毕业设计（论文）-蔬菜大棚的温湿度控制系统设计.doc

河南理工大学毕业设计论文摘要温室大棚是设施农业的重要组成部分，大棚测控系统是实现大棚自动化、科学化的基本保证。传统的大棚测控系统主要是靠人工控制的方式，既耗费人力又不精确，表现出了极大地局限性。随着计算机应用技术的发展，使得用计算机控制的方面也涉及到了各个领域，其中在大棚内用单片机控制各因子是应用于实践的主要方面之一。在现代化的温室大棚管理中，人们通过对监测数据的分析，结合作物生长规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素就是温度和湿度控制，通常有温湿度控制系统，以控制温室大棚中的温湿度，适应生产需要，提高经济效益。本设计是一个专门为蔬菜大棚温湿度测量控制而设计的系统，通过对系统的硬件部分和软件部分设计来达到监控要求。硬件部分实现了对单片机模块、温湿度测量模块、显示模块、报警模块、按键模块等的设计；软件部分主要根据系统的设计思想设计出了主程序和子程序流程图，并通过程序实现。在系统设计过程中充分考虑到性价比，选用价格低、性能稳定的元器件。系统具有性能好、操作方便等优点，能实现对温湿度的测量、显示、控制和过限报警。该系统也可应用于档案室，粮仓，恒温恒湿环境等多种环境，具有广泛的使用空间。关键词：蔬菜大棚； 温湿度控制； 传感器； 单片机The Design of Temperature and Humidity Control System in Vegetable GreenhouseAbstractGreenhouse is an important component of protected agriculture. Measuring and controlling system is the basis of the management automation in the greenhouse. In the traditional system is mainly rely on manual control mode, the consumption of both human and inaccurate, showed great limitations. With the development of computer application technology, the computer-controlled areas are also involved, the plastic temperature using SCM and humidity is one of the main aspects used in practice. Through the analysis of monitoring data, combined with crop growth, controlling environmental conditions, It makes greenhouse better, and more productive and high quality.For vegetable shed speaking, one of the most important management factor is the temperature and humidity control. Usually a control system of temperature and humidity,temperature and humidity control in greenhouse, to meet the needs of production, improve economic benefit. Thethesis isabout an intelligent system designed for controlling the temperature and humidity of a greenhouse. It can meet the demand of monitoring through the design of hardware and that of software in details. The former is more important in this dissertation, including Temperature and humidity measurement module, display module, control module, the alarm module. And according to the design thoughts the latter shows the flow chart of the main