温室大棚自动控制系统的设计

长春大学温室大棚自动控制系统的设计装订线目录第1章绪论111选题背景112国内外发展现状213课题内容、目的及思路314设计过程及工艺要求5第2章方案的比较和选择621湿度传感器的选择622温度传感器的选择823光照度传感器的选择10第3章系统的总体设计1131确定系统任务1132系统的组成和工作原理1233元件的特性15331STC89C52特点15332AD0804特点16第4章电路设计1841湿度测量电路1842温度测量电路1943光照度测量电路1944数据显示电路2045复位电路2146键盘电路2247继电器控制电路2248电源设计23第5章软件设计2551系统概述2552KEILC51单片机软件开发系统的整体结构2553使用独立的KEIL仿真器时，注意事项2654KEILC51单片机软件基本操作步骤2655主程序流程图2656参数测量子程序流程图2857键盘扫描子程序流程28长春大学温室大棚自动控制系统的设计装订线第6章结论31致谢32参考文献33附录34附录1系统总体电路图34附录2系统源代码35长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第1页装订线第1章绪论11选题背景随着改革开放，特别是90年代以来，我国的温室大棚产业得到迅猛的发展，以蔬菜大棚、花卉为主植物栽培设施栽培在大江南北遍地开花，随着政府对城市蔬菜产业的不断投入，在乡镇内蔬菜大棚产业被看作是21世纪最具活力的新产业之一。温室是蔬菜等植物在栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类的蔬菜对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为他们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，从而可以通过提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣天气对其影响的场所，它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。显示采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，也就是说一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。单片机虽小，但它具有一个完整计算机所需要的大部分部件CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。同时它也被称为微控制器（MICROCONTROLLER）,是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成在复杂的，而对提及要求严格的控制设备当中。单片机比专用处理器最合适应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类生活中所有的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有12部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。我国北方冬季寒冷而漫长，大力推广蔬菜大棚种植蔬菜能更好的满足人民生长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第2页装订线活水平日益提高的需求。冬季蔬菜大棚管理最重要的一个因素是温度的控制。温度管理一般把一天分为午前、午后、前半夜和后半夜4个时段来进行温度调节。午前以促进光合作用，增加同化量为主，一般将棚温保持在2530为宜；午后光合作用呈下降趋势，应将温度比午前降低5左右，以2025为好，避免高温下养分消耗过多。日落后45H内，要将棚内温度从20逐渐降到15上下，以促进体内同化物的运转。此后，再将夜温降到1012，以抑制呼吸、减少消耗、增加积累。但不可把温度降得过低，以免发生低温危害。另外，阴雨天光照不足，光合作用不能正常进行，棚内温度也应比晴天低5左右，以降低呼吸消耗。随着单片机的飞速发展，通过单片机对被控制对象进行控制日益广泛，其具有体积小、功能强、性价比高等特点，把单片机应用于自动控制系统中可以起到更好的控温作用，可完成对温度采集和控制等要求。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如空气的温度、湿度、光照强度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用，所以对大棚内的温度、湿度与光照强度等参数的控制就显的非常重要了。传统的方法是用毛发湿度表、酒精温度计等进行人工测量，再对不符合的温度、湿度、光照度通过在温室大棚进行灌溉、降温、遮光等控制操作1来调节，这种人工测控的方法费时费力、效率低、且无法保证测量的连续性，测量的误差大、随机性大，随意性强。为了克服以上几点不足，我们需要一种造价低廉，使用方便且测量准确的自动测控系统。12国内外发展现状国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历了3个发展阶段（1）手动控制这是在温室控制技术发展初期所采取的控制手段，其实并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构。他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候的状况和对作物生长状况进行观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接，最迅速且最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工业化农业的生产需要，而且对种植者的素质要求较高。