農業(yè)智能大棚系統(tǒng)設計畢業(yè)論文

1、<p>　　學 生 論 文</p><p>　　論文題目： 農業(yè)智能大棚系統(tǒng)設計 </p><p>　　指導教師： </p><p>　　學 號：

2、 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　年 級： 2012級 </p><p>　　專 業(yè)： 電子信息工程 </p><p>　　二0 年 月 日<

3、/p><p>　　農業(yè)智能大棚系統(tǒng)設計</p><p><b>　　電子信息工程</b></p><p>　　120352012007 鄭坤 指導教師：歐琳</p><p>　　【摘要】本設計選取單片機作核心元件，使用了模塊化和層次化的電路設計理念，選取硬件為主，軟件為輔的設計方式。選用集成溫

4、度和濕度傳感器DHT11去完成關于溫度和濕度檢測，使溫度和濕度信號經由傳感器來進行收集而且是轉變?yōu)閿底值男盘枺约笆褂肂H1705采集光照強度信息并轉化為數字信號傳遞到單片機。并利用單片機來完成數據信息的分析與處理，提供需要顯示的信號，此設計使用了LCD1602來顯示數據。試驗證實，此設計的系統(tǒng)檢測和準確的溫濕度和光照強度的控制，可以實現預期的效果.</p><p>　　【關鍵詞】溫度檢測，光照檢測，濕度檢測&l

5、t;/p><p>　　Design of detection and control system of agricultural intelligent greenhouse</p><p>　　【Abstract 】 This design selects the single chip microcomputer as the core component, uses the modul

6、ar and the hierarchical circuit design idea, selects the hardware as the main, the software is supplemented the design way. Selection of integrated temperature and humidity sensor DHT11 to complete a temperature and humi

7、dity detection, the temperature and humidity signal via a sensor to collect and change into digital signal, and the use of acquisition bh1705 light intensity information and transfo</p><p>　　【Key words】 Temp

8、erature detection, light detection, humidity detection</p><p><b>　　1.引言</b></p><p>　　隨著時代的進步，生活質量的提高。對農產品的需求量也越來越大，現在社會溫室種植已在農業(yè)生產中占有重要地位[1]，而在傳統(tǒng)的溫室種植農副產品，溫室大棚里面的溫度是根據溫室大棚里面掛的溫度計來測量的。

9、而光照以及濕度這對于植物生長非常重要的因素卻只能憑借工人經驗。這個不利于大規(guī)模科學化的種植農產品。</p><p><b>　　2.設計要求</b></p><p>　　1、溫濕度、光照的實時測量及顯示。</p><p>　　2、鍵盤輸入。在不同作物的不同時期的操作人員可以根據實際情況的不同從而進行調整最適宜生長環(huán)境。 </p>

10、<p>　　3、超限報警功能。報警模塊：報警燈，聲音報警。</p><p>　　4、采集溫濕度以及光照值。</p><p>　　5、及時的啟動報警裝置進行報警，及時的檢查設定值與當前值之間的差值。</p><p><b>　　3.方案論證</b></p><p>　　3.1 搭建系統(tǒng)的基本要求</p>

11、;<p>　　本設計采用STC89C52作為核心部件MCU，用DHT11采集信號和處理。單片機處理數據后通過LCD1602實時顯示溫濕度的數據，主要任務要求有以下幾點：</p><p>　　了解單片機的基本特性和使用環(huán)境。</p><p>　　用C語言編程來實現控制和設置溫度、濕度。</p><p>　　使用溫濕度傳感器DHT11采集溫濕度，將采集到的

12、數據傳送到的單片機中進行數據處理[2]，控制溫度范圍在0—80之間，控制濕度范圍在20—90%RH。</p><p>　　保證系統(tǒng)性能可靠、穩(wěn)定，能夠長時間工作。</p><p>　　3.2系統(tǒng)的基本原理和組成</p><p>　　硬件中有一個電源開關及按鍵。系統(tǒng)開機后，所有模塊進行初始化，光照傳感器BH1750FVI開始進行光強測量和計算及溫濕度傳感器DHT11開

