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嵌入式系统设计 温室大棚温度无线测控系统的设计.doc

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嵌入式系统设计 温室大棚温度无线测控系统的设计.doc

00000嵌入式系统原理课程设计温室大棚温度无线测控系统姓名专业电子信息工程指导教师成员1嵌入式系统设计温室大棚温度无线测控系统目录1摘要.....................................................................21.1需求分析...............................................................21.2课题研究内容...........................................................32系统总体设计方案........................................................32.1系统工作原理..........................................................42.2系统组成..............................................................42.3系统性能指标...........................................................63硬件电路设计............................................................63.1单片机的选择...........................................................63.2单片机的最小系统设计...................................................63.3温度传感器的选择.......................................................73.4无线收发模块...........................................................93.5串口通信...............................................................94软件设计...............................................................114.1下位机软件设计........................................................114.2上位机软件设计........................................................145系统调试及结果分析......................................................155.1硬件电路的调试.......................................................155.2系统可靠性及抗干扰设计..............................................16参考文献.19附录19心得体会(柳庆)202嵌入式系统设计温室大棚温度无线测控系统的设计摘要随着大棚技术的普及,温室大棚数量的不断增多,对其温度的控制就显得非常重要,而利用科学技术改善大棚温度监测条件是符合社会主义新农村建设的指导思想的,因此,开发一种能够实时、准确地处理温度信息的无线测控系统就变得很有必要。本课题是基于单片机并采用1wire总线技术和无线传输技术,设计一种应用于温室大棚的温度测控系统。它的原理是利用温度传感器将温室大棚内的温度发给单片机处理,最后再通过无线传输模块、RS232总线将采集的数据传送到计算机,进行温度的显示、处理和报警。整个系统设计分为硬件和软件两部分。在硬件方面,对硬件的各个环节都进行了仔细的分析、选取和设计。系统以单片机AT89S51为控制核心,采用温度传感器DS18B20进行数据采集,通过无线收发模块进行无线传输。在无线接收端,利用LCD液晶显示模块进行相关数据显示,并且单片机可通过RS232接口与计算机通信,进行温度的检测与控制。在软件方面,分为下位机软件与上位机软件两部分。下位机软件采用了C51高级语言进行程序设计,实现软件编程的模块化和独立性,具有良好的可测试性和可靠性。上位机软件采用CBuilder作为开发环境,实现与下位机通信、数据处理与显示等功能。【关键词】温室大棚AT89S51DS18B20温度监控无线传输1.1需求分析名称温室大棚温度无线测控系统目的实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证。通过对监测数据的分析,结合作物生长规律,控制环境条件,使作物在不适宜生长的反季节中,可获得比室外生长更优的环境条件,从而使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。