毕业论文-智能温室控制系统设计VIP

图 书 分类号： 密 级： 毕业设计 (论文 ) 智能温室控制系统设计 F 学生学号 学生姓名 学院名称 专业名称 指导教师 2012 年 5 月 29 日 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) I 徐州工程学院学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 徐州工程学院学位论文版权协议书 本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学 院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 要 本文提出了一种 以 51 单片机为主控器和射频 无线收发模块的 智能温室控制系统的 总体设计方案和实现方法。系统设置了一个主机和两个从机，通过无 线通信方式，实现了两个节点的 温湿度数据采集 。主机通过从机预设的不同地址来实现区分两个节点发送来的 温湿度 数据。本设计采用 频模块为无线传输模块， 温度传感器模块 ， 湿度采集模块从而 实现温室的温 湿度 监测与控制。 51 单片机和 现双向通信 , 持高速数据传输 ， 从而满足了 温室温湿度数 据的实时传输。用 的 件 编写了温湿度接收界面，通过串口将采集到的温湿度数据显示在 上。 关键词 州工程学院毕业设计 (论文 ) a 1 as a as to a of as as as to 51 of so it of be be C 州工程学院毕业设计 (论文 ) 录 1 绪论 . 1 景及意义 . 1 作原理 . 1 2 系统总体设计 . 2 统的整体结构 . 2 题需要完成的任务 . 2 3 系统硬件设计 . 3 控制器的选用 . 3 线传感器 块 . 3 片结构 . 3 口电路管脚说明 . 3 作方式 . 5 块配置 . 6 单片机的硬件连接原理图 . 6 度传感器 . 7 要特性 . 7 外部结构 . 7 数据处理 . 7 片机与 硬件连接原理图 . 9 度传感器 . 9 口说明 . 9 单片机的硬件连接 . 10 晶显示模块 . 10 制器接口说明 . 10 本时序操作 . 11 示数据存储器（ . 11 制命令字设置 . 11 制执行单元的设计 . 12 C 机与单片机之间的 信 . 13 4 系统软件设计 . 14 机软件设计 . 14 程序设计 . 14 件设计 . 14 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) V 机串口软件设计 . 17 机软件设计 . 18 机主程序设计 . 18 度采集软件设计 . 18 度采集软件设计 . 18 件设计 . 21 5 上位机软件设计 . 22 点 . 22 件 . 22 件的主要属性 . 22 B 程序设计 . 22 序详细设计 . 22 统界面 . 22 6 调试 . 24 晶显示模块在设计过程中遇到的问题和解决方法 . 24 口设计过程中遇到的问题和解决方法 . 24 计过程中遇到的问题和解决方法 . 24 制执行单元设计过程中遇到的问题和解决方法 . 24 结论 . 25 致谢 . 26 参考文献 . 27 附录 . 28 附录 1 硬件原理图 . 28 附录 2 源程序代码 . 29 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 1 1 绪论 景 及意义 温室控制技术是现代农业研究的重要内容，针对长期以来温室大棚效率低、生产成本高、消耗人力资源多等缺点，温室智能控制系统 能有效地克服这些困难 。本系统主要由上、下位机模块构成，下位机主要是对温室内环境因素中的温度、湿度等进行检测并按照一定的通信方式 将数据 传给上位机 ， 上位机实时接收下位机上传的 数据使用户能在远程监测温室的环境参数 ，下位机根据一定的算法 控制喷淋、遮阳、通风、加热等执行系统，调节环境参数，实现温室智能控制，达到农作物优质、高产、高效的栽培目的。 作原理 智能温室控制系统是一种基于射频技术的无线温 湿 度检 测与控制系统 。本系统由传感器、显示器、上位机、控制执行单元构成。传感器部分包括数字温度传感器 片机 功耗无线模块 天线。显示器 由 成。上位机是 由 件编写而成。 本系统由三个单片机模块构成，其中两个模块用作数据采集的从机，另外一个模块用作数 据接收的主机。从机采集温室温 湿 度并 将数据送 示，无线发射模块 度发送给主机，主机将接收到的数据通过串口发送给上位机，上位机显示温室数据给用户， 单片机从机将采集到的数据与预设值比较，决定是否打开控制执行单元，以达到智能控制的效果。