毕业设计 智能温室控制系统.docx
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毕业设计智能温室控制系统
毕业设计(论文)
题目:
智能温室控制系统
学院:
机电工程学院
专业班级:
机械工程及自动化09级01班
指导教师:
李洁职称:
讲师
学生姓名:
王振委
学号:
40902010126
摘要
;本文主要是研究基于AT89C51单片机的智能温室控制系统的硬件结构和软硬件的设计。
本系统采用以AT89C51单片机为控制器,用DS18B20温度传感器采集当前的温度,若显示温度超过上限或低于下限设定的温度范围,指示灯就会闪烁,通过继电器控制空调降低温度或电阻加热器加热升温。
用HIH3610相对湿度传感器采集当前的相对湿度,通过A/D转换器实现与单片机的信号传送,如相对湿度过小或过大,蜂鸣器就会发出警报,通过控制加湿器加湿或干燥机减小湿度。
智能温室控制系统采用简单直观的数字显示,在LCD1602显示屏上可以同时显示当前温、湿度,上限温、湿度和下限温、湿度,仅用三个控制按钮,操作简单,本设计具有电路简单、显示直观、系统稳定、采集方便、功能多样、成本低廉等等许多优势。
[关键词]AT89C51传感器 转换器 蜂鸣器 LCD1602
Abstract
ThispaperisbasedonthedesignofhardwarestructureofintelligentgreenhousecontrolsystembasedonAT89C51softwareandhardware.ThesystemusesAT89C51microcontroller,collectingthecurrenttemperaturebytheDS18B20temperaturesensor,ifthetemperatureexceedsthelimitorbelowthelowerlimitofthetemperaturerangeset,theindicatorlighttoshine,Throughtherelaytocontroltheairtemperaturedecreasesortheresistanceheaterheating.collectingthecurrentrelativehumidity bytheHIH3610humiditysensor,throughtheA/Dconverterandsignaltransmittingsinglechip,iftherelativehumidityistoosmallortoobig,thebuzzerwillsoundthealarm,Bycontrollingthehumidifierhumidificationorreducethehumiditydryer.Intelligentgreenhousecontrolsystemusingsimpleandintuitivedigitaldisplay,LCD1602screencandisplaythecurrenttemperature、humidity,higherlimittemperature、humidityandlowerlimittemperature、humidity,Withonlythreecontrolbuttons,simpleoperation,hastheadvantagesofsimplecircuit,intuitivedisplay,systemstability,easycollection,multiplefunctions,lowcostandmanyotheradvantagesofthisdesign.
[Keywords]AT89C51 sensor converterbuzzerLCD1602
第1章绪论
1.1本文的研究背景
在科技快速发展的21世纪,随着计算机领域不断的发展与成熟。
现代农业的发展也日益趋向高科技、自动化,近些年单片机的应用不断的多元化,在农业中单片机的应用也变的成熟。
本文就是利用单片机设计的温湿度的采集与控制装置。
现代农业中温室大棚发挥着举足轻重的作用,智能温室控制系统在国外已经比较完整与完善了,但是现在的蔬菜大棚由于种种原因主要还是采用人工的操作来协调温室里蔬菜、植物的生长于发育,这样不可避免的会对植物的生长造成不利的影响,即加大了投入力度,也减慢了管理的效率。
其实温度、湿度对于植物的生长有着极为重要的作用,所以在当今科技无疑是为温室大棚指明了方向。
因此,本文主要研究如何充分利用科技,利用单片机来实现温室大棚温、湿度自动化控制。
目的在于一方面能节省人力资源,节省时间与投入,一方面还能为植物提供更有利的生长、发育的环境。
温度与湿度对于植物的影响是现在研究领域很关注的两方面因素。
