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1、1.引言1.1研究背景及发展现状江浙地区作为沿海的发达经济区，我国的许多现代化建设，一直是在江浙地区率先进行，并且取得了一些成就。农业是江浙地区的支柱产业，古语就有“江南富，天下足”的美誉，而随着农业现代化要求的不断提高，电子科学技术在其间也开始产生着重大的作用。以浙江为例，由于气候和土壤条件适宜，浙江的农业一直十分发达，并且，由于产业布局合理，浙江的农业特色产业飞速发展1。到今天，在浙江以各种“特产之乡”命名的乡镇已经达到一百二十余个，不仅是当地的产业支柱之一，乃至在发展休闲观光农业方面，也走在了全国的前列。在浙江地区，葡萄是常见的经济植物，它的种植面积大，且范围覆盖全省。葡萄的质量与它的生
2、长发育需要有一定的环境条件，这些环境条件主要有温度、水分、光照、空气成分、土壤成分、物理机械性质、营养液的温度和成分等，其中最为重要的影响因素是空气温度和土壤湿度，这两项因素贯穿影响着整个葡萄的生长环节。每年的8-10月份，是天然种植葡萄的成熟季节，此段时间内葡萄多到泛滥，导致价格很低，很多种植者都只能保本，很少盈利；而在反季节，葡萄很少，人们想买，却供不应求，价格也是相当的高，相比平时可以翻好几倍。这现象和葡萄挑剔的生长条件和不易控制的环境是有一定联系的。如何能有效及时的控制好温度和土壤湿度问题已经成为蔬果种植者们最为关心的问题，而大棚种植也成为解决这一问题的首选的方式。. 大棚发展现状目前
3、，大棚在我国的应用相当广泛，甚至是占主导地位的。我国大多数温室大棚1采用塑料薄膜为覆盖材料。这不仅因为它质量轻，透光保温性好，可大面积覆盖，可塑性强，而且价格低廉。又因为它可以使用轻便的材料作大棚骨架，容易建造和造形，可就地取材，建筑投资少，经济效益也高，还能抵抗自然灾害，防寒保温，现在在我国北方旱区发展也很快。无论是玻璃或者是塑料的大棚，其最简单的基本原理，就是通过保留阳光照射的温度，在不同的季节保证植物的生长环境，使其具有适合生长的环境，可以营造一个天然的保温房和保湿器。但其实在本质上，传统的大棚环境依然与自然环境是密切联系的，没有完全摆脱自然的环境因素；大棚内的环境控制，更多的依靠种植者
4、的农业经验而不是科学依据，在管理上，依靠人工管理，依然是占绝大部分的，人工管理更多依靠的是经验，而不是科学，虽然经验在一定程度上可以较好的完成管理，但其具有的弊端也是明显的，比如，可能某个经验在传授的时候就是有错误的，那可能导致不良的后果，我国各个地方的大棚都存在着不同程度的因人工控制的失误造成的水果和经济效益上的损失，而发现与改进这些错误，需要种植周期与实践摸索，对于很多依靠农业种植为生的产业者，他们没有时间去摸索，更不会专门辟出一部分土地和大棚作为改进品质的实验基地，因此，葡萄生长虽然摆脱了季节的限制，但对提高品质方面，依然是有很多值得改进和开发的地方的。目前飞速发展的现代电子科学技术，完
5、全可以应用于农业的现代化生产2。可以采用数据采集技术、通信技术、控制技术来实现大棚的运作，实现对温湿度的测量、信息的传输和环境的控制。因此，依据作物生长规律而研发的控制系统，是可以使他们直接受益的。. 大棚智能控制系统作为最普遍的温室环境，在对大棚进行智能化控制6是现代农业发展的趋势，它以建立植物生长的数学模型为理论依据，以温室综合环境因子作为采集与分析对象，通过专家系统的咨询与决策，给出不同时期作物生长所需要的最佳环境参数，并且依据此最佳参数对实时测得的数据进行模糊处理，自动选择合理、优化的调整方案，控制执行机构的相应动作，实现温室的智能化管理与生产。目前，在世界范围内有多种的智能技术，比如
6、，基于单片机的智能温室控制系统，基于PLC的智能温室控制系统，基于PC的模糊控制系统，以及物联网智能控制系统。单片机7是典型的嵌入式微控制器，它是由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机的最小系统，而大量的外围设备通过需要连接，早期在工业领域广泛得到应用，而现在，已经发展到深入人们生活的方方面面，采用单片机作为核心的智能控制系统，其优势在于体积小，质量轻，适合在各种环境下运行，原理方便，适合大众化的人群使用，并且，价格低廉。PLC8是可编程逻辑控制器的缩写，PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
