西红柿大棚温湿度自动调节系统设计.docx
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西红柿大棚温湿度自动调节系统设计
西红柿大棚温湿度自动调节系统设计
第一章:
应用背景
1.系统设计背景
蔬菜大棚种植蔬菜是反季节种植,外界环境的变化与正常蔬菜生长发育所处自然环境的变化相反;同时,塑料大棚本身调节环境因素的能力有限,必然导致蔬菜生长发育与环境因素以及大棚内环境因素之间的矛盾难以调和,给生产带来诸多问题。
塑料大棚环境的主要特点是:
①塑料大棚的半封闭式结构不利于人工检测棚内各个点的温湿度。
②塑料大棚的半封闭式结构决定了棚内湿度大,湿度过大极易导致病虫害发生。
③棚内环境多变、复杂,光照不足、温度低,同时还存在温差过大等问题,温度过高过低或温差大都不利于蔬菜生长。
④蔬菜大棚在温湿度控制上属于复杂的非线性,大延迟系统,简单的控制算法无法达到理想效果。
1.1应用对象与要求
西红柿属于喜温作物,但不喜高温。
西红柿幼苗徒长主要是弱光、高温、水分过大等因素造成。
起垅育苗后,水份得到了一定的控制,但高温和弱光切不可避免,这就需要经常观察温度和尽可能的增加光照。
成苗期间:
出苗时的温度应在25--30℃,幼苗70%的出土后去掉地膜放风,床温可维持在20--25℃,幼苗子叶伸展后,床温15--20℃,1--2片真叶后,白天25--30℃,夜间15--20℃。
分苗后,根据天气搭好拱棚架,上扣塑料膜,使其床温在30--35℃,地温在20℃以上,以利于缓苗生长。
越冬期间管理:
缓苗前注意覆盖好棚膜,白天棚温28℃~30℃,夜间17℃~20℃,地温不低于20℃,以促进缓苗;缓苗后,适当降低棚温,白天22℃~26℃,夜间15℃~18℃。
阴雪天气,也要进行揭盖,令植株接受散射光。
棚内温度,白天20℃~30℃,夜间13℃~15℃,最低夜温不低于8℃。
晴天,午间温度达30℃时,可用天窗通风。
2月中旬以后,随日照时数逐渐增加,适当早揭草苫、晚盖草苫,尽量延长植株见光时间。
注意清洁棚面薄膜,增加射入的光照。
要注意及时进行通风,晴天时,白天棚温上午25℃~28℃,下午25℃~20℃,上半夜15℃~20℃,下半夜13℃~15℃。
阴雨天,白天棚温25℃~30℃,夜间10℃~15℃。
开花期间:
从定植到第一穗果膨大,大棚管理的重点是防寒、保温、加速幼苗缓苗。
定植后3~4天内,棚内不进行通风,尽量升温,加快缓苗。
番茄第一花序开花结实期,一方面要降低棚温,白天棚温保持在20~25℃,夜间13~15℃较为适宜。
此时空气相对湿度控制在45%~55%,地温保持在15℃。
通风时间由短渐长;开花期大棚内要防止30℃以上的高温,因为番茄花粉发芽的适宜温度为20~30℃,即使棚温达到35℃的短期高温也会造成开花和结果不良。
成果期间:
果实膨大期番茄对温度反应灵敏,要有较长时间的较高温度。
果实肥大期10℃以上平均日积温不足400℃时,产量偏低。
昼夜适宜地温在20~23℃,最低不能低于13℃。
在果实膨大期可采用变温管理:
上午控制通风,使棚内达到较高温度25~28℃;中午通风,保持20~25℃,在午后3小时左右减少通风量,使气温稳定;晚上17~20时,保持14~17℃;晚间20时到第二天上午8时,保持6~7℃。
这样的温度条件有利于光合产物的形成、运转、积累和果实膨大。
成熟期间:
大棚内空气湿度保持在45%~55%最适宜,棚内湿度过大,易发生各种病害,尤其在每次浇水后或阴雨天,必须加大通风量,以降低棚内湿度。
当外界夜温不低于15℃时,可昼夜通风,棚温过高还会使番茄红素氧化分解,影响果实着色。
2.方案比较
2.1单片机的选择
方案一:
采用MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片作为核心器件,有4K字节的内部FLASHPERAM,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术,当在对电路进行调试时,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏[3]。
方案二:
采用AT89S52芯片作为核心器件,片内ROM全都采用FlashROM;能以3V的超低压工作;同时也与MCS-51系列单片机完全兼容。
