2023年12月22日发(作者：二手联想thinkpadt460怎么样)
摘 要
近年来随着科学技术的发展，尤其是计算机应用技术的发展，计算机控制技术和自动化技术也延伸到各生产领域。我们国家正在走现代化农业道路，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。温室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监测和控制，这对于农作物的生长发育有非常大的促进作用，可以避免因为外部气候的剧烈变化对农作物造成的伤害，使农作物能够在一个最适合它的温度、湿度和光照的环境中生长发育，从而可以提高产量，增加经济效益。本设计，由ATmega16单片机作为控制的核心器件的单片机模块，外加温度采集模块、湿度采集模块、光照采集模块、加热模块、降温模块、补光模块、报警模块以及显示模块组成。采用DS18B20、DHT11和光敏电阻进行信息采集，将其采集到的数字信号传入ATmega16单片机，并在Nokia5110屏上显示其实时值。单片机通过比较输入温度与设定温度来控制风扇或加热电路驱动电路，当棚内温度在设定范围内时，单片机不对风扇、棚顶电动窗或加热电路发出动作，实现了对大棚里植物生长温度及土壤和空气湿度的检测、监控，并能对超过正常温度、光强范围的状况进行实时处理，使大棚环境得到了良好的控制。
关键词：温度检测； 湿度检测； 控制系统； 报警系统
Abstract
With the development of science and technology, especially the development of
computer application technology, computer control technology and automation technology
also extends to all areas of production. The design, by the microcontroller ATmega16
microcontroller as the core module control device, plus temperature acquisition module,
humidity acquisition module, light acquisition module, heating module, cooling module, fill
light module, alarm module and display module. Using a temperature sensor DS18B20 and
humidity sensor DHT11, photoresistor information collection, which was collected from the
incoming digital signal ATmega16 microcontroller and display screen is actually a time when
the Nokia5110. SCM by comparing the input temperature and set temperature to control the
fan or electric drive circuit, when the greenhouse temperature within a set range, the
microcontroller does not fans, electric windows or heating furnace roof issuing action to
achieve a temperature of greenhouses for plant growth and soil and air humidity detection,
monitoring, and can perform real-time processing of more than the normal temperature, light
intensity range, thus enabling the greenhouse environment has been well controlled.
Key words: temperature testing; humidity testing; control system; alarm syste
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I
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3）其它
II
目录
1 绪论 ........................................................................................................................... 1
1.1 课题研究的背景 ............................................................................................ 1
1.2 课题研究的意义 ............................................................................................ 2
1.3 国内外研究现状、难点和趋势 .................................................................... 3
1.3.1 国外研究现状 ..................................................................................... 3
1.3.2 国内发展现状 ..................................................................................... 3
1.3.3 智能温室大棚的发展趋势 ................................................................. 4
1.3.4 温室智能控制发展存在的难点 ......................................................... 4
2 系统设计 ................................................................................................................... 6
2.1 系统的预期目标 ............................................................................................ 6
2.2 系统设计思路 ................................................................................................ 7
2.3 硬件设备的选择方案 .................................................................................... 7
2.3.1 单片机的选择 ..................................................................................... 8
2.3.2 显示模块的选择 ................................................................................. 8
2.3.3 温度传感器的选择 ............................................................................. 9
2.3.4 湿度传感器的选择 ........................................................................... 10
2.3.5 光敏电阻的选择 ................................................................................ 11
2.3.6 继电器的选择 .................................................................................... 11
2.3.7 动力电机的选择 ................................................................................ 11
3 硬件电路设计 ......................................................................................................... 12
3.1 主控电路设计 .............................................................................................. 12
3.1.1 ATmega16单片机 ............................................................................ 12
3.1.2 单片机最小系统设计 ....................................................................... 14
3.1.3 单片机最小系统 ............................................................................... 16
3.2 温度检测与控制 .......................................................................................... 16
3.2.2 温度测量传感器 ............................................................................... 16
