毕业论文无线数据采集和组态网控制技术下的农业大棚控制系统.doc

目 录1 引言11.1 课题设计的背景11.2课题设计目的和意义12硬件设计12.1总体硬件设计12.2STC89C51单片机最小系统22.3 温度采集模块82.4无线发射和无线接收模块NRF905122.5 液晶显示模块132.6 组态网模块172.7串口通信模块182.8继电器控制电路模块212.9 稳压芯片223 软件设计253.1 总体程序流程图设计253.2 分模块程序设计264 电路板的制作304.1 PROTEL电路图设计304.2 PCB布线304.3 电路板的制作与焊接304.4 电路板硬件的测试305 整机系统测试和运行315.1 液晶测试与运行315.2 数据采集模块的测试与运行315.3 组态网的测试与运行326 总结33参考文献34致 谢 词35独 撰 声 明361 引言1.1 课题设计的背景随着农业生产对温度的要求越来越高，准确测量温度对农作物生产至关重要。温室大棚技术在现代农业生产中已得到广泛的应用，对现代农业生产具有重要作用。传感器在环境温度数据采集方面扮演着重要的角色，传感器可以说是环境数据采集的核心内容，没有传感器的参与，就无所谓数据采集。当今社会中，它作为科学技术发展的一个综合性的结果，在农业领域具有重要的意义。温室大棚环境温度的控制直接影响着现代农业生产的好坏。但是目前不易现场去测试大范围的并且环境恶劣的大棚环境温度，就需要一种技术实现对农业现场的环境温度进行实时准确的监测并且控制大棚中的温度值。1.2课题设计目的和意义在传感器、串口通信、无线数据采集和组态网控制技术下实现的现代农业大棚控制系统。可以实现实时监测大棚中的环境温度值，并在LCD上显示出来。不仅可以利用组态网显示出环境中的实时数据和历史数据，而且可以通过组态网控制继电器的工作，实现对温度控制的作用。从而实现双工的目的。此系统的控制终端是功能强大，软件资源丰富的组态网。可应用于各种大棚种植中，实用于各种种植环境，具有很广泛的应用和推广前景。现实生活中，这种温度采集和控制系统已经被成功应用于农业环境监测与控制领域。有效的避免了危险环境给人们带来的伤害，并且能方便准确地了解大棚温度的变化。因此对于如何利用无线通信技术进行精度的数据采集，尤其是如何控制环境温度等课题的研究就变得非常的有意义。2硬件设计2.1总体硬件设计5该设计通过温度传感器DS18B20采集到大棚中的温度，经单片机处理后（内部有个AD转换）在LCD上显示出当前环境温度。经过无线发送模块将温度数字传输到接收板中，接收板接收到温度值后经过串口处理将温度值传输到组态网中，在组态网上又显示出当前温度值。当温度过高时，超过预设的温度值40度时，组态网会发出报警信号，管理员在组态网上发送打开降温设备的按钮，然后经过串口传输到接收板上，接收板子发送指令到发射板上，发射板接收到指令后打开降温设备开关，当温度达到预设值时，从组态中发送关闭降温设备的开关,达到控制大棚环境温度的目的。为实现以上功能，设计主要硬件模块如下：MCU控制芯片最小系统；传感器数据采集模块（DS18B20温度采集模块）；无线发送和接收模块（NRF905）；LCD12864液晶显示模块；串口通信模块；继电器控制模块；组态网模块。具体工作流程为：通过传感器（DS18B20）采集实时环境温度值，并送至LCD12864上显示，完成对环境温度的监测；经过无线传输模块将温度从发射板传到接受板，后经过串口通信，在组态网模式下，不仅可以实现环境温度值的实时显示，而且可以实现对环境温度的控制。总体设计的框架如图1所示。 发 射主 系统STC89C51DS18B20温度采集模块降温加温NRF905无线模块 接 收 主 系 统STC89C51组态网系统继电器模块串口通信模块LCD12864图1 总体设计框图2.2STC89C51单片机最小系统2控制芯片最小系统包括：控制芯片STC89C51单片机、晶振电路和复位电路。2.2.1.控制芯片STC89C51单片机2.2.1.1 STC89C51单片机简介STC89C51是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU(K)系统可编程Flash存储器，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。2.2.1.2 STC89C51具体介绍单片机STC89C51引脚图如图2所示。