基于太阳能的滴灌控制系统设计毕业设计论文.doc

四川理工学院毕业设计（论文） 基于太阳能的滴灌控制系统设计学 生：蒋佩忱学 号：11011030606专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机电一体化2011.3指导教师：孙祥国 四川理工学院机械工程学院二O一五年五月四 川 理 工 学 院四 川 理 工 学 院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 基于太阳能的滴灌控制系统设计 学院：机械工程学院专业：机械设计制造及自动化 班级：机电一体化113班学号： 11011030606 学生： 蒋佩忱 指导教师： 孙祥国 接受任务时间 2015.3.2 系主任 （签名）院长 （签名）1毕业设计（论文）的主要内容及基本要求（1）总体方案设计（2）硬件系统的设计（3）软件控制系统的设计（4）控制系统样机制作（5）编写设计说明书，完成系统控制硬件图2指定查阅的主要参考文献及说明（1）单片机实用接口技术（2）微型计算机原理与开发（3）电路基础（4）传感器技术手册3进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1查阅和搜集设计资料，制定设计方案2015.3.2 2015.3.252硬件系统的设计、软件控制系统的设计2015.3.262015.4.153控制系统样机制作2015.4.162015.5.54撰写设计说明书2015.5.6 2015.5.265评阅及答辩2015.5.272015.6.21摘 要温室是设施农业的重要组成部分，是现代农业发展的重点之一。温室种植的实践经验表明，提高温室的自动控制水平可充分发挥温室生产的效率；我国广大农户购买能力有限，而市场上现有的针对现代试试环境的智能监控系统成本高、价格贵、使用较为复杂。针对这一问题，本文设计了一种成本较低、集环境监控和自动滴灌于一体的检测与控制系统。系统利用STC89C516RD+单片机实现对温室环境参数的实时监测，并根据实时数据和控制模型，对温室滴灌系统进行控制，是温室土壤湿度环境参数处于设定值之间。系统主要由能量转换模块、参数测量模块、实时控制模块等几部分组成。整个系统由太阳能电池板将太阳能转换为电能提供能源，从而驱动整个系统装置。再由温度传感器和土壤湿度传感器采集环境参数，并且通过AD模块转换数值在LED数码管上显示。同时单片机对实时数据进行处理判断，根据对环境参数影响最大的湿度参数及设定值发出控制命令，对电动机运转实现自动化控制，从而实现整个滴灌系统的自动化控制。此外，当实时监测到的环境参数超过设定限值时，电动机停止工作，并且蜂鸣器进行报警，以便于工作人员实施紧急措施。关键词：自动控制；滴灌系统；单片机；太阳能ABSTRACTGreenhouse is not only an important part of facility agriculture,but also one of the developing emphases of the developing of modern agriculture. Greenhouse cultivation practices show that improve the level of automatic control of greenhouse can give full play to the efficiency of the greenhouse production; In the broad masses of farmers to buy ability is limited, and the existing on the market of intelligent monitoring system for modern try environment cost high, the price is expensive, it is complex to use. In order to solve this problem, this paper designed a kind of low cost, environmental monitoring and automatic drip irrigation in the integration of detection and control system. System using STC89C516RD+ single-chip-microcomputer to realize real-time monitoring of greenhouse environment parameters and control model, and according to the real-time data to control greenhouse drip irrigation system, is the greenhouse soil moisture environment parameters between the set value. System is mainly composed of energy conversion module, parameter measurement module, real time control module, etc. The whole system is provided by solar panels to convert solar energy into electricity energy, so as to drive the whole system device. Again by the