毕业设计(论文)-基于STC89C52单片机的大棚温湿度监测与报警系统设计.doc
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1、本科毕业论文(设计) 题题 目:目: 大棚温湿度监测及报警系统大棚温湿度监测及报警系统 学学 院:院: 专专 业:业: 学学 号:号: 姓姓 名:名: 指导老师:指导老师: 职称:职称: 成成 绩:绩: (分数分数) 温州医学院教温州医学院教务处务处制制 I 毕业设计(论文)诚信声明书毕业设计(论文)诚信声明书 本人承诺:在今后的毕业(设计)论文撰写过程中, 将遵守学校有关规定,恪守学术规范,在指导老师指导下 独立完成研究成果。本人在论文写作中参考的其他个人或 集体的研究成果,将均在文中以明确方式标明。本人依法 享有和承担由此论文而产生的权利和责任。 声明人:声明人: (签字)(签字) 时间:
2、时间: 年年 月月 日日 I 大棚温湿度监测与报警系统大棚温湿度监测与报警系统 摘要摘要:本文以 STC89C52 单片机为核心,结合温度传感器 AD590 及湿度传感器 HS1101 设计 并完成了一款适用于大棚的监测与报警系统。该系统主要由环境参数采集模块、数据处理模 块、显示及按键模块和电源模块几大部分组成。首先由传感器采集温度、湿度数据,经单片 机处理后在 LED 上显示,并与按键输入的预设值进行比较,如果超出预设值一定范围,后再 由单片机启动报警模块。经调试,系统工作性能稳定,温度测量精度可达 0.5,湿度测量精 度可达 1%,基本达到预设目标。 关关键词键词:STC89C52 型单
3、片机;AD590;HS1101 湿度传感器;大棚 Design of a temperature and humidity monitoring and alarming system for greenhouse application Abstract: In this thesis, a temperature and humility alarming system for greenhouse applications.was designed and completed, utilizing STC89C52 microcontroller, temperature sensors
4、 AD590 and humidity sensors HS1101. The system mainly consists of environmental parameters acquisition module, data processing module, display and keypad module and power module. Firstly, temperature and humidity data was collected by the sensors. Then, after processing by the MCU, the results was d
5、isplayed on LED. Finally, conpared with the setting values, if the default value beyond a certain range, and then start the alarm module from the SCM. After commissioning, the system performance and stability, temperature measurement accuracy up to 0.5 , humidity measurement accuracy up to 1%, basic
6、ally reached the preset target. Keywords:STC89C52 microcontroller; AD590; HS1101 humidity sensor; greenhouse I 目 录 摘要.I ABSTRACTI 第一章 绪论1 1.1 课题研究背景及意义1 1.2 国内外研究概况1 1.2.1 国外研究概况1 1.2.2 国内研究概况.2 1.3 课题主要研究内容与目标3 第二章 系统总体方案设计5 2.1 总体方案5 2.2 单片机小系统5 2.3 温度及湿度监测模块5 2.3.1 温度监测模块6 2.3.2 湿度监测模块.7 2.4 电源模块