3.2.3 DS18B20与单片机的接法 .............................................................. 17
3.2.3 温度控制电路的设计 ....................................................................... 18
3.3 湿度监测 ...................................................................................................... 19
3.3.1 DHT11湿度传感器 .......................................................................... 19
3.3.2 DHT11与单片机的接法电路 .......................................................... 20
3.4 光强测量与控制 .......................................................................................... 21
3.4.1 光敏电阻 ........................................................................................... 21
3.4.2 测光电路 ........................................................................................... 21
3.4.3 补光电路 ........................................................................................... 22
3.5 显示电路 ...................................................................................................... 22
3.5.1 Nokia5110引脚说明 ........................................................................ 22
3.5.2 显示电路原理图 ............................................................................... 23
3.6 报警电路 ...................................................................................................... 23
3.7 电源电路 ...................................................................................................... 24
III
4 软件系统设计 ......................................................................................................... 26
4.1 主程序流程图 .............................................................................................. 27
4.2 DS18B20软件系统设计 ............................................................................. 29
4.1.1 DS18B20的内部结构 ...................................................................... 29
4.1.2 DS18B20与单片机通讯设计 .......................................................... 31
4.3 DHT11软件系统设计 ................................................................................. 33
4.3.1 DHT11与单片机通讯设计 .............................................................. 33
4.3.2 数字„0‟信号和‘1’信号的表示方法 ............................................ 33
4.4 Nokia5110显示设计 ................................................................................... 34
4.4.1 液晶显示器的驱动指令 ................................................................... 34
4.4.2 写数据到模块 ................................................................................... 35
4.4.3 Nokia5110初始化时序 .................................................................... 36
总结 ............................................................................................................................. 37
参考文献 ..................................................................................................................... 38
致谢 ............................................................................................................................. 39
附录 ............................................................................................................................. 40
附录A 电路设计图 ......................................................................................... 40
附录B 程序清单 ............................................................................................. 41
IV
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1 绪论
在人类的进化史中，温湿度扮演着极其重要的角色。随着时间的推移，温度已经融入了我们人类生活的各个方面。无论身在哪里，从事何种工作，温度已经成为了我们不可避免的与之打交道的的朋友。自18世纪工业革命以来，工业发展与是否能掌握温湿度有着密切的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温湿度的因素。温湿度不但对于工业如此重要，在农业生产中温湿度度的监测与控制也有着十分重要的意义。我国人多地少，人均占有耕地面积更少且农业活动的生产效率较发达国家低。显而易见，改变这种局面只靠增加耕地面积是不可能实现的，因此我们要另辟蹊径，想办法来提高单位产量。温室大棚技术就是其中一个好的方法。温室大棚就是建立一个模拟适合生物生长的气候条件，创造一个人工气象环境，来消除温度对生物生长的约束。而且，温室大棚能减小农作物生长对其所处环境的依赖性，能让大多数农作物在不适合自身生长的季节产出，使农作物对季节和气候条件的依赖性大大降低，部分甚至完全摆脱了农作物对自然条件的依赖。加之温室大棚能带来可观的经济效益，所以温室大棚技术越来越普及，并且已成为农民增收的主要手段。
1.1 课题研究的背景
温室大棚即我们日常所见的日光温室，可以用来养花、种植反季蔬菜。随着改革开放的进一步深入，人民生活水平不断提高，农村人也改变了吃菜靠田间地头自给自足的方式。随着生活条件的逐步转好，我们餐桌上的菜肴早就不局限于本地的特产和时令蔬菜。特别是北方，每到冬季，每家每户都会储存冬白菜，饭桌上几乎看不到其它的菜品。但是现在不同了，由于温室大棚技术的发展，在北方即使是寒冷的冬季，很多夏季蔬菜和南方的水果也渐渐的出现在了人们的餐桌上，再也不会只有白菜相伴了。众所周知，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、湿度和光照。在不同的环境中，昼夜的温度和湿度变化是不同的，这其对植物生长是极为不利的。因此必须对不同环境环境的温度和湿度进行监测和控制，使植物能在这些不同的环境下正常地生长，提高其产量和质量。现在在许多温室大棚中还是沿用人工值守的方法来看管大棚，浪费了大量的人力和1
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物力，而且大棚的温湿度控制并不精确，随之造成各种调控措施不及时，于是农作物也往往因为温湿度控制不当而减产，给菜农带来了极大的损失。
随着国家经济的快速发展，农业产业规模的不断提高，在大棚中培育的农产品品种越来越多，传统的温度控制措施就显现出很大的局限性。因此发展现代化农业对日光温室的要求越来越高。随着温室控制系统的应用越来越广，需要监控的对象趋于多样化，所以必须使用具有统一规范、可靠性高、组建灵活、扩展性好、维护简便、性价比高的方式来组建系统。然而国外有一些自动检测控制仪器都是造价很昂贵的，对于普通农民来说是很难接受的。所以寻求一种简单实用、经济实惠的温室大棚自动控制系统是非常有必要的。因此，作为日光温室的一个重要组成部分—温度湿度光强的测控装置的研制非常需要。
