温室大棚温湿度测控系统设计毕业设计论文Word格式.docx
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引言
随着大棚技术的普及,温室大棚数量不断增多,对于蔬菜大棚来说,最重要的一个管理因素是温湿度的控制。
温湿度太低,蔬菜就会被冻死或则停止生长,所以要将温湿度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。
传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计,工人依据读取的温度值来调节大棚内的温度。
如果仅靠人工控制既耗人力,又容易发生差错。
温室大棚的温度控制成为一个难题。
现在,随着农业产业规模的提高,对于数量较多的大棚,传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。
为此,在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温湿度自动控制系统,以控制蔬菜大棚温湿度,以适应生产需要。
设施农业是近十多年来随着农业环境工程技术的突破,迅速发展起来的一种集约化程度很高的农业生产技术。
由于设施农业是在人为可控环境保护设施下的农业生产,它摆脱了传统农业生产条件下自然气候、季节的制约,以超时令、反季节生产的设施园艺作物为主,不仅使单位面积产量及畜禽个体生产量大幅度增长,而且保证了农牧业产品,尤其是蔬菜、瓜果和肉、蛋、奶的全年均衡供应。
设施农业目前已由简易塑料大棚、温室发展到具有人工环境控制设施的自动化、机械化程度极高的现代化大型温室和植物工厂。
设施农业在具有高附加值、高效益、高科技含量的设施园艺领域发展迅速,其栽培对象主要为蔬菜、花卉和果树。
近年来,设施畜牧业养殖也在逐渐兴起,随着设施园艺栽培技术的不断提高和发展,新品种、新技术及农业技术人才的投入,提高了设施园艺的科技含量,现已培育出一批适于保护设施栽培的耐低温、弱光、抗逆性强的设施专用品种。
工厂化育苗、嫁接育苗、喷灌、滴灌、无土栽培技术、小型机械、生物技术和微电脑自控及管理的使用,提高了劳动生产率,使栽培作物的产量和质量得以提高。
随着社会的进步和科学的发展,设施农业的发展将向着地域化、节能化、专业化发展,向着高科技、自动化、机械化、规模化、产业化的工厂型农业发展,为社会提供更加丰富的无污染、安全、优质的绿色健康食品。
1绪论
1.1课题研究的背景
塑料大棚即日光温室可以养花、种菜,即使是在寒冷的冬天,人们也可以吃到很多新鲜的蔬菜,植物的生长都是在一定的环境中进行的,其在生长过程中受到环境中各种因素的影响,其中对植物生长影响最大的是环境中的温度和湿度。
环境中昼夜的温度和湿度变化大,其对植物生长极为不利。
因此必须对环境的温度和湿度进行监测和控制,使其适合植物的生长,提高其产量和质量。
现在大多数农民还是沿用人工值守的方法来看管大棚,浪费了大量的人力和物力,而且大棚的温湿度控制并不理想,往往因为温湿度控制不当造成作物的减产,从而给菜农带来了极大的损失,为此,在这里设计了一种大棚温湿度测控系统。
随着经济的发展,人们生活水平的提高,对日光温室的要求越来越高,温室控制系统的应用也越来越广,需要监控的对象亦趋于多样化,所以必须使用具有统一规范、可靠性高、组建灵活、扩展性好、维护简便、性价比高的方式来组建系统。
因此,作为日光温室的一个重要组成部分—温度湿度测控装置的研制具有极其重要的意义。
在日光温室中,由于温度过高、过低或环境湿度过大等都会影响农作物正常生长,该测控装置能够有效地将温度控制在作物所需温度范围之内,也可以很好的改善大棚湿度,为农作物的生长提供一个良好的环境,并可以针对我国南方、北方的温度、湿度差异进行适当的调整。
因此设计这样一种大棚温湿度测控系统对农业生产具有重要的意义。
本系统采用现代化的科学管理方式,采用微机监控系统,微机监控系统是针对大棚现代化技术管理的新近研制成功的设备,它具有测温、测湿、控温、控湿、报警条件判定等多项功能。
系统由AT89S52单片机,温度检测电路,湿度检测电路,控制系统,报警电路,采用LCD2864作为显示电路等构成,从而更好的控制温湿度,满足作物生长的最佳条件,并能大大缩短农作物的成熟期,提高效率。
1.2课题研究的意义
随着大棚技术的普及,温室大棚数量不断增多,温室大棚的温度控制成为一个难题。
目前应用于温室大棚的温度检测系统大多采用由模拟温度传感器、多路模拟开关、A/D转换器及单片机等组成的传输系统。
这种温度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆,才能把现场传感器的信号送到采集卡上,安装和拆卸繁杂,成本也高。
同时线路上传送的是模拟信号,易受干扰和损耗,测量误差也比较大,不利于控制者根据温度变化及时做出决定。
在这样的形式下,开发一种实时性高、精度高,能够综合处理多点温度信息的测控系统就很有必要。
本设计主要针对温室大棚内温度、湿度,研制了单片机控制的温室大棚自动控制系统,综合考虑系统的精度、效率以及经济性要求三个方面因素之后,最终确定以单片机为控制核心,选用性价比较高的温湿度传感器(可以选取分立式的温度传感器和湿度传感器,也可以选用集成的温湿度传感器),实现了对温湿度的精确测量与准确控制。
当单片机检测到温湿度有任何一个参数越限时,则会进行报警。
提示工作人员温湿度过限。
本文完成了系统的软硬件设计。
