智能溫室大棚開題報告

1、長春大學(xué)電子信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計開題報告題目：基于單片機的智能溫室大棚控制系統(tǒng)學(xué)院：電子信息工程學(xué)院專業(yè)：測控技術(shù)與儀器學(xué)生姓名：學(xué)號：指導(dǎo)教師：開題時間：2013年3月19日一、文獻(xiàn)綜述1 .課題的研究目的及意義中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展必須走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)這條道路，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速增長，農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來越受到重視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測和控制。例如：空氣的溫度、濕度、土壤的含水率等。在農(nóng)業(yè)種植問題中，溫室環(huán)境與生物的生長、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)，進(jìn)行環(huán)境測控是實現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動化、科學(xué)化的基本保證，通

2、過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。以蔬菜大棚為代表的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。大棚內(nèi)的溫度、濕度與土壤的含水率等參數(shù)，直接關(guān)系到蔬菜和水果的生長。國外的溫室設(shè)施己經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但是價格非常昂貴，缺乏與我國氣候特點相適應(yīng)的測控軟件。而當(dāng)今大多數(shù)對大棚溫度、濕度、土壤含水率的檢測與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測控精度低、勞動強度大及由于測控不及時等弊端，容易造成不可彌補的損失，結(jié)果不但大大增加了成本，浪費了人力資源，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。因此，為了實現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)化并提高

3、農(nóng)業(yè)研究的準(zhǔn)確性，推動我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，必須大力發(fā)展農(nóng)業(yè)設(shè)施與相應(yīng)的農(nóng)業(yè)工程，科學(xué)合理地調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度、濕度以及土壤的含水率，使大棚內(nèi)形成有利于蔬菜、水果生長的環(huán)境，是大棚蔬菜和水果早熟、優(yōu)質(zhì)高效益的重要環(huán)節(jié)。目前，隨著蔬菜大棚的迅速增多，人們對其性能要求也越來越高，特別是為了提高生產(chǎn)效率，對大棚的自動化程度要求也越來越高。由于單片機及各種電子器件性價比的迅速提高，使得這種要求變?yōu)榭赡?。?dāng)前農(nóng)業(yè)溫室大棚大多是中、小規(guī)模，要在大棚內(nèi)引人自動化控制系統(tǒng)，改變?nèi)咳斯す芾淼姆绞?，就要考慮系統(tǒng)的成本，因此，針對這種狀況，結(jié)合郊區(qū)農(nóng)戶的需要，設(shè)計了一套低成本的溫濕度自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)和單片

4、機相結(jié)合，由上位機和下位機（都用單片機實現(xiàn)）構(gòu)成，采用485接口進(jìn)行通訊，實現(xiàn)溫室大棚自動化控制。2 .國內(nèi)外研究現(xiàn)狀溫室是一種可以改變植物生長環(huán)境、為植物生長創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱鏊?。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結(jié)構(gòu)材料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長的季節(jié)栽培植物。溫室生產(chǎn)以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進(jìn)生長發(fā)育，防治病蟲害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目的。而溫室設(shè)施的關(guān)鍵技術(shù)是環(huán)境控制，該技術(shù)的最終目標(biāo)是提高控制與作業(yè)精度。國外對溫室環(huán)境控制技術(shù)研究較早，始于20世紀(jì)70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)。目前

5、正開發(fā)和研制計算機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界各國的溫室控制技術(shù)發(fā)展很快，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)上正向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展。世界發(fā)達(dá)國家如荷蘭、美國、以色列等大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè)，溫室內(nèi)溫度、光照、水、氣、肥實現(xiàn)了計算機調(diào)控，從品種選擇、栽培管理到采收包裝形成了一整套完整的規(guī)范化技術(shù)體系。美國是最早發(fā)明計算機的國家，也是將計算機應(yīng)用于溫室控制和管理最早、最多的國家之一。美國有發(fā)達(dá)的設(shè)施栽培技術(shù)，綜合環(huán)境控制技術(shù)水平非常高。環(huán)境控制計算機主要用來對溫室環(huán)境（氣象環(huán)境和栽培環(huán)境）進(jìn)行監(jiān)測和控制。以花卉溫室為例，溫室內(nèi)監(jiān)控項目包括室內(nèi)氣溫、水溫、土壤溫度、鍋爐溫度

