基于單片機(jī)的葡萄大棚控制系統(tǒng)設(shè)計

.引言1.1研究背景及發(fā)展現(xiàn)狀江浙地區(qū)作為沿海的發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)區(qū)，我國的許多現(xiàn)代化建設(shè)，一直是在江浙地區(qū)率先進(jìn)行，并且取得了一些成就。農(nóng)業(yè)是江浙地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)，古語就有“江南富，天下足”的美譽，而隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化要求的不斷提高，電子科學(xué)技術(shù)在其間也開始產(chǎn)生著重大的作用。以浙江為例，由于氣候和土壤條件適宜，浙江的農(nóng)業(yè)一直十分發(fā)達(dá)，并且，由于產(chǎn)業(yè)布局合理，浙江的農(nóng)業(yè)特色產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展[1]。到今天，在浙江以各種“特產(chǎn)之鄉(xiāng)”命名的鄉(xiāng)鎮(zhèn)已經(jīng)達(dá)到一百二十余個，不僅是當(dāng)?shù)氐漠a(chǎn)業(yè)支柱之一，乃至在發(fā)展休閑觀光農(nóng)業(yè)方面，也走在了全國的前列。在浙江地區(qū)，葡萄是常見的經(jīng)濟(jì)植物，它的種植面積大，且范圍覆蓋全省。葡萄的質(zhì)量與它的生長發(fā)育需要有一定的環(huán)境條件，這些環(huán)境條件主要有溫度、水分、光照、空氣成分、土壤成分、物理機(jī)械性質(zhì)、營養(yǎng)液的溫度和成分等，其中最為重要的影響因素是空氣溫度和土壤濕度，這兩項因素貫穿影響著整個葡萄的生長環(huán)節(jié)。每年的8-10月份，是天然種植葡萄的成熟季節(jié)，此段時間內(nèi)葡萄多到泛濫，導(dǎo)致價格很低，很多種植者都只能保本，很少盈利；而在反季節(jié)，葡萄很少，人們想買，卻供不應(yīng)求，價格也是相當(dāng)?shù)母?，相比平時可以翻好幾倍。這現(xiàn)象和葡萄挑剔的生長條件和不易控制的環(huán)境是有一定聯(lián)系的。如何能有效及時的控制好溫度和土壤濕度問題已經(jīng)成為蔬果種植者們最為關(guān)心的問題，而大棚種植也成為解決這一問題的首選的方式。①.大棚發(fā)展現(xiàn)狀目前，大棚在我國的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，甚至是占主導(dǎo)地位的。我國大多數(shù)溫室大棚[1]采用塑料薄膜為覆蓋材料。這不僅因為它質(zhì)量輕，透光保溫性好，可大面積覆蓋，可塑性強(qiáng)，而且價格低廉。又因為它可以使用輕便的材料作大棚骨架，容易建造和造形，可就地取材，建筑投資少，經(jīng)濟(jì)效益也高，還能抵抗自然災(zāi)害，防寒保溫，現(xiàn)在在我國北方旱區(qū)發(fā)展也很快。無論是玻璃或者是塑料的大棚，其最簡單的基本原理，就是通過保留陽光照射的溫度，在不同的季節(jié)保證植物的生長環(huán)境，使其具有適合生長的環(huán)境，可以營造一個天然的保溫房和保濕器。但其實在本質(zhì)上，傳統(tǒng)的大棚環(huán)境依然與自然環(huán)境是密切聯(lián)系的，沒有完全擺脫自然的環(huán)境因素；大棚內(nèi)的環(huán)境控制，更多的依靠種植者的農(nóng)業(yè)經(jīng)驗而不是科學(xué)依據(jù)，在管理上，依靠人工管理，依然是占絕大部分的，人工管理更多依靠的是經(jīng)驗，而不是科學(xué)，雖然經(jīng)驗在一定程度上可以較好的完成管理，但其具有的弊端也是明顯的，比如，可能某個經(jīng)驗在傳授的時候就是有錯誤的，那可能導(dǎo)致不良的后果，我國各個地方的大棚都存在著不同程度的因人工控制的失誤造成的水果和經(jīng)濟(jì)效益上的損失，而發(fā)現(xiàn)與改進(jìn)這些錯誤，需要種植周期與實踐摸索，對于很多依靠農(nóng)業(yè)種植為生的產(chǎn)業(yè)者，他們沒有時間去摸索，更不會專門辟出一部分土地和大棚作為改進(jìn)品質(zhì)的實驗基地，因此，葡萄生長雖然擺脫了季節(jié)的限制，但對提高品質(zhì)方面，依然是有很多值得改進(jìn)和開發(fā)的地方的。目前飛速發(fā)展的現(xiàn)代電子科學(xué)技術(shù)，完全可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化生產(chǎn)[2]?？梢圆捎脭?shù)據(jù)采集技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)來實現(xiàn)大棚的運作，實現(xiàn)對溫濕度的測量、信息的傳輸和環(huán)境的控制。因此，依據(jù)作物生長規(guī)律而研發(fā)的控制系統(tǒng)，是可以使他們直接受益的。②.