毕业论文（设计）：基于单片机无土栽培智能测控系统的设计

1绪论11问题的提出当今社会科技正以前所未有的速度发展，要实现农业现代化必须大力发展电子产业、信息产业。我设计的这个系统，就是对所学知识的应用，探索怎样自动化管理工厂。今天，我们的生活有越来越多的单片机系统在为我们服务。家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化已成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现。该项目成本低、可靠性高、适用性强，它能给予我们更舒适方便的现代化管理。它能实现远程测控，以前要测量并控制作物生长环境的温度、湿度、光照、PH值等必须由人亲自去测控，这样既费人力、财力又费时间。现在不需要专门跑到目的地实测温度、湿度、光照、PH值，就能远程测量并控制。12课题的研究意义无土栽培技术与常规土壤有许多优点产量高、品质好节约水分和养分清洁卫生省力省工、易于管理避免土壤连作障碍不受地区限制、充分利用空间有利于实现农业现代无土栽培由于不用土壤，所以扩大了植物的种植范围，沙漠、石山等不毛之地，窗台、阳台、屋顶等处皆可栽培。如屋顶进行无土栽培，夏天也可使室温度降低23度。土壤栽培由于水分流失多，故水分消耗量要比无土栽培大7倍左右，且氮、磷、钾、等养分也易被土壤固定，据估计一般养分的损失达一半以上，而无土栽培损失很少，尤其是封闭式栽培，几乎没有损失。无土栽培花卉，无杂草，无病虫，清洁卫生，便于运输、销售，也是室内陈设布置的佳品，由于离开了土壤，所以可大大减少劳动量。2系统概述21系统的功能要求能够采集空气温湿度、光照和培养液PH值并将数据通过NRF905无线传输到终端，并用LCD12864液晶屏显示。通过按键远程控制继电器的开闭，从而就控制了相应的设备。能够在远端PC机上通过组态控制继电器。22系统的组成该系统的组成模块包括单片机最小系统模块、传感器信号采集模块、A/D转换模块、液晶显示模块、继电器控制模块、NRF905无线传输模块等。系统模块的组成框图如图1所示。DS8B0令PHNRF95图1系统的组成框图3方案的比较和论证31所采集信号的传输方式的选择无土栽培环境信息的采集与传输技术以及远程监控需要运用现代通信手段来实现。按通信技术传输介质的不同可分为有线和无线两种方式。方案一有线通信方式具有设备互操作性强、系统可靠性高、抗干扰能力强等优点。而温室环境湿度高、酸性大、光照强会导致线缆的老化，降低系统的可靠性。此外传感器与执行机构数量多且分散，导致线缆纵横交错，作物变更时需重新布置,导致系统安装与维护成本增加。方案二无线通信方式以组网灵活无需布线等优点在温室局域范围内采用,将各种检测装置、执行机构以及控制器连接起来,实现对温室环境等各项参数的自动检测和控制,应用在环境恶劣的条件下将是非常有意义的。经方案比较，本设计采用方案二。32模数转换的方案选择方案一采用8位AD转换芯片PCF8591实现模数转换。PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8BITCMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。PCF8591有16条引脚。方案二采用8位AD转换芯片ADC0831实现模数转换。ADC0831是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺1通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部只有一个通道。仅需较少的引脚。考虑到51单片机引脚有限，经比较设计采用方案二。33控制电路的方案选择方案一直接控制各增减设备。安全显然得不到保障且不易控制。方案二用继电器控制各增减设备。本设计所采用的是5V电磁继电器，而控制设备所用电压可达到220V。如果用5V继电器驱动220V的控制设备，设计简单安全。从可行性和安全性考虑，本设计采用方案二。4单片机系统硬件设计41单片机最小系统STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，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。STC89C52引脚说明如下。主电源引脚VSS（接地）和VCC（5V）。外接晶振引脚XTAL1和XTAL2。控制或与其它电源复用引脚RST、ALE/PROG和EA/VPP。输入/输出引脚P00P07、P10P17、P20P27、P30P37。STC89C52单片机最小系统如图2所示。GNDVCP130XTALMHZ7KRE98SI5WOUPFU图2STC89C52单片机最小系统411复位电路为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V5，即475525V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过475V低于525V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。