大棚温湿度自动控制系统设计说明

大棚温湿度自动控制系统设计

摘要：本设计是基于STC89C52RC单片机的大棚温湿度自动控制系统，采用SHT10作为温湿度传感器，LCD1602液晶屏进行显示。SHT10使用类似于I2C总线的时序与单片机进行通信，由于它高度集成，已经包括A/D转换电路，所以使用方便，而且准确、耐用。LCD1602能够分两行显示数据，第一行显示温度，第二行显示湿度。这个控制系统能够测量温室大棚中的温度和湿度，将其显示在液晶屏LCD1602上，同时将其与设定值进行对比，如果超出上下限，将进行报警并启动温湿度调节设备。此外，还可以通过独立式键盘对设定的温湿度进行修改。通过设计系统原理图、用Proteus软件进行仿真，证明了该系统的可行性。

关键词：STC89C52RC，SHT10，I2C总线，独立式键盘，温湿度自动控制

Abstract: This design is an automatic temperature and humidity controller for greenhouses, with the STC89C52RC MCU being its main controller. It uses the SHT10 as the temperature and humidity sensor, and the LCD1602 to display the messages. The SHT10 uses a timing sequence much like the I2C to communicate with the micro-controller. Because it’s a highly integrated chip, it already includes an analog to digital converter. Therefore, it’s quite convenient to use, and also accurate and durable. The LCD1602 can display two lines of messages, with the first line for temperature and the second line for humidity. The design can measure the temperature and humidity in a greenhouse, and then display it on a LCD1602. Meanwhile, it compares the data with the set limit. If the limit is exceeded, then the system will send out a warning using a buzzer and activate the temperature and humidity controlling equipment. Besides, the set limit can be modified with the independent keyboard. Through schematic design and Proteus simulation, the feasibility of this design has been proved.

Keywords: STC89C52RC, SHT10, I2C bus, independent keyboard, temperature and humidity control

目录

1 前言 (1)

2 总体方案设计 (3)

2.1 温湿度控制系统的设计指标要求 (3)

2.2 系统设计的原则 (3)

2.2.1 可靠性 (3)

2.2.2 性价比 (3)

2.3 方案比较 (4)

2.3.1 方案一 (4)

2.3.2 方案二 (4)

2.4 方案论证 (5)

2.5 方案选择 (5)

3 单元模块设计 (6)

3.1 各单元模块功能介绍及电路设计 (6)

3.1.1 单片机最小系统 (6)

3.1.2 液晶显示模块 (8)

3.1.3 温湿度传感器模块 (8)

3.1.4 报警电路的设计 (9)

3.1.5 输出电路设计 (10)

3.1.6 电源的设计 (12)

3.1.7 按键电路设计 (13)

3.1.8 串口通信电路 (14)

3.2 元件清单 (15)

3.3 关键器件的介绍 (17)

3.3.1 STC89C52RC (17)

3.3.2 SHT10温湿度传感器 (19)

4 系统软件设计 (22)

4.1 软件设计的总体结构 (22)

4.2 主要模块的设计流程框图 (24)

4.2.1 主程序流程图 (24)

4.2.2 SHT10子程序流程图 (25)

4.2.3 LCD1602子程序流程图 (27)

4.2.4 输出控制子程序流程图 (28)

4.2.5 键盘扫描子程序流程图 (29)

4.3 软件设计所用工具 (31)

4.3.1 Keil uVision4 (31)

4.3.2 Proteus (31)

5 系统调试 (32)

5.1 用Proteus搭建仿真总图 (32)

5.2 用Keil对程序进行调试、编译 (33)

6 结论 (36)

6.1 系统的功能 (36)

6.2 系统的指标参数 (36)

6.3 系统功能分析 (36)

7 总结与体会 (38)

8 致 (39)

9 参考文献 (40)

附录1 系统的电路原理图 (41)

附录2 系统仿真总图 (42)

附录3 系统实物照片 (43)

附录4 系统源程序 (44)

附录5 英文参考资料 (46)

1 中文翻译 (46)

2 英文原文 (49)

1 前言

温室大棚作为一种高效的农业生产方式，与传统农业生产方式相比具有很大的优点。温室农业生产可以获得高产和优质的蔬菜、花卉、瓜果，不仅可改变这些产品按自然季节供应的模式，延长其供应期，而且可在不同地方进行种植，达到所谓“地不分东西南北，食不分春夏秋冬”。温室农业可以改变传统农业劳动力冬闲夏忙的安排，以小面积获得高产，减轻大面积的土地压力。温室农业采用适时适量供水的优化用水同时配以微灌和高湿环境，可达到农业用水高效高产，按产品的数量平均计算，节省水分量是很大的。这种设施系统可以从简易到全自动控制，适宜各种状况下的选择，特别是对于日光温室、塑料大棚，相对投资较少。若能降低成本、采用经久耐用的低成本采光材料，发展前景将更为广阔，即使在一些偏远地区的农村、场所，也可以修建单个的温室和塑料大棚，进行环境控制下的蔬菜和瓜果的生产，改变这些地区的生活条件。