首先说下温度的影响,温室内的温度主要是影响酶的活性,导致一些反应受,阻生长出现问题,过低会影响细胞形态。
持续的低温对植物生长发育不利,使光合作用降低,影响矿物质的吸收和养分的运转,使根、茎、叶代谢过程受到抑制,导致作物生长发育缓慢,生育进程延迟。
由此可见温度在最适范围内,植物对生长发育很重要,气温也直接影响了植物的新陈代谢强度和蒸腾的强度。
其次说下湿度的影响,温室内的湿度是由土壤水分的蒸发、喷雾补充水分和植物体内水分的蒸腾在大棚密闭情况下形成的。
问室内植物生长势强、代谢旺盛、植物叶面积指数高,通过蒸腾作用释放出大量水蒸气。
同时,由于大棚内的空间小、气流比较稳定,在密不透风的环境里,大棚里水蒸气经常接近饱和状态,空气绝对湿度和相对湿度均比室外种植高得多。
空气湿度影响植物的蒸腾作用,湿度越大蒸腾作用就越弱,植物运输矿质营养的能力就下降,从而影响植物生长。
湿度过大或过小都会导致植物气孔关闭,影响光合作用,同样影响了植物的生长。
湿度过大有利于病菌的繁殖,过低又有利与虫害的发生。
由此可知温、湿度在温室大棚中的影响真是极其重要的,这两方面因素对于植物的生长、发育起着至关重要的作用。
其实温、湿度的不仅对于植物有着这么重要的影响,在其他方面也有着很广泛的研究与应用,所以在当下利用自动化提高对温、湿度的控制以及精度,对于科技的发展是更有利的,同时在温室里对于植物的生长、发育也是提供了最佳的环境。
1.2本文研究的意义
随着社会的进步和经济的快速发展,农业的发展也日益科技化,现代化。
温室在现在的农业中占据了重要的低位,但是传统的温室大棚已经无法满足当下的生产效率了,所以建造新型的,高科技的温室不但可以解决很多不可避免的自然因素,而且大大减少了投入,提高了植物的产值,以及环境的利用率。
本设计的目的就是以单片机为基础,设计一种智能的温、湿度巡检设备,以达到自动化。
从而提高温室的环境,为植物的生长,发育创造出最佳的条件,最终提高了作物常量,增加了收益。
本设计需要了解单片机、温度传感器、湿度传感器等相关知识,了解温、湿度测量及控制的相关知识。
利用单片机设计智能温、湿度控制系统,通过温、湿度传感器对温室温、湿度的采集,然后讲数据送入单片机,单片机对采集来的数据进行分析、处理,并通过执行部件对温室进行加温、保温、降温,加湿、保湿、加干的处理,这个研究是自动化、智能化的体现,在今后的农业中讲有着无限的发展空间,在温室控制中讲发挥这巨大的推进作用。
1.3国内外研究现状
1.3.1国外研究现状
国外如荷兰、美国、以色列等发达国家大力发展温室产业,温室内温度、湿度、光照实现了计算机调节控制,栽培管理等等形成了一套完整的自动化技术体系。
此外,国外的温室业正致力于向高科技方向发展。
遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中。
控制要求能在远离温室的计算机控制室就能完成,即远程控制。
另外该网络还连接有几个通讯平台,用户可以在遥远的地方通过形象、直观的图形化界面与这种分布式的控制系统对话。
美国是最早发明计算机的国家,也是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一。
美国有发达的设施栽培技术,综合环境控制技术水平非常高。
环境控制计算机主要用来对温室环境进行监测和控制。
以花卉温室为例,温室内监控项目包括室内气温、水温、土壤温度、锅炉温度、管道温度、相对空气湿度、保温幕状况、通窗状况、泵的工作状况、CO2浓度;室外监控项目包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等。
温室专家系统的应用给种植者带来了一定的经济效益,减轻了技术管理的工作负荷,同时也为种植带来了理想的效率。
1.3.2国内研究现状
20世纪70年代我国开始把计算机应用于农业,80年代开始应用于温室控制领域。
20世纪90年代初期,中国农业科学院农业气象研究所和作物花卉研究所,研制开发了温室控制与管理系统,并开发了基于Windows操作系统的控制软件;90年代中后期,江苏理工大学毛罕平等人研制开发了温室软硬件控制系统,能对营养液系统、温度、光照、CO2、施肥等进行综合控制,是目前我国温室计算机控制系统较为典型的研究成果。
在此期间,中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学、中国科学院上海植物生理研究所等单位也都侧重不同领域,研究温室设施的计算机控制与管理技术。
“九五”期间,国家科技攻关项目和国家自然科学基金均首次增设了工厂化农业研究项目,并且在项目中加大了计算机应用研究的力度,其中“九五”国家重大科技产业工程“工厂化高效农业示范工程”中,直接设置了“智能型连栋塑料温室结构及调控设施的优化设计及实施”的专题。
