毕业论文（设计）：基于单片机无土栽培智能测控系统的设计08770

1、1 绪论1.1 问题的提出当今社会科技正以前所未有的速度发展，要实现农业现代化必须大力发展电子产业、信息产业。我设计的这个系统，就是对所学知识的应用，探索怎样自动化管理工厂。今天，我们的生活有越来越多的单片机系统在为我们服务。家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化已成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现。该项目成本低、可靠性高、适用性强，它能给予我们更舒适方便的现代化管理。它能实现远程测控，以前要测量并控制作物生长环境的温度、湿度、光照、ph值等必须由人亲自去测控，这样既费人力、财力又费时间。现在不需要专门跑到目的地实测温度、湿度、光照、ph值，就能远程测量并控制。1.2 课

2、题的研究意义 无土栽培技术与常规土壤有许多优点： 产量高、品质好 节约水分和养分 清洁卫生 省力省工、易于管理 避免土壤连作障碍 不受地区限制、充分利用空间 有利于实现农业现代无土栽培由于不用土壤，所以扩大了植物的种植范围，沙漠、石山等不毛之地，窗台、阳台、屋顶等处皆可栽培。如屋顶进行无土栽培，夏天也可使室温度降低2-3度。 土壤栽培由于水分流失多，故水分消耗量要比无土栽培大7倍左右，且氮、磷、钾、等养分也易被土壤固定，据估计一般养分的损失达一半以上，而无土栽培损失很少，尤其是封闭式栽培，几乎没有损失。无土栽培花卉，无杂草，无病虫，清洁卫生，便于运输、销售，也是室内陈设布置的佳品，由于离开了土

3、壤，所以可大大减少劳动量。2 系统概述2.1 系统的功能要求 能够采集空气温湿度、光照和培养液ph值并将数据通过nrf905无线传输到终端，并用lcd12864液晶屏显示。 通过按键远程控制继电器的开闭，从而就控制了相应的设备。 能够在远端pc机上通过组态控制继电器。2.2 系统的组成该系统的组成模块包括：单片机最小系统模块、传感器信号采集模块、a/d转换模块、液晶显示模块、继电器控制模块、nrf905无线传输模块等。系统模块的组成框图如图1所示。图1 系统的组成框图3 方案的比较和论证3.1 所采集信号的传输方式的选择无土栽培环境信息的采集与传输技术以及远程监控需要运用现代通信手段来实现。按

4、通信技术传输介质的不同可分为有线和无线两种方式。方案一:有线通信方式具有设备互操作性强、系统可靠性高、抗干扰能力强等优点。而温室环境湿度高、酸性大、光照强会导致线缆的老化，降低系统的可靠性。此外传感器与执行机构数量多且分散，导致线缆纵横交错，作物变更时需重新布置,导致系统安装与维护成本增加。方案二:无线通信方式以组网灵活无需布线等优点在温室局域范围内采用,将各种检测装置、执行机构以及控制器连接起来,实现对温室环境等各项参数的自动检测和控制,应用在环境恶劣的条件下将是非常有意义的。经方案比较，本设计采用方案二。3.2 模数转换的方案选择方案一：采用8位ad转换芯片pcf8591实现模数转换。pc

5、f8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit cmos数据获取器件。pcf8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行i2c总线接口。pcf8591的3个地址引脚a0, a1和a2可用于硬件地址编程，允许在同个i2c总线上接入8个pcf8591器件，而无需额外的硬件。在pcf8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向i2c总线以串行的方式进行传输。pcf8591有16条引脚。方案二：采用8位ad转换芯片adc0831实现模数转换。adc0831是美国国家半导体公司生产的cmos工艺1通道，8位逐次逼近式a/d模数转换器。其内部只有一个通道。仅需较少的引脚。考虑到

6、51单片机引脚有限，经比较设计采用方案二。3.3 控制电路的方案选择方案一：直接控制各增减设备。安全显然得不到保障且不易控制。方案二：用继电器控制各增减设备。本设计所采用的是5v电磁继电器，而控制设备所用电压可达到220v。如果用5v继电器驱动220v的控制设备，设计简单安全。从可行性和安全性考虑，本设计采用方案二。4 单片机系统硬件设计4.1 单片机最小系统 stc89c52是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有 8k 在系统可编程flash 存储器512字节ram， 32 位i/o口线，看门狗定时器，内置4kb eeprom，max810复位电路，三个16 位定时器/计数器，一个6

