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周芳芳论文修改稿

蔬菜大棚环境监控系统

摘要

近年来电子技术和信息技术的飞速发展，带来了温室控制与管理技术方面的一场革命，应用自动控制和电子计算机实现农业生产和管理的自动化，是农业现代化的重要标志之一。

上世纪80年代初诞生了第一批温室控制计算机，此后温室计算机控制及管理技术便先是在各国家得到发展，获得广泛应用。

这项技术在给各国带来巨大的经济效益的同时，也极大地推动了各国农业的现代化进程。

在农业生产过程中，反季节的蔬菜生产，能获得较大的经济效益，这就要用到蔬菜大棚环境监控系统。

该监控系统对大棚内的温度、湿度进行检测，并控制使之达到最佳的蔬菜生长环境。

本系统为一个全自动的蔬菜大棚温度、湿度巡回检测与控制系统。

89S52单片机作为系统的核心，控制温度值、湿度值的采集、显示及控制。

温度和湿度传感器将采集到的数值传送给89S52，通过ZLG7290驱动键盘和数码管将采集到的数值显示出来。

当采集到的数值超过键盘电路设置的温度及湿度参数范围时，报警电路就会发出报警提示。

同时单片机会发出信号分别给温度、湿度控制电路，调节蔬菜大棚内的温度、湿度值到合适的范围，使整个系统控制趋于智能化。

关键词：

单片机，数据采集，显示

请将英文翻译作相应改动！

MonitorandControlSystemforVegetableShedEnvironment

ABSTRACT

Inrecentyears,therapiddevelopmentofelectronictechnologyandinformationtechnologyhascausedarevolutionongreenhousemanagementandcontroltechnology，theapplicationofautomaticcontrolandelectroniccomputeronrealizingtheautomationofagriculturalproductionandmanagementisoneoftheimportantmarksofagriculturalmodernization。

Computercontrolandmanagementsystemofgreenhouseisconstantlyabsorbingthenewtheoriesandmethodsofautomaticcontrolandinformationmanagement,combinedwiththefeaturesoftheplantingofgreenhousecrops，innovatecontinuouslyandperfectgradually，thusrealizingtherealmeaningofmodernizationandindustrializationongreenhousecrops

Inthe1980s,thefirstgreenhousecontrolcomputerswereborned,thenthecomputercontrolandmanagementtechnologyofgreenhousewasfirstwidelyusedindevelopedcountries,afterwardsitwasintroducedtothedevelopingcountries，andtheydevelopthesystemtosuitthemselves.Thisnotonlybringshugeeconomicbenefits,butalsogreatlypromotesthemodernizationofagricultureinallcountries.

Thisisafull-automaticandtouringinspectionsystemoftemperatureandhumidityinthevegetableshed.89S52MCUasthecoreofthesystemcontrolsthecollection,displayandcontroloftemperatureandhumidityvalues.Temperatureandhumiditysensorswillsendthevaluesto89S52,thentheZLG7290drivesthekeyboardanddigitaltubetodisplaythevalues.Whenthecollectedvalueismorethanthetemperatureandhumidityparameterscopesettedbythekeyboardcircuit,thealarmcircuitwillalarm.Whilethemicrocontrollerwillsendsignalstotemperatureandhumiditycontrolcircuit,adjustingthehumidityandtemperatureinvegetableshed,tomakethewholesystemtendtointelligence.