在日光温室中，由于温度过高、过低，环境湿度过大光照强度过大、过小等都会影响农作物正常生长，若能有一测控系统能够有效地将温度控制在作物所需温度范围之内，也可以很好的改善大棚湿度，同时光强也保证在一定的范围之内，为农作物的生长提供一个良好的环境，并可以针对我国南方、北方的温度、湿度差异进行适当的调整，将会对温室大棚技术的进一步发展和推广，以及对增加广大农民的收入贡献不可替代的力量。因此设计这样一种大棚温湿光测控系统对农业生产具有重要的意义。
要想实现这种控制系统，传感器的应用是必不可少的。传感器(Transducer/Sensor)是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。一般由敏感元件和转换元件两大部分组成。有时也将转换电路及辅助电路作为其组成部分。传感器技术未来将向以下几个方面发展：1)高精确度；2)小型化；3)多功能集成化；4)数字化；5)智能化。鉴于本系统功能的实现对传感器的依赖性，对传感器的选择和应用成为非常重要的环节。
1.2 课题研究的意义
随着单片机和传感器技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室大棚环境自动监测控制方面的研究有了明显进展，并且必将以其优异的性价比，逐步取代传统的温湿度控制措施。传统的应用于温室大棚的温湿度检测系统大多是采用模拟传感器、多路模拟开关、A/D转换器及单片机等组成的传输系统。这种采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大。
本文介绍的温湿光测控系统就是基于单总线技术及其器件组建的。该系统能够对大2
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棚内的温湿度及光强进行采集，利用传感器将温室大棚内温度湿度及光强的变化，变换成数字量，其值由单片机处理，最后由单片机去控制液晶显示器，显示温室大棚内的实际温度湿度和光强，同时通过与预设量比较，对大棚内的温度进行自动调节，如果超过我们预先设定的湿度限制，湿度报警模块将进行报警。这种设计方案实现了温度湿度和光强的实时测量、显示和控制。该系统抗干扰能力强，具有较高的测量精度，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。这种温湿度测控系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对温度的实时控制，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，以带来很好的经济效益和社会效益。
1.3 国内外研究现状、难点和趋势
1.3.1 国外研究现状
世界发达国家大力发展集约化的温室生产，用计算机控制系统实现高效科学的环境调控与水肥管理，并从专用品种选育、工厂化育苗、病虫害的生物防治，到产品的采收、分级包装、冷藏运输，形成了完整的市场化技术服务体系。国外温室的主要特点是规模大、设备齐全、环境控制系统先进。计算机用于温室环境控制的技术研究开始于上世纪70年代末，东京大学首先研制出微型计算机温室综合环境控制系统。随着计算机技术的发展，设施环境调控技术在日本、荷兰、以色列、美国等发达国家得到了迅速的发展。目前日本、荷兰、以色列、美国等发达国家可以根据温室作物的生长要求和特点，对温室内光照、温度、水分、气、肥等诸多因子进行自动控制。
1.3.2 国内发展现状
我国对温室环境控制系统的研究起步较晚，农业计算机的应用开始于20世纪70年代，80年代开始应用于温室控制与管理领域。我国近代温室经历了发展改良日光温室、大型玻璃室和现代化温室三阶段，并且各阶段温室仍然并存，其中有一半为一面坡节能型日光温室，用于蔬菜、花卉的反季节生产。现今我国温室的类型主要包括以玻璃为通明覆盖材料的玻璃温室、利用太阳能为能源的日光温室、活动屋面温室以及塑料温室等。我国温室大棚种植技术已突破了传统的农作物种植受制于自然等环境诸多因素的限制，对农业生产有重大意义。我国的温室自动控制研究大致有两个方向，一是智能环境控制3
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系统，二是华北型连栋温室自动控制系统，采用以单片机为主控芯片的系统对温室环境进行自动监测与控制。从总体上说，我国自行研制开发的温室环境测控系统的技术水平和调控能力与发达国家相比还有一定的差距。
1.3.3 智能温室大棚的发展趋势
随着现代温室朝着集约化、规模化方向发展和温室管理智能化要求的提高，温室测控系统实现远程通信，进而实现温室内生产和管理的一体化，是现代智能温室发展的必然趋势；现代传感器技术、通信技术、自动化技术和计算机技术的发展，又为这一发展趋势推波助澜。温室大棚主要包括两个方面的内容，一方面是温室结构工程，另一方面是温室测控系统，而温室测控系统又是数据采集系统与温室大棚环境控制系统两个部分组成的，两者相辅相成缺一不可。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、控制局域网已经逐渐应用于温室的管理与控制中。
近年来我国温室大棚智能控制系统的发展趋势主要是针对我国的国情和日光温室大棚的改造：应用模糊控制、人工神经网络等理论，开发智能型的温室大棚专家系统。利用上位机强大的存储空间和运行速度快的优点，尽量使硬件功能软件化，增加上位机管理软件的功能；进行温室多环境因子的联合检测与控制的研究工作，提出一种适合我国本土的温室大棚的多环境因子智能控制模型，逐步向着自动测试、智能化控制等方面发展。我国温室未来的发展呈现出现代化、精准化、多元化和都市型。
1.3.4 温室智能控制发展存在的难点
当前流行的智能温室是采用先进的科学技术，科学、合理的控制影响作物生长的多种环境因子，营造适合作物生长的人工气候环境，使作物能够部分或者全部克服外界气候和土壤因素的制约，做到既有利于作物的良好生长和适时上市，提高产品的质量、产量、经济价值和社会效益，又能尽量降低生产成本。它对改善农业生态、生产条件、促进农业资源的科学开发和合理利用，进一步降低人类的劳动强度有积极的作用。因此在全世界范围内得到了广泛的应用。
我国由于受经济发展、科技水平、农产品结构等诸多因素的影响，长期以来缺乏设施农业方面的基础研究与战略发展研究，在技术理论、生产发展与市场引导、宏观政策等方面均存在很多的空白，因此温室产业的发展也受到了一定的限制。我们的研究成果较少，制约了温室企业技术和质量方面的创新。使我国温室企业在与国外温室企业的竞4
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争中，从一开始就处于劣势。
目前我国问世的环境控制水平总体上仍然较低，不能完全满足作物栽培的要求。因此，应通过对温室的结构、材料、环境控制技术、再生能源综合利用技术、补充光源、环境控制的仪器设备及自动控制的计算机软件系统等方面做进一步的研究和开发，尽快提高我国温室生产的水平。
5
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2系统设计
2.1 系统的预期目标
本论文采用单片机为执行器（核心器件），通过温度检测电路，湿度检测电路，光强检测电路，控制系统，报警电路，显示电路等部分形成了大棚温湿度测控系统。该系统能够对大棚或室内的温度、湿度进行自动检测和控制，不仅具有控制方便、简单灵活等特点，而且可以大大提高被控制温度、湿度的技术指标，从而能够大大提高作物的质量和产量。
其预期实现目标功能如下：
温度控制：根据使用大棚的具体面积均匀分布温度传感器，借以实现对温度的精准监测。每个测温模块由温度传感器组成，在每个模块里采集该传感器所属区域的实时温度传回主控单片机，经由主控模块的单片机处理数据判断是否符合所需温度：符合则不动作，继续监测；假若温度过低则由主控单片机发出命令启动报警电路同时经由驱动电路启动补温模块即电热丝；如果经判断温度过高则发出命令启动报警电路同时经由驱动电路启动降温设备即温室棚棚顶和侧壁上的电动窗，同时启动侧壁的风扇以便于空气流通加快降温速度。当以上两种措施实施的继续监测温度送回主机判断，符合温度设置值测发出命令停止。
湿度控制：根据使用大棚的具体面积均匀分布湿度度传感器，借以实现对湿度的精准监测。 每个湿度监测模块由湿度传感器构成，用以监测器所属区域的实时湿度。然后把监测到的数据传回主机，经由主控模块的单片机处理数据判断是否符合所需湿度，若果符合则不动作，继续监测；假若湿度过低则发出命令启动报警电路并同时经由启动电路启动埋在土地中的喷水装置对该域增区加湿度。
光强控制：光强监测模块由光敏电阻组成，监测到实时的光照强度参数后传入主机进行数据判断，正常的话不动作继续监测，假若光照强度过低则启动报警电路，同时单片机发出命令到继电器然后启动补光设备即照明灯；假若光照强度过高则由单片机发出命令由电机的驱动电路放下安装在棚顶的遮光网。
人机交互设计：显示屏上不仅可以显示时间，而且还可以通过按键实时设定被监测温度的上下限、被监测湿度和被监测光照强度的下限值。这样不仅可以实现人机交互控制，还可以根据作物的不同生长阶段，对温度、湿度和光照强度的不同需要进行针对性6
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的设定，更可以保证作物健康生长。
2.2 系统设计思路
本设计包括硬件部分与软件部分两个部分，硬件部分包括检测子部分和控制子部分。硬件部分总体系统结构示意图如图2-1所示；软件部分见本论文第四章。
系统整体框图如图2-1所示。
设定初值显示电路温度检测湿度采样单片机温度控制电路湿度控制电路光强采样光强控制电路
图2-1系统总框图
本设计硬件组成部分中，检测子部分主要由温度传感器、湿度传感器和光敏电阻；控制子部分主要包括动作电路、报警电路、显示电路和按键。其中，动作电路包括升温电路、降温电路、增加湿度电路、减小湿度电路、补光电路和减弱光强电路。检测子部分将从现场采集的温度、湿度、光强等参数实时发送至控制子部分的单片机，单片机对传回的数据、通过按键设定的各设定值进行相应的处理，以确定大棚内温度实时状态、湿度实时状态、光强实时状态：当温度、湿度或者光强发生异常状态时，单片机控制报警电路报警，同时控制动作电路进行相应动作，以实现对温度、湿度以及光强的实时调节。另外，本系统还可以显示实时温度、实时湿度、实时光强由主机来控制各个调节电路的动作与否，并且将数据进行显示。本系统有效实现了大棚内温度、湿度、光强的自动实时监测与控制。
2.3 硬件设备的选择方案
本设计主要包括三大部分，如图2-1所示，左边为信号采集部分，主要由各模块传7
