基于单片机的智能温室大棚控制系统

摘要
温室是现代农业生产所必需的基本设备，用它有效地控制温度、光照、湿度、二氧化碳浓度等是改变植物生长环境、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前提。

本设计以STC89C52单片机为核心完成了对空气温度、土壤湿度、光照度进行数据的采集、处理、显示等系统的基本框图、工作原理和继电器控制的设计的工作。

主要内容有：（1）通过单片双端集成温度传感器AD590采集实时温度。

（2）通过湿度传感器HS1100采集实时湿度。

（3）通过固态电化学性二氧化碳传感器TGS4160采集二氧化碳浓度。

（4）判断采集到的参数值与设置值是否一致，并进行继电器控制。

通过以上设计可以对植物生长过程中的土壤湿度、环境温度、光照度以及二氧化碳浓度进行了实时地、连续地检测、直观地显示并进行自动地控制。

克服了传统的人工测量方法不能进行连续测量的弊端，节省了工作量，并避免了人为的疏漏或错误造成的不必要的损失。

关键词：单片机温度传感器湿度传感器二氧化碳传感器
In this paper
Greenhouse is essential for modern agriculture basic equipment, use it to effectively control, such as temperature, light, humidity, carbon dioxide concentration is to change the plant growth environment, create the best condition for plant growth, avoid the seasons change and the influence of bad weather. This design to STC89C52 single-chip microcomputer as the core to complete the air temperature, soil moisture, and light for data acquisition, processing and display system of the basic block diagram, working principle and the design of relay control work. Main contents are: (1) by monolithic integrated temperature sensor AD590 to collect real-time temperature. (2) by the humidity sensor HS1100 gathering real-time humidity. (3) through solid electric chemical carbon dioxide sensor TGS4160 collecting carbon dioxide concentrations. (4) determine whether collected parameter value and set value, and relay control.
Through the above can be designed for plants to grow in the process of soil humidity, environment temperature, light and co2 concentration in real time, continuous detection, display visually and automatically control. Overcomes the traditional continuous measurement of the shortcomings of manual measurement method does not, and save the workload, and avoid the unnecessary loss caused by the omission or human error. Key words：SCM temperature sensor humidity sensor carbon dioxide sensor
目录
1.绪论 (1)
1.1 课题背景及研究意义 (1)
1.2 国内外温室控制技术发展概况 (2)
1.2.1国外状况 (3)
1.2.2国内状况 (3)
1.3 选题的目的和意义 (3)
2. 温室大棚自动控制系统控制方案设计 (5)
2.1 控制方案设计 (5)
2.2 系统硬件结构 (6)
2.3 温室大棚的硬件组成 (7)
2.3.1 传感器 (7)
2.3.2 单片机控制系统和微机系统 (10)
2.4 温室大棚的软件组成 (11)
2.4.1 单片机软件设计 (11)
2.5 测试系统的组成及原理 (13)
2.5.1 测试系统的设计 (13)
（1）温度测量电路 (13)
（2）湿度测量电路 (14)
（3）CO2含量测量电路 (15)
2.5.2 微处理器系统 (16)
2.6 程序模块 (16)
2.6.1 主程序 (16)
2.6.2 显示子程序 (16)
2.6.3 A /D转换测量子程序 (17)
2.6.4 显示数据转换子程序 (17)
3.温室大棚的数据采集系统 (18)
3.1 系统设计 (18)
3.1.1 系统组成 (18)
3.1.2 系统工作原理 (19)
3.2 系统软件设计 (19)
3.2.1 上位机软件设计 (19)
3.2.2 下位机软件设计 (19)
3.3 误差分析 (19)
3.4 可靠性设计 (19)
3.4.1 硬件可靠性设计 (20)
3.4.2 软件可靠性设计 (20)
4.温室大棚监测控制系统 (21)
4.1 系统的总体结构和特点 (21)
4.1.1 系统的总体结构 (21)
4.2 主要特点 (22)
4.2.1 信号检测的多元化 (22)
4.2.2 信号检测的连续化 (22)
4.2.3数据采集与处理的实时化 (22)
4.2.4系统功能的易扩充性 (22)
4.3硬件结构 (22)
4.4系统软件设计 (23)
4.4.1控制系统软件结构 (23)
4.4.2软件的实现 (24)
5.总结 (25)
致谢 (26)
英汉互译 (27)
参考文献 (35)
附主程序流程图 (36)
第1章绪论
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，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。

