基于单片机的大棚果园监控系统的设计

1、摘 要本设计是基于单片机的大棚温度、湿度控制系统，可以实现对大棚内的温度、湿度的检测、控制与显示。控制芯片选用AT89S52单片机，主要用温度传感器AD590来检测温度，用湿度传感器HS1101来检测湿度，用三个控制按键来实现按键控制，用8位LED控制驱动器MAX7219芯片来完成显示部分，用8位串行控制的模数转换器TLC0834芯片来完成转换部分。数据采集部分是将温湿度传感器置于大棚内部，测出大棚内的温湿度值，经过数据的调理转换为数字信号之后送入AT89S52单片机中，然后LED显示出温湿度测量值。单片机将预设值与测量值进行比较，根据比较结果作出判断，经过程序分析处理发送相应指令控制执行机构

2、动作，接通或关闭各种执行机构的继电器，进而控制调节大棚内温湿度。如此循环不断，使温湿度值与设定值保持一致。当温湿度值超过允许的误差范围，系统将发出报警，如果有必要，果农可以通过按纽来人工修改片内存储的温湿度预设值。通过对整个系统的核心单片机部分的设计，达到优化控制温湿度的目标。这些硬件电路在设计中都有详细的介绍。控制算法采用PID控制。关键词：AT89S52；PID算法；温度；湿度目 录第1章 绪 论11.1课题背景11.2 果园大棚温湿度控制现状11.3 本文的主要工作2第2章 方案论证32.1 系统的总体方案及技术指标32.2 系统的方案论证3第3章 硬件设计6第3章 硬件设计63.1 温

3、度检测电路的设计63.1.1 温度传感器63.1.2 温度检测电路63.2 湿度检测电路的设计73.2.1 湿度传感器73.2.2 湿度检测电路103.3 主芯片的选择113.4 单片机最小系统的设计133.4.1 MAX813L芯片简述133.4.2最小系统143.5 键盘和显示电路153.5.1 显示电路153.5.2 键盘电路183.6 转换电路的设计193.6.1 TLC0834芯片介绍193.7 控制电路的设计213.8 电源电路的设计223.9 扩展电路的设计233.9.1 I/O口的扩展233.9.2 数据、程序存储器的扩展233.10 报警电路的设计24第4章 软件设计264.

4、1 控制算法的选择264.2 主程序274.3 中断程序284.4 A/D转换程序284.5 温度控制程序284.6 湿度控制程序284.7 控制算法程序32第5章 结论34参考文献35致 谢37附 录38附 录II42第1章 绪 论1.1课题背景随着我国经济的发展，农民增收缓慢的问题逐渐凸现出来，成为阻碍我国经济稳定发展的一大隐患。解决此问题的关键是大力发展农业科技，逐步走向农业现代化。温室大棚技术则是其中一个重要环节，并且适合我国当前的国情:我国农业技术水平落后，作物生产单一，专用品种缺乏，绝大多数地方还是要靠天吃饭。因此，温室大棚技术是我国农业发展的重点之一。同时，也要注意到我国的另一现

5、实:我国资源、能源相对匮乏，农民经济实力有限，但人力资源丰富。而引进的一些国外的计算机智能控制系统投资过大，系统故障维护不便，而且经济效益过低，以上种种条件决定了我国不能走“高投入，高产出”的道路。此外，我国地域辽阔，属于大陆性季风气候，与同纬度的国家和地区相比具有气温年差大，极端气候条件恶劣等特点，对于我国温室生产极为不利。因此，要综合考虑在我国不同地区，不同温室形式，选择适合作物进行温室栽培。本课题就是产生于这样的背景之下，将重点探讨如何建立能适合中国国情的温室控制系统，具有一定研究价值。1.2 果园大棚温湿度控制现状有两个铁丝缠绕在塑料薄膜上，通过一根长杆加固成为一个整体，然后将它盖在一

6、个狭长的出风口上，在大棚的内部装有控制开关，可以来回拉动调节出风口的大小。目前大部分果农所按照农业种植学的相关理论，大棚温室温度一般白天不高于30-32度，夜间不低于15度。我国现在的果园大棚虽然总体规模比较大，但温湿度的控制方式比较单一，只是简单的手工操作，设备陈旧，没有引入现代的管理和控制技术，比如自动化控制和系统集成。在温度控制上，只是在大棚内的若干地方放置温度计，果农需要挨个查看每个温度计的数值，费时费力，现代的大棚都长度都在加长，有的果园大棚的长度达到了200米之长，小的也在100米左右。宽度也要10多米，在这么一个大范围的布置温度计，需要温度计的数量比较多。更糟糕的是，菜农需要逐个