图2 STC89C51引脚图l 主电源引脚（2根）VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线l 外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin18)：片内振荡电路的输出端l 控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：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(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：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。l 可编程输入/输出引脚（32根）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（8根引脚），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.72.2.1.3.单片机STC89C51的主要功能特性8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。如表1所示。表1 STC89C51主要功能特性STC89C51主要功能特性兼容MCS51指令系统，8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口，32个可编程I/O口，256x8bit（字节）内部RAM3个16位可编程定时/计数器，时钟频率0-24MHz2个串行中断，可编程UART串行通道2个外部中断源，共6个中断源2个读写中断口线，3级加密（位）程序存储器全双工UART串行通道电源控制模式看门狗定时器。双数据指针。全静态操作：0Hz33Hz低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能2.2.2.晶振电路的设计在晶振电路也叫时钟电路，使用了两个30PF的电容（C1，C2）和一个晶振（Y1），分别接的是单片机的18，19引脚，晶振频率选取的是12MHZ，电路图如图3所示。图3 晶振电路STC89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟由内部方式产生或外部方式产生,如图4所示。（a）内部方式时钟电路 （b）外部方式时钟电路图4 时钟电路内部方式的时钟电路，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。2.2.3.复位电路的设计复位是单片机的初始化的操作。单片机控制器在上电启动运行时，都需要先复位。其作用是使CPU和控制器中其它部件处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作，因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能进行自动复位的。必须配合相应的外部复位电路才能实现。本系统采用按键电平复位电路，其连接方式如图5所示。图5 按键电平复位电路2.2.3.1复位操作单片机上复位电路接在9脚上，参考图7，当复位键S1按下时，正的信号接通，同时给单片机一个正的信号1，对单片机进行初始化；当S1键断开时，如图可知电路对单片机发送一个负的信号，表示断开。2.2.3.2 复位信号及其产生复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。RST（9脚）引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。产生复位信号的电路逻辑如图6所示。图6 复位信号的电路逻辑图整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位操作有上电自动复位和手动复位两种方式，如图7所示。（a）上电复位 （b）按键电平复位 （c）按键脉冲复位图7 复位电路上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。2.3 温度采集模块1DS18B20是由美国DALLAS（达拉斯）半导体公司生产的最新单线数字式温度传感器。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强。2.3.1DS18B20 的主要特征：现场温度测量值通过串行通信的方式传输，即“单线总线”的数字方式传输（通信）。最高12 位分辨率，实际系统的分辨率可单独设定，并且保存在EEPROM 中，即使断电也能够保存。