1、基于单片机的温湿度控制研究编号 XXXXXX 毕 业 （学位） 论 文 （ 2013 届本科）题 目： 基于单片机的温室大棚温湿度测控系统设计学 院： 物理与机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 作者姓名： XXXX 指导教师： XXXX 职称： 讲 师 完成日期： XXX 年 XX 月 XX 日 二一三年五月 河西学院本科生毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在
2、文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本科毕业论文（设计）作者签名： 二一三 年 五 月 十五 日河西学院本科毕业论文（设计）开题报告论 文 题 目 基于单片机的温室大棚温湿度测控系统设计作 者 姓 名 XXXX所属系、专业、年级 物理与机电工程学院电气工程及其自动化09（2）班指导教师姓名、职称 XXXX 讲师预计字数1万字以上开题日期2012年11月15日选题的根据：1）说明本选题的理论、实际意义 2）综述有关本选题的研究动态和自己的见解植物的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对植物影响最大的是环境中的温度和湿度。环境中昼夜
3、的温湿度变化大，其对植物生长极为不利。温室大棚是一种通过人工控制温度等环境参数，模拟农业生产的自然环境的设施。温室大棚可以建立一个模拟适合植物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温湿度对植物生长的约束。并且，温室大棚能克服环境对植物生长的限制。研究和实现温室大棚自动测控，是实现农业生产自动化、高产、优质的一种行之有效的方法。目前在温室大棚控制技术上，主要的方向是人机界面的人性化设计和网络化控制技术等方面，集中在更方便的操作（如各种有线和无线控制技术、自动控制技术），多种可选控制方式上，并采用人机界面来使操作更容易。利用计算机技术及现代控制理论对温室内的各种环境因子，包括温度、光照、湿度
4、、CO2浓度和施肥等，进行自动控制和调节成为温室控制的主要方式。本课题欲设计一款外围电路简单、成本较低的温室大棚测控系统，对植物影响最大的温度和湿度进行自动控制，以满足一般温室大棚的生产要求。主要内容及其主要的研究方法：本课题是基于单片机的温室大棚温湿度测控系统，主要完成对温湿度的检测、控制和显示。单片机通过驱动降温（或加温）、降湿（或加湿）设备工作使温室大棚内的温湿度值与设定值保持一致，实现对大棚内温湿度的自动控制。本次设计首先要了解温室大棚测控系统的发展现状，欲通过对各种温室大棚测控系统的比较及对温湿度传感器的学习，选择合适的温度、湿度传感器来采集温湿度,然后整个系统确立完整具体的方案。通
5、过单片机将各功能模块有机地组织起来共同完成系统需要的功能。完成期限和采取的主要措施： 本设计主要由方案选择、电路设计、仿真等几个环节组成。仿真时主要将proteus软件与keil软件相结合进行参数设置及仿真。仿真后，根据设计原理及相关内容完成论文，预计将于2013年5月中期完成。主要参考资料：1张俊谟.单片机原理及应用M， 北京航天航空大学出版社.2007.22刘迎春传感器原理设计与应用M，北京：国防科技大学出版社，2005：205-2073余成波，胡新宇，赵勇. 传感器与自动检测技术M .北京：高等教育出版社，20064新型单片机AT89C2051及其应用举例J 1996年 04期5金杰.