7、的采集温度计的数值，这样就在很大程度上加大了果农的负担，而且，现在的果农培养的大棚不止一个，有的甚至多达三个甚至四个。这样大面积的塑料大棚内，光数据采集一项就要花费大半上午的时间。不仅如此，大棚的温湿度控制系统同样繁琐而且费力，调节温室温湿度的方法一般是被称作“放风”的方法。这种方法其实是一种机械方法，在大棚的顶部，谓的温湿度实际上是一种机械控制，通过这种方法控制温湿度，总的说来，有以下几个缺点:1、温度采集十分的繁琐，占用了果农大量的时间，有好多农村大棚都是逐字的记录温度值，这样不符合“即时采集”概念，也达不到“即时温控”的目的。2、不利于大棚规模的扩张，不利于大棚水果的增产。繁琐而费时的人

8、工温度计采集，使果农的有效劳动时间减短，加上菜农的主要时间要放在果树的细心呵护和栽培上，这样不利于大棚规模的扩张。3、人工采集温度和人工控制会或多或少的出现一些数值精确度偏差，控制的有效性大打折扣，不利于大棚农作物的生长。4、温度控制系统其实是一种机械方法，简单而原始，没有什么自动化的控制，不符合党中央所倡导的农业现代化的思想，不符合科技致富的思路。1.3 本文的主要工作本文主要采用单片机控制果园大棚内的温湿度，整个系统由数据采集、数据调理、单片机和控制部分组成。引入了温度传感器和湿度传感器在果园大棚温湿度监测控制方面的运用，采用该控制系统准确地检测大棚的温湿度数据，有效地自动控制大棚内的温湿

9、度，提高了大棚农作物的生长水平，从而增加了果农的收入。 数据采集部分是将温湿度传感器置于大棚内部，测出大棚内的温湿度值，经过数据的调理转换为数字信号之后送入AT89S52单片机中，然后LED显示出温湿度测量值。单片机将预设值与测量值进行比较，根据比较结果作出判断，经过程序分析处理发送相应指令控制执行机构动作，接通或关闭各种执行机构的继电器，进而控制调节果园大棚内的温湿度。如此循环不断，使温湿度值与设定值保持一致。当温湿度值超过允许的误差范围，系统将发出声光报警，如果有必要，果农可以根据气候状况或农作物生长状况通过按钮来人工修改片内存储的温度预设值。通过对整个系统的核心单片机部分的设计，达到优化

10、控制温湿度的目标。第2章 方案论证2.1 系统的总体方案及技术指标本系统可以实现以下功能：本系统由数据采集部分、数据调理部分、单片机部分、控制部分等四个大的部分组成。该系统具有实时采集 (检测果园大棚内的温湿度)、实时处理 (对检测的温湿度进行比较分析，决定下一步控制进程)、实时控制(根据处理发出控制指令，指挥被控对象动作)的功能。在设计中重点研究温湿度传感器选择、单片机最小系统设计、键盘/显示接口电路设计模/数转换及报警电路设计、看门狗电路和输出控制电路设计、电源电路设计。总体框图如图2.1所示。暖炉风门及进风口机械门继电器执行机构温湿度传感器显示、报警单片机A/D转换果园大棚人工按钮图2.

11、1 果园大棚温湿度控制系统整体框图2.2 系统的方案论证本设计采用AT89S52控制系统。本系统需要采集两点的温湿度。传感器是实现测量与控制的首要环节，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。温度传感器的选择：方案一：采用热电阻温度传感器。热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。铂的物理、化学性能极稳定

12、，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。按IEC标准测温范围-200650，百度电阻比W（100）=1.3850时，R0为100和10，其允许的测量误差A级为（0.15+0.002 |t|），B级为（0.3+0.005 |t|）。铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。在工业中用于-50180测温。方案二：采用AD590，它的测温范围在-55+150之间，而且精度高。M档在测温范围内非线形误差为0.3。AD5

13、90可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会损坏。使用可靠。它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，借口也很简单。作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。AD590的测量信号可远传百余米。综合比较方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择。 湿度传感器的选择： 测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而

14、进行湿度测量的。方案一：采用HOS-201湿敏传感器。HOS-201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，测量湿度范围为0100%RH，工作温度范围为050，阻抗在75%RH（25）时为1M。这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。方案二：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。不需校准的完全互换性，

15、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，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，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。相对湿度在1%-100%RH范围内；电容量由16pF变到200pF，其误差不大于2%RH；响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/。可见精度是较高的。综合比较方案一与方案二，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度传感器。 第3章 硬件设计 3.1 温度检测电路的设计 3.1.1