7、向量2级中断结构，全双工串行口。 stc89c52引脚说明如下。 主电源引脚vss（接地）和vcc（+5v）。 外接晶振引脚xtal1和xtal2。 控制或与其它电源复用引脚rst、ale/prog 和ea/vpp。 输入/输出引脚p0.0 - p0.7、p1.0 - p1.7、p2.0 - p2.7、p3.0 - p3.7。stc89c52单片机最小系统如图2所示。图2 stc89c52单片机最小系统4.1.1 复位电路为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5v5%，即4.755.25v。由于微机电路是时

8、序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当vcc超过4.75v低于5.25v以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。本设计采用的是手动按钮复位，手动按钮复位需要人为在复位输入端rst上加入高电平。一般采用的办法是在rst端和正电源vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则vcc的+5v电平就会直接加到rst端。手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。 单片机复位电路图如图3所示。 图3 单片机复位电路4.1.2 晶振电路单片机系统里都有晶振，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，

9、单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。单片机晶振电路图如图4所示。 图4 单片机晶振电路4.2 传感器信号采集电路4.2.1 ds18b20温度采集电路 dallas 半导体公司的数字化温度传感器ds1820是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。ds18b20也 支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -

10、55c到125c，在-10到85c范围内,精度为0.5c。ds1822的精度较差为 2c 。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量。ds18b20可以程序设定9到12位的分辨率，精度为0.5c。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在eeprom中，掉电后依然保存。ds18b20的应用电路图和实物图如图5所示。 图5 ds18b20的应用电路图和实物图4.2.2 空气湿度采集电路本设计采集空气湿度利用的是adc0831实现湿敏电阻的模数转换。湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分导致电阻值发生变化这

11、一原理制成的。温湿电阻是一种采用新型湿度敏感元件，具有感湿范围宽，响应迅速，抗污染能力强，无需加热清洗及长期使用性能稳定可靠等诸多特点。 湿敏电阻的电器阻抗r（k）如图6所示。图6 湿敏电阻电气阻抗 空气湿度采集电路图和湿敏电阻电阻实物图如图7所示。 图7 土壤湿度采集电路图和湿敏电阻实物图4.2.3 光照采集电路 本设计采集光照强度采用的是利用adc0831实现光敏电阻的模数转换。光敏电阻受光照后，其阻值会变小。用来制作光敏电阻的典型材料有硫化镉（cds)及硒化镉（cdse）两种。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，有阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用

12、下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻的电器阻抗r如图8所示。 图8 光敏电阻电气阻抗 光照强度采集电路图和光敏电阻实物图如图9所示。 图9 光照强度采集电路图和光敏电阻实物图4.2.4 ph采集电路本设计利用adc0831实现ph的模数转换。其ph电极主要技术参数如表1所示。表1 ph电极电气阻抗型号测量范围温度范围零点ph值e-201-c0-14ph0-80度70.25 ph强度采集电路图和ph电极实物图如图10所示。

13、 图10 ph强度采集电路图和ph电极实物图4.3 lcd12864液晶显示电路lcd12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ascii字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵

14、的图形液晶模块。表2 lcd12864的引脚功能管脚号管脚名称电平管脚功能描述1vss0v电源地2vcc3.0+5v电源正3v0-对比度（亮度）调整4rs(cs）h/lrs=“h”,表示db7db0为显示数据rs=“l”,表示db7db0为显示指令数据5r/w(sid)h/lr/w=“h”,e=“h”,数据被读到db7db0r/w=“l”,e=“hl”, db7db0的数据被写到ir或dr6e(sclk)h/l使能信号7-14db0h/l三态数据线15psbh/lh：8位或4位并口方式，l：串口方式16nc-空脚17/reseth/l复位端，低电平有效18vout-lcd驱动电压输出端19av

15、dd背光源正端（+5v）20kvss背光源负端本设计中lcd12864的电路原理图如图11所示。图11 lcd12864显示电路4.4 继电器控制电路继电器是一种电控制器件。它具有控制系统和被控制系统之间的互动关系，通常应用与自动化控制电路中。它实际上是用小电流去控制大电流动作的一种“自动开关”，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，继电器使被控制的输出电路导通或断开。继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。本设计运用的继电器为电磁继电器。电磁继电器工作原理如图1