KEYWORDS：

MCU,dataacquisition,display

目　录

前　言1

第1章方案概况2

§1.1设计任务2

§1.2方案选择比较3

§1.2.1温度数据采集与温度控制3

§1.2.2湿度数据采集与湿度控制错误！

未定义书签。

§1.2.3键盘控制与显示错误！

未定义书签。

§1.3方案选择5

第2章系统核心模块7

§2.1AT89S52单片机功能介绍错误！

未定义书签。

§2.2AT89S52单片机存储容量的扩展错误！

未定义书签。

第3章单片机外围电路扩展错误！

未定义书签。

§3.1温度数据采集与温度控制错误！

未定义书签。

§3.1.1DS18B20芯片工作原理11

§3.1.2温度控制电路工作原理错误！

未定义书签。

§3.2湿度数据采集与湿度控制13

§3.2.1湿度数据采集电路工作原理错误！

未定义书签。

§3.2.2湿度控制电路工作原理错误！

未定义书签。

§3.3报警电路错误！

未定义书签。

§3.4键盘控制与数据显示错误！

未定义书签。

§3.4.1键盘控制介绍错误！

未定义书签。

§3.4.2显示介绍错误！

未定义书签。

§3.4.3ZLG7290与键盘及LED显示电路的连接错误！

未定义书签。

第4章软件的设计错误！

未定义书签。

§4.1应用软件错误！

未定义书签。

§4.1.1内存单元分配错误！

未定义书签。

§4.1.2系统初始化错误！

未定义书签。

§4.1.3主程序流程错误！

未定义书签。

§4.2错误！

未定义书签。

结　论20

参考文献22

致　谢23

附　录24

前　言

温室农业的建设和发展是现代化农业发展的重要组成部分，也是现代化农业发展的高级阶段。

随着现代农业的发展，温室农业越来越受到世界各国的重视。

温室现代化主要体现在对温室内部环境的监控上，环境监控技术则是实现温室生产管理自动化、科学化的基础，所以环境监控是农业现代化的重要标志。

近百年来，温室的自动控制和管理技术水平在不断地提高，也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇。

环境监控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育及其病虫害发生规律，控制环境条件，维护温室生态系统健康，达到作物优质、高产、高效的栽培目的。

应用计算机技术,不断吸收智能控制和信息技术领域新的理论和方法,不断创新,逐步完善,才能使温室系统实现真正意义上的现代化、产业化。

因此,开展对温室环境智能监控系统的研究,对提高温室经济效益和加快我国温室生产的现代化水平均具有重要意义。

本文基于温室智能化控制的理论和方法,将智能传感器监测和单片机控制相结合,提出了基于单片机的温、湿度检测系统设计方案。

本系统采用层次化、模块化设计,整个系统由数据采集系统、单片机控制系统、数据处理及环境控制系统组成。

系统以单片机为核心,以温度、湿度传感器作为测量元件,通过单片机与智能传感器相连,采集并存储智能传感器的测量数据，经处理后对改变棚内环境的相关设施发出指令。

在单片机系统中,还要实现程序的扩展存储、数据的实时显示和超限报警功能。

系统利用环境数据与作物信息，指导用户进行正确的栽培管理。

该系统可广泛应用于种植业、园艺、畜牧业等领域，实现对现代农业综合生态信息参数的自动监测，并且为环境进行自动控制和智能化管理提供科学依据和装备。

方案概况

设计任务

设计完成基于单片机的蔬菜大棚环境监控的系统，研究相关传感器与单片机系统的连接，实现数据采集与显示。

该系统具有蔬菜大棚内温度、湿度检测及控制的功能。

通过设定蔬菜大棚温度、湿度值，实时对蔬菜大棚环境进行检测，发出指令控制相关设备，实现对棚内的温度、湿度进行改变，并能对超出设定值的现象进行报警。

基于以上的设计任务，可采用以下方案：

用温度、湿度传感器实现对温度及湿度模拟量的采集，将采集到的数值经过转换以后送给单片机进行处理，进行显示；通过键盘电路设置预置的温度值及湿度值，并通过数码管显示出来；单片机内部将采集到的值与键盘设置的值进行比较，超出设置值的范围时报警电路进行报警提示，同时单片机发出信号给输出控制电路，进行相应的温度、湿度调节。

由此可得出的系统原理图如下所示：

图1-1系统原理图

基本要求：

在掌握单片机及外围电路设计基本原理的基础上，正确使用相关传感器进行必要的数据采集，完成基于单片机的蔬菜大棚环境监控的硬件电路设计，即绘制电路原理图，包括各功能模块元器件的选择、相互间的电路连接，设计实现该功能的软件系统。