大棚智能控制系統(tǒng)作為最普遍的溫室環(huán)境，在對大棚進(jìn)行智能化控制[6]是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，它以建立植物生長的數(shù)學(xué)模型為理論依據(jù)，以溫室綜合環(huán)境因子作為采集與分析對象，通過專家系統(tǒng)的咨詢與決策，給出不同時期作物生長所需要的最佳環(huán)境參數(shù)，并且依據(jù)此最佳參數(shù)對實時測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊處理，自動選擇合理、優(yōu)化的調(diào)整方案，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)動作，實現(xiàn)溫室的智能化管理與生產(chǎn)。目前，在世界范圍內(nèi)有多種的智能技術(shù)，比如，基于單片機(jī)的智能溫室控制系統(tǒng)，基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)，基于PC的模糊控制系統(tǒng)，以及物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)。單片機(jī)[7]是典型的嵌入式微控制器，它是由運算器，控制器，存儲器，輸入輸出設(shè)備構(gòu)成，相當(dāng)于一個微型的計算機(jī)的最小系統(tǒng)，而大量的外圍設(shè)備通過需要連接，早期在工業(yè)領(lǐng)域廣泛得到應(yīng)用，而現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展到深入人們生活的方方面面，采用單片機(jī)作為核心的智能控制系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于體積小，質(zhì)量輕，適合在各種環(huán)境下運行，原理方便，適合大眾化的人群使用，并且，價格低廉。PLC[8]是可編程邏輯控制器的縮寫，PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進(jìn)的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。從PLC的機(jī)外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息?；赑C的模糊控制系統(tǒng)，指的是不再需要對被控制的對象建立精確的數(shù)學(xué)模型，可以通過計算機(jī)完成人類用自然語言所描述的控制活動，把各種環(huán)境參數(shù)綜合起來分析考慮，進(jìn)行模糊控制，再通過實驗結(jié)果或經(jīng)驗總結(jié)來推斷出模糊控制的規(guī)律，使各參數(shù)的擬合達(dá)到最佳狀態(tài)，由于不需要事先知道對象的參數(shù)模型，具有響應(yīng)速度快，過渡時間短等特點。物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)乃至未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能控制系統(tǒng)，通過建造集成了電路的玻璃溫室，在多點布置傳感器等方式，可以實時檢測和控制環(huán)境的溫濕度，光照，分析土壤或水的養(yǎng)分，監(jiān)視病蟲害狀態(tài)。對自然氣候的依賴性較小，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或者自動控制。但其造價成本高昂，控制也較為復(fù)雜。而我國人口眾多，農(nóng)業(yè)用地日漸狹小，農(nóng)業(yè)在很長時間內(nèi)依然是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)成本中，相對于發(fā)達(dá)國家，人力成本相對廉價，因此，改進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的環(huán)節(jié)中，價格因素往往會是主導(dǎo)因素，而且，目前我國的農(nóng)業(yè)溫室體系中絕大部分是塑料大棚的溫室，在人力成本不高的情況下，將大棚改造成適用于物聯(lián)網(wǎng)之類的玻璃溫室，顯然不具有普遍性，所以，基于單片機(jī)的智能溫室控制系統(tǒng)，由于其價格低廉，在塑料大棚內(nèi)具有良好的適應(yīng)性，依然具有相當(dāng)?shù)氖袌鰸摿?。本文就將設(shè)計一種基于單片機(jī)的智能溫室控制系統(tǒng)，對葡萄的生長環(huán)境進(jìn)行檢測和控制。1.2葡萄大棚控制系統(tǒng)原理概述基于單片機(jī)的葡萄大棚管理系統(tǒng)[9]，采用數(shù)字溫濕度數(shù)字傳感器對葡萄大棚的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，配合相應(yīng)的控制系統(tǒng)，從而使得葡萄能夠在不同的生長階段處于科學(xué)的環(huán)境需求當(dāng)中；還將簡化操作，使得最后的界面簡單，數(shù)據(jù)直觀有效，可以及時掌握被控溫濕度等技術(shù)指標(biāo)；系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量和傳輸精度都很高，在選取構(gòu)件時也考慮到了經(jīng)濟(jì)因素，增加了實用性和普適性；而利用這樣的自動控制系統(tǒng)，希望可以代替管理者的人工調(diào)控，減輕他們的勞動負(fù)擔(dān)，也能更好地保障葡萄的生長，從而創(chuàng)造更大的效益。