基于單片機(jī)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)

基于單片機(jī)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)摘要隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，我國(guó)的農(nóng)業(yè)大國(guó)地位逐漸穩(wěn)固，在農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用當(dāng)中也投入了大量的資源，目前對(duì)溫室環(huán)境的控制系統(tǒng)研究成了農(nóng)業(yè)當(dāng)中重要的組成部分，溫室環(huán)境的研究對(duì)于提高農(nóng)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(jī)研究了溫室控制系統(tǒng)。在本文的設(shè)計(jì)當(dāng)中主要用到了STC89C52單片機(jī)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(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)，而且介紹了各部分的電路，經(jīng)過(guò)反復(fù)的模擬以及調(diào)試，最后完成了完備的程序系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，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(nóng)業(yè)環(huán)境的研究當(dāng)中，一些重要的因素嚴(yán)重的影響到了農(nóng)作物的生長(zhǎng)和發(fā)育，比如空氣的濕度，溫度，光照強(qiáng)度以及空氣中的有害氣體含量等等。為了保障農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)，有必要對(duì)環(huán)境條件進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控和預(yù)測(cè)，使得農(nóng)作物能夠有較高的產(chǎn)量。在傳統(tǒng)的溫度控制當(dāng)中采用的是人工測(cè)量的方法，但是這種方法非常耗時(shí)耗力，而且不利于大規(guī)模的進(jìn)行，測(cè)量的誤差較大，所以為了彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，自動(dòng)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(shè)計(jì)當(dāng)中，主要是以STC89C52單片機(jī)為控制核心，利用DS18B20溫度傳感器對(duì)溫室內(nèi)的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量，將數(shù)據(jù)傳輸給STC89C52單片機(jī)當(dāng)中，由STC89C52單片機(jī)內(nèi)部的程序?qū)Ω鱾€(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終顯示在屏幕上。這樣可以有效地減少人工測(cè)量中成本高，隨意性強(qiáng)的特點(diǎn)，所測(cè)得的數(shù)據(jù)更具準(zhǔn)確性和權(quán)威性，同時(shí)能夠?qū)Νh(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量，保障研究者能夠及時(shí)的了解農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境產(chǎn)生的變化。1.3國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀在我國(guó)，由于對(duì)單片機(jī)的無(wú)線溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究起步較晚，所以一直到1970年我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展還保持在人工工作的時(shí)段，直到改革開放以后，我國(guó)才開始對(duì)農(nóng)業(yè)大力發(fā)展，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)達(dá)20多年的進(jìn)展，我國(guó)的農(nóng)業(yè)溫室大棚已經(jīng)取得了相當(dāng)令人矚目的成績(jī)，然而大部分的工作卻還是依賴人力進(jìn)行。而且由于我國(guó)的農(nóng)民文化程度不高，所以在農(nóng)業(yè)方面推廣科學(xué)技術(shù)變得更加困難?？偠灾?，在我國(guó)的農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的工作當(dāng)中，與國(guó)外的差距非常大，需要引起國(guó)家的重視。第2章系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)2.1總體設(shè)計(jì)方案圖2.1溫室環(huán)境控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.2電源電路的設(shè)計(jì)圖2.2電源電路的設(shè)計(jì)2.3數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)2.3.1溫度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)在本文的溫度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)當(dāng)中主要采用了DS18B20數(shù)字溫度傳感器，因?yàn)樗牟僮鞅容^簡(jiǎn)單，而且能夠及時(shí)的將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，對(duì)空氣中的溫度也能夠進(jìn)行及時(shí)的測(cè)量。DS18B20數(shù)字溫度計(jì)體積較小，線路簡(jiǎn)單，只要有一個(gè)端口就可以進(jìn)行通信。DS18B20數(shù)字溫度計(jì)的每一個(gè)元器件都是獨(dú)特的，而且在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中不需要依賴別的外部硬件，同時(shí)DS18B20數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量的溫度范圍十分廣泛，內(nèi)部還設(shè)有上下限報(bào)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(shè)計(jì)當(dāng)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(duì)濕度和溫度的測(cè)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(gè)芯片當(dāng)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(huì)使得芯片擁有較好的信號(hào)質(zhì)量，反應(yīng)較快，不會(huì)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(qiáng)度電路設(shè)計(jì)由于在畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中時(shí)間和投入的精力有限，并且沒(méi)有足夠的經(jīng)費(fèi)成本來(lái)支持我們采用光照強(qiáng)度傳感器，因此在本文的設(shè)計(jì)當(dāng)中主要選擇了利用光敏電阻替代光照強(qiáng)度傳感器，因?yàn)樗哂胁僮骱?jiǎn)便且成本較低的特點(diǎn)。