1、 编号 本科生毕业设计 基于 AVR单片机的蔬菜大棚恒温恒湿系统设计 Vegetable greenhouse at constant temperature and humidity system design based on the AVR Microcontroller 二一 二 年 六 月 毕业设计原创承诺书 1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文） 基于 AVR单片机的蔬菜大棚恒温恒湿系统设计 ，是认真学习理解 学校的长春理工大学本科毕 业设计（论文）工作条例 后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。 2本人在毕业设计（论文）中引用
2、他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。 3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。 4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本， 允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。 以上承诺的法律结果将完全由本人承担！ 作 者 签 名： 年 月 日 长春理工大学毕业设计 I 摘 要 目前我国农业正处在从传统农业向优
3、质，高产，高效益为目标的现代农业转化的新阶段。植物的生长环境也是农业现代化的重要标志。结合作物生长规律，控制环境条件，使作物在不适宜生长的反季节中，可获得比室外生长更优的环境条件，从而使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。本文提出了 一种 基于 AVR单片机的蔬菜大棚恒温恒湿 系统设计 。下位机选用 ATmega16 单片机及数字式单总线温湿度一体传感器采集温湿度 (如 DHT21 等 )，利用无线传输模块 PTR8000传输数据；上位机由单片机和液晶模块构成，键盘输入温湿度值控制下位机加热、加湿、通风设备的开启和关闭，液晶屏进行显示。 在系统设计过程中选用价格低、性能稳定的元器件，提高了性价
4、比。该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，也可以应用在恒温湿的机械加工厂、室内环境监测等方面，所以具有一定的推广和应用价值。 关键词：单片机 温湿度 无线传输 蔬菜大棚 长春理工大学毕业设计 II Abstract At present , our country agriculture is in the new stage that transform from the traditional farming to the modern agriculture which aime the high quality, the high p
5、roduction, the high benefit at the goal .The growth environment of the plant is the important sign of agricultural modernization, too.With the growth rules controlling circumstance condition,it makes greenhouse better condition than outdoor in the unfit season,and more productive and high quality.Gr
6、eenhouse control technology is developing with the automated detection technology,process control technology and computer technology, etc. This issue uses micro-chip prices and many host control to make it more intelligent, more complete, more accurate. This thesis choose the devices as full conside
7、ration of the ration between performance and cost as possible. After debugging, measuring result is in good agreement with anticipate.This controlling system is simple,reliable,stable and low coat.It can be applied in the agriculture-greenhouse , environment monitoring and constant hygrothermal fact
8、ory,and it has much of value to apply and popularize in other fields. Key Word: MCU;mperature and Humidity;ireless Transmission;gricultural Greenhouse 长春理工大学毕业设计 III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . III 第 1 章 绪 论 .1 1.1 本课题研究的目的及意义 .1 1.2 蔬菜大棚温湿度控制技术的发展现状 .1 1.3 温室控制主要存在的问题 .1 1.4 主要研究内容及系统设计原则 .2 第
9、2 章 系统总体方案设计 .3 2.1 系统功能设计 .3 2.2 系统组成及工作原理 .3 第 3 章 系统的硬件设计 .4 3.1 单片机概述 .4 3.1.1 单片机选型方案 .4 3.1.2 单片机简介 .4 3.2 温湿度采集模块 .5 3.3 无线收发模块 .6 3.4 液晶显示模块 .8 3.5 键盘输入模块 .9 3.6 调节部分 .10 第 4 章 系统的软件设计 .12 4.1 温湿度采集子程序设计 .13 4.1.1 DHT21 串行接口 .13 4.1.2 温湿度采集子程序 .13 4.2 无线数据收发子程序 .14 4.2.1 PTR8000 的指令 设置 .14 4
10、.2.2 无线数据收发子程序设计 .15 4.3 液晶显示子程序 .16 4.3.1 12864 液晶指令设置 .16 4.3.2 液晶显示子程序设计 .18 长春理工大学毕业设计 IV 4.4 键盘子程序设计 .19 第 5 章 系统总体调试 .21 5.1 抗干扰性分析 .21 5.2 联合调试 .22 结 论 .23 参考文献 .24 致 谢 .25 附录 1 上位机总体电路图 .26 附录 2 下位机总体电路图 .27 长春理工大学毕业设计 1 第 1章 绪 论 1.1 本课题研究的目的及意义 目前我国农业正处在从传统农业向优质，高产，高效益为目标的现代农业转化的新阶段。 植物的生长环
