3、温室大棚环境监测控制系统.doc

山东师范大学序号： 编码： 第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书 作品名称： 温室大棚环境监测控制系统 学校全称： 山东师范大学 申报者姓名 （集体名称）： 翌佳电子设计小组 类别：自然科学类学术论文哲学社会科学类社会调查报告和学术论文科技发明制作A类科技发明制作B类报送方式：省级报送作品高校直送作品说 明1申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表。所有申报者可根据情况填写C表。3表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。4序号、编码由第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛全国组委会填写。5学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号楷体打印在A4纸上，附于申报书后，字数在8000字左右（文章版面尺寸14.522cm）。6发起高校的三件直送作品和各省（区、市）通过初评的作品（数量参照“作品数额分配方案”）各一式四份分别按全国组委会规定的时间用特快专递寄至全国竞赛组委会办公室。7作品申报书须按要求由各省或各校竞赛组织协调机构统一寄送。8其他参赛事宜请向本校竞赛组织协调机构咨询。9寄送地址：北京航空航天大学团委第十一届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛组委会办公室联 系 人：联系电话：传 真：邮政编码：A2申报者情况（集体项目）说明：1.必须由申报者本人按要求填写； 2.申报者代表必须是作者中学历最高者，其余作者按学历高低排列； 3.本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确认。申报者代表情况姓名王高垒性别男出生年月1989.11学校山东师范大学系别、专业、年级物电学院 电子信息工程专业06级学历本科学制4年入学时间2006.9作品名称温室大棚环境监测控制系统毕业论文题目通讯地址山东省济南市长清区大学路1号山东师范大学物电学院电子信息工程专业3班邮政编码250358办公电住地通讯地址山东省济南市长清区大学路1号山东师范大学19楼 317宿舍邮政编码250358住宅电他作者情况姓 名性别年龄学历所在单位朱春健男21本科山东师范大学物电学院电子信息工程专业3班孟令钊男21本科山东师范大学物电学院电子信息工程专业1班何 栋男23本科山东师范大学物电学院电子信息工程专业4班陈茂田男22本科山东师范大学物电学院电子信息工程专业2班陈 昱男21本科山东师范大学物电学院应用物理专业2班资格认定学校学籍管理部门意见以上作者是否为2009年7月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校中国籍专科生、本科生、硕士研究生或博士研究生。是否 （部门签章）年 月 日院、系负责人或导师意见本作品是否为课外学术科技或社会实践活动成果。是否负责人签名：年 月 日B3申报作品情况（科技发明制作）说明：1必须由申报者本人填写； 2本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认； 3本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结 构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书； 4作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。作品全称温室大棚环境监测系统作品分类（ A ）A机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控 制、工程、交通、建筑等） B信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等） C数理（包括数学、物理、地球与空间科学等） D生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健 康、卫生、食品等） E能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化 工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标产品基于数字化单总线技术，是一种集温度、湿度、光照、二氧化碳浓度测控于一体的温室智能化控制系统。由传感器检测大棚内的各种环境变量，并由单片机不断进行读回，一旦超出我们设定的上、下限，单片机便启动报警系统进行警报。该系统无须任何固定网络的支持，安装简单方便，系统稳定可靠，可维护性好。同时可以根据不同作物以及相同作物在不同的生长期所需不同环境进行上下限的变换，保证不同作物在不同环境下的成长。作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）传统的温湿度控制是在温室大棚内部悬挂温度计湿度计，然后根据现有温度、湿度与额定温度、湿度进行比较，采取不同的处理方案，至于光照，则是全凭经验。这些操作都是由人工完成，不仅耗费了大量的人力物力，而且很难保证控制的精度与可靠性。本产品则具有智能型，可控性，可根据作物不同设定不同上下限，在无人看护下自动进行调节。节约了成本，同时提高了可靠性。