本设计采用的是手动按钮复位，手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源VCC之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则VCC的5V电平就会直接加到RST端。手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。单片机复位电路图如图3所示。K10UFC4RVGNDST图3单片机复位电路412晶振电路单片机系统里都有晶振，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。单片机晶振电路图如图4所示。XAL2MHZP图4单片机晶振电路42传感器信号采集电路421DS18B20温度采集电路DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为55C到125C，在10到85C范围内,精度为05C。DS1822的精度较差为2C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量。DS18B20可以程序设定9到12位的分辨率，精度为05C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20的应用电路图和实物图如图5所示。GND1I/O2VC3US8B07KR图5DS18B20的应用电路图和实物图422空气湿度采集电路本设计采集空气湿度利用的是ADC0831实现湿敏电阻的模数转换。湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分导致电阻值发生变化这一原理制成的。温湿电阻是一种采用新型湿度敏感元件，具有感湿范围宽，响应迅速，抗污染能力强，无需加热清洗及长期使用性能稳定可靠等诸多特点。湿敏电阻的电器阻抗R（K）如图6所示。图6湿敏电阻电气阻抗空气湿度采集电路图和湿敏电阻电阻实物图如图7所示。VCREF5IN23S1DALG480_PHEADR图7土壤湿度采集电路图和湿敏电阻实物图423光照采集电路本设计采集光照强度采用的是利用ADC0831实现光敏电阻的模数转换。光敏电阻受光照后，其阻值会变小。用来制作光敏电阻的典型材料有硫化镉（CDS及硒化镉（CDSE）两种。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，有阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻的电器阻抗R如图8所示。CDS电阻值）LUX照度0图8光敏电阻电气阻抗光照强度采集电路图和光敏电阻实物图如图9所示。VEF5IN23S1DA67G4_PKHEAR图9光照强度采集电路图和光敏电阻实物图424PH采集电路本设计利用ADC0831实现PH的模数转换。其PH电极主要技术参数如表1所示。表1PH电极电气阻抗型号测量范围温度范围零点PH值E201C014PH080度7025PH强度采集电路图和PH电极实物图如图10所示。P210VCREF5IN3SDA6L7G48_K9HEADR图10PH强度采集电路图和PH电极实物图43LCD12864液晶显示电路LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864,内置8192个1616点汉字，和128个168点ASCII字符集利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字也可完成图形显示低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。表2LCD12864的引脚功能管脚号管脚名称电平管脚功能描述1VSS0V电源地2VCC305V电源正3V0对比度（亮度）调整4RSCS）H/LRS“H”,表示DB7DB0为显示数据RS“L”,表示DB7DB0为显示指令数据5R/WSIDH/LR/W“H”,E“H”,数据被读到DB7DB0R/W“L”,E“HL”,DB7DB0的数据被写到IR或DR6ESCLKH/L使能信号714DB0H/L三态数据线15PSBH/LH8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18VOUTLCD驱动电压输出端19AVDD背光源正端（5V）20KVSS背光源负端本设计中LCD12864的电路原理图如图11所示。VCGND、10R2P5673SB/WE9TOU_图11LCD12864显示电路44继电器控制电路继电器是一种电控制器件。它具有控制系统和被控制系统之间的互动关系，通常应用与自动化控制电路中。它实际上是用小电流去控制大电流动作的一种“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。当输入量如电压、电流、温度等达到规定值时，继电器使被控制的输出电路导通或断开。