【正文】 有類似系統(tǒng)進(jìn)行定性分析，并明確進(jìn)行該課題研究的目的和意義； （ 3） 能較熟練進(jìn)行 單片機(jī)控制系統(tǒng) 設(shè)計； （ 4）開發(fā)出實(shí)物樣機(jī) ； （ 5） 總結(jié)、撰寫開發(fā)報告 。 為了實(shí)現(xiàn)對三要素的精確控制，本系統(tǒng)選取光照這一單一參數(shù)進(jìn)行控制。 本系統(tǒng)具有成不低廉，性能可靠，精度較高，工作穩(wěn)定，便于維護(hù)，便于擴(kuò)充等特點(diǎn)。而這種作業(yè)方式存在種種弊端，作業(yè)人員不斷重復(fù)同樣的工作；不能連續(xù)采集數(shù)據(jù)，工作效率非常低；溫室大棚里的氣體印象人身健康。 近年來，有線通信方式在智能溫室自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)，大大改善了傳統(tǒng)作業(yè)的不足，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚環(huán)境監(jiān)控智能化。會面臨很多問題：線路過長造成施工布線困難，總線驅(qū)動能力要求很高、長距離通信速率受 到限制、信號衰減和反射明顯：室外線路受滲水、雷擊等因素影響，常出現(xiàn)線路接口腐蝕，維修工作繁瑣?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展使遠(yuǎn)程控制得到發(fā)展，有互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)將各傳感器，執(zhí)行器鏈接到互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)了溫室大棚環(huán)境監(jiān)控智能化。 光照度標(biāo)準(zhǔn)參見表 11；而一般蔬菜光照度見下表 12： 表 11 光照度標(biāo)準(zhǔn) 環(huán)境條件 光照度范圍 (lux) 環(huán)境條件 光照度范圍 (lux) 一般黑夜 — 陰天室外 50?? 500 月夜 ?? 晴天室內(nèi) 100?? 1000 陰天室內(nèi) 5?? 50 夏天太陽光下 100000 閱讀報刊 50?? 60 家用攝像機(jī)標(biāo)準(zhǔn)照度 1400 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 2 表 12 若干蔬菜光參數(shù) 種類 品種 光補(bǔ)償點(diǎn) 光飽和點(diǎn) 飽和時 Pn 甜瓜 齊甜 1號 白菜 南農(nóng)矮 32 1324 絲瓜 普通絲瓜 27 由此可見，白天室外光照度滿足大于光補(bǔ)償點(diǎn)，小于光飽和點(diǎn)的要求，所以針對白天我們不需要對光照度進(jìn)行控制，到了夜間，光照度幾乎等于零，我們只需要根據(jù)不同的參數(shù)控制對應(yīng)的 led燈提供大于光補(bǔ)償點(diǎn)的光照就能達(dá)到既節(jié)能又提高蔬菜光合作用效率的目的。 （ 2）該控制系統(tǒng)省略了光照檢測和控制遮光簾等裝置，有效的節(jié)約了成本， 但是沒有降低控制的效果。 國內(nèi)外研究的發(fā)展?fàn)顩r 20 世紀(jì) 70 年代，國外的溫室生產(chǎn)開始以較快的速度發(fā)展，特別是歐美發(fā)達(dá)國家，如荷蘭、美國等國家實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。例如，在控制溫度時，控制的只是溫度的改變，而不影響到其它因素，要改變其它因素，則要實(shí)施另外的控制過程，才能達(dá)到一定溫度條件下其它相關(guān)環(huán)境因素的配合。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， 20 世紀(jì) 80年代采取多因素綜合控制方法，這 是利用計算機(jī)控制溫室環(huán)境因素的方法。一般以光照條件為始變因素，溫度、濕度和二氧化碳濃度為隨便因素，使這 4個主要環(huán)境因素隨時處于最佳配合狀態(tài)。目前Et 本、荷蘭、以色列、美國等發(fā)達(dá)國家可以根據(jù)作物的要求和特點(diǎn)，對溫室內(nèi)光照、溫度、水、氣、肥等諸多因子進(jìn)行 自動調(diào)控。目前市場的發(fā)展方向?yàn)橄拢? （ 1） 提高溫室環(huán)境控制水平。從而發(fā)展適合溫室環(huán)境特點(diǎn)的控制系統(tǒng)。 （ 3）利用網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)控、信息收集、產(chǎn)品網(wǎng)上交易。包括溫度，濕度， CO2 濃度，這些都是溫室大 棚要實(shí)現(xiàn)良好性能的關(guān)鍵參數(shù)，只有及時，準(zhǔn)確的檢測到這些參數(shù)的確定 值，才能實(shí)現(xiàn)好控制。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 4 （ 2） 溫室大棚的控制。 本課題 只涉及到光照，通過上文的分析，只需要對 led燈進(jìn)行控制，而且對 led 等控制誤差比較小，只要進(jìn)行開環(huán)控制就可以達(dá)到效果，這樣既節(jié)省了成 本又達(dá)到效果。通過遠(yuǎn)程 pc 作為上位機(jī)，能觀察溫室大棚的情況，能遠(yuǎn) 程控制各種執(zhí)行器。上位機(jī)可以選擇種植的蔬菜，通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到下位機(jī)，下位機(jī)選擇端口發(fā)送到不同的單片機(jī)，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對光照的開環(huán)控制。如果在擴(kuò)充到其他的的參數(shù)結(jié)構(gòu)相同，只需要對部分軟件和硬件進(jìn)行替換。 