【正文】 ................27引 言在現(xiàn)代的溫室種植技術(shù)中，溫度、濕度是溫室蔬菜能否茁壯成長(zhǎng)的重要因素。農(nóng)業(yè)是人類社會(huì)最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的基礎(chǔ)，也是人類頓以生存的最重要的行業(yè)，由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，由粗放經(jīng)營(yíng)向集約經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)變，必須要求農(nóng)業(yè)科技有一個(gè)大的發(fā)展，進(jìn)行一次新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命。傳統(tǒng)的溫室大棚的自動(dòng)化程度很低，基本是是粗放型的人工操作，即便對(duì)于所給定的量，在操作中無(wú)法進(jìn)行有效的控制，很大程度上限制了溫室大棚的經(jīng)濟(jì)效益。除此之外，它還能準(zhǔn)確、定時(shí)、定量、高效的進(jìn)行溫濕度控制，可以節(jié)省人力、體力而提高質(zhì)量和產(chǎn)量。只有提高自動(dòng)控制系統(tǒng)的智能，使得在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中更加智能和方便并采用廉價(jià)的器材使其價(jià)格能被廣大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者所接受，才能促進(jìn)智能溫室大棚溫濕度控制在農(nóng)業(yè)中的廣泛應(yīng)用和提高其經(jīng)濟(jì)效益。用高新技術(shù)改造農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是我國(guó)農(nóng)業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的根本大事。第一章 緒論 課題的提出和意義隨著社會(huì)的發(fā)展, 各種園藝溫室和農(nóng)作物溫室的數(shù)量在不斷增加。當(dāng)溫室的面積達(dá)到上千平米甚至更大時(shí), 操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度會(huì)變的很大,并且光靠人工也已經(jīng)無(wú)法完成溫室內(nèi)的溫度和濕度的調(diào)節(jié)。并且在我國(guó)的發(fā)展過(guò)程中，我國(guó)的溫、濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)及報(bào)警系統(tǒng)經(jīng)歷了從無(wú)到有、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展過(guò)程，其智能化程度也越來(lái)越高。因此，需要研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的測(cè)控系統(tǒng)來(lái)達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)溫濕度調(diào)節(jié)及報(bào)警的目的。雖然有些也引進(jìn)了一些國(guó)外的計(jì)算機(jī)智能控制系統(tǒng)，如溫室環(huán)境控制系統(tǒng)。因此實(shí)現(xiàn)開發(fā)低價(jià)位實(shí)用型日光溫室系統(tǒng)已迫在眉睫，對(duì)于推進(jìn)我國(guó)日光溫室智能化管理以及最大限度的減少倉(cāng)庫(kù)火災(zāi)進(jìn)程具有極為重要的意義，同時(shí)也具有很大的市場(chǎng)商機(jī)。近年來(lái)，單片機(jī)在我國(guó)的許多領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)良的性價(jià)比特別適合于日光溫室的建設(shè)要求。我國(guó)農(nóng)業(yè)正處在從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向以優(yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)為目的的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的新階段。我國(guó)目前大多數(shù)溫室內(nèi)的環(huán)境仍靠人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)管理，從某種程度上也影響了其效益和發(fā)展。只有在適宜的環(huán)境條件下，作物才能充分發(fā)揮其高產(chǎn)潛力。但如何把這類系統(tǒng)用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，從而為作物提供最佳的生長(zhǎng)環(huán)境，一直是研究者面臨的一項(xiàng)重要的任務(wù)。系統(tǒng)以 89C51 單片機(jī)為中心，編制出一套溫室自動(dòng)控制系統(tǒng) 國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展概況溫室是一種可以改變植物生長(zhǎng)環(huán)境、為植物生長(zhǎng)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?chǎng)所。