温室控制与管理系统设计

SJ005-1CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY毕 业 设 计 说 明 书题目： 温室控制与管理系统设计 二级学院： 电子信息与电气工程学院 专 业： 自动化 班级： 10自二 学生姓名： 胡 月 学号： 10020613 指导教师： 廉春原 职称： 讲 师 评阅教师： 职称： 2014 年 6 月第1章 绪论摘 要本篇论文是关于485总线的一个数据监控系统的方案设计，介绍了系统的结构功能及工作原理。本系统实现了对温室环境参数进行监测与控制，通过485总线进行对温室内的各环境参数数据的查询和采集，从而达到对温室的监控作用。采用现代化温室监控系统，可以提高对温室的管理水平，增加温室大棚的产量。现代化农业要求对其实现自动化控制管理，以降低成本，提高生产效率及农作物产量。在对温室的管理中，需要对温室内气体温度、湿度等环境参数进行随时监控，以充分满足温室内各农作物的生长需求。在这系统中用STC89C52作为硬件电路的核心，来承担485控制器的初始化、数据收发控制等任务。该系统是由上位机和下位机两个部分组成。先是有下位机对温室里温度，湿度等环境数据进行采集，并通过单片机处理再由485总线传送给上位机。上位机根据得到的信息，使之在显示屏上显示出数值，假如数值不在规定范围内，上位机将发出指令，并通过485总线传送给下位机，并由下位机上的单片机控制电机与继电器的运行，以调节温室内的温湿度。本系统通过DHT11来采集温湿度数据，再通过485总线同上位机进行通信连接，达到实现485总线上信息双向传输工作。对于温室监控系统，它能够运行稳定，性能比较好，能够很好地实现了对温室内的环境参数进行监控。关键词：RS485；传感器；数据采集；监控系统；温室AbstractThis thesis is the design on a data monitoring system 485 , describes the structure and function and working principle of the system . The system realizes the greenhouse environment monitoring and control parameters , conduct environmental parameters for each query data within the greenhouse and collection by 485 , so as to achieve the monitoring role of the greenhouse . The use of modern greenhouse monitoring system can improve the greenhouse management level, increased greenhouse production. Modern agriculture requires its automated control and management to reduce costs , increase productivity and crop yields . In the management of the greenhouse , the need for environmental parameters in greenhouse gas temperature , humidity , etc. to monitor in order to fully meet the growing needs of the various greenhouse crops .In using this system as the core hardware circuit STC89C52 to bear 485 controller initialization , data transceiver control and other tasks. The system is composed of two parts upper and lower machine . First, there is the next crew to the environment of temperature, humidity and other greenhouse collection, and then transferred by bus to the host computer 485 through the microcontroller