1、四川师范大学成都学院专科毕业 设计 1 基于单片机的蔬菜大棚温湿度智能控制系统设计 前言 随着我国国民经济的发展 ,人民生活水平日益提高 ,尤其是在北方地区的寒冷冬季，仅靠南菜北调的长途运输，不仅成本高，而且延误蔬菜的最佳食用周期，所以大力推广蔬菜大棚温湿度智能控制，事在必行 。 随着社会的不断发展，人们生活水平的不断提高，物质需求的增长也不断增加，尤其实在寒冷的北方地区，冬季的蔬菜尤其重要，仅靠南菜北调不仅难以满足日渐庞大的需求，同时也会消耗大量的人力物力，所以蔬菜大棚的管理势在必行。 蔬菜大棚的设计其实就是反季节种植，大棚内部的环境必然与外界环境有 很多不同之处，在保证内部温度的同时还要做
2、到湿度的控制，所以蔬菜大棚温湿度智能控制系统是蔬菜大棚设计的首选。 智能系统的设计必须满足对大棚内各部分温湿度数据的检测与控制，保证大棚内温度、湿度、光照的必须条件切误差不能过大，蔬菜大棚的温湿度控制不是线性的，所以系统的延迟性不能过高，否则影响大棚的控制。 结合以上特点，传统的大棚人工控制是落后且浪费资源的，温湿度智能控制系统采用了多点温湿度传感器采集各点数据，首先就保证了数据的准确性，及时性，其次采集信息通过 4位数码管显示，方便我们排查干扰条件，当采集条件超过我们 预设的最低或最高值时，系统通过报警电路对我们进行及时的数据报警，保证大棚环境的稳定。 这些新技术的发明，为当代人们打开了一个
3、全新的技术领域 . 1 系统设计功能 1.1 蔬菜大棚特点及监控要求分析 塑料大棚种植蔬菜是反季节种植 ,外界环境的变化与正常蔬菜生长发育所处自然环境的变化相反 ;同时 ,塑料大棚本身调节环境因素的能力有限 ,必然导致蔬菜生长发育与环境因素以及大棚内环境因素之间的矛盾难以调和 ,给生产带来诸多问题。 塑料大棚环境的主要特点是 :塑料大棚的半封闭式结构不利于人工检测棚内各个点的温湿度。塑料 大棚的半封闭式结构决定了棚内湿度大 ,湿度过大极易导致病虫害发生。棚内环境多变、复杂 ,光照不足、温度低 ,同时还存在温差过大等问题 ,温度过高过低或温差大都不利于蔬菜生长。蔬菜大棚在温湿度控制上属于复杂的非
4、线性 ,大延迟系统 ,简单的控制算法无法达到理想效果。 由以上特点得出 ,蔬菜大棚监控系统必须对温湿度能检测控制并显示给菜农 ,由于四川师范大学成都学院专科毕业 设计 2 大棚的系统特点 ,传统的控制算法不能满足对温湿度的控制要求 ,因此笔者改进了传统控制算法 ,采用传统 PID与模糊控制相结合的方法构建了蔬菜大棚温湿度智能控制系统。 1.2 系统结构及主要功 能 该系统通过多点温湿度传感器 (最多可接 8路温度和湿度传感器 )采集大棚内各个位置的温度和湿度 ,采集的实时温湿度通过 4位数码管显示 ,以便菜农了解大棚内环境情况 ,同时系统根据温湿度的变化情况经模糊 PID 控制算法决定是否进行
5、加热或开启风门。通过键盘电路可以设置不同的温湿度参数 (可以进行分段设置 ,比如白天 25晚上 20 )或查看各个点的温湿度。当采集来的环境参数值超过设定的上下限值时 ,报警电路进行报警提示农业人员可以随时查询采集值和报警信息。该系统也预留了与 zigbee 无线收发模块的接口电路 ,通过无线网络以便对分散 的多个蔬菜大棚进行统一化管理 ,同时也支持在系统编程 ,方便系统升级。 2 系统硬件电路设计 2.1 主要元件选择 温度传感器选择了美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 单总线智能温度传感器。它单总线接口 ,仅需一个端口进行通信 ;无需转换电路直接输出被测温度 ,测温范围 -55
6、+125 ;可编程的分辨率为 9 12 位 ;在 -10 +85范围内 ,精度为 0.5 ,完全可以满足蔬菜大棚的温度要求 2。湿度传感器选择了国产 S302H2 湿度传感器 ,它采用模块化设计 ,精度可达到 3%RH,稳定性好 ,可靠性好 ,线性电压输 出。 微处理器选择了 STC12C5616AD,该器件具有在系统 /应用编程 (IAP,ISP)功能 ,可实现在线升级 ;增强型 8051内核 ,1个时钟 /机器周期 ,速度相当于普通型 8051的 8 12倍。内部 16KFLASH 程序存储器 ;4K 掉电不丢失数据存储器 ,该存储器可以用来存储温湿度设置参数 ;有 8 路 10 位 AD
