农田光照度检测终端设计

1、农田光照度检测终端设计 摘 要本课题的研究目的是为人们提供能够实时了解农田环境照明信息的工具，以便人们及时了解信息并做出适当的调整。以STC89C52单片机作为控制核心，设计检测照明。由于其功能的实现主要是通过软件编程实现，它降低了硬件电路的复杂性，降低成本，也是复杂的硬件电路完成的艰巨任务。光照度传感器为TSL2561，系统实现农田环境光强参数的采集、存储和显示。此外，该系统还具有报警功能。当由传感器收集的数据是由用户在一定范围内没有设置，则蜂鸣器报警以提醒用户，该系统是可靠的，结构简单，并能有效地降低生产成本。关键词：STC89C52微控制器，光照强度，LCD显示，报警目 录第1章 绪论1

2、1.1选题的背景和意义11.2照度传感器11.3主题主要内容和结构安排2第2章 方案的比较与选择42.1光传感器的选择42.2 MCU的选择42.3本章小结5第3章 系统总体设计63.1信号采集63.1.1光照传感器63.2信号分析和处理103.2.1单片机最小系统113.2.2 STC89C52管脚描述133.3人机交互133.3.1显示模块133.3.2报警电路153.4小结本章15第4章 软件设计164.1主程序流程图164.2本章小结17总结与展望18参考文献19附录:原理图、仿真图21致谢22第1章 绪论1.1选题的背景和意义光照度和人类的生产和生活密切相关，例如农作物的生长是从检测

3、和温度和湿度的控制，尤其是光的强度是分不开的。科技，电子，石油，化工等机械工业，随着人们生活水平的提高，人们越来越关注自己的生活环境，空气中变化的光强直接关系到人类的舒适度和情绪。有必要检测和控制照明。光照度是工农业生产中不可或缺的要素，但传统的方法是通过人工检测不使用的光人类感知和观察植物的生长满足照明的要求环境中。人工测量耗时长，劳动强度大，且低效的，并且具有大的测试误差和大随机性。本文设计的测量仪器非常的智能化，因为它具有数据存储器，算术逻辑和自动化的判断的函数。一种低成本和高精度的环境测量仪器将在许多领域中代替手动操作和自动地控制各种仪器来调整农田环境的亮度。大多数的市场环境检测方法是

4、单点测量，并且照明信息不及时发送。精度不能满足要求，根据变化，这不利于控制器照明。为此，设计开发了本文这个能够同时测量多个点的检测系统，具有较高的实时性和高准确度，并且可以全面处理多个光信息点，具有非常广阔的市场前景和实用价值。近年来，随着中国由传统农业向高产，高效率，高品质，现代农业的不断进步，需要检测光1在该领域已经越来越高，应用领域也越来越大。然而，大多数在农场使用的光检测装置的非常简单，并且它们需要被按照一定的光照条件下由操作员手动操作。这不仅会带来很多不便的检测，也无法适应测量系统和现代数字控制传感器的需求。因此，理论和实践意义，研究独特型检测和自动光控为核心的研究项目之一，用于生产

5、现代农业的。1.2照度传感器光电传感器2是指将实测光强度，通过光电传感器转化为电信号传感器中的光信号变化。由光源，光电通路，光电器件组成。作用在即将被测的光路，导致光量的变化，然后将光电器件中的光量转换为电能，这是一个检测电路，然后输出，检测到的变化，直接反映测量的变化。光电检测方法具有精度高，响应速度快，无接触等的优点，它可以测量许多参数，传感器的结构简单，且形状是灵活多样的。因此，光电传感器被广泛用于检测和控制。光电传感器是各种光电检测系统中光电转换的关键部件。光电传感器是使用光电元件作为转换元件的传感器。光强度，照明，等气体成分分析，可用于检测由非电直接造成光量变化。它也可以被用于检测可

