第一章.绪论

　　1.1 引言

　　近年来，随着生活水平日益提高 经济的发展和科技的进步，温度的控制和科学管理提出了更高的要求，使得分布式温度的控制在智能化领域的地位越来越重要。然而人们在饮食这方面选用食材的水平也逐渐在提高。目前，一般的温度控制功能单一，性能稳定性低，而大型的控制系统有价格不菲，需专门的技术人员来管理，不适用于中小农业家庭。

　　目前，我国的的农业正处在从传统的农业以优质、高效、高产为目的现代化农业转化新。农业环境控制工程作为农业的生物速生、优质的手段是农业现代化的标志，农业设施的检测与控制是我国需要发展的项目。应用自动控制和电子计算机实现农业生产和管理的自动化，是农业现代化的重要标志之一。分不式温度控制系统用单片机实现定时控制，电路简单、价格便宜、可靠性好。采用LCD液晶显示模块显示温度、时间信息。系统结构简单，抗干扰能力强，可用于温室大棚分布式温度控制系统。

　　1.2分布式温度控制系统的发展现状

　　自从1976年INTEL公司推出第一批单片机以来，80年代单片机技术[1]进入快速发展时期，近年来，随着大规模集成电路的发展，单片机继续朝快速、高性能方向发展，以4位，8位单片机发展到16位，32位单片机。单片机主要用于控制。二十一世纪是生命科学的世纪。加强以现代农业生物技术为主体的农业高科技的研究与开发，是下个世纪我国农业领域能否掌握科技进步主动圈的关键。发展农业高科技产业是促进我国农业高科技研究开发及其与经济建设紧密结合的重要途径。想要长出好的蔬菜，蔬菜大棚的温度控制是非常重要的，温室温度环境测控，即根据植物生产的需要，自动调节温室内温度环境的条件。目前温室，通过传感器技术[2]，单片机技术和人工智能技术，能自动监测、控制温室的环境其中包括温度，湿度，光照，CO2，浓度等，使农作物在不适宜生长的季节中，获得比室外生长更优的环境条件达到早熟，优质，高产的目的传统的温室大棚环境测控管理采用模拟控制仪表和人工管理方法，而这两种方法工作效率低。随着单片机技术的发展，逐步采用配置灵活，开放式结构，运算能力强，可靠性高的开发手段及具有数据处理，统计分析等功能的检测控制系统所代替。

　　分布式温度控制系统是针对蔬菜大棚温度监测而设计，同时也可用于粮食仓储、冷库及烟叶发酵等场合的温度监测。蔬菜大棚作为一个相对封闭的环境，其内部形成了一个小气候环境，良好的空气环境是蔬菜正常生长的重要条件。为了增产、增收，要注意大棚内部的气体、温度和湿度3个重要因素。气体主要是指棚内的二氧化碳的含量。当空气中的二氧化碳浓度提高到0.1%时，可使蔬菜的光合作用速率增加 1 倍以上，增产20%~80%;若使二氧化碳浓度降至0.005%时，光合作用几乎停止。蔬菜生长的适宜温度为 20°~30℃。大棚内白天增温快，当棚外平均气温为 15℃时，棚内可达 40°~50℃。因此，要适时调节棚内温度，避免高温危害。塑料大棚经常处于密闭状态，蒸发量大大减小，内部湿度一般在80%~90%，湿度过大极易导致病虫害的发生。现在对大棚内气体、温度和湿度的有效调节，主要是通过适时的通风来实现。二氧化碳含量过大和湿度过大都会导致温度升高。通过调节温度可以有效地控制二者的浓度。因此，对棚内温度的控制是非常重要的。本文介绍的分布式单总线蔬菜大棚温度监测预警系统，采用全数字化设计，直接监测每个棚内不同部分的温度，通过对温度的良好控制，有效地提高蔬菜的产量。

　　温室设施使【3】用基于Internet的远程控制技术可实现对温室大棚环境检测和控制，即在远离温室大棚现场，通过网络进行对温室大棚内的温度、湿度等设施环境的确认，可以改变加温器等温度控制设备的设定值。在发生不稳定情况时，可以自动将信息发送到生产者的通讯工具上，进行紧急处置，该技术主要有以下的优点;可以利用网络的高效率管理，实现分散控制功能、节能实现精确控制。

　　(1)设备成本低廉，节省人力。

　　(2)实现温室大棚温度的群管理。

　　英国的无线系统公司开发了一系列的无线通讯设备，如适于分布广泛的花园温室或储存室的无线的霜冻和入侵警报系统、便携的无线电视系统、远程无线洒水系统、加热和通风控制系统等等。