1.3設(shè)計內(nèi)容及目標(biāo)系統(tǒng)由基于STC89C52單片機(jī)的主控模塊、DS1302時鐘模塊、DS18B20、DHT11數(shù)據(jù)采集模塊、12864顯示模塊、控制模塊、報警模塊和電源模塊組成，所有指令執(zhí)行有STC89C52單片機(jī)控制，多個溫濕度傳感器測得空氣和泥土的溫度與濕度，單片機(jī)讀取已經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換的溫度數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)與提前設(shè)定的溫度上下限作比較，同時在液晶屏上顯示。如果比較的結(jié)果超出預(yù)設(shè)值，單片機(jī)控制電扇和水閥門開關(guān)及蜂鳴器報警。本設(shè)計要實現(xiàn)的目的主要有以下幾點：1.可以現(xiàn)實當(dāng)前時間和實時溫濕度，溫度精度為±0.5℃，范圍為-10℃-55℃；濕度精度±5%，為分辨率為1%，測量范圍為20%-80%；2.鍵盤輸入設(shè)置時間和溫濕度上下限；3.當(dāng)溫濕度超出上下限時，進(jìn)行報警和自動控制。2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1系統(tǒng)設(shè)計要求和功能設(shè)計一款基于51單片機(jī)的葡萄大棚控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有的功能：1.實時顯示溫濕度，溫度測量范圍在0~40℃，濕度測量范圍在40%~70%；2.溫度高于設(shè)定值時，打開電扇，進(jìn)行降溫；3.濕度低于設(shè)定值時，打開水閥，進(jìn)行澆水；4.顯示當(dāng)前時間。2.2系統(tǒng)總設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計要求和功能，系統(tǒng)包含以下幾個模塊：(1)數(shù)據(jù)采集模塊：利用傳感器測量環(huán)境所需要的數(shù)據(jù)，具體為溫度與濕度，使電路按照一定的序列將數(shù)字信號寫入到單片機(jī)。(2)控制模塊：采用單片機(jī)作為主控芯片，溫度過高時，控制電風(fēng)扇開啟，濕度過低時，打開水閥門。(3)單片機(jī)外圍電路模塊：包括晶振電路、復(fù)位電路和電源電路，使單片機(jī)正常工作。(4)鍵盤模塊：時間、溫度上限、濕度下線的設(shè)置，菜單的選擇。綜上所述，設(shè)計總方案，可以實時測量葡萄大棚中的溫度和濕度情況，通過顯示屏顯示數(shù)據(jù)，在環(huán)境發(fā)生異常的時候，系統(tǒng)可以自動控制環(huán)境調(diào)節(jié)部分，使得溫度與濕度趨于理想情況，基于安全性和實用性，考慮了一種改變溫度和濕度的方式。通過硬件構(gòu)架，軟件設(shè)計，從而使得系統(tǒng)可以在實際環(huán)境中順利得到應(yīng)用，并在現(xiàn)實中可以得到推廣。因此，作出葡萄大棚控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原理框圖如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)設(shè)原理框圖3.系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1主芯片的選擇及介紹本設(shè)計的控制器主要用于對溫濕度測量信號的接受與處理、控制系統(tǒng)的開關(guān)、通過顯示電路對溫濕度值和當(dāng)前時間的顯示、超過設(shè)定溫濕度范圍的蜂鳴器報警、控制鍵盤實現(xiàn)對溫使度上下限以及時間的設(shè)定等。①.單片機(jī)的選擇方案一：采用8031單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。8031單片機(jī)體積小，成本低，可是它的功能不是那么的強(qiáng)大，穩(wěn)定性和精確性也不太高，需要采用數(shù)字濾波方案來減少干擾信號，還要一些復(fù)雜的算法控制，比較麻煩。方案二：采用單片機(jī)STC89C52作為系統(tǒng)控制器。STC89C52算術(shù)運算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、技術(shù)成熟、成本低，相對而言性價比方面都非常的高。基于以上分析擬訂方案二，由STC89C52作為控制核心，對溫濕度采集、控制和實時顯示以及對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。②.STC89C52單片機(jī)概述STC89C52[10]由美國ATMEL公司開發(fā)，它的制造工藝采用可靠的CMOS工藝技術(shù)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51的8位單片機(jī)。