本科毕业设计正文-温室智能控制系统设计

1 引言

1.1 课题背景及研究意义

中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，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。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，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。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，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。因此，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、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质高效益的重要环节。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。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。当前农业温室大棚大多是中小规模，要在大棚内引人自动化控制系统，改变全部人工管理的方式，就要考虑系统的成本，因此，针对这种状况，结合郊区农户的需要，设计了一套低成本的温湿度自动控制系统。该系统采用传感器技术和单片机相结合，由上位机和下位机构成，采用RS232接口进行通讯，实现温室大棚自动化控制。

中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，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。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控

制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，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。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，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。因此，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、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。

1.2国内外温室控制技术发展概况

温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。

国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。

国内温室测控技术研究状况，以集散控制系统和国内温室测控技术为主，从80年代开始，我国的农业工程科技人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度和CO

等单项环境因子控制技术的研究，并逐步推出适宜我国经

2

济发展水平又能满足不同生态气候条件需要的温室产品。

20世纪90年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和蔬菜花卉研究所，研制开

发了温室控制与管理系统，并采用Visual Basic开发了基于windows操作系统的控制

软件。90年代中后期，江苏理工大学毛罕平等研制开发了温室软硬件控制系统，能对营

，施肥等进行综合控制，是目前国产化温室计算机控制系统养液系统、温度、光照、CO

2

较为典型的研究成果。可以看出我国温室设施计算机应用与研究，在总体上正从消化吸

收、简单应用阶段向实用化、综合性应用阶段过渡和发展。这些无疑对我国的温室发展

起了积极的作用，但是与国外先进水平相比仍有一定的差距。

1.3 选题的目的和意义

温室是农业大棚植物栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类的植物对温度及湿

度等生长所需条件的要求也不尽相同，为它们提供一个更适宜其生长的封闭的、良好的

生存环境，以提早或延迟花期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。随着现代科技的

发展，电子计算机已用于控制温室环境。该系统可自动控制加热、降温、通风。温室环

境自动化控制系统在大型现代化温室的利用，是设施栽培高新技术的体现。我国的农业

工程科技人员在吸收发达国家高科技温室生产技术的基础上，进行了温室中温度、湿度

和CO

等单项环境因子控制技术的研究，并逐步推出适宜我国经济发展水平又能满足不2

同生态气候条件需要的温室产品。

随着我国社会主义经济的不断发展，人们的物质生活日益提高，农业大棚种植蔬菜

水果己经普及。在此，利用一些高水平的环境控制系统能够根据传感器采集室温、叶湿、

地湿、室内湿度、土壤含水量、溶液浓度、二氧化碳浓度、风速、风向以及植物作物生

长状态等有关参数，结合作物生长所需最佳条件，这样的话，我们不仅可以利用计算机

控制室内的温、湿、光、水、肥、气，自动调接各参数的最佳状态，而且结构简单实用，

促进了工厂化农业的大发展向现代农业转型提供的基础。因此农业大棚控制装置对作物

的生长以及节省人力物力有着重要意义。

2 农业大棚环境智能控制的系统设计

目前 ,我国农村使用的简易日光温室绝大部分采用手动控制 ,生产效率低下 ,单位产品的生产成本偏高。随着温室产业的发展 ,温室作物趋向于多样化 ,对温室的控制要求也随之提高 ,手动控制因其控制精度低已开始不能满足温室生产的需求 ,需要设计一种控制器减少手动控制。而当今国内常见的智能温室系统都是采用工控机,价格昂贵 ,较大部分用户经济能力承受不起。因此 ,在系统的设计过程中要充分考虑用户的经济承受能力 ,减少温室设计中的各种成本 ,提高劳动生产率 ,这在温室上具有较为深远的意义。为此 ,针对简易日光温室对温度、湿度以及光照度等环境因素的控制要求 ,设计和开发了基于单片机的低成本温室自动化控制系统。