16、2所示。 图12 电磁继电器工作原理 电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。本设计中电磁继电器的控制电路如图13所示。 图13 电磁继电器控制电路 利用三极管饱和导通和截止的的特性就可以实现接通和断

17、开的功能，但由于它的带载功率有限，所以需配继电器扩流，并且可以扩充触点的数量。该电路q1是pnp三极管，所以采用集电极接低电平方式输出，r1为上拉电阻，当基极没有输入脉冲或电压时，基极为高电平，因为这是反极性三极管，所以平时是截止的，只有基极输入低电平，降低基极电压，这时三极管导通，继电器线圈得电吸合，原常闭触点断开，常开触点吸合，完成设备的接通与断开功能。图中in1二极管反向接在线圈两端，是保护线圈不受反峰电压的冲击，对继电器起到保护作用。4.5 串口通信模块4.5.1 rs-232串口rs-232也称标准串口，是最常用的一种串行通讯接口。它是在1970年由美国电子工业协会（eia）联合贝尔

18、系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（dte）和数据通讯设备（dce）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。传统的rs-232-c接口标准有22根线，采用标准25芯d型插头座（db25），后来使用简化为9芯d型插座（db9）。rs-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。由于其发送电平与接收电平的差仅为2v至3v左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约15米，最高速率为20kb/s。rs-232是为点对点（即只用一对收、发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为37k。所以rs-232适合本地设备之间的通信。

19、rs-232引脚如图14所示。图14 rs-232引脚4.6.2 max232芯片max232芯片是美信公司专门为电脑的rs-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。max232的引脚说明如下：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给rs-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（r1in）、12脚（r1out）、11脚（t1in）、14脚（t1out）为第一数据通道。8脚（r2in）、9脚（r2out）、10脚（t2in）、7

20、脚（t2out）为第二数据通道。 第三部分是供电。15脚gnd、16脚vcc（+5v）。4.5.2 串口通信电路本设计单片机和pc机的串口通信电路如图15所示。 图15 单片机和pc机的串口通信电路4.6 nrf905无线传输模块 nrf905是工作于433/868/915mhz三个ism(工业、科学和医学)频道的单片射频收发器，它由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成， shockbursttm工作模式，自动处理字头和crc(循环冗余码校验)，使用spi接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dbm的输出功率发射时电流只有11ma，工作于接收模式时

21、的电流为12.5ma，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。 nrf905无线模块引脚说明如下： vcc：电源（+3.33.6v） tx_en：工作模式选择 trx_ce：使能芯片发射或接收 pwr_up：芯片上电 uclk：时钟输出 (未使用) cd：载波检测 am：地址匹配 dr：接收或发射数据完成 miso：spi输出 待添加的隐藏文字内容1 mosi：spi输入 csn：spi使能 sck：spi时钟 gnd：接地nrf905无线传输模块电路如图16所示。 图16 nrf905无线传输模块电路4.7 3.3v电源设计本设计中nrf905无线传输模块的安全使用电压范围为+3.33.6v，

22、因此设计中采用ams1117稳压三极管将5v电压降为3.3v。ams1117稳压电路如图17所示。图17 ams1117稳压电路5 系统软件设计5.1 ds18b20温度采集子程序流程图 dbs18b20温度采集子程序流程图如图18所示。设定端口为输出设定端口为低电平寄存器右移1位设定端口为读入方式，读取ds18b20引脚，时间15us跳8位？跳出循环noyes图18 bs18b20温度采集子程序流程图5.2 nrf905无线模块收发流程图 nrf905无线模块发送流程图如图19所示。图19 nrf905无线模块发送流程图nrf905无线模块接收流程图如图20所示。 图20 nrf905无线模

23、块接收流程图6 fameview组态软件设计6.1 fameview组态软件简介fameview组态软件系统是北京杰控公司集多年plc工程应用、开发和服务经验,基于windows nt 、windows 2000/xp操作平台,独立研制开发的纯32位、高档次的软件,其运行稳定、速度快、简单易用、功能强大、扩展性好,能为用户提供经济完善的工业自动化监控解决方案;已经被成功应用于冶金、机场、化工、电力、配电、环保、筑路、核辐照、烟草、啤酒、铁路、煤炭、楼宇、水处理、锅炉、码头输送等各个行业,经实践证实适合所有的大中小型自动化项目应用;一直把可编程控制器(plc)作为适用对象,定位于自动化应用的中高

