【正文】 12,0x12}。 展望 本研究雖然取得了一定的成果，但由于本人水平和試驗(yàn)條件的制約，仍需在以下兩個(gè)方面進(jìn)一步研究和完善 : (1) 環(huán)境多因子采集可擴(kuò)展性，當(dāng)代 大棚 技術(shù)中已有許多方面的進(jìn)展，對(duì)于作物生長(zhǎng)更是有多方的制約因素，所以可以 發(fā)展如 CO2 濃度 、光照強(qiáng)度、蒸騰作用調(diào)節(jié)等方面以完善 大棚 系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，達(dá)到最理想的效果。各模塊相互獨(dú)立，設(shè)計(jì)合理，使系統(tǒng)具有較高的可靠性和可 擴(kuò)展性。該系統(tǒng)具有可靠性高、智能化的特色。 A/D 轉(zhuǎn)換程序流程 如圖 44 所示 ： 圖 44 A/D 轉(zhuǎn)換程序流程圖 溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 大棚溫濕度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 24 4 4 鍵盤和 8 位數(shù)碼管顯示電路軟件 流程 ＣＨ４５１帶數(shù)碼管顯示及按鍵流程：初始化ＣＨ４５１復(fù)位、清屏，讀取溫濕度轉(zhuǎn)換值用于數(shù)碼管顯示或讀取按鍵輸入的預(yù)設(shè)值 并在數(shù)碼管上顯示。 室溫（ AD590） 監(jiān)測(cè) 軟件流程 如圖 42 所示 ： 溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 大棚溫濕度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 22 圖 42 AD590 監(jiān)測(cè) 程序流程圖 濕度 監(jiān)測(cè) 軟件 流程 濕度檢測(cè)流程 ：由定時(shí)器／計(jì)數(shù)器測(cè)得濕度的頻率值，再將頻率與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比得到相應(yīng)的濕度值，送去ＬＥＤ顯示和按鍵預(yù)設(shè)值判斷是否觸發(fā)蜂鳴報(bào)警。 主程序 流程 主程序流程如下：系統(tǒng)初始化， 包括 CH451 的數(shù)碼管顯示及按鍵、定時(shí)器，分別調(diào)用 AD590 和 HS1101 子程序用于 LED 顯示，按鍵輸入預(yù)設(shè)值，延時(shí)判斷后啟動(dòng)蜂鳴報(bào)警或風(fēng)扇電路。 圖 316 風(fēng)扇電路 電源電路 系統(tǒng)需要兩種電源 供電 ， +5v 和 +9v 電源電 路由一系列電容和 78 系列三端穩(wěn)壓管組成，設(shè)計(jì)電源電路的 主要目的 是讓 電壓更加穩(wěn)定以及使 系統(tǒng) 方便運(yùn)用， 電路如圖 317。具有動(dòng)作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。 該電路由單片機(jī) 控制，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)會(huì)使得繼電器內(nèi)部自動(dòng)吸合，連接 電源轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇，反之會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)連接。本系統(tǒng)的環(huán)境調(diào)節(jié) 模塊主要由繼電器控制 的 風(fēng)扇 電路構(gòu)成 。 CH451 具有 64 鍵的鍵盤掃描功能 , 為了防止鍵被按下后在 SEG 信號(hào)線與 DIG 信號(hào)線之間形成短路而影響數(shù)碼管顯示 , 一般應(yīng)在 CH451 的 DIG0～ DIG7 引腳與鍵盤矩陣之間串接限流電阻 R（ 200Ω） ,配合程序可實(shí)現(xiàn) 4*4 鍵盤輸入壞人 8 位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示。 CH451 的段驅(qū)動(dòng)引腳串接的電阻 R (200Ω ) 用于限制和均衡段驅(qū)動(dòng)電流。 圖 314 CH451 引腳排列 溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 大棚溫濕度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 17 表 33 CH451 引腳 定義 整體電路設(shè)計(jì)如圖 315, 其中 DOUT 引腳最好連接到單片機(jī)的中斷輸入引腳 , 這樣可用中斷方式響應(yīng)按鍵。 CH451 內(nèi)置 RC 振動(dòng)電路，可以動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng) 8 位數(shù)碼管或者 64 位 LED，具有 BCD 譯碼、閃爍、移位等功能；同時(shí)還可以進(jìn)行 64 鍵的鍵盤掃描；CH451 通過(guò) 1 線或者可以級(jí)聯(lián)的 4 線串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù)；并且提供上電復(fù)位和看門狗等監(jiān)控功能。 溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 大棚溫濕度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 16 圖 313 蜂鳴電路 4 4 鍵盤和 8 位數(shù)碼管顯示電路 4 4 鍵盤和八位 LED 顯示電路用于輸入數(shù)據(jù)、控制信號(hào)和顯示數(shù)字、字符。電路如圖 313 所示。也稱為直流蜂鳴器和交流蜂鳴器。 蜂鳴器在多種場(chǎng)合被作為發(fā)聲器件，他可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警、音樂(lè)演 奏等。該復(fù)位電路能夠在電源因某種干擾瞬間斷電時(shí)使電容迅速放電，在二極管 DMCU1 上產(chǎn)生一個(gè)壓降，從而保證了電源恢復(fù)后單片機(jī)可靠復(fù)位，使其適用于現(xiàn)場(chǎng)干擾強(qiáng)、電壓波動(dòng)大的工作環(huán)境。因此復(fù)位電路必不可少。 圖 311 時(shí)鐘電路 圖 312 復(fù)位電路 系統(tǒng)復(fù)位電路 系統(tǒng)復(fù)位電路主要由一個(gè)按鍵、 一 個(gè)二級(jí)管、 一個(gè) 10uf 電容及一個(gè) 10K 電阻構(gòu)成。 時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所需的時(shí)鐘控制信號(hào)（如圖 311所示），本電路采用了非固定式的設(shè)計(jì)，因?yàn)樵谲浖帉戇^(guò)程中，對(duì)程序的運(yùn)行時(shí)間是有要求的，這時(shí)就需要根據(jù)實(shí)際情況更換晶振。圖 310 所示為 TLC1549 的時(shí)序圖。 圖 38 TLC1549 引腳排列示意圖 圖 39 AD轉(zhuǎn)換電路 TLC1549 工作原理： TLC1549 具有 6 種串行接口時(shí)序模式 , 這些模式是由 I/O CLOCK 周期和 CS 定義。 1LSB( )，因此可廣泛應(yīng)用于模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換電路。 TLC1549 能以串行方式送給單片機(jī)。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 A/D 轉(zhuǎn)換本系統(tǒng) 選用 的是 10 位 的 A/D 集成 芯片 TLC1549，其引腳排列如圖 38 所示。造成這一現(xiàn)象的原因經(jīng)分析后，認(rèn)為主要應(yīng)該是由于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的濕度控制比較難以掌握、以及傳感器的靈敏度造成。由圖可見(jiàn)兩者之間 基本成線性關(guān)系 。 濕度測(cè)量也需進(jìn)行相應(yīng)的定標(biāo)處理，具體過(guò)程 如下 ： (1)準(zhǔn)備一個(gè)濕度計(jì) 、電吹風(fēng)、噴霧器、示波器；（ 2）將電路輸出端接入示波器，先長(zhǎng)時(shí)間置于一般環(huán)境內(nèi) （濕度計(jì)需要較長(zhǎng)時(shí)間響應(yīng)） ，待頻率在某個(gè)值左右浮動(dòng)時(shí)每隔一分鐘記錄一個(gè)數(shù)據(jù) ，一共記錄 5 次，然后做平均值；（ 3）增加濕度用 噴霧器，減小濕 度用電吹風(fēng)并盡量維持在一個(gè)恒定的環(huán)境內(nèi)，再按前面的步驟記錄數(shù)據(jù)， 測(cè)量 數(shù)據(jù)記錄如表 32 所示 。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久； 、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜； 4. 其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載； 最大值 VCC = 5 V, RL = ∞ =6mA VCC =15 V, RL = ∞ =15mA 。 圖 34 濕度測(cè)量電路圖 該 電路的核心是 NE555 芯片， 其 內(nèi)部功能原理框圖如圖 35 所示 。 7 端通過(guò)芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì) HS1101 的放電回路 ,并將引腳 2 、6 端相連引入到片內(nèi)比較器 ,便成為一個(gè)典型的多諧振蕩器 ,即方波發(fā)生器。 本次濕度測(cè)量模塊采 用 以 555 芯片為中心的 振蕩電路 ,將 HS1100 濕度傳感器充當(dāng)振 蕩電容 ,從而完成濕度到頻率的轉(zhuǎn)換 ,電路 如圖 34所示。 HS1100 濕度傳感器是一種基于電容原理的濕度傳感器 ,相對(duì)濕度的變化和電容值呈線性規(guī)律。這些問(wèn)題可以通過(guò)后續(xù)軟件調(diào)試克服，比如采集多次數(shù)據(jù)做平均值或者改變算法等方式來(lái)彌補(bǔ)。 