温室大棚控制系统设计毕业设计说明书

毕业设计说明书

题 目 ：

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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作者签名： 日 期：

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摘要

温室是设施农业的重要组成部分，温室大棚测控系统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，结合作物生长规律，控制环境条件，使作物在不适宜生长的反季节中，可获得比室外生长更优的环境条件，从而使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。

本系统利用计算机自动控制技术，将检测与控制过程完全自动化，实现温室内温度、湿度、二氧化碳浓度的自动调控。系统的总体布置有四个组成部分，即：数据采集部分、信号处理部分、控制和执行部分、串口通讯部分。

本系统可以实时检测并显示温室内温度、湿度、二氧化碳浓度，根据作物适宜值发出执行输出，以便为作物提供一个良好的环境。系统主要具有如下功能：对当前的环境因子测量并记录，采用了4位LED显示数码管，能实时显示当前测量值；当采集到的当前值高于上限值或低于下限值时，能够实现超限报警，其中长鸣声代表超低限报警，短鸣声代表超高限报警，与此同时相应的报警指示灯亮；当测量值低于或高于适宜值时，输出开关量控制；提供人机对话界面，采用一根串口线与电脑串口相连进行通讯，可以在电脑上显示当前的采集值，并可随时修改数据，设置高、低阀值。

关键词：温室大棚，温湿度，二氧化碳，测控，单片机

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ABSTRACT Greenhouse is an important part of facilities agriculture, greenhouse canopy measurement and control system is to achieve greenhouse production management automation, scientific basic guarantee. Based on the analysis of the monitoring data, combined with the crop growth rule, control the environmental condition, make crops in not suitable for growth, available in than anti-season outdoor more optimal environmental conditions growth, thus make crops reach high quality, high yield, high efficient cultivation purpose.

This system by using computer automatic control technology, will detect and control process is fully automated and realize in greenhouse temperature, humidity, carbon dioxide concentration of automatic control. System layout has four components, namely: data collection part, signal processing parts, control and execution part, serial communication parts.

This system can real-time detection and display in greenhouse temperature, humidity, carbon dioxide concentration, based on crop appropriate value issued executive output, in order to provide a good environment crop. System mainly has the following functions: the environmental factor to the current measure and record, adopted four LED display digital tube, which can real-time display the current measured values; When the acquisition to the current value of the above the upper or lower than lower limit, can realize overrun alarm, which keep ultra-low limit alarm sound representative, short chirp represents high limit alarm, meanwhile corresponding alarm indicator; When measured values below or above appropriate value, the output switch quantity control; Provide the man-machine dialogue interface, using a serial line and computer serial communication can be connected to computer shows current collection value, and can be modified at any time data, high Settings, low threshold.

Key Words：Greenhouse canopy, Temperature and humidity, Carbon dioxide concentrations, Measurement and control, microcontroller

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目录

摘要 ............................................................................... I ABSTRACT .......................................................................... III

