1、1 緒論1.1 問題的提出當今社會科技正以前所未有的速度發展，要實現農業現代化必須大力發展電子產業、信息產業。我設計的這個系統，就是對所學知識的應用，探索怎樣自動化管理工廠。今天，我們的生活有越來越多的單片機系統在為我們服務。家用電器和辦公設備的智能化、遙控化、模糊控制化已成為世界潮流，而這些高性能無一不是靠單片機來實現。該項目成本低、可靠性高、適用性強，它能給予我們更舒適方便的現代化管理。它能實現遠程測控，以前要測量并控制作物生長環境的溫度、濕度、光照、PH值等必須由人親自去測控，這樣既費人力、財力又費時間。現在不需要專門跑到目的地實測溫度、濕度、光照、PH值，就能遠程測量并控制。1.2 課

2、題的研究意義 無土栽培技術與常規土壤有許多優點： 產量高、品質好 節約水分和養分 清潔衛生 省力省工、易于管理 避免土壤連作障礙 不受地區限制、充分利用空間 有利于實現農業現代無土栽培由于不用土壤，所以擴大了植物的種植范圍，沙漠、石山等不毛之地，窗臺、陽臺、屋頂等處皆可栽培。如屋頂進行無土栽培，夏天也可使室溫度降低2-3度。 土壤栽培由于水分流失多，故水分消耗量要比無土栽培大7倍左右，且氮、磷、鉀、等養分也易被土壤固定，據估計一般養分的損失達一半以上，而無土栽培損失很少，尤其是封閉式栽培，幾乎沒有損失。無土栽培花卉，無雜草，無病蟲，清潔衛生，便于運輸、銷售，也是室內陳設布置的佳品，由于離開了土

3、壤，所以可大大減少勞動量。2 系統概述2.1 系統的功能要求 能夠采集空氣溫濕度、光照和培養液PH值并將數據通過nrf905無線傳輸到終端，并用LCD12864液晶屏顯示。 通過按鍵遠程控制繼電器的開閉，從而就控制了相應的設備。 能夠在遠端PC機上通過組態控制繼電器。2.2 系統的組成該系統的組成模塊包括：單片機最小系統模塊、傳感器信號采集模塊、A/D轉換模塊、液晶顯示模塊、繼電器控制模塊、nRF905無線傳輸模塊等。系統模塊的組成框圖如圖1所示。圖1 系統的組成框圖3 方案的比較和論證3.1 所采集信號的傳輸方式的選擇無土栽培環境信息的采集與傳輸技術以及遠程監控需要運用現代通信手段來實現。按

4、通信技術傳輸介質的不同可分為有線和無線兩種方式。方案一:有線通信方式具有設備互操作性強、系統可靠性高、抗干擾能力強等優點。而溫室環境濕度高、酸性大、光照強會導致線纜的老化，降低系統的可靠性。此外傳感器與執行機構數量多且分散，導致線纜縱橫交錯，作物變更時需重新布置,導致系統安裝與維護成本增加。方案二:無線通信方式以組網靈活無需布線等優點在溫室局域范圍內采用,將各種檢測裝置、執行機構以及控制器連接起來,實現對溫室環境等各項參數的自動檢測和控制,應用在環境惡劣的條件下將是非常有意義的。經方案比較，本設計采用方案二。3.2 模數轉換的方案選擇方案一：采用8位AD轉換芯片PCF8591實現模數轉換。PC

5、F8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數據獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0, A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數據信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。PCF8591有16條引腳。方案二：采用8位AD轉換芯片ADC0831實現模數轉換。ADC0831是美國國家半導體公司生產的CMOS工藝1通道，8位逐次逼近式A/D模數轉換器。其內部只有一個通道。僅需較少的引腳。考慮到

6、51單片機引腳有限，經比較設計采用方案二。3.3 控制電路的方案選擇方案一：直接控制各增減設備。安全顯然得不到保障且不易控制。方案二：用繼電器控制各增減設備。本設計所采用的是5V電磁繼電器，而控制設備所用電壓可達到220V。如果用5V繼電器驅動220V的控制設備，設計簡單安全。從可行性和安全性考慮，本設計采用方案二。4 單片機系統硬件設計4.1 單片機最小系統 STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統可編程Flash 存儲器512字節RAM， 32 位I/O口線，看門狗定時器，內置4KB EEPROM，MAX810復位電路，三個16 位定時器/計數器，一個6