如上 圖 11， 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖有以下幾點(diǎn)意義： （ 1） 控制系統(tǒng)通過 inter 實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的通信，不受距離的限制， 能達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。 （ 3） mcu 采用 51 單片機(jī)，對于以后的擴(kuò)充功能比較方便。工控機(jī)常用于環(huán)境污染嚴(yán)重，酸堿度較高，磁干擾較嚴(yán)重的工業(yè)控制現(xiàn)場； PLC是繼電器控制的智能發(fā)展，特別適用于開關(guān)量控制，其特有的梯形圖變成結(jié)構(gòu)比較直觀；單片機(jī)成本低，壽命高，控制能力較強(qiáng)，在小規(guī)?？刂片F(xiàn)場用得比較多。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 6 方案 1： PLC 可編程邏輯控制器 PLC 是一種專門在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù) 字運(yùn)算操作的電子裝置。 PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計。從上世紀(jì) 80 年代，由當(dāng)時的 4 位、8 位 單片機(jī) ，發(fā)展到現(xiàn)在的 32 位 300M 的高速單片機(jī)。 無線模塊的選取 本設(shè)計要求將傳感器的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送到接收端上去，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集，先設(shè)計出兩套方案，一種方案是每一個傳感器上面都用一個 GPRS 模塊，通過GPRS 發(fā)送到上位機(jī)。 GPRS 可說是 GSM 的延續(xù)。 GPRS 的傳輸速率可提升至 56 甚至 114Kbps。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“ SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。幾乎可以連接到各種 單片機(jī) 芯片，并完成 無線數(shù)據(jù)傳送 工作。 綜上所述我們選擇 NRF24l01 作為無線通信模塊 ， 實(shí)現(xiàn)短距離的無線通信。 方案 1： LCD 顯示器 LCD1602 圖 21 LCD1602 工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示 16x02即 32個字符。 1602液晶也叫 1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的 點(diǎn)陣 型液晶模塊。 1602LCD是指顯示的內(nèi)容為 16X2,即可以顯示兩行，每行 16個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 如圖 21為單片機(jī)常用的液晶顯示器 1602外觀圖。 led 數(shù)碼管常用段數(shù)一般為 7 段有的另加一個小數(shù)點(diǎn)，還有一種是類似于 3位 “+1” 型。圖 2 是共陰和共陽極數(shù)碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。 led 數(shù)碼管廣泛用于儀表，時鐘，車站，家電等場合。下面將介紹常用 LED 數(shù)碼管內(nèi)部引腳圖片 圖 22 這是一個 7 段兩位帶小數(shù)點(diǎn) 10引腳的 LED 數(shù)碼管 圖 23引腳定義每一筆劃都是對應(yīng) 一個字母表示 DP 是小數(shù)點(diǎn) . 圖 22 LED 數(shù)碼管引腳定義 圖 23 10 引腳的 LED 數(shù)碼管 由項(xiàng)目要求可知，我們的顯示裝置要顯示實(shí)時的光照度和預(yù)定的光照度，顯示的數(shù)據(jù)比較簡單，我們采取數(shù)碼管分段顯示或 者分時顯示都能達(dá)到顯示效果，而且數(shù)碼管控制原理簡單明了，易于控制，成本低，綜上所述我們選擇數(shù)碼管作為顯示裝置。目前，光敏電阻應(yīng)用的極為廣泛，可見光波段和大氣透過的幾個窗口都有適用的光敏電阻。 當(dāng)內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生時，光敏電阻電導(dǎo)率的改變量為： pnp e n e? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ?????? 式 21 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 在（ 1）式中， e 為電荷電量， p? 為空穴濃度的改變量， n? 為電子濃度的改變量， ? 表示遷移率。在一定的光照度下， ?? 為恒定的值，因而光電流和電壓成線性關(guān)系。光照度不變的情況下，電壓越高，光電流也越大，而且沒有飽和現(xiàn)象。 圖 24 光敏電阻的伏安特性曲線 圖 25 光敏電阻的光照特性曲線 光敏電阻的光照特性則如圖 25 所示。由于光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不適宜作線性敏感元件 ，這是光敏電阻的缺點(diǎn)之一。 方案 2：光敏二極管 光敏二極管的伏安特性相當(dāng)于向下平移了的普通二極管，光敏二極管的伏安特性如圖 26 所示。原因是它們都能產(chǎn)生光生電動勢，只因光電三極管的集電結(jié)在無反向偏壓時沒有放大作用，所以此時沒有電流輸出（或僅有很小的漏電流）。而光敏三極管在弱光時靈敏度低些，在強(qiáng)光時則有飽和現(xiàn)象，這是由于電流放大倍數(shù)的非線性所至，對弱信號的檢測不利。 比較光敏二極管和光敏電阻的光照特性可知，光敏二極管的光照特性線性度非常好，而光敏電阻非線性非常差，開關(guān)特性比較好。綜上所述，我們選擇光敏電阻作為光照度檢測元件。光敏二極管與 半導(dǎo)體二極管 在結(jié)構(gòu)上是類似的 ,其管芯是一個具有光敏特征的 PN 結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，因此工作時需加上 反向電壓 。