方案选择比较

根据需要，把该设计划分为如下几部分：

（1）温度数据采集与温度控制；

（2）湿度数据采集与湿度控制；

（3）键盘控制与显示；

（4）通信方式；

温度数据采集与温度控制

一、温度数据采集：

方案一：

使用芯片DS18B20，这个芯片能够直接将采集到的模拟量转变成数字量，测量结果以9~12位数字量方式串行传送。

其主要有以下几个优点：

1.单线结构，只需一根信号线和CPU相连。

2.不需要外部元件，直接输出串行数据。

3.不需要外部电源，直接通过信号线供电，电源电压范围为3.3V～5V。

4.测温精度高，测温范围为：

-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，精度为±0.5℃。

5.测温分辨率高，当选用12位转换位数时，温度分辨率可达0.0625℃。

方案二：

使用温度传感器AD590，它是美国AD公司研发的一个与绝对温度成正比的电流型传感器，体积小、种类多，测温范围为-50℃～150℃。

AD590是一个具有高输入阻抗的电流输出传感器，它对电压变化不敏感，

AD590的输出量是电流，当电流流经电阻时，则转变为电压信号。

并且转变成的电压信号是模拟量，还需要使用AD0809构成A/D转换。

电路比较复杂。

通过比较，选择DS18B20芯片作为温度采集的输入控制。

二、温度控制：

方案一：

采用可控硅实现，双向可控硅SCR和电炉电阻丝串接在交流220V的回路中，通过单片机发送一个信号通过光电离合器和驱动电路送到可控硅的控制端，由该信号的高低电平来控制可控硅的导通与断开，从而控制电阻丝的通电加热时间。

方案二：

利用电磁继电器外接一个电阻丝来实现温度控制。

电磁继电器是利用电磁铁来控制工作电路的一种开关，用低电压控制高电压，小电流控制大电流，实现电阻丝的通电，发出提升棚内温度的热能。

由于方案一用到的元件较多，电路比较复杂，所以在本系统中采用方案二，即采用电磁继电器实现温度控制。

湿度数据采集与湿度控制

一、湿度控制：

方案一：

采用HSll00／HSll0l电容传感器，在电路构成中其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。