temperature sensor and soil humidity sensor to collect environmental parameters, and through the AD conversion module value on the LED digital tube display. Single chip microcomputer to deal with real-time data to judge at the same time, according to the humidity parameter and setting of the biggest impact on the environment parameter control command, to achieve automatic control, motor so as to realize the automatic control of the whole drip irrigation system. In addition, when the environmental parameters than setting limits to real-time monitor, the motor stop working, and buzzer alarm, emergency measures for staff. Keywords:automatic control ;Drip irrigation system ;Single chip microcomputer;solar energy 目录毕业设计（论文）任务书I摘 要IIABSTRACTIII第一章 绪论11.1引言11.2国内外自动灌溉控制系统的灌溉21.3滴灌控制系统研究的目的和意义3第二章 基于太阳能的滴灌控制系统总体硬件设计42.1 滴灌控制系统总体结构设计42.1.1滴灌控制系统组成42.1.2滴灌控制系统选型52.2 太阳能供能系统选型62.2.1太阳能应用背景62.2.2太阳能电池板选型72.2.3太阳能控制器选型92.3 单片机选型102.3.1 STC89C516RD+单片机介绍102.3.2 STC89C516RD+单片机结构112.4 温度传感器选型122.5 土壤湿度传感器选型152.6 光照强度传感器选型182.7 AD转换模块选择202.8 显示模块选择222.9 报警模块选择252.10 执行模块选择272.11 晶振模块设计27第三章 基于太阳能的滴灌控制系统软件设计293.1 编程环境介绍293.2 主程序设计313.3 数据采集设计333.4 数据处理设计343.5 报警程序设计353.6 显示程序设计363.7 执行程序设计38第四章 基于太阳能的滴灌控制系统调试394.1 软件调试394.2 硬件调试404.2.1 protues电气调试404.2.2实物实验43第五章 总结455.1 本文的主要特点和意义455.2本文的不足之处与进一步研究的建议45参考文献47致谢48附录A：滴灌控制系统电路图49附录B：源程序50V四川理工学院毕业论文第一章 绪论1.1引言建设社会主义新农村，是当前全党全社会面临的重大而紧迫的战略任务，是未来五年经济社会发展的重中之重【1】。发展农村经济，促进农民增收，是新农村建设第一重要的任务发展农村经济，首先应大力发展现代农业【2】。设施农业是高效农业的重要组成部分，在农业现代化、农业增效、农民增收中发挥着至关重要的作用，设施园艺是设施农业的主要内容，随着人们生活水平和农业现代化的需要，近年来我国设施园艺取得了飞速发展，己显现出明显的优势和良好的发展前景。发展设施园艺可以大幅度提高土地利用率、资源产出率、劳动生产率和产品商品率，可实现规范化、标准化生产，改善农村生态环境，加速传统农业向现代农业转变，可实现农业的高效、持续发展，培育农村经济新的增长点。设施园艺包括现代化温室、日光温室和塑料大棚等设施，目前，在现代的大型温室生产中，已经达到较为先进的程度，大都配有带加热设备，并采用喷灌、滴灌和地下灌溉等技术，有的还使用无土栽培法温室还装备有电脑控制系统，以变化的光照强度为中心，随时调节室温和空气中二氧化碳浓度，或辅以湿度、风速、温度、光照乃至营养液浓度的调节，为作物创造适合生长的最佳环境。功能齐全的完全智能化的温室环境监控系统价格昂贵，同时要求使用者具备一定的计算机操作技能和温室种植管理知识【3-5】，因此较适用于现代化温室，而对于目前拥有量最多的简易温室或塑料大棚来说，其通风、遮阳、滴灌等系统基本采用手动装置进行操作，不仅控制精度无法保证，而且无法考察多因子相互祸合关系，使得温室的种植完全依照种植者的经验。近年来，市场上也出现了针对温室加温、通风、滴灌等系统的控制装置，多是单因子控制器、自动化程度不高、环境调控能力比较差，又难以满足以上控制要求【6】。也有一些国内外的大公司生产智能温室监控系统或控制器，但一般价格昂贵，对于大部份农民来说还是可望而不可及的。因此，为了实现农作物的优质、高效和高产，开发成本较低、功能较全、实用型的农业温室大棚控制系统己迫在眉睫，这对于促进农业的增产、增收，推进我国农业智能化进程具有极为重要的意义，同时也具有很大的市场商机。1.2国内外自动灌溉控制系统的灌溉在节水灌溉方面，以色列是世界上微灌技术的发展比较先进的国家之一，其温室种植全部采用微灌，以滴灌为主。他们对农作物的灌溉采用了现代化的滴灌和微喷灌系统，在作物附近都安装了传感器以测定水、肥状况，办公室里的中心计算机对田间的控制器进行通讯，即可方便地遥控灌溉和施肥，使水肥的利用率达到80%-90%，使得原本资源匾乏的以色列成为沙漠上的蔬菜出口国圈。我国水资源总量为2.8万亿立方米，但可利用量只有40%-50%左右。