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蔬菜大棚温度测控系统设计

内容摘要：蔬菜大棚作为设施农业的主要组成部分，随着时代的进步和先进生产力的发展，已经逐渐实现了它的自动化控制。我们可以通过对产生数据定量分析，监测并改变它的环境条件，以使农作物更好更充分的生长。近年来计算机应用技术不断的发展，于是人们便开始有了一种新的构思，即利用计算机来实现对大棚内环境条件的控制。
会阻碍到大棚内农作物生长的因素有很多，最主要的就是温度。本次设计是专门为了解决这一问题。系统的设计被充分模块化，条理清晰，可以很简单方便的进行检测盒控制。在本次设计过程中还充分考虑到成本问题，主要体现在元件的选取及利用率上。通过实践证明，系统的性能好、操作方便，完整的实现对温度等的测量和控制。

关键词：蔬菜大棚 温度 控制

目 录
前言 1
1 设计方案 2
1.1 设计要求及框图 2
1.2 元器件 2
1.2.1 传感器的选择 2
1.2.2 显示模块 2
1.2.3 单片机模块 3
1.2.1 系统方案 3
2 系统的硬件设计 4
2.1 系统硬件的简述 4
2.2 单片机模块的设计 4
2.2.1 单片机的功能特性描述 4
2.3 温度采集系统的设计 5
2.3.1 温度传感器的概述 5
2.3.2 传感器的接口说明 5
2.3.3 硬件连接 6
2.4 显示模块的设计 6
2.4.1 LCD12864的概述 6
2.4.2 LCD12864引脚说明 7
2.4.3 LCD12864的主要技术参数 8
2.5 报警电路的设计 9
2.6 功能键的设计 9
2.7 控制电路的设计 10
3 软件系统设计 11
3.1 软件设计的整体思想 11
3.2 程序流程图设计 11
3.3 DHT90软件系统设计 13
3.3.1 DHT90测量流程图 13
3.3.2 传感器的电气特性 13
3.3.3 传感器指令的启动 14
3.3.4 发送命令 14
3.3.5 通讯复位时序 15
3.4 DHT90的温度补偿及转换 15
3.4.1 温度转换 15
3.5 LCD12864软件系统设计 16
3.5.1 LCD12864显示流程图 16
3.5.2 写数据到模块 17
3.5.3 从模块读出数据 18
3.6 按键软件系统设计 18
结束语 20
参考文献 21

21

蔬菜大棚温度测控系统设计
前言
近年来，随着中国经济的快速增长，农业的研究和应用技术越来越多的国家和人们的关注，作为温室农业代表是首当其冲的性质。对农业生产情况的几个主要的参数进行监督和控制。像空气的温度、二氧化碳的占比量、土壤的湿润度等。在现代化农业生产中蔬菜大棚也是尤为重要的，并且已经发挥了巨大的作用。
大棚内蔬菜的生长要受到环境中参数的影响。如今大多数对大棚环境条件的监测与控制还是在采用很久以前的人工管理方式，这样很难避免的造成了测控误差时等缺点，容易造成难以估计的损失，结果浪费了人力、物力，而且很难达到很好的效果。
目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能特别提高生产效率的要求也越来越高，人们都迫切的希望大棚的生产实现自动化。温室大棚是植物栽培生产中必不可少的设施之一，温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度的监测控制。
从很久以前人类就想出各种方法控制温度和湿度，以满足人们生产生活的需要。从古代人们通过扇子、雨伞、毛巾等试图去控制温度和湿度到今天高科技发展迅速的社会所发明出的各种工具，如风扇、空调、加热器等，表明人类一直努力去控制这两种和人类密切相关的环境因素。
为了实现高效农业的科学化和研究性，推动我国农业发展，解决我国农民普遍收入低的问题，缩小城乡差距，推动全面小康社会，迫切需要价格适中的、自动化程度高的农业设备。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得成本低性能稳定的这种要求变为可能。
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。计算机应用技术的发展，也使得用计算机控制的方面也涉及到各个领域，其中在大棚内用单片机控制温度是应用于实践的主要方面之一。
影响作物生长发育的环境条件主要包括:温度、湿度、光照、CO2浓度、土壤等。所有这些环境条件之间相互有着密切的联系，其中一个量的变化就会影响其它控制变量的变化。作物的生长发育是所有这些环境条件综合作用的结果，而这其中有个最主要的环境影响就是温度[1]。

