基于AT89C51单片机的西红柿大棚温湿度控制系统设计
摘 要
随着大棚技术的普及，温室大棚数量不断增多，对于蔬菜大棚来说，最重要的一个管理因素是温湿度控制。温湿度太低，蔬菜就会被冻死或则停止生长，所以要将温湿度始终控制在适合蔬菜生长的范围内。传统的温度控制是在温室大棚内部悬挂温度计，工人依据读取的温度值来调节大棚内的温度。如果仅靠人工控制既耗人力，又容易发生差错。现在，随着农业产业规模的提高，对于数量较多的大棚，传统的温度控制措施就显现出很大的局性。为此，在现代化的蔬菜大棚管理中通常有温湿度自动控制系统，以控制蔬菜大棚温度，适应生产需要。
本论文主要阐述了基于AT89C51单片机的西红柿大棚温湿度控制系统设计原理，主要电路设计及软件设计等。该系统采用AT89C51单片机作为控制器，SHT10作为温湿度数据采集系统，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，可以根据大棚西红柿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：AT89C51；SHT10；蔬菜大棚；温湿度；控制系统；传感器
目 录
摘要 3
ABSTRACT 6
1 绪论 6
2 控制系统方案选择 8
2.1 方案一 8
2.2 方案二 8
2.3 系统控制方案确定 10
3 温度、湿度传感器介绍 12
3. 1 热敏电阻器温度传感器基本特性 12
3.2 湿度传感器的分类及工作原理 17
3.2.1 湿度传感器的分类 17
3.2.2 湿敏电阻器工作原理及特性 17
3.2.3 湿敏电容器的工作原理及特性 20
4 温度控制电路的设计 22
4.1 温度检测电路 22
4.2 温度报警电路组成与原理 25
5 湿度自动控制电路 28
5.1 湿度检测电路 28
5.2 比较电路、浇水系统 28
5.3 湿度自动控制系统原理电路图 29
热敏电阻的阻温特性是指实际电阻值与电阻体温之间的依赖关系，这是热敏电阻 几种不同类型的热敏电阻器的基本特性之一,其阻温特性曲线见图3。PTC开关型正温度系数热敏电阻器的阻温特性曲线(图3曲线4)。室温至居里温度以下的一段温度范围内，表现出和一般半导体相同的NTC特性。从居里点开始，电阻值急剧上升到某一温度附近达到最大值。
PTC热敏电阻器的居里温度TC以通过掺杂来控制。如在BaTio3中掺杂Pb，可使Tc向高温方向移动，在BaTio3中掺入Sr或Sn等元素后，可使TC向低温方向移动。可根据需要调整居里点TC。
热敏电阻器的实际阻值用RT来表示。是在一定环境温度下，采用引起阻值变化不超过0.1％的测量功率所测得的电阻值。实际电阻值又称为零功率电阻值，或称为不发热功率电阻值(冷电阻值)。实际电阻值的大小取决于电阻器的材料和几何形状。
热敏电阻器的实际阻值与其自身温度有如下的关系：
NTC热敏电阻器 RT＝R∞eB/T
PTC热敏电阻器 RT＝R0eAT
式中：RT一一温度T时的实际电阻值；
R∞、R0一与电阻几何形状和材料有关的常数
B、A一一材料常数。
为了使用方便，通常取环境温度为25℃作为参考温度，则有:
NTC热放电阻器：RT/R25＝exp[B(1／T—1／298)]
PTC热敏电阻器：RT/R25＝expA(T—298)
由上述两式可以求出NTC、PTC热敏电阻器的温度系数。表示温度每变化l ℃，电阻器实际限值的相对变化，即：
NTC：aT=1/RT=dRT/Dt=-B/T2
PTC: aT=A
可见，在工作温度范围内，负温度系数热敏电阻器的aT随温度T的变化有很大的变化，并与材料常数B成正比。因此，通常在给出电阻温度系数的同时，必须指出测量时的温度，正温度系数热敏电阻的aT在数值上等常数A。缓变型正温度系数热敏电阻器的aT值在0.5％／℃一10%／℃之间．而开关型〔突变型〕正温度系数热敏电阻器的aT可达到60％／℃或更高。
材料常数B是用来描述热敏电阻材料物理特性的—个参数．又称为热灵敏度指标。在工作范围内，B值并不是一个严格的常数，随着温度的升高而略有增大。一般说来，B值大的电阻率也高。不同B值的材料有不同的用途，如普通负温度系数热敏电阻的材料常数B值在2000一5000 K之间。负温度系数热敏电阻器B值可按下式计算：
B=2.303[T1·T2/(T2-T1)]㏒10R1/R2
正温度系数的电阻器，其A值按下式计算：
A=2.303[1/(T1-T2)]㏒10R1/R2
式中，R1相R2分别为热力学温度T1和T2时的电阻值。
2 热敏电阻器的热性能
(1)耗散常数H 耗散常数H定义为温度每增加一度所耗散的功率。它用来描述热敏电阻器工作时，电阻体与外界环境进行热交谈的一个物理量。耗散常数H与耗散功率P。温度改变量AT的关系为：
H=△P/△T （W/℃）
H的大小与热敏电阻器的结构、所处环境的媒质种类、运动速度、压力和导热性能等有关，当环境温度改变时，H有变化。
(2)热容量和时间常数热敏电阻器具有一定的热容量C，因此它具有一定的热情性．也就是温度的改变需要一定的时间。当热敏电阻器被加热到了T2温度时，放到温度为T0的环境中，不加电功率，热敏电阻器开始降温，其温度T是时间t的函数，在△t时间内．热敏电阻器向环境耗散的热量可标示为：H（T-T0）△t，这部分热量是由热敏电阻器降温所提供的．其值为-C△T，于是就有：
-C△T=H（T-T0）△t
上式写成微分的形式为：
T-T0=-C/T·(dT/dt)
取初始条件t＝0时，T＝T2，解方程(4—17)式得：
T-T0=(T2-T1)·e-tH/c=(T2-T1)e-t/ζ
式中，ζ＝C/H 称为热敏电阻器的时间常数，单位为S。
时间常数?可定义为：在恒定的静态条件下，热敏电阻器在无功率状态下，当环境温度由一个特定温度向另一个特定湿度突然改变时，电阻体的温度变化了这两个特定温度之差的63.2％所需的时间。通常将这两个特定温度选为85℃和25℃，或者100℃和0℃热敏电阻器用于测温和控温时，一般要求时间常数小。因而，热容量越小越好。
按定义ζ=C/H，当t=ζ时，（T-T0）/（T2-T0）=e-1=36.8%,则：
（T2-T）/（T2-T0）=63.2%
式中：T2、T0为两个特定温度，T为测试温度。
3 热敏电阻器的伏安特性
电压—电流行性表示在特定温度下，热敏电阻器两端的电压与通过电阻体的稳态电流之间的关系，即伏安特性。伏安特性与热敏电阻器的结构形状有关，还与其阻值、材料常数从所处的环境温度、介质种类等有关。
PTC热敏电阻器的伏安特性曲线如图4所示，当所加电压不太高时，PTC热敏电阻的温升不高，流过PTC热敏电阻的电流与电压成正比，服从欧姆定律。随着所加电压的增加，消耗功率增加，电阻体温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始弯曲。当电压增到使电流达到IMAX最大时，如电压继续增加，由温升引起的电阻值增加。
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