program and the subprogram, realized by program. In the system design process fully considering the price, low price, stable performance of the components. The system has the advantages of good performance, convenient operation, can achieve the measurement of temperature and humidity, display, control and alarm. Furthermore, the system can also be applied to the record room, granary, a variety of environmental temperature and humidity environment, has the widespread use of space.Keywords: Vegetable greenhouse; Temperature and humidity control; Sensor; Single-chip Microcomputer 1目录1 绪论11.1 选题的目的和意义11.2 国内外研究现状及分析21.2.1 国内温室产业现状及发展趋势31.2.2 国外温室产业现状及发展趋势52 系统方案设计82.1 系统设计框图82.2 系统方案设计及确定82.2.1系统方案设计82.2.2 系统设计方案的确定112.3 本章小结123 系统的硬件设计133.1 系统硬件的简述133.2 单片机模块的设计133.2.1 AT89S52单片机介绍133.2.2单片机的最小系统163.3 温湿度测量模块的设计183.3.1 DHT90温湿度传感器介绍183.3.2 温湿度测量硬件电路203.4 显示模块的设计203.4.1 LCD1602介绍213.4.2 显示模块硬件电路223.5 报警模块的设计233.6 按键模块的设计243.7 控制电路的设计253.8 本章小结274 系统的软件设计284.1 软件设计简述284.2 主程序流程图设计284.3 DHT90软件设计294.3.1 DHT90电气特性294.3.2 DHT90通讯304.3.3 DHT90的温湿度补偿及转换314.3.4 DHT90测量流程图334.4 LCD1602软件设计334.4.1 写操作344.4.2 读操作344.4.3 LCD1602显示流程图354.5 温湿度控制软件设计364.5.1 温度控制364.5.2 湿度控制374.6 按键模块软件设计374.7 本章小结385 系统的调试与仿真396 总结41谢辞42参考文献43附录11附录22附录331 绪论设施农业是外来词汇，在我国也称“工厂化农业”，目前学术界和经济界还没有一个统一和权威的定义。一般来说，所谓设施农业是具有一定的设施、能在局部范围改善或创造出适宜的气象环境因素、为动植物生长发育提供良好的环境条件而进行有效生产的农业。具体地说，设施农业是指利用人工建造的设施，通过调节和控制局部范围内环境、气象因素，为作物生长提供最适宜的温度、湿度、光照、水和肥等环境条件，使作物处于最佳生长状态，从而获得高产优质的农产品。随着经济的发展和科技的进步，高新技术在设施农业中的应用之趋势日趋明显，设施农业被赋予新的内涵。设施农业是利用现代工程技术手段和工业化生产方式，为动植物生产提供可控制的适宜生长环境，充分利用土壤、气候和生物潜能，在有限的土地上获得较高产量、品质和效益的一种高效、集约化的农业。许多发达国家设施农业已经达到很高水平，工厂化农业已发展成为由多种学科技术综合支持和资本密集型产业，它以高投入、高产出、高效益以及可持续发展为特征，并成为各国农业中的重要产业。“日光温室”产业作为我国设施农业产业中的主体，近20年来已成为农业种植中效益最高的产业。它为解决长期困扰我国北方地区冬季的蔬菜淡季供应、增加农民收入、节约能源、促进农业产业结构调整、带动相关产业发展、安置就业、避免温室效应造成的环境污染、提高城乡居民的生活水平、稳定社会等均做出了历史性贡献1。1.1 选题的目的和意义 随着经济和社会的快速发展，人们的生活水平也在不断的提高，对农产品的需求量也越来越大。传统农业生产中，农作物的产量受到自然因素的影响巨大，若天气情况不适合农作物的生长条件，就会导致其产量严重下降。为改变农业生产对自然环境的严重依赖，大棚技术应运而生。现代化农业生产中，温室大棚作为一种反季节种植和提高产量的重要手段，在农业生产中占有重要地位，越来越受到人们的关注。各种温室技术如雨后春笋般出现，温室大棚技术也越来越成熟。