花房温湿度控制系统设计.doc

花花房房温温湿湿度度控控制制系系统统设设计计 目录目录 摘要摘要 1 1 1 1 绪论 绪论 1 1 1 1 课题背景 1 1 2 立题的目的和意义 1 1 3 植被栽培技术 1 温室环境的调节 1 1 4 本系统主要研究内容 2 2 2 系统总体分析与设计 系统总体分析与设计 2 2 2 1 系统功能及系统的组成和工作原理 2 2 1 1 总体方案 2 2 1 2 实施措施 2 2 1 3 硬件系统设计 2 主机与主要部件的选择 3 2 2 温湿度采样与控制系统 3 2 2 1 温湿度采样系统 3 2 2 2 温湿度控制系统 3 2 3 键盘显示系统 4 2 4 报警系统 6 2 5 硬件电路设计 6 2 5 1 系统硬件配置 6 2 5 2 主要组件简介 6 3 3 软件系统设计软件系统设计 8 8 3 1 系统初始化模块 8 3 2 键盘显示模块 10 3 3 采样转换模块 11 3 4 温湿度控制模块 11 3 5 报警模块 13 4 4 硬件调试方案硬件调试方案 1414 4 1 硬件电路的调试 14 4 2 功能模块的调试方案 14 参考文献 1616 1 花房温湿度控制系统设计花房温湿度控制系统设计 摘要摘要 摘要 针对研究蔬菜大棚智能温湿度控制 设计了一种基于计算机自动控制的智 能蔬菜大棚温湿度控制系统 详细阐述了该系统的温湿度采集 温湿度显示 控 制系统等系统软硬件的设计思想 以 DS18B20 和 HM1500LF 作为温湿度传感器 以 AT89S52 单片机为系统核心 最后利用 DELPHI 软件进行系统仿真 该研究设计的 蔬菜大棚智能温湿度控制系统人机界面良好 操作简单方便 自动化程度高 造 价低廉 具有良好的应用前景和推广价值 关键词 温度采集 湿度采集 LCD 显示 单片机 引言引言 植物的生长都是在一定的环境中进行的 在生长过程中受到环境中各种因素的影响 其中影 响最大的是温度和湿度 若昼夜的温度和湿度变化很大 其对植物生长极为不利 因此必须对 温度和湿度进行监测和控制 使其适合植物的生长 以提高其产量和质量 本系统就是针对大棚内温度 湿度 研究单片机控制的温室大棚自动控制 综合考虑系统的 精度 效率以及经济性要求多方面因素之后 设计一种基于计算机自动控制的大棚温湿度控制 系统 本系统实现的花房温湿度控制系统的目标功能如下 1 系统能对花房环境温湿度进行采集和显示 现场观温 湿度 软件记录 2 能通过上位机端远程设定蔬菜的生长期适宜温湿度 由主控机统一设置系统时间和温度湿 度修正值 3 当花房的环境温湿度参数超过设定的上下限值时控制相应的系统启动 4 可实时显示当前温度 时间 报警阈值等信息 并可查询各时间段的温湿度情况 并加以 控制 花房温湿度控制器花房温湿度控制器 总体电路及工作过程说明 使用智能温度传感器 DS18B20 进行组网来测量各个采集点的温度 HM1500LF 来采集湿度 单片机 AT89S52 作为该系统的处理核心 单片机根据温湿度传感器检测到的数据 把各个测 量点的温湿度存储并显示在 LCD 液晶显示器上 同时显示在 PC 机上 1 1 1 绪论 绪论 1 11 1 课题背景课题背景 改革开放以来 人们对生活质量要求显著提高 对美丽的植被和花卉的需求量也急 剧上升 这对以种植植被为生计的园林工人是一个机遇 同时也对传统的手工植被种植 是一个挑战 而基于单片机的温湿度控制系统对解决这些问题有着非常重大的意义 前种植植被一般都用温室栽培 为了充分的利用好温室栽培这一高效技术 就必需 有一套科学的 先进的管理方法 用以对不同种类植被生长的各个时期所需的温度及湿 度等进行实时的监控 温湿度控制对于单片机的应用具有一定的实际意义 它代表了一 类自动控制的方法 而且其应用十分广泛 1 21 2 立题的目的和意义立题的目的和意义 8051 单片机是常用于控制的芯片 在智能仪器仪表 工业检测控制 机电一体化等 方面取得了令人瞩目的成果 用其作为温湿度控制系统的实例也很多 