20世纪90年代末,闫忠文研制了作物大棚温湿度测量系统,能对大棚内的温湿度进行实时测量与控制。
中科院合肥智能机械研究所研制了“农业专家系统开发环境—DET系列软件”和智能温室自动控制系统,能够有效地提高作物产量、缩短生长期、减小人工操作的盲目性。
北京农业大学研制成功“WJG-1”温室环境监控计算机管理系统,采用了分布式控制系统。
河南省农科院自动化控制中心研制了“GCS—I型智能化温室自动控制系统”,采用上位机加PLC的集散式控制方法,软件采用智能化模糊算法。
中国农业大学设计研制的“山东省济宁大型育苗温室计算机分布式控制系统”,实现了计算机分布式控制。
由于我国的设施栽培起步比较晚、基础比较差,并没有将其作为整体工程问题研究。
1.4本文的主要内容
本文所要设计的课题是基于单片机的智能温室控制系统的设计,主要要实现温室温、湿度的实时显示、控制及报警。
温室控制系统采取用AT89C51单片机、数字温度传感器DS18S20、HIH3610湿度传感器、A/D转换器ADC0832及LCD数码管的硬件电路完成对温室温、湿度的实时检测及显示.利用DS18B20传感器采集温室内的环境温度,并直接转化为数字信号送入单片机进行处理,湿度传感器采集温室内的环境湿度,利用模拟电压信号通过A/D转换器ADC0832送入单片机进行处理。
并与设定值进行比较,与设定值不符时采取相应的处理措施,以实现控温控湿的目的。
第2章相关技术概述
2.1单片机的选型
2.1.1单片机的选型
单片机也称为微控制器或者单片微型计算机。
它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(1/0)等主要计算机功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的,在智能控制系统中,单片机得到了广泛的应用。
各个系列的单片机各有所长,在处理速度、稳定性、I/O能力、功耗、功能、价格等方面各有优劣。
本文选用AT89C51,它是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器。
2.1.2单片机的介绍
AT89C51单片机提供以下标准功能:
4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89C51指令简单,易学易懂,外围电路简单,硬件设计方便,io口操作简单,无方向寄存器,资源丰富,价格便宜,容易购买等优势。
如图2-1为AT89C51的封装图,图2-2为内部结构图。
图2-1AT89C51封装图
图2-2AT89C51内部结构图
AT89C51单片机内部结构主要部件如下:
(1)1个8位的中央处理器,是单片机的核心
(2)128个字节的内部数据RAM,地址为00H~7FH
(3)21特殊功能寄存器SFR,离散分布于地址80H~FFH中
(4)程序计数器PC,是物理上独立的16位专用寄存器
(5)4K字节FLASH内部程序存储器
(6)4个8位可编程I/0口
(7)1个UART串行通信口
(8)2个16位定时器、计数器
(9)5个中断源,两个中断优先级的中断控制系统
(10)一个片内振荡器和时钟电路
(11)用于扩展外RAM、外ROM等的结构地址总线AB,数据总线DB,控制总线CB
2.2温度传感器的选型
2.2.1温度传感器的选型
温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。
温度传感器是温度测量仪表的核心部分,品种繁多。
按测量方式可分为接触式和非接触式两大类,按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。
温度传感器有四种主要类型:
热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器和IC温度传感器。
IC温度传感器有包括模拟输出和数字输出两种类型。
温度传感器的选型,如果要进行可靠的温度测量,首先就需要选择正确的温度仪表,其中最常用的就是那四种主要类型。
本文选用DS18B20数字温度传感器,它与传统的热敏电阻有所不同的是,使用集成芯片,采用单总线技术,能够有效的减小外界的干扰,提高测量的精度,同时,它可以直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理,接口简单,使数据传输和处理简单化。
2.2.2温度传感器的介绍
DS18B20具有体积更小、适用电压更跟经济、可选更小的封装方式,更宽的电压适用范围,适合于构建自己的经济的测温系统。
如图2-3为DS18B20的内部结构,图2-4为测温原理。
应用范围:
(1)该产品适用于冷冻库,粮仓,储罐,电讯机房,电力机房,电缆线槽等测温和控制领域
