大棚温度自动控制系统的设计

第一章绪言第一节系统设计背景植物的生长都是在一定的环境中进行的，其在生产过程中受到环境中各种因素的影响，其中对植物的生长影响最大的是环境中的温度和湿度。环境中昼夜的温度和湿度变化大，使其对植物生长极为不利。因此必须对环境的温度和湿度进行监控和控制，使其适合植物的生长，提高其产量个质量。本系统就是利用价格便宜的一般电子器件来设计一个参数精度高，控制操作方便，性价比高的应用于农业种植生产的温室大棚温湿度控制系统。本系统温湿度的监控包括以下步骤：感应环境温湿度；判断感应到的温湿度是否异常；若感到的温湿度异常，判断异常是否3超过预设时间；若异常超过预设时间，若异常报警；判断异常是否处理完毕；若异常处理完毕，解除报警。并可以利用控制器和单片机来达到机房温湿度的远程控制，从而实现温室大棚温湿度管理的实时性和有效性。为此，在现代化的温室大棚管理中国通常有温湿度自动控制系统，一控制大棚温度，适应生产需要。它以先进的技术和现代化实施，认为控制作物生长的黄静条件，是作物生长不受自然气候的影响，做到常年工厂化，进行高效率，高产值和高效益的生产。第二节系统功能、优势及特点该检测系统充分利用AT89C51单片机的软、硬件资源，辅助相应的测量电路和SHT10数字式集成温湿度传感器等智能仪器，能实现多任务、多通道的监测和输出。它具有测量范围广、测量精度高等特点，前端测量用的传感器类型可在该基础上修改为其他非电量参数测量系统。温湿度监测系统采用SHT11为温湿度测量元件。系统在软件设计上充分考虑了可扩展性，经过一定的添加或改造，很容易增加功能。根据温室大棚内的温湿度传感器采集到的信息，利用数据总线将传感器信息送给单片机，以及进行LCD显示，报警，查询等功能。监控中心可向现场控制器发出控制卡指令，监测仪根据指令控制风机、水泵、等设备进行降温除湿，以保证大棚内作物的生长环境。监控中心也可以通过报警指令来启动现场检测仪上的声光报警装置，通知大棚管理人员采取相应措施来确保大棚内的环境正常。

第二章大棚温度自动控制系统的相理论及设计第一节总体方案的设计一、设计思想大棚温湿度控制系统电工作后，用户首先通过键盘输入温度及湿度的初值，单片机系统将用户设置的初值暴粗暴在X25045芯片中，单片机进入主程序后，开始以查询的方式检测温湿度传感器SHT11的温湿度状态，并将相应的数值通过显示器显示输出。当温室内的温度（或湿度）小于设置的初值时，单片机将通过控制输出接口使加温设备（加湿设备）开始工作；当温室内的温度（或湿度）大于（或等于）设置的初值时，单片机将通过控制输出接口使加温设备（或加湿设备）停止工作。二、系统组成及框图系统由电源电路、温湿度传感器SHT11.X25045芯片、键盘、显示和控制模块（AT89C51）组成。1、温湿度传感器：负责检测并采集各控制点温湿度数据。2、数据通讯转换器：负责温湿度数据采集数据的信号转换，复位等。3、软件部分：负责对所有数据进行读取分析，并执行各项管理功能。4、控制部分（即温湿度调节系统）：执行远程控制指令。控制不封连接增湿装置、干燥装置、温度的控制装置等。其系统控制原理图如图2.1所示：图2.1大棚温湿度控制原理框图第二节系统主要电路设计一、主要芯片89C51的功能及引脚图芯片89C51共有40个引脚，其中电源引脚有4个，控制引脚有4个，并行的I/O接口有32个，其引脚如图2.2所示：图2.2AT89C51引脚电源及时钟引脚（4个）Vcc:电源接入引脚；Vss:接地引脚；XTAL1：晶体振荡器接入的一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚接地）；XTAL2：晶体振荡器接入的另一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚为外部振荡信号的输入端,控制线引脚（4个）RST/VPD:复位信号输入引脚/备用电源输入引脚；ALE/PROG：地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚（低电平有效）；EA/Vpp:内外存储器选择引脚（低电平有效）/片内EPROM（或FlashROM）编程电压输入引脚；并行I/O引脚（32个，分成4个8位口）P0.0～P0.7：一般I/O引脚或数据/低位地址总线服用引脚；P1.0～P1.7：一般I/O引脚；P2.0～P2.7：一般I/O引脚或高位地址总线引脚；P3.0～P3.7：一般I/O引脚或第二功能引脚。