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( 都用单片机实现) 构成，采用485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。

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。

1.2国内外温室控制技术发展概况
1.2.1国外状况
世界发达国家如荷兰、美国、以色列等大力发展集约化的温室产业，温室内温度、光照、水、气、肥实现了计算机调控，从品种选择、栽培管理到采收包装形成了一整套完整的规范化技术体系。

美国是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一。

美国有发达的设施栽培技术，综合环境控制技术水平非常高。

环境控制计算机主要用来对温室环境(气象环境和栽培环境)进行监测和控制。

以花卉温室为例，温室内监控项目包括室内气温、水温、土壤温度、锅炉温度、管
浓度、Ec 道温度、相对空气湿度、保温幕状况、通窗状况、泵的工作状况、CO
2
调节池和回流管数值、pH调节池和回流管数值；室外监控项目包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等。

温室专家系统的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带来了很大方便[2]。

以园艺业著称的荷兰从20世纪80年代以来就开始全面开发温室计算机自动控制系统，并不断地开发模拟控制软件。

目前，荷兰自动化智能玻璃温室制造水平处于世界先进水平，拥有玻璃温室1.2万多平方米，占世界1/4以上，有85％的温室用户使用计算机控制温室环境。

荷兰开发的温室计算机控制系统是通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示，可绘制出设定参数曲线、修正值曲线
以及测量的数据曲线，可以从数据库内调出设定的时间段内参数以便于必要的数据查询，并能直接对计算机串行口进行操作，完成上位机与下位机之间的通信。

上位机软件集参数设置、信息显示、控制等功能于一体，同时还能够很好地完成温室灌溉和气候的控制和管理。

此外，国外温室业正致力于向高科技方向发展。

遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中。

控制要求能在远离温室的计算机控制室就能完成，即远程控制。

另外该网络还连接有几个通讯平台，用户可以在遥远的地方通过形象、直观的图形化界面与这种分布式的控制系统对话，就像在现场操作一样，给人以身临其境之感。

1.2.2国内状况
我国农业计算机的应用开始于20世纪70年代，80年代开始应用于温室控制与管理领域。

20世纪90年代初期，中国农业科学院农业气象研究所和作物花卉研究所，研制开发了温室控制与管理系统，并开发了基于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人研制开发了温室软硬件控制系统，
、施肥等进行综合控制，是目前国产化温室能对营养液系统、温度、光照、CO
2
计算机控制系统较为典型的研究成果。

在此期间，中国科学院石家庄现代化研究所、中国农业大学、中国科学院上海植物生理研究所等单位也都侧重不同领域，研究温室设施的计算机控制与管理技术。

“九五”期间，国家科技攻关项目和国家自然科学基金均首次增设了工厂化农业(设施农业)研究项目，并且在项目中加大了计算机应用研究的力度，其中“九五”国家重大科技产业工程“工厂化高效农业示范工程”中，直接设置了“智能型连栋塑料温室结构及调控设施的优化设计及实施”的专题[3]。

20世纪90年代末，河北职业技术师范学院的闫忠文研制了作物大棚温湿度测量系统，能对大棚内的温湿度进行实时测量与控制。

中科院合肥智能机械研究所研制了“农业专家系统开发环境—DET系列软件”和智能温室自动控制系统，能够有效地提高作物产量、缩短生长期、减小人工操作的盲目性。

北京农业大学研制成功“WJG-1”温室环境监控计算机管理系统，采用了分布式控制系统。

河南省农科院自动化控制中心研制了“GCS—I型智能化温室自动控制系统”，采用上位机加PLC的集散式控制方法，软件采用智能化模糊算法。

中国农业大学设计研制的“山东省济宁大型育苗温室计算机分布式控制系统”，实现了计算机分布式控制[4]。

1.3 选题的目的和意义
温室是观赏植物栽培生产中必不可少的设施之一，不同种类观赏花卉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。

根据需要，通过按键将温度信息输入MCU，根据情况可随时调节环境。

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。

本文将使用8051型单片机对温度及湿度控制的基本原理实例化，利用现有资源设计一个实时控制温室大棚温度、湿度等的控制系统。

目的是通过这次毕业设计，让我们将课本知识与实践相结合，更加深刻的理解自动控制的运作模式及意义，也能够将所学知识和技能更多的运用于生活和工作中，学以致用。

第2章温室大棚自动控制系统的控制方案设计
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或者PLC方案,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STC89C58RD +单片机的低成本温室自动化控制系统。

