環(huán)境管理_嵌入式技術(shù)在溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要 溫室大棚是當(dāng)今全球設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，是現(xiàn)代全球農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)之一。它可以在瞬息萬(wàn)變的自然條件下為作物生長(zhǎng)人為創(chuàng)造一個(gè)適宜的環(huán)境。全球溫室種植業(yè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，提高溫室的智能控制和管理水平可充分發(fā)揮設(shè)施農(nóng)業(yè)的高效性。而我國(guó)在溫室大棚智能控制方面的應(yīng)用跟世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大的差距。目前國(guó)內(nèi)設(shè)施溫室應(yīng)用的主要環(huán)境變量測(cè)控系統(tǒng)大多為國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，這些產(chǎn)品技術(shù)含量非常高，測(cè)控效果非常好，但相對(duì)價(jià)格非常高，通常只被應(yīng)用于國(guó)內(nèi)少見的大型或高檔連棟溫室。少數(shù)國(guó)產(chǎn)裝置無(wú)論技術(shù)水平還是測(cè)控效果均不甚理想，尤其是缺少能夠應(yīng)用于我國(guó)常見的中小型日光溫室的低成本智能測(cè)控裝置。本文結(jié)合當(dāng)今最熱門的嵌入式技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并根據(jù)目前國(guó)內(nèi)常見中小型日光溫室環(huán)境控制需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套設(shè)施農(nóng)業(yè)日光溫室智能嵌入式控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：溫室控制，嵌入式系統(tǒng)，設(shè)施農(nóng)業(yè)，無(wú)線傳感器引言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，尤其是隨著人口的增長(zhǎng)，需求的不斷增加，耕地的日益減少，更加促使了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的快速發(fā)展，高投入高產(chǎn)出的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植理念，使得設(shè)施農(nóng)業(yè)成為世界農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個(gè)重要發(fā)展方面，從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向優(yōu)質(zhì)高效的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變成為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展歷史上新的階段，設(shè)施農(nóng)業(yè)是我國(guó)今后較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要方向。設(shè)施農(nóng)業(yè)就是一種利用農(nóng)業(yè)工程手段，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上用改善自然環(huán)境的辦法，來獲得植物最適宜的生長(zhǎng)條件的方法，即用人工控制環(huán)境因素來滿足植物最佳生長(zhǎng)條件從而獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益；是科技含量高、高投入、高產(chǎn)出、高效益的集約化生產(chǎn)方式。設(shè)施農(nóng)業(yè)關(guān)鍵作用，就是能解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)若干必須的氣候條件，包括光、溫、水、氣等在匹配上的理想化。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的、尖端的科學(xué)技術(shù)已逐步應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)中。作為現(xiàn)代生物技術(shù)和工程技術(shù)的集合，設(shè)施農(nóng)業(yè)涵蓋了建筑、機(jī)械、環(huán)境、自動(dòng)控制、品種、栽培、管理、市場(chǎng)等多個(gè)領(lǐng)域、多種系統(tǒng)，設(shè)施農(nóng)業(yè)中溫室工程的建設(shè)與發(fā)展是都市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要組成部分，是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的高級(jí)階段。溫室工程是以綜合國(guó)力的強(qiáng)盛為背景，以農(nóng)用工業(yè)的發(fā)展為基礎(chǔ)，以生物技術(shù)、工程技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展為依托的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。