6、被转化为一个变化中的光的量，如直径，表面粗糙度，和张力非电性能。转让，振动，速度，加速度和形状和对象的工作。光电传感器有没有接触，快速响应和性能可靠的特点，因此被广泛应用于工业自动化设备和机器人。近年来，一种新的照相装置，特别是CCD图像传感器，已开辟了新的页面以供进一步使用的光电传感器。基于光电子器件受光通量影响的不同原理，存在多种光学测量和控制系统。根据所测量的方法（检测目标对象）的光屏蔽型（束阻挡）。由所谓的传输型器件测量的物体被放置在光路中，由恒定光源发射的光能通过被测量的物体，在吸收一部分后，发射的光投射到光电元件上。所谓阴影型的器件，当光源发射的光束覆盖被测物体的一部分光时，光通量

7、投射到光电元件的光路上，变化程度与测量物体的位置有关。光电二极管的相同外观，普通二极管，不同之处在于被打开它的情况下的玻璃嵌入窗口，以促进光穿透。无光时与普通二极管相同，反向电流很小，即所谓的光电二极管暗电流；当有光时，载流子被激发产生电子空穴，称为光载。在外部电场的作用下，上光负载参与传导，形成远大于暗电流的反向电流。光电流的大小与光的强度成正比，所以电信号，该电信号和光的强度变化可以通过负载电阻获得。光电晶体管，除了可将光信号转换为电信号在光电二极管的功能，也将其提供给放大的电信号的能力。光电晶体管的外观是从正常三极管的外观非常不同。光三极管，不仅两极，不拉的发射极和集电极。所述的外壳，还

8、存在的光进入一个窗口。为了增加照明，基于区域的面积将会增加。入射光线主要被较小发射区域的基底面积吸收。集电极结被反向偏置，发射结偏压在操作过程中执行。流过管子时，无光电流为暗电流I CEO=（1）I CBO（很小），小于晶体管的渗透电流。当有光时，许多电子空穴对被激发。基Ib产生的电流增加。此时流过管子的电流称为光电流。集电极电流Ic=（1）IB。光电晶体管比光电二极管更灵敏。1.3主题主要内容和结构安排用STC89C52单片机3，对光照环境进行实时检测。每个检测单元（传感器）可以独立地执行自己的功能，并且在同一时间，它可以根据主控制机器的指令实时地收光信息。所收集的信息清楚地提供给通过液晶屏

9、显示的用户。如果收集到的信息超过预先设定的范围，蜂鸣器会发出警报，让用户及时做出决定。第2章 方案的比较与选择2.1光传感器的选择选择1：使用光电二极管和光电管作为光敏元件转换为电信号，然后通过A/d转换为数字信号传输到控制单元4。在暴露于光后，电阻值降低，导电性增加。当作为光传感器使用时，它们通常连接与电阻器串联并连接到一个桥式电路。选择2：硅光电池用作光强度转换成电流信号，该信号然后通过一个运算放大器转换成电压信号输出。测量范围：0.1199.9klx；精度：4%；线性误差:0.2%；输出信号:05V。选择3：集成数字光传感器采用TSL2561。TSL2561是一种将光强转换成数字信号并输

10、出的光学数字转换器。它有一个直接的I2C接口或SMBus接口。每个设备连接到集成电路上的带宽光电二极管和单独的CMOS红外响应光电二极管。集成电路具有提供20位近光响应的动态范围的能力5。两个集成ADC的数字输出将光电流转换为表示每个通道发光的测量值。到控制单元的连接消除了对A / d转换的需要。选择1电路部分确实复杂，虽然价格是有利的，测定精度不能保证并且误差是大的。第二种选择是硅光电池和硬件电路的成本更复杂。第三种选择是将数字传感器与简单电路集成在一起。当制造商出厂，它确保精度，满足了设计要求。因此，第三选项被选中。2.2 MCU的选择在大多数电子产品的设计，基于成本效益的考虑，8位微控制