12 位分辨率时的最大工作周期为750 毫秒。可选择寄生工作方式。检测温度范围为55C +125C (67F +257F) ，精度可达土0.5 摄氏度内置EEPROM，限温报警功能。64 位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。多样封装形式，适应不同硬件系统。系统供电电压容许范围大，可在3V到55V 的范围波动。2.3.2.DS18B20引脚功能及外形图l DQ为数字信号输入/输出端； l GND为电源接地； l VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。如图8所示。图8 DS18B20外形及引脚排列图2.3.3.DS18B20的内部结构DS18B20的内部结构主要包括寄生电源电路、64位只读存储器(ROM)和单线接口、存储器和控制逻辑、存放中间数据的高速暂存存储器、温度传感器、报警上限寄存器TH、报警下限寄存器TL、配置寄存器和8位CRC)发生器。如图9所示。图9 DS18B20基本结构l 64位光刻ROM光刻ROM 中的64位序列号为DS18B20的地址序列码。主要作用是使每个DS18B20的地址不同，这样可以在一条总线上接多个这样的芯片，相互之间不受影响。l 温度传感器主要实现对温度的测量温度传感器的分辨率根据系统的要求，可以在912位之间单独设置，当设置分辨率越高转换时间就越长，如果设置为9位，转换时间最大为93.75ms，当为12位时，达到750ms，所以在软件设计时必须考虑转换的温度一般存放在两个8位的RAM中DS18B20的核心是其数字温度传感器，精度可以通过用户编程配置为9、10、l1和l2位，其分别对应于0.5 、0.25 、0.125和0.0625 ，可以满足各种不同的分辨率要求。开始一次温度转换时，微处理器需要向DS18B20发出指令。转换完成之后，该温度数据存放在高速暂存存储器的温度寄存器中，占用2个字节，并且DS18B20返回到空闲状态。当DS18B20采用外部供电方式时，主机可以在发送温度转换指令后发起一次读时隙。若此时该DS18B20已经完成温度转换，它将会返回“1”，否则返回“0”。以l2位为例，其中二进制的前5位为符号位，0表示正数，反之为负数。l 非易失性温度报警触发器主要是在系统控制中用软件输入温度的报警上下限。l CRC在64位光刻ROM 的最高字节，主要是实现串行通信中的数据校验，判断接收的数据是否正确。2.3.4.DS18B20的工作时序DS18B20的一线工作协议流程是：初始化ROM操作指令存储器操作指令数据传输。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，如图10所示。 图10 DS18B20基本工作时序图温度转换计算方法举例：例如当DS18B20采集到+125的实际温度后，输出为07D0H，则：实际温度=07D0H0.0625=20000.0625=125。例如当DS18B20采集到-55的实际温度后，输出为FC90H，则应先将11位数据位取反加1得370H（符号位不变，也不作为计算），则：实际温度=370H0.0625=8800.0625=552.3.5.(本设计中)DS18B20与STC89C51单片机的连接10 如图11所示。图11 温度传感器与单片机的连接温度参数采集采用温度传感器DS18B20，测温范围 55+125，固有测温分辨率0.5，达到了系统精度要求，而且只需要一个单片机控制端口（I/O） 口节省了单片机资源。数据脚接单片机P2.0口作为数据/控制信号线。由于单总线为开漏，所以需要外接一个4.7K 的上拉电阻以便来保证传感器的正常工作，在实验中我们发现，在数据线很短的情况下，即使不使用上拉电阻也可正常的工作。上拉电阻的选用要根据数据线的长短合适的选取。为了稳妥起见，我们使用了一个4.7K的上拉电阻。2.4无线发射和无线接收模块NRF905 2.4.1.NRF905电路管脚图13 如图12所示。图12 NRF905电路管脚图2.4.2.NRF905管脚说明 l VCC脚接电压范围为3V3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块。推荐电压3.3V左右。l 除电源VCC和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V单片机IO口直接相连，无需电平转换。当然对3V左右的单片机更加适用了。