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基于51 单片机的温室大棚温湿度测控系统.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.64M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第 2 期 (总第 55 期) 2007 年 6 月 黎 明 职 业 大 学 学 报 Journal of Liming Vocational University No. 2 J un. 2007 文章编号 : 1008 —8075 (2007) 02 —0025 —06 ·科技研究· 基于 51 单片机的温室大棚温湿度测控系统 张 明 洋 (黎明职业大学电子工程系 　福建 　泉州 　362000) 摘要 : 介绍了基于 A T89C51 单片机的温室大棚温湿度测控系统设计原理 , 主要电路设计及软件 设计等 。该系统采用 A T89C51 单片机作为控制器 , 可对执行机构发出指令实现大棚温湿度参数调节 , 具有上下位机直接设置温湿度范围 , 温湿度实时显示等功能 。上位机采用 Delphi 软件进行编写 , 用 户界面友好 , 操作简单 , 可以根据大棚作物生长情况绘制成简明直观的作物生长走势图 , 从而容易得 出最适合作物生长的温湿度值 。 关键词 : 51 单片机 ; 温室大棚 ; 温湿度 ; 测控系统 中图分类号 : S625 3 　　　　　　　文献标识码 : A 1 　引 　言 植物的生长都是在一定的环境中进行的 , 其 在生长过程中受到环境中各种因素的影响 , 其中 对植物生长影响最大的是环境中的温度和湿度 。 环境中昼夜的温度和湿度变化大 , 其对植物生长 极为不利 。因此必须对环境的温度和湿度进行监 测和控制 , 使其适合植物的生长 , 提高其产量和 质量 。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温湿度测控 系统 。 2 　设计思想 系统的一大特点是用户可以通过下位机中的 键盘输入温湿度的上下限值和预置值 , 也可以通 过上位机对温湿度的上下限值和预置值进行输 入 , 从而实现上位机对大棚内作物生长的远程控 制 。 系统下位机设在种植植物的大棚内 , 下位机 中的温湿度传感器可以将环境中的温湿度非电量 参数转化成电量信号 , 再将这些信号进行处理后 送至下位机中的单片机 , 单片机读取数据后将数 据送到缓冲区内 , 通过 L ED 数码管进行实时显 示 。同时与原先内部设定的参数值进行比较处 理 ; 单片机可以根据比较的结果对执行机构发出 相应的信号 , 并通过继电器的控制对相应的设备 如喷水器 、吹风机 、加热器 、降温泵等进行操 作 , 调节大棚内温湿度状态 。用户直接通过键盘 对温湿度的上下限值和预置值进行设置后 , 如果 环境的实时参数超越上下限值 , 系统自动启动执 行机构调节大棚内湿度和温度状态 , 直到温湿度 状态处于上下限值以内为止 。如果有预置初值 , 且与当前状态不相等时 , 系统也会启动执行机构 动态调节温湿度状态 , 直到所处的平衡状态与预 收稿日期 : 2007 - 03 - 20 作者简介 : 张明洋 (1981 - ) , 男 (汉) , 福建惠安人 , 黎明职业大学电子工程系教师 , 主要从事电子与通信、视频处理等方面 的研究。 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
    　 62 黎 明 职 业 大 学 学 报 2007 年 6 月 置值相等为止 。 上位机是用 DEL PHI 软件编写的一个数据 库系统管理系统 , 有着友好直观的用户界面 , 可 直接设置温湿度的上下限值和读取下位机的数 据 , 也可以直接对温室大棚内下位机的喷水器 、 吹风机 、加热器 、降温泵等进行操作 , 调节大棚 内温湿度状态 。由于上位机 DEL PHI 软件有强 大的数据库存储和处理功能 , 我们可以对下位机 传送上来的各种环境中的数据参数进行处理 , 形 成作物生长的走势图 , 从而通过生长走势图得出 适合各种作物生长的最佳环境参数条件 , 为今后 的温室种植提供参考 。 