该芯片内部存储器为8KBROM存储空间,同样具有89C51的功能,并且具有在线编程技术,由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时,不需要对芯片多次拔插,由此不会对芯片造成损坏。
所以设计采用AT89S52作为主控制系统。
2.2温度传感器的选择
方案一:
采用数字式温度传感器DS18B20。
此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输,易于与单片机连接,由于其输出为数字量,所以不需要进行A/D转化,这样就降低了硬件成本,简化了系统电路。
另外,数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。
方案二:
采用数字式温湿度传感器DHT90。
该传感器为数字式传感器,可以同时采集温度和湿度,两线制的串行接口与内部的电压调整,使外围系统集成变得快速而简单。
微小的体积和极低的功耗等优点,使其成为选择温湿度传感器时的首选。
2.3湿度传感器的选择
方案一:
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。
该传感器具有高可靠性、长期稳定性和快速响应时间等特点,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。
方案二:
采用数字式温湿度传感器DHT90。
该传感器为数字式传感器,采集湿度的精度是14位,端口少,只需要单片机的一个端口即可驱动,精度较高,除此外该传感器还可以同时采集温度和湿度,并能进行相对湿度补偿,易于应用,操作简单。
2.4显示模块的选择
方案一:
采用LCD1602液晶显示器。
其显示容量为16*2个字符,而此次设计的是一个大棚温湿度测控系统,需要将设定的温湿度值以及采集过来的外界环境里的温度值和湿度值显示出来,而LCD-1602的显示容量只有两行,可以显示八个汉字,这样无法直接在一屏里面显示温度值和湿度值,需要分多次页数来显示,这样不便于观察温湿度的变化,所以在本次设计中不采用LCD1602液晶显示器。
方案二:
采用LCD12864液晶显示器,可以显示四行汉字,每行为16个字符,八个汉字,这样可进行观察和比较,清晰明了,易于操作,占用的单片机口线少,可以满足本系统的设计要求。
因此在本次设计中的显示部分选用LCD12864液晶显示器[4]。
2.5系统设计方案的确定
综上所述,对本次设计系统的方案选定如下:
采用AT89S52作为主控制系统;液晶显示模块LCD12864作为本次系统的显示;DHT90温湿度传感器作为本次系统温度和湿度的信息采集[5]。
通过论证拟采用的设计方案内容包括以下几点:
1.选择AT89S52单片机作为整个系统的核心器件,发送并时时处理系统信息。
2.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。
本设计选用集成温湿度传感器DHT90。
3.显示电路的设计:
设计采用液晶LCD12864进行显示,简单明了。
4.报警电路的设计:
在微型计算机控制系统中,为了安全生产,对于一些重要的参数或系统部位,都设有紧急状态报警系统,以便提醒操作人员注意,或采取紧急措施。
其方法就是把计算机采集的数据通过计算机进行数据处理、数字滤波和标度变换,这些已经在软件程序里边处理过,所以显示温湿度即为外界采集的温湿度,和设定的值比较,如果高于上限值或低于下限值则进行报警,否则就作为采样的正常值,进行显示和控制。
3.设计目标
本系统的设计的硬件主要包括:
主要是单片机AT89C51,检测系统,显示电路,A|D电路,报警电路等。
利用传感器测量大棚内的温湿度经过信号处理,将传感器测得的数据送至控制系统(STC89C51),与预设的农作物最适合生长的温湿度值的上下限进行对比,并通过显示电路将测得的温湿度进行实时显示。
如果不同作物的适合生长的温度不一样,可以通过键盘电路修改预设值。
控制系统根据比较的结果对调节系统发出相应的指令,启动相应的调节设备如喷水机,吹风机,加热器,降温等,调节大棚内的温湿度状态。
如果测得的数据超过了预设值的上下限,则报警电路会报警。
这样就实现了对大棚温湿度的自动控制。