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 2 2 系统总体设计 统的整体结构 本系统包含一台主机和两台从机。系统的 整 体结构框图 如图 2示 。 从机 1 主机 从机 2 图 2统整体结构框图 题 需要完成的任务 一、完成 系统的硬件设计与调试。 二、完成 温湿度采集的程序设计。 三、 完成温湿度用 示的程序设计。 四、 完成 线收发模块收发数据的程序设计。 五、 完成主机与 实现串口通信的程序设计。 六、完成控制执 行单元软硬件的设计。 七、 完成 位机程序的设计。 片 机 单 片 机 单 片 机 温湿度 数据 温湿度 数据 行器 执行器 州工程学院毕业设计 (论文 ) 3 3 系统硬件设计 控制器 的选用 本系统涉及的主要器件包括：主控芯片、 度传感器、 度传感器、线模块，所涉及的器件较多，选择一款合适的主控芯片直接影响到系统的整体性能和设计的最终效果。 片机作为目前市场上最为常用的单片机具有结构简单、可控性好、 I/0 口多、下载程序方便、价格低廉的特点，符合本系统的设计要求，故选用片机作为主控制器。 线传感器 块 片结构 内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率 、 放大器等模块，使用非常方便 其 详细结构 如图 3示。 图 3-1 详细结构 图 口电路管脚说明 装如图 3示。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 4 图 3-2 装 各引脚说明如 表 3示 。 表 3-1 脚说明表 管脚 名称 管脚功能 说明 1 源 电源 +C 2 字输入 发送模式 接收模式 3 字输入 使能芯片发射或接收 4 字输入 芯片上电 5 钟输出 本模块弃用 6 字输出 载波检测 7 字输出 地址匹配 8 字输出 接收或发射数据完成 9 口 出 10 口 入 11 钟 钟 12 能 能 13 接地 14 接地 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 5 注意： （ 1） 电范围为 间，超出这个范围就会烧毁 块。 （ 2） 引脚可与 5V 单片机的 I/O 口直接相连， 接地端除外。 （ 3） 没有 口的单片机可以模拟 （ 4） 与 51 系列单片机 相连时，需加 10K 的上拉电阻。 作方式 两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别 收模式和 送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。 工作模式由 个引脚决定 ，其工作模式 如表 3示。 表 3-2 作模式 作模式 0 X X 关机模式 1 0 X 空闲模式 1 1 0 接收模式 1 1 1 发送模式 送 流程 典型的 送流程分以下几步： A 微控制器通过 口按时序把地址和数据发送给 B , , 启动发送模式； C 始发送数据； D 置高， 断重发， 直到 置低； E当 置低， 送过程完成，自动进入空闲模式 ； 收流程 A 、 ， 入接收模式； B 等待 650断监测，等待接受数据； C 若从机上的 测到 的 载波 频段与自身的相同时 ， ； D 若接收地址与自身 地址匹配 ， ； E当一个数据包接收完毕 后 ； F ， 待下一次接收数据 ； G 数据通过 以一定速率进入微控制器 ； H 若 数据接收完 成 ， ， ； 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 6 块配置 1)口寄存器配置 口由 5 个寄存器组成，其中状态寄存器存储 脚信息，射频和输出功能信息由射频配置寄存器保存，接收机地址和数据字节数信息由发送地址寄存器保存，待发送的数据信息由发送数据寄存器保存，要接收的数据字节数等信息由接收数据寄存器保存。 2)令设置 口的指令如表 3示。 表 3行接口指令设置 指令名称 指令格式 操作 000配置寄存器 001配置寄存器 0100000 写 效数据 1节写操作全部从字节 0 开始 0100001 读 效数据 1节读操作全部从字节 0 开始 0100010 写 址 1节写操作全部从 0 字节开始 0100011 读 址 1节读操作全部从字节 0 开始 0100100 读 效数据 1节读操作全部从字节 0 开始 00速配置寄存器 单片机的硬件连接原理图 单片机的硬件连接原理图如图 3示。 