processing . PC based on the information obtained , so that shows the value on the display , if the value is not within range , the PC will issue commands , and by 485 bus transfer to the next crew by SCM machines on the lower control motors and relays run to adjust the temperature and humidity inside the greenhouse . The system through DHT11 to collect temperature and humidity data , and through the 485 -bit bus ditto machine communication connection , to achieve two-way transmission of information on the 485 bus to work . For greenhouse monitoring system, which can run stable , performance is better able to achieve a good environmental parameters to be monitored within the greenhouse .Keywords: RS485; sensor; data collection; monitoring system; greenhouse目 录第1章 绪论- 1 -1.1课题来源- 1 -1.2 温室控制技术发展现状及发展趋势- 1 - 1.2.1 温室控制技术发展现状- 2 - 1.2.2 温室控制技术的发展趋势- 2 - 1.3 温室控制技术的设计要求- 3 -1.4 本章小结- 3 -第2章 方案的论证- 3 -2.1 系统总体方案- 5 - 2.1.1 系统总体方案的选择- 6 - 2.1.2 系统总体方案- 6 -2.2 温湿度传感器- 6 - 2.2.1 传感器的选择- 7 -2.2.2 传感器的节点框图- 7 - 2.3 电机驱动- 8 -2.3.1 电机驱动的选择- 8 -2.3.2 电机驱动的节点框图- 8 -2.4 继电器- 11 - 2.5 终端- 11 - 2.6 本章小结- 11 -第3章 系统硬件设计- 12 -3.1 上位机的硬件设计- 13 -3.1.1 单片机的最小系统- 13 -3.1.2 MAX485通讯电路- 15 -3.1.3 LCD液晶显示- 16 - 3.1.4 键盘模块- 18 -3.2 下位机的硬件设计- 19 - 3.2.1 单片机的最小系统- 20 - 3.2.2 MAX485通讯电路- 21 -3.2.3 温湿度传感器- 21 -3.2.4 直流电机驱动模块- 22 - 3.2.5 继电器模块- 23 - 3.3 本章小结- 24 -第4章 系统软件设计- 24 - 4.1 上位机与显示更新子程序- 24 -4.1.1 上位机流程图- 24 -4.1.2 显示更新子程序- 26 -4.1.3 键盘输入设计- 27 -4.2 下位机软件设计- 28 - 4.2.1 温湿度传感器数据采集软件设计- 29 -4.2.2 执行机构软件设计- 29 - 4.3 本章小结- 29 -第5章 系统的调试- 30 - 5.1 焊接的问题- 32 - 5.2 模块的调试- 32 - 5.2.1 LCD1602的调试- 34 - 5.2.2 485通信的调试- 35 - 5.2.3 按键控制的调试- 35 - 5.2.4 其他软硬件的调试- 35 - 5.3 本章小结- 36 -I第1章 绪论40第1章 绪论第1章 绪论温室主要是用来栽培植物的设施。在不适宜植物生长的季节或地区，能为蔬菜、花卉、林木等植物提供良好的生长环境。随着我国农业结构的逐步调整，温室种植技术得到了迅速的发展，并将我国的农业生产带入了一个新的阶段。温室结构应该密封保温，但又要便于通风降温。采用现代化温室监控系统，以提高对温室的管理水平，增加农植物的产量。现代化温室中具有控制温湿度等的设备，利用这些设备给农植物创造最佳环境条件。在提供优越条件的同时，现在更注重对其实现自动化控制管理，来降低成本，提高生产效率。1.1课题来源随着经济和社会的快速发展，人们的生活水平也在不断的提高，对农产品的需求量也越来越大。