【文章內容簡介】 第一章 緒論 3 1 緒論 研究背景 我國耕地面積逐年減少，截止 2020年，我國耕地面積為 ，比上年減少 30萬公頃，人均耕地面積僅為 926㎡，不到世界人均的 40%，我國農(nóng)業(yè)需要向優(yōu)質、高效、高產(chǎn)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉型。如何在有限的農(nóng)業(yè)資源基礎上，面向我國農(nóng)業(yè)特點，借助先進的科技手段提高生產(chǎn)效率已經(jīng)成為必須解決的重大問題。 我國現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有以下特點：農(nóng)作物對某些環(huán)境因子變化敏感，當環(huán)境因子出現(xiàn)極端情況時，如不能 及時采取措施，農(nóng)作物就可能大面積減產(chǎn)，造成嚴重經(jīng)濟損失。如若持續(xù)高溫，容易造成病蟲滋生蔓延，從而影響植株的正常生長發(fā)育；如若持續(xù)低溫，則容易凍死菜苗，造成寒害。我國地域遼闊、氣候多樣，生產(chǎn)條件千差萬別，不同作物、不同品種均需因地制宜進行管理，而目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以小家庭模式為主，農(nóng)業(yè)技術人員缺少、農(nóng)民知識水平較低，缺乏針對性的科學生產(chǎn)指導。 基于以上需求，有必要設計一種低成本、面向小規(guī)模生產(chǎn)的設施農(nóng)業(yè)的環(huán)境監(jiān)測預警控制設備。能夠實現(xiàn)環(huán)境因子的實時監(jiān)測和遠程災害氣候預警預報，從而有效避免夏季高溫和冬季寒害帶來的 損害 ，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量 。 本文設計一種操作簡單、精確檢測控制的低成本監(jiān)控 預警 設備，使之既能保證對設施環(huán)境的實時檢測及預警， 同時在此基礎上可以增加另外的模塊 ，對溫室設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義 。 研究 現(xiàn)狀 自從監(jiān)控應用到設施農(nóng)業(yè)以來，國內外許多公司、高校和研究機構紛紛投入力量加入到這一領域。但直到本世紀初，人們在該領域的研究工作還基本上處于起步階段。直到 2020 年，微電子技術、嵌入式技術和微機電系統(tǒng)技術的成熟，使人們看到設施農(nóng)業(yè)監(jiān)控應用的潛能。至此，監(jiān)控應用的研究進入了迅速發(fā)展階段。 國外研 究現(xiàn)狀 國外借助 其電子技術與傳感器技術 方面的優(yōu)勢，環(huán)境及生物信息的獲取與監(jiān)視的 數(shù)字 設備較為成熟，已有很多基 于數(shù)字檢測的 先進的產(chǎn)品化設備出售。其代表國家有荷蘭，日本，以色列和美國等。例如，美國加州大學伯克利分校所設計的環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，應用在俄勒岡州的一個葡萄園中，每隔一分鐘檢測一次土壤溫度、濕度和日照等信息，通過無線通信技術發(fā)送到信號接收節(jié)點，再通過網(wǎng)絡發(fā)送到計算機上，再由計算機系統(tǒng)中的相關應用軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理，最后由葡萄園主從顯示系統(tǒng)中觀看分析結果。英國倫敦大學農(nóng)學院研制的溫室計算機遙控技術，可以觀 測 50km 以外溫室內的光、濕、空氣溫濕度測量儀設計 4 氣和水等環(huán)境狀況，并進行遙控。以色列溫室環(huán)境控制系統(tǒng)是現(xiàn)階段比較典型的代表性產(chǎn)品，具有很強的實用性，可以根據(jù)控制對象的特點選用不同類型的控制器及外圍設備，具體特點包括：具有一個綜合性的、實用靈活的、由許多控制應用程序構成的軟件包，可檢測溫度、濕度、風速、風向等數(shù)據(jù)，主控制與控制網(wǎng)絡的通信可以通過電纜、無線或手機等方式進行；軟件基于 Windows 平臺。 