【正文】 這種人工測(cè)控的方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且無(wú)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(wèn)題。 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(xiě)； 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(xiě)，并準(zhǔn)備畢業(yè)設(shè)計(jì)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(cè)量范圍在 50℃ +150℃ ，滿(mǎn)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(kāi)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) 。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。其原理框圖如圖 21 所示。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。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) 。二氧化碳濃度檢測(cè)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(pán)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(hù)可以利用鍵盤(pán)可以進(jìn)行調(diào)試和定時(shí)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(xiàn)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。 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(guò)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。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(mǎn)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(xiàn)性性。在光照的傳感器中光照度傳感器 M124749 具有良好的設(shè) 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 計(jì)精度和線(xiàn)性度，但是成本昂貴， GY30 數(shù)字光模塊具有較高的性?xún)r(jià)同時(shí)也能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，只是程序稍顯復(fù)雜。 綜上所述，選擇方案二。 主控制器設(shè)計(jì) 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。內(nèi)部集成 MAX810專(zhuān)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?chē)娐啡纾簭?fù)位電路，時(shí)鐘電路，電源電路和接口電路等部分。 EA/VP31X119X218RESET91716121314151234567839383736353433322122232425262728PSEN29ALE/P301110IC2STC89C5XALEPORT0_0PORT0_1PORT0_2PORT0_3PORT0_4PORT0_5PORT0_6PORT0_7PORT2_0PORT2_1PORT2_2PORT2_3PORT2_4PORT2_5PORT2_6PORT2_7RXD()TXD()PESNWRITE()REAR()MCU RESTXTAL2XTAL1T0()T1()INT0()INT1()PORT1_7PORT1_6PORT1_4PORT1_5PORT1_3PORT1_2PORT1_1PORT1_0R71K+5VX212MC1322pFC1222pFGNDMUC(STC12C5A60S2)C8R6GND+5VK1KEY4VCC 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(pán)輸入的閥值來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。 溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)是 DALLAS 公司生產(chǎn)的 1－ Wire，即單總線(xiàn)器件，具有線(xiàn)路簡(jiǎn)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(xiàn)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。通過(guò)單片機(jī)的控制 DS18B20 傳感器并實(shí)時(shí)讀取空氣溫度。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(guò)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。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。 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。 T0()GND1TK2OUT3R4CL5TR6TC7VCC8IC6NE555+5VC17104GNDVi 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?Vi2VCC/3，電路輸出端保持低電平不變。 光照檢測(cè)模塊 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(lái)監(jiān)測(cè)溫室系統(tǒng)的光照量。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，在傳輸線(xiàn)上加上 的上拉電阻，其原理圖如圖 35所示。 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) VCC1SCL2SDA3ADDR4GND5*1GY30GND+5vR20R19Q8Q9數(shù)字光學(xué)傳感器 GY30 圖 35 GY30模塊電路 二氧化碳濃度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì) 在溫室中 CO2 的濃度影響著植物的光合作用，所以在設(shè)計(jì)中我們需要對(duì)溫室的 C02 濃度進(jìn)行檢測(cè)。該傳感器利用非分光紅外（ NDIR） 原理檢測(cè)二氧化碳濃度，由一個(gè)鍍金封裝的光學(xué)系統(tǒng)和其他嚴(yán)格篩選的信號(hào)放大和處理元器件組成。 