如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，可以采用以下方法：

是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计箅机所采集。

方案二：

使用S302H2湿度传感器芯片，由于该湿度传感器输出的是模拟量，所以需要使用ADC0809构成A/D转换。

比较两个方案，方案一具有响应速度快、体积小、线性度好、较稳定等优点，故选择方案一。

二、湿度控制：

在需要改变环境湿度的情况下，采用DAC0832将单片机的数字信号转变成模拟量，经过放大器输出以后，控制喷洒设备即可。

键盘控制与显示

方案一：

使用ZLG7290驱动键盘及数码管显示。

ZLG7290可采样64个按键或者传感器，可检测每个按键的连击次数。

可控制扫描位数，可控制任一个数码管的闪烁。

ZLG7290的接口传输率可达32kbit/s，容易与处理器接口。

并提供键盘中断信号，提高主处理器时间效率。

方案二：

显示电路采用8255扩展若干位LED显示器，采用8255的PA口输出位选码，PB口输出段选码，位选码占用输出口的线数取决于显示器的位数。

8255的A口作为扫描口，经反相驱动器75452接显示器公共端，B口作为段数据口，经同相驱动器7407接显示器的各个段。

此种方法需要在线路上添加键盘，用到的器件较多，电路比较复杂，且能带动的数码管的个数不多。

综合以上两种方法，选用7290带动键盘和显示器的方法较为简单。

方案选择

基于前面的分析，本系统具体设计方案框图见图1-2。

图1-2系统方案框图

（1）信号采集：

DS18B20和HS1101传感器；

（2）数据控制处理：

AT89S52；

（3）D/A变换器：

DAC0832；

（4）键盘、显示器接口芯片：

ZLG7290。

系统使用单片机AT89S52接收来自传感器的信号，并通过键盘、显示接口芯片ZLG7290外接键盘与LED进行控制与显示。

用户可以通过系统键盘方便地设置预置的温度值及湿度值，通过控制电路控制蔬菜大棚内的环境参数。

系统核心模块

AT89S52单片机功能介绍

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

  AT89S52具有如下特点：

40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

AT89S52引脚图如下：

图2-1AT89s52管脚图

§2.2AT89S521单片机存储容量的扩展

一、程序存储器的扩展：

EPROM可作为MCS-51系列芯片的外部程序存储器，其中最典型的芯片就是2716，2716有11根地址线和8根数据线。

其管脚图如下：

图2-22716管脚图

各引脚信号功能如下：

A10～A0（addressinputs）：

地址线，可寻址16KB的存储空间。

D7～D0（databus）：

数据线，双向，三态。

O/E/：

存储器输出允许信号；

E/P：

片选信号

VPP：

编程电压

程序存储器芯片与单片机可按如下方式连接：

1.地址线的连接：

存储器低8位地址线A7—A0与P0口（P0.7—P0.0）连接；

存储器高6位地址线A10—A8与P2口（P2.2—P2.0）连接。

2.数据线的连接：

存储器的8位数据线D7—D0与P0口（P0.7—P0.0）连接。

3.控制线的连接：

ALE（地址锁存允许信号）与地址锁存器锁存信号连接；

E/A/（片内/片外存储器选择信号）接地。

二、数据存储器的扩展：

数据存储器的扩展采用外部数据存储器6264芯片，6264是一种8K×8的静态存储器，主要包括512×128的存储器矩阵、行／列地址译码器以及数据输入输出控制逻辑电路。

地址线13位，数据线8位。

6264有28个引脚，其管脚图如下所示。

图2-36264管脚图

引脚信号介绍如下：

A12～A0（addressinputs）：

地址线，可寻址8KB的存储空间。

D7～D0（databus）：

数据线，双向，三态。

OE（outputenable）：

读出允许信号，输入，低电平有效。

WE（writeenable）：

写允许信号，输入，低电平有效。

CE（chipenable）：

片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。

CE2（chipenable）：

片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。

VCC：

+5V工作电压。

GND：

信号地。

数据存储器芯片与单片机按如下方式连接：

1.地址线的连接：

存储器低8位地址线A7—A0与P0口（P0.7—P0.0）连接；

存储器高6位地址线A13—A8与P2口（P2.5—P2.0）连接。

2.数据线的连接：

存储器的8位数据线D7—D0与P0口（P0.7—P0.0）连接。

3.控制线的连接：

存储器读（输入）信号RD/与单片机读（输出）信号R/D/（P3.7）连接；

存储器写（输入）信号WE/与单片机写（输出）信号W/E/（P3.6）连接；

ALE（地址锁存允许信号）与地址锁存器锁存信号连接。

三、单片机与程序存储器、数据存储器的连接：

单片机P0口的8根线经过74LS373锁存以后分别送到6264和2716的低8位地址线，6264的高5位地址线接单片机P2口的低5位，2716的高3位地址线接单片机P2口的低3位；6264与2716的8根数据线均接到单片机的P0口；单片机的读写控制信号接6264的读写端口，实现数据的读写控制；单片机的P2口的高2位经过2/4译码器以后接到两个存储器的片选端，以便控制两个存储器的选通与否；单片机的两个引脚XTAL1与XTAL2外接石英晶体及电容构成一个自激振荡器，对单片机提供时钟电源。