采用40引腳的雙列直插封裝（DIP）。如圖3-1所示為單片機(jī)封裝圖。89C52的40只引腳按功能分類，可分為3類：（1）電源及時鐘引腳：Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2；（2）控制引腳：PSEN、ALE、EA、RESER（即RST）；（3）I/O口引腳：P0、P1、P2、P3，四個都為8位的外部引腳。圖3-1單片機(jī)封裝圖其主要特性如下：●與MCS-51兼容；●4K字節(jié)可編程閃爍存儲器；壽命：1000寫/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時間：10年；●全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz；●三級程序存儲器鎖定；●128*8位內(nèi)部RAM；●32可編程I/O線；●兩個16位定時器/計數(shù)器；●5個中斷源；●可編程串行通道。I/O口的特性及相關(guān)功能[11]：P0口：P0口是一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8個TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為STC89C52的一些特殊功能口[12]，如表3-1所示：表3-1P3口替代功能引腳替代功能說明P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收P3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送P3.2INT0外部中斷0申請P3.3INT1外部中斷1申請P3.4T0定時器0外部事件計數(shù)輸入P3.5T1定時器1外部事件計數(shù)輸入P3.6WR外部RAM寫選通P3.7RD外部RAM讀選通3.2單片機(jī)外圍電路設(shè)計單片機(jī)外圍電路包括晶振電路和復(fù)位電路，它和主控單片機(jī)芯片、電源電路組成單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)。3.2.1晶振電路晶振電路是一種時序電路，為單片機(jī)提供脈沖信號使其正常工作。由于MCS-51系列單片機(jī)內(nèi)部已集成了時鐘電路，所以在使用時只要外接晶體振蕩器和電容就可以產(chǎn)生脈沖信號。晶體振蕩器和電容所組成的電路稱為晶振電路。如圖3-2所示為晶振電路圖，由11.0592MHz的石英晶體和兩個22PF的電容組成。X1（晶振）直接接在STC89C52的XTAL1、XTAL2兩端，其中CB1、CB2為起振電容。圖3-2晶振電路連接圖3.2.2復(fù)位電路復(fù)位就是讓單片機(jī)從程序的最初開始重新運行，就像電腦的重啟一樣。單片機(jī)在啟動運行時，都需要先復(fù)位，即是使CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。MCS-51系列單片機(jī)本身，一般不能自動進(jìn)行復(fù)位，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實現(xiàn)。復(fù)位電路的作用就是使單片機(jī)在上電時能夠復(fù)位或運行出錯時進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。本設(shè)計中STC89C52的復(fù)位引腳（Reset）是第9引腳，因此引腳連接高電平超過2個機(jī)器周期（一個機(jī)器周期為6個時鐘脈沖），即可產(chǎn)生復(fù)位動作[14]。以12MHz的時鐘脈沖為例，每個時鐘脈沖1微秒，兩個機(jī)器周期為2微秒，因此，在第九引腳上連接一個2微秒以上的高電平脈沖，即可產(chǎn)生復(fù)位的動作，復(fù)位電路圖如3-3所示。圖3-3復(fù)位電路連接圖3.3時鐘模塊電路設(shè)計應(yīng)設(shè)計要求，顯示屏要現(xiàn)實當(dāng)前時間和日期，則需要精確較高的時鐘芯片。一般嬌典型的有DS1302，DS12887等。①.芯片的選擇方案一：選擇DS1302[15]芯片。它是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，可以對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口和CPU進(jìn)行同步通信，并可以采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。方案二：選擇DS12887。它也是由美國DALLAS生產(chǎn)，其內(nèi)部自帶晶體振蕩器及鋰電池，可計算到2100年前的秒、分、小時、星期、日、月、年七中日歷信息，并帶閏年補償。功能強(qiáng)大，但價格較高，投入到控制系統(tǒng)的生產(chǎn)需要較大的資金。由于本設(shè)計所需要的功能不要需要2000多年的日歷計算，并考慮到投入生產(chǎn)所要的資金問題，選擇DS1302芯片。②.芯片介紹時鐘芯片采用DS1302，它的引腳功能如圖3-4所示：圖3-4DS1302封裝圖VCC2:主電源；VCC1:備份電源。