6、DS18B20实现高精度温度测量J. 郑州电子报, 2005, (2005-02-27)6吴兴慧，王彩君.传感器与信号处理M.北京：电子工业出版社，19987苏家健，曹柏荣，汪志峰. 单片机理及应用技术M .北京：高等教育出版社，20068胡汉才单片机原理及接口技术M，北京：清华大学出版社，1996.79黄坚.自动控制原理及其应用M，北京：高等教育出版社，200410马西秦.自动检测技术M，北京：机械工业出版社，200011马忠梅等单片机的C语言应用程序设计M，北京：北京航空航天大学出版社，2003.1112李毅刚.单片机原理及应用.高等教育出版社.200413王晓明.电动机的单片机控制.北京
7、.北京航空航天大学出版社.200414沙占友.集成传感器应用.中国电力出版社.2005.1015沈红卫.单片机应用实例与分析.北京航空航天大学出版社.2003指导教师意见： 签 名： 年 月 日教研室意见负责人签名： 年 月 日系（部） 意 见 负责人签名： 年 月 日 摘 要本课题是基于AT89C51单片机的温室大棚温湿度测控系统，可完成温湿度的检测，控制和显示。系统主要用温湿度传感器SHT11来检测温度、湿度，其值由单片机处理，最后由单片机去控制数字显示器MGLS-12864，显示温室大棚内的实际温湿度及所设上下限。本系统工作原理是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
8、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，以此来调节大棚内温湿度。如此循环不断，使温湿度值与设定值保持一致，实现对大棚内温湿度的自动控制。用户可以根据自身需要通过按纽来人工修改片内存储的温湿度上下限的预设值。关键词：温室大棚；AT89C51；温湿度；自动控制 Abstract This paper introduces a temperature and humidity measuring and controlling system of greenhouse based on Single Chip Microcomputer (SCM) AT89C51,
9、 to be completed control and display by the detection of temperature and humidity. Temperature and humidity sensor SHT11 is primarily used to detect the temperature and humidity, the value is processed by SCM, then SCM control MGLS-12864, a liquid crystal display (LCD), to show the actual temperatur
10、e and humidity and their upper limit and lower limit. The system works will be compared defaults with measurements to make judgments based on the comparison, then the program sends the appropriate commands to control the actuators through analysis and processing, so as to adjust the temperature and
11、humidity. The values of temperature and humidity are in accordance with the set values to achieve the automatic control of the temperature and humidity in the greenhouse. In addition, the user can sets the upper limit and the lower limit in the SCM memory by press-button.Key words：Greenhouse ; AT89C
12、51; Temperature and humidity; Automatic control第一章 绪论1.1 温室大棚的发展及现状1.1.1 背景 农业自动化控制技术的发展是现代农业的基本特征，是信息农业的核心技术。发达国家一直致力于把信息化自动控制技术应用于农作物的耕种、施肥、灌溉、果实收获，畜牧生产过程，农产品加工自动化控制及农业生产工厂化，在温室栽培中得到了广泛应用。农业生产实时控制系统集现代信息技术、生物技术于一身，它可使年收获产量增长5-10倍，能实现调温、通风、补光等温室设备的自动化控制。主要应用于工厂化育苗、作物、花卉苗木，生长条件的自动监控。随着全球经济的快速发展，中国温室
13、大棚行业市场规模不断扩大，温室大棚行业发展迅速，逐步形成了有中国特色的多样化、多层次的消费市场。与此同时国内企业为了获得更大的利润收益，企业间的竞争愈演愈烈1。1.1.2 国外温室控制技术发展状况 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，一些国家在实行自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。目前，一些经济发达的国家和地区已经研制并实现计算机自动控制的现代化高科技温室，并且形成了令人惊羡
14、的植物工厂。像园艺强国荷兰，以先进的鲜花生产技术著称于世，其玻璃温室全部由计算机操作。日本研制的蔬菜塑料大棚在播种、间苗、运苗、灌水、喷药等作业的自动化和无人化方面都有应用。日本利用计算机控制温室环境因素的方法，主要是将各种作物不同生长发育阶段所需要的环境条件输入计算机程序，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动作出相应修正或调整。一般以光照条件为始变因素，温度、湿度和CO2浓度为随变因素，使这四个主要环境因素随时处于最佳配合状态。美国和荷兰还利用差温管理技术，实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观测50km以外
