蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測模擬裝置的設(shè)計開題報告最終版

1、 畢業(yè)設(shè)計(論文) 開題報告 題目名稱：蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測模擬裝置的設(shè)計院系名稱：電子信息學(xué)院班 級：信息123班學(xué) 號：201200484304學(xué)生姓名：仝燕指導(dǎo)教師：魏平俊 2016年03月 目 錄 一 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc265049973 、文獻綜述與調(diào)研報告 1.1課題的背景2 1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.3課題意義與價值二、 HYPERLINK l _Toc265049974 本課題的基本內(nèi)容及預(yù)計解決的問題 3 HYPERLINK l _Toc265049975 2.1基本內(nèi)容3 HYPERLINK l _Toc265049976

2、 2.2需解決的難題 HYPERLINK l _Toc265049977 三、課題研究方法及方案思路 3.1研究方法 3.2方案思路4 3.2.1硬件參數(shù)4 3.2.2 系統(tǒng)軟件6四、設(shè)計任務(wù). HYPERLINK l _Toc265049986 五、畢業(yè)設(shè)計進度安排 HYPERLINK l _Toc265049987 六、參考文獻9文獻綜述與調(diào)研報告： 1.1課題的背景隨著改革開放的的發(fā)展，中國的現(xiàn)代化程度不斷提高，中國的農(nóng)業(yè)的發(fā)展必然走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)這條道路，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)研究和應(yīng)用越來越受到重視特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分。現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最

3、重要的一環(huán)是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的重要參數(shù)進行檢測和控制。在農(nóng)業(yè)種植中，適當(dāng)?shù)氖覂?nèi)環(huán)境與綠色植物的生長、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)。合理的控制室內(nèi)環(huán)境，綠色植物的光合作用將發(fā)揮很大的潛力，使農(nóng)作物達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。大棚室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)控在以溫室大棚為代表的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施中發(fā)揮著巨大的作用。國外的溫室設(shè)施已經(jīng)達到了比較完備的程度，并且形成了一些標(biāo)準(zhǔn)，但是價格非常昂貴。在我國，當(dāng)今對大多數(shù)溫室環(huán)境因素的檢測和控制都采用人工管理，這樣不可避免測控精度低、勞動強度大，還存在測控不及時等弊端，容易造成不可彌補的損失，結(jié)果不但大大增加了成本，浪費了人力資源，還沒有達到預(yù)期的效果。因此，為了實現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的

4、科學(xué)化并提高農(nóng)業(yè)研究的準(zhǔn)確性，推動我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，必須大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)對大棚中環(huán)境參數(shù)的科學(xué)管理是多種環(huán)境因素中極為重要的一部分，是高效農(nóng)業(yè)必不可少的環(huán)節(jié)。目前，在我國蔬菜大棚的數(shù)量極多，并且還在迅速增長，人們對齊性能的要求也越來越高，對大棚的自動化程度也越來越高。由于單片機及其電子器件的性價比不斷提高，我國這方面的技術(shù)也逐步成熟，這些要求都將可以實現(xiàn)。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 我國的溫室技術(shù)起步較晚，20世紀(jì)70年代以前我國基本還停留的農(nóng)業(yè)完全人工作業(yè)，70年代以后，國家大力發(fā)展以溫室大棚為主的設(shè)施農(nóng)業(yè)，促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)節(jié)蔬菜季節(jié)性短缺的矛盾。經(jīng)過20多年的發(fā)展，我國的溫室大棚已經(jīng)

5、具有規(guī)?；I(yè)化、管理水平高的特點，但是我國設(shè)施農(nóng)業(yè)的自動化程度不高，走科學(xué)種植的道路卻要人工實現(xiàn)，全國大多數(shù)大棚不具有自動控制設(shè)備，這與我國的經(jīng)濟條件所決定。 隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的計算機控制技術(shù)越來越受重視。在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中, 以蔬菜大棚為代表的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施發(fā)揮著巨大的作用。 目前,國內(nèi)外溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究涉及到計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、 控制技術(shù)、通訊技術(shù)、生物技術(shù)以及環(huán)境科學(xué)等多種技術(shù)和學(xué)科?，F(xiàn)階段，功能齊全的完全智能化的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)還處于實驗階段，實際應(yīng)用的還不多。目前市場上出現(xiàn)的，多是單因子控制器，比如溫度控制器、光度控制器、溫光度控制器或CO2