溫室作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)車間，可以為農(nóng)作物創(chuàng)造出最佳的生長(zhǎng)條件、通過改變溫室內(nèi)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境來避免外界惡劣環(huán)境氣候變化對(duì)其影響。國(guó)內(nèi)外溫室種植業(yè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，提高溫室自動(dòng)控制和管理水平是現(xiàn)代溫室生產(chǎn)中的重要課題。溫室控制的重要目的是通過改善溫室環(huán)境，為作物生長(zhǎng)創(chuàng)造有利條件，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效與可持續(xù)發(fā)展。隨著世界各國(guó)溫室面積不斷擴(kuò)大以及自動(dòng)化裝備的不斷創(chuàng)新與應(yīng)用，設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入了新的發(fā)展階段，溫室控制技術(shù)的發(fā)展對(duì)于溫室產(chǎn)業(yè)乃至我國(guó)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程具有深遠(yuǎn)的影響。因?yàn)閭鹘y(tǒng)溫室內(nèi)的人為環(huán)境調(diào)控能力很低，工作人員又不能及時(shí)準(zhǔn)確地了解和調(diào)控溫室內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)值，不能給植物生長(zhǎng)發(fā)育提供適宜的生態(tài)環(huán)境，使產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)都受到了很大影響。農(nóng)業(yè)要再有大的發(fā)展，增強(qiáng)溫室內(nèi)的人為環(huán)境調(diào)控能力勢(shì)在必行。隨著嵌入式技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)、智能傳感技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，溫室控制技術(shù)也向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展。努力了的才叫夢(mèng)想，不努力的就是空想！如果你一直空想的話，無(wú)論看多少正能量語(yǔ)錄，也趕不走滿滿的負(fù)能量！你還是原地踏步的你，一直在看別人進(jìn)步。目 錄摘 要 1引 言2目 錄3一 緒論11. 1設(shè)計(jì)題目11.2設(shè)計(jì)要求11.3作用與目的1二 設(shè)備及軟件22.1 Proteus仿真軟件22.2 Keil軟件2三 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案33.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)33.2 各單元電路設(shè)計(jì)3四 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)44.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)44.2 單片機(jī)的選擇44.2.1 STC89C52介紹54.2.2 STC89C52單片機(jī)的引腳說明54.2.3 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)64.3.1 引腳功能及描述74.3.2 工作模式74.4 溫濕度傳感模塊84.5 二氧化碳檢測(cè)模塊94.6終端顯示模塊94.7 濕度報(bào)警電路10五 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)115.1 主程序流程設(shè)計(jì)115.2 數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序流程設(shè)計(jì)125.3 數(shù)據(jù)接收顯示程序流程設(shè)計(jì)125.4 中斷程序流程設(shè)計(jì)135.5 報(bào)警子程序流程設(shè)計(jì)13六 系統(tǒng)仿真調(diào)試分析146.1 仿真調(diào)試工具146.2 軟件調(diào)試146.3 硬件調(diào)試146.4 顯示模塊調(diào)試156.5 報(bào)警電路調(diào)試156.6 仿真調(diào)試結(jié)果15七 設(shè)計(jì)中的問題及解決方法16八 嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)心得17參考文獻(xiàn)18致 謝19附錄1：電路原理圖20附錄2：系統(tǒng)程序清單21一 緒論1.1 設(shè)計(jì)題目嵌入式技術(shù)在溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用1.2設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)基于嵌入式技術(shù)的無(wú)線傳感器硬件組成及軟件設(shè)計(jì)方案, 將無(wú)線技術(shù)嵌入到溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。1.3 作用與目的隨著無(wú)線傳感技術(shù)和單片機(jī)的迅速發(fā)展，自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化，溫室環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制方面的研究有了明顯的進(jìn)展，并且必將以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，逐步取代傳統(tǒng)的溫濕度控制措施.