15、温室内的光、温、湿、气和水等环境状况，并进行遥控。国外现有的温室自动化作业技术设施大致可以分为两大类：自动行走式自动化作业设施和流水线式自动化作业设施2。1.1.3我国温室农业自动化作业技术发展研究状况 我国是温室栽培起源最早的国家，在2000多年前就已经能利用保护设施（温室的雏形）栽培多种蔬菜，至20世纪60年代，中国的设施农业始终徘徊在小规模、低水平、发展速度缓慢的状态，70年代初期地膜覆盖技术引入中国。随着经济的发展和科技进步，70年代至80年代，相继出现了塑料大棚和日光温室。90年代开始，中国设施农业逐步向规模化、集约化和科学化方向发展，技术水平有了大幅的提高。随着近年来国家相关科研项
16、目的启动，在学习借鉴、吸收消化国外先进技术的成果的基础上，中国的设施农业有了较快发展，设施水平不断提高。近代温室的发展经历了改良型日光温室、大型玻璃温室和现代化温室三个阶段。但由于各地区生产状况、经济条件和利用目的的差异，至今各阶段不同类型的温室依然并存。目前，我国的温室系统属于半开放系统，温室内环境控制水平比较低，仍靠人工经验来管理。而且，国内的控制系统主要用于单因子控制，因而设施现代化水平低，对温室环境的调控能力差，产品的质量和产量难以得到保证。环境因素的自动调节和控制的研究正处于起步阶段，已严重影响了设施农业的大力发展。特别是北方地区因其纬度高，寒冷季长，四季温差和昼夜温差较大，不利于作
17、物生长，目前应用于温室大棚的温度检测系统大多采用传统的温度检测。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采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大，不利于控制者根据温度变化及时作出决定。在这样的形势下，开发一种实时性高、精度高，能够综合处理多点温度信息的测控系统就很有必要2。1.2 温室控制系统研究与开发的意义 随着农业现代化的发展，设施园艺工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，已越来越受到世界各国的重视。这也为我国大型现代化温室的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。我国的现代化温
18、室是在引进与自我开发并进的过程中发展起来的。温室大棚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气候对其影响的理想场所。实现温室大棚环境智能控制的目的是主动的调节温度、湿度、光照和二氧化碳气体浓度等环境因素，以满足作物最佳生长环境的要求。其中，温湿度是最重要的环境因素。温室是植物栽培生产中必不可少的设施之一，温度是影响植物生长发育最重要的因子之一。植物生长的温度范围以15-35摄氏度最适。为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的生存环境，以提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。温室环境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。改
19、变传统的控制方式，实施温室环境的计算机控制，开发符合中国国情的温室自动控制系统，对加快中国温室生产的现代化水平和提高温室的经济效益具有重要意义。近20年来，“日光温室”已成为农业种植中效益最高的产业。它为解决长期困扰我国北方地区冬季的蔬菜供应、增加农民收入、节约能源、促进农业产业结构调整、带动相关产业发展、提高城乡居民的生活水平等均做出了历史性贡献。随着社会的进步科学技术的发展，我国温室的发展将向着区域化、节能化、专业化发展发展，形成高科技、自动化、机械化、规模化、产业化的工厂型农业，为社会提供更加丰富的无污染、安全、优质的绿色健康食品。我国温室未来的发展呈现出现代化、精准化、多元化、都市型的
20、特点4。 1.3 本课题研究内容与目标 目前在温室大棚控制技术上，主要方向是人机界面的人性化设计和网络化控制技术等方面，集中在更方便的操作，多种可选控制方式上，并采用大人机界面来使操作更容易。利用计算机技术及现代控制理论对温室内的各种环境因子，包括温度、光照、湿度、CO2浓度和施肥等，进行自动控制和调节成为温室控制的主要方式。根据温室作物的生长习性和市场的需要，部分甚至完全摆脱自然环境的约束，使人为创造适宜作物生长最佳环境的自动控制技术手段成为主流。此时的温室有比较完整的控制系统，有各种传感器采集温室环境数据，监控系统实时监测环境变化及控制执行机构的动作，良好的人机界面使种植者的操作过程形象而
21、且简便。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，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，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自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时作出反应，难以介入作物生长的内在规律。我国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4。第二章 系统设计2.1 系统总体设计2.1.1 设计思想 本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度
22、传感器可以产生数字信号的性能，设计了一套温湿度测控系统，该系统硬件组成主要包括单片机最小系统电路、温湿度检测电路、键盘及液晶显示电路、控制电路等部分，系统整体设计框图如图2.1图2.1 系统原理结构框图本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的。 (1)信号采集：由温湿度传感器组成； (2)信号分析：由单片机基本系统组成； (3)信号处理：由显示器和控制系统等组成。大棚温湿度控制系统上电工作后，用户首先通过键盘输入温度及湿度的初值，单片机进入主程序后，检测温湿度传感器的温湿度状态，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
23、设备（或加湿设备）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。2.1.2 基本功能(1)检测温度、湿度。(2)显示温度、湿度。(3)过限驱动相应的被控器件如电炉、通风口、卷帘机等工作（被控器件用发光二极管代替），实现温湿度的自动调节。2.1.3 主要技术参数 温度检测范围：099测量精度： 1湿度检测范围：10%RH99%RH检测精度： 3%RH显示方式：温度：两位显示 湿度：两位显示2.2 温湿度测量电路设计2.2.1 湿温度传感器SHT11 本课题所设计的系统采用SHT11作为温湿度测控系统设计的核心器件。SHT1