温室大棚为解决我国城乡居民菜篮子问题，促进农民增收和推进农业结构调整发挥了重要作用。传统的温室种植是在大温室棚内悬挂温度计，工人根据读取的温度值调节大棚内的温度；而湿度控制只能根据工人的经验判断是否需要进行灌溉。这种靠人工控制温湿度的方式，既耗费人力又不精确，传统的温湿度调节措施表现出极大地局限性。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度控制系统。建造先进温室有利于解决靠天吃饭的问题，防止恶劣天气，排除季节因素给生物创造出一个适宜的生长环境，消除对作物生长不利的环境因素来促进生物生长，使其部分或完全克服外界气候的制约，从而缩短作物的生长周期，提高作物的产量，获得一定的经济效益。而现代传感器技术、计算机技术、自动化技术和通信技术的发展为现代温室控制框架提供了多种方案。在二十一世纪未来一段时间内，中国人口将持续增长，而可耕地面积却在逐年减少。所以，研究如何用较少的土地去解决相对较多人口的温饱问题，是具有重要的战略意义的。改革开放以来，我国经济的迅速增长，使得农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。我国作为一个农业大国，温室技术的发展却比较晚、与国外的技术相比有很大差距。为了提高这方面的技术，在自70年代末起，我国先后从日本、美国、荷兰和保加利亚等国引进了不下40套的现代化温室成套设备，虽然引进的这些温室设备技术领先、设备先进，但在我国的使用过程中还存在着较为严重问题，主要是由于我国自然气候的特点和引进的设备不能相符合，导致设备不能发挥起作用，加上设备的可改动性不大，因而很难达到设备对温室内温度、湿度等的合理控制。但随着科技的不断进步，经过多年来的研究和实验，我国的温室大棚技术发展到现在，已经形成了比较完整和全面的体系。但在某些方面还有欠缺和需要改进地方，由此可见设计温湿度控制系统具有重要的现实意义2。1.2 国内外研究现状及分析早在1516世纪，荷兰、法国、中国和日本就开始建造简易温室，栽培过时令蔬菜或小水果。17世纪开始采用火炉和热气加热玻璃温室。19世纪在英格兰、荷兰、法国出现双面玻璃温室，这时期温室主要栽培黄瓜、草莓和葡萄等。19世纪后期，温室栽培技术从欧洲传人美洲及世界各地。1860年美国建立世界上第一个温室试验站，到20世纪初美国已有1000多个温室用于各季蔬菜栽培。20世纪50年代，美国、加拿大的温室生产达到高峰，荷兰、德国的温室工业化生产业已兴起；60年代，美国研制成功无土栽培技术，使温室栽培技术产生一次大变革；80年代，全世界温室面积达20万km2；90年代达到45万km2；目前全世界温室面积达60万km2。世界各国的现代温室于二十世纪六十年代逐步完善并快速发展起来，第二次世界大战以后，各国致力于自身的经济发展。随着经济的快速恢复和发展，人们的生活质量有了大幅度的提高，生活必需品的多样化要求也有了提高，因而对生产温室的需求逐年上升。随着科学技术的进步和科技水平的提高，农业的工业化进程加快了，设施农业应运而生，在全球迅速崛起，并形成资金、技术和劳动力密集型的高新技术产业，成为当今社会最具有活力的产业之一。社会的需求和经济技术的支持，使现代温室快速发展。现代化温室设施应用先进的科学技术，采用连续生产方式和先进管理方式，高效、均衡地生产各种蔬菜、水果、花卉、药材等，它可不受地点和气候的影响。它能够有效地改善农业生态、生产条件，促进农业资源的科学开发和合理利用，提高土地的产出率、劳动生产率和社会、经济效益。温室实现自动化的目的是提高控制及作业精度，提高生产率。因此，世界各国在这方面研究很快。温室设施的关键是环境控制、机械化和自动化生产。人们利用温室来创造适宜的作物生长发育环境条件，其中主要包括温室内部温度和湿度的调节、灌水量和水温的自动调节、CO2施肥控制及温室通风换气的自动调节等。近代温室的发展经历了改良型日光温室、大型玻璃温室和现代化温室三个阶段，但由于各地区生产状况、经济条件和利用目的的差异，至今各阶段不同类型的温室依然并存。计算机、自动控制、机械等技术在温室环境控制以及管理等多方面的广泛应用，使温室技术发生了翻天覆地的变化，其中以欧洲的荷兰、法国和西班牙，中东的以色列，北美洲的加拿大和美国最为突出。1.2.1 国内温室产业现状及发展趋势我国是温室栽培起源最早的国家，在2000多年前就已经能利用保护设施(温室的雏形)栽培多种蔬菜，至20世纪60年代，中国的设施农业始终徘徊在小规模、低水平、发展速度缓慢的状态，70年代初期地膜覆盖技术引入中国，对保温保墒起到一定的作用。随着经济的发展和科技的进步，7080年代，相继出现了塑料大棚和日光温室。90年代开始，中国设施农业逐步向规模化、集约化和科学化方向发展，技术水平有了大幅度提高。