但是，目前應(yīng)用于溫室大棚的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)大多采用模擬溫度傳感器、多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)等組成的傳輸系統(tǒng)。這種溫濕度度采集系統(tǒng)需要在溫室大棚內(nèi)布置大量的測(cè)溫電纜，才能把現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)送到采集卡上，安裝和拆卸繁雜，成本也高。同時(shí)線路上傳送的是模擬信號(hào)，易受干擾和損耗，測(cè)量誤差也比較大。為了克服這些缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式設(shè)備并采用數(shù)字化單片機(jī)總線技術(shù)的溫度測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用于溫室環(huán)境的的設(shè)計(jì)方案。本文介紹的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)就是單總線技術(shù)及其器件組建的。該系統(tǒng)能夠?qū)Υ笈飪?nèi)的溫濕度進(jìn)行采集，利用溫濕度傳感器將溫室大棚內(nèi)溫濕度的變化，變換成數(shù)字量，其值由單片機(jī)處理，最后由單片機(jī)去控制液晶顯示器，顯示溫室大棚內(nèi)的實(shí)際溫濕度，同時(shí)通過與預(yù)設(shè)量比較，對(duì)大棚內(nèi)的溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，如果超過我們預(yù)先設(shè)定的濕度限制，濕度報(bào)警模塊將進(jìn)行報(bào)警。這種設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了溫濕度實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示和控制。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的測(cè)量精度，不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，安裝簡(jiǎn)單方便，性價(jià)比高，可維護(hù)性好。這種溫濕度測(cè)控系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的溫室大棚，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)控制，是一種比較智能、經(jīng)濟(jì)的方案，適于大力推廣，以便促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，從而提高溫室環(huán)境的畝產(chǎn)量，以帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。二 設(shè)備及軟件 2.1 Proteus仿真軟件 Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。2.2 Keil軟件Keil公司是一家業(yè)界領(lǐng)先的微控制器（MCU）軟件開發(fā)工具的獨(dú)立供應(yīng)商。Keil公司由兩家私人公司聯(lián)合運(yùn)營(yíng)，分別是德國(guó)慕尼黑的Keil Elektronik GmbH和美國(guó)德克薩斯的Keil Software Inc。Keil公司制造和銷售種類廣泛的開發(fā)工具，包括ANSI C編譯器、宏匯編程序、調(diào)試器、連接器、庫(kù)管理器、固件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)核心（real-time kernel）。有超過10萬(wàn)名微控制器開發(fā)人員在使用這種得到業(yè)界認(rèn)可的解決方案。其Keil C51編譯器自1988年引入市場(chǎng)以來成為事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并支持超過500種8051變種。三 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)的高敏感和可控性；溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器可以產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)；無(wú)線收發(fā)模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)男阅堋Ｓ蓴?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示四部分構(gòu)成的。3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電源模塊STC89C52STC89C52LCD1602Nf24L01Nf24L01DHT11AM-4IIIAB無(wú)線收發(fā)圖3-1 系統(tǒng)總體框圖此設(shè)計(jì)是以STC89C52單片機(jī)基本系統(tǒng)為核心，以無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸為亮點(diǎn)的一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中包括溫濕度監(jiān)測(cè)、二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)、單片機(jī)、無(wú)線傳輸電路、USB傳輸電路、PC顯示窗口設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)總體方框圖如圖5-1。