13、始進行溫濕度測量和計算，再用液晶顯示屏LCD1602顯示數據。</p><p>　　按鍵的功能分為兩種：</p><p>　　返回鍵，也就是初始化，回到程序開始的預設值重新工作。</p><p>　　負責調整溫濕度和光強上下限的，即用來調節(jié)和設置不同的上下限，以達到滿足不同的需要。當測量結果超過設定的上下限值的，將用超限處理模塊作出相應的處理辦法。 </p&g

14、t;<p>　　整體電路框圖如3.2所示：</p><p>　　圖3.2 整體電路框圖</p><p><b>　　4. 硬件設計</b></p><p>　　設計硬件時，需要考慮到實現的功能、元器件布局的合理性、通用性能的各個方面和價格。選擇性價比較高，既不浪費元器件的空間，又達到資源高利用。在電子電路的搭建中，將電路做到最

15、優(yōu)，且還要實現系統(tǒng)功能。并且要能夠實現要求的功能的前提下，使電路簡單高效[3]。</p><p>　　4.1單片機特性與選擇</p><p>　　隨著科技的不斷進步，大體積高價格的計算機已經不能滿足人們的日常生活的需求。應人們的需求。微型計算機（單片機）誕生了，它的結構功能和指令都是以工業(yè)控制的需求為標準設計的。微型控制器在智能控制系統(tǒng)中得以廣泛的使用。</p><p&

16、gt;　　在智能家居、航空航天、工業(yè)自動化及醫(yī)療等許多領域應用。</p><p>　　市面上運用較好、流通較廣的單片機主要有：</p><p>　　Intel公司的MCS96系列單片機。</p><p>　　Intel公司的8051系列單片機。</p><p>　　宏晶公司的8051系列單片機。</p><p>　　A

17、tmel 公司的8051系列單片機[4] 。</p><p>　　每一種單片機的優(yōu)勢都不一樣，因為單片機發(fā)展速度很快，形成的單片機種類也是非常多，這讓我們在選擇使用單片機的時候有很多大選擇空間。本系統(tǒng)使用的是STC89C52單片機，它可以滿足本系統(tǒng)的存儲空間和處理程序的速度，并且物美價廉。</p><p><b>　　4.2模塊功能介紹</b></p>

18、<p>　　4.2.1復位電路部分</p><p>　　復位操作的有兩種不同方式，其中一種就是上電自動復位，一種是按鍵手動復位[6]。經過了外部的復位電路的電容充電是上電自動復位自行實現的一個方式，如圖4.2.1的C4電容和R5電阻組成串聯式結構，在電源上電瞬間由于電容兩端電壓有著不可突變特性，單片機的復位腳在上電瞬間是處于高電平狀態(tài)，電容通過電阻開始進行充電，當充電時間達到單片機復位時長超過兩個時鐘周

19、期，單片機完成上電自動復位目的。只要電源Vcc的上電時間沒有大于1ms，那么系統(tǒng)就會達到通電后自動復位的目的[7]，自動復位的時長通過RC時間常數決定。</p><p>　　對于按鍵手動復位也是有著兩種不同的方式。手動按鍵復位方式是可以在圖4.2.1的C4上并入輕觸按鈕，當按鍵按下是相當于C4兩端短路對電容進行放電，使單片機復位腳等于高電平，當輕觸按鈕松開之后電阻對電容進行充電，等電容充電時間到之后就完成手動復位

20、目的[5]。本設計所用的是上電自動復位電路圖如下圖4.2.1所示：</p><p>　　圖4.2.1 自動復位電路</p><p><b>　　4.2.2晶振電路</b></p><p>　　電路中最常用的時鐘元件就是晶振,晶振又叫做是晶體震蕩器，晶振在單片機系統(tǒng)中作用是至關重要的，在單片機內部電路與其相結合，每個不同單片機都有自己的時鐘頻率，

21、晶振是所有單片機的一切指令建立的基礎，關于晶振的所提供的時鐘頻率，如果頻率越高，那么單片機的運行速率也就是變快的[8]。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調整頻率的方法保持同步。時鐘源電路在最后的PCB布板時尤為重要，在布板時晶振和諧振電容盡量靠近單片機的18腳和19腳，避免分部的太遠線路之間產生寄生電容，使整個系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性下降，造成不必要的麻煩。當然，晶振的選著也要與實際的需求進行選擇。下圖4.2.2為本系統(tǒng)設計所