l 硬件上面没有SPI 的单片机也可以控制本模块，用普通单片机IO口模拟SPI不需要单片机SPI模拟块介入，只需要添加代码模拟SPI时序即可。l 13脚、14脚为接地脚，需要和母板得逻辑地连接起来。l 排针间距为100mil，标准DIP插针。l 与51系列单片机P0口连接时候，需要加10K的上拉电阻，与其余口连接不需2.4.3.配置 NewMsg-RF905 模块所有配置字都是通过 SPI 接口送给 RF905。 接口的工作方式可SIP通过 SPI 指令进行设置。当 RF905 处于空闲模式或关机模式时，SPI接口可以保持在工作状态。2.5 液晶显示模块本设计的显示模块的选择的是带字库的LCD12864液晶屏幕。将PSB脚置高是LCD工作在并行输入输出方式。接口电路图如图13所示。图13 LCD12684硬件连接图单片机与LCD12864通过P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7、P1.0、P1.1、P1.2相连，P0.0P0.7为数据线，P1.0、P1.1、P1.2为控制线。2.5.1.带字库12864的基本特性低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V）显示分辨率:12864 点内置汉字字库，提供 8192 个 1616 点阵汉字(简繁体可选)内置 128 个 168 点阵字符 2MHZ 时钟频率显示方式：STN、半透、正显背光方式：侧部高亮白色 LED，功耗仅为普通 LED 的 1/51/10通讯方式：串行、并口可选工作温度: 0 - +55 ,存储温度: -20 - +602.5.2.12864接口说明12864的数据传输方式可以采用串行数据传输方式和并行数据传输方式两种方式，本设计采用的是并行数据传输方式，并行接口如下表2所示。表2 12864并行接口管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC3.0+5V电源正3V0-对比度（亮度）调整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示 DB7DB0 为显示数据RS=“L”,表示 DB7DB0 为显示指令数据5R/W(SI)H/LR/W=“H”,E=“H”,数据被读到 DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0 的数据被写到 IR 或 DR6E(SCLK)H/L使能信号7DB0H/L三态数据线8DB1H/L三态数据线9DB2H/L三态数据线10DB3H/L三态数据线11DB4H/L三态数据线12DB5H/L三态数据线13DB6H/L三态数据线14DB7H/L三态数据线15PSBH/LH：8 位或 4 位并口方式，L：串口方式16NC-空脚17/RESETH/L复位端，低电平有效18VOUT-LCD 驱动电压输出端19AVDD背光源正端（+5V）2.5.3.12864控制器接口信号和8位并行数据线读写时序说明RS，R/W 的配合选择决定控制界面的 4 种模式如表3所示。表3 12864的四种控制模式RSR/W功能说明LLMPU 写指令到指令暂存器（IR）LH读出忙标志（BF）及地址记数器（AC）的状态HLMPU 写入数据到数据暂存器（DR）HH MPU从数据暂存器（DR）中读出数据E信号如表4所示。表4 12864的E信号E 状态执行动作结果高低I/O 缓冲DR配合/W 进行写数据或指令高DRI/O 缓冲配合 R 进行读数据或指令低/低高无动作具体的读写指令可查阅使用手册，这里不详细列出。本系统采用的是8位并行数据线模式，下面给出12864在并行传输方式下的读写时序图，如图14、15所示。图1412864写时序（8位并行数据线模式）图1512864读时序（8位并行数据线模式）2.6 组态网模块2.6.1通用组态软件主要特点 l 延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级； l 封装性（易学易用）。通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能； l 通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。2.6.2.组态软件的功能l 强大的界面显示组态功能。目前，工控组态软件大都运行于Windows环境下，充分利用Windows的图形功能完善界面美观的特点，可视化的m风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接进人开发状态，节省时间。