1、毕业设计文献综述题目基于单片机的温室大棚温度控制系统设计专业电子信息工程1前言部分温室又称暖房,能透光、保温（或加温），用来栽培植物的设施。在不适宜植物生长的季节，能提供生育期和增加产量，多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。由于温室使农作物摆脱了地点、季节、气候变化等影响和限制，能有效的改善农业生态和生产条件，促进农业发展。因此，温室技术在世界范围内得到了广泛应用。温室结构应密封保温，但又应便于通风降温。现代化温室中具有控制温湿度、光照等条件的设备，用电脑自动控制创造植物所需的最佳环境条件1。温室是设施农业的重要组成部分,国外温室种植业的实践经验表明,提高温室的自动控制和管理
2、水平可充分发挥温室农业的高效性。应用于大棚种植的温度控制系统解决了长期以来困扰农民的问题，它的制作成本低廉，应用广泛。随着传感技术,计算机技术及通讯技术的迅猛发展,现代化温室信息自动采集及智能控制系统的开发已成为目前设施农业的一个研究热点。国内对温室环境控制技术研究起步较晚。自20世纪80年代以来，我国工程技术人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度和二氧化碳等单项环境因子控制技术的研究。实践证明，单因子控制技术在保证作物获得最佳环境条件方面有一定的局限性。1996年江苏理工大学研制出一套温室环境控制设备，能对营养液系统、温度、光照、二氧化碳施肥等进行综合控制，在一
3、个150M2的温室内，实现了上述四个因子的综合控制，是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果2。近年来，在国产化技术不断取得进展的同时，也加快了引进国外大型现代化温室设备和综合控制系统的进程。这些现代温室的引进，对促进我国温室计算机的应用与发展，无疑起到了非常积极的推动作用。可以看出我国温室设施计算机应用，在总体上正从消化吸收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。但是，大部分不够理想。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与欧美等发达国家相比，存在较大差距，尚需深入研究。温度、湿度作为温室的重要因素，它们是非常重要的物理量，温度、
4、湿度的控制已经广泛应用到人们的生产和生活中，人们一般使用温度计、湿度计来采集温度和湿度，通过人工通风、加湿、加热和降温设备来控制温湿度，这样不但控制精度非常低、实时性很差，而且需要大量劳动力。在某些行业中对温湿度的要求比较高，由于温度过低或过高引起的元器件失效或由于环境湿度过高而时常引起的事故，对系统的可靠运行造成影响，甚至危及到操作人员及系统局部的安全2。所以实施对温度的监控也日显重要。本课题只要采用51单片机对蔬菜大棚中温度、湿度的数据进行采集、测量和控制。2主题部分在社会生活中温度控制电路已经广泛的渗透到了各个领域,如汽车、家电、电力电子、材料等,平常用到的控制电路根据应用场合和所要求的
5、性能指标一般会有所不同,传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器工作时动作频繁,可能会因触点接触不良而影响正常工作3。目前，温度控制系统的结构主要是以单片机为主板的控制系统。一般以MCS51系列为基础。采用8位CPU，从数据采样到算法控制都是由单片机完成的。这种类型控制方式的优点是能够全局管理，操作简单，价格低廉，缺点是布线复杂，可靠性差，故障率高；且信号的输入、输出一般为模拟量，自动化程度低。由于温室控制环境噪音大、环境恶劣，单一的CPU控制系统难以达到预期效果。此外，还有基于IPC的温室控制系统，它配备了各种接口板，采集、控制和通信功能都由主机完成，能对温室各个参数进行有效的控制；基于P
6、LC的温室控制系统，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，具有控制能力强、操作方便、可靠性高、适宜长期工作等特点；集散型温室控制系统，由于他的PC机的管理功能被多台现场控制站共享，节省了成本，提高了设备利用率，有利于温室群控3。近年来，温控系统的发展趋向主要有以下几个新型PID参数自整定的温度控制，其算法采用简化临界比例度整定法,只需整定一个参数,不但提高了参数的整定效率,并且用编程的方法实现了在线参数自整定。这种系统的特点是其瞬态响应超调量非常小,有很强抗干扰能力,且振荡有足够大的阻尼,从而具有良好的选择性和灵敏度，使其效果得到了改善4。同时针对大功率二极管在应用中的技术困
7、难,还提出带有开关的大电流双向输出模型和含PID调节器的双闭环控制5。神经网络的温度控制系统，由于外界干扰因素复杂以及其负载的变化,而PID控制只能精确的计算电参数的影响,而对于外界环境的变化只能做近似的估算,这样就影响到了控制精度。人工神经网络以其非线映射,自组织,自学习和联想记忆等功能,可对复杂的非线性系统建模。该方法响应速度快,且有很强的抗干扰能力,算法简单,又易于硬件和软件的实现仿真。训练方法实际是网络的自学习过程,即根据事先定义好的学习规则,按照提供的学习实例,调节网络系统各节点之间相互连接的权值大小,从而达到记忆,联想,归纳等目的。在温控系统中,将天气、温度、外部电压、被加热物体性