11、境也是农业现代化的重要标志。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。 随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，但是 我国农业大棚多为中、小规模乃至极小规 模，虽然国内有 一些蔬菜 大棚 恒温恒湿 控制系统，但这些控制系统结构复杂价格偏贵，仅是在少数大规模的农场才使用，不适合我国农村的现状。所以设计一个相对廉价并系统结构简单，且能根据不同的环境天气变化进行远程监控的系统充满发展的前景。 1.2 蔬菜 大棚 温湿度 控制 技术 的发展现状 国
12、外对温室环境控制的研究较早，开始与 20 世纪 70 年代，先是采用模拟式的组合仪表，采集信息并进行指示，记录和控制。 80 年代末出现了分布式的控制系统。 90 年代，荷兰、日本、美国及以色列等发达国家温室控制技术己经相当先进，己经能达到对 多因素综合控制的水平，到 2000 年， Tetsuo Morimoto 等综合了智能控制算法 (模糊算法、人工神经网络、遗传算法 )以达到对温室的环境控制，目前，英国的温室大量采用计算机管理，现在正开发和研制计算机数据采集和控制系统。说明国外对于问世环境的控制已经达到相当高的水平。 相对于国外我国的在蔬菜 大棚控制方面的研究起步较晚， 始于 20 世纪
13、 80 年代。在吸收国外技术的基础之上才掌握了人工微机控制技术，而且仅限于各种因子单项控制。虽说也有了一定的发展，但还有很多不足。我国整体上正从消化吸收，简单应用阶段向实用化，综合 性应用阶段过渡和发展。与发达国家相比，存在较大差距。生产实际中仍然存在着许多问题，如装备配套能力差，产业化程度地，环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。 尽管如此，随着计算机技术，传感器智能化技术，机械电子一体化技术和计算机网络技术的发展，温室环境控制系统已经成为各个国家为合理利用农业资源，减低生产成本，保护生态环境在国际市场竞争力的前沿性研究领域。 1.3 温室控制主要存在的问题 首先是农业专家系
14、统自身的问题，农业专家系统的技术还不十分成熟。其次是采集数据的束缚，温室控制技术主要停留在对 温室环境因子的监控上，并没有考虑温室作物本身的生理过程。还有就是农业专家系统在温室实时控制中的应用长春理工大学毕业设计 2 的局限性，对农业知识的表达及推理策略等要认真考虑。同时，将更多的农业知识用于温室生产的实时控制中，不仅仅局限于对环境因子的专家指导。 1.4主要研究内容及系统设计原则 一是确定系统的总体功能设计方案；二是进行硬件电路和软件系统的设计；三是通信接口电路及软件的设计；四是对单片机的上位机的管理软件的设计，提出一种切实可行的温室环境监测系统，可以全面、实时、自动地对监测数据。 系统设计
15、应具有可靠性高、操作维护方便、性 价比高等特点。可以使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出通道抗干扰措施 ;进行软硬件滤波；系统自诊断功能等。在系统的软硬件设计时，要尽可能减少人机交互接口，多采用操作内置或简化的方法。同时系统应配有现场故障诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位。 长春理工大学毕业设计 3 第 2章 系统总体方案 设计 2.1 系统功能设计 1、 下位机通过温湿度传感器 对 温湿度参 数 采集 ，间隔 5 分钟把采集到的数据发送给上位机。上位机 对各路数据进行循环检测、 数据处理、存储，实现温湿度的智能、多空间点的测量。
16、 2、下位机温湿度参数采集 设备 应具有较高的灵敏度、可靠性、抗干扰能力并具有存储、远程 无线 通信功能。 3、 无线 通信系统具有较高的可靠性、较好的实时性和较强的抗干扰能力。 4、 上位机具有 数据记录功能 :可以根据需要设置数据记录时间间隔， 把 数据存入数据存储器。 2.2 系统组成及工作原理 系统框图如下： 上位机键 盘液 晶 显 示下位机驱动电路加 热 设 备加 湿 设 备通 风 设 备温 湿 度 传感 器图 2-1 系统 总体 框图 系统 工作 的过程是：系统工作时 ,布置在大棚各处的下位机 温湿度 参数采集设备， 采 集 温湿度参数 后 通过无线模块 PTR8000 传输给上位
17、机，上位机 经由无线模块 PTR8000 接收到数据后显示到 12864 液晶上。操作人员可以通过上位机的键盘设定 温度和湿度范围，经 PTR8000 发射到下位机， 下位机采集到温湿度数据 与设 定的温湿度范围值 进行比较，当温室大棚内的温度或湿度超出所设定的范围时， 下位机 输出指令控制继电器接通相应的设备，当温度和湿度都在设定的范围内时就切断执行设备。 长春理工大学毕业设计 4 第 3章 系统的硬件设计 3.1 单片机 概述 3.1.1 单片机选型 方案 方案一 ：采用 AT89C51 单片机，其主要 特点： 4kbytes 程序存储器 (ROM) ，256bytes 的数据存储器 (R
18、AM) ， 外部数据存储器寻址空间为 64kB， 外部程序存储器寻址空间为 64kB， 四个 8 位并行 I/O 口，既可用作输入，也可用作输出；五个中断源的中断控制系统；一个全双工 UART（通用异步接收 发送器）的串行I/O 口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为 12M，系统时钟是外部时钟的 12 分频 。 方案二：采用 ATmega16 单片机 ,其特点为， 16K 字节的系统内可编程 Flash，512 字节 EEPROM， 1K 字节 SRAM， 四个 8位并行 I/O 口 ， 用于边界扫描的 JTA
19、G 接口 ，支持片内调试与编程 ，可编程串行 USART， 8 路 10 位 的 ADC ，具有片内振荡器的可编程 看门狗定时器 ，一个 SPI 串行端口 ，系统时钟是外部时钟不经过分频直接输入 。 在本系统中，采用的方案二， ATmega16 单片机，因为 ATmega16 时钟频率是AT89C51 单片机 的 8-10 倍，而且成本低 ，并且芯片有 SPI 接口方便和 PTR8000无线通信模块连接，因此采用 ATmega16 单片机。 3.1.2 单片机简介 ATmega16 是一种低功耗、高性能 AVR 微控制器，具有 16K 在系统可编程Flash 存储器。 AT89S52 具有以下
20、标准功能： 16K 字节的系统内可编程 Flash(具有同时读写的能力，即 RWW)， 512 字节 EEPROM， 1K 字节 SRAM， 32 个通用 I/O 口线， 32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的 定时器 / 计数器 (T/C),片内 /外中断，可编程串行 USART，有起始条件检测器的通用串行接口， 8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益 (TQFP 封装 ) 的 ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时 CPU 停止工作，而 USART、两线接口、 A/D 转换器、 SRAM、 T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作，以降低 ADC 转换时的开关噪声 ； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块