长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第3页装订线（2）自动控制这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器实际的测量值与事先设定的目标进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产的自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到了提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动的进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生产状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。（3）智能化控制这是温度自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结，收集农业领域知识、技术和各种实验数据构建专家系统，以建立作物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制技术沿着手动、自动、自动化控制的生产进程，向着越来越先进的，功能越来越完备的方向发展。由此可见，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。国外对温室环境控制技术的研究相对较早，先是采用模拟式组合仪表，采集信并息进行指示、记录以及控制。而后又出现了分布式的控制系统。目前正研制的是计算机数据采集测控系统的多因子综合测控系统。目前世界各国的温室大棚测控技术的发展很迅速，一些国家也朝着完全自动化、无人化的这个进行方向进行发展。国外的温室设施虽然己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件，不利于在我国广泛地推广，而当今在我国大多数地方对大棚温度、湿度、二氧化碳含量，光照强度的检测与控制都采用人工管理，存在着测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。本系统主要针对温室大棚内温度、湿度，光照强度研制了单片机控制的温室大棚自动控制系统,综合考虑系统的精度、效率以及经济性要求三个方面因素之后，最终确定以STC89C52单片机为控制核心，选用性价比比较高的传感器，实现对温湿度的精确测量与准确控制，同时又具有价格低等优点，便于在我国推广。13课题内容、目的及思路1温度控制系统温度控制系统的硬件部分包括温度检测系统（采用高精度热敏电阻）、信号放大系统、A/D转换、单片机、I/O设备、控制执行系统等。由于热敏电阻长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第4页装订线具有负的电阻温度特性，当温度升高时，电阻值减小，它的阻值温度特性曲线是一条指数曲线，非线性较大。而对温度要求不高，是在室温环境下热敏电阻的阻值与环境温度基本呈线性关系，这样可以通过电阻分压简单地将温度值转化为电压值。根据上式，可以把电阻值岁温度的变化关系转化为电压随温度变化的关系，由于热敏电阻的电信号一般都是毫伏级，必须经过放大吗，才能在单片机中使用。温度传感器将温度信息变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到单片机可以处理的范围内，经过低通滤波，滤掉干扰信号送入单片机，由于传感器输出微弱的模拟信号，当信号中存在环境干扰时，干扰信号也被同时放大，影响检测精度，所以需要滤波电路对模拟信号进行处理，以提高信号的抗干扰能力。2湿度控制系统温度控制系统的硬件部分包括湿度检测电路、单片机、LED显示电路电源恒压电路。湿度传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ1KHZ，测量湿度范围为0100RH，工作温度范围为050，阻抗在75RH（25）时为1M。这种传感器只限于在一定范围内使用时具有良好的线性，有效地利用其线性特性。3光照控制系统光照度的控制主要靠遮阳幕的开关，光照度过高时，系统通过关闭大棚顶部的遮阳幕，避免阳光直射作物，减小光照度，及减少强光对作物生长的影响。当光照度过低时，就打开遮阳幕，增加光照度。如果检测的光照度在适宜范围，单片机将维持现状。4设计主要思想通过热电偶加温度传感器的形式，利用A/D转换将单片机无法测量的温度信号转换为可测量的电信号，然后在将温度值在LED数码管上显示出来，温度传感器将温度信号变换为模拟电压信号后，将电压信号放大到单片机可以处理的范围内，经过低通滤波，滤掉干扰信号送入单片机。在单片机中对信号进行采样，为进一步提高测量精度，采样后对信号进行数字滤波单片机将检测到的温度信息与设定值进行比较，如果不相符，数字调节程序根据给定值与测得值的差值按PID控制法设计控制量，触发程序根据控制量控制执行单元。本系统主要采用STC89C52单片机作为系统的控制核心，由温室内的空气温度传感器、土壤湿度传感器、光照度传感器采集数据，经过模数转换后送入单片机，由单片机根据采集的数据做出相应的控制，例如控制继电器的开合，使换气风扇、滴灌设备、遮阳幕等设备的启动或停止，达到控制温室各项参数长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第5页装订线的目的。同时在外接的LCD液晶上显示实时参数，便于观察。外接的键盘可以设定系统控制的温度值，以满足不同条件下对温度的不同要求。14设计过程及工艺要求在本系统中为了保证对温度、湿度和光照度的检测的实时性和准确性，采用了数字温度传感器DS18B20来检测温度。采用湿度传感器HS1101来检测土壤湿度。采用光敏电阻检测光照度。最后通过单片机STC89C52处理后显示在1602液晶显示屏上，并通过控制继电器的开合控制相应的调节部件对植物的生长环境的各项参数进行调节，以达到适合植物生长的环境条件。在此系统中，温度传感器获得所测环境中的检测温度信号，信号处理和放大后，由A/D转换器转换成数字信号进入单片机内部，显示于LED显示器上。