7、设计8 第三章 系统硬件设计及性能分析9 3.1 温度测量模块9 3.1.1 温度测量电路原理9 3.1.2 温度测量模块性能分析与评估10 3.2 湿度测量模块.11 3.2.1 湿度测量电路原理.11 3.2.3 湿度模块性能分析与评估12 3.3 单片机小系统及相关电路.13 3.3.1 A/D 转换电路.13 3.3.2 系统时钟电路.15 3.3.3 系统复位电路15 3.3.4 系统报警电路(蜂鸣电路)15 3.3.5 44 键盘和 8 位数码管显示电路 .16 3.4 环境参数调节模块及电源电路.18 3.4.1 调节模块电路18 3.4.2 电源电路18 第四章 系统软件编程及
8、调试21 4.1 主程序流程.21 4.2 温度监测软件流程21 4.3 湿度监测软件流程.22 4.4A/D 转换流程流程23 4.5 44 键盘和 8 位数码管显示电路软件流程.24 II 第五章 结论与展望27 5.1 结论27 5.2 展望.27 参考文献29 附录31 附录 1:程序代码.31 附录 2:PCB 板制作41 附录 3:实物图.44 温州医学院本科毕业论文(设计) 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 目前,我国农业正处于从传统农业向以优质、高效、高产为目标的现代化农业转化新阶 段。而大棚作为现代
9、化农业设施的重要产物,在国内多数地区得到了广泛应用。大棚可以避 开外界种种不利因素的影响,人为控制或创造适宜农作物生长的气候环境,可以看成是一个 半封闭式的人工生态环境1。由于大棚中各种环境因素是可以人为控制的,因此控制技术直 接决定着大棚中农作物的产量和质量。 大棚监测系统一般包括三个模块:环境参数采集模块、数据处理模块和执行模块。在目 前的监测系统中,需采集的环境参数主要包括温度、湿度、CO2浓度、光照强度、土壤湿度等。 在实际设计中还需根据大棚的规模及所在区域设定不同的采集方式,确保数据采集的准确 性。例如我国北方地区,冬季寒冷而漫长,大棚监测最主要的一部分就是温度的调节。这时 可将一天
10、分为午前、午后、前半夜和后半夜 4 个时段来进行温度调节。午前以增加同化量为 主,一般应将棚温保持在 2530为宜;午后光合作用呈下降趋势,以 2025为好,避免 高温下养分消耗过多;日落后 45h 内,要将棚内温度从 20逐渐降到 15上下,以促进体 内同化物的运转。此后,再将夜温降到 1012,以抑制呼吸、减少消耗、增加积累,但也不 能降得过低,以免冻伤植物 2。考虑外界环境因素的同时也不能忽略植物本身的生理过程, 比如植物的蒸腾作用、光合作用等,事实上大棚内的水分养料供给可以通过蒸腾这样的实测 数据来决定;而 CO2浓度则可根据光合作用的情况来决定,这一系列监测过程都可通过单片 机系统来
11、实现。本课题正是以此为出发点,利用单片机、结合相应的湿度与温度传感器,设 计并完成了一款结构小巧、价格低廉、性能相对稳定的大棚温度、湿度监测与报警系统。 1.2 国内外研究概况国内外研究概况 1.2.1 国外研究概况国外研究概况 美国是最早发明计算机的国家,也是将计算机应用于大棚控制和管理最早、最多的国家 之一。美国开发的大棚计算机控制与管理系统可以根据作物的特点和生长发育所需要的条 件,对大棚内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控,还可利用温差管理技术实现 对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制3。 在日本,作为设施农业主要内容的设施园艺相当发达,塑料大棚和其它人工栽培设施达 到普
12、遍应用,设施栽培面积位居世界前列,蔬菜、花卉、水果等普遍实行设施栽培生产。针对 种苗生产设施的高温、多湿等不良环境,日本进行了几种设施项目的研究4,主要有设施内播 种装置、苗接触刺激装置、苗灌水装置、换气扇的旋转和遮光装置的开闭装置(温度、湿度及 温州医学院本科毕业论文(设计) 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 2 光照控制)、缺苗不良苗的监测及去除和补栽装置、CO2施肥装置等方面的自动化研究5。 2002 年,英国伦敦大学农学院利用计算机遥控技术,可以观测 50km 以外大棚内的温度、 湿度等环境状况并进行遥控6。为保证 CO2 气体在大棚分布均匀,大棚中通常安装通风机,搅 动空气使大棚
