溫室智能控制系統(tǒng)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)

溫室智能控制系統(tǒng)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)摘要近年來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)也延伸到各生產(chǎn)領(lǐng)域。我們國(guó)家正在走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)道路，農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來(lái)越受到重視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分。溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，這對(duì)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有非常大的促進(jìn)作用，可以避免因?yàn)橥獠繗夂虻膭×易兓瘜?duì)農(nóng)作物造成的傷害，使農(nóng)作物能夠在一個(gè)最適合它的溫度、濕度和光照的環(huán)境中生長(zhǎng)發(fā)育，從而可以提高產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)效益。本設(shè)計(jì)，由ATmega16單片機(jī)作為控制的核心器件的單片機(jī)模塊，外加溫度采集模塊、濕度采集模塊、光照采集模塊、加熱模塊、降溫模塊、補(bǔ)光模塊、報(bào)警模塊以及顯示模塊組成。采用DS18B20、DHT11和光敏電阻進(jìn)行信息采集，將其采集到的數(shù)字信號(hào)傳入ATmega16單片機(jī)，并在Nokia5110屏上顯示其實(shí)時(shí)值。單片機(jī)通過(guò)比較輸入溫度與設(shè)定溫度來(lái)控制風(fēng)扇或加熱電路驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)棚內(nèi)溫度在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，單片機(jī)不對(duì)風(fēng)扇、棚頂電動(dòng)窗或加熱電路發(fā)出動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚里植物生長(zhǎng)溫度及土壤和空氣濕度的檢測(cè)、監(jiān)控，并能對(duì)超過(guò)正常溫度、光強(qiáng)范圍的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，使大棚環(huán)境得到了良好的控制。關(guān)鍵詞：溫度檢測(cè)；濕度檢測(cè)；控制系統(tǒng)；報(bào)警系統(tǒng)AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,especiallythedevelopmentofcomputerapplicationtechnology,computercontroltechnologyandautomationtechnologyalsoextendstoallareasofproduction.Thedesign,bythemicrocontrollerATmega16microcontrollerasthecoremodulecontroldevice,plustemperatureacquisitionmodule,humidityacquisitionmodule,lightacquisitionmodule,heatingmodule,coolingmodule,filllightmodule,alarmmoduleanddisplaymodule.UsingatemperaturesensorDS18B20andhumiditysensorDHT11,photoresistorinformationcollection,whichwascollectedfromtheincomingdigitalsignalATmega16microcontrolleranddisplayscreenisactuallyatimewhentheNokia5110.SCMbycomparingtheinputtemperatureandsettemperaturetocontrolthefanorelectricdrivecircuit,whenthegreenhousetemperaturewithinasetrange,themicrocontrollerdoesnotfans,electricwindowsorheatingfurnaceroofissuingactiontoachieveatemperatureofgreenhousesforplantgrowthandsoilandairhumiditydetection,monitoring,andcanperformreal-timeprocessingofmorethanthenormaltemperature,lightintensityrange,thusenablingthegreenhouseenvironmenthasbeenwellcontrolled.Keywords:temperaturetesting;humiditytesting;controlsystem;alarmsyste緒論在人類的進(jìn)化史中，溫濕度扮演著極其重要的角色。隨著時(shí)間的推移，溫度已經(jīng)融入了我們?nèi)祟惿畹母鱾€(gè)方面。無(wú)論身在哪里，從事何種工作，溫度已經(jīng)成為了我們不可避免的與之打交道的的朋友。自18世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，工業(yè)發(fā)展與是否能掌握溫濕度有著密切的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等行業(yè)，可以說(shuō)幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫濕度的因素。溫濕度不但對(duì)于工業(yè)如此重要，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫濕度度的監(jiān)測(cè)與控制也有著十分重要的意義。我國(guó)人多地少，人均占有耕地面積更少且農(nóng)業(yè)活動(dòng)的生產(chǎn)效率較發(fā)達(dá)國(guó)家低。顯而易見(jiàn)，改變這種局面只靠增加耕地面積是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此我們要另辟蹊徑，想辦法來(lái)提高單位產(chǎn)量。溫室大棚技術(shù)就是其中一個(gè)好的方法。溫室大棚就是建立一個(gè)模擬適合生物生長(zhǎng)的氣候條件，創(chuàng)造一個(gè)人工氣象環(huán)境，來(lái)消除溫度對(duì)生物生長(zhǎng)的約束。而且，溫室大棚能減小農(nóng)作物生長(zhǎng)對(duì)其所處環(huán)境的依賴性，能讓大多數(shù)農(nóng)作物在不適合自身生長(zhǎng)的季節(jié)產(chǎn)出，使農(nóng)作物對(duì)季節(jié)和氣候條件的依賴性大大降低，部分甚至完全擺脫了農(nóng)作物對(duì)自然條件的依賴。加之溫室大棚能帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，所以溫室大棚技術(shù)越來(lái)越普及，并且已成為農(nóng)民增收的主要手段。課題研究的背景溫室大棚即我們?nèi)粘Ｋ?jiàn)的日光溫室，可以用來(lái)養(yǎng)花、種植反季蔬菜。隨著改革開(kāi)放的進(jìn)一步深入，人民生活水平不斷提高，農(nóng)村人也改變了吃菜靠田間地頭自給自足的方式。隨著生活條件的逐步轉(zhuǎn)好，我們餐桌上的菜肴早就不局限于本地的特產(chǎn)和時(shí)令蔬菜。特別是北方，每到冬季，每家每戶都會(huì)儲(chǔ)存冬白菜，飯桌上幾乎看不到其它的菜品。但是現(xiàn)在不同了，由于溫室大棚技術(shù)的發(fā)展，在北方即使是寒冷的冬季，很多夏季蔬菜和南方的水果也漸漸的出現(xiàn)在了人們的餐桌上，再也不會(huì)只有白菜相伴了。眾所周知，植物的生長(zhǎng)都是在一定的環(huán)境中進(jìn)行的，其在生長(zhǎng)過(guò)程中受到環(huán)境中各種因素的影響，其中對(duì)植物生長(zhǎng)影響最大的是環(huán)境中的溫度、濕度和光照。在不同的環(huán)境中，晝夜的溫度和濕度變化是不同的，這其對(duì)植物生長(zhǎng)是極為不利的。因此必須對(duì)不同環(huán)境環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，使植物能在這些不同的環(huán)境下正常地生長(zhǎng)，提高其產(chǎn)量和質(zhì)量。現(xiàn)在在許多溫室大棚中還是沿用人工值守的方法來(lái)看管大棚，浪費(fèi)了大量的人力和物力，而且大棚的溫濕度控制并不精確，隨之造成各種調(diào)控措施不及時(shí)，于是農(nóng)作物也往往因?yàn)闇貪穸瓤刂撇划?dāng)而減產(chǎn)，給菜農(nóng)帶來(lái)了極大的損失。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷提高，在大棚中培育的農(nóng)產(chǎn)品品種越來(lái)越多，傳統(tǒng)的溫度控制措施就顯現(xiàn)出很大的局限性。因此發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)對(duì)日光溫室的要求越來(lái)越高。隨著溫室控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣，需要監(jiān)控的對(duì)象趨于多樣化，所以必須使用具有統(tǒng)一規(guī)范、可靠性高、組建靈活、擴(kuò)展性好、維護(hù)簡(jiǎn)便、性價(jià)比高的方式來(lái)組建系統(tǒng)。然而國(guó)外有一些自動(dòng)檢測(cè)控制儀器都是造價(jià)很昂貴的，對(duì)于普通農(nóng)民來(lái)說(shuō)是很難接受的。所以尋求一種簡(jiǎn)單實(shí)用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的溫室大棚自動(dòng)控制系統(tǒng)是非常有必要的。因此，作為日光溫室的一個(gè)重要組成部分—溫度濕度光強(qiáng)的測(cè)控裝置的研制非常需要。在日光溫室中，由于溫度過(guò)高、過(guò)低，環(huán)境濕度過(guò)大光照強(qiáng)度過(guò)大、過(guò)小等都會(huì)影響農(nóng)作物正常生長(zhǎng)，若能有一測(cè)控系統(tǒng)能夠有效地將溫度控制在作物所需溫度范圍之內(nèi)，也可以很好的改善大棚濕度，同時(shí)光強(qiáng)也保證在一定的范圍之內(nèi)，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)提供一個(gè)良好的環(huán)境，并可以針對(duì)我國(guó)南方、北方的溫度、濕度差異進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，將會(huì)對(duì)溫室大棚技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和推廣，以及對(duì)增加廣大農(nóng)民的收入貢獻(xiàn)不可替代的力量。因此設(shè)計(jì)這樣一種大棚溫濕光測(cè)控系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。要想實(shí)現(xiàn)這種控制系統(tǒng)，傳感器的應(yīng)用是必不可少的。傳感器(Transducer/Sensor)是能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。一般由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩大部分組成。