1、摘 要I本科毕业论文（20 届）基于 51 单片机的温室大棚温湿度测控系统设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 目录II摘 要我国作为一个人口大国，农业问题是一个非常重要的问题，而我国的农业要想取得好的发展就必须走现代化的农业道路。随着经济与科技的迅猛发展，我国对农业的研究和应用技术越来越重视。而在现代化农业技术中，很重要的一环就是对农业生产环境的一些重要指标进行自动化检测与控制。这里我们谈到的是以温室大棚为例的一种种植方式，温室大棚的环境系统是一个非线性、多变量、滞后、时变的系统。而其中温度与湿度又是基本的变化因子。所以本系统的设计就是以 AT89
2、C51 为核心，然后再加上 74LS373、湿度传感器 HS1101、温度传感器 DS1820、LED 显示器、报警电路、键盘输入电路、固态继电器等，从而能够实现对温室大棚温湿度的检测与控制，有效的提高农作物产物。硬件部分设计了温湿度传感器模块、A /D 转换模块、显示模块、控制模块，软件部分则根据设计思想设计出了主程序和子程序流程图，并通过汇编语言和 C 语言编程实现。文中的各部分也将给出方案论证，并给出电路图，整体设计因为利用了单片机以及数字控制系统的优点，系统的各方面性能得到了显著的提高。关键词：AT89C51，温度传感器，湿度传感器，测控系统 AbstractIIAbstractAs
3、a large population in China, agriculture is a very important issue，and the development of Chinas agriculture to achieve good must be taking the road of modernization of agriculture. In modern agricultural technologies, the most important part of agricultural production is on automatic detection and
4、control of some important indicators of the environment.We talk about here is an example of greenhouse cropping patterns , greenhouse environment system is a non-linear, multivariable, delay, time-varying systems. And the change of temperature and humidity are the basic factors. And the change of te
5、mperature and humidity are the basic factors. So this design is AT9C51 as the core of the system, and then add 74LS373 、temperature sensor DS18B20, humidity sensor HS1101, LED display, alarm circuit, keyboard input circuit, solid state relays, to be able to achieve the greenhouse temperature and hum
6、idity measurement and control, effectively improve crop production. The hardware part design includes temperature and humidity sensor module, A/D conversion module, display module, the control module. Part of the software is based on the design concept design for the main program and the subroutine
7、flow chart, which is realized by assembly language and language C programming. Parts of the article will also give a demonstration, and gives the circuit diagrams, overall design because the use of the advantages of single-chip microcomputer and digital control system, various aspects of system perf