使用 8051 单片 机能够实现温湿度全程的自动控制 而且 8051 单片机易于学习 掌握 性价比高 使用 8051 型单片机设计温湿度控制系统 可以及时 精确的反映室内的温度以及 湿度的变化 完成诸如升温到特定温度 降温到特定温度 在温度上下限范围内保持恒 温等多种控制方式 在湿度控制方面也是如此 将此系统应用到温室当中无疑为植被的 生长提供了更加适宜的环境 1 31 3 植被栽培技术植被栽培技术 植被 设施栽培 即 保护地栽培 它是指在某种类型的保护设施内 如阳畦 温室 大 棚等 人为地创造适宜植被生长发育的最佳环境条件 在不同季节内 尤其是不利于植被生 长的季节内进行植被栽培的一种措施 1 设施栽培是人类利用自然 改造自然的一种创造 由 于设施内的条件是可以人为控制的 使得植被调节的周年生产得以实现 玻璃温室和塑料薄膜 温室出现后 植被生产出现了划时代的变化 现在人们可以根据自己的意愿 随时生产出所需 要的各种植被 可以说 这是 设施栽培 的功劳 在不利于植被生长的自然环境中 温室能够创造适宜植被生长发育的条件 温室环境的调节主要包括日光 温度 湿度三个方面 温度 根据植被生长的适宜温度进行温室温度调节 若低于下限温度则采取升温措 施 通常采取电热增温和火力增温等 火力增温比较方便 若高于上限温度则采取降温 措施 通常通过水管降温和风扇降温 风扇降温比较方便 日光 遮荫是调节日照强度最好的办法 其具体做法是加盖遮阳网或草席 这种方 法兼有降低温度的效果 湿度 为满足温室植被对湿度的要求 可以在地上 台阶 盆壁洒水 还可以在空 中悬挂湿布 以增加水分的蒸发 最好的办法是设置自动喷雾装置 自动调节湿度 9 如果湿度过大 容易导致植被病害 可以采用通风的办法来降低湿度 而且最好在室温 与气温相差不大的时候进行 本系统注重温度和湿度的调节 光照强度没有考虑其中 1 41 4 本系统主要研究内容本系统主要研究内容 本系统所要完成的任务是 1 4 1 人性化的设计 界限温度值及湿度值能够由用户根据不同植被的各种生长需求由 键盘输入并通过显示器显示 1 4 2 能够实时 准确的显示采样温度值与湿度值 1 4 3 通过采集温度及湿度值 准确的判断标准值与当前值之间的差异 及时的启动报 警装置 包括警报灯的提示功能以及提示音等 进行报警 并采取相应的方案 1 4 4 能够根据植被在不同时间段内对温湿度的不同要求 用户可随机更改温度及湿度 值 以满足用户不同的需求 2 2 系统总体分析与设计 系统总体分析与设计 2 12 1 系统功能及系统的组成和工作原理系统功能及系统的组成和工作原理 2 1 1 2 1 1 总体方案总体方案 温度监控 对温室温度进行测量 并通过升温或降温达到植被的最佳温度 湿度监控 对温室湿度进行测量 并通过喷雾或去湿达到植被的最佳湿度 控制处理 当温度 湿度越限时报警 并根据报警信号提示采取一定手段控制 显示 LCD 就地显示输入值和相应的温湿度 数码管摆放在生产现场用于显示当前的温湿 度 2 1 2 2 1 2 实施措施实施措施 实际环境温度与给定界限比较 执行加热 制冷措施 实际环境湿度与给定界限比较 执行加湿 去湿措施 越限报警 当温湿度越限时声光报警 键盘显示 负责用户的输入及相关数据的显示 其中包括 LED 和 LCD 显示 2 1 3 2 1 3 硬件系统设计硬件系统设计 经过上面的总体方案和实施措施的讨论后可以开始着手硬件系统的设计 硬件系统是应用 系统的基础 软件系统设计的依据 主机与主要部件的选择 根据总体功能和性价比及其运行速度等因素的考虑 选用 MCS 51 系列的 89C51 为主机 满足 1 上面的要求而且设计方便 不需要再存储扩展 数据存储片内设有 128B 外部有 8279 的 256B 而由于存入的数据是随时更新的且不计小 数位 存入 8 个 16 进制数字 其总共需要的容量只有 16B 已经够用 对外部模拟量 温度 湿度 采样 选用 ADC0809 能够满足要求 温室温湿度控制系统是以 