國內 研究 現(xiàn)狀 與國外 應用 相比，國內在農(nóng)業(yè)方面的 數(shù)字 監(jiān)控領域的研究起步較晚，但也取的了很快進展。從國內對環(huán)境 監(jiān)控來 看， 大 部分溫室利用傳統(tǒng) 測量 儀器 相對比較 普遍 ， 這種測量儀器在測量的便捷性和準確性上有很大的缺限。一些其他的溫濕度測量儀不但價格昂而且不利于以后的功能的擴展即建立整個溫室的遠程的監(jiān)測控制設備。威訊紫晶科技公司開發(fā)了無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，由采集終端、數(shù)據(jù)收集器將測量到的溫度、濕度數(shù)據(jù)等通過 GPRS 網(wǎng)絡無線發(fā)送到中心監(jiān)控主機，可以同時監(jiān)測上百個采集器，網(wǎng)關支持 ZigBee技術，具有低成本、低功耗和安全簡易等特點。適合大面積多因子的環(huán)境監(jiān)測，如連棟溫室等。在這復雜的系統(tǒng)中基礎的模塊就是溫濕度屏顯模塊。這個系統(tǒng)主要是對大型的溫室 ，其投資較大，系統(tǒng)比較復雜，操作復雜。 研究目的 與內容 本項設計面向設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，采用 傳感和屏顯 信息技術，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)信息化、數(shù)字化結合，研制精準農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測設備。該設備能向用戶提供精確、實時的作物生長的環(huán)境信息，對災害氣候進行現(xiàn)場預警，并提供部分控制功能，可調控部分環(huán)境因子，實現(xiàn)農(nóng)作物生長環(huán)境的最佳條件。滿足大規(guī)模推廣需求，易于實現(xiàn)項目成果的產(chǎn)品化。 本文以 STC89C51 單片機為核心處理器，通過對空氣溫濕度測量儀的模塊化，選擇出不同的元器件類型 [20]，根據(jù)元器件類型的型號進行各個模塊的軟件 編寫，進行本次設計的電路硬件和軟件的校核，最終設計產(chǎn)品準確顯示空氣的溫濕度。 論文結構 本論文章節(jié)結構按如下安排： 第一章介紹 監(jiān)測 系統(tǒng)的研究背景、國內外 利用 現(xiàn)狀、研究目的和論文結構。 第二章給出系統(tǒng)設計原理框圖，選擇器件類型以及對設計中用到的元器件的介紹。 第三章硬件電路的設計，包括 主控 模塊、 溫濕度傳感器 模塊、電源模塊以及人機交互模塊電路設計。 第四章主要是軟件設計與實現(xiàn)，介紹單片機開發(fā)軟件 Keil，重點是各個模塊軟件設計。 第五章主要是系統(tǒng) 仿真驗證分析 。 第一章 緒論 5 第六章主要是總結與展望?？諝鉁貪穸葴y量儀設計 6 2 系統(tǒng)結構設計 及元器件選型 本章節(jié)主要是對系統(tǒng)結構設計和系統(tǒng)各個模塊器件的選型。先確定系統(tǒng)結構，再根據(jù)系統(tǒng)結構的類型確定各個系統(tǒng)模塊器件的類型。選出的各個模塊的型號關系到此次設計的所用的電路的類型和軟件編程的復雜程度，因此要考慮清楚每一個器件的優(yōu)點缺點，為以后的工作減少負擔。 系統(tǒng)結構設計 所謂的模塊化設計，簡單的說就是將產(chǎn)品的某些要素組合起來，構成一個具有特定功能的子系統(tǒng)，將這個子系統(tǒng)作為通用性的模塊與其他產(chǎn)品要素進行多種組合，構成新的系統(tǒng)，產(chǎn)生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產(chǎn)品。模塊化設計已被廣泛用于 機床、電子產(chǎn)品、航空、航天等設計領域。 本文設計 的溫濕度屏顯設計 是實現(xiàn)設施溫室作物的溫濕度 的數(shù)字顯示以及現(xiàn)場報警 ， 如果加上一些外加模塊也可以 提供對卷簾機和滴灌設備的控制。