分析原因，我們認(rèn)為 主要 是由于整個(gè)定標(biāo)過(guò)程在室溫環(huán)境下進(jìn)行，當(dāng)杯中水溫較高時(shí)，加入冷水 后 溫度下降過(guò)快 所致 。由圖可以看出，在溫度范圍為~ oC時(shí)，輸出電壓與溫度基本保持線性關(guān)系。 表 31 溫度測(cè)量電路電壓對(duì)應(yīng)溫度值 電壓值（ V） 溫度值 (℃ ) 圖 33 溫壓曲線 將表格所記錄的值繪成 溫度與輸出電壓關(guān)系 曲線，如圖 33所示。 由于 實(shí)驗(yàn)條件有限 ，定標(biāo)過(guò)程中只 測(cè)量 了 10 組數(shù) 據(jù)； 考慮到 大棚內(nèi)一般的溫度要求，定標(biāo)范圍選擇 1525℃ 。 溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 大棚溫濕度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 10 圖 32 LM324引腳排列 溫度測(cè)量 模塊性能分析 與評(píng)估 通過(guò)上述測(cè)溫電路將溫度這一非電物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，調(diào)試過(guò)程中還需對(duì)溫度 ~電壓進(jìn)行定標(biāo)處理。 其 引腳排列如圖 32 所示。 當(dāng)然這一 轉(zhuǎn)換 過(guò)程 也可通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)。 溫度每升高 1K，電流增加 1uA，當(dāng)負(fù)載電阻為 10KΩ，則電 阻上的壓降將增加 10mV。 由圖可知電容的作用是 保持 AD590 的工作狀態(tài)，根據(jù) AD590 的特性，其中由 AD590 、電位器 RP、 R 和運(yùn)放組成電流電壓轉(zhuǎn)換電路 ， 運(yùn)放連接為電壓跟隨器形式 ,主要為增加信號(hào)的輸入電阻。 圖 25 電源模塊框圖 溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 大棚溫濕度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 9 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 及 性能 分析 本章 為 核心內(nèi)容之一 ，主要針對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及調(diào)試過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹。 圖 27 濕度 監(jiān)測(cè) 模塊 框 圖 電源模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)供電總共需要 兩 種電源， AD590 的工作電壓為 9V， 小系統(tǒng)及各種芯片的工作電壓為 5V，風(fēng)扇供電 5V。 該模塊的中心是將傳感器接入一個(gè) 555非穩(wěn)態(tài)電路，輸出一個(gè)頻率信號(hào)并由單片機(jī)直接采集、處理。相對(duì)濕度在 0%100%RH 范圍內(nèi)，電容量將從 162PF 變到 200PF，其 測(cè)量 誤差不大于 ? 2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于 5s；溫度溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 大棚溫濕度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 8 系數(shù)為 ℃。 其外形如 圖 25 所示。 (6)適用于線性電壓輸出和線性頻率輸出兩種電路 。 (4) 能夠處于 長(zhǎng)期飽和狀態(tài) ,瞬間脫濕 。 (2) 無(wú)需校準(zhǔn)的完全互換性 。 溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 大棚溫濕度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 7 圖 24 溫度 監(jiān)測(cè) 模塊 框圖 濕度 監(jiān)測(cè) 模塊 本課題對(duì)于濕度傳感器的選擇也是主要考慮環(huán)境 及成本因素，注重傳感器的穩(wěn)定性，性價(jià)比及實(shí)用性。 電路設(shè)計(jì)時(shí) ,利用電阻元件 將電流 信號(hào) 轉(zhuǎn)換成為電壓 信號(hào)， 如圖 23 所示。 AD590 可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)輸出， 溫度每升高 1K,其輸出電流將 增加 1uA。 溫度 監(jiān)測(cè) 模塊 溫度傳感器選用應(yīng)該考慮使用方便、輸出信號(hào)容易處理且適合 大棚 環(huán)境 作業(yè) 。 （ 3）優(yōu)良的性能價(jià)格比。 大棚 中傳感器的使用環(huán)境比工業(yè)環(huán)境更惡劣，如高溫、高濕。因此，傳感器的性能應(yīng)該與控制系統(tǒng)相適應(yīng)，尤其是傳感器的長(zhǎng)距離布點(diǎn)、傳感器靈敏度的一致性、傳感器的響應(yīng)時(shí)間等，這樣才能使系統(tǒng)真正做到快速反應(yīng)和高效調(diào)控 環(huán)境 [14]。