(2)轴瓦,缸体,纺机,空调,等狭小空间工业设备测温和控制。
(3)汽车空调、冰箱、冷柜、以及中低温干燥箱等。
(4)供热/制冷管道热量计量,中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制
由此可见由于DS18B20的优势是很明显的,测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少它的应用范围广泛,得到了广泛的应用,在不同领域的都发挥着重要的作用。
图2-3DS18B20内部结构
图2-4DS18B20测温原理
测温原理:
低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1,为计数器提供一频率稳定的计数脉冲。
高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,很敏感的振荡器,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入,为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。
图中还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数,进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置将重新被装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到减法计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性,其输出用于修正减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直至温度寄存器值达到被测温度值。
2.3湿度传感器的选型
2.3.1湿度传感器的选型
湿度传感器是指能感受气体中水蒸气含量,并转换成可用输出信号的传感器。
和测量重量、温度一样,选择湿度传感器首先要确定测量范围。
除了气象、科研部门外,搞温、湿度测控的一般不需要全湿程测量。
在如今的信息时代,传感器技术与计算机技术、自动控制技术紧密结合着。
测量的目的在于控制,测量范围与控制范围合称使用范围。
当然,对不需要搞测控系统的应用者来说,直接选择通用型湿度仪就行。
湿敏元件是最简单的湿度传感器。
湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。
本文选用HIH3620温度传感器,它是为大批量OEM设计,具有仪表级测量性能,低成本,SIP封装。
线性放大电压输出,驱动电流200微安,适合电池供电,器件一致性好,所以有广泛的应用。
2.3.2湿度传感器的介绍
HIH3610湿度传感器采用恒压供电,内置放大电路,能输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号,响应速度快,重复性好,抗污染能力强。
HIH3610湿度传感器的特性:
(1)基于独特工艺设计的电容元件,专利的固态聚合物结构
(2)高精度:
±2%RH,极好的线性输出
(3)宽量程:
1~99%RH,宽工作温度范围-40~100℃
(4)湿度输出受温度影响极小,常温使用无须温度补偿
(5)响应时间5秒,浸水或结露后10秒迅速恢复图2-5HIH3610传感器
(6)抗静电,防灰尘,有效抵抗各种腐蚀性气体物质
(7)长期稳定性及可靠性,年漂移量0.5%RH/年
(8)电容与湿度变化0.34pf/RH,典型值180pf@55%RH
2.4A/D转换器的选型
2.4.1A/D转换器的选型
A/D转换器即模数转换器,或称ADC,通常是指一个将模拟信号转换为数字信号的电子元件。
通常的A/D转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。
由于数字信号本身不具有实际意义,仅仅表示一个相对大小。
故任何一个A/D转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准,比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。
而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
本文选用ADC0832转换器,它是一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。
由于它体积小,兼容性,性价比高而得到了很高的普及率。
2.4.2A/D转换器的介绍