有時(shí)也將轉(zhuǎn)換電路及輔助電路作為其組成部分。傳感器技術(shù)未來(lái)將向以下幾個(gè)方面發(fā)展：1)高精確度；2)小型化；3)多功能集成化；4)數(shù)字化；5)智能化。鑒于本系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的依賴性，對(duì)傳感器的選擇和應(yīng)用成為非常重要的環(huán)節(jié)。課題研究的意義隨著單片機(jī)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化，溫室大棚環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制方面的研究有了明顯進(jìn)展，并且必將以其優(yōu)異的性價(jià)比，逐步取代傳統(tǒng)的溫濕度控制措施。傳統(tǒng)的應(yīng)用于溫室大棚的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)大多是采用模擬傳感器、多路模擬開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)等組成的傳輸系統(tǒng)。這種采集系統(tǒng)需要在溫室大棚內(nèi)布置大量的測(cè)溫電纜，才能把現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)送到采集卡上，安裝和拆卸繁雜，成本也高。同時(shí)線路上傳送的是模擬信號(hào)，易受干擾和損耗，測(cè)量誤差也比較大。本文介紹的溫濕光測(cè)控系統(tǒng)就是基于單總線技術(shù)及其器件組建的。該系統(tǒng)能夠?qū)Υ笈飪?nèi)的溫濕度及光強(qiáng)進(jìn)行采集，利用傳感器將溫室大棚內(nèi)溫度濕度及光強(qiáng)的變化，變換成數(shù)字量，其值由單片機(jī)處理，最后由單片機(jī)去控制液晶顯示器，顯示溫室大棚內(nèi)的實(shí)際溫度濕度和光強(qiáng)，同時(shí)通過(guò)與預(yù)設(shè)量比較，對(duì)大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，如果超過(guò)我們預(yù)先設(shè)定的濕度限制，濕度報(bào)警模塊將進(jìn)行報(bào)警。這種設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了溫度濕度和光強(qiáng)的實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示和控制。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的測(cè)量精度，不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，安裝簡(jiǎn)單方便，性價(jià)比高，可維護(hù)性好。這種溫濕度測(cè)控系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的溫室大棚，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)控制，是一種比較智能、經(jīng)濟(jì)的方案，適于大力推廣，以便促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，從而提高溫室大棚的畝產(chǎn)量，以帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、難點(diǎn)和趨勢(shì)國(guó)外研究現(xiàn)狀世界發(fā)達(dá)國(guó)家大力發(fā)展集約化的溫室生產(chǎn)，用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效科學(xué)的環(huán)境調(diào)控與水肥管理，并從專用品種選育、工廠化育苗、病蟲(chóng)害的生物防治，到產(chǎn)品的采收、分級(jí)包裝、冷藏運(yùn)輸，形成了完整的市場(chǎng)化技術(shù)服務(wù)體系。國(guó)外溫室的主要特點(diǎn)是規(guī)模大、設(shè)備齊全、環(huán)境控制系統(tǒng)先進(jìn)。計(jì)算機(jī)用于溫室環(huán)境控制的技術(shù)研究開(kāi)始于上世紀(jì)70年代末，東京大學(xué)首先研制出微型計(jì)算機(jī)溫室綜合環(huán)境控制系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)施環(huán)境調(diào)控技術(shù)在日本、荷蘭、以色列、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了迅速的發(fā)展。目前日本、荷蘭、以色列、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家可以根據(jù)溫室作物的生長(zhǎng)要求和特點(diǎn)，對(duì)溫室內(nèi)光照、溫度、水分、氣、肥等諸多因子進(jìn)行自動(dòng)控制。國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)對(duì)溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的研究起步較晚，農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，80年代開(kāi)始應(yīng)用于溫室控制與管理領(lǐng)域。我國(guó)近代溫室經(jīng)歷了發(fā)展改良日光溫室、大型玻璃室和現(xiàn)代化溫室三階段，并且各階段溫室仍然并存，其中有一半為一面坡節(jié)能型日光溫室，用于蔬菜、花卉的反季節(jié)生產(chǎn)?，F(xiàn)今我國(guó)溫室的類型主要包括以玻璃為通明覆蓋材料的玻璃溫室、利用太陽(yáng)能為能源的日光溫室、活動(dòng)屋面溫室以及塑料溫室等。我國(guó)溫室大棚種植技術(shù)已突破了傳統(tǒng)的農(nóng)作物種植受制于自然等環(huán)境諸多因素的限制，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重大意義。我國(guó)的溫室自動(dòng)控制研究大致有兩個(gè)方向，一是智能環(huán)境控制系統(tǒng)，二是華北型連棟溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用以單片機(jī)為主控芯片的系統(tǒng)對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制。從總體上說(shuō)，我國(guó)自行研制開(kāi)發(fā)的溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)水平和調(diào)控能力與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距。智能溫室大棚的發(fā)展趨勢(shì)隨著現(xiàn)代溫室朝著集約化、規(guī)?；较虬l(fā)展和溫室管理智能化要求的提高，溫室測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)生產(chǎn)和管理的一體化，是現(xiàn)代智能溫室發(fā)展的必然趨勢(shì)；現(xiàn)代傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，又為這一發(fā)展趨勢(shì)推波助瀾。溫室大棚主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容，一方面是溫室結(jié)構(gòu)工程，另一方面是溫室測(cè)控系統(tǒng)，而溫室測(cè)控系統(tǒng)又是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與溫室大棚環(huán)境控制系統(tǒng)兩個(gè)部分組成的，兩者相輔相成缺一不可。國(guó)外溫室業(yè)正致力于向高科技方向發(fā)展，遙測(cè)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制局域網(wǎng)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于溫室的管理與控制中。近年來(lái)我國(guó)溫室大棚智能控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)主要是針對(duì)我國(guó)的國(guó)情和日光溫室大棚的改造：應(yīng)用模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論，開(kāi)發(fā)智能型的溫室大棚專家系統(tǒng)。利用上位機(jī)強(qiáng)大的存儲(chǔ)空間和運(yùn)行速度快的優(yōu)點(diǎn)，盡量使硬件功能軟件化，增加上位機(jī)管理軟件的功能；進(jìn)行溫室多環(huán)境因子的聯(lián)合檢測(cè)與控制的研究工作，提出一種適合我國(guó)本土的溫室大棚的多環(huán)境因子智能控制模型，逐步向著自動(dòng)測(cè)試、智能化控制等方面發(fā)展。我國(guó)溫室未來(lái)的發(fā)展呈現(xiàn)出現(xiàn)代化、精準(zhǔn)化、多元化和都市型。溫室智能控制發(fā)展存在的難點(diǎn)當(dāng)前流行的智能溫室是采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，科學(xué)、合理的控制影響作物生長(zhǎng)的多種環(huán)境因子，營(yíng)造適合作物生長(zhǎng)的人工氣候環(huán)境，使作物能夠部分或者全部克服外界氣候和土壤因素的制約，做到既有利于作物的良好生長(zhǎng)和適時(shí)上市，提高產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益，又能盡量降低生產(chǎn)成本。它對(duì)改善農(nóng)業(yè)生態(tài)、生產(chǎn)條件、促進(jìn)農(nóng)業(yè)資源的科學(xué)開(kāi)發(fā)和合理利用，進(jìn)一步降低人類的勞動(dòng)強(qiáng)度有積極的作用。因此在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)由于受經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技水平、農(nóng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等諸多因素的影響，長(zhǎng)期以來(lái)缺乏設(shè)施農(nóng)業(yè)方面的基礎(chǔ)研究與戰(zhàn)略發(fā)展研究，在技術(shù)理論、生產(chǎn)發(fā)展與市場(chǎng)引導(dǎo)、宏觀政策等方面均存在很多的空白，因此溫室產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也受到了一定的限制。我們的研究成果較少，制約了溫室企業(yè)技術(shù)和質(zhì)量方面的創(chuàng)新。使我國(guó)溫室企業(yè)在與國(guó)外溫室企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)中，從一開(kāi)始就處于劣勢(shì)。目前我國(guó)問(wèn)世的環(huán)境控制水平總體上仍然較低，不能完全滿足作物栽培的要求。因此，應(yīng)通過(guò)對(duì)溫室的結(jié)構(gòu)、材料、環(huán)境控制技術(shù)、再生能源綜合利用技術(shù)、補(bǔ)充光源、環(huán)境控制的儀器設(shè)備及自動(dòng)控制的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)等方面做進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)，盡快提高我國(guó)溫室生產(chǎn)的水平。