【正文】 錄 A 電路設(shè)計(jì)圖 ..........................................................................................40 附錄 B 程序清單 ..............................................................................................41 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 1 1 緒論 在人類的進(jìn)化史中，溫濕度扮演著極其重要的角色。無(wú)論身在哪里，從事何種工作，溫度已經(jīng)成為了我們不可避免的與之打交道的的朋友。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等行業(yè)，可以說(shuō)幾乎 80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫濕度的因素。我國(guó)人多地少，人均占有耕地面積更少且農(nóng)業(yè)活動(dòng)的生產(chǎn)效率較發(fā)達(dá)國(guó)家低。溫室大棚技術(shù)就是其中一個(gè)好的方法。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。 課題研究的背景 溫室大棚即我們?nèi)粘Ｋ姷娜展鉁厥遥梢杂脕?lái)養(yǎng)花、種植反季蔬菜。隨著生活條件的逐步轉(zhuǎn)好，我們餐桌上的菜肴早就不局限于本地的特產(chǎn)和時(shí)令蔬菜。但是現(xiàn)在不同了，由于溫室大棚技術(shù)的發(fā)展，在北方即使是寒冷的冬季，很多夏季蔬菜和南方的水果也漸漸的出現(xiàn)在了人們的餐桌上，再也不會(huì)只有白菜相伴了。在不同的環(huán)境中，晝夜的溫度和濕度變化是不同的，這其對(duì)植物生長(zhǎng)是極為不利的。現(xiàn)在在許多溫室大棚中還是沿用人工值守的方法來(lái)看管大棚，浪費(fèi)了大量的人力和河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 2 物力，而且大棚的溫濕度控制并不精確，隨之造成各種調(diào)控措施不及時(shí)，于是農(nóng)作物也往往因?yàn)闇貪穸瓤刂撇划?dāng)而減產(chǎn)，給菜農(nóng)帶來(lái)了極大的損失。因此發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)對(duì)日光溫室的要求越來(lái)越高。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。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。因此設(shè)計(jì)這樣一種大棚溫濕光測(cè)控系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。傳感器 (Transducer/Sensor)是能夠感 受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。有時(shí)也將轉(zhuǎn)換電路及輔助電路作為其組成部分。鑒于本系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的依賴性，對(duì)傳感器的選擇和應(yīng)用成為非常重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng) 的應(yīng)用于溫室大棚的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)大多是采用模擬傳感器、多路模擬開關(guān)、 A/D 轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)等組成的傳輸系統(tǒng)。同時(shí)線路上傳送的是模擬信號(hào)，易受干擾和損耗，測(cè)量誤差也比較大。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。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。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、難點(diǎn)和趨勢(shì) 國(guó)外研究現(xiàn)狀 世界發(fā)達(dá)國(guó)家大力發(fā)展集約化的溫室生產(chǎn)，用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效科學(xué)的環(huán)境調(diào)控與水肥管理，并從專用品種選育、工廠化育苗、病蟲害的生物防治，到產(chǎn)品的采收、分級(jí)包裝、冷藏運(yùn)輸，形成了完整的市場(chǎng)化技術(shù)服務(wù)體系。計(jì)算機(jī)用于溫室環(huán)境控制的技術(shù)研究開始于上世紀(jì)70 年代末，東京大學(xué)首先研制出微型計(jì)算機(jī)溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)。目前日本、荷蘭、以色列、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家可以根據(jù)溫室作物的 生長(zhǎng)要求和特點(diǎn)，對(duì)溫室內(nèi)光照、溫度、水分、氣、肥等諸多因子進(jìn)行自動(dòng)控制。我國(guó)近代溫室經(jīng)歷了發(fā)展改良日光溫室、大型玻璃室和現(xiàn)代化溫室三階段，并且各階段溫室仍然并存，其中有一半為一面坡節(jié)能型日光溫室，用于蔬菜、花卉的反季節(jié)生產(chǎn)。我國(guó)溫室大棚種植技術(shù)已突破了傳統(tǒng)的農(nóng)作物 種植受制于自然等環(huán)境諸多因素的限制，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重大意義。從總體上說(shuō)，我國(guó)自行研制開發(fā)的溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)水平和調(diào)控能力與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距。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。 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)。我國(guó)溫室未來(lái)的發(fā)展呈現(xiàn)出現(xiàn)代化、精準(zhǔn)化、多元化和都市型。它對(duì)改善農(nóng)業(yè)生態(tài)、生產(chǎn)條件、促進(jìn)農(nóng)業(yè)資源的科學(xué)開發(fā)和合理利用，進(jìn)一步降低人類的勞動(dòng)強(qiáng)度有積極的作用。 我國(guó)由于受經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)期以來(lái)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(chǎng)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。使我國(guó)溫室企業(yè)在與國(guó)外溫室企業(yè)的競(jìng)河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 5 爭(zhēng)中，從一開始就處于劣勢(shì)。因此，應(yīng)通過(guò)對(duì)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(bǔ)充光源、環(huán)境控制的儀器設(shè)備及自動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)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(guó)溫室生產(chǎn)的水平。該系統(tǒng)能夠?qū)Υ笈锘蚴覂?nèi)的溫度、濕度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和控制，不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單靈活等特點(diǎn)，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。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。 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)。然后把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳回主機(jī)，經(jīng)由主控模塊的單片機(jī)處理數(shù)據(jù)判斷是否符合所需濕度，若果符合則不動(dòng)作，繼續(xù)監(jiān)測(cè)；假若濕度過(guò)低則發(fā)出命令啟動(dòng)報(bào)警電路并同時(shí)經(jīng)由啟動(dòng)電路啟動(dòng)埋在土地中的噴水裝置對(duì)該域增區(qū)加濕度。 人機(jī)交互設(shè)計(jì)：顯示屏上不僅可以顯示 時(shí)間，而且還可以通過(guò)按鍵實(shí)時(shí)設(shè)定被監(jiān)測(cè)溫度的上下限、被監(jiān)測(cè)濕度和被監(jiān)測(cè)光照強(qiáng)度的下限值。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 思路 本設(shè)計(jì)包括 硬件部分與軟件部分 兩個(gè)部分， 硬件部分包括 檢測(cè)子部分和控制子部分 。 