22、用的晶振的電路原理圖。</p><p>　　圖4.2.2晶振原理圖</p><p><b>　　4.2.3顯示模塊</b></p><p>　　方案一：LED數碼管</p><p>　　組成結構及原理：基本的數碼管是由七段或八段組成一個位，數碼管常用的分為一位、兩位、三位、四位[9]。數碼管顯示原理就是使一部分亮起來，

23、一部分無需點亮組合起來顯示內容，數碼管能顯示字母A-F以及數字0-9等字符，但這樣顯示的內容無法滿足本次系統(tǒng)設計顯示的需求。</p><p>　　方案二：LCD1602液晶顯示屏</p><p>　　原理：液晶結構是底部為背光板，中間為液晶分子，上部為玻璃面板保護。液晶排列成陣列式的偏光振子，顯示原理就通過電壓是控制內部偏振片的方向，偏光振子與背光板垂直和一部分不是垂直的組成顯示內容。&l

24、t;/p><p>　　本次設計，在顯示的內容不只是數字字符顯示，在顯示時需要多個多種內容顯示，靈活可多個內容可同時顯示和英文單詞進行注視，這樣就更加直觀的我們讀取內容。使用液晶模塊在硬件接線時可直接與單片機I/O口連接，不需要外部的驅動電路，這樣給電路的穩(wěn)定性提高。數碼管顯示需要外部驅動電路驅動。因此我們的設計是采用液晶顯示模塊實現數據內容顯示。傳感器的采集數據信息提供個單片機處理，單片機處理完的數據就可以直接輸出給

25、液晶模塊顯示。</p><p>　　LCD1602的硬件接口是采用標準的16腳：引腳1為電源負極（GND）。引腳2 為電源正極（VCC）供電電壓3V或5V。引腳3為液晶的對比度調節(jié)，外接可調電阻調節(jié)，電壓調節(jié)越高相對的對比度就越低，電壓調節(jié)越低相對的對比度就越高[10]。引腳4為寄存器選擇功能腳，當為高電平時進行選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。引腳5為讀寫信號功能腳，高電平時進行讀信號操作，低電平時進行寫

26、信號的操作。引腳6作為液晶的使能控制腳，高電平時進行讀取信息，當下降沿時執(zhí)行指令[11]。引腳7至14腳作為液晶模塊的雙向數據傳輸I/O口。引腳15作為液晶背光燈的正極。引腳16作為液晶背光燈的負極。</p><p>　　特性：工作電壓分3.3V或5V，顯示可進行對比度調節(jié)；液晶內部自帶復位電路；有80字節(jié)顯示數據存儲器DDRAM；內部設有192個5X7點陣的字型的字符發(fā)生器CGROM；8個可由用戶自定義的5X7

27、的字符發(fā)生器CGRAM。</p><p>　　LCD1602的工作原理圖和實物圖 如圖4.2.3所示：</p><p>　　圖4.2.3 LCD1602原理圖與實物圖</p><p>　　4.2.4傳感器模塊</p><p>　　光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。光電傳感器主要有光電三極管光、光電池、光電二極管以及

28、光敏電阻。光敏電阻跟其他的光電器比較，具有最高的靈敏度。但是這也是其缺點之一，光敏電阻的工作原理是通過光照改變自身電阻率，這就導致了太高的靈敏度會對光線敏感，不能有效的區(qū)分太陽光和其它光源，受其它光源影響嚴重。光電三極管相比于光電二極管靈敏度也有提高，但是在其應用方式與光敏電阻類似。</p><p>　　最終選擇光電池，光電池的優(yōu)點是：光電池的輸出電流與光照強度有關，這樣就能檢測到光源的能量密度；從而有效的區(qū)分出

