1、 长春大学电子信息工程学院毕业设计开题报告题 目： 基于单片机的智能温室大棚控制系统 学 院： 电子信息工程学院 专 业： 测控技术与仪器 学生姓名： 学 号： 指导教师： 开题时间： 2013 年 3 月 19 日 一、文献综述1.课题的研究目的及意义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、湿度、土壤的含水率等。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
2、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、湿度与土壤的含水率等参数，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、土壤含水率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。
3、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、湿度以及土壤的含水率，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，要在大棚内引人自 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湿
4、度自动控制系统。该系统采用传感器技术和单片机相结合，由上位机和下位机(都用单片机实现)构成，采用 485 接口进行通讯，实现温室大棚自动化控制。2.国内外研究现状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。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
5、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。 世界发达国家如荷兰、美国、以色列等大力发展集约化的温室产业，温室内温度、光照、水、气、肥实现了计算机调控，从品种选择、栽培管理到采收包装形成了一整套完整的规范化技术体系。美国是最早发明计算机的国家，也是将计算机应用于温室控制和管理最早、最多的国家之一。美国有发达的设施栽培技术，综合环境控制技术水平非常高。环境控制计算机主要用来对温室环境(气象环境和栽培环境)进行监测和控制。以花卉温室为
6、例，温室内监控项目包括室内气温、水温、土壤温度、锅炉温度、管道温度、相对空气湿度、保温幕状况、通窗状况、泵的工作状况、CO 2浓度、Ec调节池和回流管数值、pH调节池和回流管数值；室外监控项目包括大气温度、太阳辐射强度、风向风速、相对湿度等。温室专家系统的应用给种植者带来了一定的经济效益，提高了决策水平，减轻了技术管理工作量，同时也为种植带来了很大方便 2。以园艺业著称的荷兰从20世纪80年代以来就开始全面开发温室计算机自动控制系统，并不断地开发模拟控制软件。目前，荷兰自动化智能玻璃温室制造水平处于世界先进水平，拥有玻璃温室1.2万多平方米，占世界1/4以上，有85的温室用户使用计算机控制温室
7、环境。荷兰开发的温室计算机控制系统是通过人机交互界面进行参数设置和必要的信息显示，可绘制出设定参数曲线、修正值曲线以及测量的数据曲线，可以从数据库内调出设定的时间段内参数以便于必要的数据查询，并能直接对计算机串行口进行操作，完成上位机与下位机之间的通信。上位机软件集参数设置、信息显示、控制等功能于一体，同时还能够很好地完成温室灌溉和气候的控制和管理。此外，国外温室业正致力于向高科技方向发展。遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中。控制要求能在远离温室的计算机控制室就能完成，即远程控制。另外该网络还连接有几个通讯平台，用户可以在遥远的地方通过形象、直观的图形化界面与这种分布
8、式的控制系统对话，就像在现场操作一样，给人以身临其境之感。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。这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对
9、种植者的素质要求较高。2）自动控制。这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。3）智能化控制。这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领
10、域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。3.参考文献1 于海业， 温室环境自动检测系统.农业工程学报 ，1997.2 牛皖闽，何立新.温室控制系统试验装置与系统分析.齐齐哈尔轻工学院学报 ，1995.3 Wray , Michelle Lynn ; A fuzzy logic controlle
11、r for temperaturecontrol of a six2zone tube furnaceD. UNIVERSITY OF LOUISVILLE 2001.4 郑锋, 王巧芝, 孙西瑞. 温室大棚自动控制系统的设计. 农机科技与信息，2008.5 路康, 马斌强, 刘美琪, 袁超. 温室大棚动态参数测试系统的设计. 河南农业大学学报,2008.6 Tetsuo Morimoto，Yasushi HashimotoAn intelligent control for greenhouse automation，oriented by the concepts of SPA and S
12、FAJComputers and Electronics in Agriculture， 200029：3207 丁镇生. 传感器及传感器技术应用.北京：电子工业出版社，1998.8 何希才, 薛永毅. 传感器及其应用实例. 北京：机械工业出版社. 2004.9 Diaz , Gerardo Gristian ;Simulation and control of heart exchangersUsing artifical neural networks. D UNIVERSITY OF NOTRE DAME 2000.10 曹柏荣 , 瞿丹晨 . 温室大棚中 CO2 浓度测量仪.仪表技术与
13、传感器 , 2005.11 彭其圣 , 刘松龄. 单片机温室大棚种植参数监控系统 . 中南民族大学学报:自然科学版，2004.12 周航慈. 单片机应用程序技术. 北京：北京航空航天大学出版社 , 2002.13 郑锋,王巧芝,孙西瑞.温室大棚自动控制系统的设计.农机科技与信息. 200.14 National Semlcondactor. ADC0809UserGuiderM. s. L: NationalSemiconductor.2002.15 AnonChipcon AS Smart RF CC2420 Preliminary Datasheet ZS1：Chipcon2006二、课题