综上所述，单片机程序存储器与数据存储器扩展电路图如下所示：

图2-4AT89s52存储容量扩展

第3章单片机外围电路扩展

§3.1温度数据采集与温度控制

温度量的采集是使用DS18B20芯片，该芯片将采集到的温度值送给单片机，单片机进行处理以后，发送信号给温度控制电路，对温度进行调节。

§3.1.1DS18B20芯片工作原理

图3-1DS18B20管脚图

各引脚功能描述如下：

DQ：

数字信号输入/输出端。

GND：

电源地端。

VDD：

外接供电电源输入端（在寄生电源接线时此脚应接地）。

一、DA18B20技术性能描述

　　1.独特的单线接口方式。

DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

信息通过1线接口从DS18B20发送，所以中央微处理器与DS18B20只有一个一条口线连接。

　　2.测温范围－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃。

3.支持多点组网功能。

因为每一个DS18B20都包含一个独特的序号，多个ds18b20s可以同时存在于一条总线。

这使得温度传感器放置在许多不同的地方，实现多点测温。

但是最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。

4.工作电源：

3~5V/DC。

5.在使用中不需要任何外围元件。

读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。

6.测量结果以9~12位数字量方式串行传送。

二、DS18B20的存储器

DS18B20的存储器包括高速暂存器RAM和电可擦除RAM。

高速暂存器RAM是由8个字节的存储器组成。

第一和第二个字节是温度的显示位；第三和第四个字节是复制TH和TL，同时第三和第四个字节的数字可以更新；第五个字节是复制配置寄存器，同时第五个字节的数字可以更新；六、七、八三个字节是计算机自身使用。

用读寄存器的命令能读出第九个字节，这个字节是对前面的八个字节进行校验。

电可擦除RAM又包括温度触发器TH和TL，以及一个配置寄存器。

存储器能完整的确定一线端口的通讯，数字开始用写寄存器的命令写进寄存器，接着也可以用读寄存器的命令来确认这些数字。

当确认以后就可以用复制寄存器的命令来将这些数字转移到可电擦除RAM中。

当修改过寄存器中的数时，这个过程能确保数字的完整性。

DS18B20将采集到的温度值传送给单片机，完成一次数据采集。

§3.1.2温度控制电路工作原理

温度控制电路使用电磁继电器控制电路的导通与闭合，以达到温度调节的目的。

温度控制电路的如图3-2所示：

图3-2温度控制电路原理图

温度控制电路的工作原理是：

温度控制电路使用电磁继电器控制电路的导通与断开。

当蔬菜大棚内的温度低于键盘设置的温度值的范围时，单片机经过处理以后，会发送一个高电平给温度控制电路，在图中即为in端接收到的电平，此高电平会使三极管导通，经三极管放大以后产生的电平使电磁继电器闭合，从而控制电阻丝导通产生更多的热量，以提高蔬菜大棚内的温度。

同样的道理，当蔬菜大棚内的温度高于键盘设置的温度值的范围时，单片机经过处理以后，会发送一个低电平给温度控制电路，在图中即为in端接收到的电平，此低电平不能使三极管导通，因此不能使电磁继电器闭合，电阻丝不能产生更多的热量，以降低蔬菜大棚内的温度。

§3.2湿度数据采集与湿度控制

湿度值的采集是使用HS1101芯片，该芯片将采集到的湿度经过555振荡器放大以后送给单片机，单片机进行处理以后，发送信号给湿度控制电路，对湿度进行调节。

§3.2.1湿度数据采集电路工作原理

湿度采集电路图如下所示：

图3-3湿度数据采集电路原理图

湿度检测采用HS1101型湿度传感器，HS1101是HUMIREL公司生产的变容式相对湿度传感器。

555芯片外接电阻R24，R26与HS1101，构成对HS1101的充电回路。

7端通过芯片内部的晶体管对地短路实现对HS1101的放电回路，并将引脚2，6端相连引入到片内比较器，构成一个多谐波振荡器，其中，R24相对于R26必须非常的小，但决不能低于一个最小值。

R27是防止短路的保护电阻。

HS1101测量湿度采用将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转换成电压频率信号，可以直接被微处理器采集。

§3