输入温度感应器、湿度感应器、亮度感应器输出手机、中央控制中心功能管理人员不需要留在现场也能监测到大棚的情况生产成本较低功耗低性能好物理尺寸和质量适中3图1.1环测温控系统1.2课题研究内容本课题的任务是设计一个大棚温度无线测控系统,对温室大棚的温度进行监测和控制。本文将详细地介绍利用单片机制成的测温模块的软硬件设计和无线传输模块的具体应用,并给出温度传感器接口的软件设计方案以及上位机界面的设计方案。图1.2大棚温度无线测控系统的信息流图2系统总体设计方案本系统主要针对温室内温度,设计了以PC机为上位机,单片机为下位机的温室大棚的温度无线测控系统。综合考虑系统的精度、效率以及经济性要求这三个方面之后,最终确定下位机以AT89S51单片机为控制核心,选用性价比比较高的传感器DS18B20,实现对温度精确测量与准确控制。当单片机检测到温度超过设定值时,则启动报警措施。下位机可以通过应用系统服务器中央控制中心路由器MA81手机InternetGRPSMA86RS232亮度感应器温度感应器湿度感应器测量温度温度单片机数码管显示无线发射模块通过串口把数据发送大棚的温度信息显示信息无线接收模块RS232接口电平转换电脑温度电信号4RS232实现和上位机的串行通讯。为了便于系统的调试、移植、修改,软件设计以C语言为基础,采用模块化设计,主要包括单片机的最小系统、数据采集模块、液晶显示模块、无线收发模块以及串行通讯模块。上位机使用CBuilder编写温度监控界面。系统的总体设计分为硬件和软件设计两方面,首先确定系统实现的功能,然后对硬件、软件分别进行规划,完成这些准备工作之后,就可以开始制作硬件电路,编写软件程序,在模块化调试结束后,进行软硬件联调,针对出现的问题对软硬件进行相应的修改,直到调试成功为止。系统的总体设计流程图如图2.1所示。图2.1系统总体设计流程图2.1系统工作原理单片机首先通过温度传感器DS18B20采集温室大棚的温度,再通过无线发射模块,利用单片机的串口进行编程,将测得大棚的温度一位一位地传送到监控室的接收模块中接收模块通过RS232接口与电脑相连,把数据传给电脑。在上位机中,利用CBuilder编程,让电脑和单片机正常地进行数据传输,同时上位机界面显示大棚的温度,并对异常的温度变化进行报警,实现对大棚温度的无线测控,保证了农作物在适宜的温度下生长。2.2系统组成整个无线监测系统主要分为三部分即温度检测、无线传输和PC机对温度的监测环节。明确功能要求软件及硬件的功能分配硬件电路设计电路细节设计软件设计硬件调试软件调试需要开发工具支持软硬件联调程序固化需要程序烧写器支持运行有问题结束软硬件修改YN5图2.2系统的整体连接图(1)温度检测模块的组成在温度检测中,由单片机AT89S51主控制器所组成的最小系统以及外部接口模块主要有温度传感器DS18B20、LED八段码显示器,无线发射模块,各模块连接如下图所示。图2.3单片机温度检测模块(2)温度无线传输模块的组成无线传输系统主要有单片机AT89S51组成的最小系统以及无线接收模块,液晶1602显示和串口通讯模块组成。在本设计中,在无线接收端采用1602液晶16引脚带背光接口进行显示。液晶是一种极低功耗的显示器件。在袖珍式仪表或低功耗应用系统中使用较多。各模块的连接框图如下图所示。图2.4无线传输模块(3)上位机对温度的监测实现大棚温度的显示并且实时绘制出曲线,一旦温度有异常变化马上让电脑发出报警提示。还加以整个系统的介绍和图片,方便使用者了解系统的原理和功能。温室大棚无线发射模块主控制器时钟控制器复位单元电源温度传感器数码管显示液晶显示单元无线接收模块主控制器时钟控制器复位单元电源温室大棚无线传输模块测温装置监控室的电脑6图2.5上位机的监测模块2.3系统性能指标本系统具有良好的可靠性和经济性,能够实现对温室大棚温度的准确测量和控制,在实际应用中有一定价值。具体性能指标分述如下。测温范围0℃~50℃测温分辨率0.1℃工作电压220V功耗600mW监测距离200m左右3硬件电路设计3.1单片机的选择在此次设计中,采用AT89S51作为系统的控制芯片。AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISPInsystemprogrammable的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元。3.2单片机的最小系统设计在本设计中采用了AT89S51单片机作为核心处理器,因此在电路中首先设计的是AT89S51的最小系统。AT89S51单片机的最小系统包含以下几部分。单片机供电电路AT89S51需要可靠的5V供电,在电路图中的VCC和GND为供电网络标识符振荡电路AT89S51需要一个稳定的振荡电路才能够正常工作,单片机的时钟信号是用来提供单片机内各种微操作的基准。在该电路中采用了12MHz的晶振作为AT89S51的时钟源这里采用的是内部振荡方式,在引脚XTAL1和XTAL2外接晶振,通过内部振荡得到的时钟信号比较稳定,在电路中使用较多。在下面的电路图中可以看到在晶振两侧连了两个电容C2,C3,它们是起稳定振荡频率、快速起振的作用,电容值一般为5~30pF。本设计中用的是30pF的电容。复位电路复位电路是单片机正常运行的一个必要部分。