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1、摘 要 温室大棚是当今全球设施农业的重要组成部分，是现代全球农业发展的重点之一。它可以在瞬息万变的自然条件下为作物生长人为创造一个适宜的环境。全球温室种植业的实践经验表明，提高温室的智能控制和管理水平可充分发挥设施农业的高效性。而我国在温室大棚智能控制方面的应用跟世界发达国家相比还有较大的差距。目前国内设施温室应用的主要环境变量测控系统大多为国外进口产品，这些产品技术含量非常高，测控效果非常好，但相对价格非常高，通常只被应用于国内少见的大型或高档连栋温室。少数国产装置无论技术水平还是测控效果均不甚理想，尤其是缺少能够应用于我国常见的中小型日光温室的低成本智能测控装置。本文结合当今最热门的嵌入式
2、技术和无线传感器网络技术，并根据目前国内常见中小型日光温室环境控制需求，设计并实现了一套设施农业日光温室智能嵌入式控制系统。关键词：温室控制，嵌入式系统，设施农业，无线传感器引言随着社会经济的快速增长，现代农业已成为我国农业的发展方向，尤其是随着人口的增长，需求的不断增加，耕地的日益减少，更加促使了农业现代化的快速发展，高投入高产出的现代农业种植理念，使得设施农业成为世界农业现代化的一个重要发展方面，从传统农业向优质高效的现代化农业转变成为我国农业发展历史上新的阶段，设施农业是我国今后较长时期内农业发展的一个主要方向。设施农业就是一种利用农业工程手段，在农业生产上用改善自然环境的办法，来获得植
3、物最适宜的生长条件的方法，即用人工控制环境因素来满足植物最佳生长条件从而获得最大的经济效益；是科技含量高、高投入、高产出、高效益的集约化生产方式。设施农业关键作用，就是能解决农业生产若干必须的气候条件，包括光、温、水、气等在匹配上的理想化。随着科学技术的发展，先进的、尖端的科学技术已逐步应用于设施农业中。作为现代生物技术和工程技术的集合，设施农业涵盖了建筑、机械、环境、自动控制、品种、栽培、管理、市场等多个领域、多种系统，设施农业中温室工程的建设与发展是都市现代农业发展的重要组成部分，是设施农业发展的高级阶段。温室工程是以综合国力的强盛为背景，以农用工业的发展为基础，以生物技术、工程技术、信息
4、技术的发展为依托的高新技术产业。温室作为设施农业的生产车间，可以为农作物创造出最佳的生长条件、通过改变温室内农作物的生长环境来避免外界恶劣环境气候变化对其影响。国内外温室种植业的实践经验表明，提高温室自动控制和管理水平是现代温室生产中的重要课题。温室控制的重要目的是通过改善温室环境，为作物生长创造有利条件，实现高产高效与可持续发展。随着世界各国温室面积不断扩大以及自动化装备的不断创新与应用，设施农业生产进入了新的发展阶段，温室控制技术的发展对于温室产业乃至我国的农业现代化进程具有深远的影响。因为传统温室内的人为环境调控能力很低，工作人员又不能及时准确地了解和调控温室内的各种环境参数值，不能给植
5、物生长发育提供适宜的生态环境，使产品的产量和品质都受到了很大影响。农业要再有大的发展，增强温室内的人为环境调控能力势在必行。随着嵌入式技术、移动通信技术、智能传感技术以及自动控制技术的迅猛发展，温室控制技术也向着数字化、网络化、智能化方向发展。1目 录摘 要 1引 言2目 录3一 绪论11. 1设计题目11.2设计要求11.3作用与目的1二 设备及软件22.1 Proteus仿真软件22.2 Keil软件2三 系统设计方案33.1 系统总体设计33.2 各单元电路设计3四 系统硬件设计44.1 系统整体设计44.2 单片机的选择44.2.1 STC89C52介绍54.2.2 STC89C52单
6、片机的引脚说明54.2.3 STC89C52单片机最小系统64.3.1 引脚功能及描述74.3.2 工作模式74.4 温湿度传感模块84.5 二氧化碳检测模块94.6终端显示模块94.7 湿度报警电路10五 系统软件设计115.1 主程序流程设计115.2 数据采集发送程序流程设计125.3 数据接收显示程序流程设计125.4 中断程序流程设计135.5 报警子程序流程设计13六 系统仿真调试分析146.1 仿真调试工具146.2 软件调试146.3 硬件调试146.4 显示模块调试156.5 报警电路调试156.6 仿真调试结果15七 设计中的问题及解决方法16八 嵌入式系统学习心得17参考
7、文献18致 谢19附录1：电路原理图20附录2：系统程序清单214嵌入式系统课程设计一 绪论1.1 设计题目嵌入式技术在温室环境监测系统中的应用1.2设计要求设计基于嵌入式技术的无线传感器硬件组成及软件设计方案, 将无线技术嵌入到温室环境监测系统中。1.3 作用与目的随着无线传感技术和单片机的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化，温室环境自动监测控制方面的研究有了明显的进展，并且必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的温湿度控制措施.但是，目前应用于温室大棚的温湿度检测系统大多采用模拟温度传感器、多路模拟开关、A/D转换器及单片机等组成的传输系统。这种温湿度度采集系统需要在温室大棚内布置大量的