系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的預(yù)期目標(biāo)本論文采用單片機(jī)為執(zhí)行器（核心器件），通過(guò)溫度檢測(cè)電路，濕度檢測(cè)電路，光強(qiáng)檢測(cè)電路，控制系統(tǒng)，報(bào)警電路，顯示電路等部分形成了大棚溫濕度測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)Υ笈锘蚴覂?nèi)的溫度、濕度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和控制，不僅具有控制方便、簡(jiǎn)單靈活等特點(diǎn)，而且可以大大提高被控制溫度、濕度的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。其預(yù)期實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能如下：溫度控制：根據(jù)使用大棚的具體面積均勻分布溫度傳感器，借以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。每個(gè)測(cè)溫模塊由溫度傳感器組成，在每個(gè)模塊里采集該傳感器所屬區(qū)域的實(shí)時(shí)溫度傳回主控單片機(jī)，經(jīng)由主控模塊的單片機(jī)處理數(shù)據(jù)判斷是否符合所需溫度：符合則不動(dòng)作，繼續(xù)監(jiān)測(cè)；假若溫度過(guò)低則由主控單片機(jī)發(fā)出命令啟動(dòng)報(bào)警電路同時(shí)經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)補(bǔ)溫模塊即電熱絲；如果經(jīng)判斷溫度過(guò)高則發(fā)出命令啟動(dòng)報(bào)警電路同時(shí)經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路啟動(dòng)降溫設(shè)備即溫室棚棚頂和側(cè)壁上的電動(dòng)窗，同時(shí)啟動(dòng)側(cè)壁的風(fēng)扇以便于空氣流通加快降溫速度。當(dāng)以上兩種措施實(shí)施的繼續(xù)監(jiān)測(cè)溫度送回主機(jī)判斷，符合溫度設(shè)置值測(cè)發(fā)出命令停止。濕度控制：根據(jù)使用大棚的具體面積均勻分布濕度度傳感器，借以實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。每個(gè)濕度監(jiān)測(cè)模塊由濕度傳感器構(gòu)成，用以監(jiān)測(cè)器所屬區(qū)域的實(shí)時(shí)濕度。然后把監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳回主機(jī)，經(jīng)由主控模塊的單片機(jī)處理數(shù)據(jù)判斷是否符合所需濕度，若果符合則不動(dòng)作，繼續(xù)監(jiān)測(cè)；假若濕度過(guò)低則發(fā)出命令啟動(dòng)報(bào)警電路并同時(shí)經(jīng)由啟動(dòng)電路啟動(dòng)埋在土地中的噴水裝置對(duì)該域增區(qū)加濕度。光強(qiáng)控制：光強(qiáng)監(jiān)測(cè)模塊由光敏電阻組成，監(jiān)測(cè)到實(shí)時(shí)的光照強(qiáng)度參數(shù)后傳入主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷，正常的話不動(dòng)作繼續(xù)監(jiān)測(cè)，假若光照強(qiáng)度過(guò)低則啟動(dòng)報(bào)警電路，同時(shí)單片機(jī)發(fā)出命令到繼電器然后啟動(dòng)補(bǔ)光設(shè)備即照明燈；假若光照強(qiáng)度過(guò)高則由單片機(jī)發(fā)出命令由電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路放下安裝在棚頂?shù)恼诠饩W(wǎng)。人機(jī)交互設(shè)計(jì)：顯示屏上不僅可以顯示時(shí)間，而且還可以通過(guò)按鍵實(shí)時(shí)設(shè)定被監(jiān)測(cè)溫度的上下限、被監(jiān)測(cè)濕度和被監(jiān)測(cè)光照強(qiáng)度的下限值。這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制，還可以根據(jù)作物的不同生長(zhǎng)階段，對(duì)溫度、濕度和光照強(qiáng)度的不同需要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)定，更可以保證作物健康生長(zhǎng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)包括硬件部分與軟件部分兩個(gè)部分，硬件部分包括檢測(cè)子部分和控制子部分。硬件部分總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示；軟件部分見(jiàn)本論文第四章。系統(tǒng)整體框圖如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)總框圖本設(shè)計(jì)硬件組成部分中，檢測(cè)子部分主要由溫度傳感器、濕度傳感器和光敏電阻；控制子部分主要包括動(dòng)作電路、報(bào)警電路、顯示電路和按鍵。其中，動(dòng)作電路包括升溫電路、降溫電路、增加濕度電路、減小濕度電路、補(bǔ)光電路和減弱光強(qiáng)電路。檢測(cè)子部分將從現(xiàn)場(chǎng)采集的溫度、濕度、光強(qiáng)等參數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送至控制子部分的單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)傳回的數(shù)據(jù)、通過(guò)按鍵設(shè)定的各設(shè)定值進(jìn)行相應(yīng)的處理，以確定大棚內(nèi)溫度實(shí)時(shí)狀態(tài)、濕度實(shí)時(shí)狀態(tài)、光強(qiáng)實(shí)時(shí)狀態(tài)：當(dāng)溫度、濕度或者光強(qiáng)發(fā)生異常狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)控制報(bào)警電路報(bào)警，同時(shí)控制動(dòng)作電路進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度以及光強(qiáng)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。另外，本系統(tǒng)還可以顯示實(shí)時(shí)溫度、實(shí)時(shí)濕度、實(shí)時(shí)光強(qiáng)由主機(jī)來(lái)控制各個(gè)調(diào)節(jié)電路的動(dòng)作與否，并且將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了大棚內(nèi)溫度、濕度、光強(qiáng)的自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。硬件設(shè)備的選擇方案本設(shè)計(jì)主要包括三大部分，如圖2-1所示，左邊為信號(hào)采集部分，主要由各模塊傳感器及其所在電路構(gòu)成，包括溫度采集、光線采集、濕度采集等三塊內(nèi)容，被稱為傳感器模塊。中間為主控模塊，由單片機(jī)Atmega16主控模塊組成，是本設(shè)計(jì)的主要處理部分，主要負(fù)責(zé)各個(gè)傳感器傳來(lái)的信號(hào)的處理和將各個(gè)數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比處理，如果滿足要求，則不做動(dòng)作，若不滿足要求，則進(jìn)行相應(yīng)處理。最右邊為動(dòng)作電路，主要包括顯示模塊、報(bào)警電路、溫度過(guò)限控制電路、光強(qiáng)過(guò)限控制電路。這三部分組成的一個(gè)系統(tǒng)就是本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，通過(guò)這個(gè)設(shè)計(jì)，使所要控制的量，如溫度、濕度、光強(qiáng)都在一個(gè)設(shè)定的范圍內(nèi)，能夠滿足我們的要求。單片機(jī)的選擇方案一：AT89S51有4K的Flash程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的RAM，32條IO口，中斷系統(tǒng)具有6個(gè)中斷源、5個(gè)終端矢量、2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)；串行口是一個(gè)全雙工的串行通信口。假若采用MCS-51系列單片機(jī)中的AT89C51芯片作為核心器件，其自帶的4K字節(jié)的內(nèi)部FLASHEPRAM,能在3V的超低壓下工作，但運(yùn)行速度很慢；所有的I/0口都是準(zhǔn)雙向口，I/0口的驅(qū)動(dòng)能力弱；芯片里面的P0口沒(méi)有上拉電阻如果要輸出高電平或者要定義成輸入口，一般要外接電阻上拉；芯片不能定義成內(nèi)部復(fù)位方式，只能用外部微分電路復(fù)位；芯片內(nèi)部沒(méi)有RC振蕩，如要芯片正常工作，需要外加振蕩源；但是運(yùn)用于電路設(shè)計(jì)中時(shí)由于不具備ISP在線編程技術(shù),當(dāng)在對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于程序的錯(cuò)誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r(shí)，對(duì)芯片的多次拔插會(huì)對(duì)芯片造成一定的損壞，且功耗比較高，抗干擾能力也不是很強(qiáng)。方案二：采用ATmega16芯片。該芯片有16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線。32個(gè)通用工作寄存器同樣具有89C51的功能，且具有在線編程可擦除技術(shù)。當(dāng)在對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于程序的錯(cuò)誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r(shí)，不需要對(duì)芯片多次拔插，由此不會(huì)對(duì)芯片造成損壞并且是高性能、低功耗，是較51系列處理速度更快的8位AVR微處理器。所以，選擇采用ATmega16作為本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)單片機(jī)。顯示模塊的選擇方案一：采用LCD-1602液晶顯示器，該顯示器是工業(yè)字符型液晶顯示器，能夠顯示32個(gè)字符。它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。由若干個(gè)5×7者5×11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形。而此次設(shè)計(jì)的是一個(gè)大棚溫濕度測(cè)控系統(tǒng)。這里我們需要將設(shè)定的溫度值，濕度值，以及采集過(guò)來(lái)的外界環(huán)境里的溫度值和濕度值顯示出來(lái)。而顯然LCD-1602的顯示容量只有兩行，可以顯示八個(gè)漢字，這樣無(wú)法直接在一屏里面顯示溫度值和濕度值，需要分多次頁(yè)數(shù)來(lái)顯示，這樣不便于觀察溫濕度的變化，所以在本次設(shè)計(jì)中不采用LCD-1602液晶顯示器。方案二：采用Nokia5110顯示器,可以顯示四行漢字，84×8的點(diǎn)陣LCD，這樣可進(jìn)行比較觀察，清晰明了，易于操作，性價(jià)比高，LCD1602可以顯示32個(gè)字符，而Nokia5110可以顯示15個(gè)漢字，30個(gè)字符。接口簡(jiǎn)單，僅四根I/O線即可驅(qū)動(dòng)，速度快，是LCD1602的40倍。