参考文献：Silicon Laboratories c8051f060数据手册赖麒文 C8051单片机语言开发环境实务与设计王田苗 惟洪兴 嵌入式系统设计与实例开发 清华大学出版社 第3版.刘爱华 满宝元传感器原理与应用技术 人民邮电出版社 第1版作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果 无作品所处阶 段（ A ）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段D （自填）技术转让方式作品可展示的形 式实物、产品 模型 图纸 磁盘 现场演示图片 录像 样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测技术特点和优势：1.智能化 本产品完全实现智能化，当温室大棚内部温度、湿度、光照发生变化并超出上下限时，本产品就会自动进行调节，例如打开照明系统，排水系统，通风系统等，无须人工看护。2.成本低 本产品操作简单，功能强大，同时由于其面向农业，故市场前景广阔，具有较大的经济效益。专利申报情况提出专利申报 申报号 申报日期 年 月 日已获专利权批准 批准号 批准日期 年 月 日 未提出专利申请科研管理部门签 章 年 月 日C.当前国内外同类课题研究水平概述说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写； 2.填写此栏有助于评审。传统的温度、湿度、光照控制都是在人工操作来完成，因此其控制精度、可靠性等均无法保证。现在，随着国家经济的快速发展，农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的控制措施就显现了很大的局限性。而大型温室大棚的建设对全自动环境检测及控制技术也提出了越来越高的要求。 目前应用于温室大棚的温湿度检测系统大多采用非总线结构的温湿度传感器，多路转换开关，A/D转换器及单片机等组成的传输系统。这种温度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到终端设备上，而且安装和拆卸复杂，成本也较高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，误差也比较大，不利于控制者根据温度湿度变化及时作出响应。另外，目前的检测系统多数是将结果传送到终端，并不能实现闭环的自动控制，在这样的形势下，开发一种实时性高、精度高，能够自动综合处理温度湿度光照等环境信息的测控系统很有必要。D.推荐者情况及对作品的说明说明：1由推荐者本人填写； 2推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品相同或相关 领域的专家学者或专业技术人员（教研组集体推荐亦可）； 3推荐者填写此部分，即视为同意推荐； 4推荐者所在单位签章仅被视为对推荐者身份的确认。推荐者情况姓 名杨济民性别男年龄48职称教授工作单位山东师范大学物理与电子科学学院通讯地址济南市文化东路88号山东师范大学物电学院邮政编码250014单位电宅电荐者所在单位签章 （签章） 2009年5月12 日请对申报者申报情况的真实性作出阐述该产品申报者申报情况属实请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价该作品因其所具备的智能型，可靠性，能够在一定程度上弥补目前我国温室大棚环境监测方面的缺点和不足，具有较为广阔的市场前景。其它说明无推荐者情况姓 名赵捷性别男年龄52职称教授工作单位山东师范大学物理与电子科学学院通讯地址济南市文化东路88号山东师范大学物电学院邮编250014单位电宅电荐者所在单位签章 签章日期 2009 年 5月 12日请对申报者申报情况的真实性作出阐述该产品申报者申报情况属实请对作品的意义、技术水平、适用范围及推广前景作出您的评价温室大棚环境监测系统使用高性能的Cygnal系列微控器，采用单总线设计，设计合理，有较高的技术水准，又因其面向农业，故具有广阔的市场空间。其它说明无学校组织协调机构确认并盖章 （团委代章） 年 月 日 校主管领导或校主管部门确认盖章 年 月 日各省（区、市）评审委员会初评意见 评委签名： 年 月 日各省（区、市）组织协调委员会审定意见 团 委 科 协 教 育 厅 学 联（签章） （签章） （签章） （签章） 年 月 日E全国组织委员会秘书处资格和形式审查意见组委会秘书处资格审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会秘书处形式审查意见 审查人（签名） 年 月 日组委会秘书处审查结果合格 不合格 负责人（签名） 年 月 日F参赛作品打印处温室大棚环境监测控制系统设计报告摘要本系统结合温湿度数据采集技术，气体检测技术及智能控制技术，由c8051f系列单片机作为主控芯片，发展出一套温室环境监控系统。其主要功能为准确测定当前温度、湿度、二氧化碳气体浓度、光照强度等一系列对温室作物生长产生影响的因素，并根据先前设定对温室环境进行自主调节。此系统改变了温室大棚的管理模式，以自动化的系统管理方式提供了温室的智能调节，保证了环境的稳定，降低了温室管理的人力资源成本。