机械毕业设计（论文）基于单片机的土壤温湿度控制系统的设计

1、成绩等级 本科毕业论文（设计） 题 目 基于单片机的土壤温湿度控制系统设计学 院 XX学院 专 业 机械设计制造及其自动化班 级 12机制本03班学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 摘 要本设计基于CC2430无线片上系统为核心部件，用时域反射型（TDR）抗腐蚀土壤湿度传感器采集湿度数据，以DS18B20采集土壤温度，同时根据农业生产的需要附加SHT11温湿度模块采集空气温湿度值，使用OLED屏显示测得数据，并用AT24C08存储数据。本设计是土壤温湿度环境无线监测网络系统的初步设计，目的在于实现终端设备的功能，后待开发建立在 ZigBee无线传感网络的最优建网方案。本文将以单片机为核心设计

2、了系统结构图、程序指令、流程图等等，在保留了原始土壤温湿度控制系统的基本功能的同时又增加了一系列的实用功能并简化其电路结构，其将以控制方便，灵活，只要改变输入单片机的控制程序，便可以控制土壤温湿度系统，方便，简洁。关键词 单片机控制系统 可靠性 系统 AbstractIt can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in CC2430environments to protect the personal DS18B20safe

3、ty, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.This article is AT24C08 mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it c

4、an move according to the due track on the ZigBee movement of grabbing. carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to

5、make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety.Keywords Sing

6、lechip microcomputer Forging machine 全套设计，请加12401814目 录1绪论1 1.1课题的研究背景和历史意义1 1.2系统功能概述22 控制系统硬件设计5 2.1单片机的作用和功能6 2.2单片机的应用场合73 硬件系统的设计7 3.1各组成硬件概述9 3.2无线传输核心技术10 3.3 系统框图10 3.4 网络系统框图11 3.5 终端设备系统框图124 终端设备方案选择14 4.1数据采集15 4.2数据显示17 4.3数据存储18 4.4按键控制195 系统软件的设计22 5.1系统软件总体设计23 5.2各功能模块软件程序设计24 5.3 程

7、序清单24结论25致谢26参考文献271 绪 论1.1 课题的研究背景和历史意义 单片机作为控制系统的核心部分，由于单片机体积小，使用方便的特点，被应用在智能仪器上，再结合其他的传感器之类的，可以实现对温度、湿度等精密量的测量，功能十分的强大。同样由于单片机的体积小、环境适应能力强和使用方便等方面的优点，单片机也被普遍应用于工业控制上，比如多种多样的通讯系统以及机器人等方面。此外，由于单片机的适应能力很强，所以在我们常用的手机、电脑等物品上应用十分广泛。还有，医院的医疗设备如呼吸机等也有单片机的广泛应用。还有就是汽车系统、物流系统、电力系统、通讯系统等都广泛应用单片机。 现在已能上游天空和宇宙

8、，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分子。新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技手段，这就是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。 人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复杂的工作，从而更促进手的功能。手的实践反过来又促进人脑的智慧。在人类的整个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。 产品的智能化与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系，其区别仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。过去，各种机械离不开人的操作和控制，其反应速度和操作精度受到

9、进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智能将会消除了这个限制。计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展。总结以往在土壤湿度采集过程中的经验可知，虽然测量的精确性可以保证，但是方便性与精确性却很难同时达到，便捷的手持设备可以方便采集到接近的数据，但不够精确又不耐腐蚀，使用寿命短，配合电子计算机的大型设备又不能随身携带。更为困难的是在大面积的土地中是不可能人工采集方法获得数据的，我们无法安排足够的人力每天多次测量大面积的土地，所测得的数据也不便于统计分析。因此无线传感网络的建设势在必得。1.2 系统功能概述本次设计中网络架设及终端设备的远程控制将不做

10、为重点研究内容，主要完成终端设备的数据采集、显示、发送与存储工作，实现无线传感网络的底层设计。整体设计是将TDR土壤湿度传感器获得湿度数据、DS18B20采集的土壤温度数据利以及SHT11获得的空气温湿度数据通过CC2430无线单片机发送出去，并可以根据需要将数据显示在OLED显示屏上，通过导航按键可以方便设定采集数据的时间间隔、采集数据的类型（便于统计分析）、系统时间等信息。使用AT24C08串行EEPROM将数据同步存储在设备终端，即便网络出现故障或者设备中断，所测得数据依然安全保存。2 控制系统硬件设计2.1 单片机的作用和功能 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没

11、有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1.在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便

12、等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 2.在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3.在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电

13、子秤量设备，五花八门，无所不在。 4.在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机， 机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动 ，集群移动通信，无线电对讲机等。 5.单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 6.在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应

14、用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。 在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。 7.单片机在汽车设备领域中的应用 单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广

15、泛的用途。2.2 单片机的应用场合 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：1.在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。2.在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集

16、系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。3.在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。4.在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机， 机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动 ，集群移动通信，无线电对讲机等。5.单片机