农用大棚为解决我国城乡居民菜篮子问题，促进农民增收和推进农业结构调整发挥了重要作用。温室种植已在农业生产中占有重要地位。而传统的温室种植是在大温室棚内悬挂温度计，工人根据读取的温度值调节大棚内的温度；而湿度控制只能根据工人的经验判断是否需要进行灌溉。这种靠人工控制温湿度的方式，既耗费人力又不精确，传统的温湿度调节措施表现出极大地局限性。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度控制系统。建造先进温室有利于解决靠天吃饭的问题，防止恶劣天气，排除季节因素给生物创造出一个适宜的生长环境，消除对作物生长不利的环境因素来促进生物生长，使其部分或完全克服外界气候的制约，从而缩短作物的生长周期，提高作物的产量，获得一定的经济效益。现代传感器技术、计算机技术、自动化技术和通信技术的发展为现代温室控制框架提供了多种方案。在二十一世纪未来一段时间内，中国人口将持续增长，而可耕地面积却在逐年减少。所以，研究如何用较少的土地去解决相对较多人口的温饱问题，是具有重要的战略意义的。1.2温室控制技术发展现状及发展趋势1.2.1温室控制技术发展现状温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。它以采光覆盖材料作为全部或部分结构材料，可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植物。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度。国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段:（1）手动控制（2）自动控制（3）智能化控制。1.2.2温室控制技术的发展趋势1.国外温室的发展趋势当前国际上温室生产有4 个明显的发展趋势，即大型化、现代化、工厂化、高新技术化。(1)温室的大型化。由于温室内温度稳定， 日温差较小，便于机械化操作且造价低，温室建筑有向大型化、超大型化发展的趋势。 (2)温室的现代化、智能化。计算机智能化温室综合环境控制系统开始普及，现在世界上发达国家的温室生产，温室内环境的调节与控制已由一般的机械化发展为由计算机控制，实现光照、温度、湿度、气体等因素的自动化监控，一些国家在实现自动化的基础上正向完全自动化、无人化的方向发展。温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。 (3) 温室的工厂化。植物工厂是在全封闭的设施内，周年生产园艺作物的高度自动化控制生产体系。植物工厂内以采用营养液栽培和自动化综合环境调控为重要标志，植物工厂能免受外界不良环境影响，实现高技术密集型省力化作业，生菜、菠菜栽培期较露地缩短1/41/2 时间，可1 年多茬次连续生产。目前，高效益的植物工厂在某些发达国家发展迅速，实现了工厂化生产蔬菜、食用菌和名贵花木等。美国现在正在研究利用“植物工厂”种植小麦、水稻以及进行植物组织培养和快繁、脱毒。据报道，近年来日本已有企业建立了面积为1500m2的植物工厂，并安装有农用机器人，从播种、培育到收获实现了机械化、电气化。 (4)高新技术化。发达国家应用于设施农业的高新技术主要有：无土栽培技术、营养液调配技术、环境监测调控技术、二氧化碳施肥技术、蜜蜂授粉(生物)技术、基质消毒技术、机械化作业技术、产品采后处理技术、新能源技术和激光技术等现代化技术。2.我国温室的发展趋势随着科学技术的迅猛发展，我国的温室也必将向大型化、集约化、规模化、产业化方向发展。温棚骨架材料趋向高强度、轻便、耐腐蚀、使用寿命长发展；规模向多拱拼装式、大型连栋式方向发展，采光利用率高、低能耗的日光温室将成为发展重点；覆盖材料向透气性好、保温保湿性能优越方向发展；配套设施向电动和计算机自动监控方向发展。我国温室设施的发展有6 大趋势：(1)大型温室设施的比重明显加大。(2)节能日光温室发展迅速。(3)以遮阳网覆盖栽培为主的夏季设施园艺快速发展。(4)设施农业产品生产向标准化发展。(5)现代化连栋温室发展迅速， 温室设施向低成本、高效益方向发展。(6)“生态温室” 逐渐成为我国现代农业发展新模式。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。 1.3温室控制技术的设计要求本课题是以现场总线为通信方式来完成对温室内的温度、湿度等环境变量进行测量和实时控制。该系统有一个上位机和多个下位机组成。下位机通过温湿度传感器完成对环境温湿度的数据采集，并通过总线将采集到的数据传送给上位机。上位机通过运算发出指令，完成对下位机的控制，通过电机、继电器等来调节温室内的环境。