3 系统的软件设计 ......................................................................................................................... 14
3.1 传感器模块设计 ............................................................................................................... 14 3.2 1602液晶显示模块设计 ............................................................................................. 15 3.3 软件调试............................................................................................................................... 16
4 系统的焊接与测试 ................................................................................................................... 17
4.1 系统硬件电路焊接 ......................................................................................................... 17 4.2 系统硬件电路调试 ......................................................................................................... 17 4.3 系统硬件电路结果分析 ............................................................................................... 17
结束语 ..................................................................................................................................................... 19 致谢 ........................................................................................................................................................... 20 附录A 英文文献原文 .................................................................................................................. 22 附录B 英文文献译文 .................................................................................................................. 29 附录C 源程序 ................................................................................................................................... 35 附录D 原理图 ................................................................................................................................... 44 附录E 元器件清单 ....................................................................................................................... 45
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引言
(1) 课题研究的背景
温室对于如今的生产生活的影响越来越大，利用温室技术的研究来提升生产效率，为植物提供适宜的环境。随着改革开放，特别是90年代以来，我国的温室大棚产业得到迅猛的发展，以蔬菜大棚、花卉为主的植物栽培，在大江南北遍地开花，政府对城市蔬菜产业的不断投入，在乡镇内蔬菜大棚产业被看作是21世纪最具活力的新产业之一。温室环境是一种更加利于植物生长，避免环境影
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响其生长发育。在大棚里可以种植反季节作物，提高农业效率以及经济效益。国外在20世纪70年代就开始对温室大棚技术进行了研究，采用模拟式显示组合仪表，将采集的信息经过处理然后发出指令进行控制和记录。分布式控制系统在80年代出现，经过人们的不断研究，以及对温室控制技术迅速的发展，现在部分国家已经实现了自动化控制并向更先进、更自动化的方向发展。