17、在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。3 硬件系统的设计3.1各组成硬件概述 TDR土壤湿度传感器的使用是十分不便的，我们并不知道它的输出与采样的对应关系，使用的传感器来自于计算机平台上的传感器，它使用计算机串口，通过软件实现数据的分析，最终得到湿度数据。我们的工作就是需要从它的原有计算机平台中取出对应关系，然后才能够将传感器通过终端设备独立使用，告别计算机。这部分也是设计的难点。设计中选择了从计算机平台中“偷取数据”的办法实现获

18、得采样与输出的对应关系。即在计算机平台工作时将传感器送出的数据定时窃取一个存入终端设备中，持续重复数次，然后按时间与计算机平台中丢失的数据的相邻两个数据的平均值对比，这样就可以获得输出与采样的对应关系。这种方法简便有效（只需要安装一个程控继电器即可），误差较低。根据需要，完整的终端设备包括中心控制与数据收发、数据采集、数据显示、数据存储及按键五个部分。 中心控制单元主要是CC2430无线片上系统，强大的功能优势足以满足系统的全部需求。数据收发部分利用CC2430自身的功能，通过2.4G天线、晶体振荡器及简单外围电路即可实现。 数据采集部分包括三个大部分： TDR土壤湿度传感器和模数转换：使用耐

19、腐蚀TDR土壤湿度传感器和MAX1301高速率A/D转换搭建完成，可以将数据以数字信号的方式通过SPI总线模式送入中心控制单元。 DS18B20温度采集模块采集土壤温度，由于DS18B20是单总线模式，所以使用还是相当的方便。 SHT11空气温湿度采集模块。数字信号直接输出，以I2C总线模式传送数据应用方便。 数据显示部分通过OLED屏幕（冷光屏）显示数据。OLED屏是利用有机发光材料受激辐射发光原理，因此无需背光、亮度高、功耗低，最符合系统需要。数据存储部分使用的AT24C08支持I2C 总线数据传送协议。I2C 总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接

20、收器，存储能力为8k，在不影响使用的情况下减小了设计成本。 按键采用了上、下、左、右四个方向键和确认、取消两个功能键作。四个方向键采用 ADC 采样输入，两个功能键直接读取端口电平。节约了CC2430的端口充分利用了内部的剩余资源（内部ADC）。3.2无线传输核心技术 ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。ZigBee过去又称为 “HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统一称为ZigBee技术。1鉴于ZigBee技

21、术的诸多优势，本次设计将采用这一组网方式，硬件设备采用德州仪器生产的无线单片机CC2430为核心部件，它是世界上首个真正的单芯片ZigBee解决方案，是世界上第一个真正意义上的SoC-ZigBee一站式产品，具有芯片可编程闪存以及通过认证的ZigBee TM协议栈，它们都集成在一个硅片内，方便日后的网络建设。3.3 系统框图系统框图是反映单片机系统各个组成部分与主控程序关系逻辑的图，单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安

22、全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。3.4 网络系统框图 本系统的总体网络框图如图2-1所示，从图中可以看出，该总体网络系统框图分别如下图清单所示：3.5 终端设备系统框图 本系统的终端设备框图如图2-2所示，这部分内容将作为本次设计重点研究。Zigbee路由节点Zigbee终端节点Zigbee中继节点土壤温度采集模块土壤湿度采集模块PC检测空气温湿度采集模块无线传输有线传输中心控制单元C

23、C2430OLED显示屏ADC- MAX1301TDR土壤湿度传感器DS18B20 土壤温度传感器SHT-11 空气温度传感器按键控制2.4G天线4 终端设备方案选择 终端设备方案的选择主要包括以下几个方面： 1）负压计土壤湿度监测系统 负压计，又称张力计，以测量土壤负压(张力)来显示土壤水分状况。负压计瓷头埋设于土壤中某一高程后，负压计内部的水分通过瓷头上的微孔同土壤水分进行交换，使内外水势渐趋平衡，仪器上所指示的负压值即代表土壤水势，可以直接反映土壤水分能为植物吸收利用的程度，同时又可换算为土壤含水率。负压计结构简单，易于制造，因此使用较为广泛。但是负压计易受环境温度的影响，仪器稳定性较差

24、。此外，负压计具有滞后性，往往不能及时反映土壤水分状况，在土壤干燥过程中尤为显著。 2）中子土壤湿度计 中子土壤湿度计以测量快中子与土壤水分中氢原子碰撞而转化为慢中子的数量来感知土壤水分状况。土孔上下移动即可测定不同高程点的土壤含水量。目前主要采用手工方法测量，也可以改造为自动化或半自动化监测仪，从田间监测室监测，以防止或减少中子对人体的辐射。 3）透射仪 透射仪利用射线透射土壤后的衰减程度来测定土壤水分状况。此种装置在实验室内应用效果较好，可进行土壤水分自动化和半自动化监测。 4）时域反射仪 时域反射仪(TDR仪)，利用时域反射原理定点测量某一土层内的土壤水分情况。此仪器有较好的测量效果，是

