【正文】 蔬菜大棚智能控制系統(tǒng)檢測(cè)課程設(shè)計(jì)—蔬菜大棚智能控制系統(tǒng) 學(xué)院： 電氣學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：電儀09—3班姓名： 朱學(xué)政 指導(dǎo)教師：董愛華 李良目錄1．摘要32. 實(shí)驗(yàn)所需元器件33. 實(shí)驗(yàn)整體結(jié)構(gòu)圖44. 傳感器簡(jiǎn)介7 DS18B20簡(jiǎn)介7 DS18B20的性能特點(diǎn)7 DHT11簡(jiǎn)介7 DHT11的性能特點(diǎn)8 熱釋電傳感器模塊簡(jiǎn)介及特性10 光敏電阻傳感器原理及特性11 ZigBee無線模塊簡(jiǎn)介125. 溫室大棚控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)12 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)12 編程軟件簡(jiǎn)介15 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)15 Microsoft Visual Studio 2008編程軟件簡(jiǎn)介166. 總 結(jié)17附錄18參考文獻(xiàn)371. 摘要隨著單片機(jī)和傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化，溫室環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制方面的研究有了明顯的進(jìn)展，并且必將以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，逐步取代傳統(tǒng)的溫濕度與光照強(qiáng)度的控制措施。但是，目前應(yīng)用于溫室大棚的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)大多采用模擬溫度傳感器、多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)等組成的傳輸系統(tǒng)。這種溫濕度度采集系統(tǒng)需要在溫室大棚內(nèi)布置大量的測(cè)溫電纜，才能把現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)送到采集卡上，安裝和拆卸繁雜，成本也高。同時(shí)線路上傳送的是模擬信號(hào)，易受干擾和損耗，測(cè)量誤差也比較大。為了克服這些缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用單片機(jī)做下位機(jī)，計(jì)算機(jī)做上位機(jī)并采用無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚的自動(dòng)控制，同時(shí)，本系統(tǒng)所選的溫濕度傳感器采用單總線方式傳輸數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)采集更加準(zhǔn)確。本系統(tǒng)采用單總線傳感器能夠?qū)Υ笈飪?nèi)的溫濕度進(jìn)行采集，利用溫濕度傳感器將溫室大棚內(nèi)溫濕度的變化，變換成數(shù)字量，其值由單片機(jī)處理，最后由單片機(jī)傳輸給上位機(jī)顯示，顯示溫室大棚內(nèi)的實(shí)際溫濕度，同時(shí)上位機(jī)預(yù)設(shè)目標(biāo)量傳輸給下位機(jī)，由下位機(jī)將采集量同預(yù)設(shè)量比較，對(duì)大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。再利用光敏電阻對(duì)當(dāng)前光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，同理實(shí)施自動(dòng)控制。同時(shí)，在該系統(tǒng)中加入了熱釋電用于防盜報(bào)警，使經(jīng)濟(jì)作物更安全！這種溫濕度及光照強(qiáng)度的測(cè)控系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的溫室大棚，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度，濕度，光照強(qiáng)度的實(shí)時(shí)控制，是一種比較智能、經(jīng)濟(jì)的方案，適于大力推廣，以便促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，從而提高溫室大棚的畝產(chǎn)量，以帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。2. 實(shí)驗(yàn)所需元器件 ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)（1個(gè)），電加熱絲（1個(gè)），繼電器(2只)，風(fēng)扇（1個(gè)），三極管8050（4只），熱釋電模塊（1個(gè)），光敏電阻（2只），DS18B20溫度傳感器（1只），DHT11溫濕度傳感器（1只），ZigBee無線通信模塊（2個(gè)），MAX232(1個(gè))。3. 實(shí)驗(yàn)整體結(jié)構(gòu)圖AVR單片機(jī)DS18B20溫度傳感器DHT11濕度傳感器光敏電阻（內(nèi)）光敏電阻（外）熱釋電ZigBee無線傳輸模塊加熱器通風(fēng)散熱扇補(bǔ)光燈 整體實(shí)物圖ZigBee無線傳輸模塊PC機(jī) 本系統(tǒng)由如圖圖2所示，DS18B20溫度傳感器與DHT11溫濕度傳感器及光敏電阻采集數(shù)據(jù)，ATmega16單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，上位機(jī)顯示溫濕度并設(shè)定目標(biāo)溫度與光照強(qiáng)度。