8、ormance has been significantly improved.Key words: AT89C51, temperature sensors, humidity sensors, measuring and controlling system目 录III目 录摘 要 . IABSTRACT. II 目 录 . 第一章 引 言 . 11.1 课题的目的和意义 . 11.2 植被栽培技术 . 11.3 温湿度检测与控制的研究和进展 . 21.4 本设计的主要内容 . 3第二章 系统的总体设计方案选择与工作原理 . 42.1 系统总设计方案概述 . 42.1.1 基 本 功 能
9、. 42.1.2 主 要 技 术 参 数 . 42.2 系统各模块的选择与论证 . 42.3 系统的工作原理 . 6第三章 系统的硬件设计 . 83.1 单片机型号的确定 . 83.2 传感器的确定及温湿度采集电路 . 113.2.1 温 度 传 感 器 的 确 定 . 113.2.2 温 度 采 集 电 路 设 计 . 133.2.3 湿 度 传 感 器 的 确 定 . 143.2.4 湿 度 采 集 电 路 设 计 . 153.3 电源电路 . 173.4 A/D 转换 . 173.4.1 模 数 转 换 器 的 确 定 . 173.4.2 A/D 转 换 器 与 单 片 机 电 路 连
10、接 . 193.5 显示电路设计 . 193.6 键盘输入与报警电路 . 21目 录IV3.6.1 键 盘 输 入 电 路 . 213.6.2 报 警 电 路 . 223.7 执行机构电路 . 243.8 单片机与 PC 机接口电路 . 25第四章 软件设计 . 284.1 设计思想 . 284.2 编程语言 . 284.3 控制程序流程图 . 294.3.1 主 控 制 程 序 设 计 . 294.3.2 键 盘 子 程 序 设 计 . 294.3.3 数 据 采 样 子 程 序 设 计 . 314.3.4 数 据 通 信 子 程 序 设 计 . 32总 结 . 34参考文献 . 35致 谢
11、 . 36附录一 整机电路图 . 37附录二 程序 . 38第一章 引 言- 1 -第一章 引 言1.1 课题的目的和意义温室大棚种植一直是获取良好农作物的重要渠道，且在我国已经有很广泛的应用，尤其是随着科技的日益进步，人们生活质量的显著提高，对鲜花以及一些植被的需求也逐渐增加。这就为温室大棚种植提出了更高的要求，当然这更是一个机遇。在温室大棚环境要求的各项指标中，温湿度无疑是最基本的变化因子。它们直接影响到农作物的生长和产量,所以为了能给作物提供一个良好的生长环境,首要解决的问题就是实现对温室温湿度的实时检测与控制。我们都知道传统的温湿度检测方法是利用和温度表、湿度表、金属式测量计或者是湿度
12、试纸进行人工检测，然后再根据检测结果对相应的大棚采取加热、通风、灌溉等一系列措施。显然在农作物需求广泛的现代化社会中，这种检测方法是费时又费力的，最主要的是效率低、检测精度不高。因此为了充分利用温室种植这一高效技术，设计一套自动检测温湿度的方案就显得尤为重要。将单片机应用到温湿度检测系统中将会带来很大的方便，不同植被在不同时期所需的温湿度是不同，所以温湿度的控制对于单片机的应用具有很实际的意义，它代表着一类自动化生产，而且必将得到广泛的应用。1.2 植被栽培技术植被“设施栽培 ”即“保护地栽培”。它是指在一些的保护设施内 (如温室、大棚等)，人为设置适合植被生长的环境，在不同季节内，尤其是不利
13、于植被生长的季节内进行植被栽培的一种方法。设施栽培是人类利用自然、改造自然的一种创造。由于设施内种植条件是可以人工控制的，所以我们就可以实现在一年内长期种植。玻璃和塑料薄膜温室出现后，植被生产就出现了很大的变化。现在我们完全可以根据自己的意愿，随时栽培出所需要的不同植被。而这正是“设施栽培”的功劳。温室环境的调节主要包括日光、温度、湿度三个方面。第一章 引 言- 2 -(1)温度：根据植被生长的适宜温度进行温室温度设置与调节，若低于下限温度则采取升温措施，通常采取继电器控制加温设备进行加温，如电热增温和火力增温等。若高于上限温度则采取降温措施，通常通过通风散热。(2)日光：遮荫是调节日照强度最
14、好的办法，其具体做法是加盖遮阳网或草席，这种方法兼有降低温度的效果。(3)湿度：为满足温室植被对湿度的要求，我们可以在地上、台阶或者棚壁上洒些水，也可以在空中悬挂湿布，以增加水分的蒸发，最好的办法是设置自动喷雾装置，自动调节湿度。但是如果湿度很大的话就可能导致作物生病，我们可以采用通风的办法来降低湿度，而且最好在室温与气温相差不大的时候进行。本系统主要是考虑温湿度的检测与控制，日光则不作考虑。1.3 温湿度检测与控制的研究和进展国外多数采用的是一种全自控喷滴灌温室大棚控制系统，它不需要人的看管。比较人工的控制来说，这种智能控制最大的好处就是能够相对恒定的控制温室内部的环境，更能避免因为人为因素