二、温湿度检测电路的设计本系统选择的温湿度传感器是由瑞士Sensirion公司推出了SHT11单片数字温湿度集成传感器，采用CMOS过程微加工专利技术,确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器包括一个电容性聚合体温度敏感器元件、一个用能隙材料制成的温度敏感元件，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。每个传感器芯片都在极为精确的温度腔室中近视标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。标准系数一程序行驶存储在OTP内存中，在校正的过程中使用。两线制的串行接口，是外围系统集成变得快而简单。微笑的体积、极低的消耗，使其成为各类应用的首选。下图2.3为SHT11传感器内部结构框图图2.3SHT11内部结构图三、温湿度传感器SHT11的工作原理SHT11的温湿度检测运用电容式结构，并采用具体不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度高而且可精确得出露点，同时不会产生由于湿度与温度传感器之间随温度梯度变化引起的误会。CMOSensTM技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号发大器、模/数转换器、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内。SHT11的每一个传感器都是在极为精确得湿度室内中校准的。SHT11传感器的校准系数预先存在OTP内存中。经校准的相对温室传感器与一个14位的A/D转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给I2C总线器件，从而将数字信号转换为符合I2C总线协议的串行数字信号。由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其他类型的温湿度传感器优越得多的性能。首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而A/D转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程序。其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只温湿度传感器都具有相同的功能，即具有100%的互换性。最后，传感器可直接通过I2C总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。四、温湿度调节系统的设计温湿度调节系统包括加湿模块除湿模块、加温模块和制冷模块。它是由单片机的I／O口控制的，有效控制电平为+5V，执行机构的各种设备都是在市电下正常工作的，必须采用I／O口控制继电器的导通和切断来控制市电的通断，也即控制执行设备的工作状态。由于单片机的I／O不能提供足够的电流，不能直接驱动让继电器导通，因此，我们采用达林顿管，将进行两级放大，提供了足够大的驱动电流，让继电器中的电感线圈产生足够大的磁力，将开关吸合。用户预先输入温湿度报警值到程序中，该值作为系统阈值。温湿度传感器监测值传输给单片机，当单片机比较监测到的数值超出所设定阈值时，驱动蜂鸣器报警，并为温湿度调节系统提供控制信号，实现自动控制。五、X25045简介X25045是美国Xicor公司的生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。X25045引脚如图2.4所示。图2.4X25045引脚图X25045硬件连接图如图2.5所示。X25045芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则X25045将从RESET输出一个高电平信号，经过微分电路C2、R3输出一个正脉冲，使CPU复位。图2电路中，CPU的复位信号共有3个：上电复位(C1、R2)，人工复位(S、R1、R2)和Watchdog复位(C2、R3)，通过或门综合后加到RESET端。C2、R3的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时CPU的振荡器已经在工作图2.5X25045看门狗电路硬件连接图看门狗定时器的预置时间是通过X25045的状态寄存器的相应位来设定的。