基于单片机的太阳能杀虫灯绿色防控系统软件设计

软件详细设计报告 Error! No text of specified style in document. 孝感定原电子科技有限公司文 档 编 号产品版本密级产品名称：基于单片机的太阳能杀虫灯绿色防控系统软件共 页软件设计说明书目 录摘 要31详细设计31 .1软件简述31 .2软件功能描述31 .3频率脉宽测量流程处理61 .4频率脉宽测量流程处理81 .5SD卡的存储通讯处理101 .6PWM脉冲发射控制112编程协定132 .1操作系统132 .2调试工具132 .3编译链接工具13摘 要在人类发展历史上，害虫在农业、林业上的危害，严重阻碍了农林业产品产 量的提高。在过去治理害虫时，化学农药起着重要的作用，在很大程度上杀灭了 害虫，减少了害虫对农业、林业的危害。但是利用化学农药防治害虫会使得在杀 灭害虫的同时，也导致害虫的抗药性越来越强，而且由于长期使用化学农药，导 致农产品农药残留严重超标，影响了人体健康，对环境也造成了严重的污染，还 造成了生态环境的恶化、生物多样性和生态平衡的破坏等。化学农药的使用已经 成为危害人类健康、破坏生态平衡的一大隐患。随着社会的发展，人们生活水平 的提高，人们越来越注重饮食的健康安全和保护生态系统的平衡。这必然要求减 少对化学农药的使用，但同时又要减少害虫对农业、林业的危害。这就使得在害 虫的防治上必须由化学防治转变为物理防治、生物防治、综合治理等。随着科技 的进步，诱虫灯在农业、林业上的使用越来越广泛，并取得了显著的成效。随着人们对绿色产品的追求越来越高，化学防治害虫的方法将逐步被物理防 治、生物防治、综合治理等方法取代。另一方面，传统能源日渐枯竭，需要开发 清洁可持续的新能源，而太阳能将成为未来最理想的绿色能源。开发太阳能杀虫 灯绿色防控系统既能达到物理杀灭害虫的目的，又能开发利用新能源。 本文以太阳能杀虫灯装置为基础，对太阳能电池特性、光伏发电系统容量、 充放电控制器及杀虫灯装置外观进行了系统的研究。设计了基于单片机的太阳能 杀虫灯绿色防控系统。关键词太阳能 杀虫灯1 详细设计1 .1 软件简述STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52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。1 .2 软件功能描述1 .2.1 软件功能介绍系统基于STC89C52单片机，主要的模块有热释电红外传感模块、温度检测模块、蜂鸣器报警模块、数码管显示模块和GSM短信报警模块。系统整体框架如图1所示。1 .2.2 软件基本框架并联型充放电控制器框图如图 5-2 所示，并联型充放电控制器和串联型充放 电控制器的电路结构基本一致，唯一的区别是并联型充放电控制器充电回路中的 开关器件 T1 并联在太阳能电池方阵的输出端，而串联型充放电控制器的 T1 是 串联在充电回路中。当蓄电池电压高于“充满切离电压”时，D1 截止，同时 T1 导通，这时太阳能电池方阵不再对蓄电池充电。太阳能电池方阵的输出电流通过 T1 短路直接泄放，避免蓄电池出现过充电的现象，这样就对电路起到了“过充 电保护”的作用。下图是本软件的基本框架图和主程序流程图。 图一 基本框架图本文的太阳能杀虫灯控制器以 AT89S52 单片机作为系统的主控芯片，主要 实现以下功能： 1、控制太阳能电池板对蓄电池的充电状态。在白天时，随着光照强度的加 强，太阳能电池板的电压会渐渐升高，当电池板的电压上升到高于蓄电池的电压 时，便会为蓄电池充电60。通过检测蓄电池的电压值，控制蓄电池的充电状态 （包含提升充电、均充充电和浮充充电），当蓄电池充满电时，通过控制器停止 为蓄电池充电； 2、蓄电池给负载供电，包括对冷阴极灯和高压击杀网供电。当系统检测到 周围环境光线不足时，系统进入夜间工作模式。根据经验，害虫在 19 点到 24 点之间的活动最为活跃，因此将负载的工作时间设定为 19 点到 24 点之间。当时 间达到预设的放电时间（19 点）时，蓄电池给负载供电；当时间到达预设的断 电时间（24 点）时，蓄电池停止为负载供电。 