【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 基于單片機(jī)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)目 錄 1 1 22 總體方案設(shè)計(jì) 3 方案比較 3 方案一 3 方案二 4 方案論證 5 53 單元模塊設(shè)計(jì) 6 6 6 7 濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 7 9 9 鍵盤模塊設(shè)計(jì) 10 DS1302時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 11 顯示電路設(shè)計(jì) 12 13 15 I/O口擴(kuò)展電路 16 MAX232通訊電路設(shè)計(jì) 17 18 555振蕩電路 18 19 時(shí)鐘電路 20 特殊器件的介紹 20 DS18B20 21 HS1101 22 LCD1602 25 BH1750FVI 27 31 軟件設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)所用工具 31 軟件結(jié)構(gòu)圖 32 軟件流程框圖 32 總體流程圖 32 4x4矩陣鍵盤的軟件設(shè)計(jì)： 34 DS18B20的軟件程序設(shè)計(jì) 35 二氧化碳濃度傳感器6004程序設(shè)計(jì) 36 上/下位機(jī)程序設(shè)計(jì) 375. 系統(tǒng)調(diào)試 38 硬件調(diào)試 38 軟件調(diào)試 39 406結(jié)論 427 總結(jié)與體會(huì) 438謝辭 449 參考文獻(xiàn) 45附1 系統(tǒng)的原理電路圖 46附2 系統(tǒng)的相關(guān)軟件 48 溫室是一種可以改變植物生長(zhǎng)環(huán)境、為植物生長(zhǎng)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?chǎng)所。溫室生產(chǎn)以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進(jìn)生長(zhǎng)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,解放生產(chǎn)力。溫室中比較重要的環(huán)境參數(shù)包括有：溫度、濕度、光照、CO2濃度等，這幾個(gè)環(huán)境參數(shù)都對(duì)植物的生長(zhǎng)起到了比較關(guān)鍵的作用。溫室監(jiān)控系統(tǒng)基于現(xiàn)代科技技術(shù)對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)與控制，使得環(huán)境參數(shù)符合既定要求。 國(guó)外對(duì)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(chǎng)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)。目前正開發(fā)和研制計(jì)算機(jī)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(guó)的溫室控制技術(shù)發(fā)展很快，一些國(guó)家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正向著完全自動(dòng)化、無人化的方向發(fā)展。 我國(guó)對(duì)于溫室控制技術(shù)的研究較晚，始于20世紀(jì)80年代。我國(guó)工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國(guó)家溫室控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，才掌握了人工氣候室內(nèi)微機(jī)控制技術(shù)，該技術(shù)僅限于溫度、濕度和CO2濃度等單項(xiàng)環(huán)境因子的控制。90年代中后期，在對(duì)國(guó)外溫室設(shè)備配置、溫室栽培品種、栽培技術(shù)等各個(gè)方面進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，我國(guó)自主開發(fā)了一些研究性質(zhì)的環(huán)境控制系統(tǒng)。利用現(xiàn)代科技技術(shù)將原來的人工種植與管理到現(xiàn)在的自動(dòng)化的過渡。 現(xiàn)在的溫室管理系統(tǒng)在利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代控制理論對(duì)溫室的內(nèi)部和外部的各種環(huán)境因素的監(jiān)控，包括溫度、濕度、光照、CO2以及養(yǎng)料等，并且進(jìn)行自動(dòng)的控制和調(diào)節(jié)。利用各種傳感器將數(shù)據(jù)采集，監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境變化及控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，良好的人機(jī)效果使得操作過程簡(jiǎn)便。 本設(shè)計(jì)主要以單片機(jī)為核心來實(shí)現(xiàn)溫室監(jiān)控系統(tǒng)。