6、 控制器等，也有一些國內(nèi)外的大公司生產(chǎn)智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)或控制器，但一般價格昂貴，對于大部份農(nóng)民來說還是可望而不可及的。 因此，開發(fā)低價位、低成本、實用型的農(nóng)業(yè)溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)是很有必要的， 對于促進農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)、增收，推進我國農(nóng)業(yè)智能化進程具有極為重要的意義，同時也具有很大的市場商機。1.3課題的意義與價值 本系統(tǒng)綜合運用單片機技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)等專業(yè)知識,對溫室大棚測控系統(tǒng)進行了研究。在設(shè)計和開發(fā)的過程中, 緊密結(jié)合溫室大棚的實際情況,綜合目前一些較先進的檢測技術(shù)。完成了對大棚溫度、光度、的檢測功能和分析功能( 對所測數(shù)據(jù)進行自動分析處理), 裝置可以根據(jù)不同農(nóng)作物的不同需要

7、, 通過鍵盤設(shè)定溫度、光度下限值, 報警功能和遠程數(shù)據(jù)傳輸功能和集中式管理功能。最后, 由于條件的限制, 本系統(tǒng)只是在實驗室環(huán)境下模擬運行的原理性, 通過適當(dāng)改造具有一定的應(yīng)用前景。因此此課題不論是對自己的就業(yè)還是對我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展都有非?，F(xiàn)實與積極的意義。二、本課題的基本內(nèi)容及預(yù)計解決的難題2.1 基本內(nèi)容 本課題使用數(shù)字溫光度傳感器對大棚內(nèi)溫光度進行實時測量，將測量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C進行判斷和處理，實現(xiàn)溫光度鍵盤設(shè)定、顯示、報警等功能。主要內(nèi)容有：設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路、編寫監(jiān)控軟件程序和進行軟硬件調(diào)試。 溫光度傳感器可以將環(huán)境中的溫光度非電量參數(shù)轉(zhuǎn)化成電量信號, 再將這些信號進行處理后送至下

8、位機中的單片機, 單片機讀取數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)送到緩沖區(qū)內(nèi), 通過顯示器進行實時顯示。同時與原先內(nèi)部設(shè)定的參數(shù)值進行比較處理; 單片機可以根據(jù)比較的結(jié)果對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的信號, 并通過繼電器的控制對相應(yīng)的設(shè)備如噴水器、吹風(fēng)機、加熱器、降溫泵等進行操作, 調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫光度狀態(tài)。用戶直接通過鍵盤對溫光度的上下限值和預(yù)置值進行設(shè)置后, 如果環(huán)境的實時參數(shù)超越上下限值, 系統(tǒng)自動啟動執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)光度和溫度狀態(tài), 直到溫光度狀態(tài)處于上下限值以內(nèi)為止。如果有預(yù)置初值,且與當(dāng)前狀態(tài)不相等時, 系統(tǒng)也會啟動執(zhí)行機構(gòu)動態(tài)調(diào)節(jié)溫光度狀態(tài), 直到所處的平衡狀態(tài)與預(yù)置值相等為止。2.2 需解決的難題溫度監(jiān)測系統(tǒng),設(shè)

9、計光度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,系統(tǒng)控制模塊設(shè)計.以及軟件部分都是需要解決的問題。三、課題的研究方法、方案思路3.1 研究方法：1.文獻調(diào)研法：通過網(wǎng)絡(luò)、書籍和數(shù)字圖書館查找搜集與基于單片機大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)的文獻資料，對研究課題的現(xiàn)狀有一定的了解。2、理論分析法：通過對資料的分析與整理，根據(jù)單片機、A/D轉(zhuǎn)換、傳感器等的理論知識，分析本課題研究的可行性。3、實踐驗證法：系統(tǒng)整體電路設(shè)計與軟件編程相結(jié)合，先做出整個系統(tǒng)的電路，然后做出實物，對硬件和軟件進行整體調(diào)試。3.2 方案思路本系統(tǒng)由一個監(jiān)測終端和兩個探測節(jié)點組成。監(jiān)測終端主要完成探測節(jié)點編號配置、各探測節(jié)點的巡檢、節(jié)點溫度值、光照信息顯示。各

