【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 第一章 緒論 3 1 緒論 研究背景 我國(guó)耕地面積逐年減少，截止 2020年，我國(guó)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(guó)農(nóng)業(yè)需要向優(yōu)質(zhì)、高效、高產(chǎn)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。如何在有限的農(nóng)業(yè)資源基礎(chǔ)上，面向我國(guó)農(nóng)業(yè)特點(diǎn)，借助先進(jìn)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(guó)現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有以下特點(diǎn)：農(nóng)作物對(duì)某些環(huán)境因子變化敏感，當(dāng)環(huán)境因子出現(xiàn)極端情況時(shí)，如不能 及時(shí)采取措施，農(nóng)作物就可能大面積減產(chǎn)，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)發(fā)育；如若持續(xù)低溫，則容易凍死菜苗，造成寒害。我國(guó)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(jìn)行管理，而目前我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以小家庭模式為主，農(nóng)業(yè)技術(shù)人員缺少、農(nóng)民知識(shí)水平較低，缺乏針對(duì)性的科學(xué)生產(chǎn)指導(dǎo)。 基于以上需求，有必要設(shè)計(jì)一種低成本、面向小規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)施農(nóng)業(yè)的環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警控制設(shè)備。能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程災(zāi)害氣候預(yù)警預(yù)報(bào)，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(shè)計(jì)一種操作簡(jiǎn)單、精確檢測(cè)控制的低成本監(jiān)控 預(yù)警 設(shè)備，使之既能保證對(duì)設(shè)施環(huán)境的實(shí)時(shí)檢測(cè)及預(yù)警， 同時(shí)在此基礎(chǔ)上可以增加另外的模塊 ，對(duì)溫室設(shè)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(yīng)用到設(shè)施農(nóng)業(yè)以來，國(guó)內(nèi)外許多公司、高校和研究機(jī)構(gòu)紛紛投入力量加入到這一領(lǐng)域。但直到本世紀(jì)初，人們?cè)谠擃I(lǐng)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(shù)、嵌入式技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的成熟，使人們看到設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)控應(yīng)用的潛能。至此，監(jiān)控應(yīng)用的研究進(jìn)入了迅速發(fā)展階段。 國(guó)外研 究現(xiàn)狀 國(guó)外借助 其電子技術(shù)與傳感器技術(shù) 方面的優(yōu)勢(shì)，環(huán)境及生物信息的獲取與監(jiān)視的 數(shù)字 設(shè)備較為成熟，已有很多基 于數(shù)字檢測(cè)的 先進(jìn)的產(chǎn)品化設(shè)備出售。其代表國(guó)家有荷蘭，日本，以色列和美國(guó)等。例如，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校所設(shè)計(jì)的環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用在俄勒岡州的一個(gè)葡萄園中，每隔一分鐘檢測(cè)一次土壤溫度、濕度和日照等信息，通過無線通信技術(shù)發(fā)送到信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)，再通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，再由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的相關(guān)應(yīng)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最后由葡萄園主從顯示系統(tǒng)中觀看分析結(jié)果。英國(guó)倫敦大學(xué)農(nóng)學(xué)院研制的溫室計(jì)算機(jī)遙控技術(shù)，可以觀 測(cè) 50km 以外溫室內(nèi)的光、濕、空氣溫濕度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì) 4 氣和水等環(huán)境狀況，并進(jìn)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(qiáng)的實(shí)用性，可以根據(jù)控制對(duì)象的特點(diǎn)選用不同類型的控制器及外圍設(shè)備，具體特點(diǎn)包括：具有一個(gè)綜合性的、實(shí)用靈活的、由許多控制應(yīng)用程序構(gòu)成的軟件包，可檢測(cè)溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)，主控制與控制網(wǎng)絡(luò)的通信可以通過電纜、無線或手機(jī)等方式進(jìn)行；軟件基于 Windows 平臺(tái)。 國(guó)內(nèi) 研究 現(xiàn)狀 與國(guó)外 應(yīng)用 相比，國(guó)內(nèi)在農(nóng)業(yè)方面的 數(shù)字 監(jiān)控領(lǐng)域的研究起步較晚，但也取的了很快進(jìn)展。從國(guó)內(nèi)對(duì)環(huán)境 監(jiān)控來 看， 大 部分溫室利用傳統(tǒng) 測(cè)量 儀器 相對(duì)比較 普遍 ， 這種測(cè)量?jī)x器在測(cè)量的便捷性和準(zhǔn)確性上有很大的缺限。一些其他的溫濕度測(cè)量?jī)x不但價(jià)格昂而且不利于以后的功能的擴(kuò)展即建立整個(gè)溫室的遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)控制設(shè)備。威訊紫晶科技公司開發(fā)了無線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由采集終端、數(shù)據(jù)收集器將測(cè)量到的溫度、濕度數(shù)據(jù)等通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)無線發(fā)送到中心監(jiān)控主機(jī)，可以同時(shí)監(jiān)測(cè)上百個(gè)采集器，網(wǎng)關(guān)支持 ZigBee技術(shù)，具有低成本、低功耗和安全簡(jiǎn)易等特點(diǎn)。適合大面積多因子的環(huán)境監(jiān)測(cè)，如連棟溫室等。在這復(fù)雜的系統(tǒng)中基礎(chǔ)的模塊就是溫濕度屏顯模塊。這個(gè)系統(tǒng)主要是對(duì)大型的溫室 ，其投資較大，系統(tǒng)比較復(fù)雜，操作復(fù)雜。 