以STC12C5A60S2芯片為核心的單片機(jī)小系統(tǒng)，用它來實(shí)現(xiàn)整個(gè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯控制。傳感器將采集到的信號(hào)傳送到單片機(jī)中，單片機(jī)將采集的信號(hào)處理后由LCD1602液晶實(shí)時(shí)顯示，便于觀察。用戶可以通過鍵盤輸入環(huán)境參數(shù)的閥值，單片機(jī)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)控制外圍設(shè)備狀態(tài)，例如繼電器的開合，加熱、加濕器的開始和停止，使得環(huán)境參數(shù)符合既定要求。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中較為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是對(duì)環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)和控制，例如：溫度、濕度、光照、二氧化碳的濃度等。傳統(tǒng)的方法是用毛發(fā)溫度表等簡(jiǎn)易器材和經(jīng)驗(yàn)來對(duì)溫室大棚環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)，這種人工測(cè)控的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且無法保證測(cè)量的連續(xù)性，測(cè)量的誤差大、隨機(jī)性大，為了克服以上的幾點(diǎn)不足，我們基于市場(chǎng)因素和價(jià)格成本的因素設(shè)計(jì)了溫室監(jiān)控系統(tǒng)，用于解決在農(nóng)業(yè)上的技術(shù)落后與成本高的問題。1月—2月，查閱和收集文獻(xiàn)資料；2月20日—3月15日，提出設(shè)計(jì)方案并對(duì)方案進(jìn)行比較和論證，并最終確定方案。3月16日—3月30日，進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)；4月1日—4月20日，進(jìn)行程序的編寫；4月21日—5月10日，進(jìn)行整機(jī)調(diào)試；5月10日—5月24日進(jìn)行報(bào)告的撰寫，并準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。2 總體方案設(shè)計(jì) 方案比較 方案一加熱加濕光照釋放CO2控制系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)溫度單片機(jī)89S52 濕度 光照強(qiáng)度LCD液晶顯示鍵盤 二氧化碳濃度 圖 21 方案一的原理框圖 方案一：本方案采用STC89S52單片機(jī)為控制器，處理由傳感器傳回的數(shù)據(jù)并根據(jù)鍵盤輸入的環(huán)境參數(shù)閥值來控制外部控制器的開啟和關(guān)閉，通過液晶實(shí)時(shí)顯示出環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。在溫度傳感器的選擇上我們選擇采用AD590溫度傳感器，AD590性能描述：測(cè)量范圍在50℃ +150℃，滿刻度范圍誤差為177。℃，當(dāng)電源電壓在5—10V之間，穩(wěn)定度為1﹪時(shí)，誤差只有177?！?。濕度傳感器采用HOS201濕敏傳感器，該傳感器為高濕度開關(guān)傳感器，工作電壓在交流1V以下頻率為50HZ～1KHZ，測(cè)量范圍為0%～100%RH，工作溫度為0～50℃，阻抗在75%RH(25℃)時(shí)為1MΩ。光照傳感器采用M124749，該光照度傳感器采用先進(jìn)的電路模塊技術(shù)開發(fā)變送器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光照度的測(cè)量，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓及電流信號(hào)。二氧化碳濃度檢測(cè)傳感器采用紅外二氧化碳傳感器6004。控制部分采用繼電器控制加熱、加濕、通光窗、排風(fēng)扇等外圍電器。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)預(yù)先由鍵盤設(shè)定的閥值作出相應(yīng)的控制動(dòng)作，控制外圍電器的開啟和關(guān)閉，并且LCD液晶顯示屏將實(shí)時(shí)顯示環(huán)境參數(shù)。其原理框圖如圖21所示。上位機(jī)RS232鍵盤時(shí)鐘人機(jī)交互系統(tǒng)報(bào)警LED液晶加熱通光排風(fēng)濕度光照強(qiáng)度二氧化碳溫度下位機(jī)（STC12C5A60S2）控制系統(tǒng) 檢測(cè)系統(tǒng)加濕 圖 22 方案二的原理框圖 方案二：本方案中采用上位機(jī)與下位機(jī)通訊的方式，將下位機(jī)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回上位機(jī)中，上位機(jī)也可以將控制命令傳遞下位機(jī)。在下位機(jī)的設(shè)計(jì)中采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為中央處理器。