大棚温湿度控制

毕业论文（设计）

大棚温湿度自动调控

朱康允

指导老师：王国强

班级：机电设备09

系（部）：机电工程系

专业：机电设备维护与管理

答辩时间：

1

摘要

随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素是温湿度控制。温湿度太低，蔬菜就会被冻死或则停止生长，所以要将温湿度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，工人依据读取的温度值来调节大棚内的温度。如果仅靠人工控制既耗人力，又容易发生差错。现在，随着农业产业规模的提高，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局性。为此，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温湿度自动控制系统，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。

本论文主要阐述了基于AT89C51单片机的西红柿大棚温湿度控制系统设计原理，主要电路设计及软件设计等。该系统采用AT89C51单片机作为控制器，SHT10作为温湿度数据采集系统，可对执行机构发出指令实现大棚温湿度参数调节，具有上下位机直接设置温湿度范围，温湿度实时显示等功能。上位机采用Delphi软件进行编写，用户界面友好，操作简单，可以根据大棚西红柿生长情况绘制成简明直观的作物生长走势图，从而容易得出最适合作物生长的温湿度值。

关键词：AT89C51；SHT10；蔬菜大棚；温湿度；控制系统；传感器

2

Abstract

With the popularization of trellis technology, greenhouse trellis an ever-growing number, for vegetable shed speaking, one of the most important management factor is the temperature and humidity control. Temperature is too low, the vegetables will freeze to death or stop growing, so will always control temperature and humidity in a suitable vegetable growth range. Traditional temperature control is in greenhouse trellis internal hanging a thermometer, workers according to regulate the temperature reading the temperature inside the shelter. If only by artificial control both consumption manpower, and easy to place regular orders. Now, with the improvement of agricultural industry scale, for larger quantity of trellis, traditional temperature control measures will show great bureau sex. Therefore, in modern vegetable shed management zhongtong often temperature and humidity automatic control system, in order to control the temperature, adapt to the trellis vegetable production needs.

This thesis mainly elaborated based on AT89C51 tomatoes canopy temperature and humidity control system design principle, main circuit design and software design, etc. This system USES AT89C51 single chip microcomputer as controller, SHT10 as temperature and humidity data acquisition system, may to the actuator directives realize trellis temperature and humidity parameters adjustment, has the upper and lower level computer directly set temperature range, temperature and humidity real-time display, and other functions. PC using Delphi software to compile, user friendly interface, easy operation, can according to shed tomato growth situation blazoned with simple, direct simulations of crop growth, thus easy to draw the most suitable for crop growth of temperature and humidity value.

Key words：AT89C51; SHT10;vegetable shed; Temperature and humidity; Control System; sensor

3

目录

第1章绪论 (1)

1.1系统设计背景 (1)

1.2系统功能、优势及特点 (1)

第2章设计内容 (3)

2.1总体方案的设计 (3)

2.1.1设计思想 (3)

2.1.2系统组成及框图............................ 错误！未定义书签。

2.2系统主要电路的设计 (4)

2.2.1主要芯片89C51的功能及引脚图 (4)

2.2.2温湿度检测电路的设计 (5)

2.2.3复位电路的设计 (10)

2.2.4温湿度调节系统的设计 (10)

2.2.5 SHT10数据采集程序 (11)

第3章系统软件的设计 (12)

3.1上位机软件设计 (12)

3.2通信模块软硬件设计 (13)

3.2.1 通信硬件设计 (13)

3.2.2通信软件设计 (14)

3.3系统主程序 (14)

结束语 (16)

参考文献......................................... 错误！未定义书签。4

第1章绪论

1.1系统设计背景

植物的生长都是在一定的环境中进行的，其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西红柿大棚温湿度测控系统。

西红柿属于喜温作物，但不喜高温。据实验：白天27℃，夜晚17℃，温差保持在10℃情况下，番茄生长最快。进入开花期，应加大通风量。上午棚内温度升到20℃，要逐渐打开通风口，降温排湿。从开花至浇催果水之前，棚温不要超过28℃。下午当棚温降至20℃时将通风口关闭。本系统主要完成对西红柿大棚内温度和湿度等参数的采集、存储，并具有向监控中心传送数据以及执行监控中心的指令等功能。

本系统温湿度的监控包括以下步骤：感应环境温湿度；判断感应到的温湿度是否异常；若感应到的温湿度异常，判断异常是否超过预设时间；若异常超过预设时间，则输出异常信号至主控机；异常报警；判断异常是否处理完毕；以及若异常处理完毕，解除报警。并可以利用控制器和主控机来达到机房温湿度的远程控制，从而实现环境温湿度管理的实时性和有效性。

为此，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温湿度自动控制系统，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。它以先进的技术和现代化设施，人为控制作物生长的环境条件，使作物生长不受自然气候的影响，做到常年工厂化，进行高效率，高产值和高效益的生产。