3、控制器通过温湿度传感器感知环境温度和空气湿度。通过感知环境温度 对系统进行温度补偿，当温度高于 25时对系统进行负温度补偿，低于 25时 进行正温度补偿。通过感知空气湿度控制系统的放电状态，当空气湿度高于98%RH 时，停止为负载供电；湿度不高于 98%RH 时，恢复对负载的供电。 AT89S52 型单片机构成的充电控制器主要由五个部分组成：AT89S52 型单片 机最小系统、充放电电路、电压采集电路、A/D 模数转换模块、显示电路、温湿 度模块。由 AT89S52 型单片机构成的充电控制器的硬件框图如图 5-3 所示。流程图如图4所示。图二 主程序流程图系统完成初始化后，下一步要判断是白天还是夜晚。白天夜晚的判断主要是根据太阳能电池阵列的两端采样电压来判断。运用 A/D 转换获取太阳能电池的 电压并进行检测，然后对其进行采样，采样的周期设置为 30S，采样次数设置为 10 次，根据采样得出的数据求出其平均值 Us，并将平均值 Us 与光控点电压 Uk 进行比较，若平均值 Us 高于 Uk 时，可以判定为白天，则程序转入白天子程序； 否则为夜晚，程序进入夜晚子程序。白天夜晚的判别流程图如图 5-19 所示。1 .3 白天控制模块设计在白天，系统的主要任务是为蓄电池充电。当太阳能电池两端电压大于蓄电 池阈值电压时，太阳能电池才会为蓄电池充电。1 .3.1 程序流程图1 .3.2 设备侧实现当蓄电池电压高于上限保护电压时（12V 蓄电池，上限保护电压为 15V），系统自动关闭对蓄电池的充电；当蓄 电池电压低于保护电压但高于维护电压时（12V 蓄电池，维护电压为 13.2V）， 蓄电池进入浮充状态；当蓄电池电压低于维护电压但高于下限保护电压时（12V 蓄电池，下限保护电压为 10.8V），控制器自动关闭负载，以保护蓄电池不受损 坏，同时对蓄电池进行提升充电。控制器的白天控制流程图如图所示。1 .4 夜晚控制流程模块当周围环境光线不足的时候，可以检测到太阳能电池两端的电压低于光控点 电压，此时可以确定进入夜晚模式，启动夜晚子程序。夜晚子程序的控制流程图 如图。1 .4.1 程序流程图1 .4.2 设备侧实现夜晚子程序中，判定蓄电池为负载供电的条件有三个：第一步采用 AM2302 数字温湿度传感器检测空气中的湿度是否高于 98%RH，如果高于 98%RH，则认定为是阴雨天，此时阴雨天标志位置 1，放电标志位置 0，蓄电池不为负载供电； 如果空气湿度不高于 98%RH，则进一步判断蓄电池的电压是否充足，蓄电池的 采样电压是否高于放电门限电压，如果采样电压不高于放电门限电压，则蓄电池 不为负载供电；如果采样电压高于放电门限电压，则最后判断时间是否到达负载 的工作时间，如果到达了设定的工作时间，蓄电池才会为负载供电，负载才能工 作。1 .5 温度补偿模块采用 AM2302 数字温湿度传感器检测蓄电池环境的温度，蓄电池的充电阈 值电压温度补偿系数为-4mV/（单体）。温度补偿后的蓄电池阈值电压表达式 为： Ve = V + (t - 25)an。式中：Ve代表补偿后的蓄电池阈值电压； V代表25下的蓄电池阈值电压； T代表蓄电池的环境温度； a 代表温度补偿系数； n代表串联的蓄电池单体数。1 .5.1 程序流程图1 .5.2 设备侧实现由于蓄电池的充电阈值电压温度补偿系数为负数，因此蓄电池的环境温度越 高，蓄电池的充电阈值电压就越低；反之，就越高。温。 1 .6 PWM脉冲发射控制 首先利用STM32F407片内的ADC对外部噪声进行采集，由于需要判断的信号频率在300500H，因此采样率需要设定为500H的2倍以上。STM32F407的单个ADC控制器工作的最高频率为36MH，并且一个采样周期最短为15个工作周期，因此最大的采样率为24MH。不过对于更为高速的信号，STM32F407可以将3路ADC并联使用，形成交错采样，因此STM32F407最高的采样率为72MH。1 .6.1 子程序流程图 1 .6.2 设备侧实现经过频率计算后，通过定时器进行物理延时，模拟信号传播的时间，在延时后，启动PWM定时器，将测量的频率值输入至PWM定时器