通过该系统，可以完成对温室内环境参数的自动调节，实现了自动化管理，提高工作效率，降低成本，同时也减轻了劳动人民的劳动强度。主要研究的内容： (1)485总线的结构及特点 (2)设计方案的选择(3)硬件的选择与电路设计(4)软件编程设计(5)调试1.4本章小结 本章节介绍了该设计的课题来源以及温室控制技术在国内外的发展现状及发展趋势，又进一步的论述了现代农业的特点。基于这一背景下，开始研究温室监控系统的相关设计。下一章介绍对于本系统的详细方案，以及对485总线的知识进行详细的介绍。- 23 -第2章 方案的论证第2章 方案的论证2.1 系统总体方案2.1.1 系统总体方案的选择本设计的系统总体方案取决于系统的通信系统，即现场总线的选择。现场总线是应用于过程控制中现场的仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向的多站点数字通信系统。现阶段，由于未建立统一的国际标准，现场总线的种类繁多，约40余种。本设计只比较RS-232与RS-485的特点，并结合实际情况，作出选择。方案一：运用RS-232总线。RS-232是有25脚的针状连接器，通常使用9针的EIA连接插头座，包含一个主通道和一个辅助通道，绝大多数情况，仅需要用主通道，对一般的双向通信而言，只需几条信号线即可实现，但其在使用时存在许多限制，详细参数见表2-1.方案二：运用RS-485总线。RS485总线为特性阻抗120的半双工通讯总线，其最大负载能力为32个有效负载（包括主控设备与被控设置）。RS-485在设计中采用差分平衡线路，即在发送端，驱动器将TTL电平信号转换成差分信号输出，在接收端，接收器将差分信号变为TTL电平，因此就具有抑制共模干扰能力，加上接收器使得它既有较高的灵敏度，能检测200mV的电压，数据传输可以达到千米以外。RS-232与RS-485的电气参数,如表2-1所示：表2-1 RS-232与RS-485的电气参数规定RS-232RS-485传输方式单端差分最大节点数1收1发32收1发最大传输距离15m1200m（速率100Kbit/s）最大传输速度20Kbit/s10Mbit/s（距离12m）驱动器最大输出/V156驱动器最小输出/V51.5接收器敏感度/V30.2驱动负载阻抗（）3K7K54摆率（最大值）30V/N/A接收器输入电压范围/V15-7+12接收器输入门限电压3V2200mV接收器输入电阻（）3K7K12K驱动器共模电压/V-1+3接收器共模电压/V-7+12 通过对RS-232与RS-485的比较，RS-485更适用于多台计算机或者带微控制器的设备之间的远距离数据通信。RS-485是外部串行总线，其接口采用二线差分平衡传输，平衡发送和差分接受的特点使其可以抑制共模干扰，差分电路的最大优点是抑制噪音。差分电路另一个优点就是不受节点间接地电平差异的影响。在远距离传输时可以免受其他输入信号的影响，还具有总线收发器灵敏度很高，能检测到低于200mv的电压信号。并且RS-485价格便宜，能够很方便的添加到任何一个系统中去。2.1.2 系统总体方案系统总体结构如图2-1所示，本设计为多点检测系统，若干检测点通过485通信连接终端，并由终端控制电机与继电器的运行，对温室内的温度与湿度进行调节。温湿度传感器1 电 机 终 端 485总线 节点1 节点3 节点5 节点2 节点4温湿度传感器2 继电器 图2-1 系统总体结构框图 图2-1中，每个节点都与单片机相连接，并且每个单片机都连接不同的模块，每个模块起到各自的效果，分工合作，并通过485总线来实现信息的相互交换。节点1、2通过单片机连接温湿度传感器，对温室内不同位置的温湿度进行测量。节点3通过单片机连接电机模块，该模块是模拟温室中的通风装置，它可以带动风扇的转动，可以带动空气的流通，以达到调节温度的效果。节点4通过单片机连接继电器，利用继电器控制水泵的开关，通过控制水泵来调节温室内的湿度。本设计只介绍到继电器，对水泵不再做相关介绍。2.2温湿度传感器2.2.1 传感器的选择方案一：选用DS18B20温度传感器与HM1500/1520湿度传感器。DS18B20是数字温度传感器，适应电压范围较宽，电压范围：3.05.5V，测量的温度范围也比较广，温度范围：55+125，并且精度比较高，在-10+85时精度达到0.5。HM1500/1520为高精度湿度传感器，工作电压为直流5V，精度为2%，适用于需要高精度高稳定性的场合，并且不受水浸影响。HM1520特别适合低湿环境 。该方案使用了两个传感器，对温室内的温度与湿度分别作出测量。虽然两种传感器的精度都比较高，但线路相对比较复杂，且湿度传感器的输出信号时模拟电压信号，还需要通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号才能送入单片机，增加了线路的复杂程度。