第一章 绪论 ....................................................................... 1

1.1 课题背景及研究现状 .......................................................... 1

1.2 课题内容 ................................................................... 3

1.3 选题的意义 ................................................................. 3

第二章 研究方案的设计.............................................................. 4

2.1 温室大棚内重要参数的调节与控制 .............................................. 4

2.1.1 温度的调节与控制 ...................................................... 4

2.1.2 湿度的调解与控制 ...................................................... 5

2.1.3 二氧化碳的调解与控制 .................................................. 6

2.2 系统总体方案设计 ............................................................ 7

2.2.1 系统组成框图 .......................................................... 7

第三章 系统硬件设计................................................................ 9

3.1 微控制器概述及其最小系统设计 ................................................ 9

3.1.1 AT89S52单片机的特点 .................................................. 9

3.1.2 最小系统设计 ......................................................... 11

3.2 温度数据采集与处理模块设计 ................................................. 12

3.2.1 温度传感器AD590 ..................................................... 12

3.2.2 温度测量电路 ......................................................... 13

3.3 湿度数据的采集与处理模块设计 ............................................... 15

3.3.1 湿度传感器HS1101简介 ................................................ 15

3.3.2 湿度监测电路 ......................................................... 16

3.3.3 湿度信号的温度补偿 ................................................... 18

3.4 二氧化碳数据的采集与处理模块设计 ........................................... 19

3.4.1 二氧化碳传感器的选择 ................................................. 19

3.4.2二氧化碳测量电路 ..................................................... 22

3.5 A/D转换器及其接口电路设计 ................................................. 22

3.5.1 串行模/数转换器TLC2543 .............................................. 22

3.6 显示电路设计............................................................... 24

3.7 报警电路设计............................................................... 26

3.8执行机构电路设计 ........................................................... 27

3.8.1 固体继电器简介 ....................................................... 27

3.8.2 执行机构电路 ......................................................... 28

3.9 串行通信接口电路设计 ....................................................... 29

3.9.1 RS232简介 ........................................................... 29

3.9.2 通信接口电路 ......................................................... 30

第四章 系统软件设计............................................................... 31

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4.1 主程序模块设计 ............................................................. 31

4.2各子程序模块流程图设计 ..................................................... 33 总结与展望 ......................................................... 错误！未定义书签。

致谢 ............................................................................... 39 参考文献 ........................................................... 错误！未定义书签。 附录A ............................................................. 错误！未定义书签。

附录B ............................................................................. 49

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第一章 绪论

1.1 课题背景及研究现状

我国人多地少，气候条件恶劣。为了实现农作物的优质高效和高产，开发和研制温室智能控制系统是十分必要的。目前，我国农村使用的简易温室大棚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，温室作物趋于多样化，对温室控制系统要求也随之提高，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，需要设计一种能够减少手动控制的控制系统。而当今国内常见的智能温室控制系统都是采用人工控制或者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。大力发展中小型基于单片机控制的温室大棚是以符合我国现有的基本国情为出发点，以此为基点在不远的将来以小变大、以单一变综合，从而促进我国农业从传统农业方式到自动化方式的实现，以及将来向着完全自动化、无人化的方向发展。

随着我国经济的发展，农民增收缓慢的问题逐渐凸现出来，成为阻碍我国经济稳定发展的一大隐患。解决此问题的关键是大力发展农业科技，逐步走向农业现代化。温室大棚技术则是其中一个重要环节，并且适合我国当前的国情：我国农业技术水平落后，作物生产单一，专用品种缺乏，绝大多数地方还是要靠天吃饭。同时，也要注意到我国的另一现实：我国资源、能源相对匮乏，农民经济实力有限，但人力资源丰富。而引进的一些国外的计算机智能控制系统投资过大，系统故障维护不便，而且经济效益过低，以上种种条件决定了我国不能走“高投入，高产出”的道路。此外，我国地域辽阔，属于大陆性季风气候，与同纬度的国家和地区相比具有气温年差大，极端气候条件恶劣等特点，对于我国温室生产极为不利。因此，温室大棚技术是我国农业发展的重点之一。

温室工程是以综合国力的强盛为背景，以农用工业的发展为基础，以生物技术、工程技术、信息技术的发展为依托的高新技术产业。自20世纪70年代以来，我国温室生产已经有了很大的进步，但这些温室都是在充分利用高产栽培技术和屏障技术的基础上发展起来的，其收入很难再有大的提高。要改变这种状况，将现代计算机技术引入农业温室，实现农业温室的自动控制，是最有效的途径之一。

温室自动化主要体现在温室内环境的监控上，环境控制是农业现代化的重要标志，因此对温室环境进行自动检测，进而实行自动控制是非常必要的。温室是一个集结构、机电、生物与环境为一体的综合系统。一个现代化的温室由下列系统组成部分：温室框架结构、覆盖材料、通风系统、灌溉施肥系统、CO2系统、室内喷雾、屋顶喷淋和湿帘风机降温系统、遮阳/保温系统、加热系统、计算机控制系统和必要生产机具等。这些组件在软、硬件各方面相互配合的优劣决定系统的成败。其中，计算机控制是农业现代化的重要标志，因此计算机控制系统是温室生产中重要的一环。