如表1所示，X25045状态寄存器共有6位有含义，其中WD1、WD0和看门狗电路有关，其余位和EEPROM的工作设置有关。表2.1X25045状态寄存器WD1＝0，WD0=0，预置时间为1.4s。WD1＝0，WD0=1，预置时间为0.6s。WD1＝1，WD0=0，预置时间为0.2s。WD1＝1，WD0=1禁止看门狗工作。看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复位。第三章硬件设计第一节温湿度测量电路温湿度测量用的是SHT11温湿度传感器，该传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件、一个用能隙材料制成的温度敏感元件，并在同一芯片上，与l4位的A／D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。该传感器与89C51的电路连接图，如图3.1所示：图3.1接口电路SHT11的测量时序如下：当一个SCK为高电平时，DATA出现低电平，然后SCK变为低电平，接着当SCK再为高电平时，DATA也变为高电平则表示开始数据读写（启动序列）温湿度传感器SHT11送出的温度、湿度数据必须经过数据转换才能表示实际的温度和湿度，其公式如下：Tc=d1+d2×SOTRHLinear=C1＋C2×SORH＋C3×SORH2RHTrue=（Tc－25）×(t1＋t2×SORH)＋RHLinea式中：Tc为温度；RHTrue为经过温度补偿的相对湿度；d1、d2与温度分辨率有关；C1、C2、C3、t1、t2与湿度分辨率有关；SOT表示从SHT11中读出的温度值；SORH表示从SHT11中读出的湿度值。其对应关系如表3.1、表3.2所示表3.1温度校准系数表3.2温湿校正系数第二节LCD显示电路LCD显示电路用LCD1602字符型液晶显示模块与单片机连接进行数值显示，其电路图如3.2所示：图3.2LCD显示电路图1602LCD采用标准14脚或16脚接口，RS为寄存器选择器，RS为高电平时选择数据寄存器，为低电平时选择指令寄存器。R/W为读写信号线，为高电平时进行读操作，为低电平时进行写操作，当RS和R/W同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当RS为低电平时，R/W为高电平时可以读忙信号；当RS为高电平，R/W为低电平时可以写入数据。E为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。D0~D7为8位双向数据线。第三节键盘扫描电路KEY1为温度和湿度设定切换，KEY2为温度或湿度加1，KEY3为温度或湿度减1，KEY4当前状态与设定状态切换，KEY5为上下限设定切换。接口电路如图3.3所示。图3.3键盘扫描电路图第四节输出接口控制电路图3.4输出接口控制电路第五节单片机与X25045接口电路单片机与X25045接口电路如图3.5所示。图3.5单片机与X25045接口电路本设计选用了P1口的P10~P12及74LS138的11脚，由于X25045的RESET为漏极开路的输出端，所以应接上拉电阻。写操作至少需要24个时钟周期，片选必须拉低并在操作期间保持低电平。单片机可以连续写入16个字节的数据，但这16个字节必须写入同一页，一页的地址开始于地址[XXXXX0000],结束于地址[XXXXX1111]，如果待写入的字节地址已到达一页的最后，而时钟还在继续存在，计数器就将回绕到该页的第一个地址并覆盖前面所写的内容。在本设计中，一页存储三组数据，每组数据有五个字节组成，分别包括日、月、小时、分钟和秒。而一页的最后一个字节用于存放每次读取该页的次数，以便于新的数据可再从首地址写入，达到循环存储数据的目的。第四章系统软件的设计软件设计主要分为主程序、温湿度传感器数据读取子程序、LCD显示程序、键盘扫描，按键去抖动的处理、控制器控制流程。第一节系统主程序本系统的智能核心是AT89C51，其监控程序和应用元件全部固化在EPROM内。他在工作过程是,当系统接通电源后，AT89C51单片机进入监控状态，同时完成对哥哥端口的初始化工作，当有按键按下时，产生申请中断，进入相应的中断程序，完成键盘处理工作。