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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开展，要实现农业现代化必须大力开展电子产业、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效劳。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。该工程本钱低、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 防止土壤连作障碍 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 方案的比拟和论证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本钱增加。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。经方案比拟，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，经比拟设计采用方案二。3.3 控制电路的方案选择方案一：直接控制各增减设备。平安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到达220V。如果用5V继电器驱动220V的控制设备，设计简单平安。从可行性和平安性考虑，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局部，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。由于微机电路是时序数字电
8、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上参加高电平。一般采用的方法是在RST端和正电源VCC之间接一个按钮。当人为按下按钮时，那么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，单片机
9、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，便于各局部保持同步。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 -55C到1
10、25C，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一原理制成的
11、。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RK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，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向
12、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。 图10 PH强度采集
13、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，不管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的图形液晶模块。表2
14、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-比照度亮度调整4RS(CSH/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19AVDD背光源正端+5V20KVSS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、平安保护、转换