上下位机之间通过符合串行总线 RS - 232 标准的通信通道以事先约定的协议进行通信 。系 统原理框图如图 1 所示 。 图 1 　温室大棚温湿度测控系统原理 　　单片机作为控制器 , 可以接收温度和温度传 感器从大棚中获取的温湿度信息 , 将这些信息与 预置的温湿度范围值进行比较 , 然后通过继电器 控制执行机构 , 对大棚进行相关的操作以保证大 棚的温湿度范围能够在预置的范围内 。下位机键 盘显示部分可以直接对温湿度值进行预设 , 并可 实现温湿度值的实时显示 。上位机可通过通信接 口模块接收下位机传送过来的温湿度值 , 形成作 物生长的图表 , 也可以直接设置温湿度值和控制 执行机构对大棚进行相关操作 。 3 　下位机设计方案与原理 系统下位机主要由传感器检测模块 , 键盘显 示模块和执行机构模块三大部分构成 。 3 1 　键盘显示模块 89C51 提供给用户使用的 I/ O 口线不多 , 满 足不了本系统的要求 , 所以必须外扩 I/ O 接口 器件 。D8155HC 芯 片 是 一 种 多 功 能 可 编 程 RAM/ IO 扩展器 , 在片内集成有 256 个字节单 元的静态 RAM , 22 位 I/ O 口和一个 14 位定时/ 计数器 。并用设有地址锁存器 , 可直接与 MCS - 51 单片微机接口 , 不需要增加任何硬件逻辑 电路 , 能达到一片多用 。本系统统利用 8155 并 行扩展口构成的键盘显示器电路设置了 16 个键 , 分 4 行 4 列 , 如果增加 PC 口线 , 可以根据需要 加多按键 , 最多可以达到 64 个键 , 且有 4 位共 阴极 L ED 显示器 , 段选码由 8155PB 口提供 , 位选码由 PA 口提供 , 键盘的列输入由 PA 口提 供 , 行输出由 PC0 - PC3 提供 。L ED 采用动态 显示软件译码 , 键盘采用逐行列扫描查询工作方 式 , 由于 8155 不能直接驱动 L ED 显示器 , 所以 外接集成极开路输入八位驱动器 7407 间接驱动 。 键与显示做成一个接口电路 , 因此在软件中合并 考虑键盘查询和动态显示 , 键盘消颤的延时子程 序用显示程序替代 。〔1〕 2 　传感器检测模块 3 3 2 1 　温度传感器 采用美国 DALLAS 公司生产的单线数字温 度传感器 DS1820 , 它可把温度信号直接转换成 串行数字信号供微机处理 。DS1820 测温范围为 - 55 ℃～75 ℃, 精度为 0 5 ℃; 九位温度读数 ; A/ D 变换时间为 200ms ; 用户自设定温度报警上 下限 , 其值是非易失性 ; 每片上含有唯一的硅串 行数 , 所以一条总线上可挂接任意多个 DS1820 芯片 。从 DS1820 读出的信息或写入 DS1820 的 信息 , 仅需要一根口线 (单线接口) , 节省了引 线和控制通道切换的逻辑电路 。读写及温度变换 功率来源于数据总线 , 总线本身也可以向所挂接 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
    　 第 2 期 张明洋 : 基于 51 单片机的温室大棚温湿度测控系统 72 的 DS1820 供电 , 而无需额外电源 。构成多点温 度检测系统而无需任何外围硬件 , 不需要 A/ D 转换 ; 单线接口 ; 无需外围元件 ; 报警搜索命令 可识别哪片 DS1820 超温度限 ; 对 DS1820 的使 用 , 多采用单片机实现数据采集 。处理时 , 将 DS1820 信号线与单片机一位口线相连 , 单片机 可挂接多片 DS1820 , 从而实现多点温度检测系 统 。 3 2 　湿度传感器 湿敏传感器的核心部分是湿敏元件 , 湿敏元 件一般由基体 、电极和感湿层组成 。系统中我们 采用结合湿敏电阻 , 采用电桥方式来检测 。利用 湿敏电阻阻值随湿度改变而导致电桥失去平衡 , 产生输出电压的原理来测量湿度 。 3 2 3 　执行机构模块 执行机构是由单片机的 I/ O 口控制的 , 有 效控制电平为 + 5V , 执行机构的各种设备都是 在市电下正常工作的 , 必须采用 I/ O 口控制继 电器的导通和切断来控制市电的通断 , 也即控制 执行设备的工作状态 。由于单片机的 I/ O 不能 提供足够的电流 , 不能直接驱动继电器导通 , 因 此 , 我们采用达林顿管 , 将进行两级放大 , 提供 了足够大的驱动电流 , 让继电器中的电感线圈产 生足够大的磁力 , 将开关吸合 。