随着近年来国家相关科研项目的启动，在学习借鉴、吸收消化国外先进技术成果的基础上，中国的设施农业有了较快发展，设施面积和设施水平不断提高，主要表现在：(1)日光温室和塑料大棚。设施园艺生产，特别是日光温室蔬菜生产是近20年来我国农业种植中效益最大的产业。目前我国设施园艺面积已达300多万km2，总面积占世界首位。其中日光温室面积约60余万km2，占温室和大棚等大型设施总面积的50以上，北方地区约占整个温室大棚面积的80以上。设施蔬菜面积占设施园艺总面积的95以上，设施蔬菜生产总量已超亿吨。我国北方地区的日光温室经过对其建筑结构、环境调控技术和栽培技术等方面的不断改进，初步形成了具有中国特色的设施园艺生产体系节能型日光温室配套栽培技术。在高寒地区可实现冬季不加温生产蔬菜，基本消除了冬春蔬菜淡季，该技术在中国北方地区得到广泛应用，南方地区则大力推广塑料大棚和遮阳网栽培，解决了夏季防雨降温的问题。 (2)近年来，我国设施园艺工程的总体水平有了明显提高。设施类型以塑料大棚和日光温室为主，逐步向大型化、多样化方向发展。地方各级政府将设施园艺工程作为发展现代农业的切入点，纷纷建立了现代化高效农业示范园区。据专家分析，在我国300多万km2的设施园艺生产中，代表设施园艺最高水平的大型连栋温室在我国仅有400多km2，仅占总面积的0.013左右。虽然我国的温室产业的发展取得了很大的进步，但同时也存在着很多问题。首先，科技含量低。中国的设施园艺无论是在温室设施本身还是在栽培管理方面，大多数设施结构简单，栽培管理以传统的经验为主，距离数量化和指标化的要求还有相当大的差距。中国温室市场上目前使用的不少产品，在高品质 领域主要以国外产品为主。遮阴网的生产上以瑞典、以色列的高品质产品为主，温室环境控制系统领域上国内的产品同与国外有相当大的差距，而且国内现有的一些科研成果与真正地推广应用之间还有一段差距。 其次，环境调控技术与设备落后，缺乏理论基础与量化指标。由于绝大多数园艺设施类型过于简易，因此对环境的调节和控制十分有限。张福墁教授认为，塑料大棚往常在遇到灾害性天气时受损，无法生产。即使在正常天气，大部分塑料大棚所能进行的环境调控手段也仅限于通风和避风。日光温室遇到寒流或连阴(雪)天，光照不足失去热源和光源时，室内光照、温度、湿度都会出现不适合植物生长的逆境，轻则减产，重则绝收，造成不同程度的经济损失。 再次，缺乏与我国相适应的温室优化控制软件。目前，我国引进温室的控制系统大多运行费用过高，而自行研制的控制系统又缺乏相应的优化软件，多数仍使用单因子开关量进行环境因子的调节。而实际上温室内的光照、气温、地温、湿度及CO2浓度等环境要素是在彼此关联着的环境中对作物的生长产生影响的，而且环境要素的时间变化和空间变化都很复杂，当改变某一环境因子时常会把其他环境因子变到一个不适宜的水平上。因此，结合温室内的物理模型、作物的生长模型和温室生产的经济模型，开发出一套与我国温室生产现状相适应的环境控制优化软件是非常重要和十分迫切的。 最后，中国的温室建设上盲目性很大。大量的项目在相应的配套设备、人才不到位的情况下，盲目地从国外引进高新技术，盲目地低水平仿制国外产品。温室种植管理上，产品种植前经过市场考察的很少，往往造成产品积压，带来不应有的损失。相关的种植管理方面的研究距离理论化、科学化、系统化地指导生产实践还有不少差距。温室企业在产品的售后配套服务方面尚不够完善，企业的品牌意识、诚信意识不够，相当温室控制软件的研究上与国外企业相比有相当大的差距。鉴于我国温室产业的发展现状以及存在的问题，故提出了以下四条发展建议：第一，发展符合国情的现代温室产业体系。国外的现代化温室的确有其独到之处，其科技含量高、智能化程度高、管理得当。因此，我国应适当引进，以提高我国温室产业水平。但我国幅员辽阔、气候类型多样、地域条件差别大，经济、技术、市场条件不一，致使我国不同的地区农业生产条件各不相同。要有计划、有目的地发展温室产业，而不能盲目地照搬某一国家或地区的模式。必须重视区域特点，因地制宜，找到适合本地的、先进性与实用性相结合的温室类型，形成适合中国国情的温室产业发展体系。 第二，推进温室产业的规模化和产业化发展。设施农业是一种高投入、高产出、高效益的产业，只有形成相当规模的生产，才有可能形成强有力的品牌效应，从而占领市场，使资源优势得到有效开发与持续利用，同时带来巨大的经济效益。因此，各级政府应在搞好规划的基础上，采取加大投入等政策措施，以有前途、规模大的龙头企业为突破口，集中培育和扶持规模化的温室产业基地，加快设施农业企业的发展，进而推进设施农业的产业化发展，切忌盲目投产、政策一刀切、支持引导虎头蛇尾。 第三，建设温室产业科技创新体系。发展温室产业必须以科技创新为依托。没有科技含量或科技含量低的温室产业，将无法确保温室产业得到有效的发展，其经济效益也是相当有限的。因此，必须加大科研开发力度，切实解决温室产业中关键技术难题，重视温室产业相关生物技术的协作攻关，积极开展温室产业配套技术的开发研究，因地制宜地研制和开发具有自主知识产权的温室产业设备，建立温室产业技术创新体系。 