1 设计方案
1.1 设计要求及框图
本设计是一个大棚温度测控系统，用单片机来作为系统的总控制机，整个系统由温度四个模块组成2]。系统设计框图如图1.1-1所示。

图1.1-1 系统电路图

1.2 元器件
1.2.1 传感器的选择
最常用的为数字式温度传感器DS18B20。具有测量较准确、测量范围较广等优点。传感器不需要进行A/D转化，而且方便与单片机连接，系统电路设计简易，硬件成本较低。采用数字式温度传感器DHT90为数字式传感器，它的优点就是设计比较精巧而且价钱比较合理，可以轻松的采集温度，而且简单的结构也使整个系统的运行不会那么繁琐，因此电路中采用此类传感器最为合适。
1.2.2 显示模块
此次设计的是一个大棚温度测控系统，它的目的是要把从外界采集来的温度值显示出来。选择采用的LCD12864液晶显示器, 它可以显示四行汉字，一行两个汉字，四个字符，可进行对比和分析，容易操作，使系统设计更为简单。本次设计中的显示部分选用LCD12864液晶显示器符合上述一切要求[4]。
1.2.3 单片机模块
AT89s52 是CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。它的优点是低功耗、高性能。在单芯片上，拥有可调配的8位CPU，使得AT89S52拥有对嵌入式控制应用系统提供高灵活、高效的解决方案。这也是这次设计采用AT89S52作为主控制系统的主要原因。
1.2.1 系统方案
本次设计系统的方案选定如下:主控制系统采用AT89S52，具有高灵活性，高效性等特点是本次设计的最佳元器件；液晶显示模块LCD12864作为本次系统的显示，满足性强，可以很容易进行数据的分析和处理，而且是整个系统结构变得简单可行性强；DHT90温度传感器作为本次系统温度的信息采集[5]。测量准确度高，范围广，而且操作方便，结构简单，很好的为设计提供了方便。

2 系统的硬件设计
2.1 系统硬件的简述
本设计利用单片机的一些特点来控制大棚的温度，使其保持在合理的范围内。当温度低于12℃时，系统运行，加热开始；当温度高于38℃时，则通风装置运行，加热停止。本系统采用的单片机，可以很有效的检测盒控制蔬菜大棚，不仅方便、简单和灵活性，而且产品的质量和数量也得到了很大的提高。
2.2 单片机模块的设计
2.2.1 单片机的功能特性描述
Ÿ与MCS-51 兼容
Ÿ全静态工作：0Hz-24Hz
Ÿ三级程序存储器锁定
Ÿ128*8位内部RAM
Ÿ32可编程I/O线
Ÿ5个中断源
Ÿ可编程串行通道
Ÿ低功耗的闲置和掉电模式
Ÿ片内振荡器和时钟电路
AT89S52的引脚结构图如图2.2.1-1所示。

图2.2.1-1 AT89S52引脚图

2.3 温度采集系统的设计
2.3.1 温度传感器的概述
DHT9x是一种特殊的数字温度传感器。此类传感器可以把传感器件和收集到的新高集合起来处理，输出全部标定的数字信号。传感器利用一个特殊的测温元件，可以让串行接口电路和同一芯片上与 14 位的 A/D转换器进行对接。采用的CMOS技术确保了产品极高的可靠性与稳定性。使得该产品具有品质高、响应快、抗干扰能力强等优点。传感器采用的数字温度传感器芯片，引脚插针不叫规范，符合标准，使用时不用重新校准。DHT90的基本特性如下：
Ÿ测温范围：-40～110.8℃；
Ÿ响应时间：温度：<24s
Ÿ分辨率：温度：0.01℃
Ÿ重复性：温度：0.1℃
Ÿ测量精度：温度：±0.5℃
Ÿ安装方式：2.54mm间距插针。
2.3.2 传感器的接口说明
这里把DHT90引脚结构绘制成一个表格如表2.3.2-1所示。