在我国北方冬季寒冷而漫长，利用温室大棚种植蔬菜能更快的提高人民生活水平。温室大棚管理主要的因素是温度、湿度及光照的控制。温度管理一般把一天分为中午前、中午后、前半夜和后半夜四个时段来进行温度调控。中午之前是促进光合作用的最佳时间，增加有机物的累积为主，将棚温保持在25-30℃最为适宜。中午过后光合作用慢慢下降，温度要比中午之前降低3-8℃，适宜温度在22℃左右，避免养分过多的消耗，而降低了有机物的累积。天黑之后四小时内，温室的温度需降到12-18℃，以促进植物对有机物的累积。之后继续降温3℃左右，不可降得过低，这样容易导致
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植物产生低温危害。阴雨天光照缺乏，光合作用进行缓慢，需降低温度5℃左右，以减少呼吸消耗。现在单片机发展迅速，通过单片机对环境进行监控日益广泛，其小体积、多功能、高性价比等。运用在自动监控系统中减少人们的劳动，提高生产效率。
(2) 温室研究现状
国外温室控制技术以美国最为先进，主要是因为其计算机的发展非常迅速，这也使得以计算机为主的温室环境控制技术迅速发展。温室大棚内控制包括室内温度、土壤温度、相对空气湿度、通风口状况、保温幕状况、pH调节、CO2浓度；室外控制包括光照强度、相对空气湿度、大气温度、风
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向风速等。温室系统的应用为农业生产发展提供了很大的帮助，提高了工作效率，减少劳动量，收获了更多更好的农产品。荷兰从上个世纪八十年代就开始温室计算机自动控制系统的开发，并不断地研究模拟控制软件。并通过交互式界面显示必要的信息，设置参数并绘制曲线，修正值曲线和测量数据曲线可以从设定的时间数据库中调用。其方便的方式可以直接查询数据计算机的串行端口和完成上位机和下位机之间的信息交流。实现参数设置、信息显示和控制等功能，同时还能够进行数据调整，完成温室环境监控。
国内外温室控制技术的发展史可以分为三个发展阶段：
手动控制：在温室控制技术前期被广泛采用，其并没有真正意义的控制体系。种植者不仅要充当温室环境的传感器，又要充当温室作物管理的执行。温室种植户相当于环境控制核心。通过对气候条件和作物生长状况的观察，利用以往经验和直觉进行推测和判断，以手动方动式来调节温室环境，这样对作物状况的反应是最直接、最快速、最有效的方式。但这种控制方式局限性太大，不适合工业化农业生产的需要。
自动控制：此控制系统必须先输入植物所需的生长目标参数值，经计算机将实际测量的数值和预先设定的目标值进行比较，利用判断后的结果来调控温室环境因子，以控制相应的操作通风、制冷和加热等。计算机温室自动控制技术实现自动化生产，劳动生产率的提高，适合于大规模生产。温室环境设置改变目标值可以在温室环境内进行自动调整，此方法的缺点是改变作物生产响应的状态不及时，很难实现作物生长的最佳环境。
智能化控制：利用温度自动控制技术和生产实践为基础，经过总结，收集农业领域积累的知识、经验和数据，从而建立植物生长数学模型，实现各类植物生长的不同需求。从手动到全自动控制技术，控制温室生产过程向着更先进、更全面的方向发展。未来的温室环境控制，势必以植物生长模型、温室农业专家系统的自动信息采集、温室综合环境因素分析模型和智能控制为基础向着全自动化方向发展。
(3) 课题设计思路
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首先明确设计思路，通过查阅资料了解相关的设计方法以及主要的设计原理等，然后着手进行设计，搭建一个大体的设计框图，再根据设计要求完成相应的补充设计。热电偶形式是通过加热湿度传感器，该A/D变换器将单片机不能测量的温度和湿度信号转换成电信号从而实现测量，将湿度、温度值显示在液晶显示器，将温度、湿度传感器的温度和湿度信号转换成模拟电压信号，然后通过低通滤波器滤除干扰信号送入单片机，再经过单片机的采样，进一步提高测量精度，经过数字滤波单片机后将取样的温度信息与设定值进行比较，如果不匹配，利用控制触发音量控制量的PID控制方法调整程序，并通过设计控制程序执行，以LCD显示屏显示最终结果。
电路总体上分为采集模块、核心处理模块、报警模块和显示模块。STC89C52单片机为核心用于
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控制电路、DHT11传感器、光敏电阻的采集转换、1602液晶屏的显示以及蜂鸣器的报警。具体显示的内容方式由软件来完成。温湿度传感器，不选择单独的器件，而是采用DHT11数字温湿度一体传感器进行温湿度的测量，一方面在简化设计流程的同时增加了系统的稳定性，另一方面是降低了设计的成本消耗。1602LCD液晶显示屏，能够实时、准确的显示采集温度值、湿度值及光照强度值，而且成本较低。并设计了三个输入按键能够根据环境在不同时间段内对温度、湿度及光照强度的不同要求，用户可人为的更改温度、湿度和光照强度上下限值，以满足用户在使用中的不同需求。当在使用中环境超出任意上下限值，经主控模块处理采集的温度值、湿度值及光照强度值与其标准值
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进行对比，如判断越线则及时的启动报警装置，蜂鸣器发出滴滴滴的报警声。
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1 方案论证及器件选择
