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基于AT89C51单片机的温室大棚环境测控系统设计.doc
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基于AT89C51单片机的温室大棚环境测控系统设计.doc
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目 录
目录 .......................................................................................................................................................................1
1 绪论 .................................................................................................................................................................1
1.1 课题背景 ..............................................................................................................................................1
1.1.1 大棚环境对农作物生长的影响 .............................................................................................1
1.1.2 温室大棚的国内外发展现状及趋势 .....................................................................................2
1.1.3 本课题的研究意义及主要内容 .............................................................................................3
2 总体方案的设计 .............................................................................................................................................5
2.1 实现功能 ..............................................................................................................................................5
2.2 总体方案设计 ......................................................................................................................................5
2.3 详细设计 ..............................................................................................................................................6
3 系统硬件设计 .................................................................................................................................................7
3.1 单片机的选择及其特性 ......................................................................................................................7
3.1.1 单片机的概述 .........................................................................................................................7
3.1.2 AT89C51 简介 ..........................................................................................................................7
3.2 温度传感器的选择及其电路设计 ....................................................................................................11
3.2.1 温度传感器 AD590 简介 .......................................................................................................12
3.2.2 温度测量电路 .......................................................................................................................12
3.2.3 A/D 转换器 ADC0809 简介 ....................................................................................................15
3.2.4 分频器 CD4043 ......................................................................................................................16
3.3 湿度传感器的选择及其电路设计 ....................................................................................................17
3.3. 1 湿度传感器 HS1101 简介 ...................................................................................................17
3.3.2 湿度测量电路 .......................................................................................................................18
3.4 二氧化碳浓度的采集及电路 ............................................................................................................20
3.4.1 二氧化碳浓度传感器 TGS4160 的简介 ..............................................................................20