8、质以及被加热物体的温度等影响因素作为网络的输入,将其输出作为PID控制器的参数,以实验数据作为样本,在微机上反复迭代,随着研究和实验的深入,自我修正不断完善,直至系统收敛,得到网络权值,达到自整定PID控制器参数的目的67。MNNMEMORYNEURONNETWORK把记忆神经元增加到每一个网络节点中,在研究动态非线性系统时,不须要知道过多的实际系统结构,同时当系统滞后比较大时不会造成网络庞大难以训练8。模糊温度控制，它是基于模糊逻辑来描述一个过程的控制算法,主要采用嵌入操作人员的直觉知识及经验。它适用于控制不易取得精确数学模型的对象。通常情况下电力系统的模型非常不完善的,即使模型已知,也存在
9、参数变化的问题。PID控制简单、方便,但难以解决非线性和参数的变化,模糊控制是不需要装置的精确模型,仅依赖于操作人员直观判断,非常容易应用。模糊温控的实现主要有1将温控对象的偏差及其偏差变化率以及输出的量划分为不同的模糊值,建立规则。例如,如果温度正在上升或者温度太高时,然后减少控制输入。将这些写成模糊条件语句,形成模糊模型。2根据控制查询表,形成模糊算法。3模糊化其温度误差采样的精确量,经过数学处理输入计算机中,计算机根据模糊规则做出决策,求出相应的控制量,变成精确量去执行机构,调整输入,达到调节温度,使之稳定的目的。与传统的PID控制比较,模糊控制响应快,超调量小,参数变化不敏感910。单
10、片机单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。从1971年INTEL公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片INTEL4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。到20世纪80年代初，INTEL公司在MCS48系列单片机的基础上，推出了MCS51系列8位高档单片机。MCS51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路
11、、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统11。目前单片机渗透到我们生活的各个领域几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输工业自动化过程的实时控制和数据处理广泛使用的各种智能IC卡等等这些都离不开单片机。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。温度传感器传感器属于信息技术的前沿尖端产品，尤其是温度传感器被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；1传统的分立式温度传感器含敏感元
12、件；2模拟集成温度传感器控制器；3智能温度传感器。国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成化向智能化、网络化的方向发展。在20世纪90年代中期最早推出的智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1C。国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是912位A/D转换器，分辨力一般可达0500625C。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达003125C，测温精度为02C。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。以AD7817型5通道智
13、能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间分别仅为27US、9US。进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。由于传统的热敏电阻等测温元件测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要较多的外部元件支持，且硬件电路复杂，制作成本相对较高。故选择集成有数模转换器的温度传感器。美国国家半导体公司生产的LM92芯片他采用I2C总线方式控制。内含L2位温度AVD转换器，工作电压为2755V；测温范围为一55一150；精度为0333C30时；线性度为土05；温度刷新间隔为500MS
14、1215。湿度传感器在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制。但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平