10、探測節(jié)點主要完成節(jié)點編號預(yù)置、節(jié)點溫度和光照信息監(jiān)測以及監(jiān)測終端通信等，探測節(jié)點還具有信息自動轉(zhuǎn)發(fā)功能。蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測模擬裝置的設(shè)計的總體方案框圖如圖1所示。無線收發(fā)電路LCD顯示器監(jiān)測終端光敏傳感器溫度傳感器無線收發(fā)電路單片機單片機 鍵盤編號預(yù)置 探測節(jié)點A 光敏傳感器溫度傳感器無線收發(fā)電路單片機編號預(yù)置 探測節(jié)點B 圖1 蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測模擬裝置的設(shè)計的總體方案框圖3.2.1硬件參數(shù) （1）溫度傳感器的選擇方案一：采用AD590溫度傳感器。AD590溫度傳感器是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。AD590性能描述：測量范圍在-50- +150，滿刻度范圍誤差為0.3，當(dāng)電源電

11、壓在510V之間，穩(wěn)定度為1時，誤差只有0.01。AD590為電流型傳感器溫度每變化1其電流變化1uA在35和95時輸出電流分別為308.2uA和368.2uA 。方案二：采用DS18B20溫度傳感器。美國DALLAS公司的產(chǎn)品可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20可實現(xiàn)室內(nèi)溫度信號的采集，有很多優(yōu)點：如直接輸出數(shù)字信號，故省去了后繼的信號放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，外圍電路簡單，成本低;單總線接口，只有一根信號線作為單總線與CPU連接，且每一只都有自己唯一的64位系列號存儲在其內(nèi)部的ROM存儲器中，故在一根信號線上可以掛接多個DS18B20,便于多點測量且易于擴展。方案三：采用LM75溫度傳感器

12、。供電電壓3.0-5.5V,溫度精度在要求范圍內(nèi)小于2，用I2C與單片機進行通信。 綜合比較方案一和方案二以及方案三，三個方案都可以滿足設(shè)計所要求的精度溫度要求，但方案一的后續(xù)電路復(fù)雜，需要經(jīng)過放大，數(shù)模轉(zhuǎn)換等步驟，增加了設(shè)計的復(fù)雜度和成本，并需要占用單片機較多的I/O口。方案二的后續(xù)電路簡單，占用的I/O口數(shù)量少，為整體設(shè)計留出了足夠的I/O口資源，但是需要一條口線與微處理器連接。方案三由于它提供兩條線支持I2C總線協(xié)議的接口來監(jiān)測溫度，并具備自校準(zhǔn)功能。故我們采用方案三作為本系統(tǒng)的溫度傳感器。（2）光亮度傳感器的選擇方案一：采用光照度傳感器M124749，光照度傳感器采用先進的電路模塊技術(shù)

13、開發(fā)變送器，用于實現(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，體積小，安裝方便，線性度好，傳輸距離長，抗干擾能力強，量程可調(diào)。但價格昂貴，性價比不高，且不易購買。方案二：采用光敏電阻。光敏電阻的工作原理是當(dāng)有光線照射時，電阻內(nèi)原本處于穩(wěn)定狀態(tài)的電子受到激發(fā)，成為自由電子，所以光線越強，產(chǎn)生的自由電子也就越多，電阻就會越小。光敏電阻的優(yōu)點有內(nèi)部的光電效應(yīng)和電極無關(guān)（光電二極管才有關(guān)），即可以使用直流電源。靈敏度和半導(dǎo)體材料、以及入射光的波長有關(guān)，價格低廉，性價比高。比較以上兩個方案，方案一雖然具有更好的設(shè)計精度和線性度，但性價比不如光敏電阻好。方案二具有較高的性價比且同時也能滿足系統(tǒng)的設(shè)計要

14、求，故采用光敏電阻作為光照度傳感器。無線收發(fā)電路選擇發(fā)射電路選擇：由于本系統(tǒng)要求的通信距離很短，對無線發(fā)射功率及頻率穩(wěn)定度要求不高。所以發(fā)射電路采用使用元件少、調(diào)試方便的LC電容三點式振蕩器產(chǎn)生無線發(fā)射頻率。西勒振蕩電路在輸出幅度和頻率穩(wěn)定性方面比克拉潑振蕩電路均有較大改善。所以本系統(tǒng)選用改進型的西勒電容三點式振蕩電路。 圖2 西勒電容三點式振蕩電路圖3 克拉潑電容三點式振蕩電路接收電路選擇：本系統(tǒng)接收電路采用直接高放檢波方式設(shè)計，該電路形式簡單、調(diào)試方便，再傳數(shù)碼速讀低、傳輸距離短的場合較適用。系統(tǒng)接收部分工作原理框圖如圖4所示。選頻放大電路檢波電路整形電路寬帶高頻放大選頻電路 輸出 圖4