目前全国农业用水利用率低，我国灌溉用水的利用系数只有0.3-0.4，与发达国家0.7-0.9相比，不及1/2。农作物水分生产率平均1kg/m3左右，与以色列2.32kg/m3相比相差1倍以上。随着人口增长，经济发展，特别是工业化，城市化对水需求的快速增长以及对水量、水质的更高的要求，使得农业用水必将受到更大的限制，因而农业节水必将成为节约水资源的核心内容。我国从开始的大水漫灌，发展到定额灌溉，再演进到节水灌溉(其中包括充分灌溉、非充分灌溉、调亏灌溉控制性分根交替灌溉等)，对大田作物需水规律及节水灌溉的研究已趋于成熟，但在露地蔬菜，设施蔬菜等方面却研究较少，缺乏成熟的认识，目前设施蔬菜生产中水、肥管理基本仍处于经验阶段，缺乏科学量化指标，对于大棚蔬菜栽培而言，传统灌水方式是沟畦灌，水的利用率只有40%。为使棚室蔬菜产量、产值再上新台阶，需对传统灌水方式进行改革。在温室大棚中大力推广现代节水灌溉技术，将更有利于我国节水农业的稳定发展。采用先进灌溉设备，根据作物生产过程中对水的需要，按时按量对作物进行灌溉，可使作物产量高，品质好，节水明显，水的利用率可在90%以上。所以节水灌溉与设施农业作为一系统工程更体现出对高技术集成要求的紧迫性。我国现有温室大棚绝大多数采用传统的灌溉的模式，尤其在微灌设备产品的开发利用上相差甚远。近些年来，改进和研制了一些新的滴灌设备，制定了滴灌滴头和滴灌管的技术标准和技术规范。进入20世纪90年代，国家对农业节水灌溉更加重视，投入相对增加。各地纷纷建立了设施农业的示范点，促进了滴灌和微灌节水技术在我国的应用，并且引进了以色列、美国、法国、韩国等国的部分先进技术和设备，国内温室大棚微灌有了较大的发展。但国内温室灌溉设备，在主要材质、技术精度和工艺水平上比较落后，整个系统配套性差，自动控制灌溉系统未有成型产品，基本用手动阀控制。现在市场上能批量使用的滴灌管主要是引进以色列等国外技术和设备生产，生产的产品价格高，很大程度上限制了设施农业先进灌溉技术的推广。1.3滴灌控制系统研究的目的和意义综合前面现状所述，可以看出国外发达国家的温室环境控制系统起步早，技术成熟，功能完善。而我国针对温室大棚的环境控制系统的研制则刚刚起步，还存在以下问题:1、目前我国主要采用单因子方法进行控制，农户适用装置较少。即便是有的使用多因子控制装置，但使用复杂、价格昂贵，农户一次性投入太高。2、大棚生产中，农户急需具备在线显示和自动控制装置的控制系统，为现场指导温室生产和今后进行管理分析提供依据。3、温室滴灌系统如何更好地和环境控制系统结合一直是温室生产中待解决的问题。本论文要完成的主要任务是开发一种成本较低、功能较全、集数据采集、环境监控和自动灌溉于一体的自动滴灌控制系统。研究的关键问题是:智能温湿度传感器的硬件与软件设计，温室大棚环境模糊控制系统设计。由于我国人多地少、气候条件恶劣、农业用户购买能力有限，因此开发低价位、低成本、实用型的农业温室环境智能监控系统具有很大的必要性和重要的实际意义。63四川理工学院毕业论文第二章 基于太阳能的滴灌控制系统总体硬件设计自动滴灌系统是通过测定湿度、温度，根据植物自动选择滴灌开时始时间、滴灌时间及出水量。这样可以将水和养份直接而精确地输送到作物根部，是一种低成本、长寿命、免维护、高效节能的浇水方式。它适用于单行或多行盆栽、吊蓝式种植、培植袋栽种作物、庭院式花园等，也适合家居大小花盆栽种的植物浇灌。自动滴灌系统目前在缺水的发达国家应用十分广泛，目前在我国部分地区也逐渐应用。自动滴灌系统要求滴灌时间准确、出水量适中、系统操作方便，对于更好的辅助作物生长、节约水资源起到了极其重要的作用。2.1 滴灌控制系统总体结构设计2.1.1滴灌控制系统组成在本文中，滴灌控制器主要由三部分构成，整个系统组成如下图图2-1所示。太阳能太阳能电池板太阳能控制器蓄电池控制器COM 单片机光照强度传感器温度传感器湿度传感器蜂鸣器 LED数码管（显示湿度、温度） 报警电动机水泵滴灌水源图2-1 系统整体工作流程图示一是供电系统，该部分利用太阳能作为供电来源，完成储能、电压转换的功能，为控制系统供电。供电系统主要由太阳能板、电压转换芯片、备用蓄电池和开关电路组成。二是控制系统，该部分利用温度、湿度传感器、单片机完成相关数据的采集、处理、传输与相应的滴灌控制功能，实现自动控制。三是显示报警系统，主要由LED数码管、蜂鸣器组成，实现实时环境参数显示及超限报警功能。2.1.2滴灌控制系统选型控制系统按照控制方法来分，可分为手动控制和自动控制两种类型。手动控制系统简单可靠，一般由继电器、接触器、按钮、限位开关等电气元件组成。但一般来说，即使在自动控制系统中，往往也包含有手动控制方式，手动控制系统是环境控制系统的基础。环境自动控制系统按采用的控制仪表可分为数字式控制仪控制系统、控制器控制系统和计算机控制系统。数字式控制仪控制系统往往只通过传感器对内的某一环境因子进行监测，并对其设定上限值和下限值，然后控制仪自动对驱动设备进行开启或关闭，从而使的该环境因子控制在设定的范围内，属单因子控制。这种系统因其不考虑其他要素的影响和变化，局限性非常大，但由于成本较低，对运行要求不高的来说很适用。计算机控制系统又可分为集中式控制系统和分布式控制系统(即集散式控制系统)。集中式控制系统，就是用一台计算机直接控制执行机构，使被调量保持在给定值。这类控制系统为主机一终端模式，即以计算机主机为控制中心，负责对其他各子系统进行控制管理，这种模式不灵活，适合于控制点数集中、规模小、控制机房和温室距离近的情况。分布式控制系统采用了所谓的服务器一客户机模式，是目前计算机控制系统的主流。它是由许多分布在各中的可编程控制器(PLC)或者子处理器组成，每一个控制器连接到中心监控计算机或称主处理器上，由每个子处理器处理所采集的数据并进行实时控制，而由主处理器存储和显示子处理器传送来的数据，主处理器可以向每个子处理器发送控制设定值和其它控制参数。