 功能 引腳序號 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 與單片機有 8 個管腳相連，其中 1~5 為 I/O 管腳，為信號輸入端， 6 為電源輸入， 7 為背光輸入， 8 為 GND。 7 管腳直接與 6 管腳相連，即背光燈一直處于打開狀態(tài)，不論在白天還是黑夜均能觀察 LCD 上數(shù)據(jù)的變化，以便實現(xiàn)控制功能。與單片機相連的原理圖設(shè)計如下圖 312 所示。 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 報警電路 在微型計算機控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其方法就是把計算機采集的數(shù)據(jù)或經(jīng)過計算機進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進行報警，否則就作為正常的采樣值，進行顯示和控制。 下圖是本設(shè)計的報警電路 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明 書 24 Q3BUZZERGND 圖 313 報警電路設(shè)計 本設(shè)計采用聲光報警電路。蜂鳴音報警接口電路的設(shè)計只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過單片機 ATmega16 的 1 根口線經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴 器約需 10mA 的驅(qū)動電流，可以使用 TTL 系列集成電路 7406 或 7407 低電平驅(qū)動，也可以用一個晶體三極管驅(qū)動。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。蜂鳴器的正極接三極管，負(fù)極接地。濕度傳感器采集來的濕度與單片機設(shè)定的濕度值相比較，只要其中任何一個過限，蜂鳴器就會發(fā)出蜂鳴音報警。 電源電路 電源是電力電子系統(tǒng)的動力源，其性能直接決定了系統(tǒng)的工作表現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，采用了我國民用的 220V 作電源，但系統(tǒng)的 部分 器件一般都工作在低壓的直流電壓環(huán)境，所以電源電路就是將 220V 的交流電壓經(jīng)降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓等處理后得到具有一定功率的低壓電源。該電源應(yīng)該具有較為穩(wěn)定和干擾少的電壓，為系統(tǒng)的可靠運行提供有力的保障。根據(jù)前面對系統(tǒng)中各個功能模塊的分析和設(shè)計，知道在我們的系統(tǒng)中，單片機 ATmega16 的電源是 +5V，驅(qū)動電路中的繼電器需要 +12V 的電壓。因此我們的系統(tǒng)需要提供兩種不同的電源電路。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明 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。穩(wěn)壓塊 7805 的作用是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載等發(fā)生變化時，能自動維持穩(wěn)定的 5V輸出電壓，而且有過流、過熱保護功能，穩(wěn)壓塊 7805 最大的輸入電壓為 35V。在實際使用時為了保證輸出電壓地穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)性，一般在輸出端與地之間接一個大于 f的小電容。另外，當(dāng)穩(wěn)壓塊電壓輸入端距離電源太近時也可通過在輸入端與地之間接一抗干擾電容。電源部分電路如圖 314 所示。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明 書 26 4 軟件系統(tǒng)設(shè)計 本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化，子程序化設(shè)計思路，即整個控制軟件由許多獨立的小程序模塊組成，它們之間通過軟件接口連接。既便于調(diào)試，連接，又便于移植、修改。系統(tǒng)軟件主要完成數(shù)據(jù)采集，運算處理，實時 LCD 顯示，越限報警，聯(lián)機通訊，驅(qū)動執(zhí)行等功能，包括以下幾部分：主程序設(shè)計，數(shù)據(jù)采集與調(diào)控、顯示模塊、報警模塊。 本設(shè)計對于溫度、濕度和光照強度的控制模塊的設(shè)計采用了 PID 算法來解決。 PID控制是工業(yè)控制中的經(jīng)典控制方式之一，它具有魯棒性強、結(jié)構(gòu)簡單及可靠性高等優(yōu)點。即使控制技術(shù)及理論飛速發(fā)展，且出現(xiàn)了多種先進控制的方法， 但在工業(yè)控制系統(tǒng)中 PID 控制器的應(yīng)用依然很廣泛。在過程控制中，按偏差的比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）進行控制的 PID 控制器（亦稱 PID 調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器。它具有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象──“一階滯后 +純滯后”與“二階滯后 +純滯后”的控制對象， PID 控制器是一種最優(yōu)控制。 PID 的參數(shù)設(shè)置及整定是設(shè)計PID 控制器的關(guān)鍵，它嚴(yán)重影響了控制系統(tǒng)的魯棒性及品質(zhì)。 PID 控制器的參數(shù)整定方法有很多種， 如經(jīng)驗公式法、反應(yīng)曲線法、衰減法和臨界比例法等。在工程中，用這些方法整定后還要不斷對 PID 進行調(diào)整及修改。只有在 PID 控制器的參數(shù)調(diào)整得較好時，系統(tǒng)方能產(chǎn)生良好的控制效果。 在工業(yè)控制中，一般情況下用 PID 控制就可以得到良好的控制效果。對于溫度控制系統(tǒng)來說 ，其常具有較大的時滯，采用常規(guī)的 PID 控制，系統(tǒng)不能得到令人滿意的控制效果。因為 PID 控制的優(yōu)點及其應(yīng)用的廣泛性，研究者對PID 控制設(shè)計了多種改進方法。而且伴隨著控制理論的飛速發(fā)展，把 PID 控制方法與多種先進的控制方法結(jié)合，組成了各種各樣的復(fù)合控制方法，進而 在大時滯系統(tǒng)中取得了較好的控制效果。 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。 PID 控制器的原理如圖 41 所示，由 PID 控制器與受控對象組成。 PID控制器是一種線性控制器，根據(jù)實際的輸出值與給定值的偏差，通過線性組合將偏差按照比例、積分和微分構(gòu)成控制量，來控制被控對象。 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（論文）說明 書 27 比 例微 分積 分被 控 對 象e ( t )u ( t ) 圖 41 PID 算法基本原理圖 針對于本系統(tǒng)的設(shè)計，溫度、濕度和光照強度的采用如下圖 42 所示的原理圖 P I D 控 制 器 D / A 執(zhí) 行 機 構(gòu) 被 控 對 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 整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化編程，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。當(dāng)溫度超過設(shè)定值時報警并且調(diào)節(jié)溫度，加熱或者通風(fēng)減熱，使溫度在設(shè)定值范圍之內(nèi)，這是溫控模塊。接下來為測濕模塊，通過濕度傳感器測得濕度值如果在設(shè)定范圍內(nèi)，則不報警，如果不在設(shè)定范圍內(nèi)，則進行報警，由于濕度的控制比較困難，因此本設(shè)計對濕度控制 還需進一步提高 。最后一個為光控模塊，考慮到光強對作物的影響，以及現(xiàn)實 情況，當(dāng)測得的光強低于設(shè)定值時報警并且補光，如果在設(shè)定值之上（包括設(shè)定值），則不動作，因為人類能接受的光照，作物 的接受能力比人類要強，所以可以不對光強上限進行設(shè)定即可滿足需求；若是諸如韭黃一類的作物可以啟用減弱光強電路， 這就是光控模塊 。本設(shè)計主程序流程圖如下圖 43 所示 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明 書 28 初 始 化初 始 化顯 示顯 示按 鍵 設(shè) 置按 鍵 設(shè) 置開 始開 始溫 度 是 否 超 上 限溫 度 是 否 超 上 限結(jié) 束結(jié) 束溫 度 是 否 低 于 下 限溫 度 是 否 低 于 下 限濕 度 是 否 低 于 下 限濕 度 是 否 低 于 下 限光 強 是 否 超 上 限光 強 是 否 超 上 限光 強 是 否 低 于 下 限光 強 是 否 低 于 下 限否是否