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1、西红柿大棚温湿度自动调节系统设计第1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：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。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。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。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
2、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2830，夜间1720，地温不低于20，以促进缓苗；缓苗后，适当降低
3、棚温，白天2226，夜间1518。阴雪天气，也要进行揭盖，令植株接受散射光。棚内温度，白天2030，夜间1315，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2528，下午2520，上半夜1520，下半夜1315。阴雨天，白天棚温2530，夜间1015。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34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
4、在2025，夜间1315较为适宜。此时空气相对湿度控制在4555，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2030，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2023，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2528；中午通风，保持2025，在午后3小时左右减少通风量，使气温稳定；晚上1720时，保持1417；晚间20时到第二天上午8时，保持67。这样的温度条件有
5、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4555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 FLASH PERAM，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
6、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Flash ROM；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8KB ROM 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，
7、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
8、)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
9、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：
10、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，
11、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
12、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2章
13、 ：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
14、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DS18B
15、20 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。
