【正文】 月 日 日期： 年 月 日 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) II 摘要 本文提出了一種 以 51 單片機為主控器和射頻 nRF905 為無線收發(fā)模塊的 智能溫室控制系統(tǒng)的 總體設計方案和實現(xiàn)方法。主機通過從機預設的不同地址來實現(xiàn)區(qū)分兩個節(jié)點發(fā)送來的 溫濕度 數(shù)據(jù)。 51 單片機和 nRF905之間通過模擬高速串口 SPI 實現(xiàn)雙向通信 , SPI 支持高速數(shù)據(jù)傳輸 ， 從而滿足了 溫室溫濕度數(shù) 據(jù)的實時傳輸。 關鍵詞 STC89C51； nRF905； DS18B20； DHT11 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) III Abstract This paper presents a method based on 51 single chip microputer as a main controller and nRF905 as wireless transceiver module to design the intelligent greenhouse control system . The system provided a master and two slaves,master can acquist the data of temperature and humidity from two slaves through the wireness munication mode. The master can distinguish the data from two different places through different address. This design use nRF905 module as wireless transmission module, DS18B20 as temperature sensor and DHT11 as humidity acquisition module to sense the greenhouse temperature and humidity. 51 single chip microputer and nRF905 can realize twoway munication through the simulation of high speed serial SPI , SPI support high speed data transmission, so it can meet the needs of the greenhouse temperature and humidity data realtime transmission. The temperature and humidity receiving interface can be made by MSm controller, the greenhouse temperature and humidity data can be displayed on PC machine through the serial port. Keywords STC89C51。 DS18B20。本系統(tǒng)主要由上、下位機模塊構成，下位機主要是對溫室內(nèi)環(huán)境因素中的溫度、濕度等進行檢測并按照一定的通信方式 將數(shù)據(jù) 傳給上位機 ， 上位機實時接收下位機上傳的 數(shù)據(jù)使用戶能在遠程監(jiān)測溫室的環(huán)境參數(shù) ，下位機根據(jù)一定的算法 控制噴淋、遮陽、通風、加熱等執(zhí)行系統(tǒng)，調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)溫室智能控制，達到農(nóng)作物優(yōu)質、高產(chǎn)、高效的栽培目的。本系統(tǒng)由傳感器、顯示器、上位機、控制執(zhí)行單元構成。顯示器 由 LCD1602 構成。 本系統(tǒng)由三個單片機模塊構成，其中兩個模塊用作數(shù)據(jù)采集的從機，另外一個模塊用作數(shù) 據(jù)接收的主機。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 2 2 系統(tǒng)總體設計 系統(tǒng)的整體結構 本系統(tǒng)包含一臺主機和兩臺從機。 從機 1 主機 從機 2 圖 21 系統(tǒng)整體結構框圖 課題 需要完成的任務 一、完成 系統(tǒng)的硬件設計與調(diào)試。 三、 完成溫濕度用 LCD1602 顯示的程序設計。 五、 完成主機與 PC 機實現(xiàn)串口通信的程序設計。 七、 完成 VB 上位機程序的設計。 