13、中的 CO2 浓度一致。 荷兰的园艺大棚也发展较早,由于地处高纬度地区,日照短,全年平均气温较低,因此,集 中较大力量发展经济价值高的鲜花和蔬菜,大规模地发展玻璃大棚和配套的工程设施,全部 采用计算机控制5。 另外,国外大棚业正致力于高科技发展。遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于 大棚的管理与控制中,近几年各国温度控制技术提出建立大棚行业标准,朝着网络化,大规模, 无人化的方向发展的思路7。 1.2.2 国内研究概况国内研究概况 国内的计算机应用开始于上世纪 70 年代中期,当时主要用于数据的统计分析和计算。 70 年代末起,我国陆续从以色列、美国、日本、荷兰等国引进了许多先进的现代化
14、大棚,在吸 收国外发达国家高科技大棚生产技术的基础上,我国农业科研工作人员进行了大棚内部温 度、湿度、光照、CO2浓度等环境参数控制技术的综合研究。 1987 年中国农业科学院引进了 FELIXC 512 系统,并建立了全国农业系统的第一个计算 机应用研究机构8。到了 90 年代初期,计算机开始用于大棚的管理和控制领域。 2000 年,金钰研究了工业控制机 IPC 在自动化大棚控制中的应用9。该研究是以工业控 制机为核心采集环境信息,控制执行机构。实现了大棚的封闭环境控制,但该系统布线复杂, 维护困难且成本过高。 2005 年,杜辉等研究了基于蓝牙技术的分布式大棚监控系统10。该系统将蓝牙技术
15、和 现场总线技术相结合运用于大棚群的监控,提高了系统的可靠性、降低了数据传输过程中干 扰。但由于蓝牙技术本身的不成熟,该系统的实际应用仍需要一定的时间。 2007 年,唐娟等研究了基于新型 AVR 单片机的大棚测控系统11。该系统把个体生产和 规模化生产相结合,在单个大棚大棚生产实现智能自动化的基础上实现连栋大棚大棚的规 模化生产。但是所有性能都集中在单片机上,单片机系统一旦出现故障,整个系统都会失控。 2008 年,周茂雷,郭康权研究出了基于 ARM7 微处理器的大棚控制器系统12。该系统 能通过 AD 算法实现大棚各路模拟量、开关量实时动态采集,将采集到的数据经处理后定时 保存并送出控制量
16、。 温州医学院本科毕业论文(设计) 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 3 1.3 课题主要研究内容与目标课题主要研究内容与目标 本课题主要研究如何制作一个应用于中小型大棚的可达到温湿度实时监测及报警功能 的系统。设计完成包括环境参数采集、数据处理、键盘输入报警值、判断报警、外围处理功能 等模块。具体实施主要通过选择传感器件、设计应用电路、编写功能程序等步骤来实现该课 题所需要求。 系统的最终目标是达到大棚温湿度参数实时测量及显示,并达到一定的精度,能最终满 足实际需求。同时,当测量结果超出设置数值一定范围后,能顺利启动报警模块,提示管理 人员给出响应。 温州医学院本科毕业论文(设计) 大棚
17、温湿度监测及报警系统的设计与制作 5 第二章第二章 系统总体方案设计系统总体方案设计 2.1 总体方案总体方案 本系统主要由单片机小系统、温度监测模块、湿度监测模块、电源模块、A/D 转换电路、 44 键盘和 8 位数数码管显示电路及风扇电路组成。总体硬件结构如图 2-1 所示。 图 2-1 总体硬件框图 2.2 单片机小系统单片机小系统 在整个单片机控制系统中最关键的器件是中央处理器(CPU),它即是控制中心又是运 算处理中心,本次设计采用了 STC89C52 作为控制系统的主机,它是一种低功耗、高性能的 CMOS 8 位微处理器。STC89C52 可构成单片机的最小应用系统,缩小系统体积,
18、降低系统成 本。本课题所需要实现的单片机功能包括定时功能、复位功能、报警功能等,相对应的电路 模块分别有时钟电路、复位电路、蜂鸣电路、烧写程序电路。小系统构成如图 2-2. 图 2-2 小系统的构成 2.3 温度及湿度监测模块温度及湿度监测模块 本系统通过传感器采集环境参数,由处理模块读取数据并进行相应的处理,其中若要实 温州医学院本科毕业论文(设计) 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 6 现高精度与快速的环境信息获取,关键在于选择何种高性能的模数(A/D)转换器和传感器。 由于环境参数的采集是在单片控制系统下发挥作用,因此,传感器的性能必须符合以下要求: (1)适应系统要求。现代大棚的实
