蔬菜大棚温湿度测控系统设计

1、河南师范大学本科毕业论文学号：0902424xxx蔬菜大棚温湿度测控系统设计学院名称：物理与电子工程学院专业名称：电气工程及其自动化年级班别：2009级电气 班姓 名：xxx指导教师：xxx2013年5月蔬菜大棚温湿度测控系统设计摘 要温室大棚是设施农业的重要组成部分，大棚测控系统是实现大棚自动化、科学化的基本保证。通过对大棚内温度和湿度的控制，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。本文设计了一种基于计算机自动控制的智能蔬菜大棚温湿度控制系统，该系统用DHT90作为温湿度传感器，把AT89S52单片机作为系统核心，通过对系统的硬件部分和软件部分的设计达到监控要求。硬件部分实现了对温湿度传感器模

2、块、显示模块、控制模块的设计；软件部分主要根据系统的设计思想设计出了主程序和子程序流程图，并通过程序实现。关键词:蔬菜大棚；温度；湿度；单片机；传感器The Design of Greenhouse Temperature andHumidity Control SystemAbstractGreenhouse is an important component of protected agriculture. Mea- suring and controlling system is the basis of the management automation in the greenho

3、use. The temperature and humidity controlmakes greenhouse better, and more productive and high quality.This article designs an intelligent temperature/humidity control system for vegetable green- houses based on computer automatic control, the systemtakesDHT90 as the temperature/ humidity sensors, s

4、ingle chip microcomputer AT- 89S52 as a core of the system, it can meet the demand of monitoring through the design of hardware and that of software in details. The former is more important in this dissertation, including the introduction of sensor of measuringtemperature and humidity, demonstrating

5、 mode of data, the mode of control and theconnecting part of the changing column. And according to the design thoughts the latter shows the flow chart of the main program and the subprogram, realized by program.Keywords：Vegetable Greenhouse; Temperature; Humidity SCM; Sensor目 录摘要IAbstractII目录III前言11

6、.设计方案论证21.1 设计要求及框图21.2. 元器件的选择2单片机的选择21.2.2 温湿度传感器的选择21.2.3 显示模块的选择32.系统硬件设计42.1 系统硬件的简述42.2 单片机模块的设计42.3 温湿度采集系统的设计5显示模块的设计72.5 报警电路的设计92.6 控制电路的设计103.软件系统设计113.1 主程序流程图设计113.2 DHT90软件系统设计11蜂鸣报警器软件设计143.4 LCD12864软件系统设计144.调试164.1 软件调试16硬件调试164.3 报警电路调试164.4 显示模块调试16参考文献17致谢18前言改革开放以来，我国经济的迅速增长，使得

7、农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。众所周知大棚内的温度、湿度等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。当今大多数对大棚温度、湿度的监测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿

8、度的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境。目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。温室大棚是植物栽培生产中必不可少的设施之一，温湿度是衡量温室大棚的最重要的指标，它直接影响到栽培作物的生长和产量，为了能给作物提供一个合适的生长环境，首要问题是加强温室内的温湿度的监测。本系统采用现代化的科学管理方式，采用微机监控系统，它具有测温、测湿、控温、控湿、报警条件判定等多项功能。综合考虑系统的精度以及经济性要求等因素之后，最终确定以单片机为控制核心，选用性价比较高的温湿度传感器，实现了对温湿度的精确测量与准确控制设计能够

9、实现温湿度上下限设定、自动监测、显示和报警等多功能的温湿度测控系统。该设计系统还可以推广到其他领域。1.设计方案论证1.1设计要求及框图（1）基本功能：检测温度、湿度，显示温度、湿度，温度湿度过限报警（2）主要技术参数温度检测范围：+10+40，测量精度：±1，湿度检测范围：30%70%RH检测精度：± 1%RH，显示方式：温度：四位显示，湿度：四位显示。报警方式：声光报警（二极管和蜂鸣器）。本设计需要设计一个大棚温湿度测控系统，设计选用单片机为执行器，通过温度监测电路，湿度监测电路，控制系统，报警电路，显示电路等组成这样一个系统 。 系统设计框图如下所示。1.2. 元器件

10、的选择采用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。1.2.2 温湿度传感器的选择DHT90是数字温湿度传感器系列中插针型的传感器，芯片外形如图所示，传感器。把传感元件和信号处理集成起来，输出全标定的数字信号。传感器采用专利的CMOS 技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期

