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温室大棚的环境监测系统设计毕业论文 - 图文(2)

来源:网络收集 时间:2019-03-04 下载这篇文档 手机版
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陕西理工学院毕业设计

附录A 英文文献原文 ................................. 32 附录B 英文文献译文 ................................. 39 附录C 系统源程序 ................................... 45 附录D 元器件清单 ................................... 70 附录E 系统设计原理图 ............................... 71

1.引言

改革开放以后,我国的经济水平在快速的发展,我国的社会地位在不断的进步,生活质量水平的好坏相对很多人来说也变得至关重要。如何在一年四季都能种植和培养出优质新鲜的蔬菜,一直是人们研究的课题方向。而基于单片机的温室大棚环境参数监控系统对解决这些问题有着非常重大的意义。

温室大棚一直都用于植物种植和培育中,但这需要有一套科学的和先进的管理方法才能更好的运用好温室栽培这一高效技术,这样就可用它来监控植物在各个时间段所需要的温度和湿度等一系列环境参数。把温湿度监控系统用在温室大棚中,是将单片机的相关应用具体化和实际化了,体现了单片机的一种实际意义,这种应用随着温室大棚的发展将会十分广泛,它代表了一种智能监控的方法。在工业设计、农业生产、国防安全等行业,环境参数的监测都有着非常广泛的实际应用。因为使用的环境不同、采集的参数不同,其系统设计也有着很大不同。在现代实际生活和发展中这一系统的应用十分广泛,温度和湿度是室温大棚环境检测系统中两个举足轻重的显示和判断指标,需要对温度和湿度进行定期的抽样检测和分析,从而采用合理的方法进行应对。

现如今,国内外的温湿度检测器件种类五花八门,而且拥有比较广泛的应用,再加上现代科技不断发展的单片机和大规模集成电路技术,随之产生了可行性比较高、稳定性比较高的单片环境参数采集体系。随着国内外社会的不断发展和进步,很多人对现有所处的生活环境要求变得越来越严格。为了让人们在一年四季都能吃到优质的蔬菜,在培育蔬菜的温室大棚中,对这一点要求尤其严格。运用单片机的温室大棚监控系统的设计,将对大棚中环境的温湿度监控进行具体的设计与实现。

在智能测试器件、工业生产操控、机械统一控制等方面,STC89C51单片机是很好的控制芯片,在很多温湿度监控系统的实际应用也比较常见。用STC89C51单片机实现温湿度实时的自动监控和显示不仅性能良好,而且价格也非常便宜。同时,在学习和应用中,STC89C51单片机也易于掌握。使用这一监控系统,可以对温室大棚内的温湿度变化及时、精确的监控和显示以及更重要的报警功能。在温室大棚当中采用此系统对植物的生活环境进行了时刻的监控,以便能对植物提供更加适宜的环境。在当今现代的生活中,通过无线通信来采集温湿度已经越来越普遍了。并且随着工农业的生产对温湿度的要求越来越高,精准的测量温湿度变得十分重要。温度它不能像质量和长度那样简单地获取量值,只有通过其他相关性质间接地测量。现在温度测量是可以通过温度传感器来测量的,温度测量的过程简单来说就是通过传感器把温度值转换为电信号或者其他信号,经过相关处理,从而转换成温度显示出来。温度测量设备一般有温度传感器和信号处理电路组成。某些情况下,需要监测的范围很大,布线不方便且不利于后期维护,这时我们就采用无线模块对温度进行采集。

本次系统的设计采用nRF24L01无线通信模块,并以STC89C51为核心来控制实现短距离无线温湿度传输。该系统设计具有成本地,传输快,软件设计简单,功耗低,可靠性高等优

点。整个设计的主机和从机通NRF24L01无线模块连接通信。从机以单片机STC89C51为核心,通过无线模块NRF24L01把温度传感器采集的温度传送给主机,主机通过无线模块NRF24L01接收温度数据,然后再在液晶LCD1602上面显示,从而达到实时监控的目的。