19、质是实现环境因子实时显示并自动调节作物生长环境 条件,这些功能是通过一个闭环系统来实现的。因此,传感器的性能应该与控制系统相适应, 尤其是传感器的长距离布点、传感器灵敏度的一致性、传感器的响应时间等,这样才能使系 统真正做到快速反应和高效调控环境14。 (2)长期稳定性好。大棚中传感器的使用环境比工业环境更恶劣,如高温、高湿。因此, 传感器需要有期稳定性。 (3)优良的性能价格比。考虑到运用与较大环境内的信息监测,则需要用到大量的传感器, 因此,必须要求其价格较低廉,否则难以推广。 2.3.1 温度监测模块温度监测模块 温度传感器选用应该考虑使用方便、输出信号容易处理且适合大棚环境作业。美国
20、TI 公司生产的集成温度传感器 AD590,其具有线性度好,精度高等优点,能满足本课题要求, 其外观及基本电路如图 2-3 所示。AD590 可将温度信号转换成对应的电流信号输出,温度每 升高 1K,其输出电流将增加 1uA。其测温范围为-55+ 150,工作电压 4-30V。电路设计 时,利用电阻元件将电流信号转换成为电压信号,如图 2-3 所示。 图 2-3 AD590外形 电路符号及基本电路 温度监测模块结构如图 2-4 所示,首先由 AD590 将温度信号转换成相应的电信号,然 后经 A/D 芯片转换成数字信号送至单片机小系统,与键盘设置温度值进行比较,如超出设定 值一定范围启动风扇降
21、温装置。 温州医学院本科毕业论文(设计) 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 7 图 2-4 温度监测模块框图 2.3.2 湿度监测模块湿度监测模块 本课题对于湿度传感器的选择也是主要考虑环境及成本因素,注重传感器的稳定性,性 价比及实用性。本系统的湿度模块中采用的是法国 HUMIREL 公司的电容式湿度传感器 HS1101,与其他产品相比,它有着显著的优点: (1) 具有高可靠性和长期稳定性; (2) 无需校准 的完全互换性; (3) 响应时间快; (4) 能够处于长期饱和状态,瞬间脱湿; (5)特有的固态聚合物 结构; (6)适用于线性电压输出和线性频率输出两种电路; (7)适应自动装配
22、过程,包括波峰焊 接、回流焊接等15。其外形如图 2-5 所示。 图 2-5 HS1101外形及电路符号 图 2-6 HS1101湿度传感器的电容-湿度响应曲线 HS1101 湿度传感器的的电容-湿度响应曲线如图 2-6 所示。相对湿度在 0%-100%RH 范 围内,电容量将从 162PF 变到 200PF,其测量误差不大于2%RH;响应时间小于 5s;温度系 温州医学院本科毕业论文(设计) 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 8 数为 0.04pF/。 湿度监测模块结构如图2-7所示。该模块的中心是将传感器接入一个555非稳态电路,输 出一个频率信号并由单片机直接采集、处理。由按键输入极
23、限值,超出该值则触发蜂鸣报警。 图 2-7 湿度监测模块框图 2.4 电源模块设计电源模块设计 系统供电总共需要两种电源,AD590 的工作电压为 9V,小系统及各种芯片的工作电压 为 5V,风扇供电 5V。电源模块如图 2-5 所示,将 220V 交流电经变压器、桥路整流后,通过 78 系列的三端稳压集成芯片获得相应的常用电压输出。 图 2-5 电源模块框图 温州医学院本科毕业论文(设计) 大棚温湿度监测及报警系统的设计与制作 9 第三章第三章 系统硬件设计系统硬件设计及性能分析及性能分析 本章为核心内容之一,主要针对系统的硬件设计及调试过程进行详细介绍。 3.1 温度测量模块温度测量模块
24、3.1.1 温度测量电路原理温度测量电路原理 温度监测电路主要由 AD590、100uf 电容、9K4 电阻、1K 电位器、运放 LM324 组成,原 理如图 3-1 所示。由图可知电容的作用是保持 AD590 的工作状态,根据 AD590 的特性,其 中由 AD590 、电位器 RP、R 和运放组成电流电压转换电路,运放连接为电压跟随器形式,主 要为增加信号的输入电阻。 图 3-1 温度测量电路 首先介绍下 AD590 的基本工作原理,当被测温度一定时,AD590 则成为了一个恒流源, 把它与直流电源相连并在输出端串联一个标准电阻,此时流经该电阻上的电流与被测热力 学温度将成正比16。温度每
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