11、稳定性。数字温湿度传感器特点：全标定；数字输出；低能耗；卓越的长期稳定型；插针封装易于安装。BHT90芯片外形图1.2.3 显示模块的选择采用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。2.系统硬件设计2.1 系统硬件的简述系统采用单片机对大棚的温度、湿度进行自动监测和控制，不仅具有控制方便、简单和灵活性大等特点，而且还可以大大提高被控制温度、湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。本设计利用单片机的这些特点

12、对大棚的温度、湿度进行控制，将其保持在一个合适的范围内。若温度低于10，加热装置工作；若温度高于40，通风装置工作；湿度低于30%RH，喷灌装置工作；湿度达到或超过70%RH，喷灌装置停止工作。2.2 单片机模块的设计AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，存储器是采用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品的指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，

13、看门狗定时器，2 个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作；掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止一切工作，直到下一个中断或硬件复位为止。图2-2 AT89S52引脚图P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。在Flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节

14、。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。 P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双

15、向I/O 口，P3输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。 RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平，单片机复位。 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。应注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。 PSEN：程序储存允许输出(PSEN

16、)是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令(或数据)时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器(其地址为0000H-FFFFH)，EA端必须保持低电平(接地)。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。2.3 温湿度采集系统的设计DHT90是数字温湿度传感器系列中插针型的传感器。此类型传感器把传感元件和信号处理集成起来，输出全标定的数字信号。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片

17、上与 14 位的 A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。传感器采用专利的CMOS技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。因此，该产品具有品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。传感器采用的是原装进口数字温湿度传感器芯片，引脚插针为标准插针，使用时无需重新校准。传感器直接与单片机相连，无需其他外部元件。总之，极低的功耗、极高的性价比、卓越的品质等优点使其成为我们在选择温湿度传感器时的首选。DHT90的基本特性如下：测湿范围：0100%RH；测温范围：-40123.8；响应时间：温度：< 30s，湿度：<8s；分辨率：温度：，湿度：0.03%RH；重

18、复性：温度：  湿度：0.1%RH；测量精度：温度：± 湿度：±4.5%RH；安装方式：间距插针。下面是 DHT90引脚结构PinNameComment1SCK时钟信号2VDD电源3GND地4DATA数据输出DHT90的供电电压为2.4-5.5V，建议供电电压为3.3V。DHT90的串行接口，在传感器信号的读取及电源损耗方面，都做了优化处理；传感器不能按照I2C 协议编址，但是，如果I2C总线上没有挂接别的元件，传感器可以连接到I2C总线上，但单片机必须按照传感器的协议工作。SCK用于微处理器与 DHT90之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小

19、SCK频率。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，并且仅在 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。 本设计采用数字式温湿度传感器DHT90。它是数字式温度传感器，具有测量精度高，电路连接简单等特点，传感器仅需要一条数据线进行数据传输，另外SCK端用于微处理器与 DHT90 之间的通讯同步，设计中采用AT89S52的P3.7与DHT90的SCK相连，用P3.6与DATA端相连，Vcc接电源,Vss接地。DHT9

20、0的硬件连接图如图2-3所示。图2-3 DHT90硬件连接图2.4显示模块的设计显示器是最常用的输出设备。显示器件使用最多的是发光二极管显示器(LED)和液晶显示器(LCD)。显示电路的设计是不可缺少的。对于温湿度测控系统的设计而言，显示电路的设计也是不可缺少的。在本设计系统中，不仅要显示测量的温湿度值，而且还有不同的温湿度报警参数，故而显示器的设计是十分必要的。本设计中选用的是FYD12864显示器。该显示器的大屏幕显示具有显示清晰、视觉范围广、价格低等优点。液晶显示模块提供两种界面来连接微处理机：8位串行及并行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。和LED显示器一样，

21、LCD也有字符型和点阵型两种。字符和数字的简单显示，不能满足汉字和图形曲线现实的要求；点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种曲线、图像及汉字，并且可以实现屏幕上下的滚动、反转、闪烁等功能，用途十分广泛。本设计中的显示器设计采用的是点阵式液晶显示模块。FYD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。低电压低功耗是其又一显著特点。与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论其硬件电路结构或显