89C51 单片机作为中央控制装置 模数转换器 ADC0809 风扇 加热设备 加湿设备 排潮设备 键盘显示芯片等 其功能和原理如下 89C51 作为中央控制装置 负责中心运算和控制 协调系统各个模块的工作 四路采样温度信号采样简单平均处理 温度保存为整数 四路采样湿度信号采样简单平均处理 温度保存为整数 模数转换器 ADC0809 即由模拟信号转换为数字信号 它共有 8 个模数转换通道 模数的转换共有 2 种方法 一种是利用 INT0 中断 当一次转换结束后 ADC0809 使 INT0 产生中断 通知系统转换完毕 另一种使用延时方法 开始转换后系统延时 100 微秒等待转换完成 本方案采用延时转换的方法 键盘显示芯片 用 8729 识别键盘 负责用户的输入及相关的数据的 LED 显示 例如 选择系统的工作模式 用户输入温度及湿度的界限数据 显示实时的温度及湿度值 等等 风扇 负责系统的降温工作 加热设备 负责系统的加热工作 喷雾设备 负责系统的加湿工作 排潮设备 负责系统的去湿工作 双色灯 音效模块 负责系统的报警功能 如果当前的温度超过用户设定的界限值 时系统将自动报警 双色灯在 74LS273 的控制下有规律的闪烁 同时音效模块发出报 警声 通知用户采取相应的措施 2 22 2 温湿度采样与控制系统温湿度采样与控制系统 2 2 1 2 2 1 温湿度采样系统温湿度采样系统 为了更精确的反映温室的温度和湿度 取温湿度各 4 路信号采样简单平均处理作为温室的 温度和湿度 在分辨率达到的前提下 温湿度的精度为 1 2 2 2 2 2 2 温湿度控制系统温湿度控制系统 首先 系统启动后 提示用户输入温度的上限与下限的温度值 用户输入之后 系统自动 求出中间值 根据实际温度的情况采取相应的方案 如下图 2 2 1 所示 下限温度 中间温度 上限温度 28 32 36 图 2 2 1 如果该时刻的实际温度值低于用户给定的下限温度值时 系统立即启动报警装置 且系统 处于升温状态 直到实际温度达到用户输入的上下限温度的中间值一定区间内时停止升温 反 之 如果实际温度值高于用户设定的上限值时 系统也会立即启动报警装置 且系统处于降温 状态 直到实际温度达到用户输入的上下限温度的中间值一定区间内时停止降温 选择中间值作为控制参数 防止升温 降温 升温的死循环 因为温度低于下限时会 一直升温 可能导致温度高于上限系统又开始降温 这样系统便一直重复升温 降温 升 温过程 导致设备在某一个温湿度点附近频繁的启停 使设备寿命下降 而且没有实际意义 选择中间值的一定区间 是防止达到中间值时 采取了停止升温或者降温措施 温度还是 会持续上升或下降一会儿 这时候温度可能不是正好在中间值处 系统便还是采取升温或者降 温的措施 而此时的温度值可能已经是很适合植被生长的需要的温度值 所以本方案选在中间 值的正负一度区间内 认为此区间内都是适合的 不产生任何控制动作变化 这样就能解决设 备频繁启停问题 2 32 3 键盘显示系统键盘显示系统 键盘显示系统采用 8279 芯片控制 16 键的键盘和 8 个七段数码管 以实现用户的输入与 数据输出 16 个键分别是 0 到 F 对应的键值是 0 到 15 不需要键值的转换 七段数码 管采用共阴极 系统中使用的段码如下表 2 3 1 所示 显示 01234567 段码 3FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H 显示 89ABCDEF 段码 7FH6FH77H7CH39H5EH79H71H 表 2 3 1 8279 初始化时 设定的相关命令字如下 Z8279 EQU 08701H 8279 状态 命令口地址 D8279 EQU 08700H 8279 数据口地址 LEDMOD EQU 00H 左边输入 八位字符显示 外部译码键扫描方式 双键互锁 LEDFEQ EQU 38H 扫描速率 LEDCLS EQU 0D1H 清除显示 RAM LEDWR0 