11、器仍是首选。其中8位单片机，MCS-51系列单片机及其配套6的机器占据了最大份额。设计人员可以轻松地选择来自不同公司的微控制器产品。选择1：以AT89C51芯片为硬件核心， 使用闪存ROM，存储空间内有4KBROM，可以在3V超低压下工作，MCS-51系列微控制器完全兼容，但在使用时的电路设计中，它没有ISP在线调试技术，由于程序或方案需要的新功能的不正确的修改要刻录到程序中，多个插入和移除芯片将导致某些损坏该芯片7。选择2：使用AT89S52的片上所有使用Flash ROM光盘;可以用3V超级底部电压工作;由于程序或程序在错误修改烧录程序时需要新功能，不需要多次插拔芯片，不会造成芯片损坏。选

12、择3：STC89C52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微8K系统可编程闪存。具有工业级80C51产品规格和引脚完全兼容制造。片上闪存允许程序内存在系统中编程，在一个芯片上也适用于常规程序员。选择1自身的不足，很少使用。没有采用方案二和方案三之间没有太大的区别，但方案二需要专用下载线，并计划三者可以使用串行端口下载。因此，选择3满足要求。系统框图 2.3本章小结本章主要介绍环境探测器使用的主要芯片的选择，光传感器，控制处理芯片等。考虑性能，特点，易用性，成本和每个设备的其他因素，并选择适合该产品指数的组件。第3章 系统总体设计主控机负责控制指令的发送，各检测单元，控制，采集温度，采集测量数据，

13、同时组织显示测量结果8。包括单片机，复位电路，照度检测，键盘与显示，报警电路，系统软件等部件设计. 系统框图如图3-1：图3-1 系统框图3.1信号采集3.1.1光照传感器1TSL2561介绍TSL2561运转快、范围广，可以将光强度转化为数字显示。其范围是1700001x。可以对光强上下部的报警阈值进行编程。当光强超过阈值范围时，中断信号被赋予引脚。特点如下：（1）可以编程上阈值和下阈值所允许的光强度，超过可以中断信号。（2）模拟增益和数字输出时间的可编程控制；（3）1.25毫米1.75毫米超小型封装，功率消耗仅是0.75毫瓦处于低功率模式。2TSL2561引脚及封装该TSL2561两种封装

14、可供选择：6LEAD芯片级和6LEADTMB。不同的包具有用于对应的照度不同的计算公式。图3-2显示了这两个包的引脚。图3-2 TSL2561封装各脚的功能如下：引脚1和引脚3：功率引脚和信号接地。它的工作电压范围是2.7V-3.5V。引脚2：设备访问地址选择引脚。由于不同的水平此销的，该装置具有3个不同的访问地址。存取地址和级别之间的对应关系如表3-1所示。表3-1 器件访问地址和引脚2电平的对应关系引脚5：中断信号输出引脚。3TSL2561的简介TSL2561是光强度的二代传感器。结构如图3-3所示，通道0和通道1的两个光电二极管，其中信道0是既可见光和红外光敏感的，而信道1是对红外光敏感

15、只。积分A/d转换器12集成了流过光电二极管的电流，并将其转换为数字量的电流。转换完成后，转换结果存储在信道0和信道芯片1的各自寄存器中。当积分周期完成时，积分A/D转换器将自动启动下一个积分转换过程。可以通过标准SMBus（系统管理总线）V1.1或V2.0实现，并可以通过I2C总线协议访问TSL2561。其地址列于表3-2。图3-3 TSL2561内部结构图表3-2 TSL2561 内部寄存器地址及作用4硬件设计图3-4 微控制器和TSL2561的硬件连接图3-5串口通讯电路串口通讯电路通常是以MAX3233作为核心，具有二路接收器和二路驱动器，提供1UA关断模式，有效降低功效并延迟便携式产

16、品的电池使用寿命。可以发出+10V和-10V的电压V+,V-,功耗低。由于它集成度高所以它的外部最低只要接4个电容就可以工作。如图3-5所示。3-6 软件流程图5软件设计通过PFC总线协议14编写数据时，首先发送设备地址，然后由要写入的数据发送。命令代码指定的地址00h0fh，下一写寄存器和写寄存器，在字节，字或块（数（字）作为用于写入的单元的方式；在结束时，将要写入的数据被发送。根据前面的命令码，写寄存器中的方式，可以连续地发送。TSL2561的软件设计流程示于图3-6。3.2信号分析和处理该系统STC89C52命令代码与8051的单芯片微型计算机完全兼容，可以选择12个时钟/机器周期或6个