22、示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。其基本特性如下：低电源电压：VDD:+3.0-+5.5V； 显示分辨率：128×64点；内置汉字字库：提供8192个16×16点阵汉字；内置点阵字符：128个16×8；时钟频率：2MHZ；显示方式：STN、半透、正显；驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS；视角方向：6点；背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10；通讯方式：串行、并口可选；内置转换电路：DC-DC，无需外加负压；工作温度：0 - +55，存储温度：-20 - +60。LCD12864的引脚结构如图2-4所

23、示。图2-4 LCD12864引脚图LCD12864共20个引脚，其中引脚NC应悬空。由于模块内部接有上电复位电路，因此在不需要经常复位的场合可以将引脚RST悬空，引脚DB0-DB7为三态数据线，可用于写入并读取数据.表2-4-1 LCD12864引脚说明序号引脚名称方向功能说明1VSS-模块的电源地2VDD-模块的电源正端3V0-LCD驱动电压输入端4RS(CS)H/L并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5R/W(SID)H/L并行的读写选择信号；串行的数据口6E(CLK)H/L并行的使能信号；串行的同步时钟7DB0H/L数据08DB1H/L数据19DB2H/L数据210DB3H/L数据

24、311DB4H/L数据412DB5H/L数据513DB6H/L数据614DB7H/L数据715PSBH/L并/串行接口选择：H-并行；L-串行16NC空脚17/RSTH/L复位 低电平有效18NC空脚19LED_A-背光源正极(LED+5V)20LED_K-背光源负极(LED-OV)表2-4-2 LCD12864的工作参数显示容量:128X64点阵点尺寸:0.48X0.48(WXH)mm工作电压:V模块最佳工作电压:工作电流:()背光源颜色:白色()背光源工作电流:蓝膜负显STN2.5 报警电路的设计本设计采用声光报警电路。蜂鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过单片机AT

25、89S52 的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，我们在这里使用TTL 系列集成电路7407 低电平驱动。报警电路中加了两个发光二极管，一个与单片机的P2.5 连接，另一个与单片机的P2.6 连接。温湿度传感器采集来的温度，湿度与单片机设定的温度，湿度值相比较，只要其中任何一个过限，蜂鸣器就会发出蜂鸣音报警。当温度大于设定值，其中一只二极管发光；当湿度大于设定值，另一只发光二极管亮。这样便于观测是哪一个量过限。本设计是为在温湿度测量中对温湿度的上下限超出时的提示报警，当温湿度过限时，接口被置0，本系统开始工作。报警电路连接图如图2-5所示。图2-5 报警电路图2

26、.6控制电路的设计PLC每30分钟将温湿传感器检测来的温湿度送入整定，然后与设定范围比较。当温度低于设定值下线时打开卷帘，高于设定值上限时放下卷帘；湿度低于设定值下线是打开水泵、电磁阀，高于设定值上限时，关闭水泵、电磁阀。卷帘控制回路水泵控制电路3.软件系统设计3.1主程序流程图设计整个系统的软件设计采用模块化编程，主要的功能子程序有：系统初始化，LCD12864的初始化， DHT90的初始化。主程序流程图如图3-1所示。3-1 主程序流程图主程序清单：#include<reg52.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned

27、char#define uint unsigned int#define TURE 1#define FALSE 03.2 DHT90软件系统设计HT90测量流程图如图3-2所示图3-2 DHT90测量时序图DHT90子程序：/*向DHT90写命令*/uchar wr_DHTcom(uchar comd) uchar i,error=0; D_start(); for(i=8;i>0;i-) D_date=comd&0x80;_nop_();D_sck=1;_nop_();_nop_();D_sck=0; comd<<=1; D_date=1; D_sck=1; er

28、ror=D_date; _nop_(); _nop_(); D_sck=0; D_date=1; return error; /*启动DHT90*/void D_start() D_date=1; D_sck=0; _nop_(); D_sck=1; _nop_(); D_date=0; _nop_(); D_sck=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); D_sck=1; _nop_(); D_date=1; _nop_(); D_sck=0;/*读DHT90值*/int read_DHTdat() uchar i,val=0; D_date=1; for(i=0x80;

29、i>0;i/=2) D_sck=1;if(D_date) val|=i; _nop_();_nop_(); _nop_();D_sck=0; _nop_();_nop_(); D_date=0;D_sck=1;_nop_();_nop_(); D_sck=0;_nop_();_nop_();D_date=1; return val;3.3蜂鸣报警器软件设计void D_measure() float c1=-4.0; float c2=+0.405; float c3=-0.0000028; float d1=-40.1; float d2=+0.01; T=d1+d2*zhT; H=c