溫度傳感器采用DS18B20溫度傳感器，可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度信號(hào)的采集，只有一根信號(hào)線作為單總線與CPU連接。濕度傳感器采用HS1100/ HS1101濕度傳感器，該傳感器在電路結(jié)構(gòu)上等效于一個(gè)電容器，其電容量隨著土壤濕度的增大而增大，不需要校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)。在光照傳感器上采用GY30數(shù)字光模塊，IIC總線接口占用I/O口較少，線性度好。二氧化碳濃度檢測(cè)傳感器采用紅外二氧化碳傳感器6004?？刂撇糠植捎美^電器控制加熱、加濕、通光窗、排風(fēng)扇等外圍電器。 傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)預(yù)先由鍵盤設(shè)定的閥值作出相應(yīng)的控制動(dòng)作，并且LCD液晶顯示屏將實(shí)時(shí)顯示環(huán)境參數(shù)，在人際交互系統(tǒng)中加入了時(shí)鐘，用戶可以利用鍵盤可以進(jìn)行調(diào)試和定時(shí)工作。其原理框圖如圖22所示。 方案論證方案一使用的溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器 在一定范圍內(nèi)線性度很好能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在外圍的電路中稍顯復(fù)雜，不利于調(diào)節(jié)，同時(shí)占用較多的I/O口。方案二中使用傳感器較便宜成本低，也能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，只是在程序上比較復(fù)雜。溫室監(jiān)控系統(tǒng)要求能夠采集到溫室的環(huán)境參數(shù)，通過預(yù)先設(shè)定的閥值進(jìn)行智能控制并且顯示實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)，適合一些大型的大棚、溫室等對(duì)環(huán)境要求較為苛刻的場(chǎng)所。現(xiàn)代溫室中需要考慮到系統(tǒng)的可移植和可擴(kuò)展性，用戶可以根據(jù)自身的環(huán)境因素和需求更改相應(yīng)的參數(shù)。在成本的控制上，要盡可能的減少成本獲得最大的利益效果。溫室監(jiān)控系統(tǒng)比較重要的兩個(gè)指標(biāo)是采集的數(shù)據(jù)的精度和控制的準(zhǔn)確度。在濕度傳感器中雖然HOS201濕敏傳感器滿足精度和測(cè)量要求，但是只是限定與一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性性。在溫度傳感器中雖然AD590溫度傳感器要求的精度和適應(yīng)環(huán)境比DS18b20更高一點(diǎn)，但是后續(xù)的模擬電路較為復(fù)雜，反而引入了不確定量，DS18b20后續(xù)電路簡(jiǎn)單占用的I/O口數(shù)量少，為整體留出了足夠的I/O口資源。在光照的傳感器中光照度傳感器M124749具有良好的設(shè)計(jì)精度和線性度，但是成本昂貴，GY30數(shù)字光模塊具有較高的性價(jià)同時(shí)也能滿足設(shè)計(jì)要求，只是程序稍顯復(fù)雜。方案二中加入的時(shí)鐘系統(tǒng)更好的讓用戶設(shè)計(jì)調(diào)試和定時(shí)，合理的安排溫室環(huán)境溫度。綜上所述，選擇方案二。3 單元模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的硬件主要有STC12C5A60S2單片機(jī)系統(tǒng)，DS18B20組成的溫度檢測(cè)模塊，HS1101與NE555組成的濕度檢測(cè)模塊，數(shù)字光學(xué)傳感器GY30模塊，氣體傳感器6004組成的二氧化碳檢測(cè)模塊，繼電器驅(qū)動(dòng)電路和電源電路等。 主控制器為一個(gè)增強(qiáng)型51單片機(jī)系統(tǒng)的最小系統(tǒng)，我們選擇了STC12C5A60S2系列單片機(jī)，主控制器電路如圖31所示。STC12C5A60S2是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘周期的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但是速度快812倍。內(nèi)部集成MAX810專用的復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。，1280字節(jié)的RAM，4個(gè)16位定時(shí)器，3個(gè)時(shí)鐘輸出口，外部中斷I/O口7路，傳統(tǒng)的下降沿中斷或電平觸發(fā)中斷，并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，通用全雙工異步串行口（uart）。單片機(jī)最小系統(tǒng)主要以STC12C5A60S2為核心，附帶周圍電路如：復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，電源電路和接口電路等部分。電源和時(shí)鐘等電路是單片機(jī)運(yùn)行的核心部分，外部接口電路可以擴(kuò)展顯示、A/D轉(zhuǎn)換、鍵盤等是單片機(jī)完成本設(shè)計(jì)的要求。 