基于单片机的智能温室大棚控制系统(1)

基于单片机的智能温室大棚控制系统(1)内容摘要：

温湿度进行实时测量与控制。 中科院合肥智能机械研究所研制了 “ 农业专家系统开发环境 — DET系列软件 ” 和智能温室自动控制系统，能够有效地提高作物产量、缩短生长期、减 小人工操作的盲目性。 北京农业大学研制成功 “ WJG1” 温室环境监控计算机管理系统，采用了分布式控制系统。 河南省农科院自动化控制中心研制了 “ GCS— I型智能化温室自动控制系统 ” ，采用上位机加 PLC的集散式控制方法，软件采用智能化模糊算法。 中国农业大学设计研制的 “ 山东省济宁大型育苗温室计算机分布式控制系统 ” ，实现了计算机分布式控制 [4]。 选题的目的和意义 温室是观赏植物栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类观赏花卉对温度及湿度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭基于单片机的智能温室大棚控制系统 长春大学 4 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。 随着现代科技的发展，电子计算机已用于控制温室环境。 该系统可自动控制加热、降温、通风。 根据需要，通过按键将温度信息输入 MCU，根据情况可随时调节环境。 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。 本文将使用 8051 型单片机对温度及湿度控制的基本原理实例化，利用现有资源设计一个实时控制 温室大棚 温度 、 湿度 等 的控制系统。 目的是通过这次毕业设计，让我们将课本知识与实践相结合，更加深刻的理解自动控制的运作模式及意义，也能够将所 学知识和技能更多的运用于生活和工作中，学以致用。 基于单片机的智能温室大棚控制系统 长春大学 5 第 2 章 温室大棚自动控制系统的控制方案设计 目前 ,我国农村使用的简易日光温室绝大部分采用手动控制 ,生产效率低下 ,单位产品的生产成本偏高。 随着温室产业的发展 ,温室作物趋向于多样化 ,对温室的控制要求也随之提高 ,手动控制因其控制精度低已开始不能满足温室生产的需求 ,需要设计一种控制器减少手动控制。 而当今国内常见的智能温室系统都是采用工控机或者 PLC 方案 ,价格昂贵 ,较大部分用户经济能力承受不起。 因此 ,在系统的设计过程中要充分考虑用户的经济承受能力 ,减少温室设计 中的各种成本 ,提高劳动生产率 ,这在温室上具有较为深远的意义。 为此 ,针对简易日光温室对温度、湿度以及光照度等环境因素的控制要求 ,设计和开发了基于 STC89C58RD +单片机的低成本温室自动化控制系统。 控制方案设计 植物的生长是在一定环境中进行的 ,在生长过程中受到环境中各种因素的影响 ,其中对植物生长影响最大的是温度、湿度和光照度。 环境中昼夜的温度、湿度和光照度的变化大 ,对植物生长极为不利。 现代温室有内外遮阳系统、加温系统、自然通风系统、湿帘风机降温系统、补光系统、补气系统、环流风机、灌溉系统、施肥 系统、自动控制系统等常用的环境系统，能够对植物的生长进行合理的控制 ,而如何才能合理地控制这些配套设备的运作和协同则需要有一套完善的硬、软件温室系统进行控制。 因此 ,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测控系统。 该系统由单片机对温度、湿度等参数进行巡回测量 ,并对测量的结果进行优化补偿 ,并进行调控 ,此外主控制器还可以同时完成系统参数测量 ,数据存储等 ,硬件总体设计结构如图 所示。 由图 可知 ,整个系统采用 STC89C58RD +单片机 为处理核心 ,通过温室现有的各种传感器检测温室的温度、 湿度、光照度等环境因素 ,经由控制系统的 8 路模拟量、数字量输入接口传输到 CPU 中 ,并与系统设定值进行比较、判断、处理以及相关数据的存储。 然后将 CPU处理后各种控制结果通过 16 路开关量输出口传送到电机和电磁阀等执行机构上 ,从而实现对温室的控制。 