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感器及其所在电路构成，包括温度采集、光线采集、湿度采集等三块内容，被称为传感器模块。中间为主控模块，由单片机Atmega16主控模块组成，是本设计的主要处理部分，主要负责各个传感器传来的信号的处理和将各个数值与设定值进行对比处理，如果满足要求，则不做动作，若不满足要求，则进行相应处理。最右边为动作电路，主要包括显示模块、报警电路、温度过限控制电路、光强过限控制电路。这三部分组成的一个系统就是本设计的主要内容，通过这个设计，使所要控制的量，如温度、湿度、光强都在一个设定的范围内，能够满足我们的要求。
2.3.1 单片机的选择
方案一：AT89S51有4K的Flash程序存储器，128字节的RAM，32条IO口，中断系统具有6个中断源、5个终端矢量、2个中断优先级的中断结构；串行口是一个全双工的串行通信口。假若采用MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片作为核心器件，其自带的4K 字节的内部 FLASH EPRAM,能在3V的超低压下工作，但运行速度很慢；所有的I/0口都是准双向口，I/0口的驱动能力弱；芯片里面的P0口没有上拉电阻如果要输出高电平或者要定义成输入口，一般要外接电阻上拉；芯片不能定义成内部复位方式，只能用外部微分电路复位；芯片内部没有RC振荡，如要芯片正常工作，需要外加振荡源；但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术, 当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏，且功耗比较高，抗干扰能力也不是很强。
方案二：采用ATmega16芯片。该芯片有16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O 口线。32个通用工作寄存器同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术。当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，由此不会对芯片造成损坏并且是高性能、低功耗，是较51系列处理速度更快的8位AVR微处理器。所以，选择采用ATmega16作为本次设计的控制系统单片机。
2.3.2显示模块的选择
方案一：采用LCD-1602液晶显示器，该显示器是工业字符型液晶显示器，能够显示32个字符。它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。由若干个5×7者5×11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有8
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一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。而此次设计的是一个大棚温湿度测控系统。这里我们需要将设定的温度值，湿度值，以及采集过来的外界环境里的温度值和湿度值显示出来。而显然LCD-1602的显示容量只有两行，可以显示八个汉字，这样无法直接在一屏里面显示温度值和湿度值，需要分多次页数来显示，这样不便于观察温湿度的变化，所以在本次设计中不采用LCD-1602液晶显示器。
方案二：采用Nokia5110显示器,可以显示四行汉字，84×8 的点阵LCD，这样可进行比较观察，清晰明了，易于操作，性价比高，LCD1602可以显示32个字符，而Nokia5110可以显示15个汉字，30个字符。接口简单，仅四根I/O线即可驱动，速度快，是LCD1602的40倍。Nokia5110工作电压3.3V，正常显示时工作电流200uA以下，具有掉电模式，适合电池供电的便携式移动设备。因此在本次设计中的显示部分我们选用Nokia5110液晶显示。
2.3.3温度传感器的选择
智能温度传感器/控制器属于智能化集成温度传感器和控制器。其主要优点是采用数字化技术，能以数字形式直接输出被测温度值，具有测温误差小、分辨率高、抗干扰能力强、能够远程传输数据、用户可设定温度上、下限、有越限自动报警功能、自带串行总线借口等优点，适配各种微控制器，含微处理器和单片机，是研制和开发具有高性价比的新一代温度测控系统所必不可少的核心器件。
方案一：使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转换。此设计方案需用A/D转换电路，这样一来，就增加了硬件成本，而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的，会产生较大的测量误差。
方案二：采用数字式温度传感器DS18B20,该传感器为数字式传感器。独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯,DS18B20 的测温范围-55℃~125℃，分辨率最大可达0.0625 ℃。DS18B20
可以直接读出被测温度值。而且采用3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点，封装成后可应用于多种场合。使其成为我们在选择温湿度传感器时的首选。
DS18B20实物图如图2-3所示。
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图2-3 DS18B20实物图
2.3.4 湿度传感器的选择
方案一：采用HOS-201湿敏传感器。HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50 KHZ～1KHZ，测量湿度范围为0～100%RH，工作温度范围为0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）时为1MΩ。这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。
方案二：采用数字式湿度传感器DHT11,该传感器为数字式传感器，采集湿度的精度是14位，端口较少，只需要单片机的一个端口即可驱动，每个DHT11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准，除此之外，单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便，传感器比较简单，四条引角中有两条是电源引脚，有两条是输出数据的引脚，只需要给他供上额定电压，然后在输出引脚采集信号就可以了，因此选择了DHT11湿度传感器作为此设计传感器的首选。
DHT11实物图如图2-4所示
图2-4 DHT11实物图
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2.3.5 光敏电阻的选择
光照强度的测量选用了常用的光敏电阻。光敏电阻对于光照敏感度高，光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器是硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76μm）的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它阻值的变化。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。
光敏电阻实物图如图2-5所示。
图2-5光敏电阻实图
2.3.6 继电器的选择
因为调节电路中需要启动风扇和节能灯等高电压设备，所以要应用到继电器作为高压设备启动开关。本设计中采用5引脚大功率超小型继电器JQC-3FF。继电器就是通过低电压小电流，控制高电压大电流的设备。JQC-3FF继电器是一组常开、一组常闭的。JQC-3FF继电器由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等构件组成。在线圈两端加上一定的电压，常闭触点断开，常开触点闭合，接通高压电路。
2.3.7 动力电机的选择
本设计中在大棚的侧壁装有通风散热用的电动窗和风扇，棚顶装有电动窗和卷起遮光薄膜的装置，这些都需要电机为其提供动力,风扇的动力电机选择一般电风扇用的电压为220V的单相交流电机；电动窗的动力电机选择则不用选择太大的电机，同时为了满足动力需求，选择市面上经常使用的电动窗帘的直流电机即可。
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3 硬件电路设计
硬件是整个系统的工作平台，各种应用功能的实现和软件的运行都是以硬件为基础的，所以硬件设计的合理与否从根本上决定了整个系统的质量。
为了充分发挥单片机的长处，实现尽可能多的功能，使系统达到预期的设计目标，工作得更可靠，操作更具备人机交互性，并且要使整个系统能真正的在实际应用中能发挥作用，对硬件电路进行的精心的设计，需要对每一个方案都经过了反复的比较和论证，始终做到最佳完美，符合设计目的。
3.1 主控电路设计
3.1.1 ATmega16单片机
ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。其内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
ATmega16有如下特点：16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K字节SRAM，32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
其端口介绍如下：
VCC：电源正
GND：电源地
端口A(PA7~PA0)： 做为A/D 转换器的模拟输入端。端口A为8位双向I/O口，12
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具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。
端口B(PB7~PB0)：端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。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为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)的上拉电阻被激活。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为8位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能.