29、其它光源與太陽光，因為普通光源的能量密度沒有太陽光大。而本設計采用了對于光照強度采用操作更為簡單的BH1705模塊，這種光照傳感器采用I2C與單片機通信。其內內置16位數模轉換器，并且模塊內部包含通信電平轉換，與5v單片機io直接連接直接傳遞一個數字信號給主機，不需要復雜的計算。采用3-5v供電電源，并且對于測量也較為廣泛光照度范圍：0-65535 lx不區(qū)分環(huán)境光源接近于視覺靈敏度的分光特性可對廣泛的亮度進行1勒克斯的高精度測定。&l

30、t;/p><p><b>　　溫濕度選擇</b></p><p>　　方案一：采用集溫濕度傳感器為一體的DHT11芯片作為傳感器采集器[13]。</p><p>　　方案二：采用HS110X相對濕度傳感器和單總線的DS18B20的溫度傳感器組成的采集器。</p><p>　　由于傳統(tǒng)的模擬式濕度傳感器（方案二） DHT11數

31、字溫濕度傳感器是一款溫度濕度傳感器,并且溫濕度經過內部校準。傳感器由一個NTC傳感元件和一個電阻式濕度傳感器，DHT11內部有一個8位單片機,為該傳感器提供強大的溫度濕度處理功能[14]。那么該產品應該有抗干擾能力強、高精確度、價格優(yōu)惠、等優(yōu)點。這款溫濕度傳感器不需要我們來進行復雜的校對數據,所有的溫濕度處理函數都在傳感器內部的單片機中進行,溫度濕度曲線函數存儲在傳感器的內存中[12]。這款傳感器的通信方式是單總線，單總線的使用更加容易

32、與其它設備集成。模塊的功耗低、單總線傳輸距離達到20m、并且體積也小。一些使用比較惡劣的環(huán)境，也能很好的使用。</p><p>　　表4.2.4 DHT11的參數信息如表</p><p>　　表4.2.4-1 DHT11引腳</p><p>　　DHT11接入單片機電路時需要上拉電阻，因為DHT11的單總線需要工作在高電平的情況下，接線的原理框圖和電路圖如圖所示：&

33、lt;/p><p>　　圖 4.2.4-2 單片機接線電路圖 圖4.2.4-3 與單片機連接原理框圖</p><p>　　圖4.2.4-4 封裝圖</p><p>　　4.2.5超限部分處理電路</p><p>　　超限部分電路在本制作模型中時用綠色的LED燈和蜂鳴器，當環(huán)境中的溫度，濕度，或者光照強度低于或者高于設定的對應的值時

34、的作用。</p><p><b>　　4.2.6按鍵掃描</b></p><p>　　按鍵總共為4個按鍵并且直接和單片機連接，還有一端接地。按鍵是否被按下由單片機檢測，按下時單片機相對應的引腳同時被拉低，單片機檢測到低電平后執(zhí)行相應的程序[15]。電路圖如下所示：</p><p>　　圖4.2.6按鍵檢測電路</p><p&

35、gt;　　4.2.7 報警電路</p><p>　　警報器采用的是一個蜂鳴器和一個LED燈，由于單片機的輸出電流小，可以直接連LED小燈，但是不足以產生供應蜂鳴器使用的電流，實際驅動蜂鳴器時將蜂鳴器接電源正極，另一邊接在單片機IO口P2^0；單片機拉低電源或拉高電源使之產生波動電流，電路如下圖所示：</p><p><b>　　4.2.7報警電路</b></p&

36、gt;<p>　　4.2.8 電源電路</p><p>　　電源使用的是外接5v電源，D1為檢測電源是否正常運行的指示燈。原理圖如下圖所示：</p><p>　　圖4.2.8電源電路</p><p><b>　　程序設計</b></p><p>　　5.1 C語言介紹 </p><p&g

37、t;　　系統(tǒng)設計采用的是C語言。是一種普遍的計算機語言，它是匯集了匯編語言以及高級語言的優(yōu)勢給開發(fā)程序人員提高了計算機編程的效率。</p><p>　　因C語言非常方便，所以得到了大眾的認可。市面上很多硬件都是用C語言來變成，</p><p>　　C語言是一種很方便的語言并且得到了廣泛的支持。很多硬件開發(fā)都用C語言來編程，C語言對機器硬件系統(tǒng)也并不依賴，只需要做一些簡單的改動就可以把程序從

