基于單片機的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)

基于單片機的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)摘要隨著社會的不斷發(fā)展，我國的農業(yè)大國地位逐漸穩(wěn)固，在農業(yè)的研究和應用當中也投入了大量的資源，目前對溫室環(huán)境的控制系統(tǒng)研究成了農業(yè)當中重要的組成部分，溫室環(huán)境的研究對于提高農作物的產(chǎn)量有著十分重要的意義。本篇主要是基于單片機研究了溫室控制系統(tǒng)。在本文的設計當中主要用到了STC89C52單片機以及DS18B20數(shù)字溫度傳感器，深刻分析了核心的控制元件，并對其進行了設計，而且介紹了各部分的電路，經(jīng)過反復的模擬以及調試，最后完成了完備的程序系統(tǒng)。關鍵詞：單片機，溫度傳感器，溫室環(huán)境，控制系統(tǒng)

目錄TOC\o"1-3"\h\u19367摘要 Ⅰ6476第1章引言 Ⅱ33581.1研究背景 第1章引言1.1研究背景在農業(yè)環(huán)境的研究當中，一些重要的因素嚴重的影響到了農作物的生長和發(fā)育，比如空氣的濕度，溫度，光照強度以及空氣中的有害氣體含量等等。為了保障農作物的正常生長，有必要對環(huán)境條件進行及時的監(jiān)控和預測，使得農作物能夠有較高的產(chǎn)量。在傳統(tǒng)的溫度控制當中采用的是人工測量的方法，但是這種方法非常耗時耗力，而且不利于大規(guī)模的進行，測量的誤差較大，所以為了彌補這些缺點，自動溫室環(huán)境控制系統(tǒng)就由此而生。1.2研究目的及意義在本文的設計當中，主要是以STC89C52單片機為控制核心，利用DS18B20溫度傳感器對溫室內的各個指標進行及時準確地測量，將數(shù)據(jù)傳輸給STC89C52單片機當中，由STC89C52單片機內部的程序對各個數(shù)據(jù)進行處理，最終顯示在屏幕上。這樣可以有效地減少人工測量中成本高，隨意性強的特點，所測得的數(shù)據(jù)更具準確性和權威性，同時能夠對環(huán)境進行實時的測量，保障研究者能夠及時的了解農作物生長環(huán)境產(chǎn)生的變化。1.3國內發(fā)展現(xiàn)狀在我國，由于對單片機的無線溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究起步較晚，所以一直到1970年我國的農業(yè)發(fā)展還保持在人工工作的時段，直到改革開放以后，我國才開始對農業(yè)大力發(fā)展，經(jīng)過了長達20多年的進展，我國的農業(yè)溫室大棚已經(jīng)取得了相當令人矚目的成績，然而大部分的工作卻還是依賴人力進行。而且由于我國的農民文化程度不高，所以在農業(yè)方面推廣科學技術變得更加困難。總而言之，在我國的農業(yè)溫室環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測的工作當中，與國外的差距非常大，需要引起國家的重視。第2章系統(tǒng)硬件部分設計2.1總體設計方案圖2.1溫室環(huán)境控制系統(tǒng)總體設計方案2.2電源電路的設計圖2.2電源電路的設計2.3數(shù)據(jù)采集部分設計2.3.1溫度測量模塊設計在本文的溫度測量模塊設計當中主要采用了DS18B20數(shù)字溫度傳感器，因為它的操作比較簡單，而且能夠及時的將數(shù)據(jù)傳送給單片機，對空氣中的溫度也能夠進行及時的測量。DS18B20數(shù)字溫度計體積較小，線路簡單，只要有一個端口就可以進行通信。DS18B20數(shù)字溫度計的每一個元器件都是獨特的，而且在實際的應用當中不需要依賴別的外部硬件，同時DS18B20數(shù)字溫度計測量的溫度范圍十分廣泛，內部還設有上下限報警裝置。