3.2 各單元電路設(shè)計(jì)（1） 數(shù)據(jù)采集 由DHT11、TGS4160組成；（2） 數(shù)據(jù)處理 由單片機(jī)STC89C52基本系統(tǒng)組成；（3） 數(shù)據(jù)傳輸 由單片機(jī)STC89C52和NRF24L01組成；（4） 數(shù)據(jù)顯示 由LCD1602對(duì)溫室的溫度、濕度、二氧化碳濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。本系統(tǒng)中DHT11是溫濕度傳感器采集大棚室內(nèi)溫度、濕度信息。輸出數(shù)字信號(hào)。TGS4160是二氧化碳傳感器采集大棚室內(nèi)二氧化碳信息輸出數(shù)字信號(hào)。STC89C52（I）單片機(jī)驅(qū)動(dòng)DHT11、TGS4160兩個(gè)傳感器進(jìn)行信息采集并對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)無(wú)線發(fā)送模塊NRF24L01將處理后的信息發(fā)送出去。NRF24L01（A）是無(wú)線發(fā)送模塊對(duì)STC89C52（I）所給的信號(hào)進(jìn)行發(fā)送前處理并在STC89C52（I）的驅(qū)動(dòng)下將適合在信道傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)送出去。NRF24L01（B）為無(wú)線接收模塊其作用是在單片機(jī)STC89C52（II）的驅(qū)動(dòng)下接收、處理NRF24L01（A）所發(fā)送的信號(hào)。單片機(jī)STC89C52（II）驅(qū)動(dòng)LCD1602顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)電源模塊為傳感器、LCD、單片機(jī)供電，無(wú)線收發(fā)模塊供電由單片機(jī)3.3V輸出端提供。四 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)下面將一一介紹簡(jiǎn)單硬件基本資料和選擇該硬件具體原因。4.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)電路原理圖如下圖所示：圖4-1 系統(tǒng)電路原理圖4.2 單片機(jī)的選擇在本設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。在單片機(jī)選用方面，由于STC89C52系列單片機(jī)與MCS-51系列單片機(jī)兼容，所以，本系統(tǒng)中選用STC89C52單片機(jī)。4.2.1 STC89C52介紹STC89C52 具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD 監(jiān)視器、電壓調(diào)整器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的STC89C52/1/2/3/4/5/6/7 器件是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。 FLASH 存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新 8051 固件。用戶軟件對(duì)所有外設(shè)具有完全的控制，可以關(guān)斷任何一個(gè)或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。 4.2.2 STC89C52單片機(jī)的引腳說明圖4-2 STC89C52單片機(jī)引腳圖芯片引腳如圖4-2所示：VCC : 電源。GND: 地。P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。RST: 復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)，RST腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位?？撮T狗計(jì)時(shí)完成后，RST 腳輸出96 個(gè)晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無(wú)效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。ALE/PROG：地址鎖存控制信號(hào)（ALE）是訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。在flash編程時(shí)，此引腳（PROG）也用作編程輸入脈沖。中斷：STC89C52 有6個(gè)中斷源如表6-1所示：兩個(gè)外部中斷（INT0 和INT1），三個(gè)定時(shí)中斷（定時(shí)器0、1、2）和一個(gè)串行中斷每個(gè)中斷源都可以通過置位或清除特殊寄存器IE 中的相關(guān)中斷允許控制位分別使得中斷源有效或無(wú)效。IE還包括一個(gè)中斷允許總控制位EA，它能一次禁止所有中斷。定時(shí)器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或邏輯觸發(fā)。程序進(jìn)入中斷服務(wù)后，這些標(biāo)志位都可以由硬件清0。實(shí)際上，中斷服務(wù)程序必須判定是否是TF2 或EXF2激活中斷，標(biāo)志位也必須由軟件清0。表4-1 中斷控制寄存器符號(hào)位地址功能EAIE.7中斷總允許控制位。