温室中的环境由多个因子组成，诸如光、温度、空气相对湿度、CO2浓度、土壤水分等是其中较为重要的几个。环境控制就是根据外界环境的温度、湿度、CO2含量、光照等，运用一定的工程措施水利电力学院 1

来改善不适作物生长的环境条件，创造出最适合作物生长的微气候条件。完整的环境控制系统包括控制器(控制软件)、传感器、和执行机构，最简单的控制系统由单控制器+单传感器+执行机构组成。温室可以不受地点和气候的影响，设置在气候恶劣的各种地区。它能够有效地改善农业生态、生产条件，促进农业资源的合理开发利用，提高土地利用率、作业精度、劳动生产率和社会、经济效益。因此，自动控制温室己在世界范围内得到了广泛的、迅速的应用和发展。

因此，要综合考虑在我国不同地区，不同温室形式，进行再创造，开发出适合国情、面向整套温室栽培环境、价格低廉的微机控制系统，是我国当今温室生产与控制中一项亟待解决的问题。本课题就是产生于这样的背景之下，将重点探讨如何建立能适合我国国情的温室控制系统，具有一定研究价值。

1. 国外研究现状

西方发达国家在现代温室测控技术上起步比较早,1949年，借助于工程技术的发展，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抗御能力的基础及应用研究。20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用于农业生产，奥地利首先建成了番茄生产工厂，70年代后荷兰、日本、美国、英国、以色列等国家的温室园艺迅猛发展，温室设施广泛应用于园艺作物生产、畜牧业和水产养殖业。随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展，近百年来，温室大棚作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展.特别是二十世纪70年代电子技术的迅猛发展和微型计算机的出现，更使温室大棚环境控制技术产生了革命性的变化。80年代，随着微型计算机日新月异的进步和价格大幅度下降，以及对温室控制要求的提高，以微机为核心的温室综合环境控制系统，在欧美得到了长足的发展，并迈入了网络化，智能化阶段。目前,国外现代化温室的内部设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准。温室内的各环境因子大多由计算机集中控制，检测传感器也较为齐全，如温室内外的温度湿度,光照度、二氧化碳浓度、营养液浓度等，由传感器的检测基本上可以实现.对各个执行机构的自动控制，如无级调节的天窗通风系统，湿帘与风扇配套的降温系统，由热水锅炉或热风机组成的加温系统，可定时喷灌或滴灌的灌溉系统，二氧化碳施肥系统，以及适用于温室作业的农业机械等。计算机对这些系统的控制己经不是简单的、独立的、静态的直接数字控制，而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人工智能控制，一些国家在实现自动化的基础上正在向着完全自动化、无人化的方向发展。

2. 国内研究现状

我国现代温室技术起步较晚，70年代以来，政府大力发展以塑料大棚、节能日光温室为主的设施农业，促进了农村经济的发展和缓和了蔬菜季节性短缺矛盾。与此同时，从1979年至1994年，从欧美、日本等国家引进了一系列现代化温室(包括加温系统、湿帘降温系统、灌溉系统、监测与集中控制系统及其它附属设施)进行实验研究。引进的温室与我国传统温室比较，其空间大，便于进行机械作业，生产率与资源利用率比较高，为我国温室的发展提供了借鉴作用。但这些温室也存在着许多不足之处，主要表现在:

（1）价格昂贵，国内农业生产目前难以接受。

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（2）缺乏与我国气候特点相适应的温室测控软件。目前我国引进温室的测控系统大多投资大、运行费用过高，并且测控系统中所侧重考虑的环境参数与我国的气候特点存在矛盾。