丰富的图形控仵和工况图库，既提供所需的组件，又是界面制作向导。提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。 l 良好的开放性。社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬仵不可能出自一家公司的产品，“异构”是当今控制系统的主要特点之一。开放性是指组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备。组态软件向下应能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信。 l 丰富的功能模块。提供丰富的控潲功能库，满足用户的测控要求和现场荽求。利用各种功能模块，完成实时监控 产生功能报表 业示历史曲线、实时曲线、提供报警等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作，系统既叫适用于单机集中式控制、DCS分布式控制，也可以是带远程遇信能力的远程测控系统 l 强大的数据库。配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的数据交换。 l 可编程的命令语言。有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编撰程序，增强图形界面。 l 周密的系统安全防范，对不同的操作者，赋予不同的操作权限，保证整个系统的安全可靠运行。 l 仿真功能提供强大的仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。利用组态软件制作控制观测图，模拟被控制量在计算机中的显示状态，通过设置按键、串口通信，控制物理量，从而达到相应的显示及直观表达现实物的被控状态。2.7 串口通信模块3 为了更好、更方便的为该系统提供工作电压，另外本设计增加了串口通信模块设计，使用了单电源电平转换芯片MAX232MJE，提高系统的扩展性。串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议。串口通信按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口呵以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。STC89C52RC内部有一个可编程的全双工串行通信接口，该口能同时进行串口发送和接收，以便通过RXD引脚（串行数据接收端）和TXD（串口数据发送端）与外界进行通信。但是一方面由于每一种型号的单片机的下载软件不一样，针对本系统所采用的STC89C52RC单片机需要采用STC系统单片机串口下载软件；另一方面电脑的串口为标准的RS232电平，而单片机是TTL电平，RS232通信方式不能直接满足TTL电平的传送要求，因此两者要通信的话必须进行电平转换。综上，必须设计一个串口通信电路。串口通信电路的设计就是在单片机应用系统中加入电平转换芯片，以实现TTL电平向标准接口RS232电平的转换。这样就可以用于单片机与PC通信，以及单片机与单片机之间的通信。目前应用最广泛的集成电路转换芯片是MAX232芯片。利用MAX232芯片连接单片机和PC机的具体电路如图16所示。2.7.1.串口模块的硬件设计15串口主要是9针串口，数据控制端主要由2和3引脚控制，5引脚接地，数据传送端连接在驱动芯片MAX232引脚11和12上，MAX232串口传输部分如图16，通过驱动芯片可以达到单片机数据通过串口传到计算机上显示数据。MAX232模块的原理图如图17所示。单片机与MAX232通过P3.0、P3.1相连，分别为发送线、接收线，另外单片机要与MAX232共地。图16 MAX232串口传输部分图17 串口通讯模块电路图2.7.2.RS232串行通信模块RS232是由电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA) 所制定的异步传输标准接口。对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。RS232与TTL电路之间需要进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。MAX232芯片可完成TTLRS232双向电平转换。2.7.3. MAX232芯片MAX232芯片是RS232标准接口芯片，使用+5v单电源供电。