Nokia5110工作電壓3.3V，正常顯示時(shí)工作電流200uA以下，具有掉電模式，適合電池供電的便攜式移動(dòng)設(shè)備。因此在本次設(shè)計(jì)中的顯示部分我們選用Nokia5110液晶顯示。溫度傳感器的選擇智能溫度傳感器/控制器屬于智能化集成溫度傳感器和控制器。其主要優(yōu)點(diǎn)是采用數(shù)字化技術(shù)，能以數(shù)字形式直接輸出被測(cè)溫度值，具有測(cè)溫誤差小、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、能夠遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)、用戶可設(shè)定溫度上、下限、有越限自動(dòng)報(bào)警功能、自帶串行總線借口等優(yōu)點(diǎn)，適配各種微控制器，含微處理器和單片機(jī)，是研制和開(kāi)發(fā)具有高性價(jià)比的新一代溫度測(cè)控系統(tǒng)所必不可少的核心器件。方案一：使用熱敏電阻作為傳感器，用熱敏電阻與一個(gè)相應(yīng)阻值電阻相串聯(lián)分壓，利用熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化的特性，采集這兩個(gè)電阻變化的分壓值，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。此設(shè)計(jì)方案需用A/D轉(zhuǎn)換電路，這樣一來(lái)，就增加了硬件成本，而且熱敏電阻的感溫特性曲線并不是嚴(yán)格線性的，會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。方案二：采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20,該傳感器為數(shù)字式傳感器。獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊,DS18B20的測(cè)溫范圍-55℃~125℃，分辨率最大可達(dá)0.0625℃。DS18B20可以直接讀出被測(cè)溫度值。而且采用3線制與單片機(jī)相連，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點(diǎn)，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合。使其成為我們?cè)谶x擇溫濕度傳感器時(shí)的首選。DS18B20實(shí)物圖如圖2-3所示。圖2-3DS18B20實(shí)物圖濕度傳感器的選擇方案一：采用HOS-201濕敏傳感器。HOS-201濕敏傳感器為高濕度開(kāi)關(guān)傳感器，它的工作電壓為交流1V以下，頻率為50KHZ～1KHZ，測(cè)量濕度范圍為0～100%RH，工作溫度范圍為0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）時(shí)為1MΩ。這種傳感器原是用于開(kāi)關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測(cè)濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。方案二：采用數(shù)字式濕度傳感器DHT11,該傳感器為數(shù)字式傳感器，采集濕度的精度是14位，端口較少，只需要單片機(jī)的一個(gè)端口即可驅(qū)動(dòng)，每個(gè)DHT11傳感器都在即為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，除此之外，單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為給類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝，連接方便，傳感器比較簡(jiǎn)單，四條引角中有兩條是電源引腳，有兩條是輸出數(shù)據(jù)的引腳，只需要給他供上額定電壓，然后在輸出引腳采集信號(hào)就可以了，因此選擇了DHT11濕度傳感器作為此設(shè)計(jì)傳感器的首選。DHT11實(shí)物圖如圖2-4所示圖2-4DHT11實(shí)物圖光敏電阻的選擇光照強(qiáng)度的測(cè)量選用了常用的光敏電阻。光敏電阻對(duì)于光照敏感度高，光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光敏電阻器是硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器對(duì)光的敏感性（即光譜特性）與人眼對(duì)可見(jiàn)光（0.4~0.76μm）的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會(huì)引起它阻值的變化。通常，光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。當(dāng)它受到光的照射時(shí)，半導(dǎo)體片（光敏層）內(nèi)就激發(fā)出電子—空穴對(duì)，參與導(dǎo)電，使電路中電流增強(qiáng)。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案，它是在一定的掩膜下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。光敏電阻實(shí)物圖如圖2-5所示。圖2-5光敏電阻實(shí)圖繼電器的選擇因?yàn)檎{(diào)節(jié)電路中需要啟動(dòng)風(fēng)扇和節(jié)能燈等高電壓設(shè)備，所以要應(yīng)用到繼電器作為高壓設(shè)備啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。本設(shè)計(jì)中采用5引腳大功率超小型繼電器JQC-3FF。繼電器就是通過(guò)低電壓小電流，控制高電壓大電流的設(shè)備。JQC-3FF繼電器是一組常開(kāi)、一組常閉的。JQC-3FF繼電器由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等構(gòu)件組成。在線圈兩端加上一定的電壓，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接通高壓電路。動(dòng)力電機(jī)的選擇本設(shè)計(jì)中在大棚的側(cè)壁裝有通風(fēng)散熱用的電動(dòng)窗和風(fēng)扇，棚頂裝有電動(dòng)窗和卷起遮光薄膜的裝置，這些都需要電機(jī)為其提供動(dòng)力,風(fēng)扇的動(dòng)力電機(jī)選擇一般電風(fēng)扇用的電壓為220V的單相交流電機(jī)；電動(dòng)窗的動(dòng)力電機(jī)選擇則不用選擇太大的電機(jī)，同時(shí)為了滿足動(dòng)力需求，選擇市面上經(jīng)常使用的電動(dòng)窗簾的直流電機(jī)即可。硬件電路設(shè)計(jì)硬件是整個(gè)系統(tǒng)的工作平臺(tái)，各種應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)和軟件的運(yùn)行都是以硬件為基礎(chǔ)的，所以硬件設(shè)計(jì)的合理與否從根本上決定了整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量。為了充分發(fā)揮單片機(jī)的長(zhǎng)處，實(shí)現(xiàn)盡可能多的功能，使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，工作得更可靠，操作更具備人機(jī)交互性，并且要使整個(gè)系統(tǒng)能真正的在實(shí)際應(yīng)用中能發(fā)揮作用，對(duì)硬件電路進(jìn)行的精心的設(shè)計(jì)，需要對(duì)每一個(gè)方案都經(jīng)過(guò)了反復(fù)的比較和論證，始終做到最佳完美，符合設(shè)計(jì)目的。主控電路設(shè)計(jì)ATmega16單片機(jī)ATmega16是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。其內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16有如下特點(diǎn)：16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP封裝)的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口，以及六個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。其端口介紹如下：VCC：電源正GND：電源地端口A(PA7~PA0)：做為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口A為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口A處于高阻狀態(tài)。端口B(PB7~PB0)：端口B為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口B處于高阻狀態(tài)。端口B也可以用做其他不同的特殊功能。端口C(PC7~PC0)：端口C為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口C處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳PC5(TDI)、PC3(TMS)與PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口C也可以用做其他不同的特殊功能.端口D(PD7~PD0)：端口D為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在復(fù)位過(guò)程中，即使系統(tǒng)時(shí)鐘還未起振，端口D處于高阻狀態(tài)。端口D也可以用做其他不同的特殊功能.RESET：復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過(guò)最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。門限時(shí)間見(jiàn)P36Table15。持續(xù)時(shí)間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。AVCC：端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時(shí)，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時(shí)應(yīng)通過(guò)一個(gè)低通濾波器與VCC連接。AREF：A/D的模擬基準(zhǔn)輸入引腳因?yàn)樵骷姆庋b不同，引腳結(jié)構(gòu)也不盡相同。ATmega16L雙列直插式封裝有40個(gè)引腳，而貼片式封裝有44個(gè)引腳。下圖3.1為直插式ATmega16單片機(jī)的引腳圖ATmega16單片機(jī)的引腳圖單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)就是由硬件（單片機(jī)芯片和外圍電路）、軟件（內(nèi)部程序）構(gòu)成，能完成一定功能的設(shè)備。任何單片機(jī)想要正常工作，都有3個(gè)必接的電路：電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路。接好這3種電路的單片機(jī)系統(tǒng)，就稱為單片機(jī)最小系統(tǒng)。(1)時(shí)鐘電路單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入和輸出端分別是引腳XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接時(shí)鐘源即可構(gòu)成時(shí)鐘電路，CPU的所有操作均在時(shí)鐘脈沖同步下進(jìn)行。片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，一般多在1.2MHz～12MHz之間選取。