图 3-3 单片机的硬件连接原理图 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 7 度传感器 要特性 （ 1） 供电 范围： 寄生电源方式下可由数据线供电。 （ 2） 在使用中不需要任何外围元件。 （ 3） 独特的单总线接口方式 只 需要一 根 信号线即可实现 单片机 与 通信。 （ 4） 测温 范围 :+125C,在 85C 时精度为 。 （ 5） 分辨率为 9，对应的可分辨温度分别为 、 、 ，可实现高精度测温。 （ 6） 在 9 位分辨率时最多在 把温度值转换为数字， 12 位分辨率时最多在750把温度值转换为数字。 （ 7） 多个 以 挂在一根数据线上 ，实 现 多点测温。 外部结构 用如图 3示的 3 脚 装或 8 脚 装 。 图中管脚定义如下： （ 1） I/O:数字信号输入输出端。 （ 2） 源地。 （ 3） 接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 图 3装 数据处理 高速暂存存储器由 9 个字节组成，其分配见表 3温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以 2 字节补码形式存放到高速暂存存储器的第 0 和第 1 个字节。单片机可通过单 总 线接口读取到该数据，读取时低位在前，高位在后。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 8 表 3节分配 功能 0 温度转换后的低字节 1 温度转换后的高字节 2 高温度触发器 低温度触发器 配置寄存器 5 保留 6 保留 7 保留 8 验寄存器 表 3列是 度采集转化后得到的 12 位数据，存储在 两个 8，二进制的前 5 位是符号位，如果测的温度大于或等于 0，这五位为 0，只要将测得数值乘以 可得到实际温度；如果温度小于 0，这五位为 1，测的数值需要取反加 1 再乘以 可得到实际温度。 单片机对 访问流程是：先对 始化，再进行 作命令，最后才能 进行 存储器操作 和 数据 操作。 操作要遵循 一定的 工作时序和通信协议。如 单片 机控制 成温度转换这一过程， 要经过以下几个步骤 ： 对 再发送 令，最后发送 令 。 六条控制命令 ,如表 3示 。 表 3分温度数据表 温度 / C 16 位二进制编码 十六进制表示 +125 0000 0111 1101 0000 0785 0000 0101 0101 0000 0550H +000 0001 1001 0001 0191H +000 0000 1010 0010 00000 0000 0000 1000 0008H 0 0000 0000 0000 0000 0000H 111 1111 1111 1000 111 1111 0101 1110 111 1110 0110 1111 55 1111 1100 1001 0000 州工程学院毕业设计 (论文 ) 9 表 3 制命令 指令 约定代码 操作说明 温度转换 44H 启动 暂存器 暂存器 9 个字节内容 写暂存器 4数据写入暂存器的 节 复制暂存器 48H 把暂存器的 节写到 重新调 8H 把 的 节写到暂存器 L 字节 读电源供电方式 送电源供电方式给 单片机与 硬件连接原理图 单片机和 硬件连接图见图 3单总线 单片机 口连接，另加一个上拉电阻。详细原理图见附录 1。 图 3片机和 硬件连接图 度传感器 口说明 脚图 如图 3示 。 图 3脚图 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 10 脚说明如表 3示。 表 3脚说明 称 注释 1 电 行数据单总线 3 脚，悬空 4 地 单片机的硬件连接 单片机的硬件 连接图如图 3示。 图 3片机与 度传感器 硬件连接图 晶显示模块 制器接口说明 各引脚符号及功能如表 3示 。 表 3口信号表 引脚编号 引脚名称 引脚功能 147据线 6 E 片选信号，写数据控制 5 R/W 读 /写方向控制信号，低电平为写入，高电平为输出 4 存器选择信号 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 11 续表 3 动电压调节 2 5V 1 线 15 光电压负端（ 16 V+ 背光电压正端（ +5V） 本时序操作 (1)读状态：输入： ， ， E=H 输出： 7=状态字 (2)写指令：输入： ， ， 7=指令码， 输出：无 (3)读数据：输入： ， ， E=H 输出： 7=数据 (4)写数据：输入： ， ， 7=数据， 输出：无 示数据存储器（ 制器的指令系统规定，在发送待显示字符代码的指令之前，先要送 地址，实际上是待显示的字符 所要 显示 的 位置。