7、,用于湿度传感器采集。 2.2 控制输出电路设计 该系统温度控制设计了两种方案 :一种是通过可控硅控制电加热 (可接解热灯加热丝 );一种作为备用方案是火加热 ,通过步进电机控制火门的开度来调节大棚内温度。可控硅和步进 电机驱动电路分别如图 2.2-1所示。 四川师范大学成都学院专科毕业 设计 3 图 2.2-1 控制输出电路设计图 3 控制算法及软件设计 3.1 主程序设计主程序设计 总体采样循环结构主要包含几个模块 :系统初始化、键盘扫描、数据采样、模糊 PID算法模块和控制量输出模块。 系统初始化主要完成微控制器初始化、 LED 显示初始化和系统外设检测等 ;键盘模块主要完成键盘扫描、系
8、统设置和工艺设置等 ;这里的工艺设置是指 ,根据蔬菜的生长需要 ,不同的时间设置不同的温湿度值。主程序流程如图 3.1-1所示： 四川师范大学成都学院专科毕业 设计 4 图 3.1 主程序设计主程序设 计 3.2 控制算法程序 控制算法程序主要完成三方面功能 : 行过程中根据模糊控制表实时调试 PID 控制参数 ,使系统始终处于最优控制状态。同时也采用了积分分离算法避免了积分饱和问题。 控制模糊 PID 算法程序流程图如图 5 所示 ,e(k)、 e(k-1)分别为当前实际采样值与设定值的误差和上次采样值与设定值的误差 ;ec(k)是当前实际采样值与设定值的误差变化率 ;KP、 KI、 KD
9、是系数 ;u(k)是计算输出值。 蔬菜大棚智能温湿度控制系统采用了模糊控制与传统 PID 控制结合的控制方法 ,有效地解决了传统控制方法对棚内温湿度 的控制不足 ;同时也设计了在 Zigbee无线收发模块的接口 ,可以实现蔬菜大棚大规模生产和统一管理监控。该系统人机界面良好、操作简单方便、自动化程度高、稳定可靠 ,经过实际种植和试验验证 ,效果良好 ,有效地降低了菜农的工作量 ,保证了大棚蔬菜的生产质量 ,在广大农村地区有广泛应用。 4 总体方案的设计 4.1 设计思想 系统的一大特点是用户可以通过下位机中的键盘输入温湿度的上下限值和预置值，也可以通过上位机对温湿度的上下限值和预置值进行输入，
10、从而实现上位机对大棚内作物生长的远程控制。系统下位机设在种植植物的大棚内 ，下位机中的温湿度传感器可以将环境中的温湿度非电量参数转化成电量信号，再将这些信号进行处理后送至下位机中的单片机，单片机读取数据后将数据送到缓冲区内，通过 LED 数码管进行实时显示。同时与原先内部设定的参数值进行比较处理；单片机可以根据比较的结果对执行机构发出相应的信号，并通过继电器的控制对相应的设备如喷水器、吹风机、加热器、降温泵等进行操作，调节大棚内温湿度状态。用户直接通过键盘对温湿度的上下限值和预置值进行设置后，如果环境的实时参数超越上下限值，系统自动启动执行机构调节大棚内湿度和温度状态，直到温湿度状态 处于上下
11、限值以内为止。如果有预置初值，且与当前状态不相等时，系统也会启动执行机构动态调节温湿度状态，直到所处的平衡状态与预置值相等为止。上位机是用 DELPHI 软件编写的一个数据库系统管理系统，有着友好直观的用户界面，可直接设置温湿度的上下限值和读取下位机的数据，也可以直接对温室大棚内下位机的喷水器、吹风机、加热器、降温泵等进行操作，调节大棚内温湿度状态。由于上位机 DELPHI 软件有强大的数据库存储和处理功能，我们可以对下位机传送上来的四川师范大学成都学院专科毕业 设计 5 各种环境中的数据参数进行处理，形成作物生长的走势图，从而通过生长走势图得出 适合各种作物生长的最佳环境参数条件，为今后的温