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(duì)這些數(shù)據(jù)以及信號(hào)進(jìn)行及時(shí)的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的過(guò)程當(dāng)中，本文主要選擇了ADC0832來(lái)將虛擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字。光敏電阻的主要工作流程是收集虛擬信號(hào)，利用ADC0832將虛擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字，將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理程序?qū)⑿盘?hào)自動(dòng)的分成五個(gè)等級(jí)，從第五等級(jí)開始依次遞減。圖2.6光照采集電路2.4單片機(jī)處理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)完傳感器收集環(huán)境中的溫度以及濕度和光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)之后，就要將這些數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，讓單片機(jī)利用中斷的手法處理這些信息，最終進(jìn)行顯示。在單片機(jī)當(dāng)中要設(shè)計(jì)一個(gè)最小系統(tǒng)，以便能夠在MCS-52基礎(chǔ)之上充分的擴(kuò)展，使它能夠在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中得到充分的應(yīng)用。不但操作起來(lái)十分簡(jiǎn)單并且靈活性強(qiáng)，同時(shí)還可以有效的改善被測(cè)試的目標(biāo)，從而可以幫助產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量都得到有效的提升。下圖是STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)以及STC89C52單片機(jī)的具體特征。圖2.7STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)圖2.8STC89C52單片機(jī)的具體特征。2.5無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊本文在設(shè)計(jì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的過(guò)程當(dāng)中，主要列舉了兩種設(shè)計(jì)方案。方案一：利用紅外線發(fā)射機(jī)和接收機(jī)正常工作，在利用窄角度紅外線發(fā)射關(guān)的時(shí)候，要保障遙控距離超過(guò)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(shí)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(jiǎn)便，同時(shí)還可以在無(wú)線遙控、數(shù)據(jù)傳輸、自動(dòng)抄表系統(tǒng)以及無(wú)線鍵盤操作系統(tǒng)、警戒系統(tǒng)當(dāng)中得到充分的應(yīng)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?yàn)閮烧咴陬l率方面是保持一致的，所以在使用的過(guò)程當(dāng)中可以根據(jù)實(shí)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(lái)說(shuō)穩(wěn)定性較強(qiáng)，同時(shí)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(shè)計(jì)當(dāng)中主要選擇了TX315系列的nRF24L01。圖2.9NRF24L01無(wú)線傳輸模塊圖2.10NRF24L01無(wú)線傳輸模塊電路圖2.6液晶顯示模塊在本文的設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要利用LCD顯示屏作為整個(gè)系統(tǒng)的顯示頁(yè)面，具體的型號(hào)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(gè)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(chǔ)存溫度-20+70攝氏度背光源電流<150mA表2.2LCD1602接口信號(hào)說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1D7DataI/O9E使能信號(hào)2D6DataI/O10R/W讀寫控制信號(hào)（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(fù)極2.7PROTEL99制版根據(jù)上文所設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)出來(lái)。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(gè)步驟：首先先設(shè)置整個(gè)原理圖的設(shè)計(jì)環(huán)境，其次將電子元件放置在圖紙之上，原件不需要用導(dǎo)線連接，而且在連接的過(guò)程當(dāng)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(dǎo)線的位置進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。然后利用電氣規(guī)則功能將原理圖中的鏈接方式進(jìn)行及時(shí)的檢查，并且要上交檢查報(bào)告，一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤就要及時(shí)的糾正。最后生成網(wǎng)絡(luò)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(guò)這個(gè)表可以明確原件以及他們之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)PCB板主要由以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：首先就是要利用墓園地圖編輯器設(shè)計(jì)整個(gè)原理圖，并且要進(jìn)行電氣監(jiān)察，生成原理圖網(wǎng)絡(luò)表。在PCB環(huán)境當(dāng)中，要想更加精確地確定每個(gè)電路板的層數(shù)以及尺寸等參數(shù)，需要利用電路向?qū)Т_定。打開design菜單條路網(wǎng)絡(luò)表，這里可以顯示出元件封裝當(dāng)中不規(guī)范的環(huán)節(jié)，要進(jìn)行及時(shí)的修正，直到不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，才可以將元器件導(dǎo)入到PCB板中。然后是將每個(gè)元件采用人工布置或者是自動(dòng)布置的方式分布在電路板上。最后是完成參數(shù)設(shè)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(jìn)行焊接，在焊接的過(guò)程當(dāng)中要保障焊點(diǎn)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(diǎn)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，才不會(huì)滑落。焊點(diǎn)要盡量美觀，有光澤。