16、 温度传感器温度传感器使用温度传感器AD590，采用5V直流电压供电。AD590集成温度传感器应用相当广泛，在工程上主要应用测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度等。因此，不仅广泛应用在日常生活中，更重要大量应用在工业自动化控制系统以及自动检测过程控制系统。另外，由于AD590精度高、价格低、不需要辅助电源、线性好，常用于测温和温度检测和控制领域。 AD590是电流输出性集成温度传感器。实际中通过对电流的测量即可得到响应的温度数值。AD590后缀以I，Z，K，L，M表示，实质上指特性不同和测量温度范围不同。其外型、电路符号如图3.1所示。 图3.1 AD590外型图在

17、被测温度一定时，AD590实际上相当于恒流源，把它与直流电源相连，并在输出端串接一个标准1K的电阻，结果此电阻上流过的电流与被测热力学温度成正比，电阻两端将会有1Mv/K的电压信号。AD590的特性就是流过器件的电流与热力学温度成正比，基准温度下可得到1A/K的电流值。如图3.2所示： 3.1.2 温度检测电路AD590的测温范围为-55+150。整个测温范围内精度可以达到0.5，且线性度好，直接输出为电流（1A/K），经运放LM358进行I/V转化后，可得到电压输出，输出的电压为100mV/，最后由A/D转换电路的通道2送给AT89S52微处理器。图中R6、R5和R2用于相互配合调节温度测量

18、的满刻度值。由于采用了线性度良好的AD590进行测量，估测出的温度值不需要进行线性校正，系统软件编程简单方便。图3.2 AD590基本图图3.3 温度检测电路 3.2 湿度检测电路的设计3.2.1 湿度传感器湿度传感器选择HS1101如图3.4所示，这种元件响应快，线性度和可靠性高，长时间工作稳定性好，长时间饱和下快速脱湿，不需校准的完全互换性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，有顶端接触(HS1100)如图3.5所示和侧面接触(HS1101)如图3.6所示，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。 图3.4 湿度传感器HS110

19、1 HS1101顶端接触图： 图3.5 HS1101顶端接触图 HS1101侧面接触图：图3.6 HS1101侧面接触图下边两图分别为湿敏电容工作的温、湿度范围、湿度 - 电容响应曲线。图3.7 湿敏电容工作的温度范围图3.8 湿敏电容工作的湿度范围相对湿度在0%100%RH 范围内；电容量由162pF变到200pF，其误差不大于2%RH；响应时间小于5s；温度系数为0.04pF/ 。可见精度是较高的。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。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常用两种方法：一是将该湿敏电

20、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、再转换为数字信号A/D；另一种是将该湿敏电容置于NE556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。NE556的管脚图如下： 图9 NE556管脚图(1)TH高电平触发端：当TH端电平大于2/3EC，输出OUT呈低电平，DIS端导通。 (2)/TRAG低电平触发端：当/TRAG端电平小于1/3EC时，OUT端呈现低电平，DIS端关断。(3)/R复位端：/R = 0，OUT端输出低电平，DIS端导通。(4)CV控制电压端：CV接不同的电压值可以改变TH，TRIG的触发电平值。(5)DI

21、S放电端：其导通或关断为RC回路提供了放电或充电的通路。(6)OUT：输出端。芯片的功能表如表3.1所示。 表1 NE556芯片功能表TH/TR/ROUTDISXXLL导通2/3 Vcc1/3 VccHL导通1/3 VccH原状态原状态2/3 VccNY令=0计算PID运算计算+计算更新计算+D计算更新取整返回图4.6 控制算法流程图 第5章 结论该系统的硬件核心设计采用单片机AT89S52，使整个硬件系统更简便、可靠。选择的温湿度传感器AD590和HS1101对温湿度采集更有效。人工进行检测，然后对不符合温度和湿度要求的大棚果园进行通风、去湿和降温等工作的方法费时费力、效率低，且测试的温度及

22、湿度误差大，随机性大。因此本系统是一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度控制系统。使用本系统后大棚果园内的温湿度控制在植物适宜生长的范围内，经济效益显著提高。其能够明显提高大棚内植物的生长环境质量，减轻果园主的劳动强度，并且还能够实现自动实时检测与控制，产生显著的经济效益和社会效益。该系统操作简便，显示直观，功能齐全，控制方式灵活，发挥了单片机价格低、功能强、软件编程灵活方便的特点，较好的实现了单片机对温湿度的自动控制。参考文献1 梅丽凤，王艳秋.单片机原理及接口技术.石油经济学.北京：清华大学出版社；北京交通大学出版社，2004.2： 215-220 2 张琳娜，刘武发传感检测技术及应用中

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