STC89C51 單片機作為目前市場上最為常用的單片機具有結構簡單、可控性好、 I/0 口多、下載程序方便、價格低廉的特點，符合本系統(tǒng)的設計要求，故選用STC89C51 單片機作為主控制器。 圖 31 nRF905 的詳細結構 圖 接口電路管腳說明 nRF905 封裝如圖 32 所示。 表 31 nRF905 管腳說明表 管腳 名稱 管腳功能 說明 1 VCC 電源 電源 + DC 2 TX_EN 數(shù)字輸入 TX_EN=1 發(fā)送模式 TX_EN=0 接收模式 3 TRX_CE 數(shù)字輸入 使能芯片發(fā)射或接收 4 PWR_UP 數(shù)字輸入 芯片上電 5 uCLK 時鐘輸出 本模塊棄用 6 CD 數(shù)字輸出 載波檢測 7 AM 數(shù)字輸出 地址匹配 8 DR 數(shù)字輸出 接收或發(fā)射數(shù)據(jù)完成 9 MISO SPI 接口 SPI 輸出 10 MOSI SPI 接口 SPI 輸入 11 SCK SPI 時鐘 SPI 時鐘 12 CSN SPI 使能 SPI 使能 13 GND 地 接地 14 GND 地 接地 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 5 注意： （ 1） nRF905 供電范圍為 之間，超出這個范圍就會燒毀 nRF905 模塊。 （ 3） 沒有 SPI 接口的單片機可以模擬 SPI。 nRF905 工作方式 nRF905 有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。 nRF905 的工作模式由 TRX_CE、 TX_EN 和 PWR_UP 三個引腳決定 ，其工作模式 如表 32 所示。 2)SPI 指令設置 SPI 接口的指令如表 33 所示。 圖 33 nRF905 與單片機的硬件連接原理圖 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 7 溫度傳感器 DS18B20 DS18B20 主要特性 （ 1） 供電 范圍： ,在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。 （ 3） 獨特的單總線接口方式 只 需要一 根 信號線即可實現(xiàn) 單片機 與 DS18B20 的通信。C~+125176。C 時精度為 177。C。C 、 176。C 和176。 （ 6） 在 9 位分辨率時最多在 內(nèi)把溫度值轉換為數(shù)字， 12 位分辨率時最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉換為數(shù)字。 DS18B20 的外部結構 DS18B20 采用如圖 34 所示的 3 腳 PR35 封裝或 8 腳 SOIC 封裝 。 （ 2） GND：電源地。 圖 34 DS18B20封裝 DS18B20 的數(shù)據(jù)處理 DS18B20 的高速暫存存儲器由 9 個字節(jié)組成，其分配見表 34，當溫度轉換命令發(fā)布后，經(jīng)轉換所得的溫度值以 2 字節(jié)補碼形式存放到高速暫存存儲器的第 0 和第 1 個字節(jié)。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 8 表 34 字節(jié)分配 功能 0 溫度轉換后的低字節(jié) 1 溫度轉換后的高字節(jié) 2 高溫度觸發(fā)器 TH 3 低溫度觸發(fā)器 TL 4 配置寄存器 5 保留 6 保留 7 保留 8 CRC 校驗寄存器 表 35 所列是 DS18B20 溫度采集轉化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲在 DS18B20 的兩個 8bit的 RAM 中，二進制的前 5 位是符號位，如果測的溫度大于或等于 0，這五位為 0，只要將測得數(shù)值乘以 即可得到實際溫度；如果溫度小于 0，這五位為 1，測的數(shù)值需要取反加 1 再乘以 即可得到實際溫度。 DS18B20 的 操作要遵循 一定的 工作時序和通信協(xié)議。 DS18B20 有六條控制命令 ,如表 36 所示 。詳細原理圖見附錄 1。 圖 36 DHT11引腳圖 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 10 DHT11 引腳說明如表 37 所示。 圖 37 單片機與 DHT11 濕度傳感器 硬件連接圖 液晶顯示模塊 控制器接口說明 各引腳符號及功能如表 38 所示 。若 LCD 為雙行字符顯示，每行 40 個顯示位置，第一行地址為 00H～ 27H；第二行地址為 40H～ 67H。 