基于单片机的蔬菜大棚温度采集装置的设计

题目基于单片机的蔬菜大棚温度采集装置的设计摘要农业的生产当中经常要用到的基本的参数中就有温度，这一参数对农作物的品质与产量会产生很大程度的影响。随工农业现代化技术的不断发展，温度作为其中重要的角色，越来越引起人们的注意，而温度如果有一定的偏差，就会影响工农业在生产时产品的质量。本次设计方案采用的是把单片机、计算机技术以及传感器三者结合到一起从而设计得出一套完整的现代化温室大棚所需要的温度数据的采集装置。本装置采用了以单片机进行控制，经过DS18B20网络温度传感器将现场的温度变换成数字信号后，再传送到单片机中进行实时的数据采集。而现场温度的采集结果将通过LCD1602液晶显示出来。单片机中的温度采集结果最后经由专用的MAX232芯片进行单片机与PC机两者之间的一个电平转换电路传输到PC端的后台中，方便相关人员对数据的后续处理操作等。本文主要从以下几个方面进行叙述：首先是设计概括出本装置大致方向，选择与本次装置要求相符合的传感器。根据选择的传感器设计硬件与软件。其次是数据的采集，包括温度的数字控制。本装置可以及时的对现场环境中的温度进行采集且起到实时监测的效果，并且还可以将之前的数据进行保留处理，方便人们及时查看与数据对比，此外设计了显示模块，通过使用图形的方式更加直观显示参数，实现了智能化远程监测温湿度的思想。关键词：单片机；温室大棚；温度采集；温度传感器AbstractOneofthebasicparametersoftenusedinagriculturalproductionistemperature,whichhasagreatinfluenceonthequalityandyieldofcrops.Withthecontinuousdevelopmentofmoderntechnologyinindustryandagriculture,temperature,asanimportantroleamongthem,hasattractedmoreandmorepeople'sattention.Ifthereisacertaindeviationintemperature,itwillaffectthequalityofindustrialandagriculturalproductsduringproduction.Thisdesignplanusesthecombinationofsingle-chipmicrocomputer,computertechnologyandsensorstodesignacompletesetoftemperaturedatacollectiondevicesrequiredbymoderngreenhouses.Thisdeviceiscontrolledbyasingle-chipmicrocomputer.ThetemperatureofthesceneisconvertedintoadigitalsignalthroughtheDS18B20networktemperaturesensor,andthentransmittedtothesingle-chipmicrocomputerforreal-timedatacollection.Theresultsoftheon-sitetemperaturecollectionwillbedisplayedthroughLCD1602.Thetemperaturecollectionresultsinthesingle-chipmicrocomputerarefinallytransmittedtothebackgroundofthePCviaalevelconversioncircuitbetweenthesingle-chipmicrocomputerandthePCviaadedicatedMAX232chip,whichfacilitatesthesubsequentprocessingoperationsofthedatabyrelatedpersonnel.Thisarticlemainlydescribesfromthefollowingaspects:First,thedesignoutlinesthegeneraldirectionofthedevice,andselectsthesensorthatmeetstherequirementsofthedevice.Designhardwareandsoftwareaccordingtotheselectedsensor.Thesecondisdatacollection,includingdigitalcontroloftemperature.Thisdevicecancollectthetemperatureinthefieldenvironmentintimeandachievetheeffectofreal-timemonitoring,andcanalsoretainthepreviousdata,whichisconvenientforpeopletoviewandcomparethedataintime.Inaddition,adisplaymoduleisdesigned.Themethoddisplaystheparametersmoreintuitivelyandrealizestheideaofintelligentremotemonitoringoftemperatureandhumidity.Keywords：MCU；Greenhouse；Temperaturecollection；TemperatureSensor目录TOC\o"1-3"\h\u1.