1.2系统功能、优势及特点

该检测系统充分利用AT89C51单片机的软、硬件资源,辅以相应的测量电路和SHT10数字式集成温湿度传感器等智能仪器,能实现多任务、多通道的检测和输出。并且通过RS232接口实现与上位PC机的连接,进行数据的分析、处理和存储及打印输出等。它具有测量范围广、测量精度高等特点,前端测量用的传感器类型可在该基础上修改为其他非电量参数的测量系统。温湿度检测系统采用SHT10为温湿度测量元件。系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性,经过一定的添加或改造,很容易增加功能。根据温室大棚内的温湿度、土壤水分、土壤温度等传感器采集到的信息，利用RS485 总线将传感器信息送给485 转232 的转换器，接到上

位计算机上进行显示，报警，查询。监控中心将收到的采样数据以表格形式显示和存储，然后将其与设定的报警值相比较，若实测值超出设定范围，则通过屏幕显示报警或语音报警，并打印记录。与此同时，监控中心可向现场控制器发出控制指令，监测仪根据指令控制风机、水泵、等设备进行降温除湿，以保证大棚内作物的生长环境。监控中心也可以通过报警指令来启动现场监测仪上的声光报警装置，通知大棚管理人员采取相应措施来确保大棚内的环境正常。

1.2.1系统功能及优势

1.系统优越性：系统结构清晰，高度集成化，安装、操作简单，适用于各类使用环境，操作界面充分考虑客户个性化需求，系统运行稳定性好。

2.自动记录: 实时更新并自动记录温湿值，所有温湿度历史记录及相关数据真实可靠，存储方式专用

3.易于查询: 查询任何该蔬菜温室内的固定测点及移动测点的温湿度历史数据记录、温湿度历史曲线、温湿度预警信息、温湿度超限信息、超限处理措施及整改提示、监测点环境情况评估、监测点故障、监测点地理位置等信息。

4.完整精确且灵活记录打印 :将预订的时间点自动记录所有测点的温湿度值及报警信息，形成可查询、打印的历史记录、历史曲线、报表。

5.灵活的报警功能: 报警方式有电脑声光报警、就地测点声光报警、预设地点（值班室）声光报警、手机短信报警、电子邮件报警等。

6.传感器在线标定: 需要标定系统测试精度时无须拆卸传感器，只需通过软件设定即可。

1.2.2系统特点

1.远距离 : 识别的最远距离是 80m

2.防冲突性 : 先进的防碰撞技术，可同时识别 200 个 / 秒以上标识。

3.高速度 : 最高识别速度可达 200 公里 / 小时。

4.安全性 : 加密算法与认证，确保数据安全，防止链路窃听与数据破解。

5.方向性 : 可实现有方向性和无方向性的识别。

6.高可靠 : -40 ℃ -85 ℃，防冲击。

7.成本性 : 全部采用 0.18uM 的芯片，成本更低。

8.功耗性 : 超低功耗，更健康、更安全。

9.传输性 : 全球开放的 ISM 微波频段，无须申请和付费。

10.高抗干扰性 : 对现场各种干扰源无特殊要求高抗干擾性。

11.温度特性：±0.1℃（如果要求的温度范围更宽，则要特殊定）。

12.湿度特性：±2%H（如果要求的湿度范围更宽，则要特殊定制）。

13.测量时间间隔：至少需要1.5S（如果需要更快，则要特殊定制开发）。2

第2章设计内容

2.1总体方案的设计

2.1.1设计思想

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一232标准的通信通道以事先约定的协议进行通信。

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。

4、控制部分（即温湿度调节系统）：执行远程控制指令。控制部分连接增湿装置、干燥装置、温度的控制装置等。

3

2.2系统主要电路的设计

2.2.1主要芯片89C51的功能及引脚图

芯片89C51共有40个引脚，其中电源引脚有4个，控制引脚有4个，并行的I/O 接口有32个，其引脚图如图2-2所示：

图2-2 89C51引脚

（1）电源及时钟引脚（4个）

Vcc:电源接入引脚；

Vss:接地引脚；

XTAL1:晶体振荡器接入的一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚接地）；

XTAL2:晶体振荡器接入的另一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端）。

（2）控制线引脚（4个）

RST/VpD:复位信号输入引脚/备用电源输入引脚；

ALE/PROG:地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚(低电平有效）；4

5

图2-4 SHT10传感器电路图

（1）数字集成温湿度传感器SHT10的主要特点

a.相对湿度和温度的测量兼有露点输出；

b.全部校准，数字输出；

c.接口简单（2-wire）,响应速度快；

d.超低功耗，自动休眠；

e.出色的长期稳定性；

f.超小体积（表面贴装）；

g.测湿精度±45%RH，测温精度±0.5℃（25℃）。

（2)引脚说明

a.电源引脚（VDD、GND）

SHT10的供电电压为2.4V～5.5V。传感器上电后，要等待11ms，从“休眠”状态恢复。在此期间不发送任何指令。电源引脚（VDD和GND）之间可增加1个100nF 的电容器，用于去耦滤波。

b.串行接口

6

SHT10的两线串行接口（bidirectional 2-wire）在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理，其总线类似I2C总线但并不兼容I2C总线。