本文主要研究内容如下:
1.进行温湿度控制系统的整体研究与设计。
2.利用键盘设置温湿度的上下限值。
3.利用数字温湿度传感器DHT11测量大棚内的温湿度。
4.利用LCD对温湿度进行实时显示。
5.利用315M无线传输系统进行农田与监控室之间的数据传输。
5.当大棚温湿度值超出设定范围值时,系统可自动报警,并输出驱动信号控制继电器对大棚温湿度进行调节。
第二章:
硬件设计
1.框图
图1总体结构框图
2.关键系统设计
2.1系统设计原理
系统主要由温湿度信号采集电路、核心控制电路、A/D转换电路、数据显示、用户设置等模块组成。
系统设计方框图如图所示。
中心控制部分采用AT89C51单片机,它是一种带4节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能MOS8位微处理器。
该器件采用ATME密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
温度测量采用美国DALLAS半导体公司推出的DS18B20温度传感器。
与传统的热敏电阻相比,DS18B20能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字读取方式。
从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,而无需额外电源。
因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单,可靠性更高机提供符合要求的环境参数控制信号,在程序控制下,一方面向信号检测与处理电路送出控制信号,另一方面接收由信号检测与处理电路送来的反馈信号,用于判断环境参数是否在设定的范围内。
系统控制参数设置通过面板上“增”、“减”按钮来完成。
开机后系统自动进行温度设置状态,按动“增”可以升高温度,反之按“减”降低温度,5秒内不按任何按键后,系统自动返回工作状态。
由DS18B20温度传感器测得温度信号经AT89C51单片机送至数码显示管进行输出显示。
各功能电路的工作情况以及各功能模块之间的协调工作都由中央控制单元来控制。
2.2湿度监测子系统设计
湿度监测子系统主要包括湿度检测与变换电路、环境参数判断电路、湿度参数设置电路等组成。
其中,湿度检测电路设计如图3所示
湿度检测电路由Al2O3型湿度传感器、振荡电路、整流电路、输出放大电路等组成。
振荡电路为RC桥式振荡电路,传感器特性的线性补偿由R1,R2完成,D1,D2,D3用于输入保护,A1,A2为运算放大器,A2接成电压跟随器。
当环境湿度发生变化时,传感器的电容量也随着变化,这种变化反应到由振荡电路提供的正弦波信号,通过电压跟随器输出电压值。
2.3系统控制模块设计
控制信号由AT89C51的P0口输出到控制电路74HC373,并由WR和P25通过逻辑与非门控制74HC373。
只有当WR和P25都为低电平时,允许74HC373输出控制信号。
继电器J1、J2和J3由晶体管9013驱动,驱动电流为150mA左右。
二极管4007在继电器释放时与继电器线圈形成通路,起保护晶体管9013的作用。
其中,J1控制加热器,J2控制加湿器,J3控制其他执行机构。
为保护继电器,在其后加一级接触器,由接触器直接驱动受控对象。
2.4复位电路的设计
本系统采用RC复位电路,RC复位电路实质是一阶充放电电路。
如图2-9所示。
该电路提供有效的复位信号RST(高电平)直至系统电源稳定后撤销复位信号(低电平)。
从理论上说51系列单片机复位引脚只要外加两个机器周期的有效信号即可复位,设t为保持高电平的时间,只要保证t=RC>2M(M为机器周期)即可。
但在实际设计过程中,通常C1取10uF以上,R1通常取10K左右。
时间发现,如果R1取值太小,如R1取1K.则会导致RST信号驱动能力变差而无法使系统可靠复位。
另外实验证明,图中的虚线所接的续流二极管D1对于改善复位性能起到了至关重要的作用,它的作用是在电源电压瞬间下降时,电容迅速放电,因此一定宽度的电源毛刺也可使系统可靠复位。
第三章:
软件设计
3.1总的流程
与硬件设计相对应,软件设计也采用模块化程序设计的方式,包括主程序模块,初始化参数设置模块,无线通讯发送模块,无线通讯接收模块,数据采集程序模块,显示模块。