绪论 51.1研究背景与意义 51.2国内外研究现状 62.硬件部分设计 72.1总体设计 72.2硬件选型 72.2.1主控制器 72.2.2温度传感器 92.2.3液晶显示器 92.2.4串口通信 102.3系统连接图 103.软件部分设计 123.1主程序模块设计 123.2温度采集 13参考文献 141.绪论1.1研究背景与意义我国一直对农业生产都是极为重视的，每一年政府都会给很多的农业产业提供补助，但到目前为止，农业这一块还是存在着很多的问题。目前农业上具体表现出的问题有如下几个方面：首先是中国的人口众多；再则是我国国内的资源十分匮乏；还有就是我国的农业生产耗费的资金十分高而技术却不见得十分好，还缺乏比较大规模类型的工业企业。想要解决这几个难题，关键就在于要让中国的传统落后的农业发生改变，使其变为现代化的科学技术类型的农业。如果能实现这个，粮食的安全性就能得到很好的保障，且农业生产的质量、效率以及产量都能得到提高。通过运用设备齐全的可以实现农业高生产力以及高质量的技术来精准把控农业生产的整个过程，将十分有利于加快我国农业向现代化转变的进程。作为农业生产里常见到的基本参数，湿度与温度会对农作物的品质以及产量产生很大程度的影响。基于现代科学的快速发展以及计算机技术的爆发式推进，这两者在提升农业的生产力上表现出了重要的作用。我们可以借助单片机程序，设计系统来精准的把控湿度与温度，做到温度和湿度动态的存储、显示以及监测。这是一种可以满足国内产品的质量、生产的体系以及节能方面的标准的温度控制采集系统。而此次的设计就是要把计算机技术、传感器以及单片机等技术结合在一起从而设计制造出一套完整的符合现代化温室大棚的温度和湿度采集的装置。因为美国的计算机技术的迅猛发展，这同时也带动了以计算机为核心部分的温室环境控制技术。综上所述，可得知，国外的温室控制技术是以美国的技术最为先进的。温室大棚的内部控制项目包含对土壤及整个室内的温度、二氧化碳的浓度、酸碱度以及通风口的状况等的控制；外部控制则包含对大气的湿度、光照的强度以及风向和风速等的控制。通过使用温室系统，农业的生产和发展能到非常大的帮助，效率也会得到提高，还能做到在减低劳动量的同时得到更加多的、质量更加好的产品。上世纪八十年代的时候荷兰这个国家就已经着手于通过计算机自主控制温室的系统的研究开发，且一直都在研究和模拟控制软件。这个系统可以通过一个交互式的界面传达出一些必要的信息，从而设置好参数并且绘制出具体的曲线，还能直接从设定好的时间数据库里调用测量数据曲线以及修正值曲线。使用这个系统能够以一种非常便捷的方式直接对计算机串行端口的数据进行查询，还能实现上下位机彼此间的信息沟通。除此之外，它还具备控制和显示信息、设置参数设置、监控温室环境以及对数据做出调整等众多功能。1.2国内外研究现状我国的温室栽培技术最早可以追溯到2000多年以前，当时人们就可以对一些植物进行恰当的保护措施。上个世纪，中国的温室主要是塑料温室和太阳能温室。这些温室属于传统的温室，具有操作方便、性价比高的优点。随着这些温室的普及应用，它们的缺陷也逐渐浮现了出来。由于设备的温湿度控制能力差，这就导致了农作物产量和质量的极度降低。若是碰上极端的天气情况还有颗粒无收的可能发生。经过了两个阶段的改进，新的太阳能温室和现代温室发展成为现代温室。然而，由于各地区所处地理环境不同风俗习惯不同造成了生产情况、经济的极大差异化，导致不一样的温室大棚依旧并存着。综上所述，我国的温室大棚监测正处于从简单应用到全面应用的过渡发展阶段，从而更好的辅助农业发展。现如今美、英等发达国家的温湿度采集技术已将相当成熟，他们不仅运用计算机采集温湿度同时可以进行温湿度、光照等作物生长环境的控制并形成了标准的系统若是把计算机技术应用到温室大棚的监测中，不仅能使得温室大棚监测性能得到提升，还能够提高员工的劳动效率，同时能兼顾作物产量的提升，增加更多的收益。但我国依旧处在温室产业的发展阶段，迫切的需要像是局域网络技术、远程控制技术，以及对当前的温室控制遥感技术等高端技术应用到实际生活中去。若可以将上述的高端技术都集中运用到温室系统中的话，就能达到用户远程监控的效果。这样，不论是在不同的地方或者多远的距离，都可以实时看到所监测地方的采集数据了。2.硬件部分设计2.1总体设计该装置设计收集环境温度和湿度相关的作物生长发育的功能，并实现了在温室中的不同地点及位置的温湿度不间断采集任务。该传感器担任着搜集温室中的温湿度，收集完成后会将信号转换成0-5伏的电压信号，可以给单片机使用。装置主控制芯片是STC89C52单芯片微型计算机。温度收集的信号被发送到通过传感器的单芯片微型计算机。单片机接受信号并进行处理，处理完成后将所得结果发送到与之连接的显示屏和计算机，由此实时显示出温度。2.2硬件选型2.2.1主控制器微控制器ST089C52具有以下特征:①性能高、稳定性高、功耗低；②强加密性，且具有超强的抗干扰性能；③STC89C52微型控制器的最大时钟频率是0~80兆赫。具有多达32个I/O口，它适合于要更多的I/0。16K字节EPROM可以比其它微控制器易提供更大的存储空间，不须要依靠任何刻录机，可直接经过计算机上的串行端口在ISP模式进行刻录。它不受城市、时间和环境，该计划是灵活的、易于修改，可用于未来的产品。容易更新。本系统只需采用一台单片机就可对温度湿度进行多次测量，不但如此，单片机还可以对测量的温湿度进行优化。此外，主控制器还可以全面测量系统的参数，储存数据，和诸如与主计算机的通信功能。图1示出了在一个此单片机40管脚封装在现实生活中的排列图。它是由STC89C528位单芯片微型计算机实现。