第四，大力提高生产者素质。先进的设施和技术只有由掌握现代科学技术的人来操作，才能使设施和技术的先进性得以发挥，巨大的增产潜力得以充分体现。目前，我国在温室产业的技术开发、管理等方面极度缺乏高素质的人才，有些关键技术的开发管理与国外水平存在较大差距。因此，必须通过多种方式和途径，大力普及设施农业的科学知识，注重培养技术人员和经营管理人才，大力提高劳动生产者素质。1.2.2 国外温室产业现状及发展趋势 国外温室栽培的起源以罗马为最早。罗马的哲学家塞内卡(Seneca，公元前3年至公元69年)记载了应用云母片作覆盖物生产早熟黄瓜。20世纪70年代以来，西方发达国家在设施农业上的投入和补贴较多，设施农业发展迅速。目前，全世界设施农业面积已达400余万km2。荷兰、日本、以色列、美国、加拿大等国是设施农业十分发达的国家，其设施设备标准化、种苗技术及规范化栽培技术、植物保护及采后加工商品化技术、新型覆盖材料开发与应用技术、设施环境综合调控及农业机械化技术水平等都具有较高的水平，居世界领先地位。 20世纪70年代以来，国外设施农业发达国家在温室环境配套工程技术方面进行了大量研究，并取得了一些技术成果。以荷兰为代表的欧美国家设施园艺规模大、自动化程度高、生产效率高，设施农业主体设备温室内的光、水、气、肥等均实现了智能化控制；以色列的现代化温室可根据作物对环境的不同要求，通过计算机对内部环境进行自动监测和调控，实现温室作物全天候、周年性的高效生产；美国、日本等国还推出了代表当今世界最先进水平的全封闭式生产体系，即应用人工补充光照、采用网络通讯技术和视频技术进行温室环境的远程控制与诊断、由机械人或机械手进行移栽作业的“植物工厂”，大大提高了劳动生产率和产品产出率。当前，国外温室产业发展呈以下态势：温室建筑面积呈扩大化趋势，在农业技术先进的国家，每栋温室的面积都在0.5km2以上，便于进行立体栽培和机械化作业；覆盖材料向多功能、系列化方向发展，比较寒冷的北欧国家，覆盖材料多用玻璃，法国等南欧国家多用塑料，日本则大量使用塑料；无土栽培技术迅速发展；由于当今科学技术的高度发展，采用现有的机械化、工程化、自动化技术，实现设施内部环境因素(如温度、湿度、光照、CO2浓度等)的调控由过去单因素控制向利用环境计算机多因子动态控制系统发展；温室环境控制和作物栽培管理向智能化、网络化方向发展，而且温室产业向节约能源、低成本的地区转移，节能技术成为研究的重点；广泛建立和应用喷灌、滴灌系统。过去发达国家灌溉是以土壤含水量或水位为依据进行水肥管理，而现在世界上正在研究以作物需水信息为依据的智能灌溉监控系统，如加拿大的多伦多大学正在研发超声波传感器，可检测作物缺水程度，以指示灌溉。 目前，塑料大棚、温室大棚应用较多。随着自动化、智能化等高新技术的应用，出现了智能型温室，使农业产品工厂化生产成为现实。工厂化中采用的高新技术主要有无土栽培技术、营养控制技术、CO2施肥技术、环境监测控制技术、机械化作业技术、节水灌溉技术，计算机技术作为一种手段，融于各类技术之中，实现整个系统的自动监测与集中控制。总之，设施农业的发展集中体现了生物工程、信息工程、农业工程等多领域的高新技术在农业生产中的应用状况，发展设施农业产业必须依靠这些高新技术的进步。此外，随着科学技术的不断发展进步，温室产业的发展也呈现出了一定的发展趋势：（1）温室大型化与自动化。近年，在发达国家已经形成设施制造、生产资料、环境控制为一体的多功能体系。随着温室技术的发展，温室正向大型化方向发展。大型温室设施具有投资省、土地利用率高、室内环境相对稳定、节省能源、便于作业和机械化生产等优点。上个世纪90年代以后，发达国家新建的温室都是大型的现代化温室。温室内的温度、湿度、光照、水分、肥料、CO2均通过计算机调控，一些国家在实现自动化的基础上正向完全自动化、无人化的方向发展。温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。从品种选择、栽培管理到采收分级包装形成一整套规范化的技术体系。自动测量、环境控制和计算机程序化技术已在各国设施农业领域得到广泛应用，从而促进了设施农业高新技术的兴起与发展。塑料大棚、玻璃温室、人工气候室环境的自动监控和管理，无土栽培的营养液供给系统、灌溉系统、组织培养的种苗繁育与驯化，植物工厂的自动化等设施高新技术的发展，都是以自动化测量、计算机和通讯技术大发展为前提。设施农业的大规模化、机械化和自动化是今后的发展趋势。（2）栽培产品多样化和特色化。20世纪80年代以前，设施栽培的产品主要是蔬菜、花卉和水果；90年代则向多样化发展，开始栽培能产生高附加值的植物，如香料、特种植物、工业原料植物、药用植物、食用菌、名贵观赏植物等。各国都十分注重发展自己的特色栽培，走特色化和规模化的道路。