温室大棚温湿度监测系统设计-毕业论文(设计)

摘要

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限性。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，以控制蔬菜大棚温湿度，适应生产需要。本论文主要阐述了基于P89LPC938单片机的温室大棚温湿度监测系统设计原理，主要电路设计及软件设计等。该系统采用LPC938单片机作为控制器，DHT11进行温湿度采集，并通过无线模块NRF24L01进行主机与从机的无线通信，利用其I2C总线技术控制SRL_11280W_LCD液晶实时显示。使用户在控制室即可监测温室大棚内的实时温湿度，从而方便用户对温室大棚的管理。

关键词: 单片机P89LPC938; 传感器DHT11；液晶SRL_11280W_LCD; 无线模块 NRF24L01

第一章绪论

1.1 课题研究背景

目前，我国农业正处于从传统农业向以优质、高效、高产为目标的现代化农业转化新阶段。而大棚作为现代化农业设施的重要产物，在国内多数地区得到了广泛应用。大棚可以避开外界种种不利因素的影响，人为控制或创造适宜农作物生长的气候环境，可以看成是一个半封闭式的人工生态环境。由于大棚中各种环境因素是可以人为控制的，因此控制技术直接决定着大棚中农作物的产量和质量。

大棚监测系统一般包括三个模块：环境参数采集模块、数据处理模块和执行模块。在目前的监测系统中，需采集的环境参数主要包括温度、湿度、CO2浓度、光照强度、土壤湿度等。在实际设计中还需根据大棚的规模及所在区域设定不同的采集方式，确保数据采集的准确性。例如我国北方地区，冬季寒冷而漫长，大棚监测最主要的一部分就是温度的调节。这时可将一天分为午前、午后、前半夜和后半夜4个时段来进行温度调节。午前以增加同化量为主，一般应将棚温保持在25～30℃为宜；午后光合作用呈下降趋势，以20～25℃为好,避免高温下养分消耗过多；日落后4～5h内,要将棚内温度从20℃逐渐降到15℃上下，以促进体内同化物的运转。此后,再将夜温降到10～12℃，以抑制呼吸、减少消耗、增加积累，但也不能降得过低,以免冻伤植物。考虑外界环境因素的同时也不能忽略植物本身的生理过程，比如植物的蒸腾作用、光合作用等，事实上大棚内的水分养料供给可以通过蒸腾这样的实测数据来决定；而CO2浓度则可根据光合作用的情况来决定，这一系列监测过程都可通过单片机系统来实现。

1.2国内外研究概况

1.2.1国外研究概况

美国是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于大棚控制和管理最早、最多的国家之一。美国开发的大棚计算机控制与管理系统可以根据作物的特点和生长发育所需要的条件，对大棚内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控，还可利用温差管理技术实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制。

在日本，作为设施农业主要内容的设施园艺相当发达，塑料大棚和其它人工栽培设施达到普遍应用，设施栽培面积位居世界前列，蔬菜、花卉、水果等普遍实行设施栽培生产。针对种苗生产设施的高温、多湿等不良环境，日本进行了几种设施项目的研究,主要有设施内播种装置、苗接触刺激装置、苗灌水装置、换气扇的旋转和遮光装置的开闭装置(温度、湿度及光照控制)、缺苗不良苗的监测及去除和补栽装置、CO2施肥装置等方面的自动化研究。

2002年，英国伦敦大学农学院利用计算机遥控技术，可以观测50km以外大棚内的温度、湿度等环境状况并进行遥控。为保证CO2气体在大棚分布均匀,大棚中通常安装通风机,搅动空气使大棚中的CO2浓度一致。

荷兰的园艺大棚也发展较早，由于地处高纬度地区,日照短,全年平均气温较低,因此,集中较大力量发展经济价值高的鲜花和蔬菜,大规模地发展玻璃大棚和配套的工程设施，全部采用计算机控制。

另外,国外大棚业正致力于高科技发展。遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于大棚的管理与控制中，随着工业制造工艺的不断发展，越来越多高精度、低价格的传感器件也在温室大棚中广泛应用，并且近几年各国温湿度控制技术提出建立大棚行业标准，也使得大棚行业朝着网络化，大规模，无人化的方向

发展。

1.2.2国内研究概况

国内的计算机应用开始于上世纪70年代中期，当时主要用于数据的统计分析和计算。70年代末起，我国陆续从以色列、美国、日本、荷兰等国引进了许多先进的现代化大棚，在吸收国外发达国家高科技大棚生产技术的基础上，我国农业科研工作人员进行了大棚内部温度、湿度、光照、CO2浓度等环境参数控制技术的综合研究。

1987年中国农业科学院引进了FELIXC 512系统,并建立了全国农业系统的第一个计算机应用研究机构。到了90年代初期,计算机开始用于大棚的管理和控制领域。

2000年，金钰研究了工业控制机IPC在自动化大棚控制中的应用。该研究是以工业控制机为核心采集环境信息，控制执行机构。实现了大棚的封闭环境控制，但该系统布线复杂,维护困难且成本过高。

2005年，杜辉等研究了基于蓝牙技术的分布式大棚监控系统。该系统将蓝牙技术和现场总线技术相结合运用于大棚群的监控，提高了系统的可靠性、降低了数据传输过程中干扰。但由于蓝牙技术本身的不成熟，该系统的实际应用仍需要一定的时间。

2007年，唐娟等研究了基于新型AVR单片机的大棚测控系统。该系统把个体生产和规模化生产相结合，在单个大棚生产实现智能自动化的基础上实现连栋大棚的规模化生产。但是所有性能都集中在单片机上，单片机系统一旦出现故障，整个系统都会失控。

2008年，周茂雷，郭康权研究出了基于ARM7微处理器的大棚控制器系统。该系统能通过AD算法实现大棚各路模拟量、开关量实时动态采集，将采集到的数据经处理后定时保存并送出控制量。

1.3选题的现实意义

随着单片机和传感技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温湿度控制措施。但是，目前应用于温室大棚的温湿度监测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟开关、A/D转换器及单片机等组成的传输系统。这种温湿度度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大。为了克服这些缺点，本文参考了一种基于单片机并采用数字化单总线技术的温度测控系统应用于温室大棚的的设计方案，根据实用者提出的问题进行了改进，提出了一种新的设计方案,在单总线上传输数字信号。即采用DHT11温湿度传感器解决传输模拟量误差大的问题，以及采用高技术的无线收发模块来代替之前大量的电缆，具有更好的经济与实用价值。

本文介绍的温湿度测控系统就是基于单总线技术及其器件组建的。该系统能够对大棚内的温湿度进行采集，利用温湿度传感器将温室大棚内温湿度的变化，变换成数字量，其值由单片机处理，最后由单片机去控制液晶显示器，显示温室大棚内的实际温湿度，同时通过无线通信模块，将大棚内的温湿度自动发送给控制室，并在控制室的液晶显示器上实时显示出来。这种设计方案实现了温湿度实时测量、显示和无线传输。该系统抗干扰能力强，具有较高的测量精度，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。这种温湿度测控系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对温湿度的实时监测，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，以带来很好的经济效益和社会效益。