它不仅具有传统的控制功能和集中化的信息管理及操作显示功能，而且还有大规模数据采集、处理的功能以及较强的数据通信能力，为实现高等过程控制和生产管理提供了先进的工具和手段。此类控制系统在现代化中已经应用广泛，对于普通农民来说，其最大的缺陷就是价格昂贵，一次性投资太大，而且对于普通大棚来说，实用性不高。控制器控制系统采用了综合环境控制，可根据作物对各种环境要素的配合关系，在某一环境要素发生变化时，相关的其他要素可自动做出相应改变和调整，以优化环境组合条件。控制器可以是单片机、可编程序控制器(PLC)、工控机等。此类控制系统价格相对较低，尤其是以单片机为控制核心的控制器，适用于简易大棚的控制，价格也处于普通农民用户所承受范围之内。现代传感器技术、通信技术、自动化技术和计算机技术的发展为现代控制系统的架构提供了多种可选方案。目前国内研究方案见表2.1。表2.1方案优缺点比较方案PLC单片机工控机分布式控制系统总线控制系统系统结构模块式整体式模块式模块式模块式加工无需加工需要无需加工无需加工无需加工体积较大小较大大大稳定性优一般一般优良好工作环境低低一般低低通讯优较差很差优优成本很高较低一般较高较高鉴于降低成本的需要，本系统将选用以多功能单片机为环境的核心控制器。2.2 太阳能供能系统选型2.2.1太阳能应用背景太阳能（solar energy），是指太阳的热辐射能，主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能也包括地球上的风能、化学能、水能等。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。目 前，中国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。中国比较成熟太阳能产品有两项：太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统。太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。太阳能发电系统分为离网发电系统与并网发电系统：1、离网发电系统。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。2、并网发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。并网发电系统有集中式大型并网电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，还没有太大发展。而分散式小型并网发电系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是目 前并网发电的主流。太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一，其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。 组件设计：按国际电工委员会IEC：1215：1993标准要求进行设计，采用36片或72片多晶硅太阳能电池进行串联以形成12V和24V各种类型的组件。该组件可用于各种户用光伏系统、独立光伏电站和并网光伏电站等。2.2.2太阳能电池板选型利用太阳能发电的方式有多种。已实用的主要有以下两种。1、光热电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光热转换，后一过程为热电转换。这种方式简单易行，成本低廉回报大，适合在中国大面积推广。2、光电转换该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池：1、材料要求：耐紫外光线的辐射，透光率不下降。钢化玻璃作成的组件可以承受直径25毫米的冰球以23米/秒的速度撞击。2、装用的EVA胶膜固化后的性能要求：透光率大于90%；交联度大于65-85%；剥离强度（N/cm），玻璃/胶膜大于30；TPT/胶膜大于15；耐温性：高温85、低温40；太阳电池的背面，耐老化、耐腐蚀、耐紫外线辐射、不透气等。3、用途：太阳能发电广泛用于太阳能路灯、太阳能杀虫灯、太阳能便携式系统，太阳能移动电源，太阳能应用产品，通讯电源，太阳能灯具，太阳能建筑等领域。太阳能在2050年前可能将成为电力的主要来源，受助于发电设备成本大跌。IEA报告表示，2050年前太阳能光伏(PV)系统将最多为全球贡献16%的电力，来自太阳能发电厂的太阳能热力发电(STE)将提供11%的电力。光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料（例如硅）制成的固体光伏电池组成。简单的光伏电池可为手表以及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明以及交通信号灯和监控系统，并入电网供电。光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电能。天台及建筑物表面均可使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统电池片原材料特点：采用高效率（16.5%以上）的单晶硅太阳能片封装，保证太阳能电池板发电功率充足。 玻璃： 采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)， 厚度3.2mm,在太阳电池光谱响应的波长范围内(320-1100nm)透光率达91%以上，对于大于1200 nm的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。