单片机将给定的温度安全范围与测量的温度相比较，若测量温度在给定的温度安全范围则表明所测环境温度正常，各工作器件可在此环境中继续工作；同时此系统设有看门狗电路模块，可以防止程序在运行过程中“跑飞”，保证系统运行的稳定、可靠。本系统的基本功能有检测空气温度、土壤湿度、环境光照度。显示以上各项参数并自动调节。长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第6页装订线第2章方案的比较和选择21湿度传感器的选择单片机作为控制核心，要有被检测信号输入，由单片机处理。如何准确的确定外围环境的各项参数就显的非常重要。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信号进行准确可靠的捕捉和转换，系统就无法实现要求的各项功能。工业生产过程中的自动化的测量和控制，大部分主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各项参量，使系统工作在最佳的状态下。测量土壤湿度的方法有很多种，其原理是根据某种物质从其周围的土壤中吸收水分后引起的物理或化学的性质的变化，间接的获得土壤的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件分别是根据其高分子材料吸水后的介电常数、电阻率和体积发生的变化进行湿度的测量。方案一采用HOS201湿敏传感器2。HOS201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ1KHZ，测量范围为0100RH，工作温度为050，阻抗在75RH25时为1M。这种传感器主要用于开关的传感器，不能在宽频域内检测湿度。这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性度。方案二采用HS1100/HS1101湿度传感器3。HS1100/HS1101湿度传感器，在电路结构上等效于一个电容器，其电容量随着土壤湿度的增大而增大，不需要校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应，专利设计的固态聚合物结构由顶端接触（HS1100）和侧面接触（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。综合比较方案一和方案二，方案一虽然满足精度和测量温度的要求，但是只是限定于一定的范围内使用时具有良好的线性度。因此，我们选择方案二作为本设计的湿度传感器。长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第7页装订线图21HS1101湿度电容响应曲线湿度传感器HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。它有以下几个显著的特点1全互换性，在标准环境下不需校正2长时间饱和下快速脱湿3可以自动化焊接，包括波峰或水浸4高可靠性与长时间稳定性5专利的固态聚合物结构6可用于线性电压或频率输出回路7快速反应时间相对湿度在1100RH范围内电容量有16PF变到200PF，其误差不大于RH,响应时间小于5S，温度系数为004PF/。由此可以看出HS1101具2有测量精度高，反应速度高的优点，其湿度电容响应曲线如图21HS1101的一些常用参数如表21长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第8页装订线表21HS1101常用参数参数符号参数值单位工作温度TA40100储存温度TSTG40125供电电压VS10VAC湿度范围RH0100RH焊接时间260T10S22温度传感器的选择方案一采用AD590温度传感器4。AD590温度传感器是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。AD590性能描述测量范围在50150，满刻度范围误差为03，当电源电压在510V之间，稳定度为1时，误差只有001。AD590为电流型传感器温度每变化1其电流变化1UA在35和95时输出电流分别为3082UA和3682UA。方案二采用DS18B20温度传感器5。美国DALLAS公司的产品可编程单总线数字式温度传感器DS18B20可实现室内温度信号的采集，有很多优点如直接输出数字信号，故省去了后继的信号放大及模数转换部分，外围电路简单，成本低单总线接口，只有一根信号线作为单总线与CPU连接，且每一只都有自己唯一的64位系列号存储在其内部的ROM存储器中，故在一根信号线上可以挂接多个DS18B20,便于多点测量且易于扩展。综合比较方案一和方案二，两方案都可以满足设计所要求的精度温度要求，但方案一的后续电路复杂，需要经过放大，数模转换等步骤，增加了设计的复杂度和成本，并需要占用单片机较多的I/O口。方案二的后续电路简单，占用的I/O口数量少，为整体设计留出了足够的I/O口资源。故我们采用方案二作为本系统的温度传感器。DS18B20数字温度传感器采用DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样等优点，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。