基于单片机的温室大棚温度控制系统设计【开题报告】

毕业设计（论文）开题报告

题目：基于单片机的温室大棚温度控制系统设计

专业：电子信息工程

1选题的背景、意义

国内对温室环境控制技术研究起步较晚。自20世纪80年代以来，我国工程技术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、湿度和二氧化碳等单项环境因子控制技术的研究[1]。实践证明，单因子控制技术在保证作物获得最佳环境条件方面有一定的局限性。1996年江苏理工大学研制出一套温室环境控制设备，能对营养液系统、温度、光照、二氧化碳施肥等进行综合控制，在一个150M2的温室内，实现了上述四个因子的综合控制，是目前国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果[2]。

近年来，在国产化技术不断取得进展的同时，也加快了引进国外大型现代化温室设备和综合控制系统的进程。这些现代温室的引进，对促进我国温室计算机的应用与发展，无疑起到了非常积极的推动作用。[3]可以看出我国温室设施计算机应用，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。但是，大部分不够理想。在技术上，以单片机控制的单参数单回路系统居多，尚无真正意义上的多参数综合控制系统，与欧美等发达国家相比，存在较大差距，尚需深入研究[4]。

温度、湿度作为温室的重要因素，它们是非常重要的物理量，温度、湿度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们通常使用温度计、湿度计来采集温度和湿度，通过人工加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。即使有些用户采用半导体二极管作为温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。在某些行业中对温湿度的要求较高，由于温度过高或过低引起的元器件失效或由于环境湿度过高而引起的事故时有发生，对系统的可靠运行造成影响，甚至危及到系统局部及操作人员的安全[2]。所以实施对温度的监控也日显重要。本课题只要采用51单片机对蔬菜大棚中温度、湿度的数据进行采集、测量和控制[5]。

2相关研究的最新成果及动态

温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域,如家电、汽车、材料、电力电子等,常用的控制电路根据应用场合和所要求的性能指标有所不同,传统的继

电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。目前，温度控制系统的结构主要是以单片机为主板的控制系统。一般以MCS51系列为基础。采用8位CPU，从数据采样到算法控制都是由单片机完成的。这种类型控制方式的优点是能够全局管理，操作简单，价格低廉，缺点是布线复杂，可靠性差，故障率高；且信号的输入、输出一般为模拟量，自动化程度低。由于温室控制环境噪音大、环境恶劣，单一的CPU控制系统难以达到预期效果。

此外，还有基于IPC的温室控制系统，它配备了各种接口板，采集、控制和通信功能都由主机完成，能对温室各个参数进行有效的控制；基于PLC的温室控制系统，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通信技术融为一体，具有控制能力强、操作方便、可靠性高、适宜长期工作等特点；集散型温室控制系统，由于PC机的管理功能被多台现场控制站共享，节省了成本，提高了设备利用率，有利于温室群控[6]。

温度监测预警系统是针对蔬菜大棚温度监测而设计，同时也可用于粮食仓储、冷库及烟叶发酵等场合的温度监测。塑料大棚是开发日光资源、充分利用太阳光能的主要形式之一，能避光、增产、保湿，为蔬菜生长创造一个良好环境。蔬菜大棚作为一个相对封闭的环境，其内部形成了一个小气候环境，良好的空气环境是蔬菜正常生长的重要条件。为了增产、增收，要注意大棚内部的气体、温度和湿度3个重要因素。气体主要是指棚内的二氧化碳的含量。当空气中的二氧化碳浓度提高到0.1%时，可使蔬菜的光合作用速率增加1倍以上，增产20%～80%；若使二氧化碳浓度降至0.005%时，光合作用几乎停止。蔬菜生长的适宜温度为20°～30℃。大棚内白天增温快，当棚外平均气温为15℃时，棚内可达40°～50℃。因此，要适时调节棚内温度，避免高温危害。塑料大棚经常处于密闭状态，蒸发量大大减小，内部湿度一般在80%～90%，湿度过大极易导致病虫害的发生。现在对大棚内气体、温度和湿度的有效调节，主要是通过适时的通风来实现。二氧化碳含量过大和湿度过大都会导致温度升高。通过调节温度可以有效地控制二者的浓度。因此，对棚内温度的控制是非常重要的。本文介绍的分布式单总线蔬菜大棚温度监测预警系统，采用全数字化设计，直接监测每个棚内不同部分的温度，通过对温度的良好控制，有效地提高蔬菜的产量[7]。

3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标

3．1研究目的

本设计为一闭环控制系统，由89C51单片机，A/D转换电路，温度检测电路，

湿度检测电路、控制系统组成。温度检测电路将检测到的温度转换成电压，该模拟电压经ADC0809转换后，进入89C51单片机，单片机通过比较输入温度与设定温度来控制风扇或电炉驱动电路，当棚内温度在设定范围内时，单片机不对风扇或电炉发出动作。实现了对大棚里植物生长温度及土壤和空气湿度的检测，监控，并能对超过正常温度、湿度范围的状况进行实时处理，使大棚环境得到了良好的控制[8]。

该设计还具有对温度的实时显示功能，对棚内环境温度的预设功能。

3．2研究方法及内容1

硬件电路设计

（1)微处理器选择。

选用ATMEL公司的AT89C52单片机作为微处理器。它是一种低功耗、高效率的CMOS型8位微处理器，内置8k字节的闪速程序存储器、256字节RAM、32位并行I/O口、3个16位定时/计数器、6个中断源和1个全双工串行I/O口，采用12MHz晶体振荡器[9]。

(2)扩展存储器设计。

在此监测系统中，要记录大量的数据，且考虑到以后功能增加的需要，扩展了1片6264数据存储器。另外，还要记录大量传感器的序列编码（每个序列编码64位共8字节），且此序列号一经写入就不得随意更改。考虑到便于在线注册，故必须采用E2PROM。因此，扩展了1片2864作为记录传感器序列编码的数据存储器[10]。

(3)传感器接口电路。

传感器在工作过程中使用单总线与单片机进行数据交换，数据和指令的读写遵循严格的时序要求，故对于传感器接口的设计要满足单片机和传感器对单总线的电平进行可靠的控制，且要有足够的驱动能力。这里，采用三态数据锁存器74HC373连接所有传感器。两个锁存器作为一组，其中一个作为写入口，另一个作为读入口，两者共用同一物理地址。通过这两个锁存器实现对单总线的读写分开，保证时序的正确[11]。

(4)显示器键盘接口电路。

采用点阵式液晶显示器进行显示。利用它可以直观地显示出各个传感器的温度数值、传感器的编号及各种操作提示。键盘采用3键结构，分别为功能选择键及上下翻页键，完成传感器的注册注销等各种操作[12]。