當(dāng)受到光照時 ,飽和反向漏電流大大增加，形成 光電流 ,它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增 加。常見的有 2CU、 2DU 等系列。 通?；鶚O不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，用于 溫度補(bǔ)償 和附加控制等作用。不同材料制成的光敏三極管具有不同的 光譜 特性，與光敏二極管相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的 靈敏度 。它是逐次逼近式A/D 轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。多路開關(guān)可選通 8 個模擬通道，允許 8路模擬量分時輸入，共用 A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 12 轉(zhuǎn)換。 （ 2）． ADC0809 引腳結(jié)構(gòu) 圖 31 ADC0809引腳圖 ADC0809 各腳功能如下： D7?? D0： 8 位數(shù)字量輸出引腳。 VCC： +5V 工作電壓。 REF（ +）：參考電壓正端。 START： A/D 轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。 （以上兩種信號用于啟動 A/D 轉(zhuǎn)換） . EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電 平。 CLK：時鐘信號輸入端（一般為 500KHz）。 （ 3） ADC0809 應(yīng)用說明 ADC0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與 AT89S51 單片機(jī)直接相連；初始化時，使 ST和 OE信號全為低電平；送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到 A， B， C 端口上；在 ST 端給出一個至少有 100ns 寬的正脈沖信號；是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù) EOC 信號來判斷；當(dāng) EOC 變?yōu)楦唠娖綍r，這時給 OE 為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。 AT89C52 為 8 位 通用微處理器 ，采用工業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)的 C51 內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的 8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。主要管腳有： XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。 VCC（ 40 腳）和 VSS（ 20 腳）為供電端口，分別接 +5V 電源的正負(fù)端。 圖 32 AT89C52外觀和引腳圖 MAX232 TTL 轉(zhuǎn)串口電平芯片 MAX232 芯片是美信（ MAXIM）公司專為 RS?? 232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 14 平轉(zhuǎn)換芯片，使用 +5v 單電源供電。12V 電源的應(yīng)用。 MAX225， MAXX233， MAX235 以及 MAX245/MAX246/MAX247 不需要外部元件，推薦用于印刷電路板面積有限的應(yīng)用。ULN2021 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個 的基極電阻 ,在 5V 的工作電壓下它能與 TTL 和 CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 硬件電路的設(shè)計 時鐘電路的設(shè)計 時鐘電路就是產(chǎn)生象時鐘一樣準(zhǔn)確的振蕩電路。用于產(chǎn)生這個時間的電路就是時鐘電路。 AT89C52 單片機(jī)內(nèi)部設(shè)有一個翻身相放大器所構(gòu)成的震蕩器， XTAL1 和 XTAL2 分別為振蕩電路的輸入端和 圖 34 時鐘電路 輸出端，時鐘可以有內(nèi)部或外部產(chǎn)生。晶振頻率可以在 到 12MHZ 之間選擇，電容取 值為 5pf 到 30pf，電容可以對頻率起微調(diào)的作用。為確保微機(jī)系統(tǒng)中 電路 穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電 復(fù)位 。5% ，即 ～ 。 單片機(jī)在啟動時都需要復(fù)位，以使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且 振蕩器 穩(wěn)定后，如果 RST 引腳上有一個高電平并維持 2個機(jī)器周期 (24個振蕩周期 )以上，則 CPU 就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位 。 圖 36 八段數(shù)碼管顯示電路設(shè)計 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 16 光照度傳感電路設(shè)計 圖 37 光照度傳感電路 RS232 通信電路設(shè)計 Max232 芯片能實(shí)現(xiàn)單片機(jī) 5vttl 電平與 pc 機(jī) 12v串口標(biāo)準(zhǔn)電平的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn) pc 機(jī)串口與單片機(jī)串口 TXD/， RXD/ 之間交換數(shù)據(jù)，如下圖，電容選擇 104 能保證電路的穩(wěn)定性，兩個指示燈能直觀的反映數(shù)據(jù)是否傳送。但在實(shí)際通信軟件設(shè)計過程中， M