基于单片机温室大棚温湿度采集系统设计

发布时间:2019-09-14 09:19

  设计概述:温度和湿度是在农业生产中常见的和基本的参数之一,它们会大幅度影响作物产量和品质,现代科学和技术在提高农业生产力方面发挥着重要作用,以确定温度和湿度,实时显示、储存和监测。国内生产,产品质量与节能。本次设计欲将单片机、传感器、计算机技术相结合设 计出一套符合现代温 室大棚的温湿度采集系统。

  该系统以单片机为第一基本点,并使用多个温度传感器和湿度传感器作为元件。该单芯片微型计算机与数字传感器连接到收集并存储该传感器的测量数据。该MCU(微控制单元)通过RS-232发送所收集的数据到计算机。计算机存储、记录由MCU为员工发送的数据进行浏览,记录和进行相关处理。在另一个地方,MCU需要实现监控系统的扩展,数据的实时显示和数据存储的功能。

  本文主要完成了以下几个方面:首先是设计概括出本系统大致方向,选择与本次系统相符合的传感器。,根据选择的传感器设计硬件与软件。其次是数据的采集:包括温度和湿度的数字控制、监测原则、监测计划和监测系统软件开发。本系统可以全面且及时的对温室环境中的温湿度进行采集与监测,并且还可以将以前的数据进行保存与记录,方便人们及时查看与数据对比,此外设计了显示模块,通过使用图形的方式更加直观显示参数,实现了智能化远程监测温湿度的思想。

  关键词:温室大棚 单片机 温湿度传感器

  1引言

  1.1大棚温湿度采集背景及意义

  农业生产一直是我国非常重视的一个方面,虽然我国每年都会给予农业补助,但仍然存在很多问题。目前我国农业生产方面面临的问题有:首先,中国人口众多,其次是资源匮乏。再次,中国的农业生产是昂贵的和低技术的,没有大规模的工业。解决这些问题的关键是要把中国的农业从传统农业转变为现代科学技术农业,以保障粮食安全,再提高效率、质量、产量。农业环境由高技术、高质量和高生产力的技术控制,这有助于大规模的推广,设备齐全,中国农业现代化的步伐加快。

  1.2大棚温湿度采集发展现状

  我国的温室栽培技术最早 可以追溯到2000多年以前,当时人们就可以对一些植物进行恰当的保护措施。上个世纪,中国的温室主要是塑料温室和太阳能温室。这些温室属于传统的温室,具有操作方便、性价比高的优点。但是该设备的温湿度控制能力非常差、相对简单,极大降低了农作物的产量与质量,如果遇到极端天气还可能颗粒无收。现代温室的发展经历了两个阶段的改进太阳能温室和现代温室。然而,由于各地区所处地理环境不同风俗习惯不同造成了生产情况、经济的极大差异化,以至于不同的温室大棚依 然并存。总的来说,我国的温室大棚监测正发挥着积极地作用,它正处于从消化、吸收和简单应用到实际和全面应用的过渡和发展阶段。

  现如今美、英等发达国家的温湿度采集技术已将相当成熟,他们不仅运用计算机采集温湿度同时可以进行温湿度、光照等作物生长环境的控制并形成了标准的系统

  如果应用计算机技术,温室大棚的监测不仅大幅度提高还会使员工的劳动效率提高,与此同时作物的产量也会有所提高,增加更多的收益。但我国外仍处于温室产业发展阶段,急需将高端技术,如远程控制技术,局域网络技术,以及对当前温室控制遥感技术应用到现实生活中。使用这种温室系统,用户可以实现远程监控的目的,即使在遥远的地方也可以实时看到所监控地方的状态。

  2硬件电路设计与实现

  2.1总体设计

  该系统设计收集环境温度和湿度相关的作物生长发育的功能,并实现了在温室中的不同地点及位置的温湿度不间断采集任务。该传感器担任着搜集温室中的温湿度,收集完成后会将信号转换成0-5伏的电压 信号,可以给单片机使用。总体设计图示于图1

  系统主控制芯片是STC89C52单芯片微型计算机。温度和湿度收集的信号被发送到通过传感器的单芯片微型计算机。单片机接受信号并进行处理,处理完成后将所得结果发送到与之连接的显示屏和计算机,由此实时显示出温湿度。

  2.2硬件介绍

  2.2.1主控制

  微控制器ST08952具有以下特征:

  ①性能高和稳定性高和功耗低;

  ②强加密性,无法解密,并且具有超强的抗干扰性能;