DS18B20具有以下特性（1）适应电压范围更宽，电压范围3055V，在寄生电源方式下可由数据线供电、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的双向通讯长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第9页装订线（2）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（3）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（4）温范围55125，在1085时精度为05（5）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为05、025、0125和00625，可实现高精度测温（6）在9位分辨率时最多在9375MS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（7）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（8）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的温度值格式如表22表22DS18B20的温度值格式位7位6位5位4位3位2位1位0低字节2322212021222324位15位14位13位12位11位10位9位8高字节SSSSS262524DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位二进制形式提供，形式表达，其中S为符号位。例如125的数字输出为07D0H（正温度直接把16进制数转成10进制即得到温度值）55的数字输出为FC90H。（负温度把得到的16进制数取反后1再转成10进制数）。数字输出格式如表23表23DS18B20的数字输出格式表温度数字输出二进制数字输出十六进制125000001111101000007D0H8500000101010100000550H25062500000001100100010191H10125000000001010001000A2H0500000000000010000008H000000000000000000000H长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第10页装订线051111111111111000FFF8H101251111111101011110FF5EH23光照度传感器的选择方案一采用光照度传感器M124749，该光照度传感器采用先进的电路模块技术开发变送器，用于实现对环境光照度的测量，输出标准的电压及电流信号，体积小，安装方便，线性度好，传输距离长，抗干扰能力强，量程可调。但价格昂贵，性价比不高，且不易购买。方案二采用光敏电阻。光敏电阻的工作原理是当有光线照射时，电阻内原本处于稳定状态的电子受到激发，成为自由电子，所以光线越强，产生的自由电子也就越多，电阻就会越小。光敏电阻的优点有内部的光电效应和电极无关（光电二极管才有关），即可以使用直流电源。灵敏度和半导体材料、以及入射光的波长有关，价格低廉，性价比高。比较以上两个方案，方案一虽然具有更好的设计精度和线性度，但性价比不如光敏电阻好。方案二具有较高的性价比且同时也能满足系统的设计要求，故采用光敏电阻作为光照度传感器。光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感。它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小，在同样之电压下，照度愈强，光电流愈大，亦即是电阻愈小。光敏电阻具有以下特性（1）CDS相对灵敏度与照射光线灵敏度有关，波长从5500至6500A1A110800CM之间有最大的灵敏度。（2）在同样之电压下，照度愈强，电阻愈小，适当的添加杂质，便能使照度在小11000LUX范围内保持与光电时间的直线关系。（3）光照射到部件，光电流达到正常值63的时间，称为“上升时间“，反之，将光遮断，光电流减少为原来的63之时间，则叫做“衰弱时间“，一般其值为10毫秒至数秒。此外，负载电阻增大，则“上升时间”就变短而“衰弱时间”就变长。（4）CDS禁带宽度高达24EVEV为电子伏特，故可以在20C70C范围内工作，当温度上升，光灵敏度减少，在低照度时特别显著。第3章系统的总体设计长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第11页装订线31确定系统任务计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积庞大。单片机（微控制器）就是在这种情况下诞生的。微控制器，亦称单片机或者单片微型计算机。它是把中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、输入/输出端口1/0等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的，在智能控制系统中，微控制器得到了广泛的应用。单片机目前己被广泛地应用于家电、医疗、仪器仪表、工业自动化、航空航天等领域。市场上比较流行的单片机种类主要有INTEL公司、ATMEL公司和PHILIP公司的8051系列单片机，MOTOROLA公司的M6800系列单片机，INTEL公司的MCS96系列单片机,MICROCHIP公司的PIC系列单片机等。各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、I/O能力、功耗、功能、价格等方面各有优劣。这些种类繁多的单片机家族，给我们单片机的选择也提供了很大的余地。今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化已成为世界潮流而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。采用单片机来对温湿度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。在日常生活中也发挥越来越大的作用。因此，单片机对温湿度的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。因此，本课题围绕基于单片机的温室大棚控制系统展开了应用研究工作。单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器叶数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。正是由于这一原因，国际上逐渐采用微控制器MCU代替单片微型计算机SCM这一名称。