EQU 80H 设定的将要写入的显示 RAM 地址 系统的连接图如下图 2 3 2 所示 1 图 2 3 2 AD0809 与 89C51 连接图 图 2 3 2 2 42 4 报警系统报警系统 报警系统由声音报警和警报灯报警组成 声音报警通过 P1 0 口接 SD 口控制系统的音效模 块发声 用 CPU 控制 P1 0 产生一定频率的方波就可以实现音效模块的发声 音效模块是一个 带有扬声器的放大电路 如图 2 4 1 所示 图 2 4 1 2 52 5 硬件电路设计硬件电路设计 2 5 1 2 5 1 系统硬件配置系统硬件配置 采用总线型结构的设计 由 P0 口作数据线 P0 口和 P2 口共同作地址 2 5 2 2 5 2 主要组件简介主要组件简介 1 89C51 芯片 89C51 是 Intel 公司于 80 年代初推出的 8 位嵌入式微控制器 内部数据总线为 8 位 外部数据总线为 8 位 它与 MCS 96 系统中的其它芯片相比 具有性能高 功能全 售价 低廉 使用方便 48PINDIP 等优点 89C51 在工业应用方面有许多明显的特点 它具有 灵活方便的 8 位总线外围支持器扩展功能 而在数据处理方面又有 8 位微机的快速功能 由于大的高度集成化已把许多常驻用的输入检测输出控制通道都制作在同一块硅片上 大 大地灵活了外部连线 增强了系统的稳定性并且速度快 时钟 12MHz 非常适合于工业 环境下安装使用 因此本系统 CPU 选用 89C51 芯片 89C51 单片机引脚采用 40 双列直插式封装结构 89C51 系统 CPU 中的主要组件有 高 速寄存器阵列 特殊功能寄存器 SFR 寄存器控制器和算术逻辑单元 RALU 它与外 部通讯是通过特殊功能寄存器 SFR 或存储器 控制器进行的 8051 系统的 CPU 的主要特 色是体积小 重量轻 抗干扰能力强 售价低 使用方便 此外 通过 SFR 还可以直接控 制 I O A D PWM 串行口等部件的有效运行 CPU 内部的一个控制单元和两条总线寄存器阵列和 EALU 连接起来 这两条总线是 16 位地址总线 A BUS 和 8 位数据总线 D BUS 数据总线仅在 RALU 与寄存器阵列或 SFR 之间传送数据 地址总线用作上述数据传送的地址总线或用作与寄存器控制器连接的 多路复用地址 数据总线 7 CPU 对片内 RAM 访问是直接访问和通过寄存器 R0 R1 间接访 问的 89C51 工作时所需的时钟可通过其 XTALL 输入引脚由外部输入 也可采用芯片内部的 振荡器 其工作频率为 6 12MHz 在本系统中采用 11 0592MHz 频率 2 74LS273 地址锁存器 74LS273 是带有三态缓冲输出的 8D 锁存器 74LS273 D7 D0 三态门输入端 1 Q7 Q0 三态门输出端 GND 接地端 Vcc 电源端 OE 三态门使能端 G STB 8D 锁存器控制端 3 8279 可编程键盘 显示器接口芯片 8279 使 Intel 公司为 8 位微处理器设计的通用键盘 显示器接口芯片 其功能主要体 现在二个方面 接收来自键盘的输入数据并作预处理 数据显示的管理和数据显示器的控 制 单片机采用 8279 管理键盘和显示器 可减少软件程序 减轻负担 且显示稳定 程 序简单 8279 的引脚功能 采用 40 线双列直插式封装 DB0 DB7 双向外部数据总线 用于传送 8279 与 CPU 之间的命令 数据和状态 CS 片选信号线 低电平有效 A0 区分信息的特征位 当 A0 位置 1 时 CPU 写入 8279 的信息位命令 CPU 从 8279 读出的 信息为 8279 的状态 当 A0 为 0 时 I O 信息都为数据 RD WR 读和写选通信号线 均为低电平有效 IRQ 中断请求输出线 高电平有效 RL7 RL0 键盘回送线 平时为高电平 只有当某一键闭合时 其中一条线才变低 SL7 SL0 扫描输出线 用于对键盘和显示器进行扫描 OUTB3 