温室大棚温度湿度自动控制系统设计毕业论文

温室大棚温度湿度自动控制系统设计毕业论文

目录

1 绪论 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 总体要求 (1)

1.3 具体要求 (1)

1.4 设计思路 (1)

1.5 温室大棚计算机控制的概况 (1)

2 系统组成与工作原理 (3)

2.1 系统的硬件总体结构框图 (3)

2.2 系统的工作原理 (3)

3 系统主要硬件电路模块设计 (4)

3.1 AT89C51单片机结构组成 (4)

3.2 AT89C51的复位电路 (5)

3.3 数据存储器的扩展 (6)

3.4 八路温湿度采集电路 (8)

3.5 八路温湿度选择电路 (9)

3.6 单路温湿度处理电路 (9)

3.7 A/D转换电路 (10)

3.8 电源稳压电路 (11)

3.9 声光报警电路 (12)

3.10 看门狗电路 (12)

3.11 显示电路 (13)

3.12 数字温湿度传感器DS1820和湿度检测电路 (15)

3.12.1 DS1820 的主要特性 (15)

3.12.2 DS1820 内部结构 (15)

3.12.3 DS1820的工作原理 (16)

3.12.4 DS1820使用中注意事项 (17)

3.12.5 湿度检测电路 (17)

4 系统的软件设计 (18)

4.1主程序模块设计 (18)

4.2数据采集模块设计 (18)

4.3数据处理模块设计 (19)

4.4报警模块设计 (20)

4.5显示模块设计 (20)

结束语 (21)

致谢 (22)

参考文献 (23)

附录 (24)

1 绪论

1.1 课题背景

单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC机外围以及网络通讯等广大领域。

单片机有两种结构：一种是在通用微型计算机中广泛采用的，程序存储器和数据存储器共用一个存储器空间的结构，称为“冯·诺依曼”结构。另一种是将程序存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为“哈佛”结构，目前的单片机采用此种结构较多。

本文介绍的分布式单总线温室大棚温湿度湿度自动控制系统，采用全数字化设计，直接监测每个棚内不同部分的温湿度，通过对温湿度的良好控制，有效地提高温室的产量。

1.2 总体要求

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；若测量温度不在给定的温度安全范围内，则相应报警系统工作，发出报警，说明所测环境温度需要调整。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。

1.3 具体要求

本方案中整个系统由温度采集电路，温度选择电路，温度处理电路，A/D转换电路，单片机处理电路，声光报警电路，看门狗电路，显示电路等组成，软件选用汇编语言编程。内容：

（1）安全温度范围为-30—50℃，最小区分度为1℃，标准温度≤1℃。

（2）温度控制的静态误差≤1℃。

（3）用十进制数码管动态显示所测环境温度。

（4）由于单片机无操作系统，若程序出现异常无法正常工作，故本系统采用了一个硬件看门狗来防止程序“跑飞”，保证系统运行的稳定、可靠。

1.4 设计思路

本设计采用单片机作为数据处理与控制单元，为了进行数据处理，单片机控制温度传感器经过处理的信号，把信号通过单总线传递到单片机上。单片机数据处理之后，发出控制信息改变报警和控制执行模块的状态，同时将当前温度信息发送到LED进行显示。本系统可以实现多路温度信号采集与显示，通过进行温度数据的运算处理，发出控制信号达到控制对象正常的目的。