RESET：复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见P36Table 15。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。
AVCC：端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。
AREF：A/D的模拟基准输入引脚
因为元器件的封装不同，引脚结构也不尽相同。ATmega16L双列直插式封装有40个引脚，而贴片式封装有44个引脚。
下图3.1为直插式ATmega16单片机的引脚图
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图3-1 ATmega16单片机的引脚图
3.1.2 单片机最小系统设计
单片机系统就是由硬件（单片机芯片和外围电路）、软件（内部程序）构成，能完成一定功能的设备。任何单片机想要正常工作，都有3个必接的电路：电源电路、时钟电路、复位电路。接好这3种电路的单片机系统，就称为单片机最小系统。
(1)时钟电路
单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，此放大器的输入和输出端分别是引脚XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行。片内振荡器的振荡频率非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～12MHz之间选取。时钟电路如图3-2所示。C1、C2是反馈电容，其值在5pF～30pF之间选取，典型值为30pF。本电路选用的电容为22pF，晶振频率为7.3728MHz。
单片机时钟电路是用来配合外部晶体实现振荡的电路，这样可以为单片机提供运行时钟，如果运行时钟为0的话，单片机就不工作，当然超出单片机的工作频率的时钟也会导致单片机不工作，因此了解每种单片机的时钟电路是非常重要的，直接与单片机是否正常运行息息相关。
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本设计所用单片机时钟电路接法如示意图3-2所示
C1XTAL1
+22pF7.3728MC2+XTAL222pF
GND
图3-2 时钟电路图
(2)复位电路
复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
本系统采用的是上电复位，上电复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。
本设计单片机的复位电路接法如示意图3-3所示
0.1uFREST10K
图3-3 复位电路图
无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。
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3.1.3 单片机最小系统
10K9REST
12XATL1
13XATL2PA0/ADC1PA1/ADC2PA2/ADC3PA3/ADC4PA4/ADC5PA5/ADC6PA6/ADC7PA7/ADC812345678PC0/SCL2223PC1/SDA24PC2/TCKPC3/TMS2526PC4/TD027PC5/TD128PC6/TOSC129PC7/TOSC2PD0/RXDPD1/TXDPD2/INT0PD3/INT1PD4/OC1BPD5/OC1APD6/ICP1PD7/OC292021
0.1uF10KC122uF7.3728MC222uF++
PB0/T0/XCKPB1/T1PB2/AIN0/INT2PB3/AIN1/OC0PB4/SSPB5/MIS1PB6/MIS0PB7/SCK32AREF30AVCC
图3-4 单片机系统图
单片机的最小系统如示意图3-4所示,7引脚和8引脚接时钟电路,XTAL1接外部晶振和微调电容的一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输入,XTAL2接外部晶振和微调电容的另一端,在片内它是振荡器倒相放大器的输出。第4引脚为复位输入端,接上电容,电阻及开关后够上电复位电路，28、6、18、39引脚为接地端,5、17、38、27、29引脚为电源端。
3.2 温度检测与控制
3.2.2 温度测量传感器
DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口16
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线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。
3.2.3 DS18B20与单片机的接法
在硬件上DS18B20与单片机的连接有两种方法。一种是将DS18B20的VCC接外部电源，GND接地，其DQ与单片机的I/O线相连，如图3.5所示；另一种是用寄生电源供电，此时DS18B20的VCC、GND接地，其DQ接单片机I/O，如图3.6所示。无论是内部寄生电源还是外部供电，DS18B20的DQ要接5KΩ左右的上拉电阻。注意只要外部电源处于工作状态，GND引脚不可悬空。
DS18B20的引脚图如示意图3-5所示
图3-5 DS18B20引脚图
DS18B20引脚非常简单，只有三个引脚，引脚1是接地，引脚2是数据输入/输出口，引脚3是电源。与单片机连接时注意在DQ引脚加上拉电阻即可。
DS18B20与单片机的接法如示意图3-6所示
10KVCC12DQGNDPB.73
图3-6 温度测量电路设计
本设计中，如上图3-6温度传感器的GND为接地端，DQ为数字信号输入/输出接PB.7，VCC为外接供电电源输入端。主要功能就是测大棚内的温度，将测得的温度信号通过串口发送到单片机内部，由于DS18B20为数字式传感器，所以不需要A/D转换，17
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可以直接处理，并且具有极高的精度。
3.2.3 温度控制电路的设计
控制电路的动作都是由主机控制进行完成的。根据每个温度传感器检测到的实时温度数据首先存储在单片机中，然后单片机执行循环扫描数据功能，以判断温度是否符合作生长的需求。当温度低于设定的下限值时，“温度过低”指示灯亮，主机会发出控制信号，启动报警电路，相应I/O口电平拉低，导通三极管和继电器，打开加热灯，以升高温度。当温度达到要求值后，则指示灯会自动熄灭，同时继电器会断开，加热灯停止工作。
加热模块由三极管、继电器和加热灯组成。加热模块电路图如图3-7所示。
图3-7 温度补偿电路设计
在设计之初，加热装置打算使用电热丝，但是由于一般农作物随温度的要求没有那么高，且电热丝在加热的同时会释放很大的热量，出于安全角度考虑，故使用节能灯来进行代替。
当温度高于设定的上限值时，“温度过高”指示灯亮，同时主机相应I/O口电平拉低，使三极管导通，继电器常闭触点断开、常开触点闭合，接通电机所在220V电路，打开风扇进行通风散热，同时打开棚顶和侧壁上的电动窗，以加快对流速度，进而加快降低温度的效果。当温度达到要求值后，则指示灯会自动熄灭，同时继电器会断开，切断电源，风扇停止工作，电动窗自动关闭。降温模块的电路如图3-8所示
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图3-8 散热模块电路设计
当传感器把检测到的信号传送给单片机，单片机处理后，与设定温度范围进行对比，如果低于设定温度，则通过图3.8温度补偿模块进行温度补偿，如果高于设定温度范围，则通过通风散热模块进行散热处理，如图3.8。温度补偿模块主要由两个并联的三极管，控制两个继电器，实现双控功能，加热器件是电热丝，由于电热丝电压为220V，而控制电压一般在3V左右，所以选择继电器来控制。通风散热模块主要由一个三极管和一个小风扇组成，基极与单片机PC.6相连，为控制端，集电极为供电端，与电源相连，发射极与小风扇一端相连，控制电流通过此断进入小风扇，小风扇另一端接地，形成一个通路。这就是通风散热模块的详细构成。
3.3 湿度监测
3.3.1 DHT11湿度传感器
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。
DATA用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式,一次通讯19
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时间4ms左右，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明，当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下：用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。从模式下DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。
DHT11的供电电压为3～5.5V。传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF 的电容，用以去耦滤波。
长时间暴露在太阳光下或强烈的紫外线辐射中，会使性能降低。因此要妥善放置，尽量避免太阳光的直接照射，还要避免高温，以及雨水的沾湿，这样才能保证传感器正常工作。
3.3.2 DHT11与单片机的接法电路
1234DH1110KPB.6
图3-9 湿度传感器与单片机接口电路设计
DHT11是数字传感器，所以不需要进行模数的转换，具体接口如下
引脚1：VDD供电3～5.5VDC
引脚2：DATA串行数据，单总线
引脚3：NC空脚，请悬空
引脚4：GND接地，电源负极
注意：引脚2在接单片机时，同时要在数据线接一上拉电阻，接到电源上。
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3.4 光强测量与控制
3.4.1 光敏电阻
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。
光敏电阻的应用光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机，路灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。
3.4.2 测光电路
PA.0R110KR210KPA.1GMDZGMDZ