7、从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。基于PC的模糊控制系统，指的是不再需要对被控制的对象建立精确的数学模型，可以通过计算机完成人类用自然语言所描述的控制活动，把各种环境参数综合起来分析考虑，进行模糊控制，再通过实验结果或经验总结来推断出模糊控制的规律，使各参数的拟合达到最佳状态，由于不需要事先知道对象的参数模型，具有响应速度快，过渡时间短等特点。物联网是现代农业乃至未来农业的发展趋势，物联网的温室智能控制系统，通过建造集
8、成了电路的玻璃温室，在多点布置传感器等方式，可以实时检测和控制环境的温湿度，光照，分析土壤或水的养分，监视病虫害状态。对自然气候的依赖性较小，可以进行远程控制或者自动控制。但其造价成本高昂，控制也较为复杂。而我国人口众多，农业用地日渐狭小，农业在很长时间内依然是劳动密集型产业，农业成本中，相对于发达国家，人力成本相对廉价，因此，改进农业生产技术的环节中，价格因素往往会是主导因素，而且，目前我国的农业温室体系中绝大部分是塑料大棚的温室，在人力成本不高的情况下，将大棚改造成适用于物联网之类的玻璃温室，显然不具有普遍性，所以，基于单片机的智能温室控制系统，由于其价格低廉，在塑料大棚内具有良好的适应性
9、，依然具有相当的市场潜力。本文就将设计一种基于单片机的智能温室控制系统，对葡萄的生长环境进行检测和控制。1.2 葡萄大棚控制系统原理概述基于单片机的葡萄大棚管理系统9，采用数字温湿度数字传感器对葡萄大棚的环境进行监测，配合相应的控制系统，从而使得葡萄能够在不同的生长阶段处于科学的环境需求当中；还将简化操作，使得最后的界面简单，数据直观有效，可以及时掌握被控温湿度等技术指标；系统的数据测量和传输精度都很高，在选取构件时也考虑到了经济因素，增加了实用性和普适性；而利用这样的自动控制系统，希望可以代替管理者的人工调控，减轻他们的劳动负担，也能更好地保障葡萄的生长，从而创造更大的效益。1.3 设计内容
10、及目标系统由基于STC89C52单片机的主控模块、DS1302时钟模块、DS18B20、DHT11数据采集模块、12864显示模块、控制模块、报警模块和电源模块组成，所有指令执行有STC89C52单片机控制，多个温湿度传感器测得空气和泥土的温度与湿度，单片机读取已经过AD转换的温度数据后进行数据处理，将数据与提前设定的温度上下限作比较，同时在液晶屏上显示。如果比较的结果超出预设值，单片机控制电扇和水阀门开关及蜂鸣器报警。本设计要实现的目的主要有以下几点：1.可以现实当前时间和实时温湿度，温度精度为0.5，范围为-10-55；湿度精度5%，为分辨率为1%，测量范围为20%-80%；2.键盘输入设
11、置时间和温湿度上下限；3.当温湿度超出上下限时，进行报警和自动控制。2. 系统总体方案设计2.1系统设计要求和功能设计一款基于51单片机的葡萄大棚控制系统。该控制系统具有的功能：1.实时显示温湿度，温度测量范围在040，湿度测量范围在40%70%；2.温度高于设定值时，打开电扇，进行降温；3.湿度低于设定值时，打开水阀，进行浇水；4.显示当前时间。2.2系统总设计方案根据设计要求和功能，系统包含以下几个模块：(1) 数据采集模块：利用传感器测量环境所需要的数据，具体为温度与湿度，使电路按照一定的序列将数字信号写入到单片机。(2) 控制模块：采用单片机作为主控芯片，温度过高时，控制电风扇开启，湿
12、度过低时，打开水阀门。(3) 单片机外围电路模块：包括晶振电路、复位电路和电源电路，使单片机正常工作。(4) 键盘模块：时间、温度上限、湿度下线的设置，菜单的选择。综上所述，设计总方案，可以实时测量葡萄大棚中的温度和湿度情况，通过显示屏显示数据，在环境发生异常的时候，系统可以自动控制环境调节部分，使得温度与湿度趋于理想情况，基于安全性和实用性，考虑了一种改变温度和湿度的方式。通过硬件构架，软件设计，从而使得系统可以在实际环境中顺利得到应用，并在现实中可以得到推广。因此，作出葡萄大棚控制系统设计的基本原理框图如图2-1所示。图2-1 系统设原理框图3.系统硬件设计3.1 主芯片的选择及介绍本设计