　　希腊的Loukfarm公司研制并开发了应用广泛的现代化温室大棚的控制单元。该单元系统有计算机、气象站控制系统组成。该系统与装有控制软件的计算机相联，不仅可以进行数据采集和处理，还可以进行对温度的远程控制。并由机电设备来保证完全并进行精确地控制温室单元的所有操作参数(气候)。

　　近年来，随着生活水平日益提高，我国的温室面积大量增加，在提高设施水平的同时也正向实现自动化的方向发展。但对于高技术的应用方面还是与发达国家相比有一定的差距，生产中的大部分温室对调节温度和进行病害防治做的还不够好，不能很好的推广应用。为此，需要研究与中国的气候条件相结合且具有符合中国特色的温室结构与环境精确调控技术的体系。我国目前有一些大学、科研院所也展开了对温室设施控制技术的研究，并取得了很好的研究成果。

　　本次设计为一款具有速度快、精度高、成本低、易维护等特点的温度控制系统,该系统的目标是不仅能满足目前温室大棚的需要,并且根据实际应用情况容易添加其他功能以满足产品升级需要。因此该控制系统系统会改变目前温室大棚温度控制的传统技术。其能够适应众多领域的需要，具有非常广阔的应用前景。

　　随着电子技术的发展，以微型计算机为核心的控制系统已经逐步取代了传统落后的以机械设备为核心的控制系统。单片机的控制系统研究和应用已经相当的成熟，这项技术也会发挥它的显著优势。

　　1.3设计意义

　　国内在温室的控制方面进行了许多有价值的研究和探讨，但研制的系统体系结构不合理，软件功能比较弱，可靠性不高，系统组态不灵活，不能适应温控制的要求。

　　分布式体系结构使得控制部分与温室部分可以分离开来，两者通过一根总线进行多机通信，降低了成本，使得系统能够很方面的实现远程控制或手动控制。计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不满足于传统的温度控制，对温室大棚温度的控制提出了更高的要求，智能化被引入温度控制，并迅速在世界各地发展起来。人们对蔬菜生长环境要求的日见增高，体现在希望温室大棚温度控制速度快、精度高、成本低、易维护等特点的温度控制系统。

　　单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，温度控制则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个问题。单片机有利于为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施。为了更好的对温室内的温度进行控制，提出利用单片机系统进行有效的预防对策。所以怎样控制蔬菜生长所需的正常温度已成为人们的迫切需要。

　　第二章 系统设计方案

　　2.1设计背景

　　我国南方温暖，北方寒冷，东部潮湿，西部干燥等不同自然气候特征，因此每个季节的控制温度的范围也不一样。青海的冬天和秋天比较长，夏季比较短，以青海大学为列来说明温室大棚分布式温度控制，青海大学有温室大棚13个，每个温室大棚的面积大约有120m2 ,每个温室大棚大体分为4个区域，每个区域的面积大约为30m2。温室大棚平面图：

　　2.5设计方案

　　随着温室大棚技术的发展，温室大棚的数量不断增加，对温室大棚内温度控制成为一个难题，目前应用于温室大棚温度监测系统一般采用有模拟温度传感器，，A/D转换器及单片机等组成，这种温度采集系统需要在温室大棚内布置许多的测温电缆，才能把现场传感器的信号传递到采集卡上，安装和拆卸比较麻烦，成本比较高，而且线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差大不利于控制着根据温度变化及时作出决定。

　　分布式温度控制系统基于单片机采用数字化单总线技术的温度测控系统应用于温室大棚的设计方案，该方案利用温度传感器将温室大棚内的温度变化，转变为电流的变化，在转变为电压的变化输入模拟器，其值由单片机处理，最后有单片机控制数字显示器，量定温室内的实际温度。假如温度值超过预先设定的上、下限，单片机便启动报警系统进行报警，进而对大棚内温度进行控制。方案图：

　　报警器 键盘输入 LCD显示

AT89C52

温度传感器18B20

超过设定温度上限

　　温度传感器 AT8 启动制冷系统 绿灯亮

　　超 超过设定温度下限

　　启动制热系统 红灯亮

被控对象

　　被控对象

　　2.2系统基本机构【4】

　　分布式温度控制系统主要是单片机控制，本次设计是依据青海大学北门温室大棚为主进行设计，在设计时根据青海大学北门选取其中一个温室大棚的标准设计的。针对这种结构要如下几种设计要求：