图3-10 感光模块电路设计
图3-10为测光强电路，电路通过上拉电阻R1和R2来使光敏电阻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。通过I/O21
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端口将采集到的信号发送给处理器。
3.4.3 补光电路
图3-11 补光模块设计
图3-11为补光灯模块，当处理器对比光照强度后，如果光强低于设定值，则发出补光信号，使补光灯模块进入工作状态，补光灯模块由三极管、继电器和补光灯串联组成。考虑到光强对作物的影响，以及现实情况，当测得的光强低于设定值时报警并且补光；如果在设定值之上（包括设定值），则不动作，因为人类能接受的光照，作物的接受能力比人类要强，所以可以不对光强上限进行设定即可满足需求，这就是光控模块。
3.5 显示电路
液晶显示模块提供两种界面来连接微处理机：8位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示，画面移位，睡眠模式等。Nokia5110是一款经典机型，可能由于经典的缘故，旧机器很多，所以很多电子工程师就把旧机器的屏幕拆下来，自己驱动Nokia5110，用于开发的设备显示，取代LCD1602。并且Nokia5110的控制器／驱动器芯片已绑定到LCD晶片上，模块的体积很小。接口信号线数量相对LCD1602少的多，并且传输速率非常快。
3.5.1 Nokia5110引脚说明
LCD引脚说明如下表3-1所示。
表3-1 诺基亚5110液晶显示模块的管脚
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引脚序号
1
2
3
4
引脚名称
SDIN
SCLK
D/C
SCE
功能
串行数据线
串行时钟线
模式选择
芯片使能
引脚序号
5
6
7
8
引脚名称
RES
VCC
LIGHT
GND
功能
复位
电源正
背光灯
电源地
3.5.2 显示电路原理图
Nokia5110与单片机有8个管脚相连，其中1~5为I/O管脚，为信号输入端，6为电源输入，7为背光输入，8为GND。7管脚直接与6管脚相连，即背光灯一直处于打开状态，不论在白天还是黑夜均能观察LCD上数据的变化，以便实现控制功能。与单片机相连的原理图设计如下图3-12所示。
PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC712345678NOKIA5110
图3-12 显示电路原理图设计
3.6 报警电路
在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。其方法就是把计算机采集的数据或经过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为正常的采样值，进行显示和控制。下图是本设计的报警电路
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图3-13 报警电路设计
本设计采用声光报警电路。蜂鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，然后通过单片机ATmega16的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声。压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。在图3-13中，蜂鸣器与三极管Q3相连，三极管一端接电源，一端接I/O口PB.0，另一端直接与蜂鸣器相连。蜂鸣器的正极接三极管，负极接地。湿度传感器采集来的湿度与单片机设定的湿度值相比较，只要其中任何一个过限，蜂鸣器就会发出蜂鸣音报警。
3.7 电源电路
电源是电力电子系统的动力源，其性能直接决定了系统的工作表现。在本系统中，采用了我国民用的220V作电源，但系统的部分器件一般都工作在低压的直流电压环境，所以电源电路就是将220V的交流电压经降压、整流、滤波和稳压等处理后得到具有一定功率的低压电源。该电源应该具有较为稳定和干扰少的电压，为系统的可靠运行提供有力的保障。根据前面对系统中各个功能模块的分析和设计，知道在我们的系统中，单片机ATmega16的电源是+5V，驱动电路中的继电器需要+12V的电压。因此我们的系统需要提供两种不同的电源电路。
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图3-14 +5V电源电路图
采用变压器及整流电路把电压转换为15V，再选用稳压块7805，得到稳定的5V电压输出。稳压块7805的作用是当输入电压或负载等发生变化时，能自动维持稳定的5V输出电压，而且有过流、过热保护功能，稳压块7805最大的输入电压为35V。在实际使用时为了保证输出电压地稳定性和瞬态响应性，一般在输出端与地之间接一个大于0.1μf的小电容。另外，当稳压块电压输入端距离电源太近时也可通过在输入端与地之间接一抗干扰电容。电源部分电路如图3-14所示。
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4 软件系统设计
本系统软件设计采用模块化，子程序化设计思路，即整个控制软件由许多独立的小程序模块组成，它们之间通过软件接口连接。既便于调试，连接，又便于移植、修改。系统软件主要完成数据采集，运算处理，实时LCD显示，越限报警，联机通讯，驱动执行等功能，包括以下几部分：主程序设计，数据采集与调控、显示模块、报警模块。
本设计对于温度、湿度和光照强度的控制模块的设计采用了PID算法来解决。PID控制是工业控制中的经典控制方式之一，它具有鲁棒性强、结构简单及可靠性高等优点。即使控制技术及理论飞速发展，且出现了多种先进控制的方法，但在工业控制系统中
PID控制器的应用依然很广泛。在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID的参数设置及整定是设计PID控制器的关键，它严重影响了控制系统的鲁棒性及品质。PID 控制器的参数整定方法有很多种，如经验公式法、反应曲线法、衰减法和临界比例法等。在工程中，用这些方法整定后还要不断对PID进行调整及修改。只有在PID控制器的参数调整得较好时，系统方能产生良好的控制效果。在工业控制中，一般情况下用PID控制就可以得到良好的控制效果。对于温度控制系统来说，其常具有较大的时滞，采用常规的PID控制，系统不能得到令人满意的控制效果。因为PID控制的优点及其应用的广泛性，研究者对PID控制设计了多种改进方法。而且伴随着控制理论的飞速发展，把PID控制方法与多种先进的控制方法结合，组成了各种各样的复合控制方法，进而在大时滞系统中取得了较好的控制效果。PID控制器是基于偏差的比例、积分及微分的控制器，是经典控制领域的优秀成果。PID控制器的原理如图4-1所示，由PID控制器与受控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，根据实际的输出值与给定值的偏差，通过线性组合将偏差按照比例、积分和微分构成控制量，来控制被控对象。
PID算法的基本原理图如下图4-1所示
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比 例u(t)e(t)微 分被控对象-积 分
图4-1 PID算法基本原理图
针对于本系统的设计，温度、湿度和光照强度的采用如下图4-2所示的原理图
r(k)e(k)-PID控制器u(k)D/Au(t)执行机构被控对象A/D传感器
图4-2 PID控制器原理图
4.1 主程序流程图
整个系统的软件设计采用模块化编程，主要的功能子程序有：系统初始化，DHT11的初始化，Nokia5110的初始化。当温度超过设定值时报警并且调节温度，加热或者通风减热，使温度在设定值范围之内，这是温控模块。接下来为测湿模块，通过湿度传感器测得湿度值如果在设定范围内，则不报警，如果不在设定范围内，则进行报警，由于湿度的控制比较困难，因此本设计对湿度控制还需进一步提高。最后一个为光控模块，考虑到光强对作物的影响，以及现实情况，当测得的光强低于设定值时报警并且补光，如果在设定值之上（包括设定值），则不动作，因为人类能接受的光照，作物的接受能力比人类要强，所以可以不对光强上限进行设定即可满足需求；若是诸如韭黄一类的作物可以启用减弱光强电路，这就是光控模块。本设计主程序流程图如下图4-3所示
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开始开始初始化初始化显示显示按键设置按键设置温度是否超上限温度是否超上限是报警，打开散热扇和电动窗报警，打开散热扇和电动窗否是温度是否低于下限温度是否低于下限报警，打开加热灯报警，打开加热灯否是湿度是否低于下限湿度是否低于下限报警，打开补水装置报警，打开补水装置否是光强是否低于下限光强是否低于下限报警，打开补光灯报警，打开补光灯否是光强是否超上限光强是否超上限报警，放下遮光薄膜报警，放下遮光薄膜否结束结束
图4-3 主程序流程图
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4.2 DS18B20软件系统设计
4.1.1 DS18B20的内部结构
DS18B20内部结构图如图4-3所示，主要包括7部分：寄生电源；64位激光(10ser)ROM与单总线接口；高速暂存器，即便筏式RAM，用于存放中间数据；温度传感器；TH触发寄存器和TL触发寄存器，分别用来存储用户设定的温度上下限值；存储和控制逻辑；8位循环冗余校验码(CRC)发生器。
(1) 64位闪速ROM的结构如下：
8位CRC编码48位产品序列号8位产品系列号MSBLSBMSBLSBMSBLSB
图4-4 ROM结构图
高8位是CRC校验码，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，低8位是产品类型的编号，前56位的这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
(2) 高速暂存存储器
DQVD1内部 VDDVD2电源供电模块64bitROM和单总线接口高速暂存器存储和控制逻辑温度传感器高温触发TH低温触发TLVDD8bit CRC生成器设置存储器
图4-5 DS18B20内部结构图
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM。后者用于存储TH、TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给E2RAM。而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下表：
