【正文】 測和控制，例如：溫度、濕度、光照、二氧化碳的濃度等。傳感器將采集到的信號傳送到單片機(jī)中，單片機(jī)將采集的信號處理后由LCD1602液晶實(shí)時顯示，便于觀察。 本設(shè)計主要以單片機(jī)為核心來實(shí)現(xiàn)溫室監(jiān)控系統(tǒng)。 現(xiàn)在的溫室管理系統(tǒng)在利用計算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代控制理論對溫室的內(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)行自動的控制和調(diào)節(jié)。90年代中后期，在對國外溫室設(shè)備配置、溫室栽培品種、栽培技術(shù)等各個方面進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，我國自主開發(fā)了一些研究性質(zhì)的環(huán)境控制系統(tǒng)。 我國對于溫室控制技術(shù)的研究較晚，始于20世紀(jì)80年代。目前正開發(fā)和研制計算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的多因子綜合控制系統(tǒng)。先是采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進(jìn)行指示、記錄和控制。溫室監(jiān)控系統(tǒng)基于現(xiàn)代科技技術(shù)對溫室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測與控制，使得環(huán)境參數(shù)符合既定要求。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。畢業(yè)設(shè)計說明書 基于單片機(jī)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計目 錄 1 1 22 總體方案設(shè)計 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 6 6 6 7 濕度檢測模塊設(shè)計 7 9 9 鍵盤模塊設(shè)計 10 DS1302時鐘電路設(shè)計 11 顯示電路設(shè)計 12 13 15 I/O口擴(kuò)展電路 16 MAX232通訊電路設(shè)計 17 18 555振蕩電路 18 19 時鐘電路 20 特殊器件的介紹 20 DS18B20 21 HS1101 22 LCD1602 25 BH1750FVI 27 31 軟件設(shè)計原理及設(shè)計所用工具 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： 34 DS18B20的軟件程序設(shè)計 35 二氧化碳濃度傳感器6004程序設(shè)計 36 上/下位機(jī)程序設(shè)計 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 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環(huán)境、為植物生長創(chuàng)造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱鏊?。溫室生產(chǎn)以達(dá)到調(diào)節(jié)產(chǎn)期，促進(jìn)生長發(fā)育，防治病蟲害及提高質(zhì)量、產(chǎn)量等為目的。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，這幾個環(huán)境參數(shù)都對植物的生長起到了比較關(guān)鍵的作用。 國外對溫室環(huán)境控制技術(shù)研究較早，始于20世紀(jì)70年代。80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界各國的溫室控制技術(shù)發(fā)展很快，一些國家在實(shí)現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)上正向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展。我國工程技術(shù)人員在吸收發(fā)達(dá)國家溫室控制技術(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。利用現(xiàn)代科技技術(shù)將原來的人工種植與管理到現(xiàn)在的自動化的過渡。利用各種傳感器將數(shù)據(jù)采集，監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時檢測環(huán)境變化及控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，良好的人機(jī)效果使得操作過程簡便。以STC12C5A60S2芯片為核心的單片機(jī)小系統(tǒng)，用它來實(shí)現(xiàn)整個溫室監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯控制。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。傳統(tǒng)的方法是用毛發(fā)溫度表等簡易器材和經(jīng)驗(yàn)來對溫室大棚環(huán)境參數(shù)的檢測，這種人工測控的方法費(fèi)時費(fèi)力，并且無法保證測量的連續(xù)性，測量的誤差大、隨機(jī)性大，為了克服以上的幾點(diǎn)不足，我們基于市場因素和價格成本的因素設(shè)計了溫室監(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。