表 39 雙行顯示的 DDRAM 地 址與顯示位置的對應關系 顯示位置 1 2 3 4 5 6 7 …… 39 40 DDRAM Line1 00H 01H 02 H 03 H 04 H 05 H 06 H …… 26 H 27 H 地址 Line2 40 H 41 H 42 H 43 H 44 H 45 H 46 H …… 66 H 67 H LCD1602 控制命令字設置 LCD1602 控制命令字設置如表 310 所示。 STC89C51 的 P2 口與 LCD1602 的 8 位數(shù)據(jù)線連接 ， STC89C51 的 P3 口的 、 端口分別與 LCD1602 的使能端口、讀 \寫選擇端口連接。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 12 圖 38 單片機與 LCD1602 的硬件連接原理圖 控制執(zhí)行單元的設計 在本系統(tǒng) 中控制執(zhí)行單元的作用是接受從機的控制命令以弱電控制強電設備，由于溫室中的控制設備大多為強電設備，直接用單片機控制不能驅動這些設備，故需要一個中間設備來驅動它們。本設計選用的繼電器型號為 HK3FFDC5VSHG，該繼電器可以用小電壓控制 220V 的強電符合設計的要求。 圖 39 控制執(zhí)行單元原理圖 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 13 PC 機與單片機之間的 RS485 通信 本系統(tǒng)中溫室中的溫濕度數(shù)據(jù)需要經(jīng)過遠距離傳輸才能傳送到計算機，傳統(tǒng)的 RS232通信方式不能滿足遠距離傳輸?shù)囊?。RS485 接口電路圖如圖 310 所示，單片機的 TTL電平信號通過 MAX485 芯片轉換成 RS485信號使數(shù)據(jù)能夠遠距離傳輸， PC 機數(shù)據(jù)接收端有一個 RS485 轉 RS232 轉換器，通過MAX485 芯片和 MAX232 芯片能將 RS485 信號轉換成 RS232 信號以此使單片機主機與 PC機能進行遠程通信。初始化后將主機的 nRF905 置為發(fā)送狀態(tài)，主機發(fā)送所要數(shù)據(jù)的從機地址，從機收到地址后發(fā)送應答信號，主機收到應答信號后將 nRF905 設置為接收狀態(tài)，接 收來自從機的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收完成后主機通過串口將數(shù)據(jù)送 PC 機顯示。 nRF905 軟件設計 由于 STC89C51 單片機沒有專門的 SPI 口，需要用普通 I/O 口模擬 SPI 其操作過程如下所示： 寫操作 （ a）取發(fā)送數(shù)據(jù)一個字節(jié)的最高位。 （ c）如果為 1 則 MOSI 引腳置為高電平，否則 MOSI 引腳置為低電平。 （ e）將數(shù)據(jù)左移一位，如此循環(huán) 8 次直至一個字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送完成。 SPI 寫操作的流程圖 如圖 42 所示。 （ b） SCK=1。 （ d）如果是 1 數(shù)據(jù)最后一位置 1，否則置 0。 （ f）如此循環(huán) 8 次直至讀完一個字節(jié)。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 15 圖 41 主程序流程圖 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 16 圖 42 SPI 寫數(shù)據(jù)流程圖 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 17 圖 43 SPI 讀數(shù)據(jù)流程圖 主機 串口軟件設計 本串口軟件的主要功能是將主機接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給 PC 機， PC 機接收到數(shù)據(jù)后通過 VB 實時顯示溫室的溫濕度，其數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖 44 所示。調(diào)用數(shù)據(jù)處理函數(shù)判斷當前溫室溫濕度是否超過預定值，如超過預定值則打開控制執(zhí)行單元，如不超過預定值則關閉控制執(zhí)行單元。從機主程序流程圖如圖 45 所示。調(diào)用溫度轉換函數(shù)，讀溫度數(shù)據(jù)，處理溫度 數(shù)據(jù)，最后輸出溫度數(shù)據(jù)。 DHT11 濕度采集軟件設計 當 DHT11 不采集數(shù)據(jù)時，總線狀態(tài)為高電平。當 DHT11 接收到主機的開始信號時，必需等待直至主機開始信號結束，發(fā)送 80us 低電平響應信號，主機發(fā)送開始信號結束后，延時等待 2040us，讀取 DHT11 的響應信號，主機發(fā)送開始信