15、造成的损失。北京的一家公司曾经也研制开发了一种应用于温室大棚的环境测温控系统。它是采用 PLC 与各式的侦测器连接，管理人员需要在现场监控，温室的温度、湿度及亮度侦测器与连结，当回传的资料超过或低于设定值时，监控主机将报警资料以短消息形式传给相关管理人员，管理人员可以及早采取措施解决问题。相比之下本设计同国外先进设备相比还是存在一定差距的，但是也有电路简单、调试方便、省成本等优点。传统的温度控制电路是采用继电器进行动作的，这种方法是简单又实用的，但是由于继电器动作的频繁且经常会出现触点接触不良现象从而会导致无法正常工作 。所以有的控制领域就大量采用了 PID 的控制方式，但是这种控制方式会有建
16、模困难且在干扰因素不明确时参数调整不方便这些缺点。所以比较下来，采用数字式的温度传感器如 DS18B20 就好很多,因其内部有集成 A/D 转换器，使得电路结构更加的简化方便，且能够使温度检测的精度大大提高，有效地减少了温度测量转换时的精度损失。而且温度传感器 DS18B20 使用起来也非常方便，只用它的一个引脚和单片机直接相连便可，这样能够减少接线的麻烦，第一章 引 言- 3 -从而使单片机的引脚节省下来可以扩展更多电路。同时由于 DS18B20 身形小巧，我们可以将其做成小的探头至于大棚中需要的位置，有效的增加了它的实用性。1.4 本设计的主要内容本设计最终可以实现用户可以根据不同植被的不
17、同生长需求通过键盘输入温湿度的上下限值，并进行实时显示。系统设计完成后可以通过温度传感器DS18B20 和湿度传感器 HS1101 对大棚温室内的温湿度进行实时检测，单片机AT89C51 作为控制器对采集到的数据进行处理，用 LED 显示出当前环境的温湿度状况，用户也可以根据作物的不同或者环境的变化键入或改变温湿度的要求值。当环境检测到的温湿度与设置的温湿度要求之差大于 4时，报警装置即会启动，并通过执行器采取相应的处理。本设计主要内容包括以下几个方面：(1)选择适合的温湿度传感器，设计与之对应的信号采集、处理电路。(2)掌握 AT89C51 单片机的主要性能，并以之为核心设计控制系统。(3)
18、设计诸如键盘、显示、报警等简单人机对话电路。(4)系统具有一定的可靠性与抗干扰性。(5)能够实现单片机与 PC 机的通信。第二章 系统的总体方案选择与工作原理- 4 -第二章 系统的总体方案选择与工作原理2.1 系统总体设计方案概述根据题目要求系统的模块可以划分为：温湿度检测模块、显示模块、键盘模块、报警模块等。由温度、湿度传感器，模拟量输入通道、A/D 转换、报警电路与显示器等组成。通过对信号的采集、分析、处理，然后输出信号来使执行部件进行动作，使温室大棚达到所要求指标。2.1.1 基本功能(1)温度与湿度的检测(2)温度与湿度的显示(3)过限报警2.1.2 主要技术参数(1)温度检测范围:
19、0 -50(2)测量精度:0.5(3)湿度检测范围:0%-100%RH(4)检测精度:2.5% RH(5)参数调整: 手动设定/ 程序控制2.2 系统各模块的选择与论证(1)温度检测模块方案一：可以选用热电阻作为温度检测原件，它的工作原理是热电阻温度计把温度的变化通过测温元件(热电阻)转换为电阻值的变化来测量温度的。热电阻温度计适用于测量-200-+500范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温度.它与热电偶温度计一样，也是有远传、自动记录和实现多点测量等优点，最常用的是铂电阻感温元件，这是因为它即使在氧化介质中或者高温条件下，它的物理、化学性质都不变。由铂电阻阻值的变化经小信号变送器 XTR10
20、1 将第二章 系统的总体方案选择与工作原理- 5 -铂电阻阻值随温度变化的转换为 420mA 线性变化电流，再将电流信号转化为电压信号，送到 A/D 转换器，即将模拟信号转换为数字信号。这样电路的结构比较复杂而且误差也比较大。方案二：采用数字式的温度传感器 DS18B20，与传统的热电阻或热敏电阻相比，它可以直接读出所测温度，而且也无需外加电路。而且它采用的是单总线的结构，DS18B20 只需要一条口线便可实现与主机的双向通讯。它的测温范围是-55+125，而且可以实现多点测温，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，最多只能并联 8 个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低
21、，从而造成信号传输的不稳定。相比之下，DS18B20 因为在传输的时间和距离以及检测精度、分辨率等方面带来了令人满意的效果而在本设计中得到应用。(2)键盘模块方案一：矩阵式按键当按键数量比较多时，我们需采用矩阵式键盘。矩阵式键盘的硬件结构比较简单，由行输出口和列输入口构成，按键设置在行列线的交叉点上。采用这种按键形式的好处是在按键数量比较多的情况下可以节省数据线，但是需要有键盘扫描程序，占用的空间就比较大 1。方案二：独立式按键当按键数量比较少时，可以采用独立式按键的硬件结构。此种按键形式就是指每个按键电路可以直接由一根 I/O 口线构成，而且每一路的按键状态都不会影响其他路的，独立式按键接口电路的软件结构比较简单，而且配置也方便。所以在按键数量不多时，我们常常采用这种方法 2。在本设计中只用到了 3 个按键，所以可以选用独立按键。(3)显示模块方案一：静态显示所谓静态显示就是当显示器显示某一个字符时，相应的二极管恒定的导通