  ③STC89C52微型控制器的最大时钟频率是0 ~80兆赫。具有多达32个I/O口,它适合于要更多的I /0。16K字节EPROM可以比其它微控制器易提供更大的存储空间,不须要依靠任何刻录机,可直接经过计算机上的串行端口在ISP模式进行刻录。它不受城市,时间和环境,该计划是灵活的,易于修改,可用于未来的产品。容易更新。本系统只需采用一台单片机就可对温度湿度进行多次测量,不但如此,单片机还可以对测量的温湿度进行优化。此外,主控制器还可以全面测量系统的参数,储存数据,和诸如与主计算机的通信功能。

  2.2.2单片机引脚配置图及引脚功能介绍

  图2示出了在一个此单片机40管脚封装在现实生活中的排列图。它是由STC89C528位单芯片微型计算机实现。单片微型计算机的尺寸小,可靠性高,简单的硬件实现,简单的安装,灵活性和简单的编程。不同的逻辑控制和算术控制可以通过编程实现,并可以与微型计算机连接,也可以对不同的传感器直接进行工作。建立一个分布式的结构,由微型计算机即主计算机和多个下一级的机器,即单片微机,使用单一总线结构,以形成两阶段多点测量巡逻温度和湿度分布检测系统。

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  ① 主电源引脚:

  VCC:电源输入,接+5V电源

  GND):接地线

  ②外接晶振引脚:

  XTAL1:片内振荡电路的输入端

  XTAL2:片内振荡电路的输出端

  ③控制引脚:

  RST/VPP:复位引脚,引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

  ALE/PROG:地址锁存允许信号

  PSEN:外部存储器读选通信号

  EA/VPP:程序存储器的内外部选通,接低电平从外部程序存储器读指令,如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

  ④可编程输入/输出引脚:

  STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口,分别位P0、P1、P2、P3口,每个口有8位,共32根。

  图2

  图2 芯片引脚图

  PO 口:8位双向I/O口线,名称为P0.0~P0.7

  P1口:8位准双向I/O口线,名称为P1.0~P1.7

  P2口:8位准双向I/O口线,名称为P2.0~P2.7

  P3口):8位准双向I/O口线,名称为P3.0~P3.7

  2.3数据采集

  在人们的生产生活中,人们通过设备将把温度、湿度、压力等不易辨别的模拟量转换成数字信号,接着将数字信号进行显示、处理、记录并传送到相应装置,这个过程即称"数据采集",促成这个过程的系统就数据"采集系统"。一般来讲,一个基本的数据采集系统如图3

  图3数据采集系统

  图4 温度传感器

  2.3.1温度传感器的选择

  如图4所示,系统欲利用DS18 B20网络温度传感器。此传感器有着若干有点,例如体积较小质量轻,抗衰性能强大,方便操作等,适合于数码化的温度测量和控制各种狭窄的空间仪器。DS18B20可以很容易地创建具有单一总线功能的传感器网络。多个DS18B20可连接到地址总线与单片机通信,以便于多点温度采集。系统设计灵活,方便,抗干扰。在各种复杂和恶劣的环境中实现良好的性能,实现及时温度监控。

  (1)内部结构图

  DS18B20中ROM的在出厂时都会自带一个唯一的序列号,因此单片机识别不同的温度传感器只需要人为设置通信协议就可以完成。

  DS18B20的 内部结点示于图5。此温度传感器的测温范围为-5°C到+125°C,当温度在-10℃到+85℃范围内其精确度为正负0.5℃。

  图5 DS18B20内部结构图

  DS18B20有4个重要的部件:

  ①用于采集环境中温度的温敏原件;

  ②用于存储历史温度并可以报警的HT和TL。控制字可以写在设置报警上限和下限软件。

  ③激光ROM 64位。高到低的顺序是由一个8位CRC,一个48位的序列号,和一个8位的系列代码的。

  ④8位配置寄存器。它在高速暂存内存中的第五个字节。RO与RI比特配置寄存器是温度分辨率设置位。相应的四个分辨率示于表1中。另外,RO和R1是默认值在工厂,RO =1,RI =1,即12位的分辨率。可通过编程确定合适的分辨率。

  (2)DS18B20存储器

  此次使用的DS18B20有四个最为基本数据量,数据的采集、保存、处理全部由其中的高速暂 存寄 存器控制着,一共包含9个字节。一旦系统发送温度转换命令,温度的模拟信号就会立刻转换成数字信号。如果S =1,所述补码第一变更为原来的代码,然后十进制值被计算。若S =0,二进制系统转换为十进制。将收集的温度值被存储在在双字节字节补码形式存储第0和第一字节。所描述的MCU经过单一总线接口读取数据。数据格式示于表2和表3。