13、的控制器主要用于对温湿度测量信号的接受与处理、控制系统的开关、通过显示电路对温湿度值和当前时间的显示、超过设定温湿度范围的蜂鸣器报警、控制键盘实现对温使度上下限以及时间的设定等。. 单片机的选择方案一：采用8031单片机作为系统控制器。8031单片机体积小，成本低，可是它的功能不是那么的强大，稳定性和精确性也不太高，需要采用数字滤波方案来减少干扰信号，还要一些复杂的算法控制，比较麻烦。方案二：采用单片机STC89C52作为系统控制器。STC89C52算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟、成本低，相对而言性价比方面都非常的高。
14、基于以上分析拟订方案二，由STC89C52作为控制核心，对温湿度采集、控制和实时显示以及对上传数据进行控制。. STC89C52单片机概述STC89C5210由美国ATMEL公司开发，它的制造工艺采用可靠的CMOS工艺技术，属于标准的MCS-51的8位单片机。采用40引脚的双列直插封装（DIP）。如图3-1所示为单片机封装图。89C52的40只引脚按功能分类，可分为3类：（1）电源及时钟引脚：Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2；（2）控制引脚：PSEN、ALE、EA、RESER（即RST）；（3）I/O口引脚：P0、P1、P2、P3，四个都为8位的外部引脚。图3-1 单片机封装图其主要特性
15、如下：与MCS-51 兼容；4K字节可编程闪烁存储器；寿命：1000写/擦循环； 数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道。I/O口的特性及相关功能11：P0口：P0口是一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供
16、上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位
17、地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口12，如表3-1所示：表3-1 P3口替代功能引脚替代功能 说 明P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送 P3.2INT0 外部中断0申请P3.3INT1外部中断1申请P3.4T0定时器0外部事件计数输
18、入P3.5T1定时器1外部事件计数输入P3.6W R外部RAM写选通P3.7R D外部RAM读选通3.2 单片机外围电路设计单片机外围电路包括晶振电路和复位电路，它和主控单片机芯片、电源电路组成单片机最小应用系统。3.2.1 晶振电路 晶振电路是一种时序电路，为单片机提供脉冲信号使其正常工作。由于MCS-51系列单片机内部已集成了时钟电路，所以在使用时只要外接晶体振荡器和电容就可以产生脉冲信号。晶体振荡器和电容所组成的电路称为晶振电路。如图3-2所示为晶振电路图，由11.0592MHz的石英晶体和两个22PF的电容组成。X1（晶振）直接接在STC89C52的XTAL1、XTAL2两端，其中CB
19、1、CB2为起振电容。图3-2 晶振电路连接图3.2.2 复位电路复位就是让单片机从程序的最初开始重新运行，就像电脑的重启一样。单片机在启动运行时，都需要先复位，即是使CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。MCS-51系列单片机本身，一般不能自动进行复位，必须配合相应的外部电路才能实现。复位电路的作用就是使单片机在上电时能够复位或运行出错时进入复位状态。本设计中STC89C52的复位引脚（Reset）是第9引脚，因此引脚连接高电平超过2个机器周期（一个机器周期为6个时钟脉冲），即可产生复位动作14。以12MHz的时钟脉冲为例，每个时钟脉冲1微秒，两个机器周期为
20、2微秒，因此，在第九引脚上连接一个2微秒以上的高电平脉冲，即可产生复位的动作，复位电路图如3-3所示。图3-3 复位电路连接图3.3 时钟模块电路设计应设计要求，显示屏要现实当前时间和日期，则需要精确较高的时钟芯片。一般娇典型的有DS1302，DS12887等。. 芯片的选择方案一：选择DS130215芯片。它是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口和CPU进行同步通信，并可以采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于