3月16日—3月30日，進(jìn)行硬件電路設(shè)計；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)行報告的撰寫，并準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計答辯。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：測量范圍在50℃ +150℃，滿刻度范圍誤差為177?！?。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)對環(huán)境光照度的測量，輸出標(biāo)準(zhǔn)的電壓及電流信號?？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。其原理框圖如圖21所示。在下位機(jī)的設(shè)計中采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為中央處理器。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，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)。二氧化碳濃度檢測傳感器采用紅外二氧化碳傳感器6004。 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)的控制動作，并且LCD液晶顯示屏將實(shí)時顯示環(huán)境參數(shù)，在人際交互系統(tǒng)中加入了時鐘，用戶可以利用鍵盤可以進(jìn)行調(diào)試和定時工作。 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)計要求，在外圍的電路中稍顯復(fù)雜，不利于調(diào)節(jié)，同時占用較多的I/O口。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)時環(huán)境參數(shù)，適合一些大型的大棚、溫室等對環(huán)境要求較為苛刻的場所。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。在濕度傳感器中雖然HOS201濕敏傳感器滿足精度和測量要求，但是只是限定與一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性性。在光照的傳感器中光照度傳感器M124749具有良好的設(shè)計精度和線性度，但是成本昂貴，GY30數(shù)字光模塊具有較高的性價同時也能滿足設(shè)計要求，只是程序稍顯復(fù)雜。綜上所述，選擇方案二。 主控制器為一個增強(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。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。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，時鐘電路，電源電路和接口電路等部分。 圖31單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖本設(shè)計中，單片機(jī)主要負(fù)責(zé)信號的接收、處理、比對，根據(jù)鍵盤輸入的閥值來進(jìn)行相應(yīng)的動作。DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的1－Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點(diǎn)。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UDD、GND接地，I/O接單片機(jī)I/O。通過單片機(jī)的控制DS18B20傳感器并實(shí)時讀取空氣溫度。本設(shè)計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電容器件，其電容量隨著所測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，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經(jīng)整流、直流放大、再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號；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，可直接被單片機(jī)所采集。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口對電平的采集要求，所以在設(shè)計中加入一個由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。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。傳感器由不同的電阻R5與R8充放電。 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，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。在溫室中我們需要監(jiān)測溫室光照量，充足的光照能夠促進(jìn)植物生長，所以本設(shè)計采用數(shù)字光照模塊GY30來監(jiān)測溫室系統(tǒng)的光照量。在本設(shè)計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。 圖35 GY30模塊電路 在溫室中CO2的濃度影響著植物的光合作用，所以在設(shè)計中我們需要對溫室的C02濃度進(jìn)行檢測。