方案二：选用集成式数字温湿度传感器DHT11。DHT11温湿度传感器是一款以数字信号输出的温湿度复合传感器，它运用数字采集技术与温湿度传感技术。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。因此该产品具有卓越的品质、抗干扰能力较强、性价比比较高等优点。该传感器使用单线制串行接口，使得系统的集成变得快捷简单。体积小、功耗低，操作简单，使其成为同类该方运用中的最佳选择。根据实际情况，温室内适应植物生长的环境所要求的温湿度范围不是很大，精度要求也不是很高。结合成本等因素考虑，DHT11可直接传输数字信号给单片机，操作简单，成本低。对于精度要求不是很高的场合还是可行的。综合上述两个方案，方案二线路简单，成本低，易操作。2.2.2 传感器的节点框图温湿度传感器节点框图如图2-2所示。如图2-1中所示，本系统采用两个温湿度传感器，对温室内不同位置的温湿度数据进行采集。在本设计中，我们也将温度传感器也湿度传感器结合在了一起，仅使用一个DHT11传感器。单片机温度传感器湿度传感器485通信 图2-2 温湿度传感器节点框图2.3电机驱动2.3.1 电机驱动的选择方案一：选用电机驱动芯片L298。L298是意大利SGS半导体公司生产的步进电机专用控制器，它能产生4相控制信号，可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机。使用5V的电源电压，电流相对来说比较小。而且还必须外接大量二极管，比较麻烦。方案二：选用电机驱动芯片ULN2003。ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，大电流复合晶体管阵列，由7个NPN复合晶体管组成。直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可以达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003还集成了一个消线圈反动势的二极管，可用来驱动直流电机或者继电器等。具有温度范围宽，电流增益高，带负载能力强等特点，适用于各类大功率的驱动系统。所以经过综合考虑，最终决定选用ULN2003作为电机驱动。2.3.2 电机驱动的节点框图电机控制节点框图如图2-3所示。本系统接收通讯信号，控制电机的运行，带动排风扇以控制温室内的温度。单片机电机控制485通信 图2-3 电机控制节点框图2.4继电器继电器节点框图如图2-4所示。本系统接收通讯信号，利用继电器对温室内湿度进行调节。单片机继电器485通信 图2-4 继电器节点框图2.5终端终端即上述的上位机，主要负责接受下位机的数据信息，通过分析、运算、判断，作出控制反应，输出控制信号，并将下位机采集到的各个节点的数据信息显示出来。并且上位机可以通过键盘手动更改和完善一些参数值的设置。上位机接受下位机采集的数据，通过LCD显示出来，这些数据经过处理后会向下位机发出一些控制指令，控制下位机的执行机构工作以调节环境参数，达到设定的要求。上位机还可以通过接入的键盘完成一些控制参数上下限的设置。终端节点框图如图2-5所示。利用按键设置温室内所预期达到的温湿度，并利用通信接收传感器采集的数据，经过单片机的处理，发出信号，控制电机与继电器的运行。按键单片机显示485通信 图2-5 终端节点框图2.6本章小结 本章节对两种传感器的选择方案进行论述，对各方案的优缺点进行了比较，最终确定了以DHT11为测量传感器的方案。同时本章节对本系统的总体方案进行了论述，对上位机与下位机的设计方案做了简单的论述，介绍了基本的功能和结构组成。下一章将会以本章介绍的系统结构为基础，对硬件结构进行详细的论述。第2章 方案的论证常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第3章 系统硬件设计本设计的硬件部分主要分为上位机的硬件设计和下位机的硬件设计两个部分。上位机即是上文中提及的终端，它主要包含单片机、液晶显示和键盘。下位机包含单片机、温湿度传感器、直流电机驱动模块和继电器模块。下文中将分别对这两大部分做详细的介绍。3.1 上位机的硬件设计上位机的硬件主要包括：单片机、RS-485总线、LCD液晶显示电路、键盘模块。3.1.1 单片机的最小系统STC89C52是STC公司生产的一种性能高，功耗低的CMOS 8位微控制器。具有8K的可编程Flash储存器。拥有8位CPU和可编程Flash，使STC89C52在众多嵌入式控制应用系统中提供了高灵活、超有效的解决方案。