在系统设计过程中充分考虑到性价比,选用价格低、性能稳定的元器件。
该温室大棚温湿度控制系统具有检测精度高、使用简单、成本较低和工作稳定可靠等特点,不仅可以应用在农业大棚,也可以用在仓库的温湿度检测,恒温湿的机械加工厂、室内环境监测等方面。
应用范围广,所以具有一定的推广应用价值。
2系统设计的总体思路
2.1系统设计要求
2.1.1设计指标
1.基本功能
检测温度、湿度
显示温度、湿度
温度湿度过限报警
2.主要技术参数
温度检测范围:
+20℃~+40℃
测量精度:
±
1℃
湿度检测范围:
80%~120%RH
检测精度:
1%RH
显示方式:
温度:
四位显示湿度:
四位显示
报警方式:
声光报警(二极管和蜂鸣器)
2.1.2设计要求
本次需要设计一个大棚温湿度测控系统,这里选用单片机为执行器(核心器件),通过温度检测电路,湿度检测电路,控制系统,报警电路,显示电路等做成这样一个系统。
具体方案选择在下节中介绍。
2.2系统硬件的总体设计
2.2.1单片机的选择方案和论证
方案一:
采用MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片作为核心器件,有4K字节的内部FLASHPERAM,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。
方案二:
采用AT89S52芯片作为核心器件,片内ROM全都采用FlashROM;
能以3V的超低压工作;
同时也与MCS-51系列单片机完全兼容。
该芯片内部存储器为8KBROM存储空间,同样具有89C51的功能,且具有在线编程可擦除技术,当在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,不需要对芯片多次拔插,由此不会对芯片造成损坏。
所以选择采用AT89S52作为本次设计的主控制系统。
2.2.2显示模块的选择方案和论证
采用LCD-1602液晶显示器,显示容量为16*2个字符,而此次设计的是一个大棚温湿度测控系统。
这里我们需要将设定的温度值,湿度值,以及采集过来的外界环境里的温度值和湿度值显示出来。
而显然LCD-1602的显示容量只有两行,可以显示八个汉字,这样无法直接在一屏里面显示温度值和湿度值,需要分多次页数来显示,这样不便于观察温湿度的变化,所以在本次设计中不采用LCD-1602液晶显示器。
采用LCD-12864液晶显示器,可以显示四行汉字,每行为16个字符,八个汉字,这样可进行比较观察,清晰明了,易于操作,占用的单片机口线少,可以满足本系统的设计要求,因此在本次设计中的显示部分我们选用LCD-12864液晶显示器。
2.2.3温度传感器的选择方案和论证
使用热敏电阻作为传感器,用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压,利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性,采集这两个电阻变化的分压值,并进行A/D转换。
此设计方案需用A/D转换电路,这样一来,就增加了硬件成本,而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的,会产生较大的测量误差。
采用数字式温度传感器DS18B20,此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输,易于与单片机连接,由于其输出为数字量,所以不需要进行A/D转化,这样就降低了硬件成本,简化了系统电路。
另外,数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。
方案三:
采用数字式温湿度传感器DHT90,该传感器为数字式传感器,可以同时采集温度和湿度,两线制的串行接口与内部的电压调整,使外围系统集成变得快速而简单。
微小的体积,极低的功耗,使其成为我们在选择温湿度传感器时的首选。
2.2.4湿度传感器的选择方案与论证
采用HOS-201湿敏传感器。
HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器,它的工作电压为交流1V以下,频率为50HZ~1KHZ,测量湿度范围为0~100%RH,工作温度范围为0~50℃,阻抗在75%RH(25℃)时为1MΩ。
这种传感器原是用于开关的传感器,不能在宽频带范围内检测湿度,因此,主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。
然而,这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性,可有效地利用其线性特性。
采用HS1100/HS1101湿度传感器。
HS1100/HS1101电容传感器,在电路构成中等效于一个电容器件,其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。
不需校准的完全互换性,高可靠性和长期稳定性,快速响应时间,专利设计的固态聚合物结构,由顶端接触(HS1100)和侧面接触(HS1101)两种封装产品,适用于线性电压输出和频率输出两种电路,适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。
采用数字式温湿度传感器DHT90,该传感器为数字式传感器,采集湿度的精度是14位,端口较少,只需要单片机的一个端口即可驱动,精度较高,除此之外,该传感器还可以同时采集温度和湿度,并进行相对湿度补偿,易于应用,操作简单。