6、、管道溫度、相對空氣濕度、保溫幕狀況、通窗狀況、泵的工作狀況、CO&度、Ec調(diào)節(jié)池和回流管數(shù)值、pHM節(jié)池和回流管數(shù)值；室外監(jiān)控項目包括大氣溫度、太陽輻射強度、風(fēng)向風(fēng)速、相對濕度等。溫室專家系統(tǒng)的應(yīng)用給種植者帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益，提高了決策水平，減輕了技術(shù)管理工作量，同時也為種植帶來了很大方便2。以園藝業(yè)著稱的荷蘭從20世紀(jì)80年代以來就開始全面開發(fā)溫室計算機自動控制系統(tǒng)，并不斷地開發(fā)模擬控制軟件。目前，荷蘭自動化智能玻璃溫室制造水平處于世界先進(jìn)水平，擁有玻璃溫室1.2萬多平方米，占世界1/4以上，有85%的溫室用戶使用計算機控制溫室環(huán)境。荷蘭開發(fā)的溫室計算機控制系統(tǒng)是通過人機交互界面

7、進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和必要的信息顯示，可繪制出設(shè)定參數(shù)曲線、修正值曲線以及測量的數(shù)據(jù)曲線，可以從數(shù)據(jù)庫內(nèi)調(diào)出設(shè)定的時間段內(nèi)參數(shù)以便于必要的數(shù)據(jù)查詢，并能直接對計算機用行口進(jìn)行操作，完成上位機與下位機之間的通信。上位機軟件集參數(shù)設(shè)置、信息顯示、控制等功能于一體，同時還能夠很好地完成溫室灌溉和氣候的控制和管理。止匕外，國外溫室業(yè)正致力于向高科技方向發(fā)展。遙測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制局域網(wǎng)已逐漸應(yīng)用于溫室的管理與控制中。控制要求能在遠(yuǎn)離溫室的計算機控制室就能完成，即遠(yuǎn)程控制。另外該網(wǎng)絡(luò)還連接有幾個通訊平臺，用戶可以在遙遠(yuǎn)的地方通過形象、直觀的圖形化界面與這種分布式的控制系統(tǒng)對話，就像在現(xiàn)場操作一樣，給人以身臨其

8、境之感。從國內(nèi)外溫室控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r來看，溫室環(huán)境控制技術(shù)大致經(jīng)歷三個發(fā)展階段：1）手動控制。這是在溫室技術(shù)發(fā)展初期所采取的控制手段，具時并沒有真正意義上的控制系統(tǒng)及執(zhí)行機構(gòu)。生產(chǎn)一線的種植者既是溫室環(huán)境的傳感器，又是對溫室作物進(jìn)行管理的執(zhí)行機構(gòu)，他們是溫室環(huán)境控制的核心。通過對溫室內(nèi)外的氣候狀況和對作物生長狀況的觀測，憑借長期積累的經(jīng)驗和直覺推測及判斷，手動調(diào)節(jié)溫室內(nèi)環(huán)境。種植者采用手動控制方式，對于作物生長狀況的反應(yīng)是最直接、最迅速且是最有效的，它符合傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)律。但這種控制方式的勞動生產(chǎn)率較低，不適合工廠化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，而且對種植者的素質(zhì)要求較高。2）自動控制。這種控制系統(tǒng)需要

9、種植者輸入溫室作物生長所需環(huán)境的目標(biāo)參數(shù)，計算機根據(jù)傳感器的實際測量值與事先設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行比較，以決定溫室環(huán)境因子的控制過程，控制相應(yīng)機構(gòu)進(jìn)行加熱、降溫和通風(fēng)等動作。計算機自動控制的溫室控制技術(shù)實現(xiàn)了生產(chǎn)自動化，適合規(guī)模化生產(chǎn)，勞動生產(chǎn)率得到提高。通過改變溫室環(huán)境設(shè)定目標(biāo)值，可以自動地進(jìn)行溫室內(nèi)環(huán)境氣候調(diào)節(jié)，但是這種控制方式對作物生長狀況的改變難以及時做出反應(yīng)，難以介入作物生長的內(nèi)在規(guī)律。目前我國絕大部分自主開發(fā)的大型現(xiàn)代化溫室及引進(jìn)的國外設(shè)備都屬于這種控制方式。3）智能化控制。這是在溫室自動控制技術(shù)和生產(chǎn)實踐的基礎(chǔ)上，通過總結(jié)、收集農(nóng)業(yè)領(lǐng)域知識、技術(shù)和各種試驗數(shù)據(jù)構(gòu)建專家系統(tǒng)，以建立植物生