关键词：C8051F060 、DHT21、智能化、温室大棚AbstractThe system combines temperature and humidity data acquisition technology, gas detection technology and intelligent control technology, from single-chip microcomputer as the master c8051f series chips, the development of a greenhouse environment monitoring system. Its main function for accurate determination of the current temperature, humidity, carbon dioxide concentration, light intensity, a series of greenhouse crops such as growth factors have an impact, and in accordance with previously set for self-regulation of the greenhouse. The system has changed the management style of greenhouse in order to provide automated system management greenhouse smart regulation, to ensure the stability of the environment and reduce the greenhouse costs of human resources management.Key words: C8051F060, DHT21, intelligent, greenhouse目录第一章 前言1.1研究缘起171.2研究目的171.3研究流程18第二章 温室调查2.1温室分类202.2温室中主要的环境因素20第三章 系统架构3.1硬件架构213.2软件架构21第四章 系统开发4.1系统硬件开发234.1.1系统硬件使用材料 234.1.1.1中央处理器模块244.1.1.2温湿度测量模块254.1.1.3光照强度测量与控制模块264.1.1.4二氧化碳测量模块264.1.1.5 湿度控制模块 274.1.1.6电力供应模块284.1.1.7显示模块294.1.2系统硬件整合与制作 294.2系统软件开发294.2.1环境指标临界值设定程序编写 304.2.2数据采集与处理程序编写 314.2.3自动调节程序编写 324.3系统整合32第五章系统性能测试及结果讨论5.1功能测试345.1.1温湿度检测功能测试 345.1.2光照感应功能测试 355.1.3气体浓度检测测试 355.1.4自动调节测试 355.2结果讨论35第六章总结与建议6.1总结366.2建议37附：总体实物图37第一章 前言1.1 研究缘起 随着我国市场需求的不断增长和国家对温室大棚产业的重点扶持，近几年来温室大棚的建造数量与面积都在急剧增加。随着大棚数量与面积的增加，传统的管理模式因其较高的管理成本面临越来越大的挑战，即如何改变传统管理模式减少管理成本越来越成为一个重要的课题。1.2 研究目的传统的温湿度控制是在温室大棚内部悬挂温度计湿度计，然后根据现有温度、湿度与额定温度、湿度进行比较，以采取不同的处理方案，至于光照，则是全凭经验。这些操作都是由人工完成，不但耗费大量的人力物力，而且难以保证控制的精度与可靠性。依上述研究背景，我们希望设置一套系统来改善目前温室的管理模式，帮助用户更加及时的对温室环境的改变作出相应的调节，减少由于时间上的耽搁所带来的经济损失，降低大棚的管理成本。基于以上研究目的，我们计划开发一套具有以下功能的系统，以达成目标。1可对温室环境的各影响因素进行实时测量并显示。2. 可在温室环境超出临界值时及时进行相应的调节。3能够根据作物的不同人为设定各环境影响因素的临界值。1.3 研究流程本制作的研究流程如图1-1所示，主要流程详述如下：1系统分析与功能设定。对现有温室测控系统及温室环境因素进行整理分析，根据调查结果修改本系统的功能实现。2. 系统架构规划规划系统的主要架构，包括硬件架构与软件架构。3系统硬件设计及软件编写。根据系统需求决定所需要的硬件材料，进行电路设计，硬件设计与制作。完成环境指标临界值设定程序、数据采集处理程序及自动调节程序的编写。4. 试验及调试 先对各模块进行单独的基本功能测试，测试成功后，进行系统硬件的整合，分别改变各测量条件，记录数据，进行测量分析。图1-1第二章 温室调查2.1 温室大棚分类塑料大棚的类型、结构有很多种。目前推广应用最多的有装配式镀锌薄壁钢管型（简称钢管大棚）和竹木圆拱型大棚两种。主要用于番茄、甜(辣)椒、茄子、黄瓜等夏菜的春季早熟栽培和秋冬延后栽培，以及育苗、杂交制(留)种等。还有一种竹架小棚，常单独或与大棚配合（即大棚套小棚），用于冬春季茄瓜类蔬菜育苗和春季早熟栽培。钢管大棚有两种规格。一种是小型大棚，其中心高2.2米，宽（跨度）4.5米，长20米，面积90平方米；另一种是标准型大棚，其中心高2.5米，宽6米，长30米，面积180平方米。这两种钢管大棚主要用直径22毫米、壁厚1.5毫米的镀锌薄壁钢管做骨架，各地均有工厂定型批量生产。使用寿命一般为15年。标准型大棚保温性能优于小型大棚，尽可能采用前者。2.2 温室大棚中主要的环境因素影响作物生长的环境因素有很多，如温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等。另外，温度、湿度具有一定的相关度，空气湿度越低，水分蒸发速率越高，温度差就越大。第三章 系统架构依照系统的开发性质，将系统架构分为硬件架构和软件架构，现分别说明如下：3.1硬件架构本系统的硬件架构可细分为以下三个子系统（图3.1）：1采集系统：使用相应传感器对温湿度光照强度及二氧化碳浓度等进行采集。