“微控制器”更能反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用“单片机”这一名称。单片机的主要特点有1具有优异的性能价格比。2集成度高、体积小、可靠性高。3控制功能强。长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第12页装订线4低电压，低功耗。因此，在本课题设计的温湿度测控系统中，采用单片机来实现。在单片机选用方面，由于STC89系列单片机与MCS51系列单片机兼容，所以，本系统中选用STC89C52单片机。本设计的要求是以STC89C52为控制核心，以HS1101湿度传感器、DS18B20、光敏电阻完成对温室大棚内的各项参数进行测量，并将数据输入到单片机中，有单片机根据所编写的程序，通过继电器控制电路控制相应的设备达到自动调控温室大棚内各项参数的目的，同时将通过各种传感器测的数据实时地显示在液晶屏上。系统可通过按键人为地设定合适的参数，便于根据不同的植被的环境中使用。32系统的组成和工作原理硬件系统主要有信号采集、信号分析、信号处理三个部分组成。1信号采集由HS1101、DS1820、光敏电阻组成。2信号分析由单片机STC89C52基本系统组成。信号处理由并行口LCD液晶显示屏和继电器控制电路组成。硬件系统的原理方框图如图31温室大棚温度传感器湿度传感器光照度传感器A/DSTC89C52LED显示屏键盘控制电路执行部件滴灌设备排气扇及喷雾遮阳幕图31硬件系统的原理图长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第13页装订线开始湿度是否在设定的适宜范围内湿度是否高于设定的适宜范围的上限滴灌设备继电器断开湿度是否低于设定的适宜范围的下限NNN结束滴灌设备停止工作滴灌设备继电器吸合一分钟滴灌设备开始工作YYY图32土壤湿度控制流程图土壤湿度控制部分流程如图32单片机通过湿度传感器检测土壤的湿度，若土壤的湿度过低，单片机就打开滴灌设备的电磁阀一分钟，对作物进行滴灌作业，增加土壤湿度，经过一段时间，单片机再次检测土壤湿度，如果湿度过高，就关闭滴灌设备的电磁阀，停止滴灌作业。如果开始检测的土壤湿度在适宜的范围，单片机则维持现有状态不变。空气温度控制流程如下图33长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第14页装订线开始温度是否在设定的适宜范围内温度是否高于设定的适宜范围的上限排气扇及喷雾设备继电器吸合温度是否低于设定的适宜范围的下限NNN结束排气扇及喷雾设备开始工作排气扇及喷雾设备继电器断开排气扇及喷雾设备停止工作YYY图33空气温度控制流程图单片机通过温度传感器检测温室的空气温度，当空气温度过高时，就通过控制电路，打开排气扇配合设置在温室大棚顶部的喷雾设备的进行一段时间的温室大棚的降温作业，而当温室温度过低时，则通过单片机自动关闭降温设备的工作，使温度值达到适宜的范围。若一开始检测的光照度在适宜范围，单片机将维持现有状态。光照度控制部分流程如下图34光照度的控制主要靠遮阳幕的开关，光照度过高时，系统通过关闭大棚顶部的遮阳幕，避免阳光直射作物，减小光照度，及减少强光对作物生长的影响。当光照度过低时，就打开遮阳幕，增加光照度。如果检测的光照度在适宜范围，长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第15页装订线单片机将维持现状。开始光照度是否在设定的适宜范围内光照度是否高于设定的适宜范围的上限遮阳幕的继电器吸合光照度是否低于设定的适宜范围的下限NNN结束关闭遮阳幕遮阳幕的继电器断开遮阳幕关闭YYY图34光照度控制流程图33元件的特性331STC89C52特点STC89C52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。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得STC89C52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。长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第16页装订线具有以下标准功能1它是MCS51系列单片机的派生产品，在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8052单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051兼容均为PINTOPIN，使用时容易掌握；2高速最高时钟频率90MHZ、低功耗、价格低、稳定可靠、应用广泛、通用性强，在系统/在应用可编程ISP，IAP，不占用户资源。STC89C52单片机管脚如图35图35STC89C52单片机管脚定义图332AD0804特点A/D转换器就是模拟/数字转换器（ANALOGTODIGITALCONVERTER简称ADC）是将输入的模拟信号转换ADC0804为一只具有20引脚8位CMOS连续近似的A/D转换器，ADC0804主要技术指标如下1高阻抗状态输出。2分辨率8位0255即表现为输入电压分辨率为002V；也就是说输入电压每增加002V，转换输出的数据才加1。长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第17页装订线3存取时间135MS。4转换时间100MS。5总误差1LSB。6工作温度ADC0804C为0度70度；ADC0804L为40度85度。7模拟输入电压范围0V5V。8参考电压25V。9工作电压5V成为数字信号。ADC08047为8BIT的一路A/D转换器，其输入电压范围在05V，转换速度小于100US，转换精度039，满足设计的精度要求。