OUTB0 OUTA3 OUTA0 显示段输出线 BD 显示熄灭控制线 低电平有效 RESET 复位输入线 高电平有效 SHIFT CNTL STB 控制输入线 由内部拉高电阴拉成高电平 也可由外部控制按键拉成低电 平 CLK 外部时钟输入线 其信号由外部振荡器提供 Vcc GND 分别为 5V 电源和地 4 七段 LED 显示器 LED 是单片机应用系统中一种常见的输出设备 通常使用的是七段显示 这种显示块 有共阴极与共阳极两种 4 以共阴极为例 显示个位 4 a 送 0 d e 送 0 b c f g 则送 1 gnd 送 0 则立刻显示 4 它由 8 个发光二极管 7 段和一个小数点 构成 可用来显示 0 9 A B C D E F G 小数点 在数码管中 若把各二极管的阴极连在一起称为 共阴极数码管 若把各二极管的阴极连接在一起称为共阴极数码管 若把各二极管的阳极 连接在一起 则称为共阳极数码管 在本系统中采用共阴极数码管 5 ADC0809 芯片 3 ADC0809 是 28 脚双列直插式封装 D7 D0 8 位数字量输出引脚 IN0 IN7 8 路模拟量输入引脚 Vcc 5V 工作电压 GND 地 6 LCD 显示 引脚功能 7 D0 D7 双向数据总线 LCD 数据读写方式可以分为 8 位和 4 位两种 以 8 位数据进行读写操 作则 D0 D7 都有效 若以 4 位方式进行读写操作 则只用到 D4 D7 RS 寄存器选择控制位 当 RS 0 时 并且做写入的动作时 可以写入指令寄存器 若 RS 0 且做读取操作时 可以读取忙标准及地址记数器的内容 若 RS 1 责用于读取数据寄 存器 7 R W LCD 读写控制线 R W 0 时 LCD 执行写入操作 R W 1 时 LCD 执行读取操作 EN 启动控制线 高电平有效 VCC 电源端 VO 亮度调整电压输入控制器 当输入 0V 时字符显示最亮 GND 接地 1 3 3 软件系统设计 软件系统设计 系统各组成模块 本系统通过温度传感器 DS18B20 采集温度 HM1500LF 采集湿度 经过含有单片机的检测系 统的进一步分析处理 通过通信线路将信息上行到 PC 机 在 PC 机上可对温湿度信号进行任 何分析 处理 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 位机进行输入 从而实现上位机对大棚内作物生长的远程控制 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温度和湿度状态 直到温湿度状态处于上下限值内为 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实时动态调节温湿度状 态 直到所处的平衡状态与预置值相等为止 上位机即 PC 机使用 DELPHI 软件编写的一个数据库管理系统 可直接设置温度的上下限值 和读取下位机的数据 并对下位机内的控制设备进行操作 调节大棚内温湿度状态 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 室种植提供参考 上下位机之间通过符合串行总线 RS 232 标准的通信通道以事先约定的协议进行通信 系统原 理图如图所示 3 13 1 系统初始化模块系统初始化模块 系统初始化模块的主要功能是完成系统的初始化以及设定系统的工作状态 初始化部分 包括以下方面的内容 3 1 1 系统启动后 显示器上显示两行 第一行为 WELCOME TO THE SYSTEM 第二行显示为 START WORK 3 1 2等待用户输入温度及湿度值 按 B 键表示开始输入 这时可按温度下限 上限 湿度下限 上限的顺序依次输入 如果输入的顺序错可按 B 键可 重新进行输入 直到输入正确 输入完毕后按 C 键确定 3 1 3系统进入正常工作状态 系统整体的工作方式如下框图所示 图 3 1 1 初始化程序部分的流程图如下图 3 1 2 