當(dāng)VCC2>VCC1+0.2V時，由VCC2向DS1302供電，當(dāng)VCC2<VCC1時，由VCC1向DS1302供電。SCLK:串行時鐘，輸入，控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出；I/O：三線接口時的雙向數(shù)據(jù)線；CE/RST:輸入信號，在讀、寫數(shù)據(jù)期間，必須為高電平，則允許對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作以及初始化操作，為低電平則數(shù)據(jù)此次數(shù)據(jù)傳輸中止。該引腳有兩個功能：第一，CE開始控制字訪問移位寄存器的控制邏輯；其次，CE提供結(jié)束單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?。DS1302引腳連接方式如圖所示，X1，X2腳串聯(lián)一個32.768KHz的晶振，該晶振的作用是產(chǎn)生基準(zhǔn)時鐘信號，它與芯片內(nèi)部的電路組成振蕩器，進(jìn)過分頻可以得到精確的秒信號，與電子手表的晶振是一致的，產(chǎn)生的時間信號較為精確。VCC1的備用電源在主電源關(guān)閉或遭遇故障的時候使得時鐘芯片依然能夠工作，選擇的電容器應(yīng)接近芯片的負(fù)載電容，如果斷電時間較短，漏電較小的普通電解電容器就能勝任。圖3-5時鐘電路連接圖選擇DS1302用于數(shù)據(jù)記錄，是因為其對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄。這種記錄對長時間的連續(xù)測控系統(tǒng)結(jié)果的分析及對異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因的查找具有重要意義。這也是保障在環(huán)境突發(fā)變化的情況下，能夠及時的得到時間資料[13]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式是隔時采樣或定時采樣，沒有具體的時間記錄，因此，只能記錄數(shù)據(jù)而無法準(zhǔn)確記錄其出現(xiàn)的時間；而若單單采用單片機(jī)計時，一方面需要采用計數(shù)器，占用硬件資源，另一方面需要設(shè)置中斷、查詢等，同樣耗費單片機(jī)的資源，而且，某些測控系統(tǒng)可能不允許，因此，在系統(tǒng)中采用時鐘芯片DS1302，能很好地解決這些問題。3.4溫度數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計①.元器件的選擇方案一：選用傳統(tǒng)的熱電偶和熱電阻測溫元件。傳統(tǒng)的熱電偶和熱電阻測出的一般都是電壓，然后再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度，需要比較多的外部硬件支持，硬件電路復(fù)雜，軟件調(diào)試復(fù)雜，制作成本高。方案二：選用DS18B20。它是有美國DALLAS公司生產(chǎn)的測溫元件，它的全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成就像是一只三極管的集成電路。它體積小，使用方便靈活，適應(yīng)電壓范圍寬，更利于溫度的準(zhǔn)確測量。經(jīng)過以上對比，采用DS18B20作為大棚控制系統(tǒng)的測溫元件。②.元器件的介紹DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS18B20之后推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器?；咎匦裕?、溫度適用范圍：－55℃～+125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃。2、電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。3、可編程，分辨率為9～12位，對應(yīng)的可分辨溫度為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫。4、在9位分辨率時最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。5、負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。6、在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在一只形如三極管的集成電路內(nèi)。7、內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM，溫度傳感器，溫度報警觸發(fā)器TH和TL，配置寄存器。圖3-6DS18B20引腳圖溫度傳感器DS18B20的引腳如圖3-6所示，各引腳的功能為：GND：接地端，電源必須接地DQ：數(shù)字端，信號的輸入輸出VDD：電源端，可選擇寄生電源，該傳感器電源極性不能接反，否則會顯示恒定溫度值。DS18B20的工作原理[16]，在于低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。如圖3-7所示為DS18B20工作原理圖。