长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第18页装订线第4章电路设计41湿度测量电路HS1101湿度传感器，在电路中等效于一个电容器件，其电容量随着所测的土壤湿度增大而增大，如何将电容的变化量准确的转换成单片机易于接受的信号，常有两种方法一是将该湿敏传感器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、再经过A/D转换成为数字信号；另一种是将该湿敏传感器置于555振荡电路中，将电容值的变化转化为与之成反比的电压频率信号，可直接被单片机所采集3。本系统采用的是测量555输出的振荡的方法，电路如图41所示图41湿度测量电路图此电路为典型的555双稳态电路。HS1101/HS1100作为电容变量接在555的TRIG与THRES两引脚上，引脚7用作电阻R20的短路。等量电容HS1101/HS1100通过R19与R20充电到门限电压（约067VCC），通过R19放电到触发电平（约033VCC），然后R20通过引脚7短路到地。传感器由不同的电阻R20与R19充放电。电压输出典型参数（VCC5V，25）如表41长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第19页装订线表41HS1101湿度传感器电压输出典型参数（VCC5V，25）RH0102030405060708090100VOUT14116518921223626028330733135542温度测量电路DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1WIRE，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。DS18B20产品的特点（1）只要求一个端口即可实现通信。（2）在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。（3）实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。（4）测量温度范围在55OC到125OC之间。（5）数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。（6）内部有温度上、下限告警设置。因为在本系统中采用了DS18B20数字温度传感器，所以后续电路简单，只需将传感器的数据输入/输出管脚直接接到单片机I/O口，通过单片机的控制DS18B20传感器并实时读取空气温度1。数字温度传感器的测量电路如图42所示图42温度测量电路图43光照度测量电路光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感。它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小，在同样之电压下，照度愈强，光电流愈大，亦即是电阻愈小。光敏光敏电阻器以硫化隔制成，所以简称为CDS，通常使用热压结晶体之光电传导零件，其特性长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第20页装订线有（1）光传导零件特性CDS相对灵敏度与照射光线灵敏度有关，波长从5500至6500A1A110800CM之间有最大的灵敏度。（2）照度特性在同样之电压下，照度愈强，电阻愈小，适当的添加杂质，便能使照度在小11000LUX范围内保持与光电时间的直线关系。（3）时间响应特性光照射到部件，光电流达到正常值63的时间，称为“上升时间“，反之，将光遮断，光电流减少为原来的63之时间，则叫做“衰弱时间“，一般其值为10毫秒至数秒。此外，负载电阻增大，则“上升时间”就变短而“衰弱时间”就变长。（4）温度特性CDS禁带宽度高达24EVEV为电子伏特，故可以在20C70C范围内工作，当温度上升，光灵敏度减少，在低照度时特别显著。系统采用价格低廉的光敏电阻测量光照度，因其没有良好的线性度，所以只能大致的测量。根据光敏电阻在不同的光照下有不同的阻值，经过A/D转换后输入到单片机内进行处理。其与ADC0804的连接电路如图43图43ADC0804与单片机的连接电路图长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第21页装订线44数据显示电路系统采用了LCD1602液晶显示屏8，LCD1602液晶是一款很常用，也很易用的字符液晶。可以显示2行每行16个字符，对比度可调、黄绿色背光。与单片机的链接电路如图44图44LCD1602与单片机的连接电路图45复位电路为了确保系统中的电路温度可靠工作，复位电路9是必不可少的部分，其第一功能就是低电平复位，低电平复位是在通电瞬间通过充电来实现的。手动复位是指通过接通一按键开关，使单片机进入复位状态。系统上电运行后，如果需要复位，只需通过手动复位就可以实现。本系统使用的复位电路如图45所示长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第22页装订线图45复位电路图46键盘电路本设计采用的键盘扫面电路采用简单的低电平扫描方式，即采用开关的一端与单片机I/O口相连，另一端接地的方式，用单片机检测I/O口是否是低电平来判断键盘是否被按下10。这样的方式可以方便键盘扫描部分的的编程。键盘电路如图46图46键盘电路图47继电器控制电路长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第23页装订线单片机是一个弱电器件，一般情况下它们大都工作在5V甚至更低。驱动电流在MA级以下。而要把它用于一些大功率场合，比如控制电动机,显然是不行的所以，就要有一个环节来衔接,这个环节就是所谓的“功率驱动“。继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节。在这里,继电器驱动含有两个意思一是对继电器进行驱动，因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件；还有就是继电器去驱动其他负载,比如继电器可以驱动中间继电器，可以直接驱动接触器，所以，继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口11。