以花卉生产为例，荷兰重点发展花卉种苗、球根、鲜切花的生产；而美国则在草花、花坛植物、盆花、观赏植物等方面处于世界领先地位。（3）设施农业重点向节省能源、低成本地区转移。近年，世界范围不断爆发能源危机，致使设施栽培的能源成本不断增加，产品的生产成本提高，削弱了与露地栽培的竞争力。为此，各国在发展设施农业的布局上则逐渐将重心向节省能源的地区转移，从较寒冷多阴雨的地区向较温暖日光充足的地区转移。在较寒冷地区只保留不加温的塑料大棚。20世纪90年代以前，世界温室生产的花卉主要集中在欧洲、美国和日本，近年逐渐转移到气候条件优越、土地和劳动力成本低，又受到产业政策扶持的国家和地区。因此，在亚洲、非洲的暖温带、亚热带、热带地区设施农业发展较快3。2 系统方案设计本章从控制系统的总体构成及原理框图对系统进行了总体分析说明。本设计需要设计一个蔬菜大棚的温湿度控制系统，设计选用单片机为控制器，通过控制系统、温湿度测量电路、报警电路、显示电路、按键电路等组成这样一个系统。控制系统组成以后，主要通过控制器、传感器及执行器对控制变量进行分析和处理。2.1 系统设计框图本设计是基于单片机实现蔬菜大棚的温湿度控制系统的设计，该系统利用温湿度传感器将温室大棚内温湿度的变化，变换成数字量，其值由单片机处理，最后由单片机去控制液晶显示器，显示温室大棚内的实际温湿度，同时通过与预设量比较，对大棚内的温湿度进行自动调节，如果超过我们预先设定的温湿度限制，温湿度报警模块将进行报警4。系统主要有温湿度测量模块、显示模块、报警模块、及按键模块。其系统设计框图如图2-1所示。 喷雾器、抽湿器显示模块继电器温湿度测量模块kuiankkkkuaikuaikuai块继电器报警模块轴流风机、电热丝按键模块单 片 机图2-1 系统设计框图2.2 系统方案设计及确定2.2.1系统方案设计(一)方案一（1）单片机的选择采用AT89系列单片机中的AT89C51芯片作为核心器件。AT89C51是一个低电压、高性能CMOS8位微处理器，片内含4K字节 FLASH ROM和128B RAM，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性储存技术生产，具有32个外部双向输入/输出（I/O）接口，同时内含2个外部中断口，2个16位可编程定时/计数器，全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，能以3V的超低压工作，而且与MCS-51系列单片机完全兼容。但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏5。（2）温、湿度传感器的选择采用数字式温度传感器DS18B20。DS18B20的内部有64位的ROM单元和9字节的暂存器单元，64位ROM包含了DS18B20唯一的序列号。DS18B20仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，对读写的数据位有着严格的时序要求，有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。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。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，其测温范围为-55到+125，在-10到+85时精度为0.5。最后，由于其输出为数字量，所以不需要进行A/D转化，这样就降低了硬件成本，简化了系统电路。另外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点6。采用HS1100/HS1101湿度传感器。HS1100/HS1101电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。该传感器具有不需校准的完全互换性,高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，有顶端接触(HS1100)和侧面接(HS1101)两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。测量湿度时需要将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常用的方法有两种，一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号；另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中，将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集7。