圖31單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)主要負(fù)責(zé)信號(hào)的接收、處理、比對(duì)，根據(jù)鍵盤輸入的閥值來進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。在本系統(tǒng)中采用的是STC12C5A60S2單片機(jī)，負(fù)責(zé)統(tǒng)籌各個(gè)模塊的工作，信號(hào)的處理協(xié)調(diào)其他模塊的工作，將采集的信號(hào)處理判斷并且顯示，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，且工作效率的高低影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作效率，所選擇的單片機(jī)的功耗低，速度快，成本低，穩(wěn)定性好，滿足設(shè)計(jì)要求。DS18B20數(shù)字溫度計(jì)是DALLAS公司生產(chǎn)的1－Wire，即單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。在本系統(tǒng)中采用了DS18B20數(shù)字溫度傳感器，在硬件上，DS18B20與單片機(jī)的連接有兩種方法，一種是VCC接外部電源，GND接地，I/O與單片機(jī)的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時(shí)UDD、GND接地，I/O接單片機(jī)I/O。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/。通過單片機(jī)的控制DS18B20傳感器并實(shí)時(shí)讀取空氣溫度。數(shù)字溫度傳感器的測(cè)量電路如圖32所示： 圖32 溫度測(cè)量電路圖 濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 土壤的濕度影響著植物的生長(zhǎng)情況，過干和過濕都不利于植物生長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)中才采用的濕度傳感器為HS1101濕度傳感器，在電路中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)的土壤濕度增大而增大，如何將電容的變化量準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換成單片機(jī)易于接受的信號(hào)，常有兩種方法：一是將該濕敏傳感器置于運(yùn)放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)；另一種是將該濕敏傳感器置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)化為與之成反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被單片機(jī)所采集。本設(shè)計(jì)中采用的是測(cè)量555輸出的振蕩的方法，電路如圖3３所示。此外由于555振蕩輸出的方波存在外界干擾和自身器件原因，以及考慮單片機(jī)I/O口對(duì)電平的采集要求，所以在設(shè)計(jì)中加入一個(gè)由555構(gòu)成的方波整形電路，使得輸出的方波幅度固定，頻率不發(fā)生變化，其電路圖如34所示。 圖 33 555輸出震蕩電路圖圖33所示的電路為典型的555雙穩(wěn)態(tài)電路。HS1101作為電容變量接在555的TR引腳上，引腳7用作電阻R3的短路。等量電容HS1101通過R5與R8充電到門限電壓（），通過R8放電到觸發(fā)電平（），然后R5通過引腳7短路到地。傳感器由不同的電阻R5與R8充放電。電阻R9是為了短路保護(hù)，電阻R10是555的匹配電阻。 圖34 方波整形電路 圖34所示的電路為典型的方波整形電路，用555組成的施密特觸發(fā)器，當(dāng)ViVCC/3時(shí)，555輸出為高；如果VCC/3Vi2VCC/3,輸出維持高電平，一旦Vi2VCC/3,輸出就由高電平變?yōu)榈碗娖?，之后只要Vi2VCC/3，電路輸出端保持低電平不變。這樣施密特觸發(fā)器的正負(fù)閥值電壓分別是VCC/3和2VCC/3，這樣就控制了方波輸出的電壓值為正，方便單片機(jī)采集。在溫室中我們需要監(jiān)測(cè)溫室光照量，充足的光照能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)，所以本設(shè)計(jì)采用數(shù)字光照模塊GY30來監(jiān)測(cè)溫室系統(tǒng)的光照量。由于這個(gè)模塊的接口是I2C接口，占用I/O口資源較少，且測(cè)試精度較高，線性度好，光譜范圍和人眼接近，寬范圍和高分解性；外圍電路簡(jiǎn)單無需任何外部零件，對(duì)光源的依賴性不大。在本設(shè)計(jì)中我們將光照模塊直接和單片機(jī)I/O口相連，其原理圖如圖35所示。模塊的時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線分別接在Q6,Q7端，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)上，通過數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線寫入數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)的光照量顯