圖3-7DS18B20工作原理圖3.5濕度數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(1)元器件的選擇方案一：選用JCJ100S傳感器。它采用進(jìn)口高精度濕敏電容，配合線性放大電路和溫度補償電路,具有性能可靠、使用壽命長等特點。它是一體式變送器,廣泛使用于一般室內(nèi)測量，如機(jī)房、賓館、生產(chǎn)車間、檔案館等環(huán)境較好的場所。方案二：選用DHT11傳感器。它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的數(shù)字傳感器，具有體積小巧、功耗極低、接口簡單、響應(yīng)速度快、性價比高等特點，可測泥土濕度，并且信號傳輸距離可達(dá)20米以上。相比兩者特性和使用范圍，DHT11更適合大棚內(nèi)濕度測量。(2)元器件的介紹DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性。傳感器由一個電阻式感濕元件、一個NTC測溫元件和一個相連的高性能8位單片機(jī)組成。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價比高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在即為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測型號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為給類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便。其基本特性：1)測量濕度范圍：20%~95%；2)電壓范圍：3.0～5.5V；3)測量精度：±5%；4)分辨率：1%；5)工作穩(wěn)定，可實現(xiàn)互換。圖3-8DHT11電路連接圖如圖3-8為DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的連接方式，它的各引腳功能為VCC：電源端DATA：數(shù)據(jù)端NC：空置端GND：接地端以如上方式將濕度傳感器接入單片機(jī)，從而實現(xiàn)濕度的測量，并在濕度超出預(yù)設(shè)范圍的時候，開啟警報和自動調(diào)節(jié)濕度功能?？紤]到現(xiàn)實應(yīng)用，設(shè)計了多點測量。3.6液晶顯示模塊電路設(shè)計本此設(shè)計硬件顯示采用了12864LCD液晶中文顯示[19]，可以顯示系統(tǒng)的時間，所測量的溫度、濕度數(shù)據(jù)及預(yù)設(shè)溫濕度。其基本特性為：(1)顯示大?。?28x64點陣的液晶顯示；(2)工作電壓：4.75V~5.25V；(3)背景：LED光源；(4)數(shù)據(jù)總線：8位并口；(5)工作溫度：-20℃~70℃。如圖3-9所示為12864顯示屏的電路圖，各引腳功能如下：圖3-912864電路連接圖GND：電源接地VCC：電源輸入VL：液晶顯示對比度調(diào)節(jié)RS：數(shù)據(jù)輸入RW：讀寫選擇EN：讀寫使能D0-D7：數(shù)據(jù)總線CS1,2：U1,2片選RST：液晶模組復(fù)位VEE：液晶驅(qū)動電源BL+:LED電源正BL-：LED電源接地該顯示器體積較小，價格低廉，適用于本系統(tǒng)，該顯示器由于是液晶模組，抗震性能較差，而且靜電防護(hù)能力也較弱，但由于本系統(tǒng)適用于大棚環(huán)境，無需二次運輸，而且相對濕度較高，因此也正好克服了這些弱點。值得注意的是，對液晶材料施加直流電壓，會引起液晶材料迅速惡化，應(yīng)該確保提供交流波形的M信號的連續(xù)應(yīng)用。特別是，在電源開關(guān)時應(yīng)遵照供電順序，避免驅(qū)動鎖存及直流直接加至液晶屏。3.7報警、控制模塊電路設(shè)計本設(shè)計采用對電閥門的開關(guān)來實現(xiàn)溫濕度的報警與控制。當(dāng)所測溫度或濕度超過設(shè)定值的上下限，就會報警。電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅(qū)動振動膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅(qū)動它，單片機(jī)P21引腳輸出的電流較小，單片機(jī)輸出的TTL電平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大的電路。S51增強(qiáng)型單片機(jī)實驗板通過一個三極管來放大驅(qū)動蜂鳴器，連接方式如圖3-10所示：3-10報警電路連接圖如圖3-10所示，蜂鳴器的正極接到VCC（＋5V）電源上面，蜂鳴器的負(fù)極接到三極管的發(fā)射極E，三極管的基級B經(jīng)過限流電阻R1后由單片機(jī)的I/O口控制，當(dāng)該I/O輸出高電平時，三極管T1截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)I/O口輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，我們可以通過程序控制I/O口的電平來使蜂鳴器發(fā)出聲音和關(guān)閉。