下圖是DS18B20的管腳圖：圖2.3DS18B20管腳封裝圖圖2.4DS18B20溫度傳感器2.3.2濕度傳感器在本文的設計當中，濕度傳感器主要利用的是SHTxx系列的數(shù)字濕度傳感器，這種傳感器的穩(wěn)定性非常高，并且對濕度和溫度的測量都有著十分高的精確性，不需要外部的元器件，功率消耗非常低。在一個芯片當中集成溫度傳感器，濕度傳感器以及串行數(shù)字接口電路會使得芯片擁有較好的信號質量，反應較快，不會輕易的受到外部因素的影響。如下圖是濕度傳感器。圖2.5濕度傳感器2.3.3光照強度電路設計由于在畢業(yè)設計當中時間和投入的精力有限，并且沒有足夠的經(jīng)費成本來支持我們采用光照強度傳感器，因此在本文的設計當中主要選擇了利用光敏電阻替代光照強度傳感器，因為它具有操作簡便且成本較低的特點。而且利用光敏電阻收集到的數(shù)據(jù)是模擬的，因此需要對這些數(shù)據(jù)以及信號進行及時的轉換，在轉換的過程當中，本文主要選擇了ADC0832來將虛擬信號轉換為數(shù)字。光敏電阻的主要工作流程是收集虛擬信號，利用ADC0832將虛擬信號轉換為數(shù)字，將數(shù)據(jù)傳送給單片機，由單片機的數(shù)據(jù)處理程序將信號自動的分成五個等級，從第五等級開始依次遞減。圖2.6光照采集電路2.4單片機處理系統(tǒng)在設計完傳感器收集環(huán)境中的溫度以及濕度和光照強度的數(shù)據(jù)之后，就要將這些數(shù)據(jù)傳送給單片機，讓單片機利用中斷的手法處理這些信息，最終進行顯示。在單片機當中要設計一個最小系統(tǒng)，以便能夠在MCS-52基礎之上充分的擴展，使它能夠在整個系統(tǒng)當中得到充分的應用。不但操作起來十分簡單并且靈活性強，同時還可以有效的改善被測試的目標，從而可以幫助產(chǎn)品的質量和數(shù)量都得到有效的提升。下圖是STC89C52單片機的最小系統(tǒng)以及STC89C52單片機的具體特征。圖2.7STC89C52單片機的最小系統(tǒng)圖2.8STC89C52單片機的具體特征。2.5無線數(shù)據(jù)傳輸模塊本文在設計無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的過程當中，主要列舉了兩種設計方案。方案一：利用紅外線發(fā)射機和接收機正常工作，在利用窄角度紅外線發(fā)射關的時候，要保障遙控距離超過八米，角度低于30度。但是利用這種方案的主要缺陷就是擁有比較差的穩(wěn)定性，同時還容易受到外界其他因素的影響，比如連續(xù)光源。方案二：利用TX315系列模塊電路主要包含RF、DATA、TF等高頻、中頻、數(shù)字處理電路。這樣可以將收發(fā)電路變得更加簡便，同時還可以在無線遙控、數(shù)據(jù)傳輸、自動抄表系統(tǒng)以及無線鍵盤操作系統(tǒng)、警戒系統(tǒng)當中得到充分的應用。TX315A組成部分主要包括TX315A-T01發(fā)射組件以及TX315A-R01接收組件，因為兩者在頻率方面是保持一致的，所以在使用的過程當中可以根據(jù)實際的需求任意的增加或減少發(fā)射儀器接收組件。方案二相比于方案一來說穩(wěn)定性較強，同時也避免了容易受到其他因素干擾的影響，在成本方面也有著合適的成本，所以綜上所述在本文的設計當中主要選擇了TX315系列的nRF24L01。