研究目的 與內(nèi)容 本項(xiàng)設(shè)計(jì)面向設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，采用 傳感和屏顯 信息技術(shù)，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)信息化、數(shù)字化結(jié)合，研制精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)設(shè)備。該設(shè)備能向用戶提供精確、實(shí)時(shí)的作物生長(zhǎng)的環(huán)境信息，對(duì)災(zāi)害氣候進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警，并提供部分控制功能，可調(diào)控部分環(huán)境因子，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的最佳條件。滿足大規(guī)模推廣需求，易于實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目成果的產(chǎn)品化。 本文以 STC89C51 單片機(jī)為核心處理器，通過對(duì)空氣溫濕度測(cè)量?jī)x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(hào)進(jìn)行各個(gè)模塊的軟件 編寫，進(jìn)行本次設(shè)計(jì)的電路硬件和軟件的校核，最終設(shè)計(jì)產(chǎn)品準(zhǔn)確顯示空氣的溫濕度。 論文結(jié)構(gòu) 本論文章節(jié)結(jié)構(gòu)按如下安排： 第一章介紹 監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)的研究背景、國(guó)內(nèi)外 利用 現(xiàn)狀、研究目的和論文結(jié)構(gòu)。 第二章給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖，選擇器件類型以及對(duì)設(shè)計(jì)中用到的元器件的介紹。 第三章硬件電路的設(shè)計(jì)，包括 主控 模塊、 溫濕度傳感器 模塊、電源模塊以及人機(jī)交互模塊電路設(shè)計(jì)。 第四章主要是軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，介紹單片機(jī)開發(fā)軟件 Keil，重點(diǎn)是各個(gè)模塊軟件設(shè)計(jì)。 第五章主要是系統(tǒng) 仿真驗(yàn)證分析 。 第一章 緒論 5 第六章主要是總結(jié)與展望?？諝鉁貪穸葴y(cè)量?jī)x設(shè)計(jì) 6 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 及元器件選型 本章節(jié)主要是對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)各個(gè)模塊器件的選型。先確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，再根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的類型確定各個(gè)系統(tǒng)模塊器件的類型。選出的各個(gè)模塊的型號(hào)關(guān)系到此次設(shè)計(jì)的所用的電路的類型和軟件編程的復(fù)雜程度，因此要考慮清楚每一個(gè)器件的優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)，為以后的工作減少負(fù)擔(dān)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 所謂的模塊化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單的說就是將產(chǎn)品的某些要素組合起來，構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的子系統(tǒng)，將這個(gè)子系統(tǒng)作為通用性的模塊與其他產(chǎn)品要素進(jìn)行多種組合，構(gòu)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(shè)計(jì)已被廣泛用于 機(jī)床、電子產(chǎn)品、航空、航天等設(shè)計(jì)領(lǐng)域。 本文設(shè)計(jì) 的溫濕度屏顯設(shè)計(jì) 是實(shí)現(xiàn)設(shè)施溫室作物的溫濕度 的數(shù)字顯示以及現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警 ， 如果加上一些外加模塊也可以 提供對(duì)卷簾機(jī)和滴灌設(shè)備的控制。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，該系統(tǒng)主要由 主控 模塊、 測(cè)量 模塊 、 電源模塊、 用戶 交互模塊及相關(guān)軟件組成。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，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(jī)模塊上，并將采集到的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上 ,由存儲(chǔ)在單片機(jī)的決策算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后做出是否 報(bào)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(duì)于采集到的數(shù)據(jù)可 定時(shí)發(fā)送給用戶，也可以定期存儲(chǔ)，當(dāng)用戶遠(yuǎn)程通過短信索取時(shí)發(fā)送給用戶，設(shè)備的控制支持現(xiàn)場(chǎng)的按鍵操作，也可以通過短信息遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及元器件選型 7 器件選型 在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上，最重要的是低功耗的設(shè)計(jì)。低功耗的設(shè)計(jì)可以分為硬件和軟件兩個(gè)方面，在硬件方面體現(xiàn)在芯片的選擇上。 單片機(jī) 模塊 選型 單片機(jī)是整個(gè) 主控模塊 的核心， 也是整個(gè)系統(tǒng)的核心， 直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體性能、價(jià)位、開發(fā)難度等。 因此在選擇時(shí)要綜合考慮 . 最終決定 采用 STC89C51/STC89C52 單片機(jī)作為控制模塊的核心 。此 單片機(jī)運(yùn)用比較廣泛， 單片機(jī)的處理速度能夠滿足本次設(shè)計(jì)需求，本次設(shè)計(jì)接口數(shù)量也能夠滿足。以前對(duì)這種類型的有過學(xué)習(xí)，能夠熟練的掌握 51 單片機(jī)的性能和軟件編程。此類型單片機(jī)的運(yùn)用參考實(shí)例也超過其他單片機(jī)。此外價(jià)格比較便宜，功耗較小，滿足各種應(yīng)用需求。非常適合這次設(shè)計(jì)，外加以前的了解更加可以提高本次設(shè)計(jì)的效率。 [17] STC89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介： STC89C51 是 ATMEL 公司 生產(chǎn)的單時(shí)鐘機(jī)器周期的單片機(jī)。 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 。 