溫室生產(chǎn)以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，防治病蟲害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目的?！　?guó)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。80 年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。現(xiàn)在世界各國(guó)的溫室控制技術(shù)發(fā)展很快，一些國(guó)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(wú)人化的方向發(fā)展。日本研制的蔬菜塑料大棚在播種、間苗、運(yùn)苗、灌水、噴藥等作業(yè)的自動(dòng)化和無(wú)人化方面都有應(yīng)用。一般以光照條件為始變因素，溫度、濕度和 CO2 濃度為隨變因素，使這四個(gè)主要環(huán)境因素隨時(shí)處于最佳配合狀態(tài)。英國(guó)倫敦大學(xué)農(nóng)學(xué)院研制的溫室計(jì)算機(jī)遙控技術(shù)，可以觀測(cè) 50km 以外溫室內(nèi)的光、溫、濕、氣和水等環(huán)境狀況，并進(jìn)行遙控。我國(guó)工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國(guó)家溫室控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，才掌握了人工氣候室內(nèi)微機(jī)控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于溫度、濕度和 CO2濃度等單項(xiàng)環(huán)境因子的控制。20 世紀(jì) 80 年代，由于當(dāng)時(shí)只注重引進(jìn)溫室設(shè)備，而忽略了溫室的管理技術(shù)和栽培技術(shù)，且引進(jìn)的溫室能耗過(guò)高，致使企業(yè)相繼虧損或停產(chǎn)。 “九五”初期，以以色列溫室為代表的北京中以示范農(nóng)場(chǎng)的建立，拉開了我國(guó)第二次學(xué)習(xí)和引進(jìn)國(guó)外現(xiàn)代溫室技術(shù)的序幕。1995 年，北京農(nóng)業(yè)大學(xué)研制成功了“WJG1 型實(shí)驗(yàn)溫室環(huán)境監(jiān)控計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)” ，此系統(tǒng)屬于小型分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對(duì)溫度、光照、CO2 濃度、營(yíng)養(yǎng)液和施肥等進(jìn)行綜合控制，是目前國(guó)產(chǎn)化溫室控制技術(shù)比較典型的研究成果。該系統(tǒng)由大棚本體及通風(fēng)降溫系統(tǒng)、太陽(yáng)能貯存系統(tǒng)、燃油熱風(fēng)加熱系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)環(huán)境參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)等組成。90 年代末，河北職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院的閏忠文研制了蔬菜大棚，其能夠?qū)?、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量與控制。 本課題的主要研究?jī)?nèi)容本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的硬件主要包括：主要是單片機(jī) AT89C51，檢測(cè)系統(tǒng)，顯示電路，報(bào)警電路等。如果不同作物的適合生長(zhǎng)的溫度不一樣，可以通過(guò)鍵盤電路修改預(yù)設(shè)值。這樣就實(shí)現(xiàn)了溫室自動(dòng)監(jiān)控及低溫預(yù)警的目的。 LCD 對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。溫濕度采集系統(tǒng)目前普遍采用的幾種方案： 方案一：采用單總線的DS1820的溫度傳感器和HS110X相對(duì)濕度傳感器組成的溫濕度采集系統(tǒng)。 由于傳統(tǒng)的模擬式濕度傳感器（方案一）不僅要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，還要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的校準(zhǔn)和標(biāo)定過(guò)程，其測(cè)量精度難以保證。該傳感器將 CMOS 芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)融合，為開發(fā)高集成度、高精度、高可靠性的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)提供了解決方案。 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要滿足以下條件：溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能完成數(shù)據(jù)采集和處理、顯示、輸出控制信號(hào)等多種功能。