温室内气温、地温对作物的光合作用、呼吸作用、根系的生长和水分、养分的吸收有着显著的影响，因此影响作物生长发育的环境条件中，以温度最为敏感，也最为重要，对温室环境控制的研究也是最先从温度控制开始的。不同种类的作物对温度的要求是不同的，同一作物在不同发育阶段对温度的要求亦有所不同，而且在同一发育期阶段内对温度的要求也会随着昼夜变化而呈周期性地变化。一般说来在白天作物进行光合作用需要的温度较高，晚上维持呼吸作用所需的温度要低一些。另外温室内的气温要受到太阳辐射强度和室外气温变化的影响，在温室环境自动控制系统的研制中应该考虑到这种情况。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。

2.1 控制方案设计

植物的生长是在一定环境中进行的 ,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温度、湿度和光照度。环境中昼夜的温度、湿度和光照度的变化大 ,对植物生长极为不利。现代温室有内外遮阳系统、加温系统、自然通风系统、湿帘风机降温系统、补光系统、补气系统、环流风机、灌溉系统、施肥系统、自动控制系统等常用的环境系统，能够对植物的生长进行合理的控制 ,而如何才能合理地控制这些配套设备的运作和协同则需要有一套完善的硬、软件温室系统进行控制。因此 ,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测控系统。该系统由单片机对温度、湿度等参数进行巡回测量 ,并对测量的结果进行优化补偿 ,并进行调控 ,此外主控制器还可以同时完成系统参数测量 ,数据存储等，硬件总体设计结构如图2.1所示。由图2.1可知 ,整个系统采用单片机为处理核心 ,通过温室现有的各种传感器检测温室的温度、湿度、光照度等环境因素 ,经由控制系统传输到 CPU 中 ,并与系统设定值进行比较、判断、处理以及相关数据的存储。然后将 CPU 处理后各种控制结果传送到电机和电磁阀等执行机构上 ,从而实现对温室的控制。温室独立控制系统上还包扩各种人机界面和数据传输接口 ,实现了人机交换方式以及实时参数的设定。

图2.1 总体结构图

2.2 系统硬件结构

整个系统采用模块化设计，硬件结构由传感器和单片机、控制装置组成，传感器将物理参量转换为电压并完成信号的调理，再送人模数转换器ADC0809 ,由下位单片机AT89C51读取，单片机将数据通过RS232总线送给上位机，上位机设有显示功能，根据预先设置的参数决定要采取的措施，并将信息传给下位机，由下位机控制通风和喷灌装置，也可以通过键盘强制控制。智能温室大棚控制系统的组成基于两个方面：单栋温室大棚控制系统和集约化生产连栋温室大棚控制系统。后者建立在前者的基础上，前者适主控计算机（PC 机）

串行通信接口

数据采集/控制器2 数据采集/控制器3

数据采集/控制器1 光照传感湿度传感温

度

传

感光控驱动

湿控驱动温控驱动

于我国农村个体经营的现状。对于单栋温室大棚控制系统，设置了独立的控制和显示等功能，并设置了RS-232 和 RS-485通讯接口，便于和上位机通信，实现集散控制系统，其模式如图2.2。另外，在设计过程中考虑到农生产的特点，每个系统的各部分接口都作了模块化设计，并增加备用接口和功能，便于大棚生产重建和生产场地的变化，也增加了系统的通用性，扩大了适用范围。

图2.2 集散控制系统实现 2.3 温室大棚的硬件组成

2.3.1 传感器

本系统设计了对与作物生长发育有关的环境温度、湿度、光照度、CO2含量及土壤水量等参数进行采集的功能，实现温室大棚内各种参数的数据采集任务，传感器负责对温室环境因子的采集，将采集信转换为0-5伏的电压信号，送入ADC0809, 再经过数模转换, 供单片机使用，而使用的各种类型传感器，分别介绍如下：

1） 温度传感器

DS18B20温度传感器的选择余地较大 可选用集成温度传感器 铂电阻传感器及数字式传感器本系统采用广州市科技发展公司自动化研究室生产的“可选通式温度传感器” 型号为KSG 。优点是内置选通码和数字信号传输，测温范围为-10℃-50℃，精度为：≤0.3℃，适用于远距离传输。

2） 湿度传感器

温室的湿度如果能控制在一定范围内，则可以大大降低双霉病、炭霉病及疫害病的发病率。 本系统的湿度传感器选用湿度传感器HS1101, 该传感器采用热固,聚脂电容式传感头, 同时在内部集成了信号处理功能电路。