程序中改變單片機(jī)I/O口輸出波形的頻率，就可以調(diào)整控制蜂鳴器音調(diào)，產(chǎn)生各種不同音色、音調(diào)的聲音。另外，改變單片機(jī)I/O口輸出電平的高低電平占空比，則可以控制蜂鳴器的聲音大小。對于控制模塊，溫度傳感器[17]所測的溫度實時傳輸，系統(tǒng)對其進(jìn)行判斷，當(dāng)所測的溫度高于預(yù)設(shè)溫度時，電平改變，控制風(fēng)扇的電閥門打開，從而加速空氣流動，降低溫度，當(dāng)溫度回到預(yù)設(shè)范圍以內(nèi)時，電閥門關(guān)閉，風(fēng)扇自動關(guān)閉。利用同樣的道理，自動控制水閥門，進(jìn)行加濕處理。值得注意的是，單位時間濕度的改變值較大，而測量有一定的滯后性，在實際應(yīng)用過程中，預(yù)設(shè)濕度范圍的時候，需要考慮到這個問題。4.系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括各模塊的初始化設(shè)計，對溫度、濕度采集判別的程序設(shè)計，以及設(shè)置調(diào)節(jié)的時間、溫濕度的按鍵設(shè)計。系統(tǒng)使用C語言進(jìn)行編程，優(yōu)勢在于無須懂得單片機(jī)指令集也可進(jìn)行編譯，更重要的是，利用C語言編譯的程序數(shù)據(jù)堅固，可以避免運行中數(shù)據(jù)被破壞從而導(dǎo)致程序異常。如圖4-1所示為實現(xiàn)系統(tǒng)功能的程序流程圖，系統(tǒng)通電開始運行，并對各模塊進(jìn)行初始化操作，操作者設(shè)置溫濕度上下限，當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定溫度時，報警器響，并自動打開風(fēng)扇；當(dāng)環(huán)境濕度小于設(shè)定濕度時，系統(tǒng)報警自動打開水閥。從而達(dá)到本設(shè)計的目的。圖4-1系統(tǒng)設(shè)計總流程圖4.2時鐘顯示程序預(yù)設(shè)DS1302的控制字節(jié)如圖4-2所示?？刂谱止?jié)在最高位，當(dāng)邏輯字節(jié)為1時，可以寫入，為0時，則不能把數(shù)據(jù)寫入DS1302中；位6如果為0，則表示存取日歷時鐘數(shù)據(jù)，為1表示存取RAM數(shù)據(jù)；位5至位1指示操作單元的地址;最低有效位(位0)如為0表示要進(jìn)行寫操作，為1表示進(jìn)行讀操作，控制字節(jié)總是從最低位開始輸出。圖4-2DS1302控制字節(jié)4.312864顯示程序預(yù)設(shè)LCD12864的顯示需要進(jìn)行初始化與設(shè)置，如圖4-3所示為流程圖。圖4-3顯示流程圖帶中文字庫的LCD12864每屏可顯示4行8列共32個16×16點陣的漢字，每個顯示RAM可顯示1個中文字符或2個16×8點陣全高ASCII碼字符，即每屏最多可實現(xiàn)32個中文字符或64個ASCII碼字符的顯示。LCD12864液晶顯示屏的驅(qū)動方式分為兩種，分別是串行方式和并行方式，并行方式可以提高液晶顯示屏的刷新頻率，特別適用于實時顯示。如單片機(jī)寫數(shù)據(jù)到LCD12864，先拉低EN引腳，使得LCD12864可讀可寫，隨后拉低R/W引腳，將狀態(tài)切換為寫入模式，拉高RS將狀態(tài)切換為數(shù)據(jù)模式，然后將一個字節(jié)的數(shù)據(jù)鎖存到并行總線上，緊接著拉高EN引腳，相當(dāng)于把當(dāng)前LCD12864的狀態(tài)鎖定在寫入狀態(tài)，最后將數(shù)據(jù)傳送出去,拉低EN引腳，液晶顯示屏又恢復(fù)成可讀可寫的狀態(tài)。同理，單片機(jī)讀取LCD12864中的數(shù)據(jù)，如忙標(biāo)志位，也是類似的流程。寫命令即將RS拉低，其他同寫數(shù)據(jù)。4.4數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計DS18B20溫度采集后處理的流程是，在正確讀出64位序列號之后，需要根據(jù)時序的嚴(yán)格要求，編寫溫度讀取程序。單片機(jī)控制DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換必須按照DS18B20的命令流程。首先執(zhí)行初始化時序，然后單片機(jī)發(fā)出跳過ROM命令，此命令針對所有在線DS18B20，單片機(jī)再發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換命令，啟動DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換。程序流程如圖4-4所示。圖4-4轉(zhuǎn)換溫度流程圖DHT11濕度采集的流程是，單片機(jī)與DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間4ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展，現(xiàn)讀出為零，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號，DHT11不會主動進(jìn)行溫濕度采集。