25、目前较先进的土壤湿度仪，便于实现自动化监测，但价格较为昂贵。 5）电阻/电容式土壤湿度监测系统 电阻/电容式土壤湿度监测系统包括电阻式土壤湿度监测系统和电容式土壤湿度监测系统，它们分别以电阻式土壤湿度传感器和电容式土壤湿度传感器为基础。 电阻式土壤湿度传感器，用装有电极的感湿材料做成传感器的感湿元件(探头)，感湿材料常为石膏、陶瓷、尼龙丝绕块等。将感湿元件埋设在土壤中某一定点上，使其同土壤保持紧密接触，以便感湿元件的水分与土壤水分达到平衡， 由于感湿元件的电阻值与其含水量具有一定关系，测量感湿元件的电阻值可以得到感湿元件的湿度，从而间接求得土壤湿度。感湿元件在同土壤进行水分交换的同时，也常具有

26、溶质交换，特别是由于元件埋设时间较长以后，元件中常有溶质积累，从而影响到水分测定的精度。此外，由于感湿元件具有一定的滞后作用，往往不能及时反映土壤水分现状。 电容法测定土壤湿度是根据土壤介电常数随土壤湿度变化的原理来进行的。它同电阻法相比，受土壤盐分的影响较小。考虑上述多种湿度采集方法的优势，我们决定采用时域反射仪，它设计灵活、便于自动控制，更符合设计要求。 在对湿度传感器的应用方面我们考虑了以下两种方案：方案一：使用12V、电源供电的传感器，得到的模拟信号为012V，而我们的控制此处删减NNNNNNNN字需全套设计请联系12401814 时钟：包含年月日信息，可以手动调整，目的是随同数据一起

27、存储发送。主程序：包含按键扫描内容，将各个模块连接起来，主要表现为调用子程序。其中，系统程序流程图如下图所示： 其中，SPi程序流程图如下图所示： 5.3 程序清单/DS1820 C51 子程序 /这里以11.0592M晶体为例，不同的晶体速度可能需要调整延时的时间 /sbit DQ =P21;/根据实际情况定义端口 typedef unsigned char byte; typedef unsigned int word; /延时 void delay(word useconds) for(;useconds0;useconds-); /复位 byte ow_reset(void) byte

28、 presence; DQ = 0; /pull DQ line low delay(29); / leave it low for 480us DQ = 1; / allow line to return high delay(3); / wait for presence presence = DQ; / get presence signal delay(25); / wait for end of timeslot return(presence); / presence signal returned / 0=presence, 1 = no part /从 1-wire 总线上读取

29、一个字节 byte read_byte(void) byte i; byte value = 0; for (i=8;i0;i-) value=1; DQ = 0; / pull DQ low to start timeslot DQ = 1; / then return high delay(1); /for (i=0; i0; i-) / writes byte, one bit at a time DQ = 0; / pull DQ low to start timeslot DQ = val&0x01; delay(5); / hold value for remainder of t

30、imeslot DQ = 1; val=val/2; delay(5); /读取温度 char Read_Temperature(void) union byte c2; int x; temp; ow_reset(); write_byte(0xCC); / Skip ROM write_byte(0xBE); / Read Scratch Pad temp.c1=read_byte(); temp.c0=read_byte(); ow_reset(); write_byte(0xCC); /Skip ROM write_byte(0x44); / Start Conversion retu

31、rn temp.x/2;模拟SPI同步收发程序.#include#include#include#include/SPI接口sbit cs = P23;sbit sclk = P24;sbit din = P22;sbit dout = P21;sbit ACC7=ACC7;unsigned char da1;void LCD_Init();void COM_Init();/测试用void delay(t);/延时函数unsigned char SPI_InOut(unsigned char input);void main() /主函数unsigned char m,i,s10;int a2

32、;unsigned char j10=0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09;COM_Init();LCD_Init();while(1)for(i=0;i9;i+)m=ji;a0=SPI_InOut(m);/a0=da1;sprintf(s,%2x,a0);PutStr(0,0,s);SBUF=m;while(!TI);TI=0;delay(2000);/测试用COMvoid COM_Init()/9600TMOD=0x20;SCON=0x50;TH1=0xfd;TL0=0xfd;TR1=1;void LCD_Init() delay(10)

33、; /等待复位 LcmInit(); LcmClearTXT(); LcmClearBMP();void delay(t)/延时函数unsigned int i,j;for(i=0;it;i+)for(j=0;j=1;/接收 ACC=getdata; ACC7=dout; getdata=ACC; /数据到getchar中 _nop_();sclk=1; input=input1;/ if(i=0)/ da1=getdata;/_nop_();/_nop_();/_nop_();cs=1;return(getdata);结 论在最近的一段时间的毕业设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度，本文所设计的是基于单片机的土壤温湿度控制系统的设计，通过初期的定稿，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可要做的好，总