要想实现温室大棚高效增产的作用，对温湿度的准确控制是极其重要的。温室空气湿度的日变化受天气、加温及通风换气量的影响，阴天或灌水后室空气湿度几乎都在90％以上。晴天在傍晚关窗至次日早晨开窗前温室维持在高湿度。室湿气遇冷后凝结成水滴附着在薄膜或玻璃的表面上，待到加温或日出后，室温度上升，湿度逐渐下降，附着在屋顶上的水滴随之消失。温湿度的较大变化对农作物的生长十分不利，研究结果表明，由于植物体水分不足导致气孔关闭，首先妨碍了CO2的交换，而使饱和作用显著下降，特别是在缺水状况加剧时，给细胞原生质的生化作用带来影响，光合作用显著下降。而温度在夜间下降过低也会影响光合作用的效率。

因此，非常有必要使用一套温湿度控制系统，以维持温室大棚的温度、湿度在一个合适的围，实现大棚农作物的水分、养分的有效供给，提高光合作用的效率，从而达到增产目的。

传统的温湿度控制是在温室大棚部悬挂温、湿度计，通过读取温、湿度值进而了解实际的温度和湿度，然后根据现检测的温湿度与额定值进行比较，看温湿度是否超过限定值，然后进行相应的通风或者相应的洒水。这些操作都是人工的，耗费了大量的人力以及物力。现在，随着国家经济的迅速发展，农业产业规模的进一步提高，大棚中培育出的农产品品种数量的逐渐增多，对于数量较多而又大型的大棚，传统的温湿度控制措施就出现了局限性。这要求我们提高温湿度检测与控制技术，来满足对温室大棚建设的需要。

在本设计中，采用单片机来控制温湿度，不仅具有廉价、配置简单和灵活的优势，

而且可以大大提高所测温湿度的技术指标，从而可以提高产品的数量和质量。单片机因为它具有功能强、高可靠性、体积小、造价便宜和开发周期短这些优势，广泛用于自动化测量和控制现场设备，特别是在日常生活中发挥的日益重要的作用。

这次选用STC89C52RC作为主控制器，可以从按键电路输入设定的温湿度，通过温湿度传感器SHT10对温度、湿度信号进行采集，然后通过I2C总线与单片机通信，并将温湿度显示在液晶屏LCD1602上，单片机把它们与设定的值进行对比后决定是否报警，并启动空调设备对温湿度进行调节。

2 总体方案设计

2.1 温湿度控制系统的设计指标要求

本文要设计的大棚温湿度自动控制系统，要能够及时、准确地对温室大棚的温度、湿度进行采集，将其显示在LCD1602液晶显示器上，然后与设定的上下限值进行比较，如果超出限制则启动温度、湿度控制设备，并通过蜂鸣器报警，直到温湿度回到规定的围。另外，还要能够通过按键修改设定的上下限。为了能够满足农业生产的需要，此次设计要达到一下指标：

（1）工作环境：温室大棚；

（2）温度测量误差：±1℃；

（3）测温围：0~+55℃；

（4）湿度测量误差：±5%RH；

（5）测湿围：0～100%RH；

（6）通过键盘电路修改上下限：有；

（6）温湿度报警：有；

2.2 系统设计的原则

2.2.1 可靠性

可靠性是在设计过程中应该优先考虑的一个因素，一个控制系统必须要能稳定、可靠地工作，才能投入到生产实践中去。如果系统的可靠性不能达标，那么系统出现故障的可能就会增大，造成很大的损失。这种损失不仅包括经济上和信誉上的损失，而且可能会对人身安全产生威胁。

要提高控制系统的可靠性，那么就要注意以下几个方面：选用的元器件要有很高的可靠性；由于供电电源很容易产生干扰，所以应该对其采用抗干扰措施；对输入输出通道也一样，要采用抗干扰措施；在对电路板的设计时，要合理的布线和接地；软硬件都要进行滤波；系统要有自己诊断功能等。

2.2.2 性价比

性价比也是一个系统设计中所要考虑的重要因素。性价比高的产品更容易被消费者接收，但是设计过程中不能盲目地追求性价比，它应该建立在对产品性能要求的基础上，首先要满足性能要求，然后再设法降低产品成本。

2.3 方案比较

2.3.1 方案一

采用PLC作为主控制器。

使用PLC的最大优点在于PLC使用梯形图进行编程，编程语言形象直观，难度较低，因此开发周期短，便于扩展。而且PLC抗干扰能力强，工作稳定可靠，这一点已被长期的工业控制实践所证明。

图2.1 用PLC作为主控制器的控制系统

2.3.2 方案二

使用单片机进行控制。

采用STC89C52RC单片机作为主控制器，可以用C语言进行编程，由于它支持ISP 在线编程，因此可以通过RS232串口将程序烧录到单片机中，很方便。温湿度传感器SHT10通过I2C总线与单片机连接。