佳木斯大学课程设计报告课程作业.doc

佳木斯大学课程设计报告 嵌入式技术在室温环境检测系统中的应用研究 学 院 信息电子技术专 业 班 级 学 籍 号 姓 名 指导教师 佳 木 斯 大 学2015年6月26日佳木斯大学课程设计报告摘要 温室大棚是当今全球设施农业的重要组成部分,是现代全球农业发展的重点之一它可以在瞬息万变的自然条件下为作物生长人为创造一个适宜的环境全球温室种植业的实践经验表明,提高温室的智能控制和管理水平可充分发挥设施农业的高效性而我国在温室大棚智能控制方面的应用跟世界发达国家相比还有较大的差距目前国内设施温室应用的主要环境变量测控系统大多为国外进口产品,这些产品技术含量非常高,测控效果非常好,但相对价格非常高,通常只被应用于国内少见的大型或高档连栋温室少数国产装置无论技术水平还是测控效果均不甚理想,尤其是缺少能够应用于我国常见的中小型日光温室的低成本智能测控装置本文结合当今最热门的嵌入式技术和无线传感器网络技术,并根据目前国内常见中小型日光温室环境控制需求,设计并实现了一套设施农业日光温室智能嵌入式控制系统关键词:温室控制,嵌入式系统,设施农业,无线传感器i佳木斯大学信息电子技术学院目 录摘 要i目 录I第一章 绪论11.1 设计题目11.2设计要求11.3 作用与目的1第二章 系统设计方案22.2 各单元电路设计2第三章 系统硬件设计43.1 系统整体设计43.2 单片机的选择43.2.1 STC89C52介绍43.2.2 STC89C52单片机的引脚说明53.2.3STC89C52单片机最小系统63.3 无线收发模块选择63.3.2 工作模式73.4 温湿度传感模块83.5 二氧化碳检测模块83.6终端显示模块93.7 湿度报警电路10第四章 系统软件设计114.1 主程序流程设计114.2系统软件程序12第五章 嵌入式系统学习心得体会18参考文献19I佳木斯大学信息电子技术学院佳木斯大学课程设计报告第一章 绪论1.1 设计题目嵌入式技术在温室环境监测系统中的应用1.2设计要求设计基于嵌入式技术的无线传感器硬件组成及软件设计方案, 将无线技术嵌入到温室环境监测系统中1.3 作用与目的随着无线传感技术和单片机的迅速发展,自动检测领域发生了巨大变化,温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展,并且必将以其优异的性能价格比,逐步取代传统的温湿度控制措施.但是,目前应用于温室大棚的温湿度检测系统大多采用模拟温度传感器多路模拟开关A/D转换器及单片机等组成的传输系统这种温湿度度采集系统需要在温室大棚内布置大量的测温电缆,才能把现场传感器的信号送到采集卡上,安装和拆卸繁杂,成本也高同时线路上传送的是模拟信号,易受干扰和损耗,测量误差也比较大为了克服这些缺点,本文设计了一种基于嵌入式设备并采用数字化单片机总线技术的温度测控系统应用于温室环境的的设计方案本文介绍的温湿度测控系统就是单总线技术及其器件组建的该系统能够对大棚内的温湿度进行采集,利用温湿度传感器将温室大棚内温湿度的变化,变换成数字量,其值由单片机处理,最后由单片机去控制液晶显示器,显示温室大棚内的实际温湿度,同时通过与预设量比较,对大棚内的温度进行自动调节,如果超过我们预先设定的湿度限制,湿度报警模块将进行报警这种设计方案实现了温湿度实时测量显示和控制该系统具有较高的测量精度,安装简单方便,性价比高,可维护性好这种温湿度测控系统可应用于农业生产的温室大棚,实现对温度的实时控制,是一种比较智能经济的方案,以便促进农作物的生长,从而提高温室环境的亩产量,以带来很好的经济效益和社会效益1佳木斯大学信息电子技术学院第二章 系统设计方案本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性;温湿度传感器二氧化碳传感器可以产生数字信号;无线收发模块可以实现数据无线传输的性能由数据采集数据处理数据传输数据显示四部分构成的2.1 系统总体设计电源模块STC89C52STC89C52LCD1602Nf24L01Nf24L01DHT11AM-4IIIAB无线收发图2-1 系统总体框图此设计是以STC89C52单片机基本系统为核心,以无线数据传输为亮点的一套监测系统其中包括温湿度监测二氧化碳浓度监测单片机无线传输电路USB传输电路PC显示窗口设计电源电路设计等系统总体方框图如图1-12.2 各单元电路设计（1） 数据采集 由DHT11TGS4160组成;（2） 数据处理 由单片机STC89C52基本系统组成;（3） 数据传输 由单片机STC89C52和NRF24L01组成;（4） 数据显示 由LCD1602对温室的温度湿度二氧化碳浓度进行数据显示本系统中DHT11是温湿度传感器采集大棚室内温度湿度信息输出数字信号TGS4160是二氧化碳传感器采集大棚室内二氧化碳信息输出数字信号STC89C52(I)单片机驱动DHT11TGS4160两个传感器进行信息采集并对采集到的信息进行处理,驱动无线发送模块NRF24L01将处理后的信息发送出去NRF24L01(A)是无线发送模块对STC89C52(I)所给的信号进行发送前处理并在STC89C52(I)的驱动下将适合在信道传输的信号发送出去NRF24L01(B)为无线接收模块其作用是在单片机STC89C52(II)的驱动下接收处理NRF24L01(A)所发送的信号单片机STC89C52(II)驱动LCD1602显示实时监测数据本系统电源模块为传感器LCD单片机供电,无线收发模块供电由单片机3.3V输出端提供第三章 系统硬件设计3.1 系统整体设计系统总体结构电路原理图如下图所示:图3-1 系统电路原理图3.2 单片机的选择在本设计的环境监测系统中,采用单片机来实现在单片机选用方面,由于STC89C52系列单片机与MCS-51系列单片机兼容,所以,本系统中选用STC89C52单片机3.2.1 STC89C52介绍STC89C52 具有片内上电复位VDD 监视器电压调整器看门狗定时器和时钟振荡器的STC89C52/1/2/3/4/5/6/7 器件是真正能独立工作的片上系统 FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力,可用于非易失性数据存储,并允许现场更新 8051 