10、長的數(shù)學(xué)模型為理論依據(jù)，研究開發(fā)出的一種適合不同作物生長的溫室專家控制系統(tǒng)技術(shù)。溫室控制技術(shù)沿著手動、自動、智能化控制的發(fā)展進(jìn)程，向著越來越先進(jìn)、功能越來越完備的方向發(fā)展。由此可見，溫室環(huán)境控制朝著基于作物生長模型、溫室綜合環(huán)境因子分析模型和農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的溫室信息自動采集及智能控制趨勢發(fā)展。3.參考文獻(xiàn)1 于海業(yè)，溫室環(huán)境自動檢測系統(tǒng).農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1997.2 牛皖閩，何立新.溫室控制系統(tǒng)試驗裝置與系統(tǒng)分析.齊齊哈爾輕工學(xué)院學(xué)報，1995.3 Wray,MichelleLynn;Afuzzylogiccontrollerfortemperaturecontrolofasix2zonetube

11、furnaceD.UNIVERSITYOFLOUISVILLE2001.4 鄭鋒，王巧芝，孫西瑞.溫室大棚自動控制系統(tǒng)的設(shè)計.農(nóng)機科技與信息，2008.5 路康，馬斌強，劉美琪，袁超.溫室大棚動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)的設(shè)計.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008.6 TetsuoMorimoto,YasushiHashimoto.Anintelligentcontrolforgreenhouseautomation,orientedbytheconceptsofSPAandSFAJ.ComputersandElectronicsinAgriculture,2000.29:320.7 丁鎮(zhèn)生.傳感器及傳感器技術(shù)應(yīng)用

12、.北京：電子工業(yè)出版社，1998.8 何希才，薛永毅.傳感器及其應(yīng)用實例.北京：機械工業(yè)出版社.2004.9 Diaz,GerardoGristian;SimulationandcontrolofheartexchangersUsingartificalneuralnetworks.DUNIVERSITYOFNOTREDAME2000.10 曹柏榮，瞿丹晨.溫室大棚中CO2濃度測量儀.儀表技術(shù)與傳感器，2005.11 彭其圣，劉松齡.單片機溫室大棚種植參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng).中南民族大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2004.12 周航慈.單片機應(yīng)用程序技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.13 鄭鋒，王巧

13、芝，孫西瑞.溫室大棚自動控制系統(tǒng)的設(shè)計.農(nóng)機科技與信息.200.14 NationalSemlcondactor.ADC0809UserGuiderM.s.L:NationalSemiconductor.2002.15 Anon.ChipconASSmartRFCC2420PreliminaryDatasheetZ.S.1.：Chipcon.2006.二、課題的主要研究內(nèi)容和實施方案1.主要研究內(nèi)容本設(shè)計以AT89C51單片機的溫度、濕度測量和控制系統(tǒng)為核心來對溫濕度進(jìn)行實時巡檢。單片機能獨立完成各自功能，同時能根據(jù)主控機的指令對溫度進(jìn)行定時采集。測量結(jié)果不僅能在本地顯示，而且可以利用單片機的

14、用行口和RS-232總線通信協(xié)議能把溫室中的溫度、濕度等參數(shù)及時上傳至上位機，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，與設(shè)定值不符時采取相應(yīng)的處理措施，以實現(xiàn)恒溫恒濕環(huán)境。在設(shè)計的過程中充分考慮到性價比和精度，在選用低價格、通用元件的的基礎(chǔ)上，盡量滿足設(shè)計要求，并使系統(tǒng)具有高的精度。本控制系統(tǒng)以單片機的控制為核心，實時監(jiān)測環(huán)境的溫度和濕度，并設(shè)定了這兩個參數(shù)的上下限定值，并具有相應(yīng)的報警系統(tǒng)，當(dāng)超過設(shè)定的限定值時，單片機控制報警系統(tǒng)進(jìn)行報警，而且同時驅(qū)動繼電器打開相應(yīng)的開關(guān)使相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)運行。當(dāng)參數(shù)值恢復(fù)到設(shè)定值范圍內(nèi)時，單片機控制執(zhí)行機構(gòu)停止運行。從而使環(huán)境的溫濕度在一定的范圍內(nèi)得到控制。本設(shè)計主要內(nèi)容包括以

15、下幾個方面：1、選擇適合的兩種傳感器，設(shè)計相應(yīng)的信號采集和處理電路。2、掌握AT89C51單片機的主要功能和特性，以其為核心設(shè)計控制系統(tǒng)。3、設(shè)計簡單的人機對話接口系統(tǒng)，如鍵盤、顯示、報警等。4、利用RS232實現(xiàn)單片機與上位機的通信。5、實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性和抗干擾性。2.實施方案1）植物的生長是在一定環(huán)境中進(jìn)行的，在生長過程中受到環(huán)境中各種因素的影響，其中對植物生長影響最大的是溫度、濕度和光照度。環(huán)境中晝夜的溫度、濕度和光照度的變化大，對植物生長極為不利?，F(xiàn)代溫室有內(nèi)外遮陽系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、自然通風(fēng)系統(tǒng)、濕簾風(fēng)機降溫系統(tǒng)、補光系統(tǒng)、補氣系統(tǒng)、環(huán)流風(fēng)機、灌溉系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等常用的環(huán)境