2.方案论证及器件选择

2.1 系统功能设计

(1)温湿度监控:实现对温室大棚温湿度参数的实时采集,测量空间的温度和湿度,由单片机对采集的温湿度值进行循环检测、数据处理、显示,实现温湿度的智能检测。

(2)控制处理:当温湿度越限时报警,并根据报警信号提示采取一定手段控制。 (3) 无线传输:用温湿度传感器将测量的温湿度数据通过无线模块进行传输。 温湿度传感器达到的技术指标:

测量范围: 湿度20-90%RH, 温度0-50℃ 测量精度: 湿度±5%RH, 温度±2℃ 2.2 方案论证

要实现温湿度的采集和传输有多种方案,下面介绍以下两种方案。 方案一:采用可编程逻辑器件设计

用可编程逻辑器件设计,而所设计的电路比较繁杂,可能用到十几片数字集成块,利用数字电路的各功能模块的组合来完成其功能,焊接的过程比较复杂,成本也比较高。这里可以利用ALTERA公司的FLEX10K系列PLD器件。结构清晰的设计,各个模块,从硬件上设计起来相对简单,比较方便控制与显示的模块间的连接。但是如果结合本设计的特点,EDA在功能扩展上会受到约束,而且EDA占用的资源也会比较多。用可编程逻辑器件设计,成本上来讲处在弱势[1]。方案一的设计框图如图2.1所示。

数据显示模块数据PLD数据接收模块PLD数据采集模块按键温湿度传感器 图2.1系统设计框图

方案二: 基于单片机的设计

以单片机为控制核心,采用温湿度测量技术,通信技术,控制技术等技术,以温湿度传感器作为测量元件,构成智能温湿度测量控制系统。可分为温湿度测量电路,显示电路,报警电路,无线模块,图2.1选用的主要器件有:单片机STC89C51,温湿度传感器DHT11,1602LCD显示模块,LED灯,报警装置蜂鸣器,NRF2401无线模块等。方案二的设计框图如图2.2所示。

DHT11数字温湿度传感器STC89C51单片机1602LCD液晶显示屏NRF24L01无线模块报警及驱动电路 图2.2 系统设计框图

2.3 方案选择

方案二可以利用单片机内部的控制只读存储器和随机存储器及其丰富的引脚资源,外接键盘输入,液晶显示器等实现数据的传输处理和显示功能,通过与无线芯片传输数据及指令来完成数据的无线传输,因此可以采用基于SPI总线的射频收发芯片。单片机可扩展性强,体积小,实用性强,功能齐全,而且设计起来比较简单,就具备可用实验室的条件,硬件更加容易实现。方案一的好处是设计较为简单,但是无线发送只能通过不包含传输协议和差错校验的无线传输模块传输数据,没有掉电存储的功能,且控制的准确性和灵活性较差,故不采用。经过综合考虑此次设计采用方案二。 2.4 主要元器件选型

2.4.1 单片机选型

方案一:采用STC89C51实现。

单片机软件编程可简单地实现多数功能,自由度大,结构清晰,便于调试和维护,可读性和移植性强。并且具有体积小,硬件搭建简单等优点。本系统由一台主机,2台从机组成2级分布式温度测量进行多路温度数据采集。另外STC89C51的应用已经十分广泛,相关技术的使用都很熟练,开发难度很小。

方案二:采用MSP430F149单片机。 此单片机功耗低,内部集成高速12位ADC,性能强大。但本设计简单,不需要MSP430F149如此功能强大的单片机,并且MSP430F149成本高,是TPFQ贴片封装,必须采用PCB制板,增加了开发周期。

综合考虑我们选择STC89C51作为本系统的MCU。 2.4.2 无线传输模块选型

方案一:采用NRF24L01

NRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz-2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括:频率发生器、功率放大器、调制器和解调器、增强型“SchockBurst”模式控制器、晶体振荡器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片,并完成无线数据传送工作。极低的电流消耗:当工作在发射模式下发射功率为0dBm 时电流消耗为11.3mA ,接收模式时为12.3mA,掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

方案二:采用超再生式无线模块

超再生式无线模块超再生接收机价格低廉,经济实惠,而且接收灵敏度高,但是缺点也很明显,那就是频率受温度漂移大,抗干扰能力差。

方案选择:考虑到本设计需要稳定可靠地传输多字节的指令数据,故采用抗干扰能力强且具有差错校验功能的NRF24L01无线收发模块作为数据和指令的传输。

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