3.4.2 传感器 TGS4160 的电路连接 ..............................................................................................21
3.5 单片机外围控制电路设计 ................................................................................................................22
3.5.1 “看门狗”电路 ...................................................................................................................22
3.5.2 电源电路 ...............................................................................................................................24
3.6 键盘电路与显示单路设计 ................................................................................................................24
3.6.1 键盘电路设计 .......................................................................................................................24
3.6.2 显示电路设计 .......................................................................................................................25
3.7 声光报警系统 ....................................................................................................................................27
3.7.1 蜂鸣器简介 ...........................................................................................................................27
3.7.2 报警电路 ...............................................................................................................................28
3.8 执行机构电路设计 ............................................................................................................................29
3.8.1 固态继电器简介 ...................................................................................................................29
3.8.2 执行机构电路 .......................................................................................................................30
4 环境参数测控系统软件设计 .......................................................................................................................32
4.1 编程语言 ............................................................................................................................................32
2
4.1.1 控制程序设计 .......................................................................................................................32
4.1.2 主控制程序设计 ...................................................................................................................32
4.2 系统的各子程序 ................................................................................................................................34
4.2.1 数据采集子程序 ...................................................................................................................34
4.2.2 湿度信号采集流程图 ...........................................................................................................35
4.2.3 键盘子程序 ...........................................................................................................................36
4.2.4 键盘显示子程序 ...................................................................................................................37
附录 系统程序 ...................................................................................................................................................38
总结 .....................................................................................................................................................................45
致谢 .....................................................................................................................................................................46