38、系統(tǒng)移過來并且進行使用。很多數學函數C語言都有給予，并且C語言支持浮點運算。開發(fā)程序的效率也有了明顯的提高。節(jié)約了很多的時間。并且程序的可維護性和可讀性增加了不少。</p><p>　　C語言程序本身不依賴于機器硬件系統(tǒng)，基本上不做任何修改或僅做簡單的修改就可以將程序從不同的系統(tǒng)移植過來直接使用。C語言提供了很多數學函數并支持浮點運算，開發(fā)效率高，可極大地縮短開發(fā)時間，增加程序可讀性和可維護性。單片機C51編程與

39、用匯編ASM-51編程相比，有以下幾個優(yōu)點：</p><p>　　(1) C語言可以對單片機直接進行操作。</p><p>　　(2) 不同的寄存器分配和尋址及數據類型等，可以由編譯器自動完成。</p><p>　　(3) 程序閱讀性高，可封裝不同的函數進行調用。</p><p>　　(4) 標準庫中就有許多標準函數，使用方便引用頭文件就可以

40、直接調用。</p><p>　　C語言的基本指令不多，單片機的C語言基本指令通用，算法簡潔，這樣更掌握起來會是很方便的。</p><p>　　C語言總的來說只是一個工具而已，如何在開發(fā)龐大的體統(tǒng)中靈活的應用C語言的正確邏輯編寫出結構完善的程序才是難點。</p><p>　　基于C語言的以上特點，本設計成功應用C語言完成了大棚溫濕度控制系統(tǒng)的設計與實現，達到了預期的效

41、果。</p><p>　　5.1.1 編譯環(huán)境的介紹</p><p>　　本程序的編譯軟件用的是Keil，對于Keil。它是作為嵌入式的程序開發(fā)系統(tǒng)是由美國Keil Software公司出品的。它有著具有強大的單片機軟件編譯、調試等功能。在中國大多數的硬件工程是都使用Keil 軟件，所以學習與電子相關專業(yè)的時候，課程都會安排學習單片機編程。</p><p><

42、b>　　5.2 系統(tǒng)流程圖</b></p><p>　　系統(tǒng)的流程圖，初始化后出現就開始循環(huán)執(zhí)行。如圖5.2所示</p><p><b>　　圖5.2系統(tǒng)流程圖</b></p><p>　　5.3 DHT11讀取程序</p><p>　　5.3.1 單總線的介紹</p><p>

43、　　DHT11通信是通過單總線與單片機傳遞信息，單總線對時序的要求非常高，需要精確的讀取單總線的高低電平時間。</p><p>　　單總線（1－Wire Bus）的技術是由美國的達拉斯半導體公司推出的。與其它的總線是不同的，單總線是數據與時鐘是一體的，而且數據的傳輸是雙方向的，因而這種單總線的技術是一種具有線路比較簡單，硬件開銷比較少，成本價格低廉，方便于總線的擴展和維護等優(yōu)點。</p><p

44、>　　單總線可作為寫數據或讀數據，復位脈沖、應答脈沖等。單片機信號中都是采用不同電平的時間來區(qū)分，用DHT11數字溫濕度傳感器的通信過程來說明?？偩€在空閑時狀態(tài)為高電平，所以DHT11需要加一個1K左右的上拉電阻，開始信號是主機把總線電位拉低至少18ms時，DHT11才能檢測到主機開始的信號，開始信號結束是等待主機再次把電平拉高；DHT開始響應，發(fā)送低電平80us作為響應信號，再把電平拉高80us，此時主機模式切換到輸入狀態(tài)，用來

45、接收一個完整的數據 40bit；數據中的每一個bit都是以50us低電平時隙開始發(fā)送,高電平的長短決定了數據位狀態(tài)0或者1；數字0的表示方式是，高電平保持26-80us范圍內，則這個比特為0電平，或者高電平時間保持到70us時這個比特為1電平。 </p><p>　　一次單總線通訊時間為3ms，數據分為整數部分和數據小數部分,具體的數據格式如下: 16bit濕度數據和8位校驗和。數據傳送正確時校驗和數據等于“16