7、向量2級中斷結構，全雙工串行口。 STC89C52引腳說明如下。 主電源引腳VSS（接地）和VCC（+5V）。 外接晶振引腳XTAL1和XTAL2。 控制或與其它電源復用引腳RST、ALE/PROG 和EA/VPP。 輸入/輸出引腳P0.0 - P0.7、P1.0 - P1.7、P2.0 - P2.7、P3.0 - P3.7。STC89C52單片機最小系統如圖2所示。圖2 STC89C52單片機最小系統4.1.1 復位電路為確保微機系統中電路穩定可靠工作，復位電路是必不可少的一部分，復位電路的第一功能是上電復位。一般微機電路正常工作需要供電電源為5V5%，即4.755.25V。由于微機電路是時

8、序數字電路，它需要穩定的時鐘信號，因此在電源上電時，只有當VCC超過4.75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩定工作時，復位信號才被撤除，微機電路開始正常工作。本設計采用的是手動按鈕復位，手動按鈕復位需要人為在復位輸入端RST上加入高電平。一般采用的辦法是在RST端和正電源VCC之間接一個按鈕。當人為按下按鈕時，則VCC的+5V電平就會直接加到RST端。手動按鈕復位的電路如所示。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數十毫秒，所以，完全能夠滿足復位的時間要求。 單片機復位電路圖如圖3所示。 圖3 單片機復位電路4.1.2 晶振電路單片機系統里都有晶振，他結合單片機內部電路產生單片機所需的時鐘頻率，

9、單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片機的一切指令的執行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。通常一個系統共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統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。單片機晶振電路圖如圖4所示。 圖4 單片機晶振電路4.2 傳感器信號采集電路4.2.1 DS18B20溫度采集電路 Dallas 半導體公司的數字化溫度傳感器DS1820是世界上第一片支持 “一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經濟的特點，使用戶可輕松地組建傳感器網絡，為測量系統的構建引入全新概念。DS18B20也 支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為 -

10、55C到125C，在-10到85C范圍內,精度為0.5C。DS1822的精度較差為 2C 。現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。適合于惡劣環境的現場溫度測量。DS18B20可以程序設定9到12位的分辨率，精度為0.5C。可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設定，及用戶設定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的應用電路圖和實物圖如圖5所示。 圖5 DS18B20的應用電路圖和實物圖4.2.2 空氣濕度采集電路本設計采集空氣濕度利用的是ADC0831實現濕敏電阻的模數轉換。濕敏電阻是利用濕敏材料吸收空氣中的水分導致電阻值發生變化這

11、一原理制成的。溫濕電阻是一種采用新型濕度敏感元件，具有感濕范圍寬，響應迅速，抗污染能力強，無需加熱清洗及長期使用性能穩定可靠等諸多特點。 濕敏電阻的電器阻抗R（K）如圖6所示。圖6 濕敏電阻電氣阻抗 空氣濕度采集電路圖和濕敏電阻電阻實物圖如圖7所示。 圖7 土壤濕度采集電路圖和濕敏電阻實物圖4.2.3 光照采集電路 本設計采集光照強度采用的是利用ADC0831實現光敏電阻的模數轉換。光敏電阻受光照后，其阻值會變小。用來制作光敏電阻的典型材料有硫化鎘（Cds)及硒化鎘（CdSe）兩種。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，有阻值迅速減小的特性。這是由于光照產生的載流子都參與導電，在外加電場的作用

12、下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻的電器阻抗R如圖8所示。 圖8 光敏電阻電氣阻抗 光照強度采集電路圖和光敏電阻實物圖如圖9所示。 圖9 光照強度采集電路圖和光敏電阻實物圖4.2.4 PH采集電路本設計利用ADC0831實現PH的模數轉換。其PH電極主要技術參數如表1所示。表1 PH電極電氣阻抗型號測量范圍溫度范圍零點PH值E-201-C0-14PH0-80度70.25 PH強度采集電路圖和PH電極實物圖如圖10所示。

13、 圖10 PH強度采集電路圖和PH電極實物圖4.3 LCD12864液晶顯示電路LCD12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面。可以顯示84行1616點陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣

14、的圖形液晶模塊。表2 LCD12864的引腳功能管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3.0+5V電源正3V0-對比度（亮度）調整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7DB0為顯示數據RS=“L”,表示DB7DB0為顯示指令數據5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,數據被讀到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的數據被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號7-14DB0H/L三態數據線15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16NC-空腳17/RESETH/L復位端，低電平有效18VOUT-LCD驅動電壓輸出端19AV