（3）控制方式比较简单，软件实现模式固定，不能进行功能扩展。

随后在我国出现了一些国外的仿造产品，如江苏工学院研制的“温室环境测控系统”，主要用于无土栽培实验温室，造价仍较高，且处于实验阶段;吉林工业大学研制的“温室环境自动检测系统”，仅实现了温湿度的自动测试，“智能型温室环境控制器”仅实现了温室内的喷水自动控制等。以上产品均没有面向我国广大农村现有的100万亩传统温室的改造工程。所以，传统的方法，人们主要还是采用温度计、湿度计来采集温度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温来控制温湿度。因此，以上产品的推广使用价值仍然不大。

总体上说 ，我国自行开发的温室测控系统其技术水平和调控能力与发达国家还有一定的差距。而我国综合环境测控技术的研究刚刚起步，目前仍然停留在研究单个或少量环境因子调控技术的阶段，而实际上，温室内的光照度、温度、湿度、C02浓度等环境因素，都是在相互影响、相互制约的状态中对作物的生长产生影响的，环境要素的空间变化、时间变化都很复杂。因此，我们应该根据我国的国情研制出适合我国农业的发展的仪器仪表，并在农业设施中广泛推广。

1.2 课题内容

在查找国内外关于温室大棚的控制系统的文献的基础上，在指导老师的指导下进行结合某一地方的湿度、温度、二氧化碳等条件对其进行运行状况的理论研究。总结温室大棚的控制系统在应用、维护中应注意的问题。研究温室大棚的控制系统的基本运行规律、分析温室大棚的控制系统应用过程中存在着一些问题。从而设计出一种基于单片机，低成本，适合在国内推广的温室大棚控制系统。该设计过程中充分考虑到性价比，选用价格低、性能稳定的元器件，可实现对大棚内温湿度、二氧化碳浓度的在线实时检测。

本课题主要研究内容包含以下几个方面：

1. 空气温度、湿度、二氧化碳浓度传感器的选型及相应信号处理电路的设计； 2. 实现温室内空气温度、湿度、二氧化碳浓度等环境参数的自动测试； 3. 通过人机对话接口实现参数显示和在线参数修改； 4. 系统的可靠性及抗干扰设计。

1.3 选题的意义

温室是反季节蔬菜、观赏植物栽培生产中必不可少的设施之一，也是实现我国农业现代化过程中不可全少的措施之一。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，以提早或延迟成熟期，最终将会给我们带来巨大的经济效益。

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第二章 研究方案的设计

农业生产力的发展主要取决于遗传与环境两大因素。遗传决定农业生产的潜势，而环境则决定这种潜势可以发挥兑现的程度。农作物对环境的要求随着品种、生育阶段及昼夜生理活动中心的变化而不断变化。温室内影响作物生长的环境因子主要有温度、湿度、光照和二氧化碳等，在农作物整个生育期中，为使环境因子都维持在适于作物生育的水平，以期获得优质、高产和低耗的目的就需要采取必要的调节措施，使温室内的这些环境因子尽可能满足作物的需要。

而温室环境控制涉及诸多的领域，远比一般的工业环境控制复杂。温室环境控制是一项综合性的技术，因此要为温室作物营造一个适合作物生长的最佳的环境条件，首先要熟悉温室环境的特点和要求，然后制定温室控制系统的总体设计方案、控制策略并付诸实施。

2.1 温室大棚内重要参数的调节与控制

温室在结构上是一个半封闭的系统，温室内部受温室结构的制约和影响形成了不同于外界环境的所谓的“温室小气候”，主要包括室内的温度、湿度、二氧化碳等要素。温室结构的半封闭性又决定了温室与外界的物质与能量交换，又会引起温室小气候环境的变化，这种变化在一定程度上又会影响作物的生长。因而本论文设计的温室环境监控系统主要功能是实现温室内温度、湿度和二氧化碳浓度等因子的监测和控制。

2.1.1 温度的调节与控制

目前，温室内温度的调节和控制包括加温、降温和保温三个方面，具体表现在： 1. 加温

加温的形式有热风采暖系统、热水采暖系统、土壤加温三种形式。热风采暖系统由热风炉直接加热空气及蒸汽热交换空气两种，前者适用于塑料大棚，后者适用于有集中供暖设备的温室；热水采暖系统的稳定性好，温度分布均匀，北方温室大都采用此种方式；土壤加温有酿热物加温、电热加温和水暖加温。 2. 降温