是PC机与单片机串口进行通讯的电平转换芯片。内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。2.8 继电器控制电路模块14继电器的作用：继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。如图18、19所示。图18 降温控制电路图19 升温控制电路图2.9 稳压芯片2.9.1.AMS1117(3.3V) 7800mA LDO 稳压器电路-AMS1117如图20所示。图20 AMS11172.9.1.1 特点l 能提供包括固定电压输出版本（固定电压包括1.8V，3.3V，5V）跟三端可调电压输出版本l 最高输出电流可达1Al 输出电压精度高达2 l 稳定工作电压范围为高达12 Vl 限流功能，过热切断l 温度范围：-20-1202.9.1.2 应用l 膝上型电脑，掌上电脑和笔记本l 电池充电器l 电池供电系统l 便携式设备管脚排列如图21所示。图21 AMS1117管脚图2.9.1.4 功能描述AMS1117 是一个低漏失电压调整器，它的稳压调整管是由一个PNP 驱动的NPN 管组成的,漏失电压定义为：VDROP=VBE+VSAT。AMS1117 有固定和可调两个版本可用，输出电压可以是：1.8V，3.3V 和5.0V。片内过热切断电路提供了过载和过热保护，以防环境温度造成过高的结温，其中过流保护和过热保护模块，能够在应用电路的环境温度大于1 20以上或负载电流大于900mA 时，保证芯片和系统的安全。为了确保AMS1117 的稳定性，对可调电压版本，输出需要连接一个至少22F 的钽电容。对于固定电压版本，可采用更小的电容，具体可以根据实际应用确定。通常，线性调整器的稳定性随着输出电流增加而降低。2.9.2.LM7805(5v稳压芯片)lm7805典型应用电路如图22所示。图22 LM7805电路图lm78XX系列集成稳压器的典型应用电路图，是一个输出正5V直流电 IC采集成稳压器lm7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。当输出电流较大时，lm7805应配上散热板。 为输出电压可在一定范围内调节的应用电路。由于R1、RP电阻网络的作用，使得输出电压被提高，提高的幅度取决于RP与R1的比值。调节电位器RP，即 可一定范围内调节输出电压。当RP=0时，输出电压Uo等于lm78XX稳压器输出电压；当RP逐步增大时，Uo也随之逐步提高。 为扩大输出电流的应用电路。VT2为外接扩流率管，VT1为推动管，二者为达林顿连接。R1为偏置电阻。该电路最大输出电流取决于VT2的参数。2.9.2.1 LM7805介绍用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。2.9.2.2 实际应用在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。 当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。3 软件设计83.1 总体程序流程图设计如图23所示。否升温/降温是初 始 化读取传感器采集的数据通过串口向上位机发送环境温度数据是否接收到指令开 始结 束图23 总体程序流程图3.2 分模块程序设计对于相应的硬件模块，主要要设计的模块程序分别是：数据采集的程序设计， 12864液晶屏幕显示程序的设计和上位机程序的设计。对于串口通信模块的驱动，只需要一个串口初始化（设置）函数。3.2.1.数据采集模块的程序设计11从硬件的设计和总体程序流程图，我们可以看出，数据采集是一个很重要的步骤。对于数据采集我们主要是采集温度数据，采用的传感器分别是DS18B20。DS18B20程序流程图如图24所示。图24 DS18B20流程图3.2.2.LCD12864液晶屏幕显示模块驱动程序的设计12864液晶屏幕主要用于数据和信息的显示，为驱动它正常工作，设计了以下一些函数：12864写指令函数void zhiling(uchar a)。LCD12864程序流程图如图25所示。初始化12864调用显示函数写入显示数据12864显示写入数据开 始结 束图25 LCD12864流程图3.2.3.无线模块程序的设计9无线发射模块 如图26所示。无线发送初始化将采集到的温度变量赋到变量组将变量组赋给调用TXpacket函数开 始结 束图26 无线发射模块流程图无线接收模块 如图27所示。