①串行时钟输入（SCK）。SCK引脚是MCU与SHTIO之问通信的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有最小时钟频率。即微控制器可以以任意慢的速度与SHT10通信。

②串行数据（DATA）。DATA三态引脚是内部的数据的输出和外部数据的输入引脚。DATA在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并在SCK时钟的上升沿有效。即微控制器可以在SCK的高电平段读取有效数据。在微控制器向SHT10传输数据的过程中，必须保证数据线在时钟线的高电平段内稳定。为了避免信号冲突，微控制器仅将数据线拉低，在需要输出高电平的时候，微控制器将引脚置为高阻态，由外部的上拉电阻(例如：lOk~)将信号拉至高电平。

为避免数据发生冲突，MCU应该驱动DATA使其处于低电平状态，而外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平。

（3）命令与时序

SHT10命令如表2-1所列。

表2-1 SHT10的命令

7

8

图2-7 传感器接口电路图

9

10

2.2.5 SHT10数据采集程序

如图2-10所示，SHT10数据采集过程。

图2-10 SHT10数据采集流程图

温湿度传感器SHTl0完成一次测量的工作顺序一般为：设置传感器分辨率→发送“启动传输”命令→发送测量命令→读输出的测量值→将输出测量值转换为物理量。。微控制器首先发布一个启动传输时序，接着调用写时序发布温度或湿度(取决于人口参数)的测量命令，之后等待测量的完成，在测量完成后，调用读时序读回测量结果。需要注意的一点是，仅当通信错误标志error为0时，才说明通信正确，读回的结果有效。在主程序中若检测到通信错误标志error非零，需要使用复位时序，来复位串行端口，然后重新进行测量SHTlO数据采集程序流程图如图2.10所示：

SHT10读写数据的规则是：DATA在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并在SCK

11

时钟的上升沿有效。从微控制器向SHT10写数据的角度来看，可以理解为上升沿将触发SHT10锁存数据，即微控制器在下降沿输出数据，再给出上升沿触发SHT10锁存数据。下降沿和上升沿之间的时间间隔需要满足SHT10的数据建立时间1 (最小值为lOOns)，上升沿之后数据也需要保持一段时间，这段时间用于满足SHT1 0的数据保持时间TH(典型值为lOns)。

当SHT10完成测量后，微控制器需要发布读时序将测量结果读回。实现读时序首先需要实现8个数据位的读取。SHT10读写数据的规则是：DA—TA在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并在SCK时钟的上升沿有效。从微控制器读数据的角度理解，时钟线的下降沿将触发SHT10接口内的锁存器输出数据，输出数据在时钟线上升沿之后达到稳定，下降沿和上升沿之间的时间间隔要大于SHT10的输出数据有效时间Tv(典型值为250ns)，即微控制器需要先给出下降沿，延时一段时间待数据稳定后再读取数据。此外，微处理器需要在第9个时钟给出应答位，这属于写时序，写时序可参考前文的论述。读时序的C语言程序代码如下，程序的人口参数为0或1，0代表给出应答位，继续接收后续数据；1表示终止通信。第3章系统软件的设计

3.1上位机软件设计

上位机软件采用Borland Delphi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，它是系统启窗口等待用户操作。主窗口包括四大部分，即温动后显示在用户面前的第一个窗口，系统将在此度实时监测图形，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。温湿度数据接收软件界面图如图3-1所示：

如图3-2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。

12

13

1vrL一IA双向电平转换。MAX232芯片的转换口，包含两路驱动器和接收器的RS 一232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一232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。

3.2.2通信软件设计

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。

（1）异步通讯方式

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。

（2）通信程序的编写

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，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= For,c／[12* (2 一N)]次，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* (2 一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。

3.3系统主程序

本系统的智能核心是AT89C51，其监控程序和应用软件全部固化在EPROM 14

15

结束语

本设计从温度检测电路、输出控制电路、键盘及LED显示电路的设计等几个方面出发，详细研究和设计了基于单片机的温室大棚测控系统的各个部分内容，设计了单片机及其外围电路，并结合一套完整的程序算法。给出了一套温室大棚测控系统软硬件解决方案。系统通过温度检测电路感知西红柿大棚温度变化，通过模数转换送给单片机处理，通过键盘设定上限温度和下限温度，当温室大棚温度低于设定的温度下限值时，启动点暖风机给温室加温，当温室大棚温度高于设定的温度上限值时，停止加热，实现了温室大棚测控的自动化。采用的SHT10测量元件大大简化了软硬件的设计，系统结构简单调试方便，性价比高。而且由于SHT10的极好性能特点，提高了系统的稳定性和测量精密度。

通过这次设计，加强了我的动手、思考和解决问题的能力。使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，我也学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。

最后，感谢指导老师的指导，无论在哪方面，我都学到了许多东西。

16