　　(1)检测要求：能根据温室大棚温度的变化能对温室大棚的温度做出判断进行温度的调节。

　　(2)系统性能要求：要保证系统有较高的精确性，稳定性，可靠性，同时满足随时改变的要求。

　　(3)系统运行要求：系统运行时具有 智能控制，报警功能

　　第三章 分布式系统

　　随着人们在饮食这方面选用食材的水平逐渐提高，然而大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，温室大棚的温度控制成为一个难题。而温度又是蔬菜生长的必要参数之一。针对青海大学温室大棚而言(温室大棚共有13个)，采用分布式进行温度控制系统设计。

　　2.3分布式体系结构

　　分布式系统基本上采用了主机-终端模式(Host-Terminal Mode),该模式通过一个主机作为控制中心，负责对其它各子系统进行系统控制管理，该模式不灵活，且投入较大。我们的温室控制系统由中心计算机和单片机控制仪组成，一台计算机与多台单片机进行实时通讯，用户通过上位机对温室进行监控以及控制。计算机与控制仪之间采用总线链接方式，这种链接方式使得数据传输准确，快速。目前分布式系统是计算机控制系统的主要的一种发展方向，该控制系统采用服务器-客户模式。分布式系统是指在整个系统中不存在一个所谓的中心处理系统，而是由多个分布在各温室中的可编程器组成，所有的控制器连接到中心监控计算机上。有个别子处理器处理所采集的信息进行实时控制【11】，而由主处理器存储和显示子处理器发送来的信息，主处理器可以由每个子处理器发送控值设定值和其他控制参数。由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统。各回路之间和上、下级之间通过高速数据通道交换信息。

　　分布式系统具有数据采集、数字控制、人机交互、监控和管理等功能。分布式系统是在计算机控制系统以及数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展的，是生成过程中的一种比较完善的控制管理系统。

　　在分布式系统中，按地区把微处理机关装在测量装置与控制执行机构附近，将控制功能尽量分散，管理相对集中。这种分散化的控制方法能够改善控制的可靠性，不会由于计算机发生故障而使整个系统崩溃。当管理级发生问题时，控制回路仍具有独立控制的能力，个别控制回路发生问题时也不会影响全局。

上位机

采样点

Zigbee无线传输

采样点

温度

温度

中央控制单元（AT89C52）

　　无线传输 无线传输

采样点

采样点

GSM短信收发模块

SD卡数据储存

数据显示

反馈

　　2.4分布式控制系统的基本特点：

　　系统构成灵活

　　操作管理便捷

　　控制功能丰富

　　信息资源共享

　　安装调试简单

　　安全可靠性

　　性能价格比高

　　第三章.硬件系统设计

　　根据分布式温度控制系统的性能要求，设计选用了 AT89C52单片机为核心的检测报警系统。AT89C52单片机较以往的单片机提高了工作效率，使系统的可靠性、抗干扰能力得到了显著改善，而且进一步小型化和便携化。其内部集成的Flash几乎拥有现代追求个性化的用户所需要的掉电后数据不丢失、快速的数据存取时间、电可擦除、容量大、在线可编程、足够多的擦写次数、价格低廉和高可靠性等所有优点。

　　3.1温度采集模块

　　1温度检测电路

　　在本系统中利用数字式温度传感器LAS 181320来实现温度的采集。L}S181320是一种改进型的智能温度传感器，其测温范围为一}}0C-12}0C}精度可达到0.06750C}-温室大棚中温度变化的动态范围为170C-3}0C要求静态精度为10C，故采用L}S181320完全可以满足系统要求。本系统中，L}S181320通过vL引脚与单片机1'1.0日相连，单片机控制L}S181320完成温度转换必须经过3个步骤:初始化、1ZOM操作指令、存储器操作指令’日。根据17S181320的本身功能要求，利用汇编语言编写INIT初始化子程序，读数据子程序和写命令及数据子程序。所有的数据读写均由最低位开始。

　　3.2 DS18B20温度传感器

　　美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是全球第一片支持 "一线总线"接口的温度传感器。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用户轻松地组建传感器网络，为测量系统的发展引入全新概念。现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。目前DS18B20批量采购价格仅10元左右。

　　在传统的模拟信号温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案，新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。新的"一线器件"DS18B20体积更小、适用电压更宽、更经济。

　　2.DS18B20、DS1822的特性

　　DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5°C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产品中最好的!性能价格比也非常出色!DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。 继"一线总线"的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。，DS18B20也支持"一线总线"接口，测量温度范围为-55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内，精度为±0.5°C。DS1822的精度较差为±2°C。现场温度直接以"一线总线"的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。