表2.3.2-1 DHT90引脚结构
Pin
Name
Comment
1
SCK
时钟信号
2
VDD
电源
3
GND
地

DHT90供电电压用3.3V。利用DHT90的串行接口，可以很好的优化传感器信号的读取及电源能量消耗；单片机只有一种情况下传感器能够连接到I2C总线上，就是传感器的协议以及I2C总线上没有连接其它器件时。
SCK用于微处理器与DHT90之间的通讯同步。且不存在最小SCK频率。
DATA三态门是用来作数据的读取。数据传输过程中，SCK时钟位于高电平时，DATA保持原来的状态不会改变。微处理器应使DATA处于低电平状态以防止信号之间产生冲突。此外它需要一个另外的外部上拉电阻。

2.3.3 硬件连接
本设计采用的是数字式温度传感器DHT90。它的精确度高，测量范围广，系统设计比较简易，仅需要一条数据线便可以进行数据传输，可以很好的完成系统所要完成的任务。DHT90的硬件连接图如图2-2所示。

图2.3.3-1 DHT90硬件连接图

2.4 显示模块的设计
2.4.1 LCD12864的概述
显示器是常作为输出设备最被广泛应用，而其中最多被运用的是发光二极管显示器(LED)和液晶显示器(LCD)。由于它们节能、结构简单、使用时间长，最重要的是性价比相对而言比较高。 LCD则是由于消耗功率少、可见度范围广等特点也被视为最佳元器件。对于温度测控系统的设计而言，显示电路的设计也必不可少。不仅要显示测量的温度值，再根据温度值设定不同报警参数，把它显示出来。本设计中选用的是FYD12864。
液晶显示模块提供8位串行及并行界面两种连接方式。能进行光标显示，而且画面可以进行移位设置。更可用的是LCD也有字符型和点阵型两种，这一点是和LED显示器十分相似。由于仅仅依靠字符的输入和数字显示无法满足设计曲线的现实要求，本设计中的显示器设计选用点阵式点阵式LCD在不仅能显示字符、数字以及各种曲线、图像及汉字，用途十分广泛。
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的点阵图形液晶显示模块。
2.4.2 LCD12864引脚说明
LCD12864的引脚结构如图2.4.2-1所示。

图2.4.2-1 LCD12864引脚图

LCD12864共有20个引脚，其中引脚NC悬空。也可以将引脚RST悬空，引脚DB0-DB7为三态数据线，其功能是写入并读取数据。LCD12864引脚说明如表2-2所示。

表2.4.2-1 LCD12864引脚说明
序号
引脚名称
方向
功能说明
1
VSS
-
接地电源
2
VDD
-
电源正极
3
V0
-
驱动电压输入端
4
RS(CS)
H/L
串行片选信号
5
R/W(SID)
H/L
串行数据口
6
E(CLK)
H/L
串行同步时钟
7
DB0
H/L
数据0
8
DB1
H/L
数据1
9
DB2
H/L
数据2
10
DB3
H/L
数据3
11
DB4
H/L
数据4
12
DB5
H/L
数据5
13
DB6
H/L
数据6
14
DB7
H/L
数据7
15
PSB
H/L
并/串行接口选择：H-并行；L-串行
16
NC

放空
17
/RST
H/L
复位 、低电平有效
18
NC

放空

2.4.3 LCD12864的主要技术参数
LCD12864的主要技术参数如表2.4.3-1所示。

表2.4.3-1 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:
4.8～5.2V
模块最佳工作电压:
5.0V
工作电流:
4.0mA(5.0V)
背光源颜色:
白色(5.0V)
背光源工作电流:
<150.0mA