第3章系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總流程圖圖3.1系統(tǒng)總流程圖單片機(jī)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(shí)地收集環(huán)境當(dāng)中的溫度、濕度以及光照強(qiáng)度等信息，并且將這些信息利用無(wú)線傳輸將其傳送到上位機(jī)中，最后在液晶屏幕中顯示，液晶屏顯示的就是當(dāng)前的環(huán)境溫度、濕度和光照強(qiáng)度，倘若要按復(fù)位鍵就需要調(diào)用復(fù)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(dāng)前環(huán)境溫度、濕度以及光照強(qiáng)度的狀態(tài)3.2數(shù)據(jù)采集及無(wú)線傳輸流程圖圖3.2數(shù)據(jù)采集及無(wú)線傳輸流程圖圖3.3光照強(qiáng)度采集流程圖以上是數(shù)據(jù)采集的流程圖，需要對(duì)環(huán)境中的溫濕度和光照強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并且完成數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送任務(wù)。利用DS18B20溫度傳感器與STC89C52單片機(jī)相聯(lián)，可以將采集到的數(shù)據(jù)信息輸入到STC89C52單片機(jī)當(dāng)中，利用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。光照強(qiáng)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(hào)，需要對(duì)虛擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字，然后再將數(shù)據(jù)傳輸給STC89C52單片機(jī)處理，才能夠保障數(shù)據(jù)最后能在液晶屏中顯示出來(lái)。圖3.4無(wú)線發(fā)送模塊流程圖無(wú)線發(fā)送模塊是把傳感器當(dāng)中所收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)中的無(wú)線模塊，從而可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸?shù)淖饔?。圖3.5無(wú)線接收模塊流程圖無(wú)線接收模塊是用來(lái)接受下位機(jī)無(wú)線模塊當(dāng)中傳輸過(guò)來(lái)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(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)觀測(cè)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(gè)程序當(dāng)中的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的環(huán)節(jié)。要想幫助人們的操作更加簡(jiǎn)便，就必須要有一個(gè)直觀顯示的液晶屏幕。在本文的設(shè)計(jì)當(dāng)中使用的是LCD1602液晶顯示屏，他只有在外界有光強(qiáng)的情況之下才能顯示。第4章系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果總結(jié)與展望一、總結(jié)本文設(shè)計(jì)了能耗較低，操作起來(lái)簡(jiǎn)單，并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程通訊的一種無(wú)線溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程當(dāng)中，不僅要考慮到溫度、濕度以及光照強(qiáng)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(shè)計(jì)條件有限，所以最終選擇了溫度、濕度以及光照強(qiáng)度三個(gè)因素來(lái)研究。在測(cè)量溫度的過(guò)程當(dāng)中，我們選擇了DS18B20溫度傳感器，在測(cè)量濕度的過(guò)程當(dāng)中選擇了SHTxx系列的數(shù)字溫度傳感器，在測(cè)量光照強(qiáng)度的過(guò)程當(dāng)中選擇了ADC0832，這些傳感器都具有性價(jià)比高，不容易受到其他因素影響的特征，同時(shí)能夠保障信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸，非常適合本文的設(shè)計(jì)研究。在單片機(jī)選擇方面，我們選擇了STC89C52單片機(jī)處理系統(tǒng)，盡管缺乏一定的專業(yè)知識(shí)和實(shí)踐能力，但是經(jīng)過(guò)不斷的努力和調(diào)試，最終還是完成了無(wú)線溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)的農(nóng)業(yè)工作也逐步開始實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，自動(dòng)化，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程當(dāng)中，既要保障產(chǎn)品的高質(zhì)量產(chǎn)出，同時(shí)還要注重環(huán)境的保護(hù)，這一切都需要對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)型的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)十分繁雜，同時(shí)還需要大量的資本投入，測(cè)得的數(shù)據(jù)也不準(zhǔn)確，而通過(guò)本文的設(shè)計(jì)很好地解決了這些缺陷，既能夠?qū)崿F(xiàn)操作簡(jiǎn)單的目的，同時(shí)還能夠幫助農(nóng)業(yè)實(shí)踐者通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控獲得明作物生長(zhǎng)環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)。二、今后研究方向由于在本次設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件十分有限，因此存在許多缺陷和不足，比如在光照強(qiáng)度以及溫度和濕度的相關(guān)數(shù)據(jù)收集方面還存在不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，而且應(yīng)該將光照強(qiáng)度的等級(jí)分為多個(gè)等級(jí)，才能夠保證測(cè)得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。在環(huán)境信號(hào)采集的過(guò)程當(dāng)中，沒(méi)有設(shè)置足夠多的節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致采集的結(jié)果缺乏精確性，因此在未來(lái)的研究當(dāng)中應(yīng)該多增加幾個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，才能夠保障結(jié)果更加精確。其次就是在無(wú)線傳輸?shù)木嚯x設(shè)置當(dāng)中，距離設(shè)置的較近，所以在未來(lái)的研究當(dāng)中，應(yīng)該優(yōu)化無(wú)線收發(fā)模塊的距離，保證傳輸距離足夠遠(yuǎn)。在今后的研究工作當(dāng)中應(yīng)該盡量你的先保障自己有充足的理論知識(shí)，同時(shí)要提高自身的實(shí)踐能力。在實(shí)踐的過(guò)程當(dāng)中要不怕失敗，只有經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)試才能夠優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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