EVA：采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm的优质EVA膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。TPT：太阳电池的背面覆盖物氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对组件的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。当然，此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。边框：所采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。也是太阳能发电系统中价值最高的部分。组成如图2-2.图2-2 太阳能电池板组成结构经过分析考虑，该系统环境要求较低，选用平板型单晶硅太阳能电池板。具体需要可根据实际情况将电池板进行并联和串联，便可达到要求。2.2.3太阳能控制器选型太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。太阳能控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得PV站的工作信息，又可详细积累PV站的历史数据，为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外，太阳能控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。太阳能控制器通常有6个标称电压等级：12V、24V、48V、110V、220V、600V ，如图2-3。图2-3 太阳能控制器太阳能控制器是由专用处理器CPU、电子元器件、显示器、开关功率管等组成。其主要特点：1、使用了单片机和专用软件，实现了智能控制；2、利用蓄电池放电率特性修正的准确放电控制。放电终了电压是由放电率曲线修正的控制点，消除了单纯的电压控制过放的不准确性，符合蓄电池固有的特性，即不同的放电率具有不同的终了电压。3、具有过充、过放、电子短路、过载保护、独特的防反接保护等全自动控制；以上保护均不损坏任何部件，不烧保险；4、采用了串联式PWM充电主电路，使充电回路的电压损失较使用二极管的充电电路降低近一半，充电效率较非PWM高3%-6%，增加了用电时间；过放恢复的提升充电，正常的直充，浮充自动控制方式使系统由更长的使用寿命；同时具有高精度温度补偿；5、直观的LED发光管指示当前蓄电池状态，让用户了解使用状况；6、所有控制全部采用工业级芯片（仅对带I工业级控制器），能在寒冷、高温、潮湿环境运行自如。同时使用了晶振定时控制，定时控制精确。7、取消了电位器调整控制设定点，而利用了E方存储器记录各工作控制点，使设置数字化，消除了因电位器震动偏位、温漂等使控制点出现误差降低准确性、可靠性的因素；8、使用了数字LED显示及设置，一键式操作即可完成所有设置，使用极其方便直观的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。根据工作情况要求，该设计选用12VDC的太阳能控制器满足系统运行条件。2.3 单片机选型在现今市场上，单片机的生产厂商很多、单片机的类型也很多。作为通用智能终端的控制器，在这众多的单片机类型中选择一款合适的型号至关重要。对于本终端，进行单片机选型应该遵循的原则或要求主要是:(1)选择的单片机必须有较好的稳定性，这是因为在温室或其它环境中存在有很多的干扰，为了使单片机能够正常的工作，单片机内部必须有较好的内部复位和内部延时等功能，如在单片机内部的程序运行时，若程序/跑飞0(指程序不按照指定的顺序运行)，可进行复位操作。(2)选择的单片机必须具有丰富的片上外围设备，因为这样可以简化电路的设计，也可以让电路的调试更加容易。(3)选择的单片机要有方便的调试功能，单片机生产厂商要提供免费的调试软件，使单片机程序大部分能够在PC机上仿真出来而且无误;而且，单片机程序语言要多样化，要既可以用单片机汇编语言也可以用C语言编写程序。(4)选择的单片机功耗要低，由于设计的通用智能终端长期在环境现场工作，为了节能，应选择功耗低的单片机。本设计采用宏晶科技公司出产的STC89C516RD+单片机。2.3.1 STC89C516RD+单片机介绍STC89C516RD+单片机是STC推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机。指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以在任意选择，内部集成MAX810专用复位电路。该单片机的主要特性如下：1、增强型8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以在任意选择，指令代码完全兼容传统8051；2、工作电压：3.3V-5.5V；3、工作频率范围：0-40MHz，相当于普通8051的0-80MHz，世纪工作频率可达48MHz；4、用户应用程序空间64K；5、片上集成1280字节RAM；6、通用I/O接口39个，复位后为P1/P2/P3/P4是准双向口/弱向上拉（普通8051传统I/O口），P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；7、ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编辑器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成；8、具有EEPROM功能；9、内部自带看门狗程序；10、内部集成MAX810专用复位电路，外部晶体20M以下时，可省略外部复位电路；11、共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；12、外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；13、通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；14、工作温度范围：0-75摄氏度。