  这种传感器的尺寸小,输出是完全数字化的,既然一个STC89C52可以运载多个DS18B20因此它在理论上是可以在一个数据总线上的连接256个DS18B20,但实际上人们发现,如果超过25个DS18B20采集温度,驱动就很难达到。此时,多路DS18B20由多个在一个分组的方式单芯片微型计算机的输入 / 输出端口驱动。此外,该单条总线长度不应超过80M,否则会影响数据传输。

  2.3.2湿度传感器

  为了完成温湿度采集的任务SHT11会使用SCK线与DATA线与单片机进行串口通讯。因此硬件 的布局非常简单,本次将会使SCK作为时钟线,它的任务是在微型处理器和SHT11中间实现 通讯同步化。DATA作为数据线,值得注意的是,DATA数据线必须加上一个上拉电阻。

  当程序开始后,微型 处理 器会发出 启动时序。此时SCK将会由由 "0"变为"1"紧接着DATA会立刻切换到"0",SCK又改为"0",当SCK再 次 为"1"的时候DATA 也变为"1",这样一个周期就表示完毕。此后开始数据传输。

  微处理 器定 时启动后,会立刻发出8位的命令码,3个地址,5个命令位。以此用来控制SH T11的数 据采 集与传输。

  1. SIT11温度和湿度传感器的表面安装封装是SMD。引脚说明示于图表4

  表4 引脚说明

  2.SHT1I传感器特性:模拟/数字转换、温湿度传感器、信号和控制总线IIC接口的整合将会利用CMOSENSTM技术。有以下特点:

  ①相对湿度和完全校准的输出温度;

  ②湿度为14位,温度为12位;可编程12位,8位,高分辨率:

  ③由于体积小,可进行表面贴装;

  ④芯片负载校准系数确保完全可互换性。

  ⑤低能耗:550微米用于测量,3微米为睡眠时。

  2. 工作原理

  因为集成静态逻辑,所以不需要最低频率SCK:当工作时的电压小于4.5伏时,SCK的最大频率为1兆赫,当工作时电压大于4.5伏时,SCK的频率可高达10兆赫。

  4.应用说明(1)如果测量时温度差异较大此传感器将会有大幅度偏移,但是传感器会一点点的矫正偏移值使其回归正常。如果芯片温度过于低,将芯片加热至90°C,就可以将其恢复到较高的准确度,但多次这样做必将会使得芯片极易损坏,大大增加成本。(2)由于环境中的相对湿度与温度会相互影响,所以,当我们要测量环境的所用传感器与环境温度保持在相对范围内温度是必须将。保持通风良好。为了减少SHT11和PCB之间的热传输,钢导线必须是较细,并加上狭窄的槽,传感器不应暴晒在光或紫外线下。当传感器被布线时,SCK和Data信号平行且彼此接近,或者当信号线路长度大于10厘米时,产生干扰信息,在这种情况下,VDD或GND必须置于两组信号之间。

  2.4键盘及显示电路

  为了提高主控制的利用效率,本设计拟采用矩阵键盘循环扫描,这将会大幅度提高效率。键盘是实现人机对话的最常用的输入设备。未编码的键盘通常用于单片机系统。它的关闭键字统一由软件识别,并且是独立的矩阵。按键对应转移地址键值,如表4所示。

  现如今有两种方式处理开关状态输入的可靠性。一个是软件防抖动:它检测到一个键被按下,在完成10毫秒时限程序后确认水平是不是保持在关闭状态如维持关闭状态下的水平,它被确认为真正的关键是按下,消除异常抖动的影响。另一种是硬件防抖动:将寄存器添加到硬件中。这两种方法都简单易用。本设计采用软件去抖动。如示于图6为了方便编码转发条目地址的布置,密钥号被顺序地布置。

  图6 拨码开关状态含义

  3软件电路设置

  MCU温度和湿度采集系统的整体功能在程序控制下完成,此方案还使用模块化设计结构,该系统的软件符合硬件设计的概念。MCU温度和湿度远程监测系统软件和计算机系统的一般操作设计和测试,通过主程序、中断处理程序设计思想相对应。软件部分将会将其分块化,将其分成不同的部分,然后再分步将各个部分完成,这样不但利于链接与调试,而且一旦发生故障工作人员也便于修改。温室气体温度和湿度系统的测控软件主要与硬件系统相关联,以便于补充系统环境的实时采样和参数处理。

