基于单片机的温室自动控制系统设计

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第一章 前 言

1.1 温室控制技术发展的背景

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。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、光照强度、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，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， 要在大棚内引入自动化控制系统，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度自动控制系统。

1.2 国内外温室控制技术发展概况

温室是一种可以改变植物生长环境、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场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。随着农业现代化的发展，设施园艺工程因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，己越来越受到世界各国的重视。这也为我国大

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型现代化温室的发展提供了极好的机遇，并产生巨大的推动作用。我国的现代化温室是在引进与自我开发并进的过程中发展起来的。国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。目前，一些经济发达的国家和地区已经研制并实现计算机自动控制的现代化高科技温室，并且形成了令人惊羡的植物工厂。而我国的温室系统属于半开放系统，温室内环境控制水平比较低，仍靠人工根据经验来管理。而且，国内的控制系统主要用于单因子控制，因而设施现代化水平低，对温室环境的调控能力差，产品的质量和产量难以得到保证，正是这些塑料大棚和日光温室对于解决城乡人民的蔬菜供应发挥着主力军的作用。

从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段:

（1）手动控制 （2）自动控制 （3）智能化控制

1.3 温室环境控制技术的发展趋势

1.智能化:随着计算机技术、传感技术和自动控制技术的不断发展，温室计算机环境控制系统的应用将由简单的以数据采集处理和监测为主，逐步转向以数据处理和应用为主。因此软件系统的研制开发将不断深入完善，其中以专家系统为主的智能管理系统已取得了不少研究成果，而且应用前景非常广阔。因此近几年来神经网络、遗传算法、模糊推理等人工智能技术在温室栽培中得到了不同程度的发展和应用。

2.网络化:目前，网络技术己成为当前世界最有活力、发展最快的高科技领域。网络通信技术的发展促进了信息传播。因此，设施农业产业化程度的提高成为可能。我国幅员辽阔，气候复杂，劳动者整体素质低，利用网络进行在线和离线服务，可以对不同区域进行监测、比较，不仅给管理带来很大的方便，而且可以提高劳动生产率。

3.分布式:分布式系统通常可分为上、下两层。上层主要用作系统管理，其它各种功能如测量与控制任务等，主要由下层完成。下层由许多各自独立的功能单元组成，每个单元只完成一部分工作。面向对象的分布式系统，每一个功能单元针对一个对象、每一根进线、每一根出线、每个传感器、接触器等都可作为对象。

4.综合环境调控:所谓综合环境调节，就是以实现作物的增产稳产为目标，把影响

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作物生长的多种环境参数，如光照、温度、湿度、二氧化碳浓度等，都保持在适宜作物生长的状态，并尽可能使用最少量的环境调节装置，既省时又节能，还能使劳动者愉快地从事生产劳动。

5.变动的环境控制系统:当前，主要使用精确的计算机环境控制程序根据设定值对温室中的环境进行调控，但研究发现，这并不能使温室内的作物达到最佳产量。如作物的生长和发育并不取决于某一时刻某个特定温度，而主要取决于在一个时间段中的平均温度水平。这导致控制系统向“自由设置”系统的方向发展，如综合温度控制系统的研制，在该系统中并不设置一个固定的温度值，温室中的温度在最高和最低温度范围内可进行变动，以求在一个较长的时间段内达到理想的平均温度。这样计算机可以根据室外的气候，在使用最低能耗、最佳利用温室中的现有的设备的情况下自由进行调节。可变动的环境控制系统目前主要侧重于温度、光照、相对湿度、二氧化碳浓度等方面的研究，在温室作物产量上已表现出比较满意的效果。

6.蓝牙技术(B1uetooth):蓝牙技术是近年发展起来的新型低成本、短距离的无线网络传输技术。运用这种技术把温室环境自动检测与控制系统中的各个电子检测装置和执行机构无线地连接起来，以达到便捷地对温室环境参数进行自动检测，灵活地对温室环境参数进行自动控制的目的。便携式环境参数采集器内部装有温度、湿度、光照等各种传感器，并嵌入了蓝牙芯片，因此，这种参数采集器具有无线通信功能，可以便捷地放置在温室内的不同位置。控制器同样嵌入了蓝牙芯片，它一方面与便携式环境参数采集器无线连接，另一方面通过RS-485通信总线与温室内的计算机控制装置相连接。

1.4 温室控制系统研制与开发的意义

温室是植物栽培生产中必不可少的设施之一，温度是影响植物生长发育最重要的因子之一。植物生长的温度范围以15—35摄氏度最适。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。控制系统由中央控制装置、终端控制设备、传感器等组成。先编制出温室花卉各生育阶段最适环境条件的管理程序表，存储于电子计算机的记忆装置中，电子计算机根据程序表确认、修正各栋温室内的参数，并给终端控制系统指令。终端控制设备向中央控制装置输送检测信息，根据中央控制装置的指令输出控制信号，使电器机械设备执行动作，实现温室环境调节。该系统可自动控制加热、降温、通风。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

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培高新技术的体现。改变传统的控制方式,实施温室环境的计算机监控,开发符合中国国情的温室自动控制系统,对加快中国温室生产的现代化水平和提高温室的经济效益具有重要意义。

1.5 温室控制系统设计的内容

温室控制系统以AT89C54单片机的温度、湿度测量和控制系统为核心来对温湿度进行实时巡检。单片机能独立完成各自功能，同时能根据主控机的指令对温度进行定时采集。测量结果不仅能在本地显示，而且可以利用单片机的串行口和 RS-232总线通信协议把温室中的温度、湿度等参数及时上传至上位机，并与设定值进行比较，与设定值不符时采取相应的处理措施，以实现恒温恒湿环境。

在设计的过程中充分考虑到性价比和精度，在选用低价格、通用元件的的基础上，尽量满足设计要求，并使系统具有高的精度。本控制系统以单片机的控制为核心，实时监测环境的温度和湿度，并设定了这两个参数的上下限定值，并具有相应的报警系统，当超过设定的限定值时，单片机控制报警系统进行报警，而且同时驱动继电器打开相应的开关使相应的执行机构运行。当参数值恢复到设定值范围内时，单片机控制执行机构停止运行。从而使环境的温湿度在一定的范围内得到控制。

本设计主要内容包括以下几个方面：

1.选择适合的几种传感器，设计相应的信号采集和处理电路。 2.掌握AT89C54单片机的主要功能和特性，以其为核心设计控制系统。 3.设计简单的人机对话接口系统，如键盘、显示、报警等。 4.利用RS485实现单片机与上位机的通信。 5.实现系统的可靠性和抗干扰性。

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