基于a89c51单片机的温室大棚温湿度测控系统设计

基于a89c51单片机的温室大棚温湿度测控系统设计

1加强对环境温度和湿度的监测和控制植物的生长是在一定的环境中进行的。它在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对植物生长的影响最大的是环境中的温度和湿度。环境中昼夜的温度和湿度变化大,其对植物生长极为不利。因此必须对环境的温度和湿度进行监测和控制,使其适合植物的生长,提高其产量和质量。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温湿度测控系统。2温湿度控制系统主要通过富营和电系统的一大特点是用户可以通过下位机中的键盘输入温湿度的上下限值和预置值,也可以通过上位机对温湿度的上下限值和预置值进行输入,从而实现上位机对大棚内作物生长的远程控制。系统下位机设在种植植物的大棚内,下位机中的温湿度传感器可以将环境中的温湿度非电量参数转化成电量信号,再将这些信号进行处理后送至下位机中的单片机,单片机读取数据后将数据送到缓冲区内,通过LED数码管进行实时显示。同时与原先内部设定的参数值进行比较处理;单片机可以根据比较的结果对执行机构发出相应的信号,并通过继电器的控制对相应的设备如喷水器、吹风机、加热器、降温泵等进行操作,调节大棚内温湿度状态。用户直接通过键盘对温湿度的上下限值和预置值进行设置后,如果环境的实时参数超越上下限值,系统自动启动执行机构调节大棚内湿度和温度状态,直到温湿度状态处于上下限值以内为止。如果有预置初值,且与当前状态不相等时,系统也会启动执行机构动态调节温湿度状态,直到所处的平衡状态与预置值相等为止。上位机是用DELPHI软件编写的一个数据库系统管理系统,有着友好直观的用户界面,可直接设置温湿度的上下限值和读取下位机的数据,也可以直接对温室大棚内下位机的喷水器、吹风机、加热器、降温泵等进行操作,调节大棚内温湿度状态。由于上位机DELPHI软件有强大的数据库存储和处理功能,我们可以对下位机传送上来的各种环境中的数据参数进行处理,形成作物生长的走势图,从而通过生长走势图得出适合各种作物生长的最佳环境参数条件,为今后的温室种植提供参考。上下位机之间通过符合串行总线RS-232标准的通信通道以事先约定的协议进行通信。系统原理框图如图1所示。单片机作为控制器,可以接收温度和温度传感器从大棚中获取的温湿度信息,将这些信息与预置的温湿度范围值进行比较,然后通过继电器控制执行机构,对大棚进行相关的操作以保证大棚的温湿度范围能够在预置的范围内。下位机键盘显示部分可以直接对温湿度值进行预设,并可实现温湿度值的实时显示。上位机可通过通信接口模块接收下位机传送过来的温湿度值,形成作物生长的图表,也可以直接设置温湿度值和控制执行机构对大棚进行相关操作。3下游机械设计的成本和原则系统下位机主要由传感器检测模块,键盘显示模块和执行机构模块三大部分构成。3.1mcs-53学生自动控制器89C51提供给用户使用的I/O口线不多,满足不了本系统的要求,所以必须外扩I/O接口器件。D8155HC芯片是一种多功能可编程RAM/IO扩展器,在片内集成有256个字节单元的静态RAM,22位I/O口和一个14位定时/计数器。并用设有地址锁存器,可直接与MCS-51单片微机接口,不需要增加任何硬件逻辑电路,能达到一片多用。本系统统利用8155并行扩展口构成的键盘显示器电路设置了16个键,分4行4列,如果增加PC口线,可以根据需要加多按键,最多可以达到64个键,且有4位共阴极LED显示器,段选码由8155PB口提供,位选码由PA口提供,键盘的列输入由PA口提供,行输出由PC0-PC3提供。LED采用动态显示软件译码,键盘采用逐行列扫描查询工作方式,由于8155不能直接驱动LED显示器,所以外接集成极开路输入八位驱动器7407间接驱动。键与显示做成一个接口电路,因此在软件中合并考虑键盘查询和动态显示,键盘消颤的延时子程序用显示程序替代。3.2传感器检测模块3.2.1ds1820超温度限制采用美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS1820,它可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理。DS1820测温范围为-55℃～75℃,精度为0.5℃;九位温度读数;A/D变换时间为200ms;用户自设定温度报警上下限,其值是非易失性;每片上含有唯一的硅串行数,所以一条总线上可挂接任意多个DS1820芯片。从DS1820读出的信息或写入DS1820的信息,仅需要一根口线(单线接口),节省了引线和控制通道切换的逻辑电路。读写及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DS1820供电,而无需额外电源。构成多点温度检测系统而无需任何外围硬件,不需要A/D转换;单线接口;无需外围元件;报警搜索命令可识别哪片DS1820超温度限;对DS1820的使用,多采用单片机实现数据采集。处理时,将DS1820信号线与单片机一位口线相连,单片机可挂接多片DS1820,从而实现多点温度检测系统。3.2.2确定电桥方式的测量源湿敏传感器的核心部分是湿敏元件,湿敏元件一般由基体、电极和感湿层组成。系统中我们采用结合湿敏电阻,采用电桥方式来检测。利用湿敏电阻阻值随湿度改变而导致电桥失去平衡,产生输出电压的原理来测量湿度。