无线接收初始化调用wait-Rec-packet接收函数将接收到的数存储在TXRXbuffer数组结 束开 始图27 无线接收模块3.2.4组态网程序的设计15软件的编写是在Keil C51平台上完成的，编程语言使用的是C语言这样一款面向对象的语言。组态网的功能主要是实现实时显示经串口传来的环境温度数据，并能够发送指令控制环境温度。主要是通过串口通信实现的，所以保证串口通信的质量是关键所在。如何保证串口通信的质量，关键是尽量降低通信时的误码率。而误码率问题，晶振频率的选择，晶振频率在11.0592MHZ时，无论采用何种波特率（在晶振能够支持的波特率范围内）理论上是没有任何误码率的。组态网软件程序流程图见图28所示。NNYY显示主窗体界面判断是否打开串口接收串口数据并显示在窗口判断是否按下控制按钮通过串口发送相应指令开 始 图28 组态网软件流程图4 电路板的制作4.1 PROTEL电路图设计在Altium Designer操作环境下设计这个系统的电路原理图，Altium Designer中默认的很多元件封装可能会与采购的元件封装不符，或大或小或引脚顺序和数目不对，因此首先就需要对封装不符的元件进行大小和引脚距离的测量，然后自制封装，载入元件库，在原理图中替代默认封装。画原理图时尽量按照信号的流向放置元件和导线，尽量将各模块的元件放置在一起，便于布线，采用分块的思想使各个模块相互独立，同时又有清晰的接口，从而方便读图和检查。4.2 PCB布线在Altium Designer下完成PCB版图设计。在布线的过程中，线宽是一个重要的参数，太细不能雕刻出来，太粗又不容易布通，同时也要考虑线路所承受的电流大小。主要的线路尽量布通，一些次要的线路可以采用飞线连接，布线的时候在线路拐角处不用直角的走线。本设计的整体原理图见附录1所示，PCB图见附录2所示。4.3 电路板的制作与焊接本次设计的系统采用双面板。电路板制作可采用腐蚀和雕刻，采用雕刻的方法制作电路板比较方便，雕刻的电路板上的路线完整性较好；腐蚀电路板时间快但腐蚀出来的线路存在沙眼。电路板雕刻完成后对照电路原理图进行元件焊接。电路板焊接完毕，检查是否有虚焊，短路等硬件故障，硬件测试正常后进行防氧化处理。4.4 电路板硬件的测试l 制作好电路板之后需要进行硬件电路的测试。l 线路检测：根据电路图用万用表检测PCB板线路是否有短路和断路现象。l 焊接好元件后，根据电路图检查有极性元件是否反接，元件参数是否合适，再检测元件引脚与对应的线路是否接通，防止虚焊。l 将电源电路接通，用万用表测量各输出电压值是否正常。l 确保PCB板上线路连接正常后，开启自锁开关将板上电源接通，再检测各电源接口电压是否正常，看各元件能否正常工作如有无发烫现象，过一段时间再检测，确定硬件控制器的稳定性。l 装上单片机，再测量其电压输入口40引脚VCC电压（5V）、31引脚EA/VPP引脚电压（5V）和晶振两引脚与地之间的电压（一般为2.2V左右）。说明单片机能正常工作。5 整机系统测试和运行5.1 液晶测试与运行完成硬件与软件的设计工作后，我们要在系统上运行一下程序代码，以测试系统是否能够正常的工作。 5.2 数据采集模块的测试与运行系统初始化后，数据采集模块将实时环境温度，显示屏幕上如图29、30所示。 图29 发射模块 图30 接收模块5.3 组态网的测试与运行在组态网上也将实时显示环境温度数据。在实时显示数据的过程中，如果环境温度数据不适宜，系统将通过提醒用户，以便用户采取下一步的操作。进行升温和降温操作，如图31所示。 图31 组态网的测试与运行6 总结本文主要介绍了STC89C51单片机、LCD12864显示器、NRF905、MAX232串口芯片组成的无线温度与控制系统。该系统主要包括无线发射模块、无线接收模块、显示模块、组态网。本设计能实现采集大棚环境中的实时温度在显示器上显示，并且能通过组态网监测温度值，在温度高于40度时，组态网发出报警信号，在组态网上发送打开通风设备。本设计具有一定的实用性，能避免现场到大棚中测量温度值的危险，并且能够准确的实现远程测量与控制。但是本设计还存在一定的局限性，应该还增加两个传感器：一个湿度传感器，一个光照传感器。这样本设计会更全面，实用性更强。有时间我就在这个基础上改进。总的说来，这次设计在老师和同学的帮助下，我从中学会了很多知识，我积累了很多经念与教训，为我以后的学习与工作打下了基础。通过大学几年的学习，我有义务并有能力将这些先进的知识转化为现实生活中的使用系统，将此系统应用于生产生活中，提高人类的生产能力，更好服务于人们生产。参考文献1徐科军.传感器与检测技术M.北京：电子工业出版社，2004.92徐新民.单片机原理与应用M.