STC89C52使用了经典的MCS-51内核，改进后使芯片具备了传统的51单片机不具备的功能。属于增强型8051单片机，完全的兼容了传统的51单片机。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，知道下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。其最小系统内部结构图如图3-1所示。图3-1 单片机最小系统3.1.2 MAX485通讯电路MAX485是一种芯片接口。MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS485芯片。MAX485是用于RS-485与RS-422通信的收发器，其功耗低，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。MAX485的驱动器摆率不受限制，可以实现最高2.5Mbps的传输速率。这些收发器在驱动器禁用的空载或满载状态下，吸取的电源电流在120µA至500µA之间。MAX485采用单一电源+5 V工作，额定电流为300 A，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS485电平的功能。MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100的电阻。为了方便上位机完成现场数据的采集和各种控制任务，本设计选择RS-485通信接口，它能够使得上位机和下位机正常通信，实现数据的有效传输。MAX485与主控单片机的连接电路原理图如下图3-2所示：图3-2 MAX485原理图3.1.3 LCD液晶显示本系统采用LCD1602是字符型液晶，它可以用来显示、数字、符号等点阵型的液晶显示模块。它的组成是由许多个5X7或5X11等点阵字符位，对于该显示器的每个点阵字符位将会显示一个字符，每位之间会有一点的间隔，行与行之间也是有间隔的，可以是是读数能够清晰美观，显示出的图形效果更好。本系统中它是用来显示温度，湿度以及光照强度的环境参数值。这个显示器LCD1602代表的是指显示内容有16*2，就是可以显示两行，每一行有16个字符显示，即数字和符号。它的工作电压是3.3V或者5V，其对比度是可以调的，当中含有复位电路，此外LCD1602还可以提供许多控制命令，来实现移位，字符闪烁等功能。此外它的功耗比较小，体积也笑，可是显示的内容比较丰富，十分轻巧，常常被使用在很多袖珍仪器和低功率消耗的仪器中。LCD1602是标准的16脚接口：1号管脚：VSS是电源地2号管脚：VCC接5V电源3号管脚：V0是显示器的调整端，在接通正电源的时候它的对比度比较弱，在接通地电源时候，对比度会达到最高4号管脚： 寄存器选择管脚，当电平为1时会选数据寄存器，当低电平是0时会选择指令寄存器5号管脚：RW是读写信号，高电平时读操作，低电平时写操作6号管脚：EN端是使能端,为1时读取信息，负跳变的时候执行命令714号管脚：D0D7是8位额双向数据端1516号管脚： 15脚是背光正极，16脚就是背光负极本系统是通过下位机进行检测出环境参数，由485总线传送给上位机，上位机接受到信息后，对参数进行处理与分析。并且在上位机中的LCD中显示出来。LCD1602与主控单片机的连接电路原理图如下图3-3所示：图3-3 LCD1602原理图3.1.4 键盘模块上位机中，键盘是对温室内的温度、湿度的上下限进行设置。该键盘模块由一个34的矩阵键盘和1个单独的按键组成。键盘模块的电路框图以及与单片机的连接图如下图3-4所示：图3-4 键盘模块原理图图3-4中各按键的功能如表3-1所示： 表3-1 键盘中各按键的功能 键盘功能键盘功能K1显示节点1数据K8温度上限增加K2显示节点2数据K9湿度下限减小K3K10湿度下限增加K4K11湿度上限减小K5温度下限减小K12湿度上限增加K6温度下限增加S1系统开关键K7温度上限减小上位机中各个硬件承担着不同的功能。在单片机的支配下，键盘主要是控制系统的运行，并且对温室内温湿度的上下限进行设定。液晶显示是对本设计中所有数据的显示。MAX485是实现上位机与下位机进行信息传递的效果。3.2 下位机的硬件设计下位机的硬件主要包括：单片机、RS-485接口电路、温湿度传感器、直流电机、继电器等。3.2.1 单片机的最小系统此部分与上位机中单片机最小系统相同，不在重述，详见上位机单片机的最小系统的介绍。3.2.2 MAX485通讯电路此部分与上位机中MAX485通讯电路相同，不在重述，详见上位机MAX485通讯电路的介绍。3.2.3 温湿度传感器本系统需要对温室内的温度和湿度进行测量。