表4-1字节定义
TM R1 R0 1 1 1 1 1
29
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低5位一直都是l，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即用来设置分辨率，如表4-2所示(DS18B20出厂时被设置为12位)。
表4-2 R1和R0的模式表
R1
0
0
1
1
R2
0
1
0
1
分辨率
9位
10位
11位
12位
温度最大转换时间/ms
93.75
187.5
750.00
275.00
高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如下表所示。
表4-3 字节分配
温度低位 温度高位
TH TL
配置 保留 保留 保留 8为CRC
其中第1、2字节是温度信息，第3、4字节是TH和TL值，第6~8字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可以用来保证通信的正确。
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后。温度值格式如下：
表4-4 温度值格式
低八位：
23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4
MSB LSB
高八位：
S S S S S 26 25 24
MSB LSB
以12位转化为例说明温度高低字节存放形式及计算：12位转化后得到的l2位数据，存储在DS18B20的两个高低8位的RAM中，二进制中的前面5位是符号位。如果测得的温度大于0，这5位为0，即符号位S=0，这时只要直接将测到的数值二进制位转换为十进制，再乘以0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为l，即符号位S=1，这时先将补码变换为原码，也就是测到的数值需要取反加1再计算十进制值，最后乘以0.0625才能得到实际温度。表4-6是对应的一部分温度值。
表4-6 部分温度值
温度/℃
二进制表示
30
十六进制表示
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+125
+25.0625
+0.5
0
-0.5
-25.0625
-55
00000111 11010000
00000001 10010001
00000000 00001000
00000000 00000000
11111111 11111000
11111110 01101111
11111100 10010000
07D0H
0190H
0008H
0000H
FFF8H
FE6FH
FC90H
DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值T与TH、TL作比较，若T>TH或T
(3) CRC的产生
在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码(CRC)。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。
(4) 非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。
表4-7 DS18B20的六条指令
指令
Write Scratchpad(写暂存存储器)
Read Scratchpad(读暂存存储器)
Copy Scratchpad(复制暂存存储器)
Convert Temperature(温度变换)
Recall EPROM(重新调用)
Read Power supply(读电源)
代码
4EH
BEH
48H
44H
B8H
B4H
字节
读取温度寄存器的温度值
将温度寄存器的数字拷贝到E2RAM，保证温度值不丢失
启动在线的DS18B20进行温度转换
将E2RAM中的数值拷贝到温度寄存器中
启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU（“0”为寄生电源，“1”为外部电源）
操作说明
将两个字节的数据写入温度寄存器的TH、TLCPU对DS18B20的访问流程是：先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作和对数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。例如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，必须经历三个步骤：每一次读写之前都要对其进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对其进行预定的操作。DS18B20有六条控制命令，如表4-7所示。
4.1.2 DS18B20与单片机通讯设计
由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序31
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要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。
DS18B20的复位时序
(1) 单片机拉低总线480us～950us，然后释放总线（拉高电平）
(2) 这时DS18B20会拉低信号，大约60～240us表示应答
(3) DS18B20拉低电平的60～240us之间，单片机读取总线的电平，如果是低电平，表示复位成功，否则不成功（此时一般要重负操作，直到成功为止，编程是要进行判断）
(4) DS18B20拉低电平60～240us之后，会释放总线
图4-6 复位时序图
DS18B20的读时序对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15微秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。
读0时序
读1时序
图4-7 读时序图
DS18B20的写时序
对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。
对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”32
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电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。
写0操作时序
写1操作时序
图4-8 写时序图
4.3 DHT11软件系统设计
4.3.1 DHT11与单片机通讯设计
通讯过程时序如图4-9所示
主机发开始信号VCCGND拉高延时等待DHT响应输出数据‘0’拉高延时准备输出数据‘1’
图4-9 通讯时序图
总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后，读取DHT11的响应信号。
总线为低电平，说明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us，准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常。.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。
4.3.2 数字‘0’信号和‘1’信号的表示方法
(1)‘0’信号的表示方法
33
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数字‘0’表示方法为，首先DHT把总线拉低12-14us然后拉高，高电平保持时间在26-28us这个范围内，则此比特为‘0’电平。
表示方法如图4.8所示
26-28us 表示‘0’VCCGND下一bit开始1bit开始12-14us
图4-10 数字‘0’信号
(2)‘1’信号的表示方法
数字‘1’表示方法为，首先DHT把总线拉低12-14us然后拉高，高电平保持时间在116-118us这个范围内，则此比特为‘1’电平。
表示方法如图4-11所示
116-118us 表示‘1’VCCGND下一bit开始1bit开始12-14us
图4-11 数字‘1’信号
4.4Nokia5110显示设计
4.4.1 液晶显示器的驱动指令
表4-7 诺基亚5110液晶显示模块驱动指令说明表
指令
——命令字
D/C
DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0
（H=0 or 1）
0 0 0 0 0 0 0 0 0
描述
NOP
空操作
34
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掉电控制；进功能设置
0 0 0 1 0 0 PD V H
入模式；扩展指令设置（H）
写数据
1 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
写数据到显示RAM
不可使用
设置显示配置
不可使用
设置RAM的Y地址0≤Y≤5
设置RAM的0 1 X6 X5 X4 X3 X2 X1 X0
X地址0≤X≤83
（H=1）
保留
温度控制
保留
偏置系统
保留
设置VOP
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
1
VOP6
0
0
0
0
0
X
VOP5
0
0
0
0
1
X
VOP4
0
0
0
1
0
X
VOP3
0
0
0
X
X
VOP2
0
1
1
X
不可使用
不可使用
设置温度系数（TCX）
不可使用
设置温度系数（BSX）
不可使用
写VOP到寄存器
（H=0）
保留
显示控制
保留
设置RAM的Y地址
设置RAM的X地址
0 0 1 0 0 0 Y2 Y1 Y0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
X
1
D
X
X
0
X
X
E
X
TC1 TC0
X
X
VOP1
X
X
VOP0
4.4.2 写数据到模块
Nokia5110(PCD8544)的通信协议是一个没有MISO只有MOSI的SPI协议，如果单片机有富裕的SPI接口，也可以利用硬件SPI，但通常没有必要，只需要软件程序模拟即可。