圖2.9NRF24L01無線傳輸模塊圖2.10NRF24L01無線傳輸模塊電路圖2.6液晶顯示模塊在本文的設計當中，主要利用LCD顯示屏作為整個系統(tǒng)的顯示頁面，具體的型號是LCD1602，如下表是其主要參數(shù)數(shù)據(jù)：表2.1LCD1602主要參數(shù)顯示容量16x2個字符模塊最佳工作電壓5.0V工作電壓4.8~5.2V字符尺寸4.95X7.95mm工作電流2.0mA工作溫度0~+50攝氏度背光源顏色黃綠儲存溫度-20+70攝氏度背光源電流<150mA表2.2LCD1602接口信號說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1D7DataI/O9E使能信號2D6DataI/O10R/W讀寫控制信號（H/L）3D5DataI/O11RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）4D4DataI/O12V0LCD偏壓輸入5D3DataI/O13VDD電源正極6D2DataI/O14VSS電源地7D1DataI/O15BLA背光源正極8D0DataI/O16BLK背光源負極2.7PROTEL99制版根據(jù)上文所設計的系統(tǒng)，硬件電路要用軟件畫出原理圖并且生成pcb板，利用PROTEL99軟件可以輕松的將電路的原理圖、元件圖以及電路板圖電路仿真設計出來。本文主要利用PROTEL99軟件繪制電路原理圖以及印制電路板，主要有以下幾個步驟：首先先設置整個原理圖的設計環(huán)境，其次將電子元件放置在圖紙之上，原件不需要用導線連接，而且在連接的過程當中要注意電氣規(guī)則。其次就是編輯軟件的屬性，主要考慮的元素有元件名，參數(shù)以及封裝圖等等，將元件和導線的位置進行適當?shù)恼{整。然后利用電氣規(guī)則功能將原理圖中的鏈接方式進行及時的檢查，并且要上交檢查報告，一旦發(fā)現(xiàn)錯誤就要及時的糾正。最后生成網(wǎng)絡表，指的是連接元件名、封裝以及參數(shù)和元件之間的表，通過這個表可以明確原件以及他們之間的關系。設計PCB板主要由以下幾個環(huán)節(jié)：首先就是要利用墓園地圖編輯器設計整個原理圖，并且要進行電氣監(jiān)察，生成原理圖網(wǎng)絡表。在PCB環(huán)境當中，要想更加精確地確定每個電路板的層數(shù)以及尺寸等參數(shù)，需要利用電路向導確定。打開design菜單條路網(wǎng)絡表，這里可以顯示出元件封裝當中不規(guī)范的環(huán)節(jié)，要進行及時的修正，直到不會出現(xiàn)錯誤，才可以將元器件導入到PCB板中。然后是將每個元件采用人工布置或者是自動布置的方式分布在電路板上。最后是完成參數(shù)設置的工作，例如孔徑大小，安全距離等等。以上工作完成之后就可以進行焊接，在焊接的過程當中要保障焊點接觸良好，特別要避免出現(xiàn)虛焊和短接的情況。其次要保證焊點有足夠的機械強度，才不會滑落。焊點要盡量美觀，有光澤。

第3章系統(tǒng)軟件部分設計3.1系統(tǒng)總流程圖圖3.1系統(tǒng)總流程圖單片機接通電源之后，溫度傳感器、濕度傳感器以及光敏電阻就可以及時地收集環(huán)境當中的溫度、濕度以及光照強度等信息，并且將這些信息利用無線傳輸將其傳送到上位機中，最后在液晶屏幕中顯示，液晶屏顯示的就是當前的環(huán)境溫度、濕度和光照強度，倘若要按復位鍵就需要調用復位子程序，否則除非斷開電源，不然液晶屏的狀態(tài)一直是顯示當前環(huán)境溫度、濕度以及光照強度的狀態(tài)3.2數(shù)據(jù)采集及無線傳輸流程圖圖3.2數(shù)據(jù)采集及無線傳輸流程圖圖3.3光照強度采集流程圖以上是數(shù)據(jù)采集的流程圖，需要對環(huán)境中的溫濕度和光照強度進行數(shù)據(jù)采集，并且完成數(shù)據(jù)的無線發(fā)送任務。利用DS18B20溫度傳感器與STC89C52單片機相聯(lián)，可以將采集到的數(shù)據(jù)信息輸入到STC89C52單片機當中，利用STC89C52單片機進行數(shù)據(jù)的處理。光照強度的信息采集是由光敏電阻完成的，但是光敏電阻所收集到的信息數(shù)據(jù)是模擬信號，需要對虛擬信號進行轉化，將其轉換為數(shù)字，然后再將數(shù)據(jù)傳輸給STC89C52單片機處理，才能夠保障數(shù)據(jù)最后能在液晶屏中顯示出來。