時(shí)鐘電路如圖3-2所示。C1、C2是反饋電容，其值在5pF～30pF之間選取，典型值為30pF。本電路選用的電容為22pF，晶振頻率為7.3728MHz。單片機(jī)時(shí)鐘電路是用來(lái)配合外部晶體實(shí)現(xiàn)振蕩的電路，這樣可以為單片機(jī)提供運(yùn)行時(shí)鐘，如果運(yùn)行時(shí)鐘為0的話，單片機(jī)就不工作，當(dāng)然超出單片機(jī)的工作頻率的時(shí)鐘也會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)不工作，因此了解每種單片機(jī)的時(shí)鐘電路是非常重要的，直接與單片機(jī)是否正常運(yùn)行息息相關(guān)。本設(shè)計(jì)所用單片機(jī)時(shí)鐘電路接法如示意圖3-2所示時(shí)鐘電路圖(2)復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。本系統(tǒng)采用的是上電復(fù)位，上電復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在上電或復(fù)位過(guò)程中，控制CPU的復(fù)位狀態(tài)：這段時(shí)間內(nèi)讓CPU保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯(cuò)誤的指令、執(zhí)行錯(cuò)誤操作，也可以提高電磁兼容性能。本設(shè)計(jì)單片機(jī)的復(fù)位電路接法如示意圖3-3所示復(fù)位電路圖無(wú)論用戶使用哪種類型的單片機(jī),總要涉及到單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。而單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞,直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設(shè)計(jì)完單片機(jī)系統(tǒng),并在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功后,在現(xiàn)場(chǎng)卻出現(xiàn)了“死機(jī)”、“程序走飛”等現(xiàn)象,這主要是單片機(jī)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)不可靠引起的。單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)圖單片機(jī)的最小系統(tǒng)如示意圖3-4所示,7引腳和8引腳接時(shí)鐘電路,XTAL1接外部晶振和微調(diào)電容的一端,在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入,XTAL2接外部晶振和微調(diào)電容的另一端,在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸出。第4引腳為復(fù)位輸入端,接上電容,電阻及開(kāi)關(guān)后夠上電復(fù)位電路，28、6、18、39引腳為接地端,5、17、38、27、29引腳為電源端。溫度檢測(cè)與控制溫度測(cè)量傳感器DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號(hào)多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測(cè)溫，高爐水循環(huán)測(cè)溫，鍋爐測(cè)溫，機(jī)房測(cè)溫，農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫，潔凈室測(cè)溫，彈藥庫(kù)測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個(gè)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫，如果數(shù)量過(guò)多，會(huì)使供電電源電壓過(guò)低，從而造成信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定。DS18B20與單片機(jī)的接法在硬件上DS18B20與單片機(jī)的連接有兩種方法。一種是將DS18B20的VCC接外部電源，GND接地，其DQ與單片機(jī)的I/O線相連，如圖3.5所示；另一種是用寄生電源供電，此時(shí)DS18B20的VCC、GND接地，其DQ接單片機(jī)I/O，如圖3.6所示。無(wú)論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，DS18B20的DQ要接5KΩ左右的上拉電阻。注意只要外部電源處于工作狀態(tài)，GND引腳不可懸空。DS18B20的引腳圖如示意圖3-5所示DS18B20引腳圖DS18B20引腳非常簡(jiǎn)單，只有三個(gè)引腳，引腳1是接地，引腳2是數(shù)據(jù)輸入/輸出口，引腳3是電源。與單片機(jī)連接時(shí)注意在DQ引腳加上拉電阻即可。DS18B20與單片機(jī)的接法如示意圖3-6所示溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，如上圖3-6溫度傳感器的GND為接地端，DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出接PB.7，VCC為外接供電電源輸入端。主要功能就是測(cè)大棚內(nèi)的溫度，將測(cè)得的溫度信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送到單片機(jī)內(nèi)部，由于DS18B20為數(shù)字式傳感器，所以不需要A/D轉(zhuǎn)換，可以直接處理，并且具有極高的精度。溫度控制電路的設(shè)計(jì)控制電路的動(dòng)作都是由主機(jī)控制進(jìn)行完成的。根據(jù)每個(gè)溫度傳感器檢測(cè)到的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)首先存儲(chǔ)在單片機(jī)中，然后單片機(jī)執(zhí)行循環(huán)掃描數(shù)據(jù)功能，以判斷溫度是否符合作生長(zhǎng)的需求。當(dāng)溫度低于設(shè)定的下限值時(shí)，“溫度過(guò)低”指示燈亮，主機(jī)會(huì)發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)報(bào)警電路，相應(yīng)I/O口電平拉低，導(dǎo)通三極管和繼電器，打開(kāi)加熱燈，以升高溫度。當(dāng)溫度達(dá)到要求值后，則指示燈會(huì)自動(dòng)熄滅，同時(shí)繼電器會(huì)斷開(kāi)，加熱燈停止工作。加熱模塊由三極管、繼電器和加熱燈組成。加熱模塊電路圖如圖3-7所示。溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)之初，加熱裝置打算使用電熱絲，但是由于一般農(nóng)作物隨溫度的要求沒(méi)有那么高，且電熱絲在加熱的同時(shí)會(huì)釋放很大的熱量，出于安全角度考慮，故使用節(jié)能燈來(lái)進(jìn)行代替。當(dāng)溫度高于設(shè)定的上限值時(shí)，“溫度過(guò)高”指示燈亮，同時(shí)主機(jī)相應(yīng)I/O口電平拉低，使三極管導(dǎo)通，繼電器常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)、常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接通電機(jī)所在220V電路，打開(kāi)風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)散熱，同時(shí)打開(kāi)棚頂和側(cè)壁上的電動(dòng)窗，以加快對(duì)流速度，進(jìn)而加快降低溫度的效果。當(dāng)溫度達(dá)到要求值后，則指示燈會(huì)自動(dòng)熄滅，同時(shí)繼電器會(huì)斷開(kāi)，切斷電源，風(fēng)扇停止工作，電動(dòng)窗自動(dòng)關(guān)閉。降溫模塊的電路如圖3-8所示散熱模塊電路設(shè)計(jì)當(dāng)傳感器把檢測(cè)到的信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)處理后，與設(shè)定溫度范圍進(jìn)行對(duì)比，如果低于設(shè)定溫度，則通過(guò)圖3.8溫度補(bǔ)償模塊進(jìn)行溫度補(bǔ)償，如果高于設(shè)定溫度范圍，則通過(guò)通風(fēng)散熱模塊進(jìn)行散熱處理，如圖3.8。溫度補(bǔ)償模塊主要由兩個(gè)并聯(lián)的三極管，控制兩個(gè)繼電器，實(shí)現(xiàn)雙控功能，加熱器件是電熱絲，由于電熱絲電壓為220V，而控制電壓一般在3V左右，所以選擇繼電器來(lái)控制。通風(fēng)散熱模塊主要由一個(gè)三極管和一個(gè)小風(fēng)扇組成，基極與單片機(jī)PC.6相連，為控制端，集電極為供電端，與電源相連，發(fā)射極與小風(fēng)扇一端相連，控制電流通過(guò)此斷進(jìn)入小風(fēng)扇，小風(fēng)扇另一端接地，形成一個(gè)通路。這就是通風(fēng)散熱模塊的詳細(xì)構(gòu)成。濕度監(jiān)測(cè)DHT11濕度傳感器DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。DATA用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時(shí)間4ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，具體格式在下面說(shuō)明，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展,現(xiàn)讀出為零.操作流程如下：用戶MCU發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下DHT11接收到開(kāi)始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒(méi)有接收到主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)，DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集.采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。DHT11的供電電壓為3～5.5V。傳感器上電后，要等待1s以越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個(gè)100nF的電容，用以去耦濾波。長(zhǎng)時(shí)間暴露在太陽(yáng)光下或強(qiáng)烈的紫外線輻射中，會(huì)使性能降低。因此要妥善放置，盡量避免太陽(yáng)光的直接照射，還要避免高溫，以及雨水的沾濕，這樣才能保證傳感器正常工作。DHT11與單片機(jī)的接法電路濕度傳感器與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)DHT11是數(shù)字傳感器，所以不需要進(jìn)行模數(shù)的轉(zhuǎn)換，具體接口如下引腳1：VDD供電3～5.5VDC引腳2：DATA串行數(shù)據(jù)，單總線引腳3：NC空腳，請(qǐng)懸空引腳4：GND接地，電源負(fù)極注意：引腳2在接單片機(jī)時(shí)，同時(shí)要在數(shù)據(jù)線接一上拉電阻，接到電源上。光強(qiáng)測(cè)量與控制光敏電阻光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。構(gòu)成光敏電阻的材料有金屬的硫化物、硒化物、碲化物等半導(dǎo)體。