温室独立控制系统上还包扩各种人机界面和数据传输接口 ,实现了人机交换方式以及实时参数的设定。 本控制系统采用宏晶科技公司生产 STC 51系列单片机控制器 (STC89C58RD+)。 该单片机具有强加密性 ,无法解密，具有超强 的抗干扰性能 ,且芯片内部自带看门狗。 STC89C58RD+单片机最高时钟频率为 0～ 80MHz,32k 的 Flash 存储器、 1280 字节的 RAM、拥有 P4 口适合需要多I/O 的系统设计、 16k 字节的 E2PROM 可以提供比其它单片机更多的存储空间。 其基于单片机的智能温室大棚控制系统 长春大学 6 不需要依靠任何烧录器 ,直接通过电脑上的串口以 ISP 方式进行烧录。 这种单片机的烧录方式操作简单容易 ,程序的调试灵活 ,修改方便 ,且不受地域、时间和环境的影响和限制 ,可为以后产品的改进和升级提供方便。 温 湿 度 传 感 器8路模拟量和8路数字量输入接口光 照 度 传 感 器………土 壤 含 水 率 传 感器L C D16路开光量输出接口C P URS232RS485键盘接口………通 风 系 统执 行 电 机加 热 系 统执 行 机 构湿 连 水泵采 集 输 入层数 据 处 理 层 操 作 控 制 层 图 总体结构图 系统硬件结构 整个系统采用模块化设计，硬件结构由传感器和单片机、控制装置组成，传感器将物理参量转换为电压并完成信号的调理，再送人模数转换器 ADC0809 ,由下位单片机 AT89S51 读取，单片机将数据通过 485 总线送给上位机，上位机设有显示功能，根据预先设置的参数决定要采取的措施，并将信息传给下位机，由下位机控制通风和喷灌装置，也可以通过键盘强制控制。 智能温室大棚控制系统的组成基于两个方面：单栋温室大棚控制系统和集约化生产连栋温室大棚控制系统。 后者建立在前者的基础上，前者适于我国农村个 体经营的现状。 对于单栋温室大棚控制系统，设置了独立的控制和显示等功能，并设置了 RS232和 RS485通讯接口，便于和上位机通信，实现集散控制系统，其模式如图。 另外，在设计过程中考虑到农生产的特点，每个系统的各部分接口都作了模块化设计，并增加备用接口和功能，便于大棚生产重建和生产场地的变化，也增加了系统的通用性 ,扩大了适用范围。 基于单片机的智能温室大棚控制系统 长春大学 7 上位机通信接口大 棚 2 大 棚 n大 棚 1 大 棚 n 1 图 集散控制系统实现 温室大棚的硬件组成 温室大棚的硬件组成原理如图 所示： 湿 度 传 感 器空 气 湿 度 传 感 器74HCD4051测温放大器程控放大器土 壤 含 水 率 传 感器其 他 传 感 器MAX338A/D转换器P 1P 2A T 8 9 C 5 5P 0P 1HD7279A驱 动 电 路通 讯 口M A X 8 1 3储 存 器键 盘显 示继电器调 光 图 温室大棚系统的主要硬件组成原理图 传感器 本系统设计了对与作物生长发育有关的环境温度、湿度、光照度、 CO2 含量及土壤水量等参数进行采集的功能 ,实现温室大棚内各种参数的数据采集任务，传感器负责对温室环境因子的采集，将采集信转换为 05 伏的电压信号，送入ADC0809,再经过数模转换 ,供单片机使用，而使用的各种类型传感器，分别介绍如下： 1. 温度传感器 温度传感器的选择余地较大可选用集成温度传感器铂电阻传感器及数字式传感器本系统采用广州市科 技发展公司自动化研究室生产的“可选通式温度传感器”型号为 KSG。 优点是内置选通码和数字信号传输，测温范围为 10℃ 50℃，基于单片机的智能温室大棚控制系统 长春大学 8 精度为 :≤ ℃，适用于远距离传输。 温度传感器 AD590 简介 AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。 是利用 PN 结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。 AD590 具有线性好、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小，抗干扰能力强、可远距离测温并且使用方便等优点。 