1.5 温室大棚计算机控制的概况

现代化温室，通过传感器技术、微型计算机及单片机技术和人工智能技术，能自动测控温室的环境，其中包括温湿度、湿度、光照、浓度等，使作物在不适宜生长发育的反季节中，获得比室外生长更优的环境条件，达到早熟、优质、高产的目的。在农业种植问题中，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，达到作物优质、高产、高效盼栽培目的。随着微机技术的发展，逐步采用配置灵活、开放式结构、运算能力较强、高可靠性、完善的开发手段及具有数据处理、统计分析、打印报表等功能的测控系统所代替，取得了较好的经济效益。随着国民经济的迅速增长，现代农业得到长足发展，受控农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室工程已成为工厂化高效农业的一个重要组成部分。支持温室工程的相关技术，如温室环境复杂系统的建模技术与专家决策支持系统、温室环境智能测控技术研究与系统开发、温室环境调配工程技术与设施研究等已成为当前该领域的关键技术和研究热点问题。研究温室环境信息进行模拟、分析、预测，研究开发基于作物成长栽培环境的温室环境多因子智能化综合测控系统，研究高效生产的温室环境综合测控模式与配套设施等将是今后主要研究内容。目前，我国农业正处在从传统农业向以优质、高效、高产为目的的现代化农业转化的新阶段。农业环境控制工程作为农业生物速生、优质、高产手段是农业现代化的标志，农业设施的自动检测与控制是我国急待发展的项目。应用自动控制和电子计算机实现农业生产和管理的自动化，是农业现代化的重要标志之一。近年来电子技术和信息技术的飞速发展，带来了温室控制与管理技术方面的一场革命，随着“设施农业”、“虚拟农业”等新名称的出现，“设施园艺”、“虚拟温室”的概念也应运而生。温室计算机控制与管理系统正在不断吸收自动控制和信息管理领域新的理论和方法，结合温室作物种植的特点，不断创新，逐步完善，从而使温室种植业实现真正意义上的现代化、产业化。国内外温室计算机控制技术的发展状况计算机的发展最早可以追溯到上个世纪的40年代，但将计算机用于环境控制则开始于20世纪60年代。20世纪80年代初诞生了第一批温室控制计算机，此后温室计算机控制及管理技术便率先在发达国家得到广泛应用，后来各发展中国家也都纷纷引进、开发出适合自己的系统。这在给各国带来巨大的经济效益的同时，也极大地推动了各国农业的现代化进程。

本文温湿度自动控制系统是针对温室大棚温湿度控制而设计，也可用于粮食仓储、冷库及烟叶发酵等场合的温湿度控制。塑料大棚是开发日光资源、充分利用太阳光能的主要形式之一，能避光、增产、保湿，为温室生长创造一个良好环境。温室大棚作为一个相对封闭的环境，其内部形成了一个小气候环境，良好的空气环境是温室正常生长的重要条件。为了增产、增收，要注意大棚内部的气体、温湿度和湿度3个重要因素。气体主要是指棚内的二氧化碳的含量。当空气中的二氧化碳浓度提高到0.1%时，可使温室的光合作用速率增加 1 倍以上，增产20%-80%；若使二氧化碳浓度降至0.005%时，光合作用几乎停止。温室生长的适宜温湿度为 20℃-30℃。大棚内白天增温快，当棚外平均气温为 15℃时，棚内可达 40℃-50℃。因此，要适时调节棚内温湿度，避免高温危害。塑料大棚经常处于密闭状态，蒸发量大大减小，内部湿度一般在80%-90%，湿度过大极易导致病虫害的发生。现在对大棚内气体、温湿度和湿度的有效调节，主要是通过适时的通风来实现。二氧化碳含量过大和湿度过大都会导致温湿度升高。通过调节温湿度可以有效地控制二者的浓度。本文介绍的分布式单总线温室大棚温湿度自动控制系统，采用全数字化设计，直接监测每个棚内不同部分的温湿度，通过对温湿度的良好控制，有效地提高温室的产量。

2 系统组成与工作原理

2.1 系统的硬件总体结构框图

本系统为一个全自动的温室大棚温湿度巡回检测与控制系统，由以下几部分组成：AT89C51单片机，温湿度传感器，8255并行口电路A/D 转换器变送器，驱动电路报警和显示电路组成，其接口部分包括单片机外扩展的数据存储器6264一片和地址锁存器74LS373，系统的组成如图2.1.1所示：

AT89C51

接口电路显示报警

数据存储器

驱动设备A /D 转换器

湿度变送器湿度传感器

温度传感器

图2.1.1 系统硬件总体结构框图

文中按模块分别对各单元电路进行电路设计，然后进行硬件电路集成。单片机是控制系统的核心部分。八通道温湿度传感器由八选一模拟选择开关循环选通，被选中的温湿度传感器信号由信号处理及放大电路进行处理之后送入A/D 转换器，再由单片机控制A/D 转换器进行温湿度数据的采集，而后对温湿度原始数据进行处理，根据处理结果驱动声光报警电路和执行数码管。看门狗采用硬件看门狗电路，防止程序在运行过程中“跑飞”， 保证系统运行的稳定、可靠。