继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。本设计运用的继电器为电磁继电器。电磁继电器工作原理如图12所示。、图12电磁继电器工作原理电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。本设计中电磁继电器的控制电路如图13所示。GNDVCI1QS902LEKRP653已经被成功应用于冶金、机场、化工、电力、配电、环保、筑路、核辐照、烟草、啤酒、铁路、煤炭、楼宇、水处理、锅炉、码头输送等各个行业,经实践证实适合所有的大中小型自动化项目应用一直把可编程控制器PLC作为适用对象,定位于自动化应用的中高端,专门设计了设备数据表,能对数据进行批量处理,多线程同时处理多个通讯设备,通讯速度和稳定性倍高。除提供通讯、运行数据库、画面、报警、历史数据等功能外,还提供了实用的数据库连接、数据配方、数据转发服务、各种报表、双机冗余、变量组、全局变量等增强功能,会发现许多棘手的问题,总能迎刃而解串口转以太网转换器,具有以下功能同时提供了RS232和RS485接口，有两种工作模式MODBUSRTU到MODBUSTCP模式，专门为此模式在此工作模式下，可以支持2台MODBUSTCP主站同时访问，即可以支持同时连接2台上位机；透明通道数据传输模式，应用在非MODBUS协议的情况下；设置简单，可通过超级终端使用串口或以太网设置、也可使用TELNET通过以太网设置；设置内容包括IP地址、串口参数、工作模式等；支持24VDC电源冗余，可接入2路24VDC电源，实现电源冗余。62FAMEVIEW组态特点FAMEVIEW软件最适合工业PLC应用。面向设备数据表的监控。真正的VBSCRIPT编译脚本（高级用户自由编程）。灵活简单的数据存储、报表和数据分析（制作报表方便）。具有特色的画面编程技术（漫游、透明位图、静态图形转位图等）。集成灵活的可扩展功能块（CA块、FB块）。集成GSM手机短信、GPRS、CDMA、宽带、ADSL数据处理和报警。网络服务器、串口服务器、ADSL动态IP服务器、短信数据服务。通讯速度快、画面刷新快（每幅画面上百个位图）。灵活的用户管理（级别可到按钮）。集成视频监控、远程调试、WEB功能。OEM定制（为行业定制、VC二次开发）。63FAMEVIEW组态性能指标设备通讯画面显示变量报警网络服务器串口服务器64FAMEVIEW组态软件设计步骤安装驱动程序。定制系统选择所需功能。设置系统启动选项。选择启动系统任务。制定设备数据表。设定模拟只读变量。设定模拟致只写变量。7系统调试71硬件调试液晶显示的调试焊接好硬件电路，烧写LCD12864显示程序，查看液晶显示屏是否正常显示。如果不能显示，尝试调节液晶显示的对比度，查看显示程序的接口是否正确，检查电路线路连接是否正确等。并依次解决问题。AMS117的33V稳压调试首先不忙接NRF905，先用万用表测量AMS1117的输出脚和接地脚之间的电压是否为33V左右，以免烧坏NRF905。如果不是，检查AMS1117的各脚线路是否连接正确。并依次解决问题。无线模块调试确定AMS1117的输出电压为33V后，接好NRF905无线模块，烧入NRF905的测试程序，查看能否正常发送和接收。如果不能，检查电路线路连接是否正确，NRF905无线模块是否被烧坏等。并依次解决问题。ADC0831的转换调试插好ADC0831芯片，烧入程序，查看能否准确进行A/D转换。如果不能，检查电路线路连接是否正确，芯片是否烧坏等。并依次解决问题。72软件调试硬件调试成功之后，依次调试温度、温湿、光照和PH值的A/D转换程序，NRF905无线模块对采集量的传输程序，继电器控制程序，串口程序等进行调试。73软硬件结合调试硬件调试和软件调试成功之后，将各部分程序进行揉合处理，分别写入相应的单片机，看看整个系统能否正常按预期目标工作。如果不能，还要从硬件和软件部分找出相应的原因，并依次解决问题。8总结通过半个学期地理论学习和动手实践，终于完成了无土栽培智能测控系统的设计。在设计中我遇到了许多问题。在设计中出现了许多的错误，但无论怎样，本次毕业设计对于我来说都是一次难得的锻炼，使我积累了许多实践经验。本文设计实现对无土栽培的空气温度、空气湿度、环境光照、溶液PH值进行采集和控制并能通过组态实现控制，让界面显得更加直观。由于我的理论和实践还不足，设计存在缺陷，比如采集端应该返回一个信息显示继电器的确已打开，以应对控制失灵情况。当然还有许多问题，还望老师们给予指正。参考文献1张琳娜刘武发传感检测技术及应用M中国计量出版社,19992李军检测技术及仪表M中国轻工业出版社20087第二版3胡汉才单片机原理及接口技术M清华大学出版社,19964李志全等智能仪表设计原理及应用M国防工业出版社,199865何立民MCS51系列单片机应用系统设计M北京航空航天大学出版社,19906潘其光常用测温仪表技术问答J国防工业出版社,19897杨世成信号放大电路M电子工业出版社,19958柴卫华新型数字温度传感器DS18B20组成的温度巡检系统J传感器世界,20019刘守义钟苏数字电子技术M西安电子科技大学出版社2003610白玉单片机在温控系统中的应用J辽