若 双行字符显示，每行 40 个显示位置，第一行地址为 00H 27H；第二行地址为 40H 67H。双行显示的 址与显示位置的对应关系见表 3 表 3双行显示的 址与显示位置的对应关系 显示位置 1 2 3 4 5 6 7 39 40 0H 01H 02 H 03 H 04 H 05 H 06 H 26 H 27 H 地址 0 H 41 H 42 H 43 H 44 H 45 H 46 H 66 H 67 H 制命令字设置 制命令字设置如表 3示。 表 3制命令字设置 命令字 功能 0置显示模式 0标和显示开关设置 0据指针设置 0屏 0示回 车 片机与 硬件连接原理图 本设计选用 片机的 和 的一部分 ， 用 8 位数据线工作方式。 与 8 位数据线连接 ， 的 口分别与 使能端口、读 写选择端口连接。硬件连线原理图见图 3 择接地，详细原理图见附录 1。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 12 图 3片机与 硬件连接原理图 制执行单元的设计 在本系统 中控制执行单元的作用是接受从机的控制命令以弱电控制强电设备，由于温室中的控制设备大多为强电设备，直接用单片机控制不能驱动这些设备，故需要一个中间设备来驱动它们。本系统控制执行单元的设计思想是将继电器放在驱动设备的主回路中，用单片机控制继电器的通断来间接控制加热器、喷淋器、排风扇的电源通断从而达到调节温室温湿度的效果。本设计选用的继电器型号为 继电器可以用小电压控制 220V 的强电符合设计的要求。由于单片机的驱动电流很小，故需要在继电器与单片机之间加一个三极管起放大信号的作用 ,其原 理图如图 3示。 图 3制执行单元原理图 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 13 C 机与单片机之间的 信 本系统中温室中的温湿度数据需要经过远距离传输才能传送到计算机，传统的 信最大传输距离能达到 1219m，最大传输距离能达到 10Mb/s，在 100Kb/s 的传输速率下能达到最大传输距离符合本系统的设计要求。口电路图如图 3示，单片机的 平信号通过 片转换成 数据接收端有一个 换器，通过片和 片能将 号转换成 号以此使单片机主机与 图 3口电路 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 14 4 系统软件设计 机软件设计 程序设计 主程序开始后先进行初始化操作，包括 初始化和串口的初始化。初始化后将主机的 为发送状态，主机发送所要数据的从机地址，从机收到地址后发送应答信号，主机收到应答信号后将 置为接收状态，接 收来自从机的数据，数据接收完成后主机通过串口将数据送 显示。 主程序流程图如图 4示。 件设计 由于 片机没有专门的 ，需要用普通 I/O 口模拟 操作过程如下所示： 操作 （ a）取发送数据一个字节的最高位。 （ b）判断最高位是 1 还是 0。 （ c）如果为 1 则 脚置为高电平，否则 脚置为低电平。 （ d） 。 （ e）将数据左移一位，如此循环 8 次直至一个字节数据发送完成。 (f) 。 操作的流程图 如图 4示。 操作 （ a）数据左移一位。 （ b） 。 （ c）判断 脚电平是 1 还是 0。 （ d）如果是 1 数据最后一位置 1，否则置 0。 （ e） 。 （ f）如此循环 8 次直至读完一个字节。 操作的流程图如图 4示。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 15 图 4程序流程图 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 16 图 4数据流程图 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 17 图 4数据流程图 机 串口软件设计 本串口软件的主要功能是将主机接收到的数据通过串口发送给 ， 接收到数据后通过 时显示温室的温湿度，其数据发送流程如图 4示。 徐州工程学院毕业设计 (论文 ) 18 图 4口数据发送流程图 机软件设计 机主程序设计 从机主程序首先进行初始化设置，其内容包括 始化设置、 始化设置 、 始化设置和 始化设置 ，调用 度采集子程序和 进行数据采集，将采集到的数据送至 示并保存至发送数据缓冲区，通过 采集到的数据由从机发送给主机。调用数据处理函数判断当前温室温湿度是否超过预定值，如超过预定值则打开控制执行单元，如不超过预定值则关闭控制执行单元。详细程序见附录 2。从机主程序流程图如图 4示。 度采集 软件