4.5按鍵子程序設(shè)計 如圖4-5所示，為按鍵子程序的流程圖。首先進(jìn)行鍵盤掃描，判斷是否有鍵按下。按下A鍵，進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)置，首先選擇年，按下B鍵或C鍵調(diào)整年份；按下A鍵，選擇月，按下B鍵或C鍵調(diào)整月份；按下A鍵選擇日，按下B鍵或C鍵調(diào)整日期，依次還有分和秒；然后，按下A鍵，選擇溫度，按下B鍵或C鍵調(diào)整溫度上限；按下A鍵，選擇濕度，按下B鍵或C鍵調(diào)整濕度下限。完成設(shè)置按下D鍵確定并退出。圖4-5時序、溫濕度設(shè)置流程圖圖4-5是簡化了時序控制的過程，其中時序控制依次包含年、月、日、星期、分和秒，每個按鍵操作都是一致的。5.調(diào)試本次設(shè)計我們采用硬件和軟件相結(jié)合，來展現(xiàn)預(yù)期成果。首先我們根據(jù)設(shè)計來采用protel99se繪制原理圖。然后開始列清單，根據(jù)清單來購買所需元器件。接著根據(jù)原理圖開始進(jìn)行焊接。焊接過程中布局很關(guān)鍵，要注意短路、斷路等現(xiàn)象。例如12864液晶屏等我們采用排針插槽，防止燒壞。焊接完成后我們將編寫好的C語言程序捎燒入單片機(jī)，然后進(jìn)行運行。在這其中，如果一步出錯將導(dǎo)致沒有結(jié)果或出現(xiàn)未預(yù)期的結(jié)果。這時就需要耐性檢查錯誤,設(shè)計的硬件焊接基本無大問題。主要是12864顯示屏有電線出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象，導(dǎo)致調(diào)試結(jié)果不太理想。本次設(shè)計主要完成了大棚內(nèi)的溫濕度檢測、顯示和控制，并可以顯示當(dāng)前時間。硬件上共有4個鍵，可通過進(jìn)入菜單鍵、上下鍵和確定鍵，對時間和預(yù)設(shè)溫濕度進(jìn)行設(shè)定。使用者可根據(jù)葡萄在不同生長狀態(tài)的需要設(shè)置溫濕度上下限，當(dāng)超出正常范圍時，自動報警并開啟相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)。5-1正常運行界面如圖5-1所示，是系統(tǒng)在正常工作時的界面。當(dāng)預(yù)設(shè)溫度為45℃，預(yù)設(shè)濕度為80%時，實際實際溫度為19℃，濕度分別為38%和43%，此時蜂鳴器響作為濕度過低的報警，并且打開水閥門自動調(diào)節(jié)。開啟設(shè)備時對時間進(jìn)行校對，經(jīng)過幾個小時，走時準(zhǔn)確，并無超前或延后現(xiàn)象?？偟膩碚f，系統(tǒng)運行正常，能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，對大棚內(nèi)溫濕度進(jìn)行檢測和控制，基本滿足設(shè)計要求。6.總結(jié)作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，大棚的環(huán)境控制系統(tǒng)作為智能溫室的關(guān)鍵技術(shù)核心，對農(nóng)作物的生長和發(fā)育起著重要作用。由于大棚控制系統(tǒng)的起步較晚，在關(guān)鍵控制技術(shù)離發(fā)達(dá)國家有很大的差距，控制系統(tǒng)沒有都得到很好的應(yīng)用和推廣，在很大程度上，現(xiàn)在國內(nèi)溫室環(huán)境控制技術(shù)水平的相對落后在一定程度上制約了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。本次設(shè)計制作了基于單片機(jī)的大棚控制系統(tǒng)，并且選擇了在我國種植面積普遍，對溫濕度環(huán)境要求較高的經(jīng)濟(jì)作物葡萄的大棚作為研究對象，基于我國目前大棚的狀況依然是以較為簡陋的塑料大棚為主，本控制系統(tǒng)可以普遍適合在塑料大棚和玻璃大棚中應(yīng)用。我們選取溫度和濕度作為控制對象，實現(xiàn)對溫度和濕度的實時監(jiān)測，和測量數(shù)據(jù)超限時的系統(tǒng)警報，以及在環(huán)境發(fā)生改變時候進(jìn)行及時的控溫和控濕?；趯υO(shè)計最后到達(dá)應(yīng)用時的成本控制以及對安全性方面的考慮，在控溫方面，我們設(shè)計了風(fēng)扇達(dá)到降溫的效果，并沒有自動連接提高溫度的制熱裝置，不但因為大棚內(nèi)不太可能出現(xiàn)溫度過低的情況，而且在無人值守的情況下進(jìn)行制熱，可能發(fā)生意外，塑料大棚及容易發(fā)生火災(zāi)，造成不可逆轉(zhuǎn)的損失；同樣的，由于在濕度控制方面，絕大部分情況是過干而不是濕度過高，且大棚內(nèi)都會有排水溝道，因此沒有連接除濕裝置，降低了成本。通過本次設(shè)計，發(fā)現(xiàn)自己在軟件發(fā)面，單片機(jī)的結(jié)構(gòu)，還需努力，有待提高。在設(shè)計上，也有很多需要改進(jìn)的，比如提高硬件的精度與測量范圍，可以在控制精度和控制效率方面進(jìn)行改進(jìn)，使之適用于所有的溫室環(huán)境；在軟件方面，可