15、。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。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。LED显示LED数码管的结构简单，分为七段和八段两种形式，也有共阳和共阴之分。以八段共阴管为例，它有8个发光二极管比七段多一个发光二极管，用来显示SP，即点，每个发光二极管的阴极连在一起。这样，
16、一个LED数码管就有1根位选线和8根段选线，要想显示一个数值，就要分别对它们的高低电平来加以控制。一般的显示电路由多个数码管构成，N个数码管可以构成N位LED显示器，共有N根位选线和8N根段选线。依据位选线和段选线的连接方式的不同，MCS一51系列单片机对LED显示管的显示主要有静态显示和动态显示两种方式。本课题利用静态显示稳定的优点，使用MCS51单片机的串行口输出，外接串并转换芯片74LS164作为LED显示器的静态显示接口，把MCS51的RXD作为数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。74LS164是TTL单向8位移位寄存器，可以实现串行输人，并行输出。它的A、B第L、2脚为串行数据输人端
17、，两个引脚按照逻辑与运算规律输人信号，若共用一个信号时可以连到一起，共同连接到RXD端。CLK8脚为时钟信号输人端，可以连接到串行口的TXD端，每个时钟的上升沿过来，移位计数器就移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移人74LS164中。CLK为清零复位端，为低电平时所有输出端口复零，为使其不起作用而让数据正常传输，加一个高电平。多个74LS164首尾相串联。而时钟信号接在一起，这样当输人8个脉冲时，从单片机RXD端输人的数据就进人了第一片74LS164中，下一次8个脉冲到来后，这个数据就进人了第二片74LS164，而新的数据就进人了第一片74LS1641620。3总结部分通过对温度控制系
18、统的相关文献阅读及分析，我得下了以下总结数字温、湿度传感器和单片机构成的嵌入式温室温控系统，由于使用了集成数模转换高精度温、湿度传感器而使得系统测量温、湿度的准确度大大提高，同时单片机处理能力强、程序编制简化、执行速度快并可以通过串行同步通信和计算机相连，使得监测者可以进行过程控制，其应用的范围将极为广阔，极大地方便了农业的工作。随着社会的进步科学技术的发展，我国温室环境技术的发展将向着域化、节能化、专业化方向发展。加强对温室结构的研究，形成不同地区的不同气候条件，应有相应的温室结构。另外除了本课题对温室温度、湿度的控制外，还应该增加对光照，肥料灌溉等一系列因素的控制。并在精度上达到更高要求的
19、控制。此外，还可以增加温室控制系统与INTERNET的互联，可以实时掌控气候变化，并更易于观察和控制。近年来发展迅速的温度控制系统，PID温控，模糊控制，以及加入了神经网络和遗传算法的温控系统，将是一种新的发展趋势。4参考文献1阿力木甫拉提温室大棚温度的调控N农业科技，201082胡真明基于单片机控制的温室环境测控装置的研究D西北农林科技大学，2007年3张国清,陈淑坤简单实用的温控电器J仪器与未来,19983224郑炳坤简单的温控箱温控电路J仪器与未来,19917225鲍可进PID参数自整定的温度控制J江苏理工大学学报,19956746胡泽新,周金荣,黄道多变量非线自整定PID控制器J控制理
20、论与应用199642687DIAZ,GERARDOCRISTIANSIMULATIONANDCONTROLOFHEATEXCHANGERSUSINGARTIFICIALNEURALNETWORKSDUNIVERSITYOFNOTREDAME20008孙巍,何洪,周恩涛基于MNN神经网络的液压系统油温的PWM自学习控制J机械工程,19987449王文杰模糊控制理论在温度控制中的应用J西北纺织工学院学报,1995615110WRAY,MICHELLELYNNAFUZZYLOGICCONTROLLERFORTEMPERATURECONTROLOFASIX2ZONETUBEFURNACEDUNIVER
21、SITYOFLOUISVILLE200111柴钰单片机原理及应用M北京西安电子科技大学出版社，200912吴建平传感器原理及应用M北京机械工业出版社，200913刘畅生传感器简明手册及应用电路M西安西安电子科技大学出版社，200514史军勇，冀捐灶，杨宝强基于AT89C205L的温湿度控制仪J电子技术，2004，1212315夏方林一种基于单片机AT89C51的温湿度控制仪的设计J工业仪表与自动化装置，1999，1323416胡汉才单片机原理及接口技术M北京清华大学出版社，200317泉光善温度控制器与PLC系统集成J工业控制技术，20075959718李群芳，肖看单片机原理、接口及应用嵌人式系统技术基础M北京清华大学出版社，200519NATIONALSEMLCONDACTORADC0809USERGUIDERMSLNATIONALSEMICONDUCTOR，200220邓兴成，姜宝钧单片机原理与实践指导M成都电子科技大学出版社，2004