3） 光照传感器 上

位

机 通讯接

口

大棚1

大棚n-1

大棚2

大棚n

光照传感器RHD-18选用感应元件及滤光系统构成光照传感器, 该传感器将0-150000LX的光照信号转换为电压信号，此信号经运放电路放大为0ⅴ-5ⅴ电压输出。

4）土壤湿度传感器

RHD-100土壤湿度传感器采用邯郸瑞华电子有限公司生产的土壤湿度传感器，该传感器由陶头、塑料连接管、压阻传感器、真空表头四部分组成，该传感器输出为电压值此电压值虽能反映出土壤水势的状态变化但它不能直观地反映土壤水势指标值，所以需对传感器进行重新标定。

5）土壤温度传感器

RHD-20土壤温度传感器是用来测量传感器周围环境温度参数,转换成模拟量信号输出,提供给采集设备.适用范围：广泛应用于气象、环境、农业、林业、水利、电力、科研等需要测量土壤温度的领域。

6） CO2传感器

CO2传感器选用RHD-21传感器，此传感器具有精度高，选择性好，浓度检测范围大等特点，此传感器将质量分数范围在0-1000×10-6浓度的CO2转换为0-5ⅴ电压输出。传感器输出的电压信号，直接送至A/D转换器，经A/D转换后由单片机进行相应的运算、显示和储存。

7）露点温度传感器

露点温度传感器选用ALS100，产品具有以下显著优点：稳定性好，可靠性高，能输出稳定的模拟信号，经A/D转换后由单片机进行相应的运算、显示和储存。

8）叶面湿度传感器

叶面湿度传感器传感器可测量植物叶片表面水份的百分比含量，采用电阻测量原理，它由表面感应格珊和信号变送器组成，使用时将传感器安装被测植物叶片附近，传感器将模拟植物叶片获得水份的过程

2.3.2 单片机控制系统和微机系统

它主要包括：ADC0809数模转换、单片机89C51、继电器、侍服电机、本系统配备了89C51、ADC0809等芯片, 具有较强的抗干扰能力微机系统采用普通的微机即可实现此类控制目的。

1） A/D 转换

该设计选用ADC0809 把各被检测电压信号转换为数字信号送至主控制器，其优点在于换精度高，抗干扰能力强，线性度高，并可通过软件程下直接实现温度、土壤含水率等参数的切换。这里选择应用广泛的逐次逼近式ADC0809芯片。ADC0809管脚配置如图

2.3所示。

2 -1MSB 21ADD B 24ADD A 25ADD C 23VREF(+)

12

VREF(-)

16IN31

IN42

IN53

IN64

IN75

START 6

2 -58EOC 7

OUTPUT ENABLE 9

CLOCK 10

VCC 11

2 -220GND 13

2 -7142 -6152 -8LSB 172 -4182 -319IN228

IN127

IN026

ALE 22U1

ADC0809

图2.3 ADC0809管脚配置

2）ADC0809引脚配置及其接口电路设计 ADC0809芯片属ADC0808系列多通道8位CMOS 模数转换器。其芯片内置有多路模拟开关以及通道地址译码和锁存电路，因此能够对多路模拟信号进行分时采集与转换。ADC0809是8位逐次比较式A/D 转换芯片，28引脚，双列直插封装，具有地址锁存控制的8路模拟开关，应用单一+5V 电源，其模拟输入电压范围为0～十5V ，对应的转换数字量为OOH-FFH ，转换时间为100us,无须调零或调整满量程。因此能够实现 8路模拟信号的分时采集和转换 (每个瞬间只能转换一路)，转换后的数据送入三态输出数据锁存器。

A/D 转换原理及过程:ADC0809最多允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D 转换器进行转换，由A, B, C 编码选择通道号通过最高位至最低位的逐次检测来逼近被转换的输入电压。 A/D 转换过程主要包括采样量化及编码。采样是使模拟信号在时间上离散化，量化及编码是把采样后的值按比例变换成相应的二进制数码口如8位A/D 转换器所采集到的0-5V 电压转换成为OOH-FFH 相对应的数字量。通过数字量的运算比较的结果实现对模拟量的测量及控制。

3）系统控制器