該測(cè)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)采集（檢測(cè)室內(nèi)的溫度）、實(shí)時(shí)顯示、（對(duì)監(jiān)測(cè)到的溫濕度進(jìn)行顯示）、實(shí)時(shí)報(bào)警（根據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果，低于預(yù)設(shè)定的值的進(jìn)行蜂鳴警告）的功能。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化測(cè)量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來(lái)檢測(cè)和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 21 所示：溫濕度測(cè)量電路 鍵盤掃描電路復(fù)位和時(shí)鐘電路AT89C51 報(bào)警電路 顯示電路超限處理電路21 系統(tǒng)整體框圖第三章 硬件設(shè)計(jì) 芯片介紹 單片機(jī) AT89C51為了設(shè)計(jì)此系統(tǒng)，我們采用了 80C51 單片機(jī)作為控制芯片。該系列單片機(jī)是采用高性能的靜態(tài)89C51 設(shè)計(jì) 由先進(jìn) CMOS 工藝制造并帶有非易失性 FLASH 程序存儲(chǔ)器 全部支持12 時(shí)鐘和 6 時(shí)鐘操作 P89C51X2 和 P89C52X2/54X2/58X2 分別包含 128 字節(jié)和256 字節(jié) RAM 32 條 I/O 口線 3 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 6 輸入 4 優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu) 1 個(gè)串行 I/O 口可用于多機(jī)通信 I/O 擴(kuò)展或全雙工 UART 以及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路?？蓪?shí)現(xiàn)兩個(gè)由軟件選擇的節(jié)電模式，空閑模式和掉電模式，空閑模式凍結(jié) CPU 但 RAM 定時(shí)器，串口和中斷系統(tǒng)仍然工作掉電模式保存 RAM 的內(nèi)容 但是凍結(jié)振蕩器 導(dǎo)致所有其它的片內(nèi)功能停止工作。 89C51 的基本結(jié)構(gòu)如圖 38 所示：時(shí)鐘電 路總線控 制C P UR O M / E P R O M / F L A S H4 K 字節(jié)R A M 1 2 8 字節(jié)S F R 2 1 個(gè)定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器2 個(gè)中斷系統(tǒng)5 中斷源、2 優(yōu)先級(jí)串行 口全雙工 2 個(gè)并行 口4 個(gè)R S TE A A L E P S E NX T A L 2 X T A L 1P 0 P 1 P 2 P 3V C CV S S圖 38 89C51 結(jié)構(gòu)圖89C51 的引腳圖如圖 39 所示： 圖 39 89C51 引腳圖89C51 的制作工藝為 CMOS， 采用 40 管腳雙列直插 DIP 封裝，引腳說(shuō)明如下：VCC：供電電壓。 P0 口：P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。 P1 口：P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。在FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時(shí)，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2 口輸出地址的高八位。P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。當(dāng) P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0 外部輸入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。另外，該引腳被略微拉高。 PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。注意加密方式 1 時(shí)，/EA 將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。89C51 的存儲(chǔ)器配置圖 310 89C51 存儲(chǔ)器配置程序存儲(chǔ)器與 ROM 密切相關(guān)的兩個(gè)引腳地址鎖存允許信號(hào)端外部程序存儲(chǔ)器允許輸出信號(hào)端當(dāng) ROM 容量不夠時(shí),盡量選擇高容量存儲(chǔ)器空間的單片機(jī),如89C52,89C54,89C58 等,應(yīng)避免外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器,因?yàn)闀?huì)增加硬件負(fù)擔(dān).通過(guò) 16 位 PC 尋址,最大可尋址 64kB 地址空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用于存放運(yùn)算中間的結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存、緩沖、標(biāo)志位、待測(cè)程序等功能。