当没有外部控制信息输入时，系统会自动采集温湿度传感器的电压值，最终数据在LCD显示屏上显示。主程序流程图如图4.1所示：图4.1主程序流程图第二节键盘扫描子程序，消抖程序流程图键盘扫描子程序如图4.2：图4.2键盘扫描程序流程图消抖程序流程图4.3图4.3键盘扫描流程图第三节1602LCD液晶显示程序流程图LCD显示流程图如图4.4所示：图4.4LCD显示程序流程图第四节温湿度读取子程序温湿度利用SHT11温度传感器测量温度。温湿度读取子程序流程图如图4.5所示：图4.5温湿度读取子程序流程图第五节键盘扫描源程序ORG0000HAJMPMAINMAIN:DISPLAY:LCALLKEYMOVDPTR,#TABMOVCA,@A+DPTRMOVSBUF,AAJMPDISPLAYKEY:LCALLKSFJNZK;ACCLCALLDELAYLJMPKEYK1:LCALLDELAYLCALLKSFJNZK2LCALLKEYK2:MOVR2,#0EFH;R2MOVR1,#00HMOVP1,R2L1:JBP1.0,L2MOVA,00HAJMPLL2:JBP1.1,L3MOVA,#04HAJMPLL3:JBP1.2,L4MOVA,#08HAJMPLL4:JBP1.3,LNMOVA,#0CHAJMPLLN:MOVA,R2RLAMOVR2,ACCMOVP1,R2INCR1CJNER2,#0FEH,L1L:ADDA,R1PUSHACCK:LCALDELAYLCALLKSFJNZKPOPACCRETKSF:MOVP1,#0FHMOVA,P1XRLA,#0FHRETDELAY:MOVR3,#01HLL:MOVR4,#0AHLLL:DJNZR4,LLLDJNZR3,LLRETTAB:DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,84HEND键检查子程序KEY-SCAN:MOVDPTR,#6000HMOVA,#00HMOVX@DPTR,AMOVA,P1CPLAANLA,#07HRET第六节显示程序RSEQUP2.0RWEQUP2.1EEQUP2.2PSBEQUP2.3RSTEQUP2.5LCD_XEQU30HLCD_YEQU31HCOUNTEQU32HCOUNT1EQU33HCOUNT2EQU34HCOUNT3EQU35HLCD_DATAEQU36HLCD_DATA1EQU37HLCD_DATA2EQU38HSTOREEQU39HORG0000HLJMPMAINORG0100HMAIN:MOVSP,#5FHCLRRET:复位LCALLDELAY4SETBRETNOPSETBPSB:通讯方式为8位数据并口初始化LGSO:MOVA,#34H;34H扩充指令操作LCALLSEND_IMOVA,30H;LCALLSEND_IMOVA,#01H;清除显示LCALLSEND_IMOVA,#06H;制定光标的移动方向LCALLSEND_IMOVA,#0CH;开显示LCALLSEND_ITU_PLAY1：MOVDPTR,#TU_TAB1LCALLPHO_DISPLCALLDELAY3显示汉字和字符HAN_WR2：LCALLCLEAR_PHAN_WR2A:MOVDRTR,#TAB1AMOVCOUNT,#10HMOVA,#80HLCALLSEND_ILCALLQUSHUHAN_WR2B:MOVDOTR,#TAB1BMOVA,#90HLCALLSEND_ILCALLQUSHUHAN_WR2C:MOVDPTR,#TAB1CMOVCOUNT,#10HMOVA,88HLCALLSEND_ILCALLQUSHUHAN_WR2D:MOVDPTR,#TAB1DMOVCOUNT,#10HMOVA,#98HLCALLSEND_ILCALLQUSHUSETBRETNOPSETBPSB:通讯方式为8位数据并口初始化LGSO:MOVA,#34H;34H扩充指令操作LCALLSEND_IMOVA,30H;LCALLSEND_IMOVA,#01H;清除显示LCALLSEND_IMOVA,#06H;制定光标的移动方向LCALLSEND_IMOVA,#0CH;开显示LCALLSEND_ITU_PLAY1：MOVDPTR,#TU_TAB1LCALLPHO_DISPLCALLDELAY3显示汉字和字符HAN_WR2：LCALLCLEAR_PHAN_WR2A:MOVDRTR,#TAB1AMOVCOUNT,#10HMOVA,#80HLCALLSEND_ILCALLQUSHUHAN_WR2B:MOVDOTR,#TAB1BMOVA,#90HLCALLSEND_ILCALLQUSHUHAN_WR2C:MOVDPTR,#TAB1CMOVCOUNT,#10HMOVA,88HLCALLSEND_ILCALLQUSHUHAN_WR2D:MOVDPTR,#TAB1DMOVCOUNT,#10HMOVA,#98HLCALLSEND_ILCALLQUSHULCALLDELAY3LCALLFLASHLCLLCLEAR_PJMPTU_PLAY2TU_PLAY1：MOVDPTR,#TU_TAB1LCALLPHO_DISPLCALLDELAY3TU_PLAY2：MOVDPTR,#TU_TAB2LCALLPHO_DISPLCALLDELAY3TU_PLAY3：MOVDPTR,#TU_TAB4LCALLPHO_DISPLCALLDELAY3显示点阵LATPLAY1：MOVA,#01HLCALLSEND_IMOVLCD_DATA1，#0CCHMOVLCD_DATA2，#0CCHLCLLLAT_DISPLCALLDELAY3LCALLCLEAR_PKU_PLAY2：LJMPTU_PLAY1PHO_DISP:MOVCOUNT3，#02HMOVLCD_X,#80HPHO_DISP1：MOVLCD_Y,#80HMOVCOUNT2，#20HPHO_DISP2:MOVcount1,#10hLCALLWR_ZBPHO_DISP3:CLRAMOVCA,@+DPTRLCALLSEND_DINCDPTRDJNZCOUNT1,PHO_DISP3INCLCD_YDJNZCOUNT2,PHO_DISP2MOVLCD_X,#88HDJNZCOUNT3,PHO_DISP1MOVA,#30HLCALLSEND_IRETCLRRAM:MOVLCD_DATA1,#00HMOVLCD_DATA2,#00HLCALLLLAT_DISP\RET显示点阵子程序LAT_DISP:MOVCOUNT3，#02HMOVLCD_X,#80HLAT_DISP1:MOVLCD_Y,#80HCLRF0MOVCOUNT2，#20HLAT_DISP2：MOVCOUNT1，#10HLCALLWR_ZBLAT_ISP3：JBF0，LAT_DISP32MOVLCD_DATA,LCD_DATA1AJMPLAT_DISP31LAT_DISP32：MOVLCD_DATA,LCD_DATA2LAT_DISP31：MOVA,LCD_DATALCALLLSEND_DDJNZCOUNT1，LAT_DISP31INCLCD_YCPLF0DJNZCOUNT1，LAT_DISP31INCLCD_YCPLF0DJNZCOUNT2，LAT_DISP2MOVLCD_X,#88HDJNZCOUNT3，LAT_DISP1MOVA,#36HLCALLSEND_IMOVA,#30HLCALLSEND_IRETWR-ZB:MOVA,#34HLCALLLSEND_IMOVA,LCD_YLCALLLSEND_IMOVA,LCD_XLCALLLSEND_IMOVA,#30HLCALLLSEND_IRET第七节温湿度采集程序unsignedcharwrite_byte(unsignedcharvalue){unsignedchari;unsignedcharerror=0;for(i=0x80;i>0;i/=2){if(i&.value)SDATA=1;elseSDATA=0;SCK=1;nop_();_nop_();_nop_();SCK=0;}SDATA=1;SCK=1;erroe=SDATA;SCK=0;returnerror;}SDATA=1;SCK=1;erroe=SDATA;SCK=0;returnerror;}unsignedcharreadbyte(bitack){unsignedchari;unsignedcharval=0;SDATA=1;for(i=0x80;i>0;i/=2){SCK=1;if(SDTAT)val=(val|i);SCK=0;}SDATA=!ack;SCK=1;_nop_();_nop_();_nop_();SCK=0;SDATA=1;returnval;}结论以上为毕业期间所设计的大棚温度自动控制系统，它经过多次修改和整理，可满足设计的基本要求。采用AT89C51单片机、SHT11温湿度传感器等等器件设计温室大棚控制系统，实现温湿度采集，温度自动调节。由于使用的是单片机作为核心的控制元件，配