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STC89C58RD +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,经由控制系统的8路模拟量、数字量输入接口传输到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通过16路开关量输出口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。

本控制系统采用宏晶科技公司生产STC 51系列单片机控制器(STC89C58RD+)。

该单片机具有强加密性,无法解密，具有超强的抗干扰性能,且芯片内部自带看门狗。

STC89C58RD+单片机最高时钟频率为0～80MHz,32k的 Flash存储器、1280字节的RAM、拥有P4口适合需要多I/O的系统设计、16k字节的E2PROM可以提供比其它单片机更多的存储空间。

其
不需要依靠任何烧录器,直接通过电脑上的串口以ISP方式进行烧录。

这种单片机的烧录方式操作简单容易,程序的调试灵活,修改方便,且不受地域、时间和环境的影响和限制,可为以后产品的改进和升级提供方便。

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AT89S51读取，单片机将数据通过485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
温室大棚的硬件组成原理如图2.3所示：
图2.3 温室大棚系统的主要硬件组成原理图
2.3.1 传感器
含量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、CO
2
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
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。

1.1温度传感器AD590简介
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。

是利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。

AD590具有线性好、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小，抗干扰能力强、可远距离测温并且使用方便等优点。

这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。

它的电源电压可以在4V～6V范围变化，电流Ir 变化luA，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b一e 结压降的不饱和值V be与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测:
V
be =
q
KIT
⨯lnI ，K-波尔兹常数； q-电子电荷绝对值
集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。

电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0℃时输出为0，温度25℃时输出2.982v;电流输出型的灵敏度一般为luA/K，本文选用的是电流输出型温度传感器。

AD59O的主要特性如下:
①流过器件的电流(uA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数，即:Ir/T=luA/K；
② AD590的测温范围为-55～+150℃；
③ AD590的保存温度为-65～+175℃；
④ AD590的电源电压范围为4V～30V
⑤输出电阻为710MΩ；
⑥响应时间仅为20us；
⑦精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-5℃～+l50℃范围内，非线性误差为±0.3℃。

2.湿度传感器
本系统的湿度传感器选用Honeywell公司的集成湿度传感器HIH3610，该传感器内部集成了信号处理功能电路，可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容值转换成线性电压输出的任务。

输出电压为：
out supply
V =V [0.0062(sensor%RH)+0.16]
在本系统中supply
V 固定为+5V，则其输出电压值正比于湿度测量值，因此可由测试现场的温度值决定。

送LM258，在此处LM258起电压跟随作用，以与采集现场隔离和提高带负载能力。

然后信号送带8路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件A／D转换器ADC0809,经转换后送单片机I/O口。

在该设计中温度的极限参数为：-5O℃≤T≤7O℃；
湿度的极限参数为l％≤H≤99％；
温度的显示分度为0．1℃；湿度的显示分度为0．5％；
芯片特点：
●低成本，大批量OEM设计
●精度2%，激光修正互换性至5%
●线性电压输出对应%RH
●低功耗设计：200μA驱动电流
●快速反应：15秒
●稳定性好、低漂移、抗化学腐蚀性能
●HIH-3610有许多性能指标，能性能指标见表3.5
3. 光照传感器
光照传感器选用硅太阳能电池的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. 土壤水分传感器
土壤水分传感器采用中科院南京土壤研究所研制的电阻式土壤湿度传感器，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。

传感器
5. CO
2
CO2传感器选用红外线气敏传感器，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CO
转换为
2
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。

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、本系统采用启动三环计算机厂生产的SCB-51-IU单片机应用板,采用片选法配备了89C51、2764、ADC0809、8155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。

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。

2. 系统控制器
该设计选用20K字节内存存储器和内部256字节RAM 的单片机AT89C55作为主控器。

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，以及与上位机通信等功能。

主控器控制功能主要包括调湿、调温和室外保温等控制。

调湿，通过AT89C55 控制加热炉和风机完成升温，室内降温主要通过排气扇完成和风机完成。

土壤调湿主要通过浇水、加肥来实现，可自动完成或采用辅助报警，由人工完成。

室外保温通风调光主要采用自动或半自动得外部设备。