EA=0,中斷總禁止；EA=1，各中斷由各自的控制位設(shè)定-IE.6預(yù)留ET2IE.5定時(shí)器2中斷允許控制位ESIE.4串行口中斷允許控制位ET1IE.3定時(shí)器1中斷允許控制位EX1IE.2外部中斷1允許控制位ET0IE.1定時(shí)器0中斷允許控制位EX0IE.0外部中斷1允許控制位4.2.3 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)圖4-3 晶振電路如圖6-3 、6-4所示，復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行的基本模塊。圖4-4 復(fù)位電路單片機(jī)最小系統(tǒng)是在以51單片機(jī)為基礎(chǔ)上擴(kuò)展，使其能更方便地運(yùn)用于測(cè)試系統(tǒng)中，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被測(cè)試的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，稱為在實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)控制領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的器件，在工業(yè)生產(chǎn)中稱為必不可少的器件，尤其是在日常生活中發(fā)揮的作用也越來越大。4.3 無(wú)線收發(fā)模塊選擇nRF24L01是由NORDIC出品的工作在2.4GHz2.5GHz的ISM 頻段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片。無(wú)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。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI 接口進(jìn)行設(shè)置。幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無(wú)線數(shù)據(jù)傳送工作。 nRF24L01 可以兼容nRF2401A、nRF24L01+、nRF24LE1、nRF24LU1等無(wú)線模塊。 結(jié)合本系統(tǒng)實(shí)際情況本案選用nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊。4.3.1 引腳功能及描述 圖4-5 nRF24L01的引腳排列nRF24L01的封裝及引腳排列如圖所示。各引腳功能如下： CE：使能發(fā)射或接收; CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引腳端微處理器可通過此引腳配置nRF24L01IRQ：中斷標(biāo)志位；VDD：電源輸入端； VSS：電源地；XC2，XC1：晶體振蕩器引腳; VDD_PA：為功率放大器供電，輸出為1.8 V； ANT1,ANT2：天線接口；IREF：參考電流輸入。 4.3.2 工作模式 通過配置寄存器可將nRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如表所示。表4.3.2：模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器狀態(tài)接收模式111-發(fā)射模式101數(shù)據(jù)在TXFIFO寄存器中發(fā)射模式1010停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完待機(jī)模式2101TXFIFO為空待機(jī)模式11-0無(wú)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦?-圖4-6 NRF24L01接線圖待機(jī)模式1主要用于降低電流損耗，在該模式下晶體振蕩器仍然是工作的；待機(jī)模式2則是在當(dāng)FIFO寄存器為空且CE=1時(shí)進(jìn)入此模式；待機(jī)模式下，所有配置字仍然保留。 在掉電模式下電流損耗最小，同時(shí)nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。4.4 溫濕度傳感模塊DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)熟悉信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在即為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)型號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為給類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。圖4-7 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器DHT11溫濕度傳感器集成了溫度傳感器、濕度傳感器，集成度更高，使用方便成本較低。很大程度上簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。因此本案選用DTH11溫濕度傳感模塊。4.5 二氧化碳檢測(cè)模塊AM-4二氧化碳傳感器模塊，可直接應(yīng)用于二氧化碳?xì)怏w監(jiān)測(cè)。該模塊內(nèi)部帶有A/D轉(zhuǎn)換器，并已對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采樣并作了處理。它輸出的電壓信號(hào)與二氧化碳濃度值呈線性關(guān)系，輸出的電壓信號(hào)為03.0V，相當(dāng)于03000ppm的二氧化碳濃度。AM-4模塊的輸出電壓為03V，需要經(jīng)過放大處理變?yōu)?5V傳送給A/D轉(zhuǎn)化器，才能為單片機(jī)傳送更為準(zhǔn)確的數(shù)字信號(hào)。本設(shè)計(jì)對(duì)處理該信號(hào)方案如圖圖4-8所示。