（3）显示器件的选择采用LED显示器。数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。但数码管显示电路连接复杂，容易出现故障，并且显示内容有限。（4）报警器件的选择采用声光报警电路。蜂鸣器和发光二极管是常用的报警元器件。温度和湿度任何一个超过设定范围，蜂鸣器均报警。利用二极管的亮灭显示温度或者湿度是否过限，这样便于观察，可以更加直接的确定是要升降温还是要增减湿度，给工作人员减少了工作量。蜂鸣器和发光二极管都是是通过单片机的I/O驱动的。（二）方案二（1）单片机的选择采用AT89系列单片机中的AT89S52芯片作为核心器件。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与MCS-51系列单片机完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，得到了广泛应用。该芯片能以3V的超低压工作；同时该芯片内部存储器为8KB的ROM存储空间，同样具有89C51的功能；并且AT89S52具有ISP（In System Programmable）在线编程功能，当需要改写单片机存储器内的程序时，不需要把芯片从工作环境中脱离，避免由于芯片多次拔插，对芯片造成不必要的损坏。（2）温、湿度传感器的选择采用数字式温湿度传感器DHT90。DHT90是数字温湿度传感器系列中插针型的传感器。传感器把传感元件和信号处理集成起来，输出全标定的数字信号。传感器采用专利的CMOSens技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接8。DHT90提供4 针单排引脚封装，易于集成与替换。因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点，使其成为选择温湿度传感器时的首选。对于本次设计来说，DHT90可以同时采集温度和湿度，两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。端口少，只需要单片机的一个端口即可驱动，精度较高，易于应用，操作简单。（3）显示器件的选择采用LCD1602液晶显示器。字符型液晶显示LCD1602是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式LCD，它由若干个57或者511等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，显示时只需要写入相对应字符的ASCII码就可以显示。1602LCD是指显示的内容为162,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。它具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等优点。对于本次设计，它显示清晰明了，易于操作，占用的单片机口线少，可以满足系统的设计要求9。（4）报警器件的选择采用声光报警电路。蜂鸣器和发光二极管是常用的报警元器件。温度和湿度任何一个超过设定范围，蜂鸣器均报警。利用二极管的亮灭显示温度或者湿度是否过限，这样便于观察，可以更加直接的确定是要升降温还是要增减湿度，给工作人员减少了工作量。蜂鸣器和发光二极管都是是通过单片机的I/O驱动的10。2.2.2 系统设计方案的确定综上所述，对比两种系统设计方案，本次系统设计方案决定选用方案二，即：采用AT89S52作为主控制系统；液晶显示模块LCD1602作为本次系统的显示；DHT90温湿度传感器作为本次系统温度和湿度的信息采集；声光报警电路作为温湿度过限的报警。通过论证拟采用的设计方案内容包括以下几点：（1）选择AT89S52单片机作为整个系统的核心器件，发送并时时处理系统信息。（2）传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。本设计选用集成温湿度传感器DHT90。（3）显示电路的设计：设计采用液晶LCD1602进行显示，简单明了。（4）报警电路的设计：在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据通过计算机进行数据处理、数字滤波和标度变换，这些已经在软件程序里边处理过，所以显示温湿度即为外界采集的温湿度，和设定的值比较，如果高于上限值或低于下限值则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示和控制。本设计采用声光报警电路。2.3 本章小结本章主要介绍了系统总方案的设计，包括系统框图设计和系统方案的设计及确定两方面的内容。