光敏電阻的應(yīng)用光敏電阻屬半導(dǎo)體光敏器件，除具靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及r值一致性好等特點(diǎn)外，在高溫，多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，可廣泛應(yīng)用于照相機(jī)，路燈，草坪燈，驗(yàn)鈔機(jī)，石英鐘，音樂(lè)杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開(kāi)關(guān)，路燈自動(dòng)開(kāi)關(guān)以及各種光控玩具，光控?zé)麸?，燈具等光自?dòng)開(kāi)關(guān)控制領(lǐng)域。測(cè)光電路感光模塊電路設(shè)計(jì)圖3-10為測(cè)光強(qiáng)電路，電路通過(guò)上拉電阻R1和R2來(lái)使光敏電阻GMDZ1和GMDZ2正常工作，其中GMDZ1和GMDZ2一端接地，一端接I/O端口PA0和PA1。通過(guò)I/O端口將采集到的信號(hào)發(fā)送給處理器。補(bǔ)光電路補(bǔ)光模塊設(shè)計(jì)圖3-11為補(bǔ)光燈模塊，當(dāng)處理器對(duì)比光照強(qiáng)度后，如果光強(qiáng)低于設(shè)定值，則發(fā)出補(bǔ)光信號(hào)，使補(bǔ)光燈模塊進(jìn)入工作狀態(tài)，補(bǔ)光燈模塊由三極管、繼電器和補(bǔ)光燈串聯(lián)組成。考慮到光強(qiáng)對(duì)作物的影響，以及現(xiàn)實(shí)情況，當(dāng)測(cè)得的光強(qiáng)低于設(shè)定值時(shí)報(bào)警并且補(bǔ)光；如果在設(shè)定值之上（包括設(shè)定值），則不動(dòng)作，因?yàn)槿祟惸芙邮艿墓庹?，作物的接受能力比人類要?qiáng)，所以可以不對(duì)光強(qiáng)上限進(jìn)行設(shè)定即可滿足需求，這就是光控模塊。顯示電路液晶顯示模塊提供兩種界面來(lái)連接微處理機(jī)：8位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：光標(biāo)顯示，畫面移位，睡眠模式等。Nokia5110是一款經(jīng)典機(jī)型，可能由于經(jīng)典的緣故，舊機(jī)器很多，所以很多電子工程師就把舊機(jī)器的屏幕拆下來(lái)，自己驅(qū)動(dòng)Nokia5110，用于開(kāi)發(fā)的設(shè)備顯示，取代LCD1602。并且Nokia5110的控制器／驅(qū)動(dòng)器芯片已綁定到LCD晶片上，模塊的體積很小。接口信號(hào)線數(shù)量相對(duì)LCD1602少的多，并且傳輸速率非?？?。3.5.1Nokia5110引腳說(shuō)明LCD引腳說(shuō)明如下表3-1所示。表3-1諾基亞5110液晶顯示模塊的管腳引腳序號(hào)引腳名稱功能引腳序號(hào)引腳名稱功能1SDIN串行數(shù)據(jù)線5RES復(fù)位2SCLK串行時(shí)鐘線6VCC電源正3D/C模式選擇7LIGHT背光燈4SCE芯片使能8GND電源地3.5.2顯示電路原理圖Nokia5110與單片機(jī)有8個(gè)管腳相連，其中1~5為I/O管腳，為信號(hào)輸入端，6為電源輸入，7為背光輸入，8為GND。7管腳直接與6管腳相連，即背光燈一直處于打開(kāi)狀態(tài)，不論在白天還是黑夜均能觀察LCD上數(shù)據(jù)的變化，以便實(shí)現(xiàn)控制功能。與單片機(jī)相連的原理圖設(shè)計(jì)如下圖3-12所示。顯示電路原理圖設(shè)計(jì)報(bào)警電路在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對(duì)于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報(bào)警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其方法就是把計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)或經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進(jìn)行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進(jìn)行報(bào)警，否則就作為正常的采樣值，進(jìn)行顯示和控制。下圖是本設(shè)計(jì)的報(bào)警電路報(bào)警電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用聲光報(bào)警電路。蜂鳴音報(bào)警接口電路的設(shè)計(jì)只需購(gòu)買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過(guò)單片機(jī)ATmega16的1根口線經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動(dòng)電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動(dòng)，也可以用一個(gè)晶體三極管驅(qū)動(dòng)。在圖3-13中，蜂鳴器與三極管Q3相連，三極管一端接電源，一端接I/O口PB.0，另一端直接與蜂鳴器相連。蜂鳴器的正極接三極管，負(fù)極接地。濕度傳感器采集來(lái)的濕度與單片機(jī)設(shè)定的濕度值相比較，只要其中任何一個(gè)過(guò)限，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出蜂鳴音報(bào)警。電源電路電源是電力電子系統(tǒng)的動(dòng)力源，其性能直接決定了系統(tǒng)的工作表現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，采用了我國(guó)民用的220V作電源，但系統(tǒng)的部分器件一般都工作在低壓的直流電壓環(huán)境，所以電源電路就是將220V的交流電壓經(jīng)降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓等處理后得到具有一定功率的低壓電源。該電源應(yīng)該具有較為穩(wěn)定和干擾少的電壓，為系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供有力的保障。根據(jù)前面對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)功能模塊的分析和設(shè)計(jì)，知道在我們的系統(tǒng)中，單片機(jī)ATmega16的電源是+5V，驅(qū)動(dòng)電路中的繼電器需要+12V的電壓。因此我們的系統(tǒng)需要提供兩種不同的電源電路。+5V電源電路圖采用變壓器及整流電路把電壓轉(zhuǎn)換為15V，再選用穩(wěn)壓塊7805，得到穩(wěn)定的5V電壓輸出。穩(wěn)壓塊7805的作用是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載等發(fā)生變化時(shí)，能自動(dòng)維持穩(wěn)定的5V輸出電壓，而且有過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)功能，穩(wěn)壓塊7805最大的輸入電壓為35V。在實(shí)際使用時(shí)為了保證輸出電壓地穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)性，一般在輸出端與地之間接一個(gè)大于0.1μf的小電容。另外，當(dāng)穩(wěn)壓塊電壓輸入端距離電源太近時(shí)也可通過(guò)在輸入端與地之間接一抗干擾電容。電源部分電路如圖3-14所示。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化，子程序化設(shè)計(jì)思路，即整個(gè)控制軟件由許多獨(dú)立的小程序模塊組成，它們之間通過(guò)軟件接口連接。既便于調(diào)試，連接，又便于移植、修改。系統(tǒng)軟件主要完成數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算處理，實(shí)時(shí)LCD顯示，越限報(bào)警，聯(lián)機(jī)通訊，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行等功能，包括以下幾部分：主程序設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集與調(diào)控、顯示模塊、報(bào)警模塊。本設(shè)計(jì)對(duì)于溫度、濕度和光照強(qiáng)度的控制模塊的設(shè)計(jì)采用了PID算法來(lái)解決。PID控制是工業(yè)控制中的經(jīng)典控制方式之一，它具有魯棒性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。即使控制技術(shù)及理論飛速發(fā)展，且出現(xiàn)了多種先進(jìn)控制的方法，但在工業(yè)控制系統(tǒng)中PID控制器的應(yīng)用依然很廣泛。在過(guò)程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；而且在理論上可以證明，對(duì)于過(guò)程控制的典型對(duì)象──“一階滯后+純滯后”與“二階滯后+純滯后”的控制對(duì)象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID的參數(shù)設(shè)置及整定是設(shè)計(jì)PID控制器的關(guān)鍵，它嚴(yán)重影響了控制系統(tǒng)的魯棒性及品質(zhì)。PID控制器的參數(shù)整定方法有很多種，如經(jīng)驗(yàn)公式法、反應(yīng)曲線法、衰減法和臨界比例法等。在工程中，用這些方法整定后還要不斷對(duì)PID進(jìn)行調(diào)整及修改。只有在PID控制器的參數(shù)調(diào)整得較好時(shí)，系統(tǒng)方能產(chǎn)生良好的控制效果。在工業(yè)控制中，一般情況下用PID控制就可以得到良好的控制效果。對(duì)于溫度控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其常具有較大的時(shí)滯，采用常規(guī)的PID控制，系統(tǒng)不能得到令人滿意的控制效果。因?yàn)镻ID控制的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用的廣泛性，研究者對(duì)PID控制設(shè)計(jì)了多種改進(jìn)方法。而且伴隨著控制理論的飛速發(fā)展，把PID控制方法與多種先進(jìn)的控制方法結(jié)合，組成了各種各樣的復(fù)合控制方法，進(jìn)而在大時(shí)滯系統(tǒng)中取得了較好的控制效果。PID控制器是基于偏差的比例、積分及微分的控制器，是經(jīng)典控制領(lǐng)域的優(yōu)秀成果。PID控制器的原理如圖4-1所示，由PID控制器與受控對(duì)象組成。PID控制器是一種線性控制器，根據(jù)實(shí)際的輸出值與給定值的偏差，通過(guò)線性組合將偏差按照比例、積分和微分構(gòu)成控制量，來(lái)控制被控對(duì)象。PID算法的基本原理圖如下圖4-1所示PID算法基本原理圖針對(duì)于本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，溫度、濕度和光照強(qiáng)度的采用如下圖4-2所示的原理圖PID控制器原理圖主程序流程圖整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程，主要的功能子程序有：系統(tǒng)初始化，DHT11的初始化，Nokia5110的初始化。當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)報(bào)警并且調(diào)節(jié)溫度，加熱或者通風(fēng)減熱，使溫度在設(shè)定值范圍之內(nèi)，這是溫控模塊。接下來(lái)為測(cè)濕模塊，通過(guò)濕度傳感器測(cè)得濕度值如果在設(shè)定范圍內(nèi)，則不報(bào)警，如果不在設(shè)定范圍內(nèi)，則進(jìn)行報(bào)警，由于濕度的控制比較困難，因此本設(shè)計(jì)對(duì)濕度控制還需進(jìn)一步提高。