16、系統(tǒng)，能夠?qū)χ参锏纳L進(jìn)行合理的控制，而如何才能合理地控制這些配套設(shè)備的運作和協(xié)同則需要有一套完善的硬、軟件溫室系統(tǒng)進(jìn)行控制。因此，本系統(tǒng)就是利用價格便宜的一般電子器件來設(shè)計一個參數(shù)精度高，控制操作方便，性價比高的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)的溫室大棚測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機對溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行巡回測量，并對測量的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化補償，并進(jìn)行調(diào)控，此外主控制器還可以同時完成系統(tǒng)參數(shù)測量，數(shù)據(jù)存儲等，硬件總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。由圖2.1可知，整個系統(tǒng)采用STC89C58RD單片機為處理核心，通過溫室現(xiàn)有的各種傳感器檢測溫室的溫度、濕度、光照度等環(huán)境因素，經(jīng)由控制系統(tǒng)的8路模擬量、數(shù)字量輸入接口傳輸?shù)紺

17、PU中，并與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較、判斷、處理以及相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲。然后將CPU處理后各種控制結(jié)果通過16路開關(guān)量輸出口傳送到電機和電磁閥等執(zhí)行機構(gòu)上，從而實現(xiàn)對溫室的控制。溫室獨立控制系統(tǒng)上還包擴(kuò)各種人機界面和數(shù)據(jù)傳輸接口，實現(xiàn)了人機交換方式以及實時參數(shù)的設(shè)定。本控制系統(tǒng)采用宏晶科技公司生產(chǎn)STC51系列單片機控制器(STC89C58RD+)。該單片機具有強加密性，無法解密，具有超強的抗干擾性能，且芯片內(nèi)部自帶看門狗。STC89C58RD單片機最高時鐘頻率為080MHz,32k的Flash存儲器、1280字節(jié)的RAM擁有P4口適合需要多I/O的系統(tǒng)設(shè)計、16k字節(jié)的E2PROMT以提供比其它單片機

18、更多的存儲空間。其不需要依靠任何燒錄器，直接通過電腦上的串口以ISP方式進(jìn)行燒錄。這種單片機的燒錄方式操作簡單容易，程序的調(diào)試靈活，修改方便，且不受地域、時間和環(huán)境的影響和限制，可為以后產(chǎn)品的改進(jìn)和升級提供方便。溫濕度傳感器光照度傳感器土壤含水率傳感器R通風(fēng)系統(tǒng)乙，執(zhí)行電機鍵盤接口16路開光量輸出接口'加熱系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)濕連水泵圖2.1總體結(jié)構(gòu)圖2)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，硬件結(jié)構(gòu)由傳感器和單片機、控制裝置組成，傳感器將物理參量轉(zhuǎn)換為電壓并完成信號的調(diào)理，再送人模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809,由下位單片機AT89S51讀取，單片機將數(shù)據(jù)通過485總線送給上位機，上位機設(shè)有顯示功能，

19、根據(jù)預(yù)先設(shè)置的參數(shù)決定要采取的措施，并將信息傳給下位機，由下位機控制通風(fēng)和噴灌裝置，也可以通過鍵盤強制控制。智能溫室大棚控制系統(tǒng)的組成基于兩個方面：單棟溫室大棚控制系統(tǒng)和集約化生產(chǎn)連棟溫室大棚控制系統(tǒng)。后者建立在前者的基礎(chǔ)上，前者適于我國農(nóng)村個體經(jīng)營的現(xiàn)狀。對于單棟溫室大棚控制系統(tǒng)，設(shè)置了獨立的控制和顯示等功能，并設(shè)置了RS-232和RS-485通訊接口，便于和上位機通信，實現(xiàn)集散控制系統(tǒng)，具模式如圖2.2o另外，在設(shè)計過程中考慮到農(nóng)生產(chǎn)的特點，每個系統(tǒng)的各部分接口都作了模塊化設(shè)計，并增加備用接口和功能，便于大棚生產(chǎn)重建和生產(chǎn)場地的變化，也增加了系統(tǒng)的通用性，擴(kuò)大了適用范圍。上位機大棚1大棚n-1大棚n通信接口圖2.2集散控制系統(tǒng)實現(xiàn)3）溫室大棚的硬件組成溫室大棚的硬件組成原理如圖2.3所示：濕度傳感器空氣濕度傳感器土壤含水率傳感器測溫放大器程控放大器IA/I轉(zhuǎn)換器