参考文献 .............................................................................................................................................................47
1
1 绪 论
1.1 课题背景
1.1.1 大棚环境对农作物生长的影响
作物的生长发育及产品的最终形成以及其产量与质量一方面取决于作物本身的遗传特
性,另一方面取则决于外部环境条件。在实际生产中,一方面通过育种技术来获得具有新遗
传性的品种,另一方面要通过先进的栽培技术及适宜的环境条件来控制其生长和发育。影响
作物生长发育的环境条件主要包括:温度、湿度、光照、CO
2
浓度、土壤等。所有这些环境条
件之间是相互作用、相互联系、相互耦合的,某个控制变量发生改变,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。下面就这些环境条件对作物
的影响进行简略说明。
1.温度
作物生长发育适宜的温度,随种类、品种、生育阶段及生理活动的变化而变化。为了增
加光合产物的生成,抑制不必要的呼吸消耗,在一天中,随着光照强度的变化,实行变温管
理是一种很有效的管理方法。
2.湿度
温室内作物对水分的要求体现为对温室内空气湿度和土壤湿度的要求。空气湿度用相对
湿度来表示,因为相对湿度更能反应事实。根据有关研究记载,除了阴雨天以外,温室内午
后过低的空气湿度会导致作物发生光合作用的午休现象,因此空气相对湿度的大小直接影响
到作物的光合作用,这时就需要增加温室内的空气湿度。当温室内的空气湿度较高时,可能
会诱发一些病虫害。温室中空气湿度的管理包括增湿和降湿。
土壤湿度对作物的影响也很大。如果土壤中水分过剩,湿度过高,导致土壤中的氧气含
量减少,作物根部呼吸困难,进而危害作物的生长发育。相反,当土壤中含水量减少时,作
物根部吸收的水分就相应的减少,从而阻碍作物的生长,严重时作物出现萎蔫现象。不同的
作物对湿度的要求不同,即使是同一种类在不同发育阶段对湿度的要求也不尽相同。
土壤湿度的管理就是把包括渗灌、滴灌、微灌等灌溉技术应用到温室中来。传统的大水
漫灌既浪费水资源,又容易使土壤发生板结,提高了室内湿度。在温室中应用渗灌技术具有
灌水均匀,提高地温,保持土壤疏松,降低室内湿度,减轻病害发生,生育期提前等优点。
3.光照
光照是植物环境中的重要因素,是植物生产有机质的能量来源,是作物生长发育的关键
条件之一。光照不足,必然影响到植物的生长。对作物生产的影响主要表现在光照强度、光
照时间、光质三个方面。
光质即光波的组成,研究表明作物叶片具有对可见光的高吸收率和对红外线的低吸收率
这一习性,这有利于作物在有效的利用光能进行光合作用的同时使光合器官免受高温的伤害。
光照强度直接影响到光合作用的强度。光照强度过高或过低对作物都有害。当光照强度
2
高于光饱和点时,就需要降低温室内的光照强度。当光照强度低于光补偿点时,就需要进行
人工补光。温室中常用的人工光源有白炽灯、卤钨灯、高压水银荧光灯、高压钠灯、金属卤
化物灯等。
4.CO
2
浓度
温室内 CO
2
的控制就是掌握好浓度。使作物获得最大生长率的 CO
2
浓度,取决于作物
的生长阶段、光照强度、温度等因素。为了最大限度的提高施肥效果,施放 CO
2
时,必须控
制在温度、湿度、光照度等条件满足之后进行。
综上所述,温室内各环境因子之间存在着强烈的相互作用,作物是在各环境因子的综合
影响下生长的,而不是单个因素作用的结果,各环境因子对温室作物的作用也不是简单叠加
的。因此,单因子控制是不能达到良好效果的。所以设计智能化温室环境测控系统时须辅以
有关的调控技术以及各环境因子之间的相互耦合系数,控制各参数因子处在相对最佳组合的
水平,这样才能使种植者获得最佳的产量与经济效益。
1.1.2 温室大棚的国内外发展现状及趋势
现在世界各国的设施园艺发展很快,一些国家在实现自动化的基础上正向着完自动化、
无人化的方向发展。发达国家近二十年来建造的温室,自动化水平高,都设自动监测、数
据采集和集中控制系统,包括各种传感器、计算机及各种电气装置等。各国温室技术研究
的核心是温室复合环境优化控制研究。主要包括:
生态环境因素控制自动化:生态环境因素控制自动化的主要内容是温、湿度的自动调节,
灌水量、水温自动调节,CO
2
施肥自动调节,温室通风换气自动调节等。通过控制各种相
应的操作设备来控制上述内容,以达到给作物创造最佳生长环境的目的。对环境影响因素
采用的控制方法一般有两种:(1)单因子控制。这是对温度、湿度、光照和 CO
2
浓度等进行
单独控制的方法,其中主要是控制温度,其次是湿度,包括空气湿度和土壤〔或基质〕的
湿度。其局限性在于外界气候的变化随时影响到室内的小气候,靠人工指令随时进行相应
改变是很难办到的。(2)多因素综合控制。这是 80 年代发展起来的利用计算机控制温室环
境因素的方法,将各种作物不同生长发育阶段需要的适宜环境条件要求输入计算机程序,
当某一环境因素发生改变时,其余因素自动做出相应修正或调整。一般以光照条件为始变
因素,温度、湿度和 CO
2
浓度为随变因素,使这 4 个主要环境因素随时处于最佳配合状态。
环境监测控制技术:环境控制技术是温室技术的核心。现代大型温室中,所有环境因子
如室内温、光、气、湿、热、营养液养分状况与温度、植物根部环境温湿度等因子的监测、
传感、调节,都由计算机进行综合管理,实行自动控制。国外先进温室,对室内外气温、
风力、降雨等气象情况,室内空气温湿度、土壤温度和含水量、光照强度、CO
2
浓度、营
养液的酸碱度(PH 值)、导电率(EC)和温度等环境参数,可利用计算机自动进行检测并实施
控制。有的系统还可监测叶面积指数、叶温、蒸腾量和长势等生物活体信息,对生物体的
重量、大小、形态等进行非接触式和非破坏性监测,从而对温室溜溉、施肥、加热、降温、
补光、保温、遮阳、CO
2
浓度、加湿、除湿等作业进行综合控制.还有人根据产品市场价格
变化的规律和作物生长规律,对作物的光合作用条件进行优化控制,以期获得最好的经济
效益。
3
近年来我国的温室控制取得了长足的进步,首先在温室群控制方面,进行了初步的探
索和理论研究,其次在温室控制中引入了人工智能和先进的控制算法,如专家系统、遗传
算法、模糊控制等理论和控制策略。当前温室控制系统研究热点己由简单的 DDC(直接数字
控制)发展到分布式控制系统,如 DCS(分布式控制)、FCS(柔性控制)等网络化的控制系统。
目前,在相关行业己经有网络化测量和控制方面的研究,实现网络化、分布式数据采集系
统取代传统孤立的、信息闭塞的系统,甚至跨越以太网或 Internet 进行数据采集,
实施远程控制。虽然国内温室规模有限,还没有形成规模经济,另外构建的费用也较
高,但从长远来看,温室监控系统分布式和网络化将是一种必然的趋势。
总的来说,国外现代温室环境控制系统性能先进,产出效益高,但价格昂贵,维护不
便,并且也是根据本国自己国情的不同有所侧重,因此不能全盘照搬用来指导我国的温室
生产。
温室环境系统是一个多变量的大惯性非线性系统,并且有藕合、延迟等现象,很难对
这类系统建立数学模型及用经典控制方法和现代控制方法实现控制。近年来,随着神经网
络、遗传算法、模糊推理等新的控制理论不断出现并逐渐应用于温室控制领域,这一问题
得到很好的解决。温室控制软件也越来越多,越来越方便与成熟,专家系统也不断发展和
完善,并成为当前温室控制技术研究的重要方向。
1.1.3 本课题的研究意义及主要内容
本设计研究内容表述如下:
(1)控制器以单片机为核心,整个系统包括主控制模块、数据采集与处理模块、输出控
制模块、键盘及显示模块。数据采集与处理模块能够完成温室内温度、湿度和二氧化碳浓
度的采集和处理。
(2)监控管理软件的设计为控制器(单片机)软件的设计和开发。采用单片机汇编语言编
写。
本课题针对于当前我国温室环境控制相关技术面临的一些问题提出一定的方案,希望
解决温室控制系统的高成本低效益的现实困难推进温室的产业化和智能化发展步伐,从而
有利于我国现代设施农业向规范化,低成本、产业化、智能化方向发展。
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