降温最简单的途径是通风，但在温度过高，依靠自然通风不能满足作物的要求时，必须进行人工强制降温，降温包括遮光降温法、屋面流水降温法、蒸发冷却法及强制通风法。遮光降温法是一种在室外与温室屋顶部相距40cm处张挂遮光幕，对温室降温很有效。另一种在室内挂遮光幕，降温效果比挂在室外差；屋面流水降温法采用时须考虑安装成本，清除玻璃表面的水垢污染问题；蒸发冷却法使空气先经过水的蒸发冷却降温后再送入室内，达到降温目的。蒸发冷却法有湿帘— 风机降温法、细雾降温法、屋顶喷雾法。

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3. 保温

保温包括减少贯流放热量和通风换气量、增大温保比、增大地表热流量。减少贯流放热和通风换气量包括减少向温室内表表面的对流传热核辐射传热、减少覆盖材料自身的热传导散热、减少温室外表面向大气的对流和辐射传热、减少覆盖面的漏风而引起的换气传热；增大保温比是适当的减低温室的高度，缩小夜间保护设施的散热面积，有利提高温室内昼夜的气温和低温：增大地表热流量可以采用增大保护设施的透光率，且经常保持覆盖材料干洁，以及设置防寒沟，防止地中热量横向流出。

4. 本系统的控制方案

本系统温度控制系统由温度传感器检测温室内温度，根据室外天气状况和室内温度，并与设定值比较，决定升、降温措施和启动控制装置。

冬季加温根据温差的大小，决定暖风机启动的时间，温差越大，开启时间越长。

夏季降温控制采用有级控制，即保证实施了第一级的控制措施仍达不到调控要求时才启动高一级的控制措施。降温控制等级从低到高是：天窗、侧窗的开启，自然通风降温；强制通风换气降温；遮阳网张开(晴天时遮阳网张开优先于强制通风换气)；湿帘风机系统降温。

2.1.2 湿度的调解与控制

1．温室湿度环境条件

温室空气湿度较大，绝对湿度与相对湿度一般均大于露地。空气湿度大，会减少作物蒸腾量，作物不易缺水，有利于植物的生长发育，但空气湿度过大，则会使作物的茎叶生长过旺，造成疯长，影响作物的开花结果。此外，湿度过高还易促成病虫害的发生，并可能发生某些生理障碍：而过低的湿度将使作物受到水分胁迫而使生长受阻。温室内相对湿度的条件因季节、作物种类有所不同，一般在50％～85％为宜。温室内空气湿度受天气、通风换气、采暖及作物蒸腾作用的影响。阴天温室内空气相对湿度一般在90％以上。晴天，夜间温室处于密闭状态，湿度较高，甚至会发生结雾现象；而到了白天，由于温度升高，结雾消散，空气相对湿度下降。经常发生这样的现象，会给作物带来危害，因此需要对湿度进行调节和控制：湿度控制一般包括低温、阴雨季节的除湿和高温晴朗天气的加湿。 2．温室湿度特点

温室湿度的特点有：室内湿度通常较高，受季节和昼夜影响大；不同的作物对湿度的要求不同；相同作物在不同的生长期对湿度也有不同的要求；反过来，作物的生长对湿度也有很大影响，作物通过蒸腾作用可以释放大量的水蒸气。 3．除湿控制

除湿一般是通过天窗、侧窗和卷帘的开启进行自然通风来实现的，也可以通过轴流风机强制通风来增强这种效果；另外，也可以采用化学方法除湿，除湿效果较好，但成本极高，采用的比较少。 4．加湿控制

在高温晴朗的天气，达不到作物的生长需求的湿度条件时要求增加室内空气的湿度，加湿常用

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的方法有：喷雾加湿与湿帘风机降温系统加湿等。 5．本系统湿度控制方案