在系统框图的设计中，从模块化的设计思路出发，将系统分为了六个大模块，分别为单片机模块、温湿度测量模块、显示模块、按键模块、报警模块和控制模块。然后根据各个模块选择其所需要的主要元器件，从而制定了方案一和方案二两套方案。最后，经过对两种方案各个方面的优劣对比，确定选择方案二，即最优方案。3 系统的硬件设计3.1 系统硬件的简述本系统采用单片机对大棚的温度、湿度进行自动监测和控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等特点，而且还可以大大提高被控制温度、湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。本设计通过温湿度传感器测量大棚的温度、湿度，并将测得的温湿度值显示在LCD液晶显示屏，利用单片机对大棚的温度、湿度进行控制，将其保持在一个合适的范围内。若温度低于下限，则电热丝工作；若温度高于上限，则轴流风机工作；湿度低于下限，则喷雾器工作；湿度超过上限，则抽湿器工作。同时，当温湿度值过限时，蜂鸣器会报警，发光二极管也会指示过限的参量。3.2 单片机模块的设计单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。由于单片机的集成度高、功能强、通用性好，特别是它的体积小、重量轻、功耗低、价格便宜、可靠性高、抗干扰能力强和使用方便等独特优点，使单片机得到了迅速推广应用。小到玩具、信用卡，大到航天器、机器人，从数据采集、过程控制、模糊控制等智能系统到人类的日常生活，可以说，在人们的日常生活、生产中处处都离不开单片机。对于本次蔬菜大棚的温湿度控制系统的设计来说，采用了AT89系列单片机中的AT89S52芯片作为核心控制器件11。3.2.1 AT89S52单片机介绍AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位的微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，使用Atmel公司高密度非易失存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供了高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下便准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其主要性能有与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符12。AT89S52的引脚结构图如图3-1所示。图3-1 AT89S52的引脚结构图P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向 I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器 2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表3-1所示。表3-1 AT89S52的P1口第二功能表脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2口送出高八位地址。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3-2所示。RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然表脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2(外部中断0)P3.3(外部中断1)P3.4T0（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6(外部数据存储器写选通)P3.7(外部数据存储器读选通)表3-2 AT89S52的P3口第二功能而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。：外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，将不被激活。/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，必须接GND。为了执行内部程序指令，应该接VCC。在Flash编程期间，也接收12伏VPP电压。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存端状态。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路