2.2 系统的工作原理

在应用程序的作用下，首先对8255进行初始化，设定工作方式0。PA 口、PB 口、PC 口均为输出口，PA 口、PB 口为显示输出，PC 口为报警和相关设备驱动口。由于工艺决定，进入大棚之前已经将湿度控制在安全限以内，测量过程是“先测温湿度后测湿度”，首先对温湿度进行采样，每一个温湿度点采样5次，计算平均值作为采样值送入显示和存储的相应单元进行存储和传感器的编号和温湿度的显示，然后判断温湿度是否超过设定温湿度，如果温湿度超标则报警，并根据传感器的位置判断启动通风设备还是加热设备，如果不超标就继续检测下一个点的温湿度，直到整个大棚的多个点温湿度全部测试完成，然后计算和显示大棚的平均温湿度，最后对8个点的湿度进行测量并且显示。湿度也是按照每个点测量5次然后取平均值的方法计算，来减少干扰因素带来的误差，8个点的湿度测量完成后计算并显示大棚的平均湿度。同样与设定的湿度值比较如果超标就报警，并启动风扇进行通风处理。然后系统返回再进行温湿度和湿度的巡回测量和显示。

3 系统主要硬件电路模块设计

3.1 AT89C51单片机结构组成

根据系统的功能需求，选择目前市场上性价比较高的AT89C51单片机（见图2-4）作为该系统的控制核心。

1、CPU的结构

CPU是单片机内部的核心部分，是单片机的指挥和执行机构，它决定了单片机的主要功能特性。从功能上看，CPU包括两个基本部分：运算器和控制器。下面说明控制器和运算器。

1）运算器

运算器包括算术逻辑运算部件ALU、累加器ACCC、B寄存器、暂存寄存器TMP1和TMP2、程序状态寄存器PSW、BCD码运算调整电路等。

2）控制器

控制器包括程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID等。

2、时钟电路

AT89C51芯片内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器。反向放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2。在TXAL1和XTAL2两端跨接由石英晶体及两个电容构成的自激振荡器，如图3.1所示。电容器C1和C2通常都取30pF左右，选用不同的电容量对振荡频率有微调作用。但石英晶体本身的标定频率才是单片机振荡频率的决定因素。其振荡频率范围是1～12MHz。

C1 C2

X TA L1

X TA L2

MC S--51石英晶体

图3.1 时钟电路

本设计考虑系统的独立完整性，选用内部时钟方式，石英震荡频率选用12MHZ，ALE 信号频率为2MHZ。

3、I/O口结构：

AT89C51单片机有4个8位并行I/O接口，记作P0、P1、P2和P3，每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。每一条I/O线都能独立地用作输入或输出。每个端口都包括一个锁存器（即特殊功能寄存器P0～P3），一个输出驱动器和输入缓冲器，作输出时数据可以锁存，作输入时数据可以缓冲，但是这四个通道的功能完全不同。

4 、程序存储器及数据存储器

1）程序存储器

对AT89C51芯片来说，片内有4K字节ROM/EPROM，片外可扩展60K字节EPROM，片内和片外程序存储器统一编址。

在程序存储器中，有6个地址单元被保留用于某些特定的地址，如下表3.1所示。

表3.1 AT89C51的复位、中断入口地址

2）数据存储器

AT89C51数据存储器空间也分为内片和外片两大部分，即片内数据存储器RAM 和片外数据存储器RAM 。如何区别片内、片外RAM 空间呢？片内数据存储器最大可以寻址256个单元，片外最大可扩展64K 字节RAM ，并且片内使用的是MOV 指令，片外64K ROM 空间专门为MOVX 指令所用。

5 、定时器

AT89C51单片机的内部有两个16位可变成定时器0（T0）和定时器1（T1），它们都有定时或是事件计数的功能，可用于定时控制、延时、对外部事件计数和检测等场合。