固件用户软件对所有外设具有完全的控制,可以关断任何一个或所有外设以节省功耗 3.2.2 STC89C52单片机的引脚说明芯片引脚如图4-2所示:图4-2 STC89C52引脚图.VCC : 电源GND: 地P0口:P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用在这种模式下,P0具有内部上拉电阻在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节程序校验时,需要外部上拉电阻RST: 复位输入晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位看门狗计时完成后,RST 脚输出96 个晶振周期的高电平特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效DISRTO默认状态下,复位高电平有效ALE/PROG:地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8 位地址的输出脉冲在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲中断:STC89C52 有6个中断源如表6-1所示:两个外部中断(INT0 和INT1),三个定时中断(定时器012)和一个串行中断每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE 中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效IE还包括一个中断允许总控制位EA,它能一次禁止所有中断定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或逻辑触发程序进入中断服务后,这些标志位都可以由硬件清0实际上,中断服务程序必须判定是否是TF2 或EXF2激活中断,标志位也必须由软件清0表3-1 中断控制寄存器符号位地址功能EAIE.7中断总允许控制位EA=0,中断总禁止;EA=1,各中断由各自的控制位设定-IE.6预留ET2IE.5定时器2中断允许控制位ESIE.4串行口中断允许控制位ET1IE.3定时器1中断允许控制位EX1IE.2外部中断1允许控制位ET0IE.1定时器0中断允许控制位EX0IE.0外部中断1允许控制位3.2.3 STC89C52单片机最小系统如图6-3 6-4所示,复位电路和时钟电路是维持单片机最小系统运行的基本模块图3-4 复位电路图3-3 晶振电路单片机最小系统是在以51单片机为基础上扩展,使其能更方便地运用于测试系统中,不仅具有控制方便组态简单和灵活性大等优点,而且可以大幅度提高被测试的技术指标,从而能够大大提高产品的质量和数量单片机以其功能强体积小可靠性高造价低和开发周期短等优点,称为在实时检测和自动控制领域中广泛应用的器件,在工业生产中称为必不可少的器件,尤其是在日常生活中发挥的作用也越来越大3.3 无线收发模块选择nRF24L01是由NORDIC出品的工作在2.4GHz2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片无线收发器包括:频率发生器增强型“SchockBurst”模式控制器功率放大器晶体振荡器调制器和解调器输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置几乎可以连接到各种单片机芯片,并完成无线数据传送工作 nRF24L01 可以兼容nRF2401AnRF24L01+nRF24LE1nRF24LU1等无线模块 结合本系统实际情况本案选用nRF24L01无线收发模块3.3.1 引脚功能及描述 图3-5 nRF24L01引脚nRF24L01的封装及引脚排列如图所示各引脚功能如下: CE:使能发射或接收; CSN,SCK,MOSI,MISO:SPI引脚端微处理器可通过此引脚配置nRF24L01IRQ:中断标志位;VDD:电源输入端; VSS:电源地;XC2,XC1:晶体振荡器引脚; VDD_PA:为功率放大器供电,输出为1.8 V; ANT1,ANT2:天线接口;IREF:参考电流输入 3.3.2 工作模式 通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射接收空闲及掉电四种工作模式,如表所示表3-1 配置器设置模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TXFIFO寄存器中发射模式1010停留在发送模式,直至数据发送完待机模式2101TXFIFO为空待机模式11-0无数据传输掉电0-图3-6 NRF24L0接线图待机模式1主要用于降低电流损耗,在该模式下晶体振荡器仍然是工作的;待机模式2则是在当FIFO寄存器为空且CE=1时进入此模式;待机模式下,所有配置字仍然保留 在掉电模式下电流损耗最小,同时nRF24L01也不工作,但其所有配置寄存器的值仍然保留3.4 温湿度传感模块图3-7 DHT11DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准熟悉信号输出的温湿度复合传感器,它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接因此该产品具有品质卓越超快响应抗干扰能力强性价比极高等优点每个DHT11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准校准系数以程序的形式存在OTP内存中,传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数单线制串行接口,使系统集成变得简易快捷超小的体积极低的功耗,信号传输距离可达20米以上,使其成为给类应用3.5 二氧化碳检测模块甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择DHT11温湿度传感器集成了温度传感器湿度传感器,集成度更高,使用方便成本较低很大程度上简化了系统设计流程因此本案选用DTH11温湿度传感模块3.6终端显示模块本案中的终端显示是指本系统的实时监测数据显示通过综合考虑决定使用LCD1602液晶显示屏图3-9 