浙江：浙江大学出版社，3006.53薛晓书.单片微机原理及接口技术M.西安：西安石油大学出版社，2002.34谭博学，苗汇静.集成电路原理与应用M.北京：电子工业出版社，20035刘芸.电路与电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2006.46姚福安.电子电路设计与实践M.济南：山东科技技术出版社，20017施智雄，胡放鸣.实用模拟电子技术M.成都：电子科技大学出版社,2006.2088谭浩强.C程序设计M.北京：清华大学出版社，20059郑君里，杨为理.信号与系统M.北京：高等教育出版社，2009.40310张毅刚,彭喜元.MCS51单片机应用设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,200211戴佳.51单片机C语言应用程序设计实例精进M.电子工业出版社，200612罗苑棠.单片机系统开发实例精讲M.电子工业出版社，200913王瑟,刘超基于无线传感器网络应用开发J.微计算机信息，2006,31-3314杨宁.单片机与控制技术M.北京：北京航天航空大学出版社，2005.168 15张磊.基于C语言的单片机串行通信设计M.电子工业出版社,2005致 谢 翻 译 资 料组态网随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。首先通过NRF905无线传输模块，将数据采集电路的数据传输到无线传输接收模块，无线传输模块通过MAX232与电脑实现全双工串口通信，通过电脑和单片机达到自动控制农业大棚的目的。因为每次传输2个字节，8位二进制数值，所以一次串口能够传输最大255的数据，因为ADC0809是8位二进制，最大值也是255，所以将采集到的数据直接传输，在组态软件中设置返回字节为6，没字节为8位，最大值255，然后设置6个数据变量，每个变量对应一个单元号，这个单元号就是代表通过串口传进组态的一个数据。单片机AT89C51单片机广泛应用于商业：诸如调制解调器，电动机控制系统，空调控制系统，汽车发动机和其他一些领域。这些单片机的高速处理速度和增强型外围设备集合使得它们适合于这种高速事件应用场合。然而，这些关键应用领域也要求这些单片机高度可靠。健壮的测试环境和用于验证这些无论在元部件层次还是系统级别的单片机的合适的工具环境保证了高可靠性和低市场风险。Intel 平台工程部门开发了一种面向对象的用于验证它的AT89C51 汽车单片机多线性测试环境。这种环境的目标不仅是为AT89C51 汽车单片机提供一种健壮测试环境，而且开发一种能够容易扩展并重复用来验证其他几种将来的单片机。开发的这种环境连接了AT89C51。本文讨论了这种测试环境的设计和原理，它的和各种硬件、软件环境部件的交互性，以及如何使用AT89C51。1.1 介绍8 位AT89C51 CHMOS 工艺单片机被设计用于处理高速计算和快速输入/输出。MCS51 单片机典型的应用是高速事件控制系统。商业应用包括调制解调器，电动机控制系统，打印机，影印机，空调控制系统，磁盘驱动器和医疗设备。汽车工业把MCS51 单片机用于发动机控制系统，悬挂系统和反锁制动系统。AT89C51 尤其很好适用于得益于它的处理速度和增强型片上外围功能集，诸如：汽车动力控制，车辆动态悬挂，反锁制动和稳定性控制应用。由于这些决定性应用，市场需要一种可靠的具有低干扰潜伏响应的费用-效能控制器，服务大量时间和事件驱动的在实时应用需要的集成外围的能力，具有在单一程序包中高出平均处理功率的中央处理器。拥有操作不可预测的设备的经济和法律风险是很高的。一旦进入市场，尤其任务决定性应用诸如自动驾驶仪或反锁制动系统，错误将是财力上所禁止的。重新设计的费用可以高达500K 美元，如果产品族享有同样内核或外围设计缺陷的话，费用会更高。另外，部件的替代品领域是极其昂贵的，因为设备要用来把模块典型地焊接成一个总体的价值比各个部件高几倍。为了缓和这些问题，在最坏的环境和电压条件下对这些单片机进行无论在部件级别还是系统级别上的综合测试是必需的。Intel Chandler 平台工程组提供了各种单片机和处理器的系统验证。这种系统的验证处理可以被分解为三个主要部分。系统的类型和应用需求决定了能够在设备上执行的测试类型。1.2 AT89C51提供以下标准功能4k 字节FLASH 闪速存储器，128 字节内部RAM，32 个I/O 口线，2 个16 位定时/计数器，一个5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51 降至0Hz