12、室种植提供参考。上下位机之间通过符合串行总线 RS 一 232 标准的通信通道以事先约定的协议进行通信。 单片机作为控制器，可以接收温度和温度传感器从大棚中获取的温湿度信息，将这些信息与预置的温湿度范围值进行比较，然后通过继电器控制执行机构，对大棚进行相关的操作以保证大棚的温湿度范围能够在预置的范围内。下位机键盘显示部分可以直接对温湿度值进行预设，并可实现温湿度值的实时显示。上位机可通过通信接口模块接收下位机传送过来的温湿度值，形成作物生长的图表，也可以直接设置温湿度值 和控制执行机构对大棚进行相关操作。 4.1.1 系统组成及框图 系统由 电源电路、 温湿度传感器 SHT10、数据通讯转换部
13、分 (RS232)、上位机管理软件和控制模块（ AT89C51）组成。 1、温湿度传感器：负责检测并采集各控制点温湿度数据。 2、数据通讯转换器：负责温湿度数据采集数据的信号转换。 3、软件部分：软件部分负责对所有数据进行读取分析，并执行各项管理功能。 4、控制部分 （即温湿度调节系统） ：执行远程控制指令。 控制部分连接增湿装置、干燥装置、温度的控制装置等。其系统原理图如图 4.1.1-1所示： 图 4.1.1-1 蔬菜大棚温湿度控制原理框图 4.2 系统主要电路的设计 4.2.1 主要芯片 89C51的功能及引脚图 芯片 89C51共有 40个引脚，其中电源引脚有 4个，控制引脚有 4个，
14、并行的 I/O接口有32个，其引脚图如图 4.2.1-1所示 复位电路 温湿度检测电路 AT89C51 电源 显示电路 键盘，报警电路 温湿度调节系统 四川师范大学成都学院专科毕业 设计 6 图 4.2.1-1 89C51引脚 （ 1）电源及时钟引脚（ 4个） Vcc:电源接入引脚； Vss:接地引脚； XTAL1:晶体振荡器 接入的一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚接地）； XTAL2:晶体振荡器接入的另一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端）。 （ 2）控制线引脚（ 4个） RST/VpD:复位信号输入引脚 /备用电源输入引脚； ALE/PROG:地址锁存允许信号输出引
15、脚 /编程脉冲输入引脚 (低电平有效）； EA/Vpp:内外存储器选择引脚（低电平有效） /片内 EPROM（或 FlashROM）编程电压输入引脚； PSEN:外部存储器选通信号输出引脚（低电平有效）。 四川师范大学成都学院专科毕业 设计 7 (3)并行 I/O引脚（ 32个，分成 4个 8位口） P0.0 P0.7:一般 I/O引脚或数据 /低位地址总线服用引脚； P1.0 P1.7:一般 I/O引脚； P2.0 P2.7:一般 I/O引脚或高位地址总线引脚； P3.0 P3.7:一般 I/O引脚或第二功能引脚。 4.2.2 温湿度检测电路的设计 本系统选择的温湿度传感器是由 瑞士 Sen
16、sirion 公司推出了 SHT10 单片数字温湿度集成传感器，采用 CMOS 过程微加工专利技 （ CMOSenstechnology），确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器 包括一个电容性聚合体湿度敏感元件、一个用能隙材料制 成的温度敏感元件，并在同一芯片上，与 l4 位的 A D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式存储在 OTP 内存中，在校正的过程中使用。两线制的串行接口，使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用的首选。如图 4.2.2-1 所示
17、图 4.2.2-1 传感器 SHT10的原理图 如图 4.2.2-2所示，传感器 SHT10 的电路连接图 D A Calibration Memery Digitalinter -face RH Sensor Temp Sensor SCK DATA GND VDD 四川师范大学成都学院专科毕业 设计 8 图 4.2.2-1 SHT10 传感器电路图 （ 1） 数字集成温湿度传感器 SHT10 的主要特点 a.相对湿度和温度的测量兼有露点输出； b.全部校准，数字输出； c.接口简单（ 2-wire） ,响应速度快； d.超低功耗，自动休眠； e.出色的长期稳定性； f.超小体积（表 面贴装