单片微型计算机的尺寸小、可靠性高、简单的硬件实现，简单的安装，灵活性和简单的编程。不同的逻辑控制和算术控制可以通过编程实现，并可以与微型计算机连接，也可以对不同的传感器直接进行工作。建立一个分布式的结构，由微型计算机即主计算机和多个下一级的机器，即单片微机，使用单一总线结构，以形成阶段多点测量巡逻温度分布检测系统。图1主电源引脚：VCC：电源输入，接+5V电源GND)：接地线外接晶振引脚：XTAL1：片内振荡电路的输入端XTAL2：片内振荡电路的输出端控制引脚：RST/VPP：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG：地址锁存允许信号PSEN：外部存储器读选通信号EA/VPP：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。可编程输入/输出引脚：STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位，共32根。图2图2芯片引脚图PO口：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7图2图2芯片引脚图P1口：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7P2口：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7P3口：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.72.2.2温度传感器本装置欲利用DS18B20网络温度传感器。该传感器有抗衰性能强、操作方便、体积较小、质量轻等若干优点。它适用于控制各种狭窄的空间仪器以及数码化的温度测量中。该系统能够进行灵活设计，方便且抗干扰。该传感器还能够轻易的创建出具有单一总线功能的传感器网络。多个DS18B20还能够连接到地址总线与单片机进行通信，用于实现多点的温度采集。不论是在何种复杂与恶劣的环境中，该传感器都能表现出良好的性能，实现实时温度的监控。图2为温度采集电路。图22.2.3液晶显示器从方便快捷的想法出发，增加一个显示器后，能够让使用者更加直观且印象深刻的得知采集到的数据。因此，本装置增加一个给使用者提示而设置的显示电路。为了兼顾到显示电路的直观性与可读性，且为了能让使用者更加便捷的使用、温度显示、保存温度数据等操作，LCD102液晶显示屏可满足本装置的上述要求。液晶显示器（LCD）具有体积小、超薄、功耗低、重量小等很多显示器无法与之相比的优点，被广泛应用在低功耗和医疗仪器的电子产品中。图3为LCD显示模块。图32.2.4串口通信单片机有一个全双工的串行通信口，所以单片机和PC机之间可以方便的进行串口通信。进行串行通信时要满足一定的条件。通常采用专用的MAX232芯片进行单片机与PC机两者之间的一个电平转换电路。图4为TTL与RS-232双向电平转换电路。图42.3系统连接图系统整体电路图如图5所示。图53.软件部分设计MCU温度和湿度采集系统的整体功能在程序控制下完成，此方案还使用模块化设计结构，本装置的软件符合硬件设计的概念。MCU温度和湿度远程监测系统软件和计算机系统的一般操作设计和测试,通过主程序、中断处理程序设计思想相对应。软件部分将会将其分块化，将其分成不同的部分，然后再分步将各个部分完成，这样不但利于链接与调试，而且一旦发生故障工作人员也便于修改。温室气体温度和湿度系统的测控软件主要与硬件系统相关联，以便于补充系统环境的实时采样和参数处理。图6为MCU设计流程图。图63.1主程序模块设计在该装置中最为关键的步骤就是主要程序模块的设计和实施，其主要职能是处理各种数据和进行系统自我测试，以实现系统的初始化。该系统最为主要的和基本的系统就输主程序：它是一个分枝很多并且循环程序是无限不间断的，顺序执行。在子程序内系统会对采集的每一个参数进行测试和控制每个参数的测试和控制在子程序内进行。本装置需要作出主程序框架，再将调用的子程序嵌入到其中。但是在编写主程序时一定要消除I/O口的不协调以及寄存器存在的冲突，值得注意的是分配寄存器地址时一定要作出合理的安排。在使用程序时要避免过多的传输指令，并且尽可能的把跳转指令用调用代替，这是由于不同的跳转指令在区块有着复杂的关系，稍有不慎就会使程序无法进行，这样并不利于软件的开发。由于指令的不同将会使每一个程序的模块更加清晰，使操作者和开发者更加方便修改和维护系统。此外，功能块以子程序模块的形式写入。除了方便调用之外，如果稍后要使用软件扩展或程序升级，还可以直接调用单元功能模块，这也是一个好处。3.2温度采集DS18B20最大特征是它独特的单总线结构。单芯片STC89C52刚开始向总线发送复位脉冲控制，让信号线的全部DS18B20芯片复位，接着向DS18B20发送ROM命令。由于每个DS18B20的序号的只读存储器ROM是不同的，序列号码相匹的DS18B20被激活到接收存储器访问命令的状态。通过这种形式DS18B20就可以完成已经设定好的工作。参考文献[1]王敏，温室大棚温湿度、二氧化碳测控系统的研究[D].西安:西安理工大学.2007.3[2]蔡方凯，单片机原理及基于单片机的嵌入式系统设计[M].北京:中国水利出版社.2007.4[3]高智富，温室环境控制技术的现状及发展趋势[J]中国市场.2007[4]鲍可进，SOC单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社2011.01[5]黄英主，单片机工程应用技术[M.上海复旦大学出版社.2011.03.[6]肖明明，电子信息类专业实践教程[MJ.广东北京中山