圖4-8 二氧化碳濃度檢測(cè)電路4.6終端顯示模塊本案中的終端顯示是指本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示。通過綜合考慮決定使用LCD1602液晶顯示屏。圖4-9 LCD1602引腳圖4.7 濕度報(bào)警電路本設(shè)計(jì)采用峰鳴音報(bào)警電路。峰鳴音報(bào)警接口電路的設(shè)計(jì)只需購(gòu)買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過MCS-51的1根口線經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動(dòng)電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動(dòng)，也可以用一個(gè)晶體三極管驅(qū)動(dòng)。在圖中，P3.2接晶體管基極輸入端。當(dāng)P3.2輸出高電平“1”時(shí)，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓而鳴叫；當(dāng)P3.2輸出低電平“0”時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。五 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)首先，初始化單片機(jī)設(shè)置中斷，定義變量，然后初始化LCD1602顯示模塊，設(shè)置8位格式，2行，5*7矩陣顯示，整體顯示。調(diào)用溫濕度采集程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序，將十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，將十進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出到LCD1602顯示模塊進(jìn)行顯示，根據(jù)溫度調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)濕度判斷是否報(bào)警，最后，進(jìn)行新一輪的溫濕度采集。 5.1 主程序流程設(shè)計(jì)整體系統(tǒng)框圖如下圖5-1所示：初始化結(jié)束AM-4 CO2濃度檢測(cè)DNT11溫濕度檢測(cè)CO2濃度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換溫濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換根據(jù)測(cè)得濕度控制蜂鳴器LCD1602顯示實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)System_stop是否為0？YN圖5-1 系統(tǒng)整體流程框圖5.2 數(shù)據(jù)采集發(fā)送程序流程設(shè)計(jì)5.3 數(shù)據(jù)接收顯示程序流程設(shè)計(jì)LCD1602初始化結(jié)束延時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制Address=0x80+x延時(shí)輸入顯示地址指令輸入顯示數(shù)據(jù)是否在第一行顯示數(shù)據(jù)Address=0x80+xYN圖5.2 數(shù)據(jù)接收顯示流程圖5.4 中斷程序流程設(shè)計(jì)中斷入口重裝TH0、TL0初值P1.0取反中斷返回圖5.3 中斷程序流程框圖5.5 報(bào)警子程序流程設(shè)計(jì)置位報(bào)警標(biāo)志報(bào)警濃度置初值濕度是否達(dá)標(biāo)？啟動(dòng)報(bào)警檢測(cè)標(biāo)志位返回NY圖5.4濕度報(bào)警程序圖六 系統(tǒng)仿真調(diào)試分析 6.1 仿真調(diào)試工具本次課程設(shè)計(jì)所采用的程序調(diào)試軟件為wave6000集成調(diào)試軟件，所采用的仿真軟件為protus軟件。除protus以外我們還會(huì)用到Keil仿真軟件。6.2 軟件調(diào)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的過程主要分為以下幾個(gè)步驟：第一步：建立源程序。通過計(jì)算機(jī)開發(fā)系統(tǒng)的編輯軟件，按照所要求的格式、語(yǔ)法規(guī)定、源程序輸入到開發(fā)系統(tǒng)中，并存在磁盤上。第二步：在計(jì)算機(jī)上，利用KILE軟件對(duì)第一步輸入的源程序進(jìn)行編譯，變?yōu)榭蓤?zhí)行的目標(biāo)代碼。如果源程序有語(yǔ)法錯(cuò)誤，則其錯(cuò)誤將顯示出來，然后返回到第一步進(jìn)行修改，再進(jìn)行編譯，直到語(yǔ)法錯(cuò)誤全部糾正為止。第三步：在線調(diào)試。對(duì)于與系統(tǒng)、硬件無(wú)聯(lián)系的程序，可以借助在線調(diào)試手段，發(fā)現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤后，返回到第一步修改，直到邏輯錯(cuò)誤糾正為止。對(duì)于與系統(tǒng)硬件緊密相關(guān)的程序，則需對(duì)軟件和硬件同時(shí)進(jìn)行調(diào)試，將程序燒入CPU，然后將CPU 插入系統(tǒng)。發(fā)現(xiàn)硬件故障后應(yīng)排除故障，發(fā)現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤后應(yīng)修改程序，消除邏輯錯(cuò)誤。6.3 硬件調(diào)試硬件調(diào)試主要包括兩步：第一步：系統(tǒng)上電之前，先仔細(xì)檢查線路是否連接正確，并核對(duì)元器件的型號(hào)、規(guī)格和安裝是否符合要求，應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)的檢查，以防止電源的短路和極性錯(cuò)誤，并重點(diǎn)檢查系統(tǒng)總線是否存在相互之間短路或與其它信號(hào)線的短路。