3.3继电器导通和断断系统执行机构是由单片机的I/O口控制的,有效控制电平为+5V,执行机构的各种设备都是在市电下正常工作的,必须采用I/O口控制继电器的导通和切断来控制市电的通断,也即控制执行设备的工作状态。由于单片机的I/O不能提供足够的电流,不能直接驱动继电器导通,因此,我们采用达林顿管,将进行两级放大,提供了足够大的驱动电流,让继电器中的电感线圈产生足够大的磁力,将开关吸合。4系统窗口介绍上位机软件采用BorlandDelphi编写。Delphi是强大,灵活的基于Windows的可视化应用程序开发工具。它将可视化技术与ObjectPascal语言完美结合,具有良好的数据库访问能力,是一个非常强大的应用程序开发组件的集合。上位机软件主窗口如图2所示,它是系统启动后显示在用户面前的第一个窗口,系统将在此窗口等待用户操作。主窗口包括四大部分,即温度实时监测图形,湿度实时监测图形,当日环境参数表以及其他窗口的弹出按钮。系统的实时监测数据是上位机每隔15分钟向下位机发出命令采集的,时间间隔合理,能达到实时监测的目地。系统软件本着方便用户使用的原则,采用人机交互方式、弹出式窗口、错误屏蔽、友情提示等技术,最大限度地方便用户操作。系统窗口简洁明了,数据显示采用表格或图形的形式,使得用户更方便地查看、查询数据。如图3所示,上位机软件主要由实时监测模块、大棚信息模块、智能控制模块、环境参数设置模块、作物长势记录模块和直接控制模块6大模块组成,用户可以通过具体界面来了解下位机所在的大棚内作物的生长情况,通过界面内作物生长的走势图可以得出最适合作物生长的环境条件。上位机软件控制界面友好,操作简单明了,十分适合用户操作。5通信模块的硬件设计5.1电平转换电路89C51单片机与PC系列微机是两种不同类型的机种,硬件结构不同,电气特性也不一样,因此它们之间不能用导线直接连接,而要通过电平转换电路。本系统采用的串行通信的接口标准RS-232C。5.1.1s-33c的电气特性在TxD和RxD上:逻辑1(MARK)=-5～-15V逻辑0(SPACE)=+5～+15VRS-232C的主要电气特性为:带3-7k欧姆负载时驱动器的输出电平:逻辑“1”:-5～-12V;逻辑“0“:+5～+12V。不带负载时驱动器的输出电平:-25～+25V。驱动器转换速率:<30V/US。接收器输入阻抗:3～7K欧姆之间。接收器输入电压的允许范围:-25～+25V。最大负载电容:2500PF。5.1.2tl电平转换电路RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态,与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接,必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现变换的方法目前较为广泛地使用集成电路转换器件,如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换,而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换,MAX232芯片可完成TTL←→EIA双向电平转换。MAX232芯片的转换接口,包含两路驱动器和接收器的RS-232转换芯片。芯片内部有一个电压转换器,可以把输入的+5V电压转换为RS-232接口所需的±10V电压,最大的好处是工作电压为+5V,不需要额外电源。5.2模式2系统的设计中,考虑到下位机位于温室大棚内,离上位机即计算机的控制有一定距离,而且系统对于传送速度的要求也不是很高,且考虑到传输的信息量不会非常大,并从降低成本的角度出发,所以采用异步串行通信的方式。5.2.1保持数据传输的连续性异步通讯方式既不需要同步字符SYNC,也不要求保持数据流的连续性,它规定传输格式,每个数据均以相同的帧格式发送。每帧信息由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位组成,帧与帧之间用高电平隔开。5.2.2通信协议格式由于汇编语言程序结构紧凑、灵活,汇编成目标程序效率高、占用存储器空间少、运行速度快和实时性强等特点,适合实时测控等领域,所以本系统通信程序采用了汇编语言进行编写。在异步串行通信中,要保证通信成功,通信双方必需对数据传送方式有一系列的约定,比如:作为发送方,必须知道什么时候发送信息、发什么、对方是否收到、收到的内容有没有错、要不要重发、怎样通知对方结束等;作为接收方,必须知道对方是否发送了信息、发的是什么、收到的信息是否有错、如果错了怎样通知对方重发、怎样判断结束等。这种约定称为通信协议,它必须在编程之前就确定下来,只有双方都正确地识别并遵守这些规定才能顺利地进行通信。本设计的通信协议格式设置为:我们选定常用的波特率2400位/秒,串行通信工作于方式1,SMOD=1,晶体震荡频率为12MHz。由于定时/计数器1的溢出率=FOSC/[12*(28-N)]次/秒,而串行通信方式1的波特率为:(定时/计数器1溢出率)*2SMOD/32,因此可以得出下式:2400=(2SMOD/32)*FOSC/[12*(28-N)]可求得N=F3H,因此TH=F3H,TL=F3H。波特率设置:选用定时/计数器1定时模式,工作方式1,计数常数F3H,SMOD=1,波特率2400bps,串行通讯设置:异步通讯方式1,允许接收;1位起始位,8个数据位,1个停止位。MCS-51单片机采用中断方式,发送和接收的数据包括数据和校验,发送和接收的数据均以#号为结束标志位。下位机与上位机通信的程序流程如图4所示。单片机作为下位机与上位微机