系统主程序流程框图
系统软件设计部分将接收到的数据进行处理,并比较、反馈、输出到温、湿度调节执行装置,以实现温、湿度的控制。
系统软件采用模块化设计,主要有主程序模块、中断处理模块、数据采集与显示模块、温湿度参数设置模块、执行机构控制模块、报警模块等。
主程序模块主要完成系统初始化、温湿度采集、设备的启/停控制和温、湿度显示等功能,其流程框图如图所示。
系统初始化阶段,令单片机的定时器T1工作于定时方式2,用于产生串行通信所需的波特率。
串行口工作在方式1,为10位异步通信方式,即每帧数据由1个起始位,8个数据位,1个停止位构成。
单片机定时器T0工作于定时器模式,用于产生指定的控制周期。
为了提高控制的抗干扰性能,考虑到实际的温度和湿度变化是连续、平缓的,采用分段定值平滑滤波算法[6]处理每次测得的温度和湿度值,以防止突发干扰使测量值波动很大,从而频繁关启加热和加湿电路至使系统工作不稳定。
3.2子程序
3.2.1温湿系统控制
首先,初始化单片机设置中断,定义变量,然后初始化LCD1602显示模块,设置8位格式,2行,5*7矩阵显示,整体显示,关光标,不闪烁设定输入方式,增量不移位,清除屏幕显示。
调用温湿度采集程序进行数据采集,经过数据转换程序,将十六进制转换成十进制,将十进制数据输出到LCD1602显示模块进行显示,根据温度调整电机转速,根据湿度判断是否报警,最后,进行新一轮的温湿度采集。
3.2.2显示模块程序设计
如图,初始化LCD1602显示模块,设置8位格式,2行,5*7矩阵显示,整体显示,关光标,不闪烁设定输入方式,增量不移位,清除屏幕显示,延时等待,将采集到的温湿度数据进行转换,十六进制转换成十进制,然后,判断是否在第一行显示,输入相应的地址数据,延时等待,输入需要显示的数据。
3.2.3PWM程序设计
如图所示,进行中断程序初始化,设置定时器T0中断时间为1ms,中断100次,即100ms作为一个脉冲周期,每中断一次,由变量T0_number进行计数,当变量T0_number大于100时,给变量T0_number赋值0,重新开始计数,当变量T0_number小于变量PWM_width_H时,输出高电平,当变量T0_number大于变量PWM_width_H时,输出低电平,以此控制脉宽。
第四章:
设计小结
本设计综合利用单片机技术、传感器技术、数字电子技术和LCD显示等科学知识,完成了基于单片机控制的温湿度测量和显示报警等的设计。
比较系统地介绍了硬件的组成及设计方法。
利用单片机C语言完成了系统软件的设计。
本设计特点如下:
1.把传感器技术应用到单片机控制系统中,实现了对环境温湿度的数据采集、读取等。
2.利用LCD液晶的显示技术完成了环境温度、湿度及显示电路的设计。
3.外接了蜂鸣器报警模块,在超过设定温湿度上下限时自动报警。
4.整个系统软硬件搭配合理,设计、开发、维护方便,性价比高。
由于单片机经济实用、开发简便,因而在工业控制、农业自动化、家电智能化等领域也占据了广泛的市场。
本设计有一定的实用性,但该系统在设计过程中仍有很多漏洞。
还需要在智能化方面加以改进。
特别是在节省功耗,提高稳定度等方面。
不过,该产品有很好的可扩展性能,比如,该设备的测量结果不仅能在本地显示,而且可以利用单片机的串行口和RS-232总线通信协议将采集的数据传送到主控机,以进行进一步的存档、处理。
主控机负责控制指令的发送,以控制各个从机的温湿度采集,收集测量数据,并对测量结果(包括历史数据)进行整理、显示和存储。
主控机与从机之间也能够相互联系、相互协调,从而达到系统整体统一、和谐的效果。
本系统存在的不足与拓展:
1.设计不足:
系统设计中,未能显示实时信息。
在一些比较特殊的场合,有时候需要系统显示出各个时间段,比如,早、中、晚的实时信息。
而这个系统没有此项功能。
2.系统拓展:
(1)本系统可以添加无线模块。
可以添加中、短程无线通信模块,使得系统能够在比较恶劣、危险等不适合人到达的地方进行工作,这样就提高了系统的实用性;
(2)本系统可以利用串口与PC机相连接,然后将采集的信息在PC机上进行处理,比如可以绘制时间—温湿度曲线,也可将信息发布到WAP上,进行远程操控。
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