随着电子技术的飞速发展，检测与控制技术也得到了快速的发展。通过一些简单的微机系统对环境进行检测得到了很广泛的应用。本系统采用的是DHT11温湿度传感器。通过该传感器获取温室内的温度和湿度，并将采集到的信息送入单片机，从而完成温湿度的采集工作。并且DHT11温湿度传感器是一种数字式传感器，它可以直接与单片机相连接，操作简单。DHT11传感器内还有一个电阻式的湿度感应元件和一个包括NTC的测温元件。该传感器的品质较好，性价比高，有着响应时间快和抗干扰能力强的优点。该传感器的校准系数都会以程序的形式存放在OTP内存中，由于传感器对信号进行检测处理时，都会调用出厂是存放如OTP中的校准系数，所以其测量的准确性较高。DHT11采用的是单线制串行接口，不但是系统在集成后可以变得简单快捷，还凭借其体积小的优点有着十分低的功耗。同时，它的型号传输有20米以上，这样该传感器能够广泛应用到很多要求很严格的场合，并且能够取得很好的效果。该传感器的封装是4针单排引脚封装，进行连接是十分方便。要求的供电电压是3V至5V。在传感器通电开始工作时，需要等待1s的时间来跳过不稳定的状态，在此时间内不需要发送任何命令。连接时在VDD引脚和GND引脚之间加一个100uF的电容可以实现去耦和滤波的功能。DHT11的技术参数如下：电压：3.3V-5.5V DC输出：单总线数字信号范围：温度0-50；湿度2%0RH-90%RH精度：温度2；湿度5%RH分辨率：温度1；湿度1%RH稳定性：小于1%RH/年DHT11是数字温湿度传感器，接线简单，即将P2插槽中的2管脚与单片机中P26管脚相连接，通过P26管脚接收DHT11采集到的温度和湿度数据。DHT11模块的线路连接图如下图3-5所示：图3-5 DHT11原理图DHT11温湿度传感器的引脚说明见下表3-2表3-2 DHT11温湿度传感器引脚说明引脚名称注释1VDD供电，3V-5V，DC2DATA串行数据，单总线3NC空脚4GND负极，接地3.2.4 直流电机驱动模块在本系统设计过程中，由电机系统来调节空气的流通，起到调节温度的作用。当温度未达到设定的范围时，执行机构中的电机将启动。本次系统设计电机系统使用的是ULN2003驱动芯片，该模块有4路高亮绿色发光二极管指示灯来指示工作状态，同时还有一路红色电源指示灯。该模块配有步进电机的标准接口，在使用时可以将步进电机直接插拔，使用方便。由于模块中有四路输出，所以这一模块可以支持1路步进电机和4路直流电机。当将步进电机接入这一模块时，四路输出对应接到单片机的4跟I/O线，同时将步进电机的接口插入模块中（至于插槽的凹槽与接头的凸起一端对应）。模块接入直流电机时，任选4路输入端中的一路连接单片机I/O口，同时将直流电机接入电机插槽上对应的输出端即可。在电机模块中，作为核心的ULN2003驱动器具有高耐压的特点。它由7个NPN达林顿管组成，每一对达林顿管都串联了一个2.7K的基极电阻。在5V的工作电压下，它能与CMOS电路和TTL直接相连，对原先需要标准逻辑缓冲器的数据进行直接处理。ULN2003工作电流较大，灌电流高达500mA，在关态时能承受50V的电压，且输出在高负载电流并行运行。ULN2003与电机模块的电路原理图如下图3-6所示：图3-6 ULN2003原理图图中，因本系统使用的是直流电机，故只需2个输入端和2个输出端。将J1中的1管脚和2管脚分别和单片机中的P21和P22连接，将J2中3、4管脚分别与直流电机的两端连接。通过给P21和P22送入不同的电平可以控制电机的正转和反转。ULN2003的极限值如下表3-3所示：表3-3 ULN2003极限值参考表参数名称符号数值单位输入电压VIN30V输入电流IIN2.5mA功耗PD1W工作环境温度Topr-20 to +85贮存温度Tstg-55 to +1503.2.5 继电器模块在下位机检测到环境参数中湿度不在设置的限度范围之内是，上位机则会向下位机发送控制信号，启动执行机构中的继电器模块，以此来调节湿度。本次设计的继电器模块主要由继电器、二极管、LED等器件构成。继电器模块通电时，将会有指示灯作为提示。当继电器模块接收到信号时，继电器的触头将从常闭触点端转向常开触点一端，从而接通执行电路。继电器模块的电路原理图如下图3-7所示：图3-7 继电器原理图3.3 本章小结本章节对上位机与下位机中涉及到的硬件进行详细的介绍，包括对单片机最小系统的论述，MAX485通讯电路的介绍，以及对温湿度传感器、继电器、电机驱动、液晶显示等进行了详细的论述。并给出了它们的电路图。下一章将对本系统的软件部分进行介绍。常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第4章 系统软件设计本设计的软件部分同样分为上位机的软件设计和下位机的硬件设计两个部分。