21、临时性存放数据的RAM寄存器。方案二：选择DS12887。它也是由美国DALLAS生产，其内部自带晶体振荡器及锂电池，可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日、月、年七中日历信息，并带闰年补偿。功能强大，但价格较高，投入到控制系统的生产需要较大的资金。由于本设计所需要的功能不要需要2000多年的日历计算，并考虑到投入生产所要的资金问题，选择DS1302芯片。. 芯片介绍时钟芯片采用DS1302，它的引脚功能如图3-4所示：图3-4 DS1302封装图VCC2:主电源；VCC1:备份电源。当VCC2VCC1+0.2V时，由VCC2向DS1302供电，当VCC2VCC1时，由VCC1向DS13
22、02供电。SCLK:串行时钟，输入，控制数据的输入与输出；I/O：三线接口时的双向数据线；CE/RST:输入信号，在读、写数据期间，必须为高电平，则允许对数据进行操作以及初始化操作，为低电平则数据此次数据传输中止。该引脚有两个功能：第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。DS1302引脚连接方式如图所示，X1，X2脚串联一个32.768KHz的晶振，该晶振的作用是产生基准时钟信号，它与芯片内部的电路组成振荡器，进过分频可以得到精确的秒信号，与电子手表的晶振是一致的，产生的时间信号较为精确。VCC1的备用电源在主电源关闭或遭遇故障的时候使得时
23、钟芯片依然能够工作，选择的电容器应接近芯片的负载电容，如果断电时间较短，漏电较小的普通电解电容器就能胜任。图3-5 时钟电路连接图选择DS1302用于数据记录，是因为其对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。这也是保障在环境突发变化的情况下，能够及时的得到时间资料13。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此，只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；而若单单采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源
24、，而且，某些测控系统可能不允许，因此，在系统中采用时钟芯片DS1302，能很好地解决这些问题。3.4 温度数据采集电路设计. 元器件的选择方案一：选用传统的热电偶和热电阻测温元件。传统的热电偶和热电阻测出的一般都是电压，然后再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。方案二：选用DS18B20。它是有美国DALLAS公司生产的测温元件，它的全部传感元件及转换电路集成就像是一只三极管的集成电路。它体积小，使用方便灵活，适应电压范围宽，更利于温度的准确测量。经过以上对比，采用DS18B20作为大棚控制系统的测温元件。. 元器件的介绍DS18B20是美国DA
25、LLAS半导体公司继DS18B20之后推出的一种改进型智能温度传感器，它的内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。基本特性：1、温度适用范围：55+125，在-10+85时精度为0.5。2、电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。3、可编程，分辨率为912位，对应的可分辨温度为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。4、在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。5、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能
26、正常工作。6、在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在一只形如三极管的集成电路内。7、内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM，温度传感器，温度报警触发器TH和TL，配置寄存器。图3-6 DS18B20引脚图温度传感器DS18B20的引脚如图3-6所示，各引脚的功能为：GND：接地端，电源必须接地DQ：数字端，信号的输入输出VDD：电源端，可选择寄生电源，该传感器电源极性不能接反，否则会显示恒定温度值。DS18B20的工作原理16，在于低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计