17、时钟/机器周期。 在该系统中，选择STC 89C 52微计算机作为系统的整体控制芯片。STC89C52单芯片可通过为LED显示模块提供光强度检测电路，从信号数据中检测光。通过键盘值设定报警，超过光强度的上限和下限，蜂鸣器实现报警15。3.2.1单片机最小系统单片机系统的扩展是基于基本的最小系统，所以应用系统的结构16首先要熟悉。单片机的最小系统包括晶体振荡电路和复位电路。该电路图示于图3-7。图3-7 单片机最小系统1.复位电路复位的单芯片微型计算机的原理，时钟电路超过24个时钟振荡脉冲的高电平（即，两个机器周期）被施加到单芯片微型计算机的RST销，和单片机可以复位。在复位期间。在实际应用中，

18、可手动复位或通过上电复位电路，一般使用，从而使单芯片微计算机系统可以被手动复位。电路如图3-8的复位部分所示。电源对复位电路的原理也是RC电路充放电的影响。开关按下时，VCC通过高电阻连接到RST引脚上。使RST-高电平，和密钥被释放时，RST引脚变为低电平时17，复位完成。电路逻辑图3-8所示。图3-8复位信号的电路2.晶体振荡器电路时钟电路用来产生单片机正常工作所需的时钟信号。此外，外部振荡器也可以用于内部CPU的操作，使用外部振荡器产生的时钟信号。 （1）内部时钟模式 内部时钟模式是使用微控制器的内部振荡器的工作模式。如图3-14(A)所示，51系列微控制器包含高增益单级逆放大器。引脚X

19、TA L1和XTA L2分别是片上放大器的输入和输出端口，其工作频率为033兆赫。 当微控制器在内部时钟模式下工作时，只需要连接一个晶体或陶瓷振荡器XTA L1引脚和XTA L2引脚，并联接两个电容器。 为了保证外部振荡器和电容器在实际电路设计中尽可能接近微控制器，使外部振荡器和电容器作为XTAL1和XTAL2引脚，从而降低寄生电容的影响，使振荡器提供时钟信号微控制器CPU稳定可靠18。（2）外部时钟模式外部时钟模式使用外部振荡器产生的时钟信号，该时钟信号直接提供给微控制器。如图3-9(b)所示，对于不同类型的微控制器，外部时钟信号访问方法是不同的。当外部时钟信号直接发送到连接到XTA L2引

20、脚的微控制器的内部时钟信号发生器用于普通8051微控制器后，引脚XTA L1接地。从反放大器的输入端取出内部时钟信号与普通8051不同。因此，外部时钟信号应被连接到微控制器的XTAL1销，并且可以离开XTAL2销浮动。图3-9根据实际应用，我们选择了两个陶瓷电容器的内部时钟电路、频率为12.000的外部晶体振荡器和30pF的电容器。3.2.2 STC89C52管脚描述单片机采用双线直接DIP结构封装19在40针内。它们的引脚配置如图3-10所示。在40个引脚之间，有两个正电源和地线，两个外部石英振荡器的时钟线，4个8位的32I/O端口和P3线用于中断线复用。图3103.3人机交互3.3.1显示

21、模块显示作为输出部件可直接显示系统的操作的结果和状态信息为操作者了解该系统的操作条件和程序的执行结果。使用LCD12864显示在该设计的照明的实时信息。引脚描述如表3-5。表3-5 12864 引脚说明到MCU的连接在图3-11中示出图3-113.3.2报警电路只有进入电流低时三极管就会运行，约接收的电压 在5v左右，就会发出警报声。当电流高时，蜂鸣器自动断开，如下图所示。图3-12三极管驱动的蜂鸣器报警电路3.4小结本章本章主要介绍了系统的整体设计。信号采集部分介绍光照强度传感器，并与微控制器各自的硬件连接的工作原理。如何连接它们取决于程序进行操作。单片微机处理中按照要求所收集的信号，实现了