30、1+c2*zhH-c3*zhH*zhH; if(T>100)T=100; if(H<0.1)H=0.1; if(T>=25.0)Led1=1;Speak=0;elseLed1=0; if(H>=1100.0)Led2=1;Speak=0;elseLed2=0; if(H<1100.0)&(T<25.0)Speak=1; 3.4LCD12864软件系统设计用LCD12864显示模块进行软件设计时、要在某一个位置显示中文字符，应先设定显示字符位置，即先设定显示地址，再写入中文字符编码；显示ASCII字符过程与显示中文字符过程相同。其显示流程图如图3-3所

31、示。图3-3 LCD显示流程图利用LCD12864显示DHT90的数值，程序清单如下：void DHT90_display() L239=tableT/100; /显示温度百位 L2310=table(T%100)/10; /显示温度十位 L2311=table(T%100)%10; /显示温度个位 L2313=table(T*10)%100)%10; /显示温度小数点后第一位 L249=tableH/1000; /显示湿度百位 L2410=table(H%1000)/100; /显示湿度十位 L2411=table(H%100)/10; /显示湿度个位 L2413=tableH%10; /显

32、示湿度小数点后第一位4.调试4.1 软件调试第一步：建立源程序。通过计算机开发系统的编辑软件，按照所要求的格式、语法规定将源程序输入到开发系统中，并存在磁盘上。第二步：在计算机上对第一步输入的源程序进行编译，变为可执行的目标代码。如果源程序有语法错误，则其错误将显示出来，然后返回到第一步进行修改，再进行编译，直到语法错误全部纠正为止。第三步：在线调试。对于与系统、硬件无联系的程序，可以借助在线调试手段，发现逻辑错误后，返回到第一步修改，直到逻辑错误纠正为止。对于与系统硬件紧密相关的程序，则需对软件和硬件同时进行调试，将程序烧入CPU，然后将CPU 插入系统。发现硬件故障后应排除故障，发现逻辑错

33、误后应修改程序，消除逻辑错误。 硬件调试第一步：系统上电之前，先仔细检查线路是否连接正确，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求，应特别注意电源系统的检查，以防止电源的短路和极性错误，并重点检查系统总线是否存在相互之间短路或与其它信号线的短路。第二步：主要是靠软件和硬件联调来排除硬件故障(如各个部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误)。4.3 报警电路调试本次系统设计采用的是声光报警电路。当温度和湿度其中任何值一个过限后，蜂鸣器都会发出声音。但是在加上控制信号，温湿度过限后，蜂鸣器工作正常。4.4显示模块调试在对显示模块进行调试的过程中发现显示不正常，汉字显示与字符显示不同，LCD-1

34、2864每行可以显示16个字符，8个汉字，汉字不能分半显示，。经过检查，发现由于软件编程时，地址分配有误，使得汉字部分无法显示，最后将地址重新分配，显示正确。参考文献1范海涛. 世界设施农业发展现状J. 农村实用工程技术,2001(1): 10-11.2 程世刚.现代温室环境控制J. 传感世界,2002,8(2):8-11.3李朝青. 单片机原理及接口技术M. 北京: 北京航空航天大学出版社,2009:112-126.4 张平,赵光霞.AT89S52单片机基础项目教程M.北京:北京理工大学出版社,2013:76-82.5周润景, 张丽娜. 基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真M. 北

35、京: 北京航空航天大学出版社, 2006:110-116.6刘九庆. 温室环境工程技术M. 吉林:东北林业大学出版社, 2002:48-66.7 李莉, 张彦娥. 现代通信技术在温室中的应用J.农业机械学报,2007,38(2):195-200.8 郭豫荣.温湿度传感器原理及应用J.电子元器件应用.2012,14（11）:35-38.9杜深慧. 温湿度检测装置的设计与实现M. 北京: 机械工业出版社, 2004:40-47.10 姜志海, 赵艳雷. 单片机的C语言程序设计与应用M. 北京: 电子工业出版社, 2010.11 吕泉.现代传感器原理及应用M.北京：清华大学出版社，2006:96-109.12 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程M北京：电子工业出版社；2005