40ppm 或者讀數(shù)的 3%；響應(yīng)時(shí)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 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ．當(dāng)由氣體介質(zhì)中的分子數(shù) 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 I 時(shí)，根據(jù)朗伯 比爾吸收定律： KdNdI/I ?? （ 31） 式中 K為比例常數(shù)。 ???KNLnI 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 顯然，有： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 式中 c為氣體濃度。按指數(shù)規(guī)律衰減。 互不相同。 隨入射波長(zhǎng)而變。 ???i uic iuLII e x p (0） （ 34） 此對(duì)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(gè)適合分析氣體吸收波長(zhǎng)的窄帶濾光片，使傳感器的信號(hào)變化只反映被測(cè)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(jì)采用 UART 接口來(lái)讀取傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)。 12346004CON412 34IC95211R211kR241kR221kR2320kR2530kC22104C21104+5v +5VGND GNDTDXTDXRDXRDX+5vGNDQ15 Q14二氧化碳傳感器 6004 圖 36 二氧化碳傳感器 6004 接口圖 鍵盤(pán)模塊設(shè)計(jì) 在溫室監(jiān)控系統(tǒng)中，需要采用鍵盤(pán)對(duì)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(pán)的時(shí)候，我們讀 P1 口，看 P1是 否還為 0xF0,如果仍為 0xF0，則表示沒(méi)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(dòng)干擾造成錯(cuò)誤識(shí)別，如果不是那就說(shuō)明是真的有按鍵按下了，我們就可以讀鍵碼來(lái)識(shí)別到底是哪一個(gè)鍵按下了。 本設(shè)計(jì)中采用的是 DS1302 時(shí)鐘芯片， DS1302 是美國(guó) DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗、帶 RAM 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為 。DS1302 增加了主電源 /后背電源雙 電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)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+ 時(shí)，由 VCC2向 DS1302 供電，當(dāng) VCC2VCC1 時(shí)，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(shí)間開(kāi)始計(jì)時(shí)，可以通過(guò)鍵盤(pán)的調(diào)時(shí)鍵來(lái)進(jìn)行調(diào)試。C141uFGND 圖 39 DS1302 原理圖 顯示電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中需要用顯示屏實(shí)時(shí)的顯示外部環(huán)境參數(shù)，方便人機(jī)交流。液晶顯示模塊是一種常用的人機(jī)界面，其在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用極為廣泛。 本設(shè)計(jì)的液晶顯示電路采用的是 1602 液晶模塊 LMA162A，它是一種點(diǎn)陣字符型液晶顯示模塊，可以顯示兩行 32 個(gè)字符，字符的點(diǎn)陣為 5 8 點(diǎn)，是一種很常用的小型液晶顯示模塊。 714 腳為雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)， 1 16 腳為背光電源的正負(fù)極。 在設(shè)計(jì)中，當(dāng)系 統(tǒng)通電后，液晶顯示器顯示“ wele to systlm” ,當(dāng)初始化完成后液晶顯示屏顯示出日期、溫度、濕度、光照、和二氧化碳濃度參數(shù)。 12345678910111213141516LCD1602 CON16GND+5VW1105+5VPORT2_0PORT2_1PORT2_2+5VPORT0_0PORT0_1PORT0_2PORT0_3PORT0_4PORT0_5PORT0_6PORT0_7R11KT19012GNDLCD1602 接口RXD() 圖 310 LCD 接口電路 繼電器控制電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)是一個(gè)弱電器件，一般情況下大都工作在 5V甚至更低的電壓。所以，就要有一個(gè)外圍器件來(lái)連接單片機(jī)和大功率電器，這個(gè)環(huán)節(jié)就是所謂的“功率驅(qū)動(dòng)”。繼電器驅(qū)動(dòng)含有兩個(gè)意思：一是對(duì)繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因?yàn)槔^電器本身對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)是一個(gè)功率器件；還有就是繼電器去驅(qū)動(dòng)其他負(fù)載，比 如繼電器可以驅(qū)動(dòng)中間繼電器可以直接驅(qū)動(dòng)接觸器，所以繼電器驅(qū)動(dòng)就是單片機(jī)與其他大功率負(fù)載接口。電磁繼電器工作電路可分為低壓控制電路和高壓工作電路組成。連接好工作電路，在常態(tài)時(shí)， D、 E 間未連通，工作電路斷開(kāi)。閉合 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 開(kāi)關(guān) S，銜鐵被電磁鐵吸下來(lái)，動(dòng)觸點(diǎn)同時(shí)與兩個(gè)靜觸點(diǎn)接觸，使 D、 E間連通。斷開(kāi)開(kāi)關(guān) S，電磁鐵失去磁性，對(duì)銜鐵無(wú)吸引力。 圖 311 電磁鐵構(gòu)造圖 本設(shè)計(jì)采用的繼電器控制電路圖如圖 312：圖中的 Q1接口接單片機(jī) I/O口，光耦的作用是將繼電器和單片機(jī)隔離開(kāi)，防止電流倒灌單片機(jī)燒毀單片機(jī) I/O口；圖中的三極管起開(kāi)關(guān)的作用，當(dāng) Q1 口輸入低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通工作