2.3.2 STC89C516RD+单片机结构该款单片机中包括中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定时/计数器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看门狗等模块，几乎包括了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。内部结构如图2-4，管脚分布如图2-5。图2-4 内部结构图图2-5 单片机管脚图2.4 温度传感器选型温度是表征物体冷热程度的物理量，是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性，温度传感器的数量在各种传感器中居首位，约占50%。温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展，新型温度传感器还会不断涌现。温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类：接触式和非接触式。接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触，使两者进行充分的热交换而达到同一温度。这一类传感器主要有电阻式、热电偶、PN结温度传感器等。非接触式温度传感器无需与被测介质接触，而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器，以达到测温的目的。这一类传感器主要有红外测温传感器。本次设计采用DS18B20常用温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20的主要特性：1、适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；3、 DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；5、温范围55+125，在-10+85时精度为0.5；6、可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温；7、在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；8、测量结果直接输出数字温度信号，以一 线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如下图2-6:图2-6 DS18B20外形及管脚排列图DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减为750ms。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。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，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，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。图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。工作原理图如下图2-7。图2-7 DS18B20测温原理框图DS1820使用中注意事项：DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：1、较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此 ，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对 DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。2、在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个 DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时 要加以注意。3、连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的 测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正 常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考 虑总线分布电容和阻抗匹配问题。4、在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦 某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予 一定的重视。 测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。