它们具有计数和定时两种工作方式以及四种工作模式。定时器T0具有方式0、方式1、方式2和方式3四种工作方式。T1具有方式0、方式1和方式2三种工作方式。

6、中断系统

AT89C51单片机有五个中断请求源。其中，两个外部中断源；两个片内定时器/计数器（T0、T1）的溢出中断源TE0和TF1；一个片内串行口接受或发送中断源RI 或TI 。这些中断请求分别由单片机的特殊功能寄存器TCON 和SCON 的相应位锁存。当几个中断源同时向CPU 请求中断，要求CPU 提供服务的时候，就存在CPU 优先响应哪一个中断请求，于是一些微处理器和单片机规定了每个中断源的优先级别。

3.2 AT89C51的复位电路

AT89C51单片机通常采用上电自动复位和开关手动复位两种方式。

本设计采用上电复位电路，电路图如图3.2所示。所谓上电复位，是指单片机只要一上电，便自动地进入复位状态。在通电瞬间，电容C 通过电阻R 充电，RST 端出现正脉冲，用以复位。

C 1

100p F

C 210u F

C 310u F

10KΩ

1

+5V

R ESE T

图3.2 复位电路

入口地址 说明 0000H 复位后，PC=0000H 0003H 外部中断 入口 000BH 定时器T0溢出中断入口 0013H 外部中断 入口 001BH 定时器T1溢出中断口 0023H

串行口中断入口

3.3 数据存储器的扩展

AT89C51片内还有28字节的数据存储器RAM ，主要用工作寄存器、堆栈、软件标志和数据缓冲器。对于简单的测控系统，用它存放运算的中间结果，容量是够用的。但是对于大量数据采集处理系统，则需要在片外扩展RAM 。由于本设计采用大量温湿度传感器，所以一片AT89C51芯片是不够用的，所以要对AT89C51的数据存储器进行扩展，因此，选用RAM6264数据存储器一片。6264可以直接和存储器的地址线并联，数据地址线也同样可以并联连接。

6264的写选通信号WE 连接到AT89C51的WR 上，读选通信号OE 连接到AT89C51的RD 上，这样单片机就能把程序采集来的数据。经过变换最终转换成数字温湿度量存放到6264中，也可以从6264中读取数据，具体的连接如下图3.3所示：

8255A 中的控制寄存器很少，所以初始化程序设计简单。对于方式0，如果不要设定C 口的联络信号，则只需要设置方式控制字；如果要设定C 口的某些位为联络信号，则只需设置C 口的位置/复位控制字。对于方式1和方式2，因为都要用到控制信号，所以必须设置两个控制字，即设置方式选择控制字和C 口复位控制字。

8255有40个引脚，下面根据功能分类说明。

NC

A12A7A6A5A4A3A2A1A0VO0VO1VO2GND VO3VO4VO5VO6VO7OE 1A1OE A11A9A8OE 2WE VCC 6264

EA/VP

31X1

19X218RE SET

9RD 17WR 16INT012INT113T014T115P10/T

1

P11/T 2P123P134P145P156P167P178P00

39

P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN 29AL E/P 30TXD 11RXD

10

A T 89C 51

OC

1

C 111D

3

1Q

22D 42Q 53D 73Q 64D 84Q 95D 135Q 126D 146Q 157D 177Q 168D 188Q 1974L S 373

A0A1A2A3A4A5A6A7A0

A1A2A3A4A5A6A7P0

P1P2P3P4P5P6P0

P1P2P3P4P5P6P7A8

A9A10A11A12

A8

A9A10A11A12OE OE

图3.3 AT89C51与地址6264的连接

1）数据线

数据线有D7～D0，PA7～PA0，PB7～PB0，PC7～PC0，均为双向三态，其中D7～D0与CPU 数据总线相连，用于传递CPU 与8255之间的命令和数据；PA7～PA0，PB7～PB0，PC7～PC0，分别与A 、B 、C 三个端口相对应，用于8255A 与外设之间的传送数据。