2.2.5系统设计方案的最终确定
综合上各方案所述,对此次系统的方案选定:
采用AT89S52作为主控制系统;
液晶显示模块LCD12864作为本次系统的显示;
DHT90温湿度传感器作为本次系统温度和湿度的信息采集;
蜂鸣器作为报警电路的主要元器件。
通过论证拟采用的设计方案内容包括以下几点:
1、选择AT89S52单片机作为整个系统的核心器件,发送并时时处理系统信息。
2、传感器是实现测量与控制的首要环节,是测控系统的关键部件,如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换,一切准确的测量和控制都将无法实现。
工业生产过程的自动化测量和控制,几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量,使设备和系统正常运行在最佳状态,从而保证生产的高效率和高质量。
在这个系统的设计中我们选用的集成温湿度传感器。
3、信号采集通道的选择:
本设计中用到的温湿度传感器,输出的是数字量,不需要进行模数转化在本设计系统中,温度输入信号为多路的模拟信号,这就需要多通道结构。
4、显示电路的设计:
这里采用液晶LCD-12864进行显示。
5、报警电路的设计:
在微型计算机控制系统中,为了安全生产,对于一些重要的参数或系统部位,都设有紧急状态报警系统,以便提醒操作人员注意,或采取紧急措施。
其方法就是把计算机采集的数据通过计算机进行数据处理、数字滤波,标度变换,这些已经在软件程序里边处理过,所以显示温湿度即为外界采集的温湿度,和设定的值比较,如果高于上限值(或低于下限值)则进行报警,否则就作为采样的正常值,进行显示和控制。
本设计采用声光报警电路。
温度和湿度任何一个超过设定范围,蜂鸣器均报警。
这里我们选用二极管的亮灭显示温度或者湿度是否过限,这样便于观察,可以更加直接的确定是要升降温还是要增减湿度,给工作人员减少了工作量。
蜂鸣器报警电路是通过MCS-52的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。
6、温度控制主程序的设计应考虑以下问题:
(1)温湿度采样,数字滤波;
(2)越限报警和处理;
(3)温度标度转换。
3硬件系统设计
3.1系统电路设计框图
图3.1系统电路设计框图
3.2系统硬件概述
采用单片机对大棚或室内的温度、湿度进行自动检测和控制不仅具有控制方便、简单和灵活性大等特点,而且可以大大提高被控制温度、湿度的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量。
本设计利用单片机的这些特点对大棚或室内的温度、湿度进行控制,将其保持在一个合适的范围内。
若温度低于20℃,加热装置工作;
若温度高于40℃,通风装置工作;
湿度低于80%RH,喷灌装置工作;
湿度达到或超过120%RH,喷灌装置停止工作。
3.3单片机主控模块的设计
3.3.1单片机的功能特性描述
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
P0口:
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。
在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;
在程序校验时,输出指令字节。
程序校验时,需要外部上拉电阻。
P1口:
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。
P2口:
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
P3口:
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。
RST——复位输入。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
PSEN——程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C52由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲,在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP——外部访问允许,欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
3.3.2AT89S52的主要特性
•与MCS-51单片机产品兼容
•8K字节在系统可编程Flash存储器
•1000次擦写周期
•全静态操作:
0Hz~33Hz
•三级加密程序存储器
•32个可编程I/O口线
•三个16位定时器/计数器八个中断源
•全双工UART串行通道
•低功耗空闲和掉电模式
•掉电后中断可唤醒
•看门狗定时器
•双数据指针
•掉电标识符
单片机的最小系统如图3.2所示,18引脚和19引脚接时钟电路,XTAL1接外部晶振和微调电容的一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输入,X
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