由于 環(huán)境參數(shù)的 采集是在單片控制系統(tǒng)下發(fā)揮作用，因此，傳感器的性能必須符合以下要求： （ 1）適應(yīng)系統(tǒng)要求。 本 課題所需要實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)功能包括定時(shí)功能、復(fù)位功能、報(bào)警功能等，相對(duì)應(yīng)的電路模塊分別有時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、蜂鳴電路 、燒寫程序電路 。 圖 21 總體硬件框圖 單片機(jī)小系統(tǒng) 在整個(gè)單片 機(jī)控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的器件是中央處理器（ CPU），它即是控制中心又是運(yùn)算處理中心，本次設(shè)計(jì)采用了 STC89C52 作為控制系統(tǒng)的主機(jī)，它是一種低功耗、高性能的CMOS 8 位微處理器。溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 大棚溫濕度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 5 第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 總體方案 本系統(tǒng)主要由單片機(jī)小系統(tǒng)、溫度 監(jiān)測(cè) 模塊、濕度 監(jiān)測(cè) 模塊、 電源模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換電路 、4 4 鍵盤和 8 位數(shù)數(shù)碼管顯示電路及 風(fēng)扇電路 組成。 系統(tǒng)的最終目標(biāo)是達(dá)到 大棚 溫濕度參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量及顯示，并達(dá)到一定的精度，能最終滿足實(shí)際需求。 設(shè)計(jì)完成包括環(huán)境參數(shù) 采集、數(shù)據(jù)處理、鍵盤輸 入報(bào)警值、 判斷 報(bào)警、外圍處理功能 等模塊 。該系統(tǒng)能通過(guò) AD 算法實(shí)現(xiàn) 大棚 各路模擬量、開(kāi)關(guān)量實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后定時(shí)保存并送出控制量。但是所有性能都集中在單片機(jī)上，單片機(jī)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)失控 。 2020 年，唐娟等研究了基于新型 AVR 單片機(jī)的 大棚 測(cè)控系統(tǒng) [11]。該系統(tǒng)將藍(lán)牙技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相結(jié)合運(yùn)用于 大棚 群的監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的可靠性、降低了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中干擾。實(shí)現(xiàn)了 大棚 的封閉環(huán)境控制，但該系統(tǒng)布線復(fù)雜 ,維護(hù)困難且成本過(guò)高。 2020 年，金鈺研究了工業(yè)控制機(jī) IPC 在自動(dòng)化 大棚 控制中的應(yīng)用 [9]。 1987 年中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院引進(jìn)了 FELIXC 512 系統(tǒng) ,并建立了全國(guó)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的第一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究機(jī)構(gòu) [8]。 國(guó)內(nèi)研究概況 國(guó)內(nèi)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用開(kāi)始于 上世紀(jì) 70 年代中期 ，當(dāng)時(shí)主要用于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算。 另外 ,國(guó)外 大棚 業(yè)正致力于高科技發(fā)展。為保證 CO2 氣體在 大棚 分布均勻 ,大棚 中通常安裝通風(fēng)機(jī) ,攪動(dòng)空氣使 大棚 中的 CO2 濃度一致。針對(duì)種苗生產(chǎn)設(shè)施的高溫、多濕等不良環(huán)境 ， 日本進(jìn)行了幾種設(shè)施項(xiàng)目的研究 [4],主要有設(shè)施內(nèi)溫州醫(yī)學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 大棚溫濕度監(jiān)測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 2