2）寻址线

寻址线CS 、1A 和0A ，用于选择8255的三个端口和控制寄存器。 CS ：片选信号，输入，低电平有效。有效时表示选中本片。

1A 和0A ：输入，通常与系统地址总县的1A 和0A 对应相连。当CS 有效时，1A 和0A 的四种组合00、01、10、11分别选择A 、B 、C 、口和控制寄存器，所以一片8255A 共有4个I/O 地址。

3）控制线

RD ：读信号，输入低电平有效。当RD 为低电平时，表示CPU 对8255A 进行读操作。

WR ：写信号，输入低电平有效。当WR 为低电平时，表示CPU 对8255A 进行写操作。 RESET ：复位信号，输入，高电平有效。当RESET 为高电平时，8255A 内部所有寄存器清零。各端口都自动设置为输入方式，24条I/O 引脚均为高租态[8]。

4）电源和地线

采用单一+5V 电源。

8255A 的控制信号和传输动作之间的关系如表3.2所示

表3.2 8255的控制信号和传输动作对应关系

CS 1A 0A

RD WR

传输说明

0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 × × 0 1 1 0 × ×

0 1

0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 × × 0 1 1 1

A 口数据→数据总线

B 口数据→数据总线

C 口数据→数据总线 数据从数据总线→A 口 数据从数据总线→B 口 数据从数据总线→C 口 数据从数据总线→控制寄存器

0D ～7D 进入高阻态

非法

0D ～7D 进入高阻态

8255A 的引脚信号如图3.4所示：

PA3PA2PA1PA0RD CS GND PC7A1A0PC6PC5PC4PC0D6D5D4D3

D2D1D0RE SET WR PA7PA6PA5PA4VCC PC1PC2PC3PB0PB1D7PB7PB6PB5PB4PB3

PB28255A

图3.4 8255A 引脚图

AT89C51和8255A 的接口：

8255A 可以直接与MCS-51总线接口，其接口电路如图3.5所示

图3.4中，8255A 的片选信号CS 及口地址选择线A0、A1分别由AT89C51的P2.7和P0.1、P0.0经地址锁存后提供，所以，8255A 的A 口、B 口、C 口及控制口的地址分别为6000H 、6001H 、6002H 、6003H 。8255A 的CS 、WR 分别与AT89C51的RD 、WR 相连，8255A 的RESET 与AT89C51的RST 相连。都接到AT89C51的复位电路上。

对8255初始化的程序如下：

MOV A ，#80H ；置方式控制字 方式0 MOV DPTR ，#6003H ；指向8255口地址 MOVX @DPTR A

本设计采用8255的A 口B 口连接LED 显示器，用C 口进行报警和相应设备的启动，所以PA 口PB 口PC 口的地址分别为6000H ，6001H 和6002H 。

PA3PA2PA1PA0RD CS GND PC7A1A0PC6PC5PC4PC0D6D5D4D3

D2D1D0RE SET WR PA7PA6PA5PA4VCC PC1PC2PC3PB0PB1D7PB7PB6PB5PB4PB3

PB28255A

EA/VP

31X1

19X218RE SET

9RD 17WR 16INT012INT113T014T115P10/T

1

P11/T 2P123P134P145P156P167P178P00

39

P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN 29AL E/P 30TXD 11RXD

10

A T 89C 51

OC

1

C 111D

3

1Q

22D 42Q 53D 73Q 64D 84Q 95D 135Q 126D 146Q 157D 177Q 168D 188Q 1974L S 373

A0A1A2A3A4A5A6A7A0

A1A2A3A4A5A6A7P0

P1P2P3P4P5P6P0

P1P2P3P4P5P6P7A12

RD

RD RE SET RE SET WR

WR

图3.5 8255A 和AT89C51的连接

3.4 八路温湿度采集电路

本系统中采用八路温湿度采集，即在所测环境中放八个温湿度传感器，其电路图如图3.6所示。

AD 590

M1A

Ra 10K AD 590

M1B

Ra 10K AD 590

M1C

Ra 10K AD 590

M1D

Ra 10K AD 590

M1E

Ra 10K AD 590

M1F

Ra 10K AD 590

M1G

Ra 10K AD 590

M1H

Ra 10K

1

2

3

4

5

6

7

+5V

图3.6 八路温湿度采集电路