14、的主要研究内容和实施方案1.主要研究内容本设计以 AT89C51 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总线通信协议能把温室中的温度、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
15、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、选择适合的两种传感器，设计相应的信号采集和处理电路。2、掌握 AT89C51 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 RS232 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。2.实施方案1)植物的生长是在一定环境中进行的 ,在生长过程中受到环境中各种因素
16、的影响 ,其中对植物生长影响最大的是温度、湿度和光照度。环境中昼夜的温度、湿度和光照度的变化大 ,对植物生长极为不利。现代温室有内外遮阳系统、加温系统、自然通风系统、湿帘风机降温系统、补光系统、补气系统、环流风机、灌溉系统、施肥系统、自动控制系统等常用的环境系统，能够对植物的生长进行合理的控制 ,而如何才能合理地控制这些配套设备的运作和协同则需要有一套完善的硬、软件温室系统进行控制。因此 ,本系统就是利用价格便宜的一般电子器件来设计一个参数精度高 ,控制操作方便 ,性价比高的应用于农业种植生产的温室大棚测控系统。该系统由单片机对温度、湿度等参数进行巡回测量 ,并对测量的结果进行优化补偿 ,并进
17、行调控 ,此外主控制器还可以同时完成系统参数测量 ,数据存储等，硬件总体设计结构如图 2.1 所示。由图 2.1 可知 ,整个系统采用 STC89C58RD +单片机为处理核心 ,通过温室现有的各种传感器检测温室的温度、湿度、光照度等环境因素 ,经由控制系统的 8 路模拟量、数字量输入接口传输到 CPU 中,并与系统设定值进行比较、判断、处理以及相关数据的存储。然后将 CPU处理后各种控制结果通过 16 路开关量输出口传送到电机和电磁阀等执行机构上,从而实现对温室的控制。温室独立控制系统上还包扩各种人机界面和数据传输接口,实现了人机交换方式以及实时参数的设定。本控制系统采用宏晶科技公司生产ST
18、C51 系列单片机控制器 ( STC89C58RD + )。该单片机具有强加密性,无法解密，具有超强的抗干扰性能,且芯片内部自带看门狗。STC89C58RD +单片机最高时钟频率为 080MHz,32k 的 Flash 存储器、1280 字节的 RAM、拥有 P4 口适合需要多 I/O的系统设计、16k 字节的 E2PROM 可以提供比其它单片机更多的存储空间。其不需要依靠任何烧录器 ,直接通过电脑上的串口以 ISP 方式进行烧录。这种单片机的烧录方式操作简单容易 ,程序的调试灵活 ,修改方便 ,且不受地域、时间和环境的影响和限制 ,可为以后产品的改进和升级提供方便。温 湿 度 传 感 器8路
19、模拟量和8路数字量输入接口光 照 度 传 感 器土壤含水率传感器L C D16路开光量输出接口C P URS232RS485键盘接口通 风 系 统执 行 电 机加 热 系 统执 行 机 构湿 连 水泵图 2.1 总体结构图2）系统硬件结构整个系统采用模块化设计，硬件结构由传感器和单片机、控制装置组成，传感器将物理参量转换为电压并完成信号的调理，再送人模数转换器 ADC0809 ,由下位单片机 AT89S51 读取，单片机将数据通过 485 总线送给上位机，上位机设有显示功能，根据预先设置的参数决定要采取的措施，并将信息传给下位机，由下位机控制通风和喷灌装置，也可以通过键盘强制控制。智能温室大棚
20、控制系统的组成基于两个方面：单栋温室大棚控制系统和集约化生产连栋温室大棚控制系统。后者建立在前者的基础上，前者适于我国农村个体经营的现状。对于单栋温室大棚控制系统，设置了独立的控制和显示等功能，并设置了 RS-232 和 RS-485 通讯接口，便于和上位机通信，实现集散控制系统，其模式如图 2.2。另外，在设计过程中考虑到农生产的特点，每个系统的各部分接口都作了模块化设计，并增加备用接口和功能，便于大棚生产重建和生产场地的变化，也增加了系统的通用性，扩大了适用范围。上位机通信接口大 棚 2 大 棚 n大 棚 1 大 棚 n - 1图 2.2 集散控制系统实现3）温室大棚的硬件组成温室大棚的硬
21、件组成原理如图 2.3 所示：湿 度 传 感 器空 气 湿 度 传 感 器74HCD4051测温放大器程控放大器土 壤 含 水 率 传 感器其 他 传 感 器MAX338A/D转换器P 1P 2A T 8 9 C 5 1P 0P 1HD7279A驱 动 电 路通 讯 口M A X 8 1 3储 存 器键 盘显 示继电器调 光图 2.3 温室大棚系统的主要硬件组成原理图三、进度按排2013 年 3 月 6 号2013 年 3 月 19 号：查阅十篇中文文献和五篇英文文献，写文献综述，课题的主要研究内容和实施方案，画整体流程图，写开题报告。2013 年 3 月 20 号2013 年 5 月 3 号
22、：由课题研究可以焊接硬件系统，根据具体的工作流程设计软件系统，了解整个课题研究从而开始写论文。2013 年 5 月 4 号2013 年 5 月 10 号：中期检查。2013 年 5 月 11 号2013 年 5 月 24 号:完善中期检查出现的问题，修改完整论文，图纸，有硬件系统的可以调试完成。2013 年 5 月 25 号2013 年 5 月 31 号：结束论文并交老师检查。2013 年 6 月 1 号2013 年 6 月 9 号：准备材料答辩。2013 年 6 月 10 号2013 年 6 月 14 号：开始系里答辩。2013 年 6 月 17 号2013 年 6 月 21 号:答辩较好者可以获得校内答辩指导教师评语：指导教师： 20 年 月 日审查意见：通过对该学生毕业论文开题报告的审查我们认为： 毕业论文题目：合适 较合适 欠妥 建议修改 毕业论文工作量：偏大 饱满 较饱满 偏少 该生对题目的理解：较好 一般 较差 该生对应该完成的工作任务：明确 较明确 不明确 本人与他人的工作任务有无区别：有区别 区别不明显 无区别 该生所制定的工作计划：合理 较合理 不合理 开题报告撰写情况：较好 一般 较差 审查结论：通过 分数 (百分制)不通过（并决定一周后，即 月 日 时， 地点 该同学重新开题）其它建议：系主任（组长）： 20 年 月 日