蓝膜负显STN

2.5 报警电路的设计
在微型计算机控制系统中，未避免由于疏忽造成人或物的损失，会在一些主要的参数或系统部位设立可以自行控制的警示系统。它的工作原理是：利用由计算机收取的数据进行处理变换后的数值，与特定参数上下限给定值进行比较，当数据超出上下限区间之外时，会自动触发报警，否则显示原来的采样值。
设计选用的是声和光共同控制的报警电路。蜂鸣器的正极与电源的正极相连接，负极接单片机的单片机的一端。通过单片机AT89S52的口线利用驱动器驱动来进行发声。报警电路中加了两个发光二极管，分别与单片机的P2.5和P2.6连接。温度传感器收取来的温度，当温度过限时，蜂鸣器会立刻发声报警声。当温度超出某一设定值时，其中一只二极管发光；这次设计是：测量出温度测量值后，与特定的上下值进行比较。当温度过限时，接口置低电平，单片机开始工作。报警电路图如下图2-4所示。

图2.5-1 报警电路图

2.6 功能键的设计
单片机的系统需要人工操作，这样一来十分耗时费力，而大多数时候人们为了更好的对它进行控制，特地设计了键盘。在单片机控制系统中，往往需要两个或两个以上的功能键。即每个按键接一根输入线，各键的工作状态互不影响。键盘的结构相对简单，使用比较灵活，因此被广泛应用于单片机系统当中。
为了方便人们对系统的管理，可以让温室大棚中温度进行自主测量和控制，系统使用键盘来给温度设定一个特定的局限，只要其保持在这段区间里，报警系统未启动，就不必用人为来干预。
本设计采用两个按键，按键的功能如下：
S1：用来控制温度上限，开始设定一个上限值，使其保持在35℃，超出时自动调整下降；
S2：用来控制温度下限，开始设定一个下限值，使其保持在20℃，超出时自动调整升高；
2.7 控制电路的设计
自动控制电路中，继电器常常被运用于控制系统中。它是正反两种控制系统，是用低电流去控制高电流来达到电路的目的。电磁式继电器的结构简单、实用性强、性价比较高。加温设备工作原理：当温度低于某一特定值时，与单片机连接的引脚将被置于低电平，三极管导通，继电器中可以流过电流同时闭合，装置开始加热。当温度上升到某一特定的值时，三极管截止，置其引脚为高电平，此时继电器断开即不会进行工作，加热停止。降温等其他继电器控制设备原理与加温设备原理相似。加温设备原理图如图2.7-1所示。

图2.7-1 加温设备电路图

3 软件系统设计
3.1 软件设计的整体思想
系统需要较完善的硬件作保证才能完整的实现功能，当然相应设计合理的软件也是必不可少，作为是单片机应用高速发展的今天更是相当于一种基本准则。我们可以通过软件编程来代替硬件完成需要完成的工作，这个不仅仅适应于一些简单的电路设计，很复杂的硬件电路也能完成的工作，如数字滤波，信号处理等。
系统进行软件设计时，要熟练的掌握系统的组成，数据的传输也是不可忽视的，此外信号的控制以及信号的显示也要多加注意。值得注意的是我们一定要首先知道各个部分的子程序及程序的流程图，才能对软件系统进行控制之后再执行编程[11]。
本设计的核心是AT89S52单片机，采用的是C语言编程。它的设计比较简单，看起来相对直观，由主程序、读出温度子程序、按键处理子程序、LCD12864显示子程序、以及有关DHT90的程序等模块组成。
本系统设计的工作流程是，先进行初始化，在键盘上输入要设定的温度的上下限值；传感器读取温度值，线性拟合数据，通过LCD显示数据，当温度过限时，报警系统启动控制设备；当数据在温度上下限范围内，则显示正常温度值。
3.2 程序流程图设计
整个系统的软件设计采用模块化编程，程序流程图如图3.2-1所示。