24、1是瑞士Sensirion 公司生产的湿温度传感器。具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。该传感器包括一个湿度敏感元件、一个温度敏感元件，并在同一芯片上，与l4位的AD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湿度腔室中进行标定，以湿度计为参照。校准系数以程序形式存储在OTP内存中，在校正的过程中使用。两线制的串行接口，使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用的首选。 SHT11运用电容式结构，并采用具有不同保护的“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，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度
25、传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿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，而且还将信号放大器、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的湿度室内中校准的。SHT11传感器的校准系数预先存在OTP内存中。经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A/D转换器相连，可将装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
26、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。52.2.2 SHT11工作原理 SHT11传感器的内部结构框图如图2.2所示。 图 2.2 SHT11 内部结构 SHT11的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。SHT11传感器的校准系数预
27、先存在OTP内存中。经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的/转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线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。2.2.3 SHT11管脚及性能特点 SHT11温湿度传感器管脚排列如图2.3所示，其引脚说明如下： GND：接地端DATA：双向串行数据线 SCK：串行时钟输入VDD：电源端 2.4V-5.5VNC：空管脚 图2.3 SHT11管脚图SHT11温湿度传感器的主要特性如下： (1)将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一芯片（CMOSensTM技术）；(2)可给出全校准相对湿度及温度值输出；
28、(3)带有工业标准的I2C总线数字输出接口；(4)具有露点值计算输出功能；(5)具有卓越的长期稳定性；(6)湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位；(7)小体积（7.655.0823.5mm），可表面贴装；(8)具有可靠的CRC数据传输校验功能；(9)片内装载的校准系数可保证100互换性；(10)电源电压范围为2.4V5.5V；(11)电流消耗,测量时为55A，平均为28A，休眠时为3A6。2.2.4 SHT11 与单片机接口电路 由于SHT11将温度传感器、湿度传感器、信号调理、模数转换器、标定参数及I2C总线接口全部集成到传感器内部，因此，它可以直接与单
29、片机I/O口连接，简化了接口方式。SHT11与单片机接口电路见图2.4所示。串行时钟输入SCK 用于微处理器与SHT11之间的通讯同步。串行数据DATA三态门用于数据的读取。DATA在SCK 时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK 时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA 在低电平。需要一个外部的上拉电阻（例如：10k）将信号提拉至高电平。上拉电阻通常已包含在微处理器的I/O 电路中7。图2.4 SHT11 与单片机接口电路2.3 单片机及其电路设计2.3.1 单片机AT89C51 本课题所设计的系统采用AT89C51作为温
30、湿度测控系统设计的核心器件。该器件是INTEL公司生产的MCS-52系列单片机中的基础产品，采用了可靠的CMOS工艺制造技术，具有高性能的8位单片机。不仅结合了HMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，而且继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。芯片89C51共有38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30个，其引脚图如图2.5所示： 图2.5 89C51引脚 （1）电源及时钟引脚（4个） XTAL1:晶体振荡器接入的一个引脚；XTAL2:晶体振荡器接入的另一个引脚。（2）控制线引脚（4个）RST:复位信号输入引脚/备用电源输入引脚；ALE:地址锁
31、存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚(低电平有效）；EA:内外存储器选择引脚（低电平有效）/片内EPROM编程电压输入引脚；PSEN:外部存储器选通信号输出引脚（低电平有效）。 （3）并行I/O引脚（30个，分成4个8位口）P0.0P0.7:一般I/O引脚或数据/低位地址总线服用引脚；P1.0P1.7:一般I/O引脚；P2.0P2.7:一般I/O引脚或高位地址总线引脚；P3.0P3.7:一般I/O引脚或第二功能引脚。AT89C51单片机的主要特性：(1)与MCS-52兼容，4K字节可编程闪烁存储器；(2)灵活的在线系统编程，掉电标识和快速编程特性；(3)寿命为1000次写/擦周期，数据保留时间可10年以上；(4)全静态工作模式：0Hz-33Hz；(5)三级程序存储器锁定；(6)128*8位内部RAM，32可编程I/O线；(7)两个16位定时器/计数器，6个中断源；(8)全双工串行UART通道，低功耗的闲置和掉电模式；(9)看门狗（WDT）及双数据指针7。2.3.2 单片机与控制输出接口电路控制输出电路用于控制加温设备及加湿设