46、位溫度數據+16位濕度數據”所得結果。16位數據的高8位是整數部分，低8位是小數部分。由于現在的技術原因，小數部分是0，以后推出的產品可能有所升級，從而出現更加精確的小數部分。</p><p>　　5.3.2 單總線程序</p><p>　　DHT11的初始化，是為了檢測DHT11這個模塊是否存在，由51單片機發(fā)送的開始信號將單總線電平拉低至少18ms，然后再將總線電平拉高，做檢測結束信號

47、。然后DHT11開始響應，拉低總線電位80us，然后再拉高總線電位80us，此時則代表DHT11的初始化完成。接下來就開始傳輸數據了。</p><p>　　DHT11的初始化成功后，單片機就準備接收來自DHT11的數據，一個完整的數據一共有40bit，濕度數據和溫度數據各兩個字節(jié)，還有一個字節(jié)的校驗數據，溫度數據加上濕度數據之和正好等于校驗數據，如果校驗不通過，則不更新顯示數據。下面的程序就是用來讀取5個字節(jié)并校

48、驗：</p><p>　　其中在讀取一個字節(jié)時也要有嚴格的時序，數據類型不同時高電平的持續(xù)時間不同來表示，數據為0時以高電平持續(xù)時間為26-28us表示，數據為1以高電平持續(xù)時間為70us表示，電平的時間是一樣的為50us。那么我們可以捕獲上升沿，通過延時一點時間在判讀是否高電平的方法來確定是數據0還是數據1。</p><p>　　6.設計作品的調試結果</p><p&

49、gt;<b>　　圖6.0調試結果圖</b></p><p><b>　　總結</b></p><p><b>　　窗體頂端</b></p><p>　　在此設計里面，其主要選取單片機作核心元件，關于溫濕度和光照強度智能控制進行簡要的設計和闡述。關于此種單片機溫度和濕度控制，光照強度檢測原理和結構進行

50、了一些簡要陳述。此設計中使用了模塊化和層次化的電路設計理念，選取硬件為主，軟件為輔的設計方式。選用集成溫度和濕度傳感器DHT11去完成關于溫度和濕度檢測，使溫度和濕度信號經由傳感器來進行收集而且是轉變?yōu)閿底值男盘?，以及使用BH1705采集光照強度信息并轉化為數字信號傳遞到單片機。并利用單片機來完成數據信息的分析與處理，給顯示的電路提供了需要顯示的信號。設計中采用了液晶LCD1602顯示需要的值。系統(tǒng)檢測精度較高、電路較簡單、集成度較高、

51、工作比較穩(wěn)定以及調試簡單。檢測精度較高。試驗證實，此設計的系統(tǒng)檢測和準確的溫濕度和光照強度的控制，可以實現預期的效果，相信在人們對家庭環(huán)境要求越來越高的今天，具有一定的使用價值。</p><p>　　時光荏苒，歲月如梭，大學四年的讀書生涯在這個季節(jié)即將結束，在學校里面，我走過了人生中最為珍貴的年華，在這里有我熟悉和熱愛的一切。而在臨畢業(yè)之際，通過這次設計，我深刻的認識到了自己的許多不足，自知距師長的期盼、時代前進

52、與科學發(fā)展之要求，仍有懸殊的差距，所以知識的學習與應用永遠都會是我學習的重點。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本論文在導師的認真指導下完成了。導師讓我樹立了遠大的學習目標、掌握了基本的研究方法。本次論文從最開始的定題到現在的完成經過了很多次的修改，終于有了今天的成果。在此，我想表達我對我的導師的由衷的感謝。在寫論文的過程中，我遇到了很多

53、問題。在老師的耐心指導下，這些問題才以得到了解決。所以在此，再次對老師道一聲：老師，謝謝您！</p><p><b>　　窗體底端</b></p><p><b>　　參考文獻:</b></p><p>　　[1] 藺建凱. 溫室分類淺述[J].農業(yè)工程技術·溫室園藝.2007,(7):23-24.</p&

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