上位机即是上文中提及的终端，它主要包含单片机、液晶显示和键盘。下位机包含单片机、温湿度传感器、直流电机驱动模块和继电器模块。下文中将分别对这两大部分做详细的介绍。4.1 上位机的软件设计上位机的软件主要是由单片机系统、LCD显示模块和键盘模块组成。上位机的主流程图如下图4-1所示。上位机的主要有以下任务：（1）接收并处理下位机发送的信息；（2）根据处理结果向下位机发送控制信息；（3）将下位机所测得的环境参数信息显示在LCD液晶屏上；（4）完成对温湿度上下限的设定；（5）能够人为的停止所有下位机节点的执行机构。开始 2s定时中断服务子程序定时器中断开始485总线初始化接收下位机数据信息LCD1602初始化计算，判断定时器赋初值像下位机发送控制信息定时器中断结束LCD显示原始界面打开定时器中断和外部中断外部中断0开始 外部中断0子程序有按键按下？ N向所有下位机发送控制命令0x00，紧急停止所有执行机构 Y 确定按键的键值外部中断0结束根据键值转入对应子程序图4-1 上位机软件工作主程序流程图上位机软件主要由主程序，定时中断服务子程序和1个外部中断程序组成。主程序用来初始化各种设备和显示下位机节点的参数信息；定时中断服务程序用来接受下位机的信息作出判断并给出控制命令；外部中断程序则用来紧急停止所有下位机节点的执行机构。本系统将通过键盘模块实现各个节点参数的显示以及温度和湿度上下限的调节，其具体流程将在下文键盘的软件设计中给出具体方案。4.1.1 液晶显示LCD1602的软件设计LCD1602可以显示两行字符，每行16位，且其内部已经存有很多常用的点阵字符，故在使用LCD1602显示数据数可以直接调用这些字符。LCD1602的软件设计主要为对LCD的初始化，LCD命令和数据的写入和LCD的显示主程序。开始初始化设置显示模式：162显示，57点阵，8位数据接口打开显示开关，关闭光标，关闭闪烁设置显示模式：光标右移，字符不移写入命令，清屏初始化结束LCD1602的初始化流程图可见下图4-2，LCD1602写入数据或者写入命令的流程图可见下图4-3。 开始使能端清零忙碌？写入数据信息或者命令信息使能端置位结束YN图4-2 液晶LCD1602初始化流程图 图4-3 数据或命令的写入流程图 开始LCD1602初始化写入命令，从第一行开始写入写入第一行要显示的数据写入命令，从第二行开始显示写入第二行要显示的数据结束 LCD1602主程序工作流程图如下图4-4所示：图4-4 液晶LCD1602工作主流程图4.2.3 键盘模块软件设计本系统中采用的键盘为一个34的矩阵键盘和1个单独的按键。对于键盘模块的软件设计主要分为4个部分：一为按键的去抖软件设计；二为键盘的扫描，确定哪个键被按下；三为通过按键调节温度和湿度的上下限来实现对环境参数的控制；四为通过按键紧急停止所有下位机节点的执行机构。1. 去抖动软件设计在按键开关的触电闭合或者断开到其稳定之间，会产生一个机械式开关的共性问题，即会有一个短暂的抖动和弹跳。消除由于抖动和弹跳产生的干扰可以采用硬件方法，也可以通过软件的方法来消除。本系统中所采用的方法为通过软件的方法来消除，其主要思想是通过延时来完成。当单片机检测到有按键按下后，先执行一个20ms的延时子程序，当延时子程序结束后再次对按键进行检测，如果再次检测到按键被按下，则计算出该按键对应的键值。通过这种插入延时子程序的方法，可以消除按键的抖动所照成的影响。按键去抖动的软件设计流程图如下图4-5所示： 图4-5 按键去抖动软件流程图 图4-6 按键扫描流程图2. 按键扫描软件设计对于键盘模块中34矩阵键盘的按键识别本系统采用的是行扫描的方法。此方法是采用步进扫描的方式，通过输出口把一个低电平加至键盘的行线上，然后通过检查各个输入口的列线的状态来判断按键是否被按下，当没有按键被按下时，则会向下一行输入低电平，再次检查列线状态，如此不断循环。对于其中一行的按键扫描流程图如上图4-6所示。3. 节点参数的显示及温湿度上下限的调节软件设计在上位机中，可以通过按键来控制显示各个下位机节点采集到的参信息，也可以通过按键来调节温度和湿度的上下限值。上述功能都是通过硬件模块中的43的矩阵键盘来实现的。系统中的单片机不断扫描按键，如果有按键输入信号，则计算出对应键值，通过键值的判断跳入不同的子程序，实现不同的功能。当没有按键被按下的时候，则键值为0，此时系统会返回键盘扫描程序继续扫描。每个键值所对应的功能见表3-1：K1K4用来分别显示4个节点的参数信息，其显示的具体流程可参考上文中LCD显示部分。K5K12用来调节温度和湿度的上下限。如：K5为温度上限增加的按键，当K