最后一個(gè)為光控模塊，考慮到光強(qiáng)對(duì)作物的影響，以及現(xiàn)實(shí)情況，當(dāng)測(cè)得的光強(qiáng)低于設(shè)定值時(shí)報(bào)警并且補(bǔ)光，如果在設(shè)定值之上（包括設(shè)定值），則不動(dòng)作，因?yàn)槿祟惸芙邮艿墓庹?，作物的接受能力比人類要?qiáng)，所以可以不對(duì)光強(qiáng)上限進(jìn)行設(shè)定即可滿足需求；若是諸如韭黃一類的作物可以啟用減弱光強(qiáng)電路，這就是光控模塊。本設(shè)計(jì)主程序流程圖如下圖4-3所示主程序流程圖DS18B20軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4-3所示，主要包括7部分：寄生電源；64位激光(10ser)ROM與單總線接口；高速暫存器，即便筏式RAM，用于存放中間數(shù)據(jù)；溫度傳感器；TH觸發(fā)寄存器和TL觸發(fā)寄存器，分別用來(lái)存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值；存儲(chǔ)和控制邏輯；8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)發(fā)生器。64位閃速ROM的結(jié)構(gòu)如下：ROM結(jié)構(gòu)圖高8位是CRC校驗(yàn)碼，接著是每個(gè)器件的惟一的序號(hào)，共有48位，低8位是產(chǎn)品類型的編號(hào)，前56位的這也是多個(gè)DS18B20可以采用一線進(jìn)行通信的原因。高速暫存存儲(chǔ)器DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的E2RAM。后者用于存儲(chǔ)TH、TL值。數(shù)據(jù)先寫入RAM，經(jīng)校驗(yàn)后再傳給E2RAM。而配置寄存器為高速暫存器中的第5個(gè)字節(jié)，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨，DS18B20工作時(shí)按此寄存器中的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如下表：表4-1字節(jié)定義TMR1R011111低5位一直都是l，TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動(dòng)，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，即用來(lái)設(shè)置分辨率，如表4-2所示(DS18B20出廠時(shí)被設(shè)置為12位)。表4-2R1和R0的模式表R1R2分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間/ms009位93.750110位187.51011位750.001112位275.00高速暫存存儲(chǔ)器除了配置寄存器外，還有其他8個(gè)字節(jié)組成，其分配如下表所示。表4-3字節(jié)分配溫度低位溫度高位THTL配置保留保留保留8為CRC其中第1、2字節(jié)是溫度信息，第3、4字節(jié)是TH和TL值，第6~8字節(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯1；第9字節(jié)讀出的是前面所有8個(gè)字節(jié)的CRC碼，可以用來(lái)保證通信的正確。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可通過(guò)單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后。溫度值格式如下：表4-4溫度值格式低八位：232221202-12-22-32-4MSBLSB高八位：SSSSS262524MSBLSB以12位轉(zhuǎn)化為例說(shuō)明溫度高低字節(jié)存放形式及計(jì)算：12位轉(zhuǎn)化后得到的l2位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在DS18B20的兩個(gè)高低8位的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位。如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，即符號(hào)位S=0，這時(shí)只要直接將測(cè)到的數(shù)值二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，再乘以0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為l，即符號(hào)位S=1，這時(shí)先將補(bǔ)碼變換為原碼，也就是測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再計(jì)算十進(jìn)制值，最后乘以0.0625才能得到實(shí)際溫度。表4-6是對(duì)應(yīng)的一部分溫度值。表4-6部分溫度值溫度/℃二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+125000001111101000007D0H+25.062500000001100100010190H+0.500000000000010000008H000000000000000000000H-0.51111111111111000FFF8H-25.06251111111001101111FE6FH-551111110010010000FC90HDS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測(cè)得的溫度值T與TH、TL作比較，若T>TH或T<TL。則將該器件內(nèi)的告警標(biāo)志位置位，并對(duì)主機(jī)發(fā)出的告警搜索命令作出響應(yīng)。因此，可用多只DS18B20同時(shí)測(cè)量溫度并進(jìn)行告警搜索。CRC的產(chǎn)生在64位ROM的最高有效字節(jié)中存儲(chǔ)有循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)。主機(jī)根據(jù)ROM的前56位來(lái)計(jì)算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比較，以判斷主機(jī)收到的ROM數(shù)據(jù)是否正確。非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL，可通過(guò)軟件寫入用戶報(bào)警上下限。表4-7DS18B20的六條指令指令代碼操作說(shuō)明WriteScratchpad(寫暫存存儲(chǔ)器)4EH將兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入溫度寄存器的TH、TL字節(jié)ReadScratchpad(讀暫存存儲(chǔ)器)BEH讀取溫度寄存器的溫度值CopyScratchpad(復(fù)制暫存存儲(chǔ)器)48H將溫度寄存器的數(shù)字拷貝到E2RAM，保證溫度值不丟失ConvertTemperature(溫度變換)44H啟動(dòng)在線的DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換RecallEPROM(重新調(diào)用)B8H將E2RAM中的數(shù)值拷貝到溫度寄存器中ReadPowersupply(讀電源)B4H啟動(dòng)DS18B20發(fā)送電源供電方式的信號(hào)給主CPU（“0”為寄生電源，“1”為外部電源）CPU對(duì)DS18B20的訪問(wèn)流程是：先對(duì)DS18B20初始化，再進(jìn)行ROM操作命令，最后才能對(duì)存儲(chǔ)器操作和對(duì)數(shù)據(jù)操作。DS18B20每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時(shí)序和通信協(xié)議。例如主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過(guò)程，根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，必須經(jīng)歷三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)其進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)其進(jìn)行預(yù)定的操作。DS18B20有六條控制命令，如表4-7所示。DS18B20與單片機(jī)通訊設(shè)計(jì)由于DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來(lái)保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開(kāi)始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。DS18B20的復(fù)位時(shí)序單片機(jī)拉低總線480us～950us，然后釋放總線（拉高電平）這時(shí)DS18B20會(huì)拉低信號(hào)，大約60～240us表示應(yīng)答DS18B20拉低電平的60～240us之間，單片機(jī)讀取總線的電平，如果是低電平，表示復(fù)位成功，否則不成功（此時(shí)一般要重負(fù)操作，直到成功為止，編程是要進(jìn)行判斷）DS18B20拉低電平60～240us之后，會(huì)釋放總線復(fù)位時(shí)序圖DS18B20的讀時(shí)序?qū)τ贒S18B20的讀時(shí)序分為讀0時(shí)序和讀1時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。對(duì)于DS18B20的讀時(shí)隙是從主機(jī)把單總線拉低之后，在15微秒之內(nèi)就得釋放單總線，以讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。DS18B20在完成一個(gè)讀時(shí)序過(guò)程，至少需要60us才能完成。讀0時(shí)序讀1時(shí)序讀時(shí)序圖DS18B20的寫時(shí)序?qū)τ贒S18B20的寫時(shí)序仍然分為寫0時(shí)序和寫1時(shí)序兩個(gè)過(guò)程。對(duì)于DS18B20寫0時(shí)序和寫1時(shí)序的要求不同，當(dāng)要寫0時(shí)序時(shí)，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“0”電平，當(dāng)要寫1時(shí)序時(shí)，單總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就得釋放單總線。寫0操作時(shí)序?qū)?操作時(shí)序?qū)憰r(shí)序圖DHT11軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)DHT11與單片機(jī)通訊設(shè)計(jì)通訊過(guò)程時(shí)序如圖4-9所示通訊時(shí)序圖總線空閑狀態(tài)為高電平,主機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng),主機(jī)把總線拉低必須大于18毫秒,保證DHT11能檢測(cè)到起始信號(hào)。DHT11接收到主機(jī)的開(kāi)始信號(hào)后,等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束,然后發(fā)送80us低電平響應(yīng)信號(hào).主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后,延時(shí)等待20-40us后，讀取DHT11的響應(yīng)信號(hào)。