27、数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。如图3-7所示为DS18B20工作原理图。图3-7 DS18B20工作原理图3.5 湿度数据采集电路设计(1) 元器件的选择方案一：选用JCJ100S传感器。它采用进口高精度湿敏电容，配合线性放大电路和温度补偿电路,具有性能可靠、使用寿命长等特点。它
28、是一体式变送器,广泛使用于一般室内测量，如机房、宾馆、生产车间、档案馆等环境较好的场所。方案二：选用DHT11传感器。它是一款含有已校准数字信号输出的数字传感器，具有体积小巧、功耗极低、接口简单、响应速度快、性价比高等特点，可测泥土湿度，并且信号传输距离可达20米以上。相比两者特性和使用范围，DHT11更适合大棚内湿度测量。(2)元器件的介绍DHT11数字温湿度传感器，含有已校准数字信号输出。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和长期稳定性。传感器由一个电阻式感湿元件、一个NTC测温元件和一个相连的高性能8位单片机组成。因此该产品具有品质卓越、响应快、抗干扰能
29、力强、性价比高等优点。每个DHT11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。其基本特性： 1)测量湿度范围：20%95%； 2)电压范围：3.05.5V； 3)测量精度：5%； 4)分辨率：1%； 5)工作稳定，可实现互换。图3-8 DHT11电路连接图如图3-8为DHT11数字温湿度传感器的连接方式，它的各引脚功能为VCC：电源
30、端DATA：数据端NC：空置端GND：接地端以如上方式将湿度传感器接入单片机，从而实现湿度的测量，并在湿度超出预设范围的时候，开启警报和自动调节湿度功能。考虑到现实应用，设计了多点测量。3.6 液晶显示模块电路设计本此设计硬件显示采用了12864LCD液晶中文显示19，可以显示系统的时间，所测量的温度、湿度数据及预设温湿度。其基本特性为： (1)显示大小：128x64点阵的液晶显示； (2)工作电压：4.75V5.25V； (3)背景：LED光源； (4)数据总线：8位并口； (5)工作温度：-2070。如图3-9所示为12864显示屏的电路图，各引脚功能如下：图3-9 12864电路连接图G
31、ND：电源接地VCC：电源输入VL：液晶显示对比度调节RS：数据输入RW：读写选择EN：读写使能D0-D7：数据总线CS1,2：U1,2片选RST：液晶模组复位VEE：液晶驱动电源BL+:LED电源正BL-：LED电源接地该显示器体积较小，价格低廉，适用于本系统，该显示器由于是液晶模组，抗震性能较差，而且静电防护能力也较弱，但由于本系统适用于大棚环境，无需二次运输，而且相对湿度较高，因此也正好克服了这些弱点。值得注意的是，对液晶材料施加直流电压，会引起液晶材料迅速恶化，应该确保提供交流波形的M信号的连续应用。特别是，在电源开关时应遵照供电顺序，避免驱动锁存及直流直接加至液晶屏。3.7 报警、控
32、制模块电路设计本设计采用对电阀门的开关来实现温湿度的报警与控制。当所测温度或湿度超过设定值的上下限，就会报警。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机P21引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。S51增强型单片机实验板通过一个三极管来放大驱动蜂鸣器，连接方式如图3-10所示：3-10