15、系統(tǒng)接收部分工作原理框圖選頻電路采用天線與電容并聯(lián)組成天線選頻回路；寬帶高頻放大采用阻容耦合放大器對天線信號進行高頻放大；選頻放大電路采用LC選頻電壓放大器對主信號進行放大。檢波電路采用三極管檢波方式，能有效提高檢波信號靈敏度；整形電路對檢波器送來的信號進行整形處理，以利單片機識別。（4）系統(tǒng)所用單片機選擇監(jiān)測終端和探測節(jié)點中的單片機均選用C8051F020。該單片機是集成混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，工作電壓范圍為2.7- 3.6V具有64個數(shù)字I/O引腳、64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器、4352字節(jié)的片內(nèi)RAM、片內(nèi)看門狗定時器及電源監(jiān)視器、5個通用的16位定時器，并具有硬件實現(xiàn)的S

16、PI、I2C及兩個UART串行接口和JTAG調(diào)試接口。比照要求，所選單片機滿足題目檢測、探測、通信及電源要求。 3.2.2 系統(tǒng)軟件：系統(tǒng)軟件設(shè)計部分將接收到的數(shù)據(jù)進行處理，并比較、反饋、輸出到溫、光度調(diào)節(jié)執(zhí)行裝置，以實現(xiàn)溫、光度的控制。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，主要有主程序模塊、中斷處理模塊、數(shù)據(jù)采集與顯示模塊、溫光度參數(shù)設(shè)置模塊、執(zhí)行機構(gòu)控制模塊等。主程序模塊主要完成系統(tǒng)初始化、溫光度采集、溫光度顯示等功能，其流程框圖如圖5工作流程圖所示。 系統(tǒng)初始化階段，令單片機的定時器T1 工作于定時方式2，用于產(chǎn)生串行通信所需的波特率。串行口工作在方式1，為10 位異步通信方式，即每幀數(shù)據(jù)由1 個起始

17、位，8 個數(shù)據(jù)位，1 個停止位構(gòu)成。單片機定時器T0 工作于定時器模式，用于產(chǎn)生指定的控制周期。 終端工作流程開始 初始化系統(tǒng)按鍵處理間隔1S，發(fā)送讀節(jié)點數(shù)據(jù)命令節(jié)點應(yīng)答超時發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)命令 Y N顯示節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)答超時 Y顯示錯誤信息 N顯示轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù) 節(jié)點工作流程開始 初始化系統(tǒng)測溫度及光照收到讀節(jié)點數(shù)據(jù)命令 Y發(fā)送節(jié)點數(shù)據(jù) N收到轉(zhuǎn)發(fā)命令 Y轉(zhuǎn)發(fā)命令處理 N發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù) 圖5 工作流程圖四、設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)測模擬裝置，實現(xiàn)對周邊溫度和光照信息的探測。監(jiān)測終端和探測節(jié)點均含一套無線收發(fā)電路，要求具有無線傳輸數(shù)據(jù)功能，收發(fā)共用一個天線。基本要求：（1）制作2個探測節(jié)點。探測節(jié)點能夠

18、探測其環(huán)境溫度和光照信息。溫度測量范圍為0100；光照信息僅要求測量光的有無。（2）制作1個監(jiān)測終端，用外接單電源供電。監(jiān)測終端可以與各探測節(jié)點直接通信，并能顯示當(dāng)前能夠通信的探測節(jié)點編號及其探測到的溫度和光照信息。 （3）無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置的探測時延不大于5s，監(jiān)測終端天線與探測節(jié)點天線的距離D不小于10cm。在010cm距離內(nèi)，各探測節(jié)點與監(jiān)測終端應(yīng)能通信。五、畢業(yè)設(shè)計進度安排第7學(xué)期：課題調(diào)研，收集資料，完成開題報告及外文翻譯；第1-4周：畢業(yè)實習(xí)，學(xué)習(xí)無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置的設(shè)計方法；第5-8周：整理資料，方案論證,畫圖；第9-14周：完成無線環(huán)境監(jiān)測模擬裝置的設(shè)計，撰寫論文；第15周：畢業(yè)答辯。參考文獻1 庫志強, 張錫兵, 楊揚. 基于單片機的溫光度控制系統(tǒng) J. 機電息,2006(12): 24-