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图4-12 送一个字节
4.4.3 Nokia5110初始化时序
接通电源后，内部寄存器和RAM的内容是不确定的，这需要一个RES低电平脉冲复位一下。当VDD变为高电平，达到VDDmin(或更高)之后，最多100ms，RST输入低电平(电平幅度<0.3VDD)。
图4-13 复位时序图
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总结
大学，如何学习的能力比学习知识更加重要。主要是增强自己学习和怎样应用自己所学知识去解决实际问题的能力，这点在本科毕业设计中体现的淋漓尽致。三个月的毕业设计，在张老师的指导下已经顺利结束了。通过对这次毕业设计选题的研究和设计，我从中学习到了进行一项工程设计的整体流程，学会了如何根据自己所选题目的指标要求，分析能实现的设计方案，并且各种方案通过个方案和实际相结合的对比的效果后选出最优方案；同时还学会了如何通过硬件、软件设计实现这一方案。所谓师傅领进门，修行在个人，在做这次毕业设计的过程中，我学到了许多在书本、课堂学不到的知识，知道了参加一个新项目的设计时应该如何去考虑它，采取什么样的方法，如何去确定，如何去取舍。通过这次毕业设计，我不仅较好的完成了毕业设计的任务要求，而且提高了一定的实际动手能力，积累了一定的实践经验，这些都将对我走入社会有深远的意义。
在实践过程中，发觉自己过去所学在实际应用中还是远远不够的，且有时软件的理论设计是可行的，但在客观的仿真实践中往往会出现或是人为或是干扰等一系列不可预知的问题。但通过自己不断的查阅资料和询问老师和同学，并不断实践，这样，理论与实际就很好的联系起来，最终克服了困难。这点我感受颇深。
最后，这次设计可以说是对自己在大学四年中所学知识的一次总结和检验，所学的东西基本上用到了，从而才觉得原来所学的每门功课都是有联系的，在实际设计与操作中增加了新知识。但是因此也让自己了解到自己的一些薄弱环节，这就促使我必须弥补它们。这对以后的工作学习，也是很有益处的。
总之，这次设计从软件编写到硬件功能的理论分析论证，我倾注了大量的时间和心血。真是曾经为程序的编写而冥思查找过，曾经为自己的知识积累不足而郁闷苦恼过，也曾经为硬件的性能是否最优而犹豫彷徨过，但最终我走过了这一切。我明白了过程的弥足珍贵，更品味到了努力后的喜悦，因为一切的一切，只有走过才会懂。
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致谢
在毕业论文即将完成之际，我想向曾经给予我帮助和支持的人表示衷心的感谢！感谢我的母校河南理工大学，给我提供了这么好的学习和生活环境，在学校学习和生活的日子是我一生中一段难忘的经历！
感谢我的导师张素妍，本毕业论文是在张素妍老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。张老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。我还要感谢在一起愉快的度过毕业论文小组的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。
同时，我要感谢电气工程专业的各位老师，正是由于他们的传道、授业、解惑，让我学到了专业知识，并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。我愿在未来的学习和研究过程中，以更加丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老师、同学、和朋友，学无止境。明天，将是我终身学习另一天的开始！
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！
最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！
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附录
附录A 电路设计图
40
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附录B 程序清单
#include
#include
/*******************************
//参数
//温度传感器
//湿度传感器
//AVR内部的AD转换
//自定义补光灯函数
//5110液晶显示
******包含各种用到的头文件*****/
#include"canshu.h"
#include"ds18b20.h"
#include"shidu.h"
#include"AD.h"
#include"buguangdeng.h"
#include"nokia5110.h"
void main()
{
nokia5110_init(); //5110初始化
Lcd_ClrScreen(); //先给5110清屏一次
Init_DS18B20(); //18B20初始化
control_init(); //控制端口初始化
AD_init(); //AD转换初始化
while(1)
{
wendu(); //读温度值
shidu_read(); //读湿度值
AD_chuli(); //读光照强度值
if(a[1]>=34||a[9]>=10) //温度超过34并且湿度超过10报警
{
PORTB|=0x02;
}
if(a[1]<34&&a[9]<10)PORTB&=0xfe;//如果温度低于34或者湿度低于10不报警
kongwen(); //判断和执行温度、湿度和光照补偿控制
buguangdeng();
41
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Lcd_WriteStr(0,0,"Tempe:"); //显示温度值，格式为："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:"); //显示湿度值，格式为四位数
xianshi(a[9]/10,6,2);
xianshi(a[9]%10,7,2);
Lcd_WriteStr(0,4,"Guang__in:");//显示大棚内光照强度值，格式：“Guang__in: ”
xianshi(a[3],10,4);
xianshi(a[4],11,4);
Lcd_WriteStr(0,5,"Guang_out:");//显示大棚外光照强度值，格式：“Guang_out: ”
xianshi(a[5],10,5);
xianshi(a[6],11,5);
}
}
/*********************ds18b20.h**********************/
unsigned int time=0;
unsigned char TL=0,TH=0,TN=0,TD=0;
/*****************SCI.H********************/
unsigned char a[12]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0};
unsigned int shiyan[3];//AD采集数据存放数组，shiyan[0]为内光照，shiyan[1]为外光照
/********************time.h**********************/
unsigned int cunshuzi[]={32,0,200,252};//定义比较的数，要保持在这些数上下调节
/*********************shidu.h*********************/
unsigned char U8FLAG;
unsigned char U8temp;
unsigned char shidu_shi,shidu_ge,wendu_shi,wendu_ge;
unsigned char U8T_data_H,U8T_data_L,U8RH_data_H,U8RH_data_L,U8checkdata;
unsigned char
U8T_data_H_temp,U8T_data_L_temp,U8RH_data_H_temp,U8RH_data_L_temp,U8checkdata_temp;
unsigned char U8comdata;
unsigned char shiduz=0;
/******************************************/
void delay_ms(unsigned int a)
{
unsigned int b,c;
for(b=a;b>0;b--)
for(c=120;c>0;c--);
42
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}
void AD_init(void)
{
DDRA=0x00;
PORTA=0XFF;
ADCSRA=0xe6;
}
unsigned int AD_read(unsigned char a)
{
unsigned int zhi=0;
ADMUX=a;
while(!ADIF);
zhi=ADC;
return zhi;
}
void AD_chuli(void)
{
shiyan[0]=AD_read(0);
delay_ms(10);
shiyan[1]=AD_read(1);
delay_ms(10);
a[3]=shiyan[0]/253;
a[4]=shiyan[0]%253;//内光照
a[5]=shiyan[1]/253;
a[6]=shiyan[1]%253;//外光照
}
unsigned char U8FLAG;
unsigned char U8temp;
unsigned char shidu_shi,shidu_ge,wendu_shi,wendu_ge;
unsigned char U8T_data_H,U8T_data_L,U8RH_data_H,U8RH_data_L,U8checkdata;
unsigned char
U8T_data_H_temp,U8T_data_L_temp,U8RH_data_H_temp,U8RH_data_L_temp,U8checkdata_temp;
unsigned char U8comdata;
void Delay(unsigned int a)
{
while(a--);
}
void COM(void)
{
43
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