所示 图 3 1 2 3 23 2 键盘显示模块键盘显示模块 本系统中使用 8279 芯片完成有关键盘输入和温湿度显示工作 温度湿度是依次输入的 并且依次以下限 上限输入 并且将温湿度的中间数值存入单片机中 在将 LED 清零后显 示 分别在 0123 位 并依次显示实时的温度湿度数值 显示在 4567 位 实际上 在系统初始化的过程中 除了初始化键盘和显示器之外 其中还包括着调用 8279 键盘显示模块 8279 键盘显示模块部分的基本流程如下图 3 2 1 所示 1 图 3 2 1 其中显示键值的程序流程图如下 图 3 2 1 3 33 3 采样转换模块采样转换模块 本模块主要采用 DS18B20 采集温度 HM1500LF 采集湿度 由单片机 AT89S52 作总 的控制并显示与传输 具体原理图如图所示 采样转换模块是本系统中的核心模块之一 它负责完成温度和湿的测量及模拟量转换 为数字量的全过程 这也是它为什么重要的原因 系统每次转换前 ADC0809 的 IN0 IN7 送 个任意数 表示开始转换 结果是一个数字量 将其转化为 BCD 码 送显示程序显示 并将数值返回给主函数 湿度也可以通过此种方法观察变化 得出相应的结论 为了更精确的反映系统的温度和湿度 本系统对四路采样信号作简单平均处理 并将 处理后的数值作为温室的温湿度 其过程如下图 图 3 3 1 1 实时温湿度显示和温湿度中间数值显示便于我们实时比较和掌握系统工作状况 实时的温 度湿度不在要求的区间内则进行升温降温处理 图 3 3 2 3 43 4 温湿度控制模块温湿度控制模块 温湿度判断控制模块也是系统的核心模块之一 所谓判断控制模块 就是对用户输入 的温度和湿度与当前温室内的实际温湿度进行比较 先进行判断 然后再进行控制 控制 模块是决定系统将要进行什么工作的 如温度高于上限时需要降温 低于下限时需要升温 同时还要启动警报等等 温度判断控制部分的程序整体思路如下如所示 图 3 4 1 上面已经讨论了采取中间值作为控制参数 采取中间值一定区间作为控制区间的原因 那 么按照 2 2 的思想 控制程序流程图如下 图 3 4 2 湿度判断控制部分与温度判断控制部分的功能及流程是相同的 便不再赘述了 3 53 5 报警模块报警模块 报警模块具备两项功能 即为报警灯和声音报警 报警灯模块是完成 LED 有规律的闪烁 以便从视觉上提醒用户 LED 是由 74LS273 控制 4 个双色 LED 灯组成的 其闪烁规律为 1 向 74LS273 发送的数据 0F0H 则双色 LED 灯发绿光 2 向 74LS273 发送的数据 0FH 则双色 LED 灯发红光 3向 74LS273 发送的数据 0FFH 则双色 LED 灯熄灭 向 74LS273 交替发送 0F0H 0FFH 或 0FH 0FFH 以实现 LED 灯红 灭交替或绿 灭交替 这时我们就看到了闪烁的效果 在 LED 灯闪烁的同时 声音报警也会同时启动 可采用延时的方式来延长声音报警的声 音 警报灯由 4 个双色的 LED 灯组成 一共需要 8 根数据线 使用 74LS273 芯片控制 要实现 的功能是使 4 个双色 LED 灯有规律的闪烁 当用户输入温度的上下限值后 系统进行实时的采 样 并判断出当前温度与用户输入温度之间的差异 如果当前温度低于用户输入的下限温度值 则说明当前温度过低 系统自动启动警报灯 此时警报灯发出绿光并进行有规律的闪烁 同时 1 开始加温 直至加到所需温度值时警报灯熄灭 反之 如果当前温度高于用户输入的上限温度 值 则说明当前温度过高 系统也会自动启动警报灯 但此时警报灯会发出红光并进行有规律 的闪烁 同时开始降温 直至降到所需温度值时警报灯熄灭 图 3 5 1 4 4 硬件调试硬件调试方案方案 4 14 1 硬件电路的调试硬件电路的调试 此部分的任务是在系统连接好后 调试各个组件能否正常工作 能否实现软件设计的预期 目标 其步骤如下 4 1 1 按照系统设计 将系统需要的各个组件连接好