第二步：第一步的調(diào)試，只是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初步調(diào)試，可以排除一些明顯的故障，而硬件故障(如各個(gè)部件內(nèi)部存在的故障和部件之間連接的邏輯錯(cuò)誤)主要是靠軟件和硬件聯(lián)調(diào)來排除。硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能完全分開的，許多硬件錯(cuò)誤是在軟件調(diào)試中發(fā)現(xiàn)和被糾正的。6.4 顯示模塊調(diào)試液晶顯示器是人機(jī)界面最關(guān)鍵的部分，能夠使我們更加清楚的讀取數(shù)據(jù)。在對(duì)顯示模塊進(jìn)行調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)顯示不正常，漢字顯示與字符顯示不同，LCD-12864每行可以顯示16個(gè)字符，8個(gè)漢字，漢字不能分半顯示，由于軟件編程時(shí)，地址分配有誤，使得漢字部分無(wú)法顯示。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)問題后，將地址重新分配，顯示部分正確。6.5 報(bào)警電路調(diào)試本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是聲光報(bào)警電路。當(dāng)溫度和濕度其中任何值一個(gè)過限后，蜂鳴器都會(huì)發(fā)出聲音。這是寫在軟件程序里的。但是在加上控制信號(hào)，溫濕度過限后，蜂鳴器不報(bào)警。蜂鳴器的控制端口無(wú)控制信號(hào)輸出。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)程序里面蜂鳴器的控制端口電平設(shè)置有誤，修改后，蜂鳴器工作正常。6.6 仿真調(diào)試結(jié)果經(jīng)過仿真調(diào)試并進(jìn)行多次仔細(xì)修改之后本系統(tǒng)已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求，無(wú)線收發(fā)裝置可以正常工作使系統(tǒng)能夠正常的對(duì)溫室環(huán)境的溫濕度以及二氧化碳濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示。當(dāng)濕度超標(biāo)時(shí)系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)濕度報(bào)警電路驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。七 設(shè)計(jì)中的問題及解決方法在軟件的調(diào)試過程中，遇到的問題有很多，下面就幾個(gè)比較突出的問題進(jìn)行說明。1）在對(duì)Keil C的使用時(shí)不知道怎么才能讓它生成HEX文件，從而進(jìn)行仿真，因?yàn)橐郧皼]有用過類似的軟件，不會(huì)并且也不知道需要生成HEX文件，導(dǎo)致前期的工作很難進(jìn)行2 ）因?yàn)橛玫氖荄HT11數(shù)字傳感器，在編程過程中需要對(duì)所測(cè)得溫度進(jìn)行處理，而且需要給定一個(gè)溫度范圍，建立一個(gè)溫度與電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過反復(fù)的計(jì)算、實(shí)驗(yàn)才實(shí)現(xiàn)。3）因?yàn)榭紤]到經(jīng)濟(jì)實(shí)用方面，所以在進(jìn)行實(shí)物操作之前，采用proteus軟件對(duì)程序和硬件電路進(jìn)行仿真，可是在仿真過程中，獨(dú)立按鍵總是不靈敏，這需要對(duì)延遲時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，而程序中設(shè)置的延遲時(shí)間總是不能夠很符合實(shí)際操作，所以在這方面浪費(fèi)了大量的時(shí)間進(jìn)行反復(fù)的操作和實(shí)驗(yàn)八 嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)心得通過本次課程設(shè)計(jì)，使我學(xué)到了許多書本上無(wú)法學(xué)到的知識(shí),也使我深刻體會(huì)到單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛。不僅讓我對(duì)學(xué)過的單片機(jī)知識(shí)有了很多的鞏固，同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)這一門課程產(chǎn)生了更大的興趣。本設(shè)計(jì)涉及到嵌入式系統(tǒng)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、電子技術(shù)等學(xué)科。讓我對(duì)專業(yè)知識(shí)有了更深的理解。在做課程設(shè)計(jì)的初期階段，難度很大，沒有頭緒。通過在圖書館里、網(wǎng)上查閱資料，攻克了課程設(shè)計(jì)中的道道難題。本次設(shè)計(jì)我能獨(dú)立完成，算是有了很大的收獲。總的感受有以下幾方面：1) 鞏固了課本上的知識(shí)。通過本次設(shè)計(jì)，我不但對(duì)單片機(jī)有了更為深入的了解，對(duì)一個(gè)課題如何畫流程圖，編程序等，有了一定的認(rèn)識(shí)。2) 在本次課程設(shè)計(jì)中，我進(jìn)一步加強(qiáng)了自己的動(dòng)手能力和運(yùn)用專業(yè)知識(shí)的能力，從中學(xué)習(xí)到如何去思考和解決問題，以及如何靈活地改變方法去實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案；特別是深刻體會(huì)到的是軟件和硬件結(jié)合的重要性，以及兩者的聯(lián)系和配合作用。