該傳感器利用非分光紅外（NDIR）原理檢測二氧化碳濃度，由一個鍍金封裝的光學(xué)系統(tǒng)和其他嚴(yán)格篩選的信號放大和處理元器件組成。40ppm或者讀數(shù)的3%；響應(yīng)時間小于兩分鐘即可達(dá)到典型階躍變化的90%。設(shè)入射光是平行光，其強(qiáng)度為I0，出射光的強(qiáng)度為I，氣體介質(zhì)的厚度為L．當(dāng)由氣體介質(zhì)中的分子數(shù)dN的吸收所造成的光強(qiáng)減弱為dI時，根據(jù)朗伯比爾吸收定律： （31）式中K為比例常數(shù)。顯然，有： N∝cL式中c為氣體濃度。吸收系數(shù)取決于氣體特性，各種氣體的吸收系數(shù)U互不相同。若吸收介質(zhì)中含i種吸收氣體，則式（33）應(yīng)改為 ） （34）此對于多種混合氣體，為了分析特定組分，應(yīng)該在傳感器或紅外光源前安裝一個適合分析氣體吸收波長的窄帶濾光片，使傳感器的信號變化只反映被測氣體濃度變化。這里考慮到數(shù)字輸出比模擬輸出精度高并且抗干擾性好，本設(shè)計采用UART接口來讀取傳感器輸出的數(shù)字信號?！　　　　? 圖36二氧化碳傳感器6004接口圖 鍵盤模塊設(shè)計 在溫室監(jiān)控系統(tǒng)中，需要采用鍵盤對溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度的設(shè)定，輸入相應(yīng)的閥值。功能圖如圖37所示。掃描鍵盤的時候，我們讀P1口，看P1是 否還為0xF0,如果仍為0xF0，則表示沒有按鍵按下；如果不0xF0，我們先等待10ms左右，再讀P1口，再次確認(rèn)是否為0xF0，這是為了防止是 抖動干擾造成錯誤識別，如果不是那就說明是真的有按鍵按下了，我們就可以讀鍵碼來識別到底是哪一個鍵按下了。本設(shè)計中采用的是DS1302時鐘芯片，DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計時，具有閏年補(bǔ)償功能。DS1302增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。8腳接的是備用電源VCC1，主電源是VCC1為+5V，當(dāng)VCC2VCC1+，由VCC2向DS1302供電，當(dāng)VCC2VCC1時，由VCC1向DS1302供電。 在LCD液晶顯示屏上顯示出年月日，如果主電源和備用電源都斷電后，DS1302斷電，當(dāng)再次通電后DS1302重啟，按照程序初始時間開始計時，可以通過鍵盤的調(diào)時鍵來進(jìn)行調(diào)試。液晶顯示模塊是一種將液晶顯示器件、連接件、集成電路、PCB線路板、背光源、結(jié)構(gòu)件裝配在一起的組件．英文名稱叫“LCD Module”，簡稱“LCM”，中文一般稱為“液晶顯示模塊”。液晶顯示模塊可以顯示字符，又可以顯示簡單的圖形。1602LCD有16條引腳線，1腳接地，2腳接電源，3腳為液晶顯示器對比度調(diào)整端，外接一個滑動電阻用以調(diào)整對比度，4腳為寄存器選擇，5腳為讀寫信號線，6腳為使能端，6腳連接到單片機(jī)，由單片機(jī)控制。LCD1602接線圖如圖310所示。當(dāng)按鍵盤調(diào)溫鍵時1602顯示Function Option Temperature，然后按09鍵輸入溫度閥值；當(dāng)鍵盤調(diào)濕時1602顯示Function Option RH；當(dāng)鍵盤調(diào)時和定時時，1602顯示Timer ChoseKey:UP/DOWN；當(dāng)鍵盤調(diào)光時1602顯示Function Option GZ；當(dāng)鍵盤調(diào)CO2時，1602顯示Function Option CO2。驅(qū)動電流在MA級以下，而要把它用于一些大功率場合，比如控制電動機(jī)，顯然是不可能的。繼電器就是一個典型、簡單有效的功率驅(qū)動器。 本設(shè)計使用的是電磁繼電器，其構(gòu)造如圖311所示，A是電磁鐵，B是銜鐵，C是彈簧，D是動觸點(diǎn)，E是靜觸點(diǎn)?？刂齐娐肥怯呻姶盆FA、銜鐵B、低壓電源E1和開關(guān)組成；工作電路是由小燈泡L、電源E2和相當(dāng)于開關(guān)的靜觸點(diǎn)、動觸點(diǎn)組成。用手指將動觸點(diǎn)壓下，則D、E間因動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)接觸而將工作電路接通，小燈泡L發(fā)光。這時彈簧被拉長，觀察到工作電路被接通，小燈泡L發(fā)光。銜鐵在彈簧的拉力作用下回到原來的位置，動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)分開，工作電路被切斷，小燈泡L不發(fā)光。當(dāng)Q1口輸入為高電平時，光耦斷開，三極管基極為低電平，三極管未導(dǎo)通，繼電器斷開。 圖312 繼電器控制電路圖繼電器控制外圍的加熱器、風(fēng)扇、電機(jī)等器件，當(dāng)外界溫度超過閥值時，控制風(fēng)扇的繼電器閉合，風(fēng)扇工作使得溫室降溫，當(dāng)溫度降低到閥值時繼電器斷開，風(fēng)扇停止工作；當(dāng)外界溫度低于閥值時，控制加熱器的繼電器閉合，加熱器工作使得溫室溫度上升，當(dāng)溫度到達(dá)閥值時，繼電器斷開，加熱器停止工作，由以上原理繼電器控制著其他的器件的工作和停止。在單片機(jī)控制板中設(shè)計的+5v電壓，在繼電器控制板上設(shè)計的+5v和+12v電壓。線性穩(wěn)壓電源原理圖如圖313（1）、（2）所示。 圖313（1）電源原理圖。 在本設(shè)計中我們采用一片74HC573和一片74HC244來組成I/O口擴(kuò)展電路。當(dāng)鎖存使能變低時，符合建立時間和保持時間的數(shù)據(jù)會被鎖存，在設(shè)計中74HC573用以作為擴(kuò)展輸出。I/O口擴(kuò)展電路原理圖如圖314所示