由PWM控制光照強(qiáng)度，當(dāng)溫度小于設(shè)定目標(biāo)溫度時(shí)，加熱起開始加熱，當(dāng)溫度等于目標(biāo)溫度時(shí)，加熱器停止加熱，當(dāng)溫度超過目標(biāo)溫度+1時(shí)，通風(fēng)散熱扇開始工作降溫，以此循環(huán)，控制溫度恒定。補(bǔ)光燈的控制是通過檢測(cè)當(dāng)前光照與設(shè)定目標(biāo)光照的差值，再通過PID算法控制PWM的產(chǎn)生來控制燈光的強(qiáng)度。由熱釋電紅外傳感器來檢測(cè)外界環(huán)境的變化，輸出信號(hào)給單片機(jī)，由單片機(jī)將信號(hào)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)判斷信號(hào)，從而做出是否報(bào)警的動(dòng)作。 傳感器使用幾部分驅(qū)動(dòng)電路圖 無線通訊模塊與加熱模塊電路圖 ATmega16單片機(jī)最小系統(tǒng)4. 傳感器簡(jiǎn)介 DS18B20簡(jiǎn)介 DS18B20不同封裝與管腳圖 DS18B20數(shù)字溫度傳感器采用DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。 DS18B20的性能特點(diǎn) 適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：～，在寄生電源方式下可由數(shù) 據(jù)線供電 獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊 DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫 DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi) 溫范圍－55℃～＋125℃，在10～+85℃時(shí)精度為177?！? 可編程的分辨率為9～12位，℃、℃、℃℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫 在9位分辨率時(shí)最多在 ，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快 測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以一 線總線串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力 負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。 DHT11簡(jiǎn)介 DHT11實(shí)物圖DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。 DHT11的性能特點(diǎn) DATA 用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時(shí)間4ms左右,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,具體格式在下面說明,當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展,:一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit,高位先出。數(shù)據(jù)格式:8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和 數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。用戶MCU發(fā)送一次開始信號(hào)后,DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào),送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號(hào)采集,DHT11接收到開始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào),。總線空閑狀態(tài)為高電平,主機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng),主機(jī)把總線拉低必須大于18毫秒,保證DHT11能檢測(cè)到起始信號(hào)。DHT11接收到主機(jī)的開始信號(hào)后,等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束,延時(shí)等待2040us后, 讀取DHT11的響應(yīng)信號(hào),主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)后,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均可, 總線由上拉電阻拉高?？偩€為低電平,說明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào),DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)后,再把總線拉高80us,準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù),每一bit數(shù)據(jù)都以50us低電平時(shí)隙開始,則DHT11沒有響應(yīng),，DHT11拉低總線50us,隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。 