2.5 土壤湿度传感器选型在农业生产中，和温度一样，需要对环境湿度进行测量及控制，准确地测量湿度更是至关重要的。但是在常规的环境参数中，湿度是比较难准确测量的一个参数。过去用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代农业发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂得多，温度是个独立得被测量，而湿度却受到其他因素得影响，湿度与大气压强、温度呈函数关系。因此，用常规方法测量湿度得误差可达士%520%。此外，湿度的校准也是一个难题。干湿球湿度计和普通得湿度计并不能用作标定，就是因为标定后的精度无法保证。湿度有多种表示方法，根据测量对象、环境以及时测量所要求的不同，也有多种不同的测量方法与测量仪器。水分是决定土壤介电常数的主要因素。测量土壤的介电常数，能直接稳定地反应各种土壤的真实水分含量。FC-28土壤水分传感器可测量土壤水分的体积百分比，与土壤本身的机理无关，如图2-8。图2-8 FC-28土壤湿度传感器模块该传感器模块特性如下：1、采用FC-28土壤传感器做土壤湿度的检测，表面采用镀镍处理，有加宽的感应面积，可以提高导电性能，防止接触土壤容易生锈的问题，延长使用寿命；2、产品可以宽范围控制土壤的湿度，通过电位器调节控制相应阀值，湿度低于设定值时，DO输出高电平，高于设定值时，DO输出低电平；3、比较器采用LM393芯片，工作稳定；4、工作电压3. 3V-5V；5、设有固定螺栓孔，方便安装；6、 PCB尺寸:3. 2cm*1. 4cm。该传感器模块结构图2-9如下。图2-9 传感器模块结构图FC-28传感器在土壤饱和含水率范围内具有良好的线性特征，下图是40%湿度前典型的标定曲线及参数，用户可以参考使用，如果要获得高精度的测量结果，需进行二次标定。图2-10 标定关系曲线图标定公式:0%-40%湿度为:y=10.688*x- 0.13240%一100%湿度为:y=47.772*x一138.86(X为采集器采集到的电压值)公式选择方式为:先使用第一个公式进行运算，如果结果大于40，则使用第二个公式重新进行运算。注意事项：1、不要将探针接入硬的土块中，以免损坏探针；2、测量时一，被测土壤密度应尽量均匀；3、将传感器移出土壤时一，不要直接拉电缆；4、使用完成后，应清洗并擦干，保护湿度探头干净。图2-11 土壤湿度传感模块电路图2.6 光照强度传感器选型光敏传感器的基础是光电效应，即利用光子照射在器件上，使电路中产生电流或使电导特性发生变化的效应。目前半导体光敏传感器在数码摄像、光通信、航天器、太阳能电池等领域得到了广泛应用，在现代科技发展中起到了十分重要的作用。在植物的生理生态的综合测试中，光照度也是非常重要的参数，它与植物的蒸腾流速率成显著正相关。光照强度,简称照度。一个被光线照射的表面上的照度（illumination/illuminance）定义为照射在单位面积上的光通量。设面元dS 上的光通量为d，则此面元上的照度E为：E=d/dS 。照度的单位为lx（勒克斯）,也有用lux的，1lx=1lm/。照度表示物体表面积被照明程度的量。夏季在阳光直接照射下，光照强度可达6万10万lx，没有太阳的室外0.1万1万lx，夏天明朗的室内100550lx，夜间满月下为0.2lx。光照度传感器的转换元件能将光量转换为电量。通常分为3类:一是外光电效应元件，此类光电转换元件有光电管、光电倍增管等；二是内光电效应元件，此类光电转换元件有光敏电阻、光导管等；三是光生伏特效应元件，此类光电转换元件有光电池、光电晶体管等。其中，光电池具有性能稳定、寿命长、光谱响应范围宽、频率特性好和耐高温等优点，在光照度检测围宽、频率特性好和耐高温等优点，在光照度检测系统中得到了广泛的应用，而目前应用最广、最有发展前途的是硅光电池。因此，选用硅光电池作为光照度传感器的转换元件。能源-硅光电池串联或并联组成电池组与镍镉电池配合、可作为人造卫星、宇宙飞船、航标灯、无人气象站等设备的电源；也可做电子手表、电子计算器、小型号汽车、游艇等的电源。硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN 结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。晶体硅光电池有单晶硅与多晶硅两大类，用P型（或n型）硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成Pn结而制作成的，生产技术成熟，是光伏市场上的主导产品。采用埋层电极、表面钝化、强化陷 光、密栅工艺、优化背电极及接触电极等技术，提高材料中的载流子收集效率，优化抗反射膜、 凹凸表面、高反射背电极等方式，光电转换效率有较大提高。单晶硅光电池面积有限，目前比较大的为10至20cm的圆片，年产能力46MW/a。目前主要课题是继续扩大产业规模，开发带状硅光电池技术，提高材料利用率。国际公认最高效率在AM1.5条件下为24%，空间用高质量的效率在AM0条件约为13.5-18%，地面用大量生产的在AM1条件下多在11-18%之间。以定向凝固法生长的铸造多晶硅锭代替单晶硅，可降低成本，但效率较低。优化正背电极的银浆和铝浆丝网印刷，切磨抛工艺，千方百计进一步降成本，提高效率，大晶粒多晶硅光电池的转换效率最高达18.6%。a-Si（非晶硅）光电池一般采用高频辉光放电方法使硅烷气体分解沉积而成的。由于分解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1m厚的薄膜，易于大面积化 （0.5m1.0m），成本较低，多采用pin结构。为提高效率和改善稳定性，有时还制成三层pin 等多层叠层式结构，或是插入一些过渡层。其商品化产量连续增长