〔2〕 4 　上位机软件设计 上位机软件采用 Borland Delphi 编写 。Del phi 是强大 , 灵活的基于 Windows 的可视化应用 程序开发工具 。它将可视化技术与 Object Pascal 语言完美结合 , 具有良好的数据库访问能力 , 是 一个非常强大的应用程序开发组件的集合 。〔3〕 图 2 　系统上位机主界面 　　上位机软件主窗口如图 2 所示 , 它是系统启 动后显示在用户面前的第一个窗口 , 系统将在此 窗口等待用户操作 。主窗口包括四大部分 , 即温 度实时监测图形 , 湿度实时监测图形 , 当日环境 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
    　 82 黎 明 职 业 大 学 学 报 2007 年 6 月 参数表以及其他窗口的弹出按钮 。系统的实时监 测数据是上位机每隔 15 分钟向下位机发出命令 采集的 , 时间间隔合理 , 能达到实时监测的目 地 。系统软件本着方便用户使用的原则 , 采用人 机交互方式 、弹出式窗口 、错误屏蔽 、友情提示 等技术 , 最大限度地方便用户操作 。系统窗口简 洁明了 , 数据显示采用表格或图形的形式 , 使得 用户更方便地查看 、查询数据 。 图 3 　上位机软件流程 　　如图 3 所示 , 上位机软件主要由实时监测模 块 、大棚信息模块 、智能控制模块 、环境参数设 置模块 、作物长势记录模块和直接控制模块 6 大 模块组成 , 用户可以通过具体界面来了解下位机 所在的大棚内作物的生长情况 , 通过界面内作物 生长的走势图可以得出最适合作物生长的环境条 件 。上位机软件控制界面友好 , 操作简单明了 , 十分适合用户操作 。 5 　通信模块软硬件设计 5 1 　通信硬件设计 89C51 单片机与 PC 系列微机是两种不同类 型的机种 , 硬件结构不同 , 电气特性也不一样 , 因此它们之间不能用导线直接连接 , 而要通过电 平转换电路 。本系统采用的串行通信的接口标准 RS - 232C。 5 1 　RS - 232C 电气特性 RS - 232C 采用负逻辑 在 TxD 和 RxD 上 : 逻辑 1 (MAR K) = - 5 1 ～ - 15V 逻辑 0 (SPACE) = + 5～ + 15V RS - 232C 的主要电气特性为 : 带 3 - 7k 欧姆负载时驱动器的输出电平 : 逻 辑“1”: 12V 。 - 5 ～ - 12V ; 逻 辑 “0 “: + 5 ～ + 不带负载时驱动器的输出电平 : - 25～ + 25V 。 驱动器转换速率 : < 30V/ US。 接收器输入阻抗 : 3～7 K 欧姆之间 。 接收器输入电压的允许范围 : - 25 ～ + 25V 。 5 1 最大负载电容 : 2500PF 。 2 　RS - 232C 的电平转换 RS - 232C 是用正负电压来表示逻辑状态 , 与 TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定不同 。 为了能够同计算机接口或终端的 TTL 器件连接 , 必须在 EIA - RS - 232C 与 TTL 电路之间进行电 平和逻辑关系的变换 。实现变换的方法目前较为 广泛 地 使 用 集 成 电 路 转 换 器 件 , 如 MC1488 、 SN75150 芯片可完成 TTL 电平到 EIA 电平的转 换 , 而 MC1489 、SN75 154 可实现 EIA 电平到 TTL 电平的转换 , MAX232 芯片可完成 TTL ← →EIA 双向电平转换 。MAX232 芯片的转换接 口 , 包含两路驱动器和接收器的 RS - 232 转换 芯片 。芯片内部有一个电压转换器 , 可以把输入 的 + 5V 电压转换为 RS - 232 接口所需的 ±10V 电压 , 最大的好处是工作电压为 + 5V , 不需要 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