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片,其最高分辨可达256级,可以适应一般的模拟量转换要求,如图2-6为ADC0832引脚图、图2-7为ADC0832的元件图。
如下是它的一些特点:
(1)输入输出电平与TTL/CMOS相兼容
(2)5V电源供电时输入电压在0~5V之间
(3)工作频率为250KHZ,转换时间为32μS
(4)一般功耗仅为15mW
(5)8P、14P—DIP(双列直插)、PICC多种封装商用级芯片温宽为0°Cto
+70°C,工业级芯片温宽为−40°Cto+85°C
(6)逐次逼近式A/D转换器,双通道A/D转换器
图2-6ADC0832引脚图2-7ADC0832元件
2.5显示屏的选型
2.5.1显示屏的选型
LED显示屏:
LED就是发光二极管的英文缩写,简称LED。
它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式,其大概的样子就是由很多个通常是红色的发光二极管组成,靠灯的亮灭来显示字符。
液晶显示屏:
英文通称为LCD,是属于平面显示器的一种。
用于电视机及计算机的屏幕显示。
液晶显示器,依驱动方式来分类可分为静态驱动、单纯矩阵驱动以及主动矩阵驱动三种。
其中,被动矩阵型又可分为扭转式向列型、超扭转式向列型及其它被动矩阵驱动液晶显示器;而主动矩阵型大致可区分为薄膜式晶体管型及二端子二极管型二种方式。
本文采用LCD1602液晶显示屏,它是一种低压、微功耗的显示器件,只要2~3伏就可以工作,工作电流仅为几微安,是任何显示器无法比拟的。
2.5.2显示屏的介绍
LCD1602液晶显示屏可以显示大量信息,除数字外,还可以显示文字、曲线,比传统的数码LED显示器显示的界面有了质的提高。
LCD1602液晶显示屏有很多的优点,具有很大的优势,1、显示质量高,由于液晶显示器的每一个点收到信号后就一直保持那种色彩和亮度恒定发光,因此液晶显示器的画质高而且不会闪烁。
2、数字式接口,液晶显示器都是数字式的,和单片机的接口简单操作也很方便。
3、功率消耗小,相比而言,液晶显示器的主要功耗在内部电极和驱动IC上,因而耗电量比其他器件小得多。
图2-8为LCD1602封装图
图2-8LCD1602封装
第3章系统的总体设计
3.1设计前的准备
3.1.1设计任务
本设计要完成主要任务如下:
(1)了解AT89C51单片机基本特性和功能,使用AT89C51实现对温湿度的智能控制。
(2)使用DS18B20温度传感器测量环境的温度,进行数据的采集并传送到单片机进行数据处理,实现范围为0℃~50℃温度采集和控制。
(3)使用HIH3610湿度传感器对室内环境湿度数据采集,由单片机进行数据处理和控制,实现范围为1%~99%RH的湿度控制。
(4)采用串行总线RS-232实现单片机和上位机通讯。
(5)设计人机对话接口,键盘、显示和报警系统。
(6)设计执行机构电路,使单片机能自动控制执行机构工作。
使系统完成特定功能的同时,要保证系统的可靠性和稳定性,使系统能够长期稳定的工作。
还要尽量降低成本、减小功耗和提高精度。
3.1.2设计的要求
(1)能够实时采集与显示室内环境温度、相对湿度等参数。
(2)能够根据每天各个阶段以及季节等的外部环境变化通过键盘输入改变对参数的设置,以满足不同的要求达到最佳效益;
(3)声音报警功能;
(4)根据检测到的信号,实时控制执行机构的开启与关断。
(5)自带+5V和+12V直流稳压电源。
3.2系统硬件的设计
本设计是以AT89C51单片机为核心的自动控制系统,硬件系统由键盘输入电路、LCD显示电路、传感器和A/D转换电路、光电隔离和执行电路、报警电路等组成.
设计思路如下:
DS18B20温度传感器把所测得的温度发送到AT89C51单片机上,经过51单片机处理,将温度的数值在LCD1602液晶显示屏上显示。
除了显示温度以外还可以设置一个上下限温度,对所测量的温度进行监控,当温度高于或低于限定温度时,开始闪灯并启动温度控制电路,将温度始终控制在限定范围以内。
HIH3610相对湿度传感器采集室内环境温度,将湿度电压信号传给A/D转换器,由51单片机处理,将湿度的数值显示在LCD1602液晶显示屏上。
同温度的显示一样,不仅显示当前湿度,同时也可以设置一个湿度的上下限值,对环境内的相对湿度进行监控,当湿度大于或者小于设定范围时,开始报警并启动湿度控制电路,从而使之控制在设定的范围内。
图3-1为硬件系统原理方框图。
图3-1系统硬件原理方框图
3.3单片机外围电路设计
在本设计中单片机的外围电路较多,可分为以下几部分:
复位开关电路、系统电源、温湿度信号采集电路、执行机构电路、LCD显示电路、键盘输入及报警电路、与上位机通信的接
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