18、）； g.测湿精度 45%RH，测温精度 0.5（ 25）。 （ 2)引脚说明 a.电源引脚（ VDD、 GND） SHT10的供电电压为 2.4V 5.5V。传感器上电后，要等待 11ms，从“休眠”状态恢复。在此期间不发送任何指令。电源引脚（ VDD 和 GND）之间可增加 1个 100nF 的电容器，用于去耦滤波。 b.串行接口 SHT10的两线串行接口（ bidirectional 2-wire）在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理，其总线类似 I2C 总线但并不兼容 I2C 总线。 四川师范大学成都学院专科毕业 设计 9 串 行时钟输入（ SCK）。 SCK 引脚是 MCU
19、与 SHTIO 之问通信的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有最小时钟频率。 即微控制器可以以任意慢的速度与 SHT10通信。 串行数据（ DATA）。 DATA三态引脚是内部的数据的输出和外部数据的输入引脚。DATA在 SCK时钟的下降沿之后改变状态，并在 SCK时钟的上升沿有效。即微控制器可以在SCK的高电平段读取有效数据。在微控制器向 SHT10传输数据的过程中，必须保证数据线在时钟线的高电平段内稳定。为了避免信号冲突，微控制器仅将数据线拉低，在需要输出高电平的时候，微 控制器将引脚置为高阻态，由外部的上拉电阻 (例如： lOk)将信号拉至高电平。 为避免数据发生冲突， MCU
20、应该驱动 DATA 使其处于低电平状态，而外部接 1个上拉电阻将信号拉至高电平。 发送一组“传输启动”序列进行数据传输初始化，如图 2-5所示。其时序为：当 SCK为高电平时 DT翻转保持低电平，紧接着 SCK产生 1个发脉冲，随后在 SCK为高电平时 DATA翻转保持高电平。 图 4.2.2-2 命令时序 紧接着的命令包括 3个地址位（仅支持“ 000”）和 5个命令 位。 SHT10指示正确接收命令的时序为：在第 8个 SCK 时钟的下降沿之后将 DATA 拉为低电平（ ACK 位） ,在第 9个SCK 时钟的下降沿之后释放 DATA（此时为高电平）。 b.测量时序（ RH 和 T） “
21、000 00101”为相对湿度（ RH）量，“ 000 00101”为温度（）测量。发送一组测量命令后控制器要等待测量结束，这个过程大约需要 20/80/320ms 对应其 8/12/14位的测量。测量时间随内部晶振的速度而变化，最多能够缩短 30%。 SHT10下拉 DATA 至低电平而使其进入空闲模式。重新启动 SCK 时钟读出数 据之前，控制器必须等待这个“数据准备好”信号。 接下来传输 2个字节的测量数据和 1个字节的 CRC 校验。 MCU 必须通过拉低 DATA 来确DATA SCK 四川师范大学成都学院专科毕业 设计 10 认每个字节。所有的数据都从 MSB 开始，至 LSB 有
22、效。例如对于 12位数据，第 5个 SCK时钟时的数值作为 MSB 位；而对于 8位数据，第 1个字节（高 8位）数据无意义。 确认 CRC 数据位之后，通信结束。如果不使用 CRC-8校验，控制器可以在测量数据LSB 位之后，通过保持 ACK 位为高电平来结束本次通信。测量和通信结束后， SHT10自动进入休眠状态模式。 c.复位时序 如果与 SHT10的通信发 生中断，可以通过随后的信号序列来复位串口，如图 2-6所示。保持 DATA 为高电平，触发 SCK 时钟 9次或更多，接着在执行下次命令之前必须发送一组“传输启动”序列。这些序列仅仅复位串口，状态寄存器的内容仍然保留。 图 4.2.2-3复位时序 （ 3） 传感器 SHT10与 AT89C51的接口电路 如图 2-7所示，传感器 SHT10将采集的温湿度值与键盘设定温湿度值进行比较，并将信息送给 89C51进行处理， 89C51将信息送给显示模块进行显示，用户需要对系统进行相应的温 湿度调节。 DATA SCK 传输开始 1 21 31 4-8 91