这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。 它的 电源电压可以在 4V～ 6V 范围变化，电流 Ir变化 luA，相当于温度变化 1K。 AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会被损坏。 集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的 b 一 e结压降的不饱和值 Vbe 与热力学温度 T 和通过发射极电流 I的下述关系实现对温度的检测 : Vbe =qKIT lnI ， K波尔兹常数 ； q电子电荷绝对值 集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。 电压输出型的灵敏度一般为 10mV/K，温度 0℃时输出为 0，温度 25℃时输出。 电流输出型的灵敏度一般为 luA/K，本文选用的是电流输出型温度传感器。 AD59O 的主要特性如下 : ① 流过器件的电流 (uA)等于器件所处环境的热力学温度 (开尔文 )度数，即 :Ir/T=luA/K； ② AD590 的测温范围为 55～ +150℃； ③ AD590 的保存温度为 65～ +175℃； ④ AD590 的电源电压范围为 4V～ 30V ⑤ 输出电阻为 710M ； ⑥ 响应时间仅为 20us； ⑦ 精度高。 AD590 共有 I、 J、 K、 L、 M五档，其中 M 档精度最高，在 5℃～+l50℃范围内，非线性误差为  ℃。 2. 湿度传感器 本系统的湿度传感器选用 Honeywell 公司的集成湿度传感器 HIH3610，该传感器内部集成了信号处理功能电路，可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容值转换成线性电压输出的任务。 输出电压为： o u t s u p p l yV = V [ 0 .0 0 6 2 ( se n so r % RH ) + 0 .1 6 ] 在 本系统中 supplyV 固定为 +5V，则其输出电压值正比于湿度测量值，因此可由测试现场的温度值决定。 送 LM258，在此处 LM258 起电压跟随作用，以与采集现场隔离和提高带负载能力。 然后信号送带 8路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS 组件 A／ D 转换器 ADC0809,经转换后送单 片机 I/O 口。 在该设计中温度的极限参数为： 5O℃≤ T≤ 7O℃； 湿度的极限参数为 l％≤ H≤ 99％； 温度的显示分度为 0． 1℃；湿度的显示分度为 0． 5％； 基于单片机的智能温室大棚控制系统 长春大学 9 芯片特点： ●低成本，大批量 OEM 设计 ●精度 2%，激光修正互换性至 5% ●线性电压输出对应 %RH ●低功耗设计： 200μ A驱动电流 ●快速反应： 15秒 ●稳定性好、低漂移、抗化学腐蚀性能 ● HIH3610 有许多性能指标，能性能指标见表 表 HIH3610 性能指标 RH精度（ 1） 177。 2%RH， 0100%RH 非凝结， 25℃，供电电压 =5VDC RH互换性 177。 5%RH， 060%RH；177。 8%@90%RH RH线性 177。 %RH 典型值 RH迟滞 177。 %RH 满量程 (最大值 ) RH重复性 177。 %RH RH反应时间 1/e@25℃ 5秒，慢流动 的空气中 RH稳定性 177。 1%RH(典型值 )，在 50%RH 环境，（ 5 年时间内） 供电电源 供电电压 消耗电源 4到 ，传感器在 5VDC 下标定 @5VDC 输出电压 供电电压 =5VDC 驱动限制 Vout=Vsupply[(Sensor RH)+],典型值 @25℃ (所附的工厂标定数据提供类似的、每个传感器单独标定的数据 @25℃） 到 输出 @25℃典型值 对称的拉 /推： 50μ A典型值， 20μ A最小值，。