總線為低電平，說(shuō)明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào),DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)后,再把總線拉高80us，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù),每一bit數(shù)據(jù)都以50us低電平時(shí)隙開(kāi)始,高電平的長(zhǎng)短定了數(shù)據(jù)位是0還是1格式見(jiàn)下面圖示.如果讀取響應(yīng)信號(hào)為高電平,則DHT11沒(méi)有響應(yīng),請(qǐng)檢查線路是否連接正常。.當(dāng)最后一bit數(shù)據(jù)傳送完畢后，DHT11拉低總線50us，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。數(shù)字‘0’信號(hào)和‘1’信號(hào)的表示方法(1)‘0’信號(hào)的表示方法數(shù)字‘0’表示方法為，首先DHT把總線拉低12-14us然后拉高，高電平保持時(shí)間在26-28us這個(gè)范圍內(nèi)，則此比特為‘0’電平。表示方法如圖4.8所示數(shù)字‘0’信號(hào)(2)‘1’信號(hào)的表示方法數(shù)字‘1’表示方法為，首先DHT把總線拉低12-14us然后拉高，高電平保持時(shí)間在116-118us這個(gè)范圍內(nèi)，則此比特為‘1’電平。表示方法如圖4-11所示數(shù)字‘1’信號(hào)Nokia5110顯示設(shè)計(jì)4.4.1液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)指令表4-7諾基亞5110液晶顯示模塊驅(qū)動(dòng)指令說(shuō)明表指令D/命令字描述DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0（H=0or1）NOP000000000空操作功能設(shè)置000100PDVH掉電控制；進(jìn)入模式；擴(kuò)展指令設(shè)置（H）寫數(shù)據(jù)1D7D6D5D4D3D2D1D0寫數(shù)據(jù)到顯示RAM（H=0）保留0000001XX不可使用顯示控制000001D0E設(shè)置顯示配置保留00001XXXX不可使用設(shè)置RAM的Y地址001000Y2Y1Y0設(shè)置RAM的Y地址0≤Y≤5設(shè)置RAM的X地址01X6X5X4X3X2X1X0設(shè)置RAM的X地址0≤X≤83（H=1）保留000000001不可使用00000001X不可使用溫度控制0000000TC1TC0設(shè)置溫度系數(shù)（TCX）保留000001XXX不可使用偏置系統(tǒng)000010設(shè)置溫度系數(shù)（BSX）保留001XXXXXX不可使用設(shè)置VOP01VOP6VOP5VOP4VOP3VOP2VOP1VOP0寫VOP到寄存器4.4.2寫數(shù)據(jù)到模塊Nokia5110(PCD8544)的通信協(xié)議是一個(gè)沒(méi)有MISO只有MOSI的SPI協(xié)議，如果單片機(jī)有富裕的SPI接口，也可以利用硬件SPI，但通常沒(méi)有必要，只需要軟件程序模擬即可。送一個(gè)字節(jié)4.4.3Nokia5110初始化時(shí)序接通電源后，內(nèi)部寄存器和RAM的內(nèi)容是不確定的，這需要一個(gè)RES低電平脈沖復(fù)位一下。當(dāng)VDD變?yōu)楦唠娖?，達(dá)到VDDmin(或更高)之后，最多100ms，RST輸入低電平(電平幅度<0.3VDD)。復(fù)位時(shí)序圖總結(jié)大學(xué)，如何學(xué)習(xí)的能力比學(xué)習(xí)知識(shí)更加重要。主要是增強(qiáng)自己學(xué)習(xí)和怎樣應(yīng)用自己所學(xué)知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題的能力，這點(diǎn)在本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)的淋漓盡致。三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，在張老師的指導(dǎo)下已經(jīng)順利結(jié)束了。通過(guò)對(duì)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)選題的研究和設(shè)計(jì)，我從中學(xué)習(xí)到了進(jìn)行一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)的整體流程，學(xué)會(huì)了如何根據(jù)自己所選題目的指標(biāo)要求，分析能實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案，并且各種方案通過(guò)個(gè)方案和實(shí)際相結(jié)合的對(duì)比的效果后選出最優(yōu)方案；同時(shí)還學(xué)會(huì)了如何通過(guò)硬件、軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這一方案。所謂師傅領(lǐng)進(jìn)門，修行在個(gè)人，在做這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我學(xué)到了許多在書本、課堂學(xué)不到的知識(shí)，知道了參加一個(gè)新項(xiàng)目的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該如何去考慮它，采取什么樣的方法，如何去確定，如何去取舍。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我不僅較好的完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)要求，而且提高了一定的實(shí)際動(dòng)手能力，積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這些都將對(duì)我走入社會(huì)有深遠(yuǎn)的意義。在實(shí)踐過(guò)程中，發(fā)覺(jué)自己過(guò)去所學(xué)在實(shí)際應(yīng)用中還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，且有時(shí)軟件的理論設(shè)計(jì)是可行的，但在客觀的仿真實(shí)踐中往往會(huì)出現(xiàn)或是人為或是干擾等一系列不可預(yù)知的問(wèn)題。但通過(guò)自己不斷的查閱資料和詢問(wèn)老師和同學(xué)，并不斷實(shí)踐，這樣，理論與實(shí)際就很好的聯(lián)系起來(lái)，最終克服了困難。這點(diǎn)我感受頗深。最后，這次設(shè)計(jì)可以說(shuō)是對(duì)自己在大學(xué)四年中所學(xué)知識(shí)的一次總結(jié)和檢驗(yàn)，所學(xué)的東西基本上用到了，從而才覺(jué)得原來(lái)所學(xué)的每門功課都是有聯(lián)系的，在實(shí)際設(shè)計(jì)與操作中增加了新知識(shí)。但是因此也讓自己了解到自己的一些薄弱環(huán)節(jié)，這就促使我必須彌補(bǔ)它們。這對(duì)以后的工作學(xué)習(xí)，也是很有益處的?？傊?，這次設(shè)計(jì)從軟件編寫到硬件功能的理論分析論證，我傾注了大量的時(shí)間和心血。真是曾經(jīng)為程序的編寫而冥思查找過(guò)，曾經(jīng)為自己的知識(shí)積累不足而郁悶苦惱過(guò)，也曾經(jīng)為硬件的性能是否最優(yōu)而猶豫彷徨過(guò)，但最終我走過(guò)了這一切。我明白了過(guò)程的彌足珍貴，更品味到了努力后的喜悅，因?yàn)橐磺械囊磺?，只有走過(guò)才會(huì)懂。參考文獻(xiàn)于海業(yè),馬成林,陳曉光.發(fā)達(dá)國(guó)家蔬菜大棚設(shè)施自動(dòng)化研究的現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1997,期數(shù)(卷數(shù)13):253~257.吳軍輝,徐立鴻.蔬菜大棚環(huán)境集散控制系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)控制器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].自動(dòng)化儀表,2001,(5):45~47.董喬雪,王一鳴.蔬菜大棚計(jì)算機(jī)分布式自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程報(bào),2002(18).沙占友.智能化集成溫度傳感器原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.金偉正.單線數(shù)字溫度傳感器的原理與應(yīng)用〔J〕.電子技術(shù)應(yīng)用,2000,(6)：66~68.王仲生,智能檢測(cè)與控制技術(shù)(第1版).西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002.胡乾斌.單片微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用(第1版)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,1997.史久貴.基于AltiumDesigner的原理圖與PCB設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.張克,廖理.溫度測(cè)控技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社,2011.李永平.數(shù)據(jù)處理方法與技術(shù)[M].北京,2009.過(guò)潤(rùn)秋,解寶輝.基于Fuzzy-PID的MOCVD溫度控制方法.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),第32卷第4期,2005年8月:505.房小翠,王金鳳.單片機(jī)實(shí)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù).國(guó)防工業(yè)出版社,1999,63-78.Bentley,JohnP.PrincipleofMeasu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nokia5110_init();//5110初始化 Lcd_ClrScreen();//先給5110清屏一次 Init_DS18B20();//18B20初始化 control_init();//控制端口初始化 AD_init();//AD轉(zhuǎn)換初始化 while(1) { wendu();//讀溫度值 shidu_read();//讀濕度值 AD_chuli();//讀光照強(qiáng)度值 if(a[1]>=34||a[9]>=10)//溫度超過(guò)34并且濕度超過(guò)10報(bào)警 { PORTB|=0x02; } if(a[1]<34&&a[9]<10)PORTB&=0xfe;//如果溫度低于34或者濕度低于10不報(bào)警 kongwen();//判斷和執(zhí)行溫度、濕度和光照補(bǔ)償控制 buguangdeng(); Lcd_WriteStr(0,0,"Tempe:");//顯示溫度值，格式為："Tempe：.C" xianshi(a[1],6,0); Lcd_WriteChar(9,0,46); xianshi(a[2],10,0); Lcd_Writefuhao(12,0,0); Lcd_WriteStr(0,2,"Shidu:");//顯示濕度值，格式為四位數(shù) xianshi(a[9]/10,6,2); xianshi(a[9]%10,7,2); Lcd_WriteStr(0,4,"Guang__in:");//顯示大棚內(nèi)光照強(qiáng)度值，格式：“Guang__in:” xianshi(a[3],10,4); xianshi(a[4],11,4); Lcd_WriteStr(0,5,"Guang_out:");//顯示大棚外光照強(qiáng)度值，格式：“Guang_out:” xianshi(a[5],10,5); xiansh