1.1 方案论证
方案一：采用可编程逻辑器件设计 采用可编程逻辑器件设计，利用数字电路各功能模块相组合起来以达到其功能，可以利用ALTERA公司的FLEX10K系列PLD器件。结构设计比较清晰，各个模块从硬件上设计起来相对简单，比较方便的控制与显示模块间的连接。设计框图如图1.1所示。
数据显示模块PLD数据接收模块数据PLD数据采集模块按键温湿度传感器 图1.1 系统设计框图
方案二：基于单片机的设计
以单片机STC为控制核心，采用温湿度传感器和光敏电阻作为测量元件，构成智能温度、湿度
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和光照强度的测量系统。可分为温度、湿度测量电路、光照强度测量电路、主控电路、报警电路和显示电路。主器件：温湿度传感器DHT11、光敏电阻、单片机STC89C52、1602LCD显示器、LED灯和蜂鸣器。设计框图如图1.2 所示。
DHT11传感器模块1602显示模块STC89C52主控 模块报警模块光传感器模块 图1.2 系统总体设计框图
在方案设计中，遵循简洁至上的原则，因此所有的外围模块采用串行方式和微处理器模块链接。以STC89C52单片机为控制核心，控制温度、湿度和光照强度采集以及显示器的显示等功能。在设计系统时，为了更好地采用模块化设计法，分步设计各个单元功能模块，系统的硬件部分可以分为传感器采集、单片机控制、1602液晶显示和蜂鸣器报警四大部分。
方案二可以利用单片机内部的控制只读存储器、随机存储器和其丰富的引脚资源，外接键盘输入，液晶显示器等实现数据的传输处理和显示功能。单片机可扩展性强、体积小、实用性强、功能齐全；设计起来也比较简单，硬件更加容易实现。方案一的好处是设计较为简单，但是如果结合本设计的特点，EDA在功能扩展上会受到约束，而且这样设计的电路有些繁杂，焊接的过程也比较复杂，成本较高，操作困难，因此不予采纳。经过综合分析，本次设计采用方案二。
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1.2 主要元器件选择 1.2.1 单片机选型
方案一：AT89C51是低电压，高性能的CMOS型8位微控制器，该设备采用MCS-51指令，片内通用的8位中央处理器和闪存单元，功能强劲，采用FLASH技术4K程序存储器，对设备开发要求低，从而缩短了开发周期。 AT89C51可构成最小的应用系统，缩小系统体积、提高系统可靠性、降低系统成本。只要程序长度小于4K，四个I/O端口提供给所有用户。提供5V的电压编程和擦除时间只需10毫秒。AT89C51芯片提供三个级别的程序存储器的加密，并提供了方便、灵活、可靠的硬件加密，可以保证程序或系统不被仿制。
方案二：STC89C52单片机和AT89C51系列的完全兼容，实际操作起来也方便很多。而AT89C51不带ISP下载，要用下载器才行，STC89C52可以用你的USB转串口进行下载，下载软件可以到STC厂家网站下载。STC单片机执行指令的速度很快，大约是AT的3~30倍，尽管达到了高速，但AT上的程序在STC上不一定好用，比如那些对时序有严格要求的模块。STC对工作环境的要求也比较低，3V~4V之间还可以正常工作，所以选用STC单片机会更合适。
经过比较两种方案，以及在学校期间学过数字电路、单片机原理、C语言程序设计，综合考虑单片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源，经过对比此次设计要求，最终选择用STC系列芯片。
1.2.2 传感器选择
方案一：选用DS18B20温度传感器作为温度检测模块，HS1101湿度传感器作为湿度采集模块。DS18B20是数字温度传感器，单线式接口方式，测量范围-10℃~85℃，误差范围±0.5℃，最高精度达0.0625℃。HS1101测量的相对湿度范围在0%~100%RH，误差±2%RH。
方案二：选用DHT11作为设计的温湿度检测模块。DHT11是集成型的一体数字温湿度传感器。DHT11采用数字温湿度传感技术，具有高可靠性和稳定性。传感器由电阻式测湿元件和NTC测温元件组成与单片机连接。产品具有品质高、响应快、抗干扰能力强等优点。测量范围湿度20%~90%RH，温度0℃~50℃。测温精度为±2℃，测湿精度为±5%RH。
通过以上分析，方案一虽然精度高，却稍显复杂。方案二即便不能实现方案一的高精度测量，却也能满足设计要求。且简便易行，可靠稳定，具有超高的性价比。故选择方案二。
光传感器方面则选择常用的光敏电阻。 1.2.3 显示器选择
方案一：LCD12864液晶显示屏，能够显示汉字和图形，是128×64点阵的汉字图形型液晶显示器，内置8192个中文汉字、显示RAM和128个字符，以8位并串行两种方式与微处理器直接连接。
方案二：采用HJ1602液晶显示屏。HJ1602是一种工业字符型液晶显示屏，能够同时显示16列2行。仅能显示字母、数字和符号，但寄存器不止32个。有一些显示效果，如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示。
在编程使用原理、写指令和写地址等都基本相同。当然12864液晶屏显示更全面，字符更多。相比于1602液晶屏，12864能更形象具体的实现显示功能。不过此次设计1602液晶屏也能够完全胜任，其显示简洁实用，价格实惠。经过综合考虑，1602是最好的选择。
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