24、端,专门设计了设备数据表,能对数据进行批量处理,多线程同时处理多个通讯设备,通讯速度和稳定性倍高。除提供通讯、运行数据库、画面、报警、历史数据等功能外,还提供了实用的数据库连接、数据配方、数据转发服务、各种报表、双机冗余、变量组、全局变量等增强功能,会发现许多棘手的问题,总能迎刃而解;串口转以太网转换器,具有以下功能：同时提供了rs232和rs485接口，有两种工作模式： modbus rtu到modbus tcp模式，专门为此模式在此工作模式下，可以支持2台 modbustcp主站同时访问，即可以支持同时连接2台上位机；透明通道数据传输模式， 应用在非modbus协议的情况下；设置简单，可通

25、过超级终端使用串口或以太网设置、 也可使用telnet通过以太网设置；设置内容包括ip地址、串口参数、工作模式等； 支持24vdc电源冗余，可接入2路24vdc电源，实现电源冗余。6.2 fameview组态特点 fameview软件最适合工业plc应用。 面向设备数据表的监控。 真正的vbscript编译脚本（高级用户自由编程）。 灵活简单的数据存储、报表和数据分析（制作报表方便）。 具有特色的画面编程技术（漫游、透明位图、静态图形转位图等）。 集成灵活的可扩展功能块（ca块、fb块）。 集成gsm手机短信、gprs、cdma、宽带、adsl数据处理和报警。 网络服务器、串口服务器、adsl

26、动态ip服务器、短信数据服务。 通讯速度快、画面刷新快（每幅画面上百个位图）。 灵活的用户管理（级别可到按钮）。 集成视频监控、远程调试、web功能。 oem定制（为行业定制、vc二次开发）。6.3 fameview组态性能指标设备通讯 画面显示变量报警 网络服务器 串口服务器6.4 fameview组态软件设计步骤安装驱动程序。定制系统选择所需功能。设置系统启动选项。选择启动系统任务。制定设备数据表。设定模拟只读变量。设定模拟致只写变量。7 系统调试7.1 硬件调试 液晶显示的调试 焊接好硬件电路，烧写lcd12864显示程序，查看液晶显示屏是否正常显示。如果不能显示，尝试调节液晶显示的对比

27、度，查看显示程序的接口是否正确，检查电路线路连接是否正确等。并依次解决问题。 ams117的3.3v稳压调试首先不忙接nrf905，先用万用表测量ams1117的输出脚和接地脚之间的电压是否为3.3v左右，以免烧坏nrf905。如果不是，检查ams1117的各脚线路是否连接正确。并依次解决问题。 无线模块调试确定ams1117的输出电压为3.3v后，接好nrf905无线模块，烧入nrf905的测试程序，查看能否正常发送和接收。如果不能，检查电路线路连接是否正确，nrf905无线模块是否被烧坏等。并依次解决问题。adc0831的转换调试 插好adc0831芯片，烧入程序，查看能否准确进行a/d转

28、换。如果不能，检查电路线路连接是否正确，芯片是否烧坏等。并依次解决问题。7.2 软件调试 硬件调试成功之后，依次调试温度、温湿、光照和ph值的a/d转换程序，nrf905无线模块对采集量的传输程序，继电器控制程序，串口程序等进行调试。7.3 软硬件结合调试硬件调试和软件调试成功之后，将各部分程序进行揉合处理，分别写入相应的单片机，看看整个系统能否正常按预期目标工作。如果不能，还要从硬件和软件部分找出相应的原因，并依次解决问题。8 总结通过半个学期地理论学习和动手实践，终于完成了无土栽培智能测控系统的设计。在设计中我遇到了许多问题。在设计中出现了许多的错误，但无论怎样，本次毕业设计对于我来说都是一次难得的锻炼，使我积累了许多实践经验。本文设计实现对无土栽培的空气温度、空气湿度、环境光照、溶液ph值进行采集和控制并能通过组态实现控制，让界面显得更加直观。由于我的理论和实践还不足，设计存在缺陷，比如采集端应该返回一个信息显示继电器的确已打开，以应对控制失灵情况。当然还有许多问题，还望老师们给予指正。参考文献:1 张琳娜.刘武发.传感检测技术及应用m.中国计量出版社,19992 李军.检测技术及仪表m. 中国轻工业出版社 2008.7 第二版3 胡汉才.单片机原理及接口技术m.清华大学出版社,19964 李志全等.