15、DD背光源正端（+5V）20KVSS背光源負端本設計中LCD12864的電路原理圖如圖11所示。圖11 LCD12864顯示電路4.4 繼電器控制電路繼電器是一種電控制器件。它具有控制系統和被控制系統之間的互動關系，通常應用與自動化控制電路中。它實際上是用小電流去控制大電流動作的一種“自動開關”，故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。當輸入量(如電壓、電流、溫度等)達到規定值時，繼電器使被控制的輸出電路導通或斷開。繼電器具有動作快、工作穩定、使用壽命長、體積小等優點。廣泛應用于電力保護、自動化、運動、遙控、測量和通信等裝置中。本設計運用的繼電器為電磁繼電器。電磁繼電器工作原理如圖1

16、2所示。 圖12 電磁繼電器工作原理 電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態的靜觸點稱為“常開觸點”；處于接通狀態的靜觸點稱為“常閉觸點”。本設計中電磁繼電器的控制電路如圖13所示。 圖13 電磁繼電器控制電路 利用三極管飽和導通和截止的的特性就可以實現接通和斷

17、開的功能，但由于它的帶載功率有限，所以需配繼電器擴流，并且可以擴充觸點的數量。該電路Q1是PNP三極管，所以采用集電極接低電平方式輸出，R1為上拉電阻，當基極沒有輸入脈沖或電壓時，基極為高電平，因為這是反極性三極管，所以平時是截止的，只有基極輸入低電平，降低基極電壓，這時三極管導通，繼電器線圈得電吸合，原常閉觸點斷開，常開觸點吸合，完成設備的接通與斷開功能。圖中IN1二極管反向接在線圈兩端，是保護線圈不受反峰電壓的沖擊，對繼電器起到保護作用。4.5 串口通信模塊4.5.1 RS-232串口RS-232也稱標準串口，是最常用的一種串行通訊接口。它是在1970年由美國電子工業協會（EIA）聯合貝爾

18、系統、調制解調器廠家及計算機終端生產廠家共同制定的用于串行通訊的標準。它的全名是“數據終端設備（DTE）和數據通訊設備（DCE）之間串行二進制數據交換接口技術標準”。傳統的RS-232-C接口標準有22根線，采用標準25芯D型插頭座（DB25），后來使用簡化為9芯D型插座（DB9）。RS-232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。由于其發送電平與接收電平的差僅為2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約15米，最高速率為20kb/s。RS-232是為點對點（即只用一對收、發設備）通訊而設計的，其驅動器負載為37k。所以RS-232適合本地設備之間的通信。

19、RS-232引腳如圖14所示。圖14 RS-232引腳4.6.2 MAX232芯片MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片,使用+5v單電源供電。MAX232的引腳說明如下：第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構成。功能是產生+12v和-12v兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數據轉換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構成兩個數據通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數據通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7

20、腳（T2OUT）為第二數據通道。 第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5v）。4.5.2 串口通信電路本設計單片機和PC機的串口通信電路如圖15所示。 圖15 單片機和PC機的串口通信電路4.6 nRF905無線傳輸模塊 nRF905是工作于433/868/915MHz三個ISM(工業、科學和醫學)頻道的單片射頻收發器，它由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成， ShockBurstTM工作模式，自動處理字頭和CRC(循環冗余碼校驗)，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發射時電流只有11mA，工作于接收模式時

21、的電流為12.5mA，內建空閑模式與關機模式，易于實現節能。 nRF905無線模塊引腳說明如下： VCC：電源（+3.33.6V） TX_EN：工作模式選擇 TRX_CE：使能芯片發射或接收 PWR_UP：芯片上電 uCLK：時鐘輸出 (未使用) CD：載波檢測 AM：地址匹配 DR：接收或發射數據完成 MISO：SPI輸出 MOSI：SPI輸入 CSN：SPI使能 SCK：SPI時鐘 GND：接地nRF905無線傳輸模塊電路如圖16所示。 圖16 nRF905無線傳輸模塊電路4.7 3.3V電源設計本設計中nRF905無線傳輸模塊的安全使用電壓范圍為+3.33.6V，因此設計中采用AMS11

22、17穩壓三極管將5V電壓降為3.3V。AMS1117