33、报警电路连接图如图3-10所示，蜂鸣器的正极接到VCC（5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的I/O口控制，当该I/O输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当I/O口输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制I/O口的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。程序中改变单片机I/O口输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。另外，改变单片机I/O口输出电平的高低电平占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小。对于控制模块，温度传感器17所测的温度实时传输，系统对
34、其进行判断，当所测的温度高于预设温度时，电平改变，控制风扇的电阀门打开，从而加速空气流动，降低温度，当温度回到预设范围以内时，电阀门关闭，风扇自动关闭。利用同样的道理，自动控制水阀门，进行加湿处理。值得注意的是，单位时间湿度的改变值较大，而测量有一定的滞后性，在实际应用过程中，预设湿度范围的时候，需要考虑到这个问题。4.系统软件设计4.1 系统软件设计系统软件设计主要包括各模块的初始化设计，对温度、湿度采集判别的程序设计，以及设置调节的时间、温湿度的按键设计。系统使用C语言进行编程，优势在于无须懂得单片机指令集也可进行编译，更重要的是，利用C语言编译的程序数据坚固，可以避免运行中数据被破坏从而
35、导致程序异常。如图4-1所示为实现系统功能的程序流程图，系统通电开始运行，并对各模块进行初始化操作，操作者设置温湿度上下限，当环境温度高于设定温度时，报警器响，并自动打开风扇；当环境湿度小于设定湿度时，系统报警自动打开水阀。从而达到本设计的目的。图4-1 系统设计总流程图4.2 时钟显示程序预设DS1302 的控制字节如图4-2所示。控制字节在最高位，当逻辑字节为1时，可以写入，为0时，则不能把数据写入DS1302中；位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1指示操作单元的地址;最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始
36、输出。图4-2 DS1302控制字节4.3 12864显示程序预设LCD12864的显示需要进行初始化与设置，如图4-3所示为流程图。图4-3 显示流程图带中文字库的LCD12864每屏可显示4行8列共32个1616点阵的汉字，每个显示RAM可显示1个中文字符或2个168点阵全高ASCII码字符，即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。LCD12864液晶显示屏的驱动方式分为两种，分别是串行方式和并行方式，并行方式可以提高液晶显示屏的刷新频率，特别适用于实时显示。如单片机写数据到LCD12864，先拉低EN引脚，使得LCD12864可读可写，随后拉低R/W引脚，将状态切换
37、为写入模式，拉高RS将状态切换为数据模式，然后将一个字节的数据锁存到并行总线上，紧接着拉高EN引脚，相当于把当前LCD12864的状态锁定在写入状态，最后将数据传送出去,拉低EN引脚，液晶显示屏又恢复成可读可写的状态。同理，单片机读取LCD12864中的数据，如忙标志位，也是类似的流程。写命令即将RS拉低，其他同写数据。4.4 数据采集程序设计DS18B20温度采集后处理的流程是，在正确读出64位序列号之后，需要根据时序的严格要求，编写温度读取程序。单片机控制DS18B20的温度转换必须按照DS18B20的命令流程。首先执行初始化时序，然后单片机发出跳过ROM命令，此命令针对所有在线DS18B
38、20，单片机再发出启动转换命令，启动DS18B20完成温度转换。程序流程如图4-4所示。图4-4 转换温度流程图DHT11湿度采集的流程是，单片机与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，数据分小数部分和整数部分，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零，一次完整的数据传输为40bit，高位先出。发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，可选择读取部分数据。DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度