熱釋電傳感器模塊簡(jiǎn)介及特性 熱釋電傳感器模塊實(shí)物圖 熱釋電紅外線傳感器由探測(cè)元、濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管阻抗變換器等三大部分組成。對(duì)不同的傳感器來說，探測(cè)元的制造材料有所不同。如SD02的敏感單元由鋯鈦酸鉛制成；P2288由LiTaO3 制成。將這些材料做成很薄的薄片，每一片薄片相對(duì)的兩面各引出一根電極，在電極兩端則形成一個(gè)等效的小電容。因?yàn)檫@兩個(gè)小電容是做在同一硅晶片上的，因此形成的等效小電容能自身產(chǎn)生極化，在電容的兩端產(chǎn)生極性相反的正、負(fù)電荷。傳感器中兩個(gè)電容是極性相反串聯(lián)的。當(dāng)傳感器沒有檢測(cè)到人體輻射出的紅外線信號(hào)時(shí)，在電容兩端產(chǎn)生極性相反、電量相等的正、負(fù)電荷，所以，正負(fù)電荷相互抵消，回路中無電流，傳感器無輸出。 當(dāng)人體靜止在傳感器的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)時(shí)，照射到兩個(gè)電容上的紅外線光能能量相等，且達(dá)到平衡，極性相反、能量相等的光電流在回路中相互抵消，傳感器仍然沒有信號(hào)輸出。當(dāng)人體在傳感器的檢測(cè)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，照射到兩個(gè)電容上的紅外線能量不相等，光電流在回路中不能相互抵消，傳感器有信號(hào)輸出。綜上所述，傳感器只對(duì)移動(dòng)或運(yùn)動(dòng)的人體和體溫近似人體的物體起作用。 光敏電阻傳感器原理及特性 光敏電阻實(shí)物圖 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。構(gòu)成光敏電阻的材料有金屬的硫化物、硒化物、碲化物等半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生空穴，電子—空穴對(duì)的出現(xiàn)使電阻率變小。光照愈強(qiáng)，光生電子—空穴對(duì)就越多，阻值就愈低。當(dāng)光敏電阻兩端加上電壓后，流過光敏電阻的電流隨光照增大而增大。入射光消失，電子空穴對(duì)逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值，電流也逐漸減小。光敏電阻的應(yīng)用光敏電阻屬半導(dǎo)體光敏器件，除具靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及r值一致性好等特點(diǎn)外，在高溫，多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，可廣泛應(yīng)用于照相機(jī)，太陽能庭院燈，草坪燈，驗(yàn)鈔機(jī)，石英鐘，音樂杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開關(guān)，路燈自動(dòng)開關(guān)以及各種光控玩具，光控?zé)麸?，燈具等光自?dòng)開關(guān)控制領(lǐng)域。 ZigBee無線模塊簡(jiǎn)介 ZigBee無線通訊模塊實(shí)物圖 。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。5. 溫室大棚控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)所使用的下位機(jī)為AVR單片機(jī)系列的ATmega16單片機(jī)，使用的下位機(jī)編程軟件為ICCV7 。整體程序框圖如下：DS18B20驅(qū)動(dòng)程序檢測(cè)實(shí)時(shí)溫度DHT11驅(qū)動(dòng)程序檢測(cè)實(shí)時(shí)濕度AD轉(zhuǎn)換內(nèi)外光敏電阻變換電壓值程序數(shù)據(jù)處理部分檢測(cè)熱釋電信號(hào)程序加熱器驅(qū)動(dòng)程序報(bào)警信號(hào)輸出程序通風(fēng)散熱扇驅(qū)動(dòng)程序串口發(fā)送程序補(bǔ)光燈驅(qū)動(dòng)程序定時(shí)器串口接收程序PWM波產(chǎn)生程序 由圖可以看出，下位機(jī)的程序模塊主要包括：1. 數(shù)據(jù)采集 單片機(jī)通過對(duì)DS18B20，DHT11的驅(qū)動(dòng)，讀出當(dāng)前棚內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度和濕度，對(duì)單片機(jī)內(nèi)AD的控制，實(shí)施對(duì)內(nèi)外光敏電阻電壓的采樣，反映出當(dāng)前時(shí)刻的光照強(qiáng)度。再通過對(duì)熱釋電的檢測(cè)程序，讀取熱釋電的當(dāng)前狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)的采集。2．?dāng)?shù)據(jù)處理 對(duì)采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，如將小數(shù)與整數(shù)合并，超過一字節(jié)的數(shù)分成若干字節(jié)存儲(chǔ)操作，完成對(duì)上位機(jī)發(fā)送過來的數(shù)比較操作等。3. 數(shù)據(jù)發(fā)送 將處理過的數(shù)通過無線傳輸模塊發(fā)送給上位機(jī)。4. 數(shù)據(jù)接收5. 實(shí)施控制 將接收回來的數(shù)據(jù)及操作命令進(jìn)行處理，并且同實(shí)時(shí)采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后