2控制系统：主要功能是接收采集系统所传来的数据并对数据进行分析处理，在环境条件超出设定时，启动调节系统。3响应系统：主要功能是在环境条件超出设定时进行相应的调节。图3.1采集系统控制系统显示系统响应系统3.2软件架构本系统的软件架构分为：采集程序，环境指标临界值设定程序，处理程序，显示程序。（部分源代码）上图为部分主程序源代码，其中SET_mode();函数为环境指标临界值设定函数；WD_RESIVE();SD_RESIVE();CO2_RESIVE();分别为温度湿度二氧化碳浓度的采集函数；DISPLAY();为显示函数。第四章 系统开发本阶段的主要工作是实现前一章描述的温室测控系统，由于此系统中使用了多种的传感器，而各传感器工作电压不一致，使得电力供应模块的设计成为系统设计中的一个重要环节。4.1 系统硬件开发4.1.1硬件使用材料元件型号用途中央处理模块C8051F060处理采集到的数据，根据数据进行环境调节二氧化碳浓度测量模块对二氧化碳浓度进行测量光照控制模块进行光照强度的检测与调节温湿度测量模块DHT21测量温室环境中的温湿度电力供应模块自制电源通过7805、1117等芯片产生5v，3.3v电压为各模块供应能量显示模块液晶12864 led灯温度湿度光强二氧化碳浓度的显示及报警4.1.1.1中央处理器模块C8051系列单片机与MCS-51指令集完全兼容，可用标准803x/805x的汇编和编译程序进行开发，同时，其采用三级流水线式结构，主频可达25MHz，处理能力大大提高，且拥有丰富的外围资源。（图4.1 4.2）图4.1图4.24.1.1.2温湿度测量模块DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，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式感湿元件和一个NTC测温元件。该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT21传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。（图4.3）图4.34.1.1.3光照强度测量与控制模块光照模块采用由光敏电阻控制为核心的模拟电路，当光照强度发生变化时，控制继电器工作，从而使外围照明电路产生响应。（图4.4）图4.44.1.1.4二氧化碳测量模块采用红外吸收型CO2气体传感器，这是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同，对不同波长的红外辐射的吸收程度就不同，因此，不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时，某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，故当知道某种物质的红外吸收光谱时，便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。同一种物质不同浓度时，在同一吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与浓度成正比关系。因此通过检测气体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的浓度。（图4.5）图4.5 二氧化碳传感器探头结构4.1.1.5湿度控制模块采用电路控制电磁阀来使水流通过，通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。（图4.6）图4.64.1.1.6电力供应模块本产品外围电路较多，故采取多路供电的方式，适配器对单片机控制系统、温度、湿度、光照模块供电。（图4.7）图4.74.1.1.7显示模块采用128*64液晶显示，可以同时显示温度、湿度、光照、一氧化碳浓度等参数。（图4.8）图4.8 4.1.2硬件整合与制作各个模块完成后，均放入一个包装盒内固定，完成后，本产品无须外围支架，可在不同环境下工作。4.2 系统软件开发图4.9当开机启动时液晶屏显示欢迎信息，按下ENTER键进入人机交互界面来对各项环境指标的临界值进行设定.（图4.9）4.2.1环境指标临界值设定程序编写由于各种作物最适宜生长环境不同，所以我们在启动之前要对系统中各项环境指标的临界值进行设定。如：农作物种类（繁殖期白天）额定温度下限额定温度上限额定湿度上限额定湿度下限草莓203060%50%香蕉1527无90%西红柿283580%30%蘑菇2850无75%二氧化碳是绿色蔬菜进行光合作用，制造有机营养物质的主要原料。生态环境中二氧化碳的供给水平直接影响光合作用的强度和质量。一般认为CO2浓度保持在5001000（mg.kg-1）为适宜，若高达3000 mg.kg-1将对人体有害。正常大气情况下的CO2浓度在340350 mg.kg-1，光合作用速率随光量增加而增加，但达到光饱和点后就趋于缓和。4.2.2数据采集程序编写4.2.3自动调节程序编写4.3 系统整合在完成上述各部分的开发之后，即进入系统整合阶段。整合后需达到如下状态：开机后显示欢迎界面，按下ENTER键后进入环境指标临界值设定模式，此模式下，ADD键和SUB键实现对临界值的加和减。设定完毕后，按下ENTER键进入工作模式，中央处理器读取各传感器采集到的环境指标并进行处理及分析，当某一项指标超出设定的临界值时，自动调节程序启动，同时红灯亮起表示某一环境指标异常。图（4.10）为软