低 128 字節(jié)中的 20H～2FH 共 16 字節(jié)可用位尋址方式訪問(wèn)各位，共 128 個(gè)位地址，30H～7FH 共 80 個(gè)單元為用戶 RAM 區(qū)，作堆?；驍?shù)據(jù)緩沖用，片內(nèi) RAM不夠用時(shí)，須擴(kuò)展片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。寫時(shí)用 ，讀時(shí)用 做外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的選通信號(hào)特殊功能寄存器 SFR表 33 特殊功能寄存器 SFR 的位置89C51 的工作模式有四種工作模式：模式 0，模式 1，模式 2，模式 3模式 0：選擇定時(shí)器的高 8 位和低 5 位組成一個(gè) 13 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。定時(shí)時(shí)間 t=(213初值)振蕩周期12；計(jì)數(shù)長(zhǎng)度位 213=8192 個(gè)外部脈沖模式 1：與模式 0 的唯一差別是寄存器 TH 和 TL 以全部 16 位參與操作。TL 用作 8 位計(jì)數(shù)器，TH 用以保存初值。定時(shí)時(shí)間 t=(28初值)振蕩周期12；計(jì)數(shù)長(zhǎng)度位 28=256 個(gè)外部脈沖模式 3：對(duì) T0 和 T1 不大相同若設(shè) T0 位模式 3，TL0 和 TH0 被分為兩個(gè)相互獨(dú)立的 8 位計(jì)數(shù)器。TH0 僅用作簡(jiǎn)單的內(nèi)部定時(shí)功能，它占用了定時(shí)器 T1 的控制位 TR1 和中斷標(biāo)志位 TF1，啟動(dòng)和關(guān)閉僅受 TR1 控制。 溫濕度傳感器SHT11 SHT11是瑞士Ssirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片在溫濕度監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制等領(lǐng)域均已得到廣泛應(yīng)用。共主要特點(diǎn)如下： 提供二線數(shù)字串行接口SCK和DATA，接口簡(jiǎn)單，支持CRC傳輸校驗(yàn)，傳輸可靠性高； 測(cè)量精確度高，由于同時(shí)集成溫濕度傳感器，可以提供溫度補(bǔ)償?shù)臐穸葴y(cè)量值和高質(zhì)量的露點(diǎn)計(jì)算功能； 高可靠性，采用CMOSens工藝，測(cè)量時(shí)可將感測(cè)頭完全浸于水中。腳1GND和腳4VDD——信號(hào)地和電源，～ V； 腳5～8——未連接。該芯片包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件。SHT11在出廠前，都會(huì)在恒濕或恒溫環(huán)境巾進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在校準(zhǔn)寄存器中；在測(cè)量過(guò)程中，校準(zhǔn)系數(shù)會(huì)自動(dòng)校準(zhǔn)來(lái)自傳感器的信號(hào)。此功能主要為了比較加熱前后的溫度和濕度值，可以綜合驗(yàn)證兩個(gè)傳感器元件的性能。加熱后SHT11溫度升高、相對(duì)濕度降低，較加熱前，測(cè)量值會(huì)略有差異。通信協(xié)議與通用的I 2C總線協(xié)議是不兼容的，因此需要用通用微處理器I/O口模擬該通信時(shí)序。表2 SHT11控制命令代碼 命令代碼 含 義 00011 測(cè)量溫度 00101 測(cè)量濕度 00111 讀內(nèi)部狀態(tài)寄存器 00110 寫內(nèi)部狀態(tài)寄存器 11110 復(fù)位命令，使內(nèi)部狀態(tài)寄存器恢復(fù)默認(rèn)值。 硬件設(shè)計(jì)： SHT11通過(guò)二線數(shù)字串行接口來(lái)訪問(wèn)，所以硬件接口電路非常簡(jiǎn)單。 軟件設(shè)計(jì)： 微處理器和溫濕度傳感器通信采用串行二線接口SCK和DATA，其中SCK為時(shí)鐘線，DATA為數(shù)據(jù)線。在程序開始，微處理器需要用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?dòng)，如圖4所示。 DATA SCK圖4 數(shù)據(jù)傳輸啟動(dòng)時(shí)序 液晶顯示LCD16021602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊它有若干個(gè) 57 或者 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。1602LCD 是指顯示的內(nèi)容為 162,即可以顯示兩行，每行 16 個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字） 。1602LCD 主要技術(shù)參數(shù)： 顯示容量:162 個(gè)字符； 芯片工作電壓:—； 工作電流:()； 模塊最佳工作電壓:； 字符尺寸:(WH)mm。 　第2腳：VDD接5V電源正極。 　第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。15腳背光正極，16腳背光負(fù)極。1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過(guò)指令編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H。I/D：