复位操作一般有两种基本形式上电复位和开关复位。在本设计中采用的是第二种。复位电路应该保证单片机在上电的瞬间进行一次有效的复位,在单片机正常工作时将RST引脚置低。此外通过一个按键进行手动复位,在单片机运行不正常时使用。上电后,由于电容充电,是RST持续一段高电脑显示Max232电平转换单元RS232接口无线接收模块7电平时间。当单片机已经在运行时,按下复位键也能使RST持续一段高电平,从而实现上电且开关复位的操作。通常我们选择的复位电容为10~50µF,电阻为1~10k。在本设计中复位电容选的是47µF的,电阻选的是10k的。AT89S51的最小系统电路如图3.1所示。图3.1AT89S51的最小系统电路3.3温度传感器的选择在选择温度传感器时,应考虑的主要因素有温度的测量范围、精度、测温时间、稳定性、灵敏度和经济性。(1)数字温度传感器简介数字温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器或寄存器和接口电路。它能够直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。这些芯片在检测点已把被测信号数字化了,因此在单总线上传送的是数字信号,这使得系统的抗干扰性好、可靠性高、传输距离远。由于AT89S51单片机内没有A/D转换器,为了准确地采集温度,一种方法是在外围电路中加A/D转换器,但是这样就使软硬件设计更加复杂化还有一种更简单的方法就是使用数字温度传感器。所以,在本设计中,采用的是单总线数字温度传感器(DS18B20)。它能够满足本设计要求,而且它具有体积小、构成的系统结构简单并且成本低等优点,应用越来越广泛。(2)DS18B20的功能介绍DS18B20是MaximDallas公司生产的一款高性能、宽测温范围的串行数字接口温度传感器。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配处理器等优点,特别适用于构成多点温度测控系统。DS18B20的ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,共分为8个字节,字节0的内容是该产品的厂家代号28H,字节1~6的内容是48位器件序列号,字节7是ROM前56位校验码。它可以看作是该DS18B20的地址序列码,每个DS18B20的64位序列号均不相同,这样就可以实现1根总线上并接多个DS18B20温度传感器而互不影响。在单片机容量允许内,最多可以挂接256个DS18B20(实际应用中最多挂8个,超过8个就需EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1AT89S5112Y1XTALVCC30pFC230pFC3GND10KR1S1SWPBVCCGNDRSTRST47uFC18要解决微处理器的总线驱动问题。以下将简要地介绍它的使用。1)DS18B20的性能指标DS18B20温度传感器的主要性能指标如下供电电压3.0V~5.5V测量温度范围55℃~125℃测量温度精度在10℃~85℃是0.5℃测温分辨率可达0.0625℃2)DS18B20的引脚定义及结构DS18B20具有8Pin的SOIC封装和TO92的封装,其引脚分布如图3.2所示。DS18B20的各引脚功能说明如下DQ数据端VDD供电电源GND电源供给地DS18B20主要有64位ROM、温度敏感元件、非易失性温度报警触发器TH和TL及配置寄存器四部分组成。配置寄存器为高速暂存存储器的第5个字节。DS18B20在工作时按此寄存器的分辨率将温度转换成相应精度的数值。DS18B20对所测数据的转换结果以16bit带符号位扩展的二进制补码的形式存放在寄存器中。DS18B20通过其内部的数字转换电路将模拟量转换为数字量,通过显示模块直接以数字方式显示温度。其典型的温度值数据如表3.1所示。表3.1DS18B20典型温度数值温度数字输出对应的二进制码十六进制码125℃000001111101000007D0H85℃00000101010100000550H25.0625℃00000001100100010191H10.125℃000000001010001000A2H0.5℃00000000000010000008H0℃00000000000000000000H0.5℃1111111111111000FFF8H10.125℃1111111101011110FF5EH25.0625℃1111111101101111FD6FH55℃1111110010010000FC90H3)DS18B20的电源供电方式DS18B20的电源供电方式有2种外部供电方式和寄生电源方式。工作于寄生电源方式时,VDD和GND均接地,它在需要远程温度探测和空间受限的场合特别有用,原理是当1-Wire总线的信号线DQ为高电平时,窃取信号能量给DS18B20供电,同时一部分能量给内部电容充电,当DQ为低电平时释放能量为DS18B20供电。但寄生电源方式需要强上拉电路,软件控制变得复杂特别是在完成温度转换和拷贝数据到E2PROM时,同时芯片的性能也有所降低。因此,在条件允许的场合,尽量采用外供电方式。图3.2DS18B20的引脚

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