采用模塊化設計思想，該系統(tǒng)主要由 主控 模塊、 測量 模塊 、 電源模塊、 用戶 交互模塊及相關軟件組成。整個系統(tǒng)以單片機為控制核心，系統(tǒng)運行時，首先將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳送到單片機模塊上，并將采集到的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上 ,由存儲在單片機的決策算法對數(shù)據(jù)進行分析后做出是否 報警燈開和啟蜂鳴器響起。也可以在以后的開發(fā)中加入通信模塊從而 對于采集到的數(shù)據(jù)可 定時發(fā)送給用戶，也可以定期存儲，當用戶遠程通過短信索取時發(fā)送給用戶，設備的控制支持現(xiàn)場的按鍵操作，也可以通過短信息遠程控制。系統(tǒng) 模塊 示意圖如 21 所示： 圖 21 溫濕度儀模塊 示意圖 第二章 系統(tǒng)結構設計及元器件選型 7 器件選型 在系統(tǒng)的硬件設計上，最重要的是低功耗的設計。低功耗的設計可以分為硬件和軟件兩個方面，在硬件方面體現(xiàn)在芯片的選擇上。 單片機 模塊 選型 單片機是整個 主控模塊 的核心， 也是整個系統(tǒng)的核心， 直接關系到系統(tǒng)的整體性能、價位、開發(fā)難度等。 因此在選擇時要綜合考慮 . 最終決定 采用 STC89C51/STC89C52 單片機作為控制模塊的核心 。此 單片機運用比較廣泛， 單片機的處理速度能夠滿足本次設計需求，本次設計接口數(shù)量也能夠滿足。以前對這種類型的有過學習，能夠熟練的掌握 51 單片機的性能和軟件編程。此類型單片機的運用參考實例也超過其他單片機。此外價格比較便宜，功耗較小，滿足各種應用需求。非常適合這次設計，外加以前的了解更加可以提高本次設計的效率。 [17] STC89C51 單片機簡介： STC89C51 是 ATMEL 公司 生產(chǎn)的單時鐘機器周期的單片機。 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 。 STC89C51RC 是采用 8051 核的 ISP 在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作 時鐘頻率 為 80MHz，片內含 8K Bytes 的可反復擦寫多次的 Flash 只讀 程序存儲器 ，器件兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng) 及 80C51 引腳 結構，芯片內集成了通用 8 位 中央處理器 和 ISP Flash 存儲單元 ，具有在系統(tǒng)可編程（ ISP）特性，配合 PC 端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內部，省去了購買通用編程器，而且速度更快。 STC89C52RC 系列 單片機 是單時鐘 /機器周期 (1T)的兼容 8051 內核單片機，是高速 / 低功耗的新一代 8051 單片機，全新的流水線 /精簡指令集 結構 ,內部集成 MAX810 專用復位電路。 [48] 實物如圖 22。 圖 22 STC89C51 實物圖 測量模塊 選型 測量模塊的選型主要是以傳感器的選型為主，本次測量模塊設計要求的傳感器的種類為溫濕度傳感器。 空氣溫濕度測量儀設計 8 傳感器的選型主要參考的參數(shù)有：供電電壓、測量范圍、測量精度、響應時間、總線類型、輸出類型、成本。結合設備應用場合及測量精度和范圍 [1]， 提出兩種方案： 方案一：選擇溫度傳感器 RTD 和濕度傳感器 C5M3 組合測量溫濕度。這個方案有一定的可行性，但是這種組合無論是電路圖還是軟件設計都比較復雜，輸出的為模擬型號，還要進行信號的模數(shù)轉換，大大增加了復雜性。即使完成的 設計其精確性性也不高。還會增加成本。 方案二：采用溫濕度一體的傳感器，其中選擇使用相對廣泛的 SHT10。 溫濕度傳感器 SHT10 是 體積小功耗低 的 數(shù)字傳感器 [16]。只有一個傳感器，節(jié)約了單片機接口。另外對于 STC89C51 單片機的特性，只能夠接受數(shù)字信號。 