圖3.4無線發(fā)送模塊流程圖無線發(fā)送模塊是把傳感器當中所收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機中的無線模塊，從而可以實現(xiàn)遠程無線傳輸?shù)淖饔?。圖3.5無線接收模塊流程圖無線接收模塊是用來接受下位機無線模塊當中傳輸過來的數(shù)據(jù)，將其在顯示屏中顯示，這樣可以使得管理者能夠通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)觀測到環(huán)境的各種信息。3.3液晶顯示流程圖圖3.6液晶顯示流程圖LCD液晶顯示模塊是整個程序當中的最后一個環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)人機交互的環(huán)節(jié)。要想幫助人們的操作更加簡便，就必須要有一個直觀顯示的液晶屏幕。在本文的設計當中使用的是LCD1602液晶顯示屏，他只有在外界有光強的情況之下才能顯示。第4章系統(tǒng)調試結果總結與展望一、總結本文設計了能耗較低，操作起來簡單，并且能夠實現(xiàn)遠程通訊的一種無線溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。在實驗的過程當中，不僅要考慮到溫度、濕度以及光照強度的因素之外，還要考慮如二氧化碳等因素的影響。但是由于我們的設計條件有限，所以最終選擇了溫度、濕度以及光照強度三個因素來研究。在測量溫度的過程當中，我們選擇了DS18B20溫度傳感器，在測量濕度的過程當中選擇了SHTxx系列的數(shù)字溫度傳感器，在測量光照強度的過程當中選擇了ADC0832，這些傳感器都具有性價比高，不容易受到其他因素影響的特征，同時能夠保障信號遠距離傳輸，非常適合本文的設計研究。在單片機選擇方面，我們選擇了STC89C52單片機處理系統(tǒng)，盡管缺乏一定的專業(yè)知識和實踐能力，但是經(jīng)過不斷的努力和調試，最終還是完成了無線溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計工作。隨著科學技術的不斷發(fā)展，我國的農業(yè)工作也逐步開始實現(xiàn)機械化，自動化，在農業(yè)生產(chǎn)的過程當中，既要保障產(chǎn)品的高質量產(chǎn)出，同時還要注重環(huán)境的保護，這一切都需要對農作物生長的環(huán)境進行及時的監(jiān)測。傳統(tǒng)型的農業(yè)環(huán)境監(jiān)測整個系統(tǒng)十分繁雜，同時還需要大量的資本投入，測得的數(shù)據(jù)也不準確，而通過本文的設計很好地解決了這些缺陷，既能夠實現(xiàn)操作簡單的目的，同時還能夠幫助農業(yè)實踐者通過遠程監(jiān)控獲得明作物生長環(huán)境的相關數(shù)據(jù)。二、今后研究方向由于在本次設計的過程當中時間和實驗條件十分有限，因此存在許多缺陷和不足，比如在光照強度以及溫度和濕度的相關數(shù)據(jù)收集方面還存在不準確的現(xiàn)象，而且應該將光照強度的等級分為多個等級，才能夠保證測得的數(shù)據(jù)更加準確。在環(huán)境信號采集的過程當中，沒有設置足夠多的節(jié)點，導致采集的結果缺乏精確性，因此在未來的研究當中應該多增加幾個采集節(jié)點，才能夠保障結果更加精確。其次就是在無線傳輸?shù)木嚯x設置當中，距離設置的較近，所以在未來的研究當中，應該優(yōu)化無線收發(fā)模塊的距離，保證傳輸距離足夠遠。在今后的研究工作當中應該盡量你的先保障自己有充足的理論知識，同時要提高自身的實踐能力。在實踐的過程當中要不怕失敗，只有經(jīng)過反復的調試才能夠優(yōu)化整個系統(tǒng)的設計。

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