STC89C51RC 是采用 8051 核的 ISP 在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作 時(shí)鐘頻率 為 80MHz，片內(nèi)含 8K Bytes 的可反復(fù)擦寫多次的 Flash 只讀 程序存儲(chǔ)器 ，器件兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng) 及 80C51 引腳 結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位 中央處理器 和 ISP Flash 存儲(chǔ)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(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，省去了購(gòu)買通用編程器，而且速度更快。 STC89C52RC 系列 單片機(jī) 是單時(shí)鐘 /機(jī)器周期 (1T)的兼容 8051 內(nèi)核單片機(jī)，是高速 / 低功耗的新一代 8051 單片機(jī)，全新的流水線 /精簡(jiǎn)指令集 結(jié)構(gòu) ,內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路。 [48] 實(shí)物如圖 22。 圖 22 STC89C51 實(shí)物圖 測(cè)量模塊 選型 測(cè)量模塊的選型主要是以傳感器的選型為主，本次測(cè)量模塊設(shè)計(jì)要求的傳感器的種類為溫濕度傳感器。 空氣溫濕度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì) 8 傳感器的選型主要參考的參數(shù)有：供電電壓、測(cè)量范圍、測(cè)量精度、響應(yīng)時(shí)間、總線類型、輸出類型、成本。結(jié)合設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)合及測(cè)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(cè)量溫濕度。這個(gè)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(shè)計(jì)都比較復(fù)雜，輸出的為模擬型號(hào)，還要進(jìn)行信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，大大增加了復(fù)雜性。即使完成的 設(shè)計(jì)其精確性性也不高。還會(huì)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(duì)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(gè)傳感器，節(jié)約了單片機(jī)接口。另外對(duì)于 STC89C51 單片機(jī)的特性，只能夠接受數(shù)字信號(hào)。 SHT10 為數(shù)字傳感器，即直接可以輸出數(shù)字信號(hào)，因此可以直接與單片機(jī)相連，減少了模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。減小設(shè)計(jì)的復(fù)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(shù)參數(shù)如下 [1015]： 供電電壓 ： — 總線類型： I2C 溫度測(cè)量范圍： 40— ℃ 濕度測(cè)量范圍： 0— 100%RH SHT10 溫濕度傳感器實(shí)物見圖 23； SHT10 結(jié)構(gòu)見圖 24： 圖 23 實(shí)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(jiǎn)單，顯示清晰。但只能顯示數(shù)字和 abcdef 等若干簡(jiǎn)單的符號(hào)，有的復(fù)雜符號(hào)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(fù)雜的字符、數(shù)字。像素高，信號(hào)響應(yīng)時(shí) 間短，控制方便，顯示方式多，可以實(shí)現(xiàn)菜單驅(qū)動(dòng)方式的顯示效果，實(shí)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(diǎn)，且本身具有控制器，可以節(jié)約主單片機(jī)的一些資源更好的應(yīng)用到其他功能，減輕了主單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及元器件選型 9 液晶實(shí)物見圖 25， LM016L 接口圖見圖 26 圖 25 液晶實(shí)物圖 圖 26 LM016L 接口圖 LM016L 引腳簡(jiǎn)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(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K 的電位器調(diào)整對(duì)比度。 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。 第 5 腳： R/W 為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng) RS和 R/W 共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng) RS 為低電平 R/W 為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng) RS 為高電平 R/W 為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。 第 6 腳： E 端為使能端，當(dāng) E 端 由高電平跳變成低電平時(shí)，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(gè)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(jī) (STC89C51)做為處理核心，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，該系統(tǒng)主要由 主控 模塊、 測(cè)量 模塊、電源模塊、 用戶 交互模塊及相關(guān)軟件組成。 溫濕度傳感器是本系統(tǒng)的測(cè)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(shè)計(jì)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(hào)，減少了模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化，比較方便。 空氣溫濕度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì) 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(zhǎng)、無輻射、不易引起視疲勞等優(yōu)點(diǎn)，正在廣泛應(yīng)用于儀表、家用電器、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療儀器及交通和通信領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用 LM016L 液晶顯示模塊，它是 12864 點(diǎn)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(jī)接口直插相連 。 本章 小結(jié) 本章主要是對(duì) 溫濕度屏顯系統(tǒng) 的總體設(shè)計(jì)，以及設(shè)備設(shè)計(jì)所需的各模塊的主要元器的性能要求和選型結(jié)果 。 第三章 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 11 3 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 空氣溫濕度測(cè)