系統(tǒng)整體框圖如圖 21 所示。 其中， 動(dòng)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(bǔ)光電路和減弱光強(qiáng)電路。另外，本系統(tǒng)還可以顯示實(shí)時(shí)溫度、實(shí)時(shí)濕度、實(shí)時(shí)光強(qiáng) 由主機(jī)來(lái)控制各個(gè)調(diào)節(jié)電路的動(dòng)作與否，并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。 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。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。 單片機(jī)的選擇 方案一： AT89S51 有 4K 的 Flash 程序存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)的 RAM， 32 條 IO 口，中斷系統(tǒng)具有 6 個(gè)中斷源、 5 個(gè)終端矢量、 2 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)；串行口是一個(gè)全雙工的串行通信口。 方案二：采用 ATmega16 芯片。 32個(gè)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)。所以，選擇采用 ATmega16 作為本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng) 單片機(jī)。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。而此次設(shè)計(jì)的是一個(gè)大棚溫濕度測(cè)控系統(tǒng)。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。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。因此在本次設(shè)計(jì)中的顯示部分我們選用 Nokia5110 液晶顯示。其主要優(yōu)點(diǎn)是采用數(shù)字化技術(shù)，能以數(shù)字形式直接輸出被測(cè)溫度值，具有測(cè)溫誤差小、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、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(dòng)報(bào)警功能、自帶串行總線借口等優(yōu)點(diǎn)，適配各種微控制器，含微處理器和單片機(jī)，是研制和開發(fā)具有高性價(jià)比的新一代溫度測(cè)控系統(tǒng)所必不可少的核心器件。此設(shè)計(jì)方案需用 A/D 轉(zhuǎn)換電路，這樣一來(lái)，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(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。獨(dú)特的單線接口方式， DS18B20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20的雙向通訊 ,DS18B20 的測(cè)溫范圍 55℃ ~125℃，分辨率最大可達(dá) ℃。而且采用 3 線制與單片機(jī)相連，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點(diǎn)，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合。 DS18B20 實(shí)物圖如圖 23 所示。 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。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 。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)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(chǎng)合的最佳選擇。 DHT11 實(shí)物圖如圖 24 所示 圖 24 DHT11 實(shí)物圖 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 11 光敏電阻 的選擇 光照強(qiáng)度的測(cè)量選用了常用的光敏電阻。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。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。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。 圖 25 光敏電阻實(shí)圖 繼電器的選擇 因?yàn)檎{(diào)節(jié)電路中需要啟動(dòng)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(dòng)開關(guān)。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。JQC3FF 繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等構(gòu)件組成。 動(dòng)力電機(jī)的選擇 本設(shè)計(jì)中在大棚的側(cè)壁裝有通風(fēng)散熱用的電動(dòng)窗和風(fēng)扇，棚頂裝有電動(dòng)窗和卷起遮光薄膜的裝置，這些都需要電機(jī)為其提供動(dòng)力 ,風(fēng)扇的動(dòng)力電機(jī)選擇 一般電風(fēng)扇用的電壓為 220V 的單相交流電機(jī)；電動(dòng)窗的動(dòng)力電機(jī)選擇 則不用選擇太大的電機(jī)，同時(shí)為了滿足動(dòng)力需求，選擇市面上經(jīng) 常使用的電動(dòng)窗簾的直流電機(jī)即可。 為了充分發(fā)揮單片機(jī)的長(zhǎng)處，實(shí)現(xiàn)盡可能多的功能，使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，工作得更可靠，操作更具備人機(jī)交互性，并且要使整個(gè)系統(tǒng)能真正的在實(shí)際應(yīng)用中能發(fā)揮作用，對(duì)硬件電路進(jìn)行的精心的設(shè)計(jì)，需要對(duì)每一個(gè)方案都經(jīng)過(guò)了反復(fù)的比較和論證，始終做到最佳完美，符合設(shè)計(jì)目的。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間， ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏單元 (ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。 ATmega16 有如下特點(diǎn) ： 16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW)， 512 字節(jié) EEPROM， 1K 字節(jié) SRAM， 32 個(gè)通用 I/O 口線， 32 個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 (T/C),片內(nèi) /外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口， 8 路 10 位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益 (TQFP 封裝 )的 ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè) SPI 串行端口，以及六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。端口 A 為 8 位雙向 I/O 口，河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 書 13 具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。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 B(PB7~PB0)：端口 B 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。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 B 也可以用做其他不同的特殊功能。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。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口 C 處于高阻狀態(tài)。端口 C 也可以用做其他不同的特殊功能 . 端口 D(PD7~PD0)：端口 D 為 8 位雙向 I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則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。門限時(shí)間見 P36Table 15。 AVCC：端口 A 與 A/D 轉(zhuǎn)換器的電源。使用 ADC 時(shí)應(yīng)通過(guò)一個(gè)低通濾波器與 VCC 連接。 ATmega16L 雙列直插式封裝有 40個(gè)引腳，而貼片式封裝有 44 個(gè)引