3) 通過本次課程設(shè)計(jì)，讓我了解到嵌入式技術(shù)對(duì)當(dāng)今人們生活的重要性。同時(shí)這次做課程設(shè)計(jì)的經(jīng)歷也使我受益匪淺。讓我知道做任何事情都應(yīng)腳踏實(shí)地，刻苦努力地去做。只有這樣，才能做好。總之，通過這次課程設(shè)計(jì)不僅使我鞏固了本課程所學(xué)的基本知識(shí)，還使我具有了撰寫科研報(bào)告的初步訓(xùn)練能力，我相信這些能力在我以后的工作或者學(xué)習(xí)中一定會(huì)起到不小的作用，一切的辛苦和艱難都是值得的。參考文獻(xiàn) 孫育才.MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用M.南京：東南大學(xué)出版社，20042 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)-模擬部分（第五版）M.北京：高等教育出版社，20083 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)-數(shù)字部分（第五版）M.北京：高等教育出版社，20084 石來德.機(jī)械參數(shù)電測(cè)技術(shù)M.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，19815譚浩強(qiáng)，張基溫.C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教程（第三版）M.北京：高等教育出版社，20076 曹繼松.測(cè)試電路M.上海：上海交通大學(xué)出版社，19957 謝自美.電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試M.武漢：華中科技大學(xué)出版社，20008 馬靖善，秦玉平.C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)M.北京：清華大學(xué)出版社，20059 賴麒文.8051 單片機(jī) C語(yǔ)言開發(fā)環(huán)境實(shí)務(wù)與設(shè)計(jì) M.北京：科學(xué)出版社，200210 徐愛鈞.智能化測(cè)量控制儀表原理與設(shè)計(jì)M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004致 謝這次課程設(shè)計(jì)能夠得以順利完成，是所有曾經(jīng)指導(dǎo)過我的老師，幫助過我的同學(xué)，一直支持著我的家人對(duì)我的教誨、幫助和鼓勵(lì)的結(jié)果。我要在這里對(duì)他們表示深深的謝意！首先，要特別感謝我的指導(dǎo)老師 老師。楊老師在我的課程設(shè)計(jì)過程中，給我提供了極大的幫助和指導(dǎo)。楊老師給我提供了許多寶貴建議。楊老師淵博的專業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，樸實(shí)無(wú)華、平易近人的人格魅力對(duì)我影響深遠(yuǎn)。不僅使我樹立了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。感謝楊老師對(duì)我的報(bào)告進(jìn)行認(rèn)真的評(píng)閱和認(rèn)真的修改。其次，感謝我的父母親，你們是我力量的源泉，只要有你們，不管面對(duì)什么樣的困難，我都不會(huì)害怕，謝謝你們對(duì)我的支持與鼓勵(lì)！第三，要感謝所有曾經(jīng)給我們班任課的老師和我的學(xué)校湖南文理學(xué)院，老師們教會(huì)我的不僅僅是專業(yè)知識(shí)，還有對(duì)待學(xué)習(xí)、對(duì)待生活的態(tài)度；感謝學(xué)校給我們提供了一個(gè)如此富有學(xué)習(xí)氣息的學(xué)習(xí)環(huán)境。再次，感謝我的室友及其他好友，因?yàn)橛心銈兊膸椭?，我的論文才能得以順利完成。謝謝你們?cè)谖也欢臅r(shí)候給我的提點(diǎn)。在此，我再一次真誠(chéng)地向幫助過我的老師和同學(xué)表示感謝！附錄1：電路原理圖附錄2：系統(tǒng)程序清單#include #include #define LCD_DB P2sbit DQ = P10;sbit BUZZER = P11;sbit PWM = P12;sbit LCD_RS = P14;sbit LCD_RW = P15;sbit LCD_E = P16;sbit HEAT = P17;void initial(void);void read_DHT11(void);void LCD_write_command(unsigned char com);void LCD_display_char(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char dat);unsigned char read_DHT11_char(void);void control_temperature_humidity(void);void delay_xms(unsigned int time_xms);void delay_x10us(unsigned int time_x10us);unsigned char stop_system = 0;unsigned char lineOne = TS(0-50): C;unsigned char lineTwo = HS(20-90): %RH;unsigned int T0_number = 0, T1_number, PWM_width_H;unsigned char temperature_ten, temperature_one, humidity_ten, humidity_one;unsigned ch