SHT10 為數(shù)字傳感器，即直接可以輸出數(shù)字信號，因此可以直接與單片機相連，減少了模數(shù)轉換電路。減小設計的復雜程度。此傳感器比較精度高，也可以提高產(chǎn)品的精確度。 經(jīng)過考慮選用方案二可以更加滿足需求。 SHT10 傳感器 其主要技術參數(shù)如下 [1015]： 供電電壓 ： — 總線類型： I2C 溫度測量范圍： 40— ℃ 濕度測量范圍： 0— 100%RH SHT10 溫濕度傳感器實物見圖 23； SHT10 結構見圖 24： 圖 23 實物圖 圖 24 傳感器接口圖 液晶模塊選型 方案一：用 LED 數(shù)碼管顯示。 LED 功耗低，控制簡單，顯示清晰。但只能顯示數(shù)字和 abcdef 等若干簡單的符號，有的復雜符號無法顯示，不能更直觀和透徹的顯示數(shù)據(jù)。 方案二：用 LCD 液晶屏顯示?？梢燥@示各種復雜的字符、數(shù)字。像素高，信號響應時 間短，控制方便，顯示方式多，可以實現(xiàn)菜單驅動方式的顯示效果，實現(xiàn)編輯模塊全屏幕編輯的功能。 LCD 同樣具有功耗低的特點，且本身具有控制器，可以節(jié)約主單片機的一些資源更好的應用到其他功能，減輕了主單片機的負擔，同時顯示數(shù)據(jù)更全面徹底。 基于上述分析，選擇方案二，采用 LM016L 顯示。 第二章 系統(tǒng)結構設計及元器件選型 9 液晶實物見圖 25， LM016L 接口圖見圖 26 圖 25 液晶實物圖 圖 26 LM016L 接口圖 LM016L 引腳簡介： 第 1 腳： VSS 為地電源。 第 2 腳： VDD 接 5V 正電源。 第 3 腳： VEE 為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個 10K 的電位器調整對比度。 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 第 5 腳： R/W 為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當 RS和 R/W 共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當 RS 為低電平 R/W 為高電平時可以讀忙信號，當 RS 為高電平 R/W 為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 第 6 腳： E 端為使能端，當 E 端 由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 7～ 14 腳： D0～ D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。 第 15 腳：背光源正極。 LM016L 主要性能： 顯示容量 :16 2 個字符 芯片工作電壓 :— 工作電流 :() 模塊最佳工作電壓 : 字符尺寸 : (W H)mm 硬件選型綜述 經(jīng)過上述的選擇決定 系統(tǒng)以 51 系列單片機 (STC89C51)做為處理核心，采用模塊化設計思想，該系統(tǒng)主要由 主控 模塊、 測量 模塊、電源模塊、 用戶 交互模塊及相關軟件組成。 溫濕度傳感器是本系統(tǒng)的測量元件，傳感器性能的好壞直接影響到本系統(tǒng)性能的好壞。在本設計中溫濕度傳感器采用的是 SHT10。 并且 SHT10 傳感器有產(chǎn)生的是數(shù)字信號，減少了模擬信號到數(shù)字信號的轉化，比較方便。 空氣溫濕度測量儀設計 10 在本系統(tǒng)中，采用 LCD 作為顯示單元， LCD 液晶顯示器具有功耗低、壽命長、無輻射、不易引起視疲勞等優(yōu)點，正在廣泛應用于儀表、家用電器、計算機、醫(yī)療儀器及交通和通信領域。本系統(tǒng)采用 LM016L 液晶顯示模塊，它是 12864 點陣型液晶模塊，自帶字庫，可顯示各種字符及圖形 ，可以和單片機接口直插相連 。 本章 小結 本章主要是對 溫濕度屏顯系統(tǒng) 的總體設計，以及設備設計所需的各模塊的主要元器的性能要求和選型結果 。 第三章 硬件電路設計與實現(xiàn) 11 3 硬件電路設計與實現(xiàn) 空氣溫濕度測