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1、西昌学院毕业论文（设计）11 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，
2、就能远程测量并控制。1.2 课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
3、置的佳品，由于离开了土壤，所以可大大减少劳动量。西昌学院毕业论文（设计）22 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。DS18B20令 令 令 令令 令 令 令P H令 令令 令 令 令 令令 令 令
4、令 令 令 令令 令 令 令 令令 令nrf905令 令 令令 令 令令 令 令 令令 令 令 令令 令 令 令图 1 系统的组成框图西昌学院毕业论文（设计）33 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
5、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。PCF8591 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 PCF859
6、1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 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
7、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。西昌学院毕业论文（设计）44 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 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
8、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。GNDVCCP12 P13P10 P11XTAL 12MHZGNDVCC4.7KR6GNDVCCEA/VP31XTAL119XTAL218RESET9P3.2/INT012 P3.3/INT113 P3.4/T014 P3.5/T115P1.01 P1.12 P1.23 P1.34 P1.45 P1.56 P1.67 P1.78P0.039 P0.138 P0.
9、237 P0.336 P0.435 P0.534 P0.633 P0.732P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728P3.7/RD17P3.6/WR16PSEN29ALE/PROG30P3.1/TXD11P3.0/RXD10VCC40GND20U1C51ENCEPWRUCLKCDAMMISOMOSISCKCSNDRDS30pFC230pFC110uFC3P07P20P21P22P23P24P25P26P27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
10、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。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上西昌学院毕业论文（设计）5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
11、能够满足复位的时间要求。 单片机复位电路图如图 3 所示。K10uFC410KR1VCCGNDRST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，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。XTAL 12MHZGND30pFC230pFC1XTAL2 XTAL1西昌学院毕业论文（设计）6图 4 单片机晶振电路4.
12、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 -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
13、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。GND1I/O2VCC3U5 DS18B20GND4.7KR5VCCDS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
14、6 所示。西昌学院毕业论文（设计）7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。VCCREF5+IN2-IN3CS1SDA6SCL7GND4VCC8ADC0831_1VCC GNDVCCGNDP27P07P26123P5Header 3504R7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
15、载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，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；入射西昌学院毕业论文（设计）8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。RCds(电阻值）LUX照度0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。VCCREF5+IN2-IN3CS1SDA6SCL7GND4VCC8ADC0831_2P24P25P23VCC GNDVCCGND10KR812P6Header 2图 9 光照强度采集电路图和光敏电
16、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70.25PH 强度采集电路图和 PH 电极实物图如图10所示。西昌学院毕业论文（设计）9P21P22P20VCCREF5+IN2-IN3CS1SDA6SCL7GND4VCC8ADC0831_3VCC GNDVCCGND100KR912P7Header 2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