    张明洋 : 基于 51 单片机的温室大棚温湿度测控系统 (定时/ 计数器 1 溢出率) 波特率为 : 32 , 因此可以得出下式 : 2400 = ( 2SMOD/ 32) 92 2SMOD/ 　 第 2 期 额外电源 。〔4〕 5 2 　通信软件设计 系统的设计中 , 考虑到下位机位于温室大棚 内 , 离上位机即计算机的控制有一定距离 , 而且 系统对于传送速度的要求也不是很高 , 且考虑到 传输的信息量不会非常大 , 并从降低成本的角度 出发 , 所以采用异步串行通信的方式 。 5 1 　异步通讯方式 异步通讯方式既不需要同步字符 SYNC , 也 不要求保持数据流的连续性 , 它规定传输格式 , 每个数据均以相同的帧格式发送 。每帧信息由起 始位 、数据位 、奇偶校验位和停止位组成 , 帧与 帧之间用高电平隔开 。 2 　通信程序的编写 5 由于汇编语言程序结构紧凑 、灵活 , 汇编成 目标程序效率高 、占用存储器空间少 、运行速度 快和实时性强等特点 , 适合实时测控等领域 , 所 以本系统通信程序采用了汇编语言进行编写 。 2 2 在异步串行通信中 , 要保证通信成功 , 通信 双方必需对数据传送方式有一系列的约定 , 比 如 : 作为发送方 , 必须知道什么时候发送信息 、 发什么 、对方是否收到 、收到的内容有没有错 、 要不要重发 、怎样通知对方结束等 ; 作为接收 方 , 必须知道对方是否发送了信息 、发的是什 么 、收到的信息是否有错 、如果错了怎样通知对 方重发 、怎样判断结束等 。这种约定称为通信协 议 , 它必须在编程之前就确定下来 , 只有双方都 正确地识别并遵守这些规定才能顺利地进行通 信 。本设计的通信协议格式设置为 : 我们选定常用的波特率 2400 位/ 秒 , 串行通 信工作于方式 1 , SMOD = 1 , 晶体震荡频率为 12MHz。由于定时/ 计数器 1 的溢出率 = FOSC/ (28 - N) ] 次/ 秒 , 而串行通信方式 1 的 [ 12 FOSC/ [ 12 ( 28 - N) ] 可求得 N = F3H , 因此 TH = F3H , TL = F3H。 波特率设置 : 选用定时/ 计数器 1 定时模 式 , 工作方式 1 , 计数常数 F3H , SMOD = 1 , 波特率 2400bps , 串行通讯设置 : 异步通讯方式 1 , 允许接 收 ; 1 位起始位 , 8 个数据位 , 1 个停止位 。 MCS - 51 单片机采用中断方式 , 发送和接 收的数据包括数据和校验 , 发送和接收的数据均 以 # 号为结束标志位 。〔5〕 下位机与上位机通信的程序流程如图 4 所 示 。 单片机作为下位机与上位微机通信采用中断 方式 , 以提高通信效率 。由于串行通信是双工 的 , 且中断系统只提供一个中断矢量入口地址 , 所以实际上是中断和查询必须结合 , 即接收/ 发 送均可各自请求中断 , 响应中断时主机并不知道 谁请求中断 , 统一转入同一个中断矢量入口 , 必 须由中断服务程序查询确定并转入对应的服务程 序进行处理 。 6 　结 　论 本系统控制界面友好 、操作简单 、数据显示 采用表格或图形的形式 , 使用户更方便地查看 、 查询数据 , 十分适合用户操作 。同时下位机监测 点可根据需要无限扩展 , 系统性价比较高 , 有较 好的实用性 。 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
    　 03 黎 明 职 业 大 学 学 报 2007 年 6 月 图 4 　通信程序流程 参 　考 　文 　献 〔1〕邬宽明. 单片机外围器件实用手册 〔K〕. 北京 : 北京 航空航天大学出版社 , 1998. 〔2〕孙育才. MCS - 51 系列单片微型计 算 机 及 其 应 用 〔M〕. 南京 : 东南大学出版社 , 2002. 〔3〕张子江. Delphi 6 高级开发范例 〔M〕. 北京 : 电子工 业出版社 , 2002. 〔4〕范逸之. VB 与 RS232 串行通讯控制 〔M〕. 北京 : 中 国青年出版社 , 2000. 〔5〕李朝青. PC 机及单片机数据通信技术 〔M〕. 北京 : 北京航空航天大学出版社 , 2000. (责任编辑 　东红) © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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