22、设计功能。在LCD屏幕还显示通过在同一时间的单芯片微型计算机检测到的数据，使用户能够实时了解所需信息。第4章 软件设计4.1主程序流程图 图4-1 主程序框图系统的控制核心为单片机STC89C52，其工作过程为：系统上电后，单片机STC89C52进入监控状态，同时完成各扩展端口的初始化。如图4-2。当没有外部控制信息输入时，系统自动采集光学传感器数据，并在LCD display和蜂鸣器报警中显示所获得的数据。图4-2 系统工作过程 对此我们画了原理图及仿真图以便更直观的观察以及记录其数值，如下所示 光照传感器是一种传感器，用于检测光照强度，其原理是将光照强度值转化为电压值。在此上面详细的记录了

23、当时的光照强度以及时间。更加直观的用数值显示出来，让人们一目了然。4.2本章小结本章主要介绍软件设计流程。程序流程图是对问题的方法、思想或算法的描述。流程图包括系统主程序流程图，流程图，湿度测量流程图，测量照明流程。键盘扫描流程图。总结与展望这种设计综合运用传感器技术，单片机技术，数字电子技术，和LCD显示器的科学知识，完成温度，湿度，光的强度和显示设备基于单芯片微型计算机的设计。系统软件是使用单片C语言设计的。 1.传感器技术应用于单芯片微型计算机控制系统，实现了数据收集和光强度的读取。 2.使用液晶屏技术完成农田环境光强度和显示电路的设计。 3.蜂鸣器警报模块连接到外部，超出了报警时自动设

24、置的温度和湿度限制。4.软件和整个系统的硬件是合理的，而且设计，开发和维护都方便，性价比高。本文介绍了系统的设计，具有一定的实用性，但系统在设计过程中仍然存在许多漏洞。还需要智力的提高21。特别是在节省功耗和提高稳定性方面。然而，该产品具有良好的可扩展性。例如，该设备的测量不仅可以在本地显示，而且可以使用微控制器收集的数据和RS-485总线通信协议的串口传输到主机上。主控制机负责控制指令，以控制温度，湿度，和每个从属，收集测量数据的照明，并组织，显示和存储测量结果（包括历史数据）的发送。主设备和从设备也可以相互连接和协调，从而达到系统效果的整体统一和和谐。参考文献1朱顺兰，王雪萍.光照强度传感

25、器及其变送电路设计与实现.J.中国电子商务.2009(12)2姜连祥，汪小燕.基于光强传感器TSL256x的感测系统设计.J.单片机与嵌入式系统应用2006(12)3彭秋红，沈占彬.基于单片机温度控制系统的硬件设计. J.机电产品开发与创新.2010(5)4包长春环境参数监测与报警设备的设计与实现:硕士学位论文北京:北京工业大学20095洪新华，陈建锋，霍鹏飞.基于单片机的步进电机控制系统的设计.J.湛江师范学院学报2010(6)6胡汉才.单片机原理及接口技术.北京:清华大学出版社.2004.63647李建昌，卢红星，宫兴，陈超超.-种基于AT89C52单片机的智能报警逃生门锁系统.J.消防科学与技术.2011(1).8邹杨，储健.农田环境下温度、湿度及光照度的检测J.农业科技与装备，2008-06(3):46-48.9白泽生，白宗文.- 种简易光照度检测电路的设计J.现代电子技术，2006(11):91-92.10王艳辉，姬晓飞，钱绕金.温室光照度控制系统J.计算机系统应用，2014,23(11):67-70.11 王莹莹，徐玉珍，洪耀，等.光照度检测仪的设计J.电子测试，2012-05(5): 70-72.12张德宁，袁洪波，李丽华.基于STC89C52和TSL2561的鸡舍光照测控系统J.农机化研究，201 1-06(6):149-152.