8、测温电缆，才能把现场传感器的信号送到采集卡上，安装和拆卸繁杂，成本也高。同时线路上传送的是模拟信号，易受干扰和损耗，测量误差也比较大。为了克服这些缺点，本文设计了一种基于嵌入式设备并采用数字化单片机总线技术的温度测控系统应用于温室环境的的设计方案。本文介绍的温湿度测控系统就是单总线技术及其器件组建的。该系统能够对大棚内的温湿度进行采集，利用温湿度传感器将温室大棚内温湿度的变化，变换成数字量，其值由单片机处理，最后由单片机去控制液晶显示器，显示温室大棚内的实际温湿度，同时通过与预设量比较，对大棚内的温度进行自动调节，如果超过我们预先设定的湿度限制，湿度报警模块将进行报警。这种设计方案实现了温湿度
9、实时测量、显示和控制。该系统抗干扰能力强，具有较高的测量精度，不需要任何固定网络的支持，安装简单方便，性价比高，可维护性好。这种温湿度测控系统可应用于农业生产的温室大棚，实现对温度的实时控制，是一种比较智能、经济的方案，适于大力推广，以便促进农作物的生长，从而提高温室环境的亩产量，以带来很好的经济效益和社会效益。二 设备及软件 2.1 Proteus仿真软件 Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台
10、，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。2.2 Keil软件Keil公司是一家业界领先的微控制器（MCU）软件开发工具的独立供应商。Keil公司由两家私人公司联合运营，分别是德国慕尼黑的Keil Elektronik GmbH和美国德克萨斯的Keil Software Inc。Keil公司制造和销售种类广泛的开发工具，包括ANSI C编译器、宏汇编程序、调试
11、器、连接器、库管理器、固件和实时操作系统核心（real-time kernel）。有超过10万名微控制器开发人员在使用这种得到业界认可的解决方案。其Keil C51编译器自1988年引入市场以来成为事实上的行业标准，并支持超过500种8051变种。27三 系统设计方案本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性；温湿度传感器、二氧化碳传感器可以产生数字信号；无线收发模块可以实现数据无线传输的性能。由数据采集、数据处理、数据传输、数据显示四部分构成的。3.1 系统总体设计电源模块STC89C52STC89C52LCD1602Nf24L01Nf24L01DHT11AM-4IIIAB无线收发图3-1
12、 系统总体框图此设计是以STC89C52单片机基本系统为核心，以无线数据传输为亮点的一套监测系统。其中包括温湿度监测、二氧化碳浓度监测、单片机、无线传输电路、USB传输电路、PC显示窗口设计、电源电路设计等。系统总体方框图如图5-1。3.2 各单元电路设计（1） 数据采集 由DHT11、TGS4160组成；（2） 数据处理 由单片机STC89C52基本系统组成；（3） 数据传输 由单片机STC89C52和NRF24L01组成；（4） 数据显示 由LCD1602对温室的温度、湿度、二氧化碳浓度进行数据显示。本系统中DHT11是温湿度传感器采集大棚室内温度、湿度信息。输出数字信号。TGS4160是
13、二氧化碳传感器采集大棚室内二氧化碳信息输出数字信号。STC89C52（I）单片机驱动DHT11、TGS4160两个传感器进行信息采集并对采集到的信息进行处理，驱动无线发送模块NRF24L01将处理后的信息发送出去。NRF24L01（A）是无线发送模块对STC89C52（I）所给的信号进行发送前处理并在STC89C52（I）的驱动下将适合在信道传输的信号发送出去。NRF24L01（B）为无线接收模块其作用是在单片机STC89C52（II）的驱动下接收、处理NRF24L01（A）所发送的信号。单片机STC89C52（II）驱动LCD1602显示实时监测数据。本系统电源模块为传感器、LCD、单片机供
14、电，无线收发模块供电由单片机3.3V输出端提供。四 系统硬件设计下面将一一介绍简单硬件基本资料和选择该硬件具体原因。4.1 系统整体设计系统总体结构电路原理图如下图所示：图4-1 系统电路原理图4.2 单片机的选择在本设计的环境监测系统中，采用单片机来实现。在单片机选用方面，由于STC89C52系列单片机与MCS-51系列单片机兼容，所以，本系统中选用STC89C52单片机。4.2.1 STC89C52介绍STC89C52 具有片内上电复位、VDD 监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器的STC89C52/1/2/3/4/5/6/7 器件是真正能独立工作的片上系统。 FLASH 存储器还
15、具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051 固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。 4.2.2 STC89C52单片机的引脚说明图4-2 STC89C52单片机引脚图芯片引脚如图4-2所示：VCC : 电源。GND: 地。P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效