本系统湿度控制系统由温度传感器检测温室内温度，并与设定值比较，决定启动加、除湿控制装置。

因为湿度控制与温度控制具有一定的耦合性，如加热措施可能会引起湿度的下降，而增湿措施可能会引起温度的下降，因而在温室控制中要综合考虑这些耦合性，也就是当出现一个环境因子需要调控时尽量使用那些对该环境参数影响最大而对其他环境参数影响较小的调控方案，例如夏季光照较强，而湿度满足要求时候，因为遮阳网的张开对湿度的影响相对较小，故只需张开内或外遮阳网遮阳；或者当两个环境因子同时需要调控时，尽可能地选用能同时调节这些环境参数的调控方案，例如在冬季温室环境控制中，在温度过低、湿度过大的情况下，可以采用热风机加温，一方面温度上升，另一方面湿度下降，由于冬季保温是最重要的，因而不考虑采用强制通风这类除湿手段；再如在夏季高温和湿度较低的情况下，通常启动内喷淋及其组合措施，这样既能降低温度也能提高湿度。

2.1.3 二氧化碳的调解与控制

二氧化碳是影响植物进行光合作用的重要因子，如果不足会成为影响植物生长发育的限制因素。充足的二氧化碳对于温室内作物的影响为：提高幼苗素质；促进生长发育，显著增产；改善产品品质；抑制或减轻病害发生。

大气中二氧化碳平均浓度一般为0.03%，变幅较小。在冬春设施蔬菜生产中，为了保温，设施经常处于密闭状态，缺少内外气体交换，二氧化碳浓度变幅较大，中午设施内由于光合作用，二氧化碳浓度下降，接近甚至低于补偿点，二氧化碳处于亏缺状态应当及时的补充二氧化碳。补充二氧化碳的方法很多，常用的主要有三种： 1. 燃烧法

通过二氧化碳发生器燃烧液化石油气、丙烷气、天然气、白煤油等产生二氧化碳。当前欧美国家的设施栽培以采用燃烧天然气增施二氧化碳较普遍，而日本较多地采用燃烧白煤油增施二氧化碳。 2. 化学反应法

即用酸和碳酸盐类发生化学反应产生二氧化碳。目前较多采用稀硫酸和碳酸氢铵，在简易的气肥发生装置内产生二氧化碳气体，通过管道将其施放于设施内。该法成本较低，二氧化碳浓度容易控制，目前在我国的设施栽培中运用较多。 3. 施用颗粒有机生物气肥法

将颗粒有机生物气肥按一定间距均匀施入植株行间，施入深度为3cm，保持穴位土壤有一定水分，使其相对湿度在80%左右，利用土壤微生物发酵产生二氧化碳。该法无需二氧化碳发生装置，使用较为简便。

4. 本系统二氧化碳控制方案

本系统施肥控制方案：出于控制的需要，本系统采用的是钢瓶装的液态二氧化碳气源，用继电

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器的启闭和控制时间来实现对二氧化碳释放量的控制。

2.2 系统总体方案设计

当前，随着农业科技的发展，高产高效的设施农业栽培技术在我国得到了广泛的应用。从单个的简易日光温室，发展到大型连栋温室，生产规模越来越大，特别是近年来一些地方大规模兴建日光温室生产基地，实现了温室生产的集约化、工厂化。温室在结构上是一个半封闭的系统，温室内部受温室结构的制约和影响形成了不同于外界环境的所谓的“温室小气候”，主要包括室内的温度、湿度、二氧化碳等要素。温室结构的半封闭性又决定了温室与外界的物质与能量交换，又会引起温室小气候环境的变化，这种变化在一定程度上又会影响作物的生长。因而本论文设计的温室环境监控系统主要功能是实现温室内温度、湿度、二氧化碳浓度等因子的监测和控制。

2.2.1 系统组成框图

本设计是以AT89S52基本系统为核心的一套检测系统，其中包括A/D转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计