本设计采用的继电器控制电路如图47图47继电器控制电路图图中的三极管起开关的作用，当单片机输出高电平时，三极管导通，继电器吸合。单片机输出低电平时，继电器断开。二极管起保护作用，防止继电器产生的感应电动势烧坏三极管或继电器。48电源设计如图所示电路为输出电压5V、输出电流15A的稳压电源。它由电源变压器B，桥式整流电路D1D4，滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C3和一只固定式三端稳压器7805极为简捷方便地搭成的。220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的VIN和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第24页装订线源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第25页装订线第5章软件设计单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，KEIL软件是目前最流行开发MCS51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持KEIL即可看出。KEIL提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（UVISION）将这些部份组合在一起。运行KEIL软件需要PENTIUM或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么KEIL几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。51系统概述KEILC51是美国KEILSOFTWARE公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。KEILC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全WINDOWS界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KEILC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。下面详细介绍KEILC51开发系统各部分功能和使用。52KEILC51单片机软件开发系统的整体结构C51工具包的整体结构，其中UVISION与ISHELL分别是C51FORWINDOWS和FORDOS的集成开发环境IDE，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件OBJ。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件ABS。ABS文件由OH51转换成标准的HEX文件，以供调试器DSCOPE51或TSCOPE51使用进行源代码码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第26页装订线53使用独立的KEIL仿真器时，注意事项（1）仿真器标配110592MHZ的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振；（2）仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统；（3）仿真芯片的31脚已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU的/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用。54KEILC51单片机软件基本操作步骤（1）、安装好了KEIL软件以后，我们打开它。（2）、我们先新建一个工程文件，点击“PROJECTNEWPROJECT”菜单。（3）、选择工程文件要存放的路径,输入工程文件名XDCH最后单击保存。（4）、在弹出的对话框中选择CPU厂商及型号。（5）、选择好STC89C52芯片，接着点击确定，弹出对话框。（6）、新建一个C51文件,单击左上角的NEWFILE，保存为DS18B20_4C，（注意后缀名必须为C），再单击“保存”。（7）、存好后把此文件加入到工程中方法如下用鼠标在SOURCEGROUP1上单击右键,然后再单击ADDFILESTOGROUPSOURCEGROUP1。（8）、选择要加入的文件,找到MAINC后,单击ADD,然后单击CLOSE。（9）、在编辑框里输入代码。（10）、生成HEX烧写文件,先单击OPTIONSFORTARGET。（11）、我们单击OUTPUT,选中CREATEHEXF，再单击“确定”。以上是KEIL软件的基本应用系统的程序设计包括以下几个方面（1）键盘扫描12。（2）各项参数的采集。（3）各项参数在液晶上的显示。（4）各项参数的继电器控制。55主程序流程图主程序的流程如图51长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第27页装订线开始扫描键盘清标志清显示初始化和位定义各参数采集各参数显示各参数与设置值比较，是否需要调节启动继电器控制电路，调节参数YN结束图51主程序流程图当单片机上电后，主程序开始运行，程序以开始初始化各参数的设置和端口定义后，清各标志位和LCD1602的显示，然后进行键盘扫描，再利用各传感器进行数据的采集，将采集的数据和设置好的参数进行对比，如果对比结果显示需要调节，启动相应的继电器控制电路对温室中需要调节的参数进行调节并显示在LCD1602上，如果比较结果显示不需要调节，则不启动继电器控制电路，直接显示参数，然后对键盘进行循环扫描。长春大学温室大棚自动控制系统的设计共49页第28页装订线56参数测量子程序流程图参数测量子程序流程如图52开始声明变量与函数调用显示函数启动A/D读取转换值完成转换NY结束图52参数测量子程序流程图子程序开始先声明变量和调用的函数后，调用显示函数，启