图3.2-1 程序流程图
3.3 DHT90软件系统设计
3.3.1 DHT90测量流程图
图3.3.1-1是DHT90测量流程图。

图3.3.1-1 DHT90测量时序图

3.3.2 传感器的电气特性
一方面它的能量消耗比较低，由电源决定电平位和输入输出电压。如图3.3.2-1是DHT90时序图。

图3.3.2-1 DHT90时序图

3.3.3 传感器指令的启动
选择供电电压后给传感器上电，并控制使电路的上电速率超过1V/ms。通电后传感器会进入大约11ms的休眠状态，这是正常的，只是此时不会发送命令。DHT90命令集如表3.3.3-1所示。

表3.3.3-1 DHT90命令集
命令
代码
温度测量
10100
读状态寄存器
11000
写状态寄存器
00110
预留
0101x-1110x
软复位，复位接口、清空状态寄存器，
即清空为默认值，下一次命令前等待 至少 11ms
11110

3.3.4 发送命令
发送命令时序图如图3.3.4-1所示。、

图3.3.4-1 发送命令时序图

3.3.5 通讯复位时序
如果与 DHT90通讯中断，下列信号时序可复位串口：当 DATA 保持高电平时，触发 SCK 时钟 9 次或更多，可参阅图3.3.5-1。

图3.3.5-1 通讯复位时序

3.4 DHT90的温度补偿及转换
3.4.1 温度转换
温度转换数可参阅表3.4.1-1，温度转度公式(3.4.1-1)。
(3.4.1-1)

表3.4.1-1 温度转换数
VDD
d1 (℃)
d1(℉)
5V
-40.1
-40.2
4V
-39.8
-39.6
3.5V
-39.7
-39.5
3V
-39.6
-39.3
2.5V
-39.4
-38.9
SOT
d2 (℃)
d2(℉)
14bit
0.01
0.018
12bit
0.04
0.072

3.5 LCD12864软件系统设计
3.5.1 LCD12864显示流程图
用FYD12864-0402B显示模块进行软件设计时应先设定显示字符位置，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大致相同，只是在显示连续字符时将会有一个空ASCII字符位置，须设定一次显示地址，由模块自动对地址加1指向下一个字符位置；当字符编码为2字节时，按先高后低的顺序写入指令；模块在接收指令前，读取BF标志时令其为“0” ，此时可以接受新的指令。LCD12864显示流程图如图3.1.5-1所示。

图3.1.5-1 LCD显示流程图

3.5.2 写数据到模块
单片机的高低电平要通过控制LCD上RS、RW、E三个引脚来发送和接收数据来实现的。值得一提的是，只有当BF=0时才能对LCD进行操作，因此在读取数据时需要进行查找筛选。“RE”负责基本指令集与扩充指令集的选择控制。使用相同指令集时，无需再次重设“RE”位。而当 “RE”改变时，以后的指令集将维持在上个指令的最终状态。
LCD写数据到模块时序图如图3.5.2-1所示。

图3.5.2-1 LCD写数据时序

3.5.3 从模块读出数据
12864液晶模块内部RAM中的相应数据可以根据LCD读数据时序图读出。需要先执行“设置页地址” 及“设置列地址”两个命令，开始从RAM中读取数据，之后，Y地址计数器会自动加1。读数据时首先进行先查忙，和上述模块一样，LCD进行操作也是当在BF=0的时候。
LCD读数据时序图如图3.5.3-1所示。