本系统主要由温室内外环境自动测试系统，自动控制系统，人机对话接口和通讯接口四个部分组成。系统总体方框图如图2-1所示。

图 2-1温室大棚控制系统主框图

本文通过以上对大棚蔬菜中的参量及其相互关系的分析研究，笔者对系统总体方案进行了详细设计，采用ATMEL公司生产的AT89552单片机、AD公司生产的AD590集成温度传感器、电容式湿度传感器HS1101，美国生产的红外CO2传感器6004。单片机通过ADC0809A/D转换器和TLC2543传感器把从传感器输出的模拟信号转换成数字信号。而对湿度传感器HS1101的信号处理完之后的信号为脉冲信号，针对湿度的变化，脉冲的宽度会发生变化，所以可以直接把HS1101处理完之后的信号送到单片机的

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外部中断口0(INTO)，来实现脉冲信号宽度的测量。显示部分由比较廉价的LED数码管对温度、湿度、二氧化碳浓度进行分时显。

当温湿度，或者二氧化碳中任何一个量低于或者高于期望的范围时，系统会控制自动报警。本设计采用的是声光报警，声光报警主要是控制蜂鸣器的发声频率和控制指示灯，使其在指定的区域一亮一灭，从而达到报警的目的。由于本系统所控制的温度、湿度以及二氧化碳浓度都是大惯量环节，大棚容量大，而控制精度要求相对不高，所以用常规的乒乓控制方法即可满足控制要求。具体的控制过程是：湿度低于某一值即打开滴灌电磁阀进行喷水，当湿度在期望值的范围内即关闭电磁阀;当温度高于期望的上限或湿度高于期望值上限时，单片机控制风扇进行排风；当温度低于期望值下限时，单片机驱动加热器进行加热；当二氧化碳的浓度低于要求的下限时，单片机控制二氧化碳容器排放适量的二氧化碳；当二氧化碳的浓度高于指定的上限时，单片机控制电磁阀打开天窗或者侧窗。这里采用光电隔离器主要是排除外界的干扰。具体的系统框图如图2-2所示：

图 2-2温湿度、二氧化碳测控原理图

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第三章 系统硬件设计

大棚内温度、湿度、二氧化碳含量检测属监控系统范畴，近年来，由于传感器技术、计算机技术、超大规模集成电路技术和网络通信技术的发展，使监控系统广泛应用于工农业生产等领域。因此，温湿度、二氧化碳含量检测技术的研究在软、硬件等方面都有了一定的进展。

本部分是大棚检测和控制系统的核心部分，主要涉及微控制器及其外围接口电路，包括信号的输入，输出通道及系统键盘显示电路，执行机构电路等。本章将针对温室大棚中的温度、湿度，以及二氧化碳含量的检测与控制进行深入的研究。

3.1 微控制器概述及其最小系统设计

计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积庞大。微控制器(单片机)就是在这种情况下诞生的。微控制器，亦称单片机或者单片微型计算机。它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(1/0) 等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的，在智能控制系统中，微控制器得到了广泛的应用。

单片机目前己被广泛地应用于家电、医疗、仪器仪表、工业自动化、航空航天等领域。市场上比较流行的单片机种类主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8051系列单片机，Motorola公司的M6800系列单片机，Intel公司的MCS96系列单片机以及Microchip公司的PIC系列单片机等。各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、1/0能力、功耗、功能、价格等方面各有优劣。这些种类繁多的单片机家族，给我们单片机的选择也提供了很大的余地。本文选用Atmel公司生产的AT89S52作为CPU。AT89S52是一种低功耗、低价格，高性能8位微控制器。

3.1.1 AT89S52单片机的特点

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS八位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许ROM在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使其为众多嵌入式控制应用系统提供灵活的解决方案。

主要特点有：

（1）与MCS-51单片机兼容；

（2）8K字节在系统可编程Flash存储器； （3）1000次擦写周期； （4）全静态操作：0Hz—33MHz；

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（5）三级加密程序存储器； （6）32个可编程I/O口线； （7）三个16位定时器/计数器； （8）六个中断源