LCD1602引脚图3.7 湿度报警电路本设计采用峰鸣音报警电路峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器,然后通过MCS-51的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流,可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动,也可以用一个晶体三极管驱动在图中,P3.2接晶体管基极输入端当P3.2输出高电平“1”时,晶体管导通,压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫;当P3.2输出低电平“0”时,三极管截止,蜂鸣器停止发声第四章 系统软件设计首先,初始化单片机设置中断,定义变量,然后初始化LCD1602显示模块,设置8位格式,2行,5*7矩阵显示,整体显示 4.1 主程序流程设计初始化结束AM-4 CO2浓度检测DNT11温湿度检测CO2浓度数据转换温湿度数据转换根据测得湿度控制蜂鸣器LCD1602显示实时监控数据System_stop是否为0？YN图4-1 系统整体流程框图4.2系统软件程序#include #include #define LCD_DB P2sbit DQ = P10;sbit BUZZER = P11;sbit PWM = P12;sbit LCD_RS = P14;sbit LCD_RW = P15;sbit LCD_E = P16;sbit HEAT = P17;void initial(void);void read_DHT11(void);void LCD_write_command(unsigned char com);void LCD_display_char(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char dat);unsigned char read_DHT11_char(void);void control_temperature_humidity(void);void delay_xms(unsigned int time_xms);void delay_x10us(unsigned int time_x10us);unsigned char stop_system = 0;unsigned char lineOne = TS(0-50): C;unsigned char lineTwo = HS(20-90): %RH;unsigned int T0_number = 0, T1_number, PWM_width_H;unsigned char temperature_ten, temperature_one, humidity_ten, humidity_one;unsigned char temperature_H, temperature_L, humidity_H, humidity_L, checkData;void initial(void)unsigned char i, j;TMOD = 0x11;/定时器0工作方式1,16位计数器;定时器1工作方式1,16位计数器TH1 = 0xFC;/定时器1溢出周期1ms,延时TH1 = 0x66;TH0 = 0xFC;/定时器0中断周期1ms,PWM TL0 = 0x66; EA = 1;ET1 = 1;ET0= 1;EX0 = 1;IT1 = 1;TR0 = 1;LCD_write_command(0x38);/设置8位格式,2行,5x7LCD_write_command(0x0c);/设置整体显示,关闭光标,且不闪烁LCD_write_command(0x06);/设置输入方式,增量不移位LCD_write_command(0x01);/清屏for (i = 0; i 16; i+)LCD_display_char(i, 1, lineOnei);for (j = 0; j 16; j+)LCD_display_char(j, 2, lineTwoj);LCD_display_char(14, 1, 0xDF);/显示void read_DHT11(void) DQ = 0; delay_xms(18); DQ = 1; delay_x10us(2); if (DQ = 0) while (DQ = 0);while (DQ = 1);humidity_H = read_DHT11_char();humidity_L = read_DHT11_char();temperature_H = read_DHT11_char();temperature_L = read_DHT11_char(); unsigned char read_DHT11_char(void)unsigned char i, temp_one, temp_two; for (i = 0; i 8; i+)while (DQ = 0);delay_x10us(3);if (DQ = 0)temp_one = 0;elsetemp_one = 1;temp_two 28) /温度转速PWM_width_H = 100;else if (temperature_H = 23)HEAT = 0;PWM_width_H = (temperature_H - 18) * 10;if (humidity_H 65 | humidity_H 100)T0_number = 0;else if (T0_number PWM_width_H)PWM = 1;elsePWM = 0;void Timer_1(void) interrupt 3TH1 = 0xFC;/定时器1溢出周期1ms,延时 TL1 = 0x66;T1_number+;第五章 嵌入式系统学习心得体会通过本次课程设计,使我学到了许多书本上无法学到的知识,也使我深刻体会到单片机技术应用领域的广泛不仅让我对学过的单片机知识有了很多的巩固,同时也对嵌入式系统这一门课程产生了更大的兴趣本设计涉及到嵌入式系统单片机原理及应用电子技术等学科让我对专业知识