39、采集。4.5 按键子程序设计如图4-5所示，为按键子程序的流程图。首先进行键盘扫描，判断是否有键按下。按下A键，进行数据设置，首先选择年，按下B键或C键调整年份；按下A键，选择月，按下B键或C键调整月份；按下A键选择日，按下B键或C键调整日期，依次还有分和秒；然后，按下A键，选择温度，按下B键或C键调整温度上限；按下A键，选择湿度，按下B键或C键调整湿度下限。完成设置按下D键确定并退出。图4-5 时序、温湿度设置流程图图4-5是简化了时序控制的过程，其中时序控制依次包含年、月、日、星期、分和秒，每个按键操作都是一致的。5.调试本次设计我们采用硬件和软件相结合，来展现预期成果。首先我们根据设计来
40、采用protel99se 绘制原理图。然后开始列清单，根据清单来购买所需元器件。接着根据原理图开始进行焊接。焊接过程中布局很关键，要注意短路、断路等现象。例如12864液晶屏等我们采用排针插槽，防止烧坏。焊接完成后我们将编写好的C语言程序捎烧入单片机，然后进行运行。在这其中，如果一步出错将导致没有结果或出现未预期的结果。这时就需要耐性检查错误,设计的硬件焊接基本无大问题。主要是12864显示屏有电线出现虚焊现象，导致调试结果不太理想。本次设计主要完成了大棚内的温湿度检测、显示和控制，并可以显示当前时间。硬件上共有4个键，可通过进入菜单键、上下键和确定键，对时间和预设温湿度进行设定。使用者可根据
41、葡萄在不同生长状态的需要设置温湿度上下限，当超出正常范围时，自动报警并开启相应设备进行调节。5-1 正常运行界面如图5-1所示，是系统在正常工作时的界面。当预设温度为45，预设湿度为80%时，实际实际温度为19，湿度分别为38%和43%，此时蜂鸣器响作为湿度过低的报警，并且打开水阀门自动调节。开启设备时对时间进行校对，经过几个小时，走时准确，并无超前或延后现象。总的来说，系统运行正常，能达到预期目标，对大棚内温湿度进行检测和控制，基本满足设计要求。6.总结作为现代化农业的支柱产业，大棚的环境控制系统作为智能温室的关键技术核心，对农作物的生长和发育起着重要作用。由于大棚控制系统的起步较晚，在关键
42、控制技术离发达国家有很大的差距，控制系统没有都得到很好的应用和推广，在很大程度上，现在国内温室环境控制技术水平的相对落后在一定程度上制约了农业的发展。本次设计制作了基于单片机的大棚控制系统，并且选择了在我国种植面积普遍，对温湿度环境要求较高的经济作物葡萄的大棚作为研究对象，基于我国目前大棚的状况依然是以较为简陋的塑料大棚为主，本控制系统可以普遍适合在塑料大棚和玻璃大棚中应用。我们选取温度和湿度作为控制对象，实现对温度和湿度的实时监测，和测量数据超限时的系统警报，以及在环境发生改变时候进行及时的控温和控湿。基于对设计最后到达应用时的成本控制以及对安全性方面的考虑，在控温方面，我们设计了风扇达到降
43、温的效果，并没有自动连接提高温度的制热装置，不但因为大棚内不太可能出现温度过低的情况，而且在无人值守的情况下进行制热，可能发生意外，塑料大棚及容易发生火灾，造成不可逆转的损失；同样的，由于在湿度控制方面，绝大部分情况是过干而不是湿度过高，且大棚内都会有排水沟道，因此没有连接除湿装置，降低了成本。通过本次设计，发现自己在软件发面，单片机的结构，还需努力，有待提高。在设计上，也有很多需要改进的，比如提高硬件的精度与测量范围，可以在控制精度和控制效率方面进行改进，使之适用于所有的温室环境；在软件方面，可以往预设方向考虑，比如可以预设某种作物，根据它的生长周期所需要的环境，在系统中预设某个时间点或者时
44、间段，控制环境的温度湿度；在管理方面，可以考虑加入无线连接装置，这样，可以对大棚控制系统进行批量监测与管理，真正达到农业现代化的要求。参考文献1 朱明芬,陈随军. 浙江农业循环经济分区发展模式与对策研究J. 浙江农业学报,2006,18(6):407-411. 2 赵文敏,章亚康,陈良光. 粮库全数字温湿度监测系统的开发与设计J. 自动化仪表2001.22(6)3 Tetsuo morimot,yasushi hashimono.An intelligent control for greenhouse automationJ. Smar Research Corporation, 2009,
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