  3.1主程序模块设计

  在该系统中最为 关键的步骤 就是主要程 序模块的设计和实施,其主要职能 是处理各种数据和进行系统自我测试,以实现系统的初始化。该系统最为主要的和基本的系统就输主程序:它是一个分枝很多并且循环程 序是无限不间断的,顺序 执行。在子程序内系统会对采集的每一个参数进 行测试和控 制每个参数的测试和 控制在子程序内进行。主程序框图示于图7。

  本系统需要作出主程序框架,再将调用的子程序嵌入到其中。但是在编写主程序时一定要消除I/O口的不协调以及寄存器存在的冲突,值得注意的是分配寄存器地址时一定要作出合理的安排。在使用程序时要避免过多的传输指令,并且尽可能的把跳转指令用调用代替,这是由于不同的跳转指令在区块有着复杂的关系,稍有不慎就会使程序无法进行,这样并不利于软件的开发。由于指令的不同将会使每一个程序的模块更加清晰,使操作者和开发者更加方便修改和维护系统。此外,功能块以子程序模块的形式写入。除了方便调用之外,如果稍后要使用软件扩展或程序升级,还可以直接调用单元功能模块,这也是一个好处。

  图7主程序流程图

  3.2温度采集

  DS18B20最大特征是它独特的单总线结构。单芯片STC 89C52刚开始向总线发送复位脉冲控制,让信 号线的全部DS18B20芯片复位,接着向DS1 8B20发 送ROM命令。由于每个DS18B20的序号 的只读存 储器 ROM是不同的,序列号码相 匹的DS18B20被激活到接收存储器访问命令的状态。通过这种形式DS18B20就可以完成 已经设定好的工作。在图8所示的工作流程DS18B20框图

  3.3湿度采集

  微处理器和温 度及湿度传感 器 通过SCK 线路和数据线以及单片机微 机进行串行通信,而 双线串行通信协 议不符合IC协议。要注意的地方是: DATA数据线要 上拉电阻.在程序开始的时候,微处理器发 送启动时序:SCK从 “0”转化 为“1”的时候,DA TA 变为"0"。此时,SCK 又翻转 成"0"低 电平;由"0"变为"1"的,周期性;当SCK 为“1”的时钟信号再次出现时,Data也变成“1”高电平。以 此表 示一个周期,开始 传输数据。

  3.4键盘及显示模块

  为了简化系统设计,两个平行端口被用来模拟串行端口,由74LS164 LED移位寄存器来提供显示功能。当所收集的数据将被显示时,MCU必须给串行端口正确的时序并显示子程序。该过程示于图9。

  本设计采用查询法。

  图9 显示流程图

  4总结

  单机片上对大棚温度和湿度的采集系统进行的研究和设计,可以解决测控通信的关键技术问题。本系统对传感器进行了深入分析与设计。该系统目的为为单个或者多个温室大棚提供智能化并且非常实用简单操作的监测系统。其主要目标是更新现有的农业温室测控技术,为人民生活提供更加便捷与舒服的生活状态。此外,鉴于该系统目前的应用环境,必须强调以下几个部分。

  ①考虑到成本问题,须用便宜并且很容易买到的电子元器件,这样将会易于安装,节约成本。

  ②为了保证此次系统的安全与稳定,采用大量模块化设计。

  ③本系统灵活与延展性较强,异常方便增加或者组合不同的传感器。

  ④所述的系统它由一主计算机(PC机)和较低的计算机(微控制器控制模块,数据获取模块),以形成主-从分发系统,其可以方便地实现远程监视。

  ⑤该系统的设计符合适用的国家和部门标准和条例。

  但是由于本人能力问题以及设计时间有限,本次系统还存在着很多问题。例如,关于软件开发方面非常简单并且不够完善,屏幕显示不够清晰。我希望在未来获得持续改进,努力使之成为一个产品,这将使它实用。

  对于任何一个设计的开发单单靠理论知识是远远不够,只有将其付诸于实践才能过发现设计中存在的问题,然后根据问题不断地改善和提高。考虑到在大环境的影响下监测温湿度靠单片机是远远不能完成的,还需要更多的技术支持但是由于经验不足、时间紧迫以及所处实验的环境等因素限制,它需要进一步提高。该系统仅用于温度,湿度,和改进。它在以下三方表示。

  ①本系统可采集的环境量太少,仅仅有温湿度,但是从度出发,这是远远不够的,因为光照等一系列因素也会影响农作物的发展。

  ②本系统的优点虽然明显,,然而,这是不够的,进一步加强在精度方面现有的准确性。控制策略应当改进的和改进的,并且应当逐步提高精度。

  ③文章中提到的温室中各种参数相互影响的问题应提起注意,并改进控制措施,以提高控制效应。

毕业论文:http://www.3lunwen.com/jy/xxjs/3825.html

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