（9）全双工UART串行通道； （10）低功耗空闲和掉电模式； （11）掉电后中断可唤醒； （12）看门狗定时器； （13）双数据寄存器指针； （14）灵活的ISP字节和分页编程； （15）4.5V～5.5V工作电压； （16）掉电标识符。

如图

3-1所示AT89S52芯片引脚图：

图 3-1 AT89S52芯片引脚图

AT89S系列单片机相对于AT89C系列单片机新增加以下功能:

（1）ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，这是一个强大易用的功能。

（2）最高工作频率为33MHz，而89C系列单片机的极限工作频率是24MHz，就是说89S系列单片机具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。

（3）具有全双工UART串行通道。

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（4）内部集成看门狗计时器，不再需要像89C系列单片机那样外接看门狗计时器单元电路。 （5）双数据指示器。 （6）电源关闭标识。

（7）全新的加密算法，这使得对于89S系列单片机的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。

（8）兼容性方面:向下完全兼容51全部字系列产品.比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。 综上所述，859系列相对于89C系列新增加了许多功能，并且性能也有了较大的提升，价格基本不变，甚至比89C系列更低。所以本设计选用AT89S系列的AT89552单片机。

3.1.2 最小系统设计

1. 时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。振荡电路产生的振荡脉冲并不直接使用，而是经分频后再为系统使用，作为时钟信号，在二分频的基础再三分频产生ALE信号，也就是说二分频的基础上六分频得到机器周期信号。

在AT89S52芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，在芯片内部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。在此温湿度测试系统中提供时钟信号的电路就是采用了晶体振荡器与微调电容构成的自激振荡器电路，晶体振荡器使用11.0529MHz的晶振，微调电容为33pF。 2. 复位电路

复位是计算机的一个重要工作状态，一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能够复位成功。系统接电时要复位，断电时要复位，发生故障后也要复位。复位有两种方式，一种是上电复位，一种是按键复位，本系统采用按键复位方式。要实现复位操作，必须使RST引脚至少保持2个机器周期的高电平。例如：时钟频率若为6MHZ，每机器周期为2us，则需要持续4us以上时间的高电平。图中RC构成微分电路，在接电瞬间，产生一个微分脉冲，其宽度若大于2个机械周期，MCS-51将复位。为保证微分脉冲宽度足够大，RC时间常数应大于2个机械周期。一般取10uF电容、200欧姆的电阻。 时钟复位电路图如下图3-2所示，其中X1的频率为11.0592MHz。

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图3-2时钟复位电路

3.2 温度数据采集与处理模块设计

在本设计中，温度是一个很重要的物理量，温度的精确检测及控制更是必不可少的。由于温度是非电量，因此，对温度的箭簇机控制需使用传感器或温度敏感元件。

温度的检测方法一般采用热电偶、热敏电阻以及集成温度传感器等测温元件。热电偶的工作原理:两种不同成份的导体两端经焊接，形成回路，直接测温端叫工作端，接线端叫冷端，也称参比端。当工作端和参比端之间存在温差时，就会在回路中产生热电动势，接上显示仪表，仪表上就会指示出热电偶所产生的热电动势的对应温度值。热敏电阻的工作原理:热敏电阻的阻值随温度的升高而成非线性急剧变化，一般具有负的温度系数，其阻值随温度升高而急剧减小，只有少数具有正的温度系数。集成温度传感器的工作原理: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Vbc与热力学温度T和通过发射极电流I的关系实现对温度的检测。

热电偶和热敏电阻的测量精度都比较高，成本比较低，而且测量的范围也比较宽，但是它容易受到测量场所以及环境的限制，高温或长期使用时由于环境的影响会使其性能下降，需要定期检查与更换，给实际应用带来了很大不便。而由AD公司生产的AD590集成温度传感器，它具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便、价格比较低，并且具有长期稳定性等优点，因此，得到广泛应用。所以，经过论证及多次实验，本设计决定采用AD公司生产的AD590集成温度传感器。

3.2.1 温度传感器AD590

AD59O是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。是利用阴结正向电流与温度的关系

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