图3.5.3-1 LCD读数据时序

3.6 按键软件系统设计
控制系统中有两种可采用的方式来实现其键盘接口，即查询和中断。查询的步骤是先进行查询数据，等待查询结果，最后进行数据的传输。待到下一次数据传送时，循环上述过程。查询方式可以用于各种设备之间和CPU间的数据传送，实用性比较强。但在数据传输中却存在一个等待时间，这样一来就使得程序的效率明显降低而相对来说中断方式可以有效的解决这个问题。因此软件中常采用中断方式。
键盘可以分为独立连接式和行列式。独立式按键的工作状态可以达到互不影响的效果，它的设计是各按键可以相互独立地接通一条已被输入的数据线。它的电路设计之简单是其优势所在，而又存在着一些不可避免的缺点，就是所要占用的引脚过多，因而在行列式的过程中显得复杂有繁琐。本设计中的按键采用独立连接式的方式，在键盘扫描程序中，不仅仅要求出键值，还要做到的是使程序转移到相应的地址去完成该键所代表的操作。对数字键而言是指直接将该键值送到显示缓冲区进行显示；对功能键则是须找到该功能键处理程序的入口地址，同时转去执行它的功能。
设计中还必须排除抖动的影响，这是为了防止CPU对一次按键动作只确认一次，分硬件和软件两个方面。由于采用硬件抖动电时路，按键个数比较多容易受到局限。人们常常可以用软件去抖的方法来解决它。它的工作过程是，先用第一次按键进行检测，等待软件延时后，判断该键电平是否保持原状态还是发生了翻转。若保持闭合状态电平，则可以确认此键已经按下。从而可以检测出并消除按键抖动的影响。
这里我们队按键扫描的工作过程进行一个简单的描述，首先先通过上述方法确认键盘中是否有键按下，紧接着进行行扫描，若判断结果为是，则调用延时子程序去除抖动；若判断结果相反，则保持原状态。
在系统设计中，应尽可能使用较少的按键来进行操作，为了获取更多的操作控制功能，使整个系统变得简单方便。

结束语
得知这学期要修课程设计是在新学期的课程表上，每周一次课四节连堂，当时认为除了时间略显难熬其他的也没必要有过多的担心。这种想法一直持续到要上课的那一周，甚至是知道要写一篇一万多字的论文，我仍然觉得，借住现在强大的互联网，同学之间的互相帮助加上自身的些许努力，我能够很快的完成任务。事实总是如此，我们时常在眼高手低中放纵自己，忽略了努力的真实意义，当现实来临时往往被打的一败涂地。
接到题目初始，对于单片机知识的匮乏以及论文格式的严格使我陷入深深的恐惧，以至于很长一段时间竟无从下手，不知道要怎么开始，怎么继续，怎么结束。即便是大量的搜集网上的资料和开始不断的询问老师后，仍然是一头雾水。一时之间，深刻的为所学的专业知识的浅显而莫名的焦虑不安，甚至有种难以启齿的失落感。继续本是一件很简单的事情，唯一难的仅仅是开始而已。
生活中往往是这样，当我们得知必须要做一些事时，即便是打心底里抗拒，脑海里完全没有一点思绪，我们也会不停的去想去做。思考也算是完成一件事的一部分开始，当我认为我不知怎么开始写时，其实已经是在开始做了。而这篇论文就是在这种云里雾里的状态下开始了，很幸运我也在既定的时间内完成了它。
当然，所有事情的完成都离不开它所在的环境。环境造就了你，而你完成了这件事，所以可以说是你所在的大环境帮你完成了你要做的事。当我们需要得到一些东西时应该学会满足，而当别人给予我们一些东西时应该学会感恩。
首先要感谢指导这次论文的老师，正是其严厉的教学态度，严谨的治学精神和严格的工作作风的驱使下，我才能踏破千辛万苦完成任务。我将为我有这么一个严肃的老师而感到敬仰，对事情的严格要求也将会鞭策到我在未来的每一个工作上。
还要感谢我的学校，感谢一教的一草一木，每一寸建筑，每一个实验设备，每一缕空气……正是有了这些环境的存在，我才能一个又一个漫长的下午时，饮着窗外温暖的阳光在困难中乘风破浪，在绝望中起死回生，在勤奋与懒惰，努力与堕落的较量中占得理性的高峰，
把大学生活从平淡的纠结中解脱出来又归于平淡。
最后我想说，这次论文的完成并没有让我们背负过多的沧桑感。此时此刻，我并不认为这是一个轻松的结束，相反的我却感觉又进入了另一个沉重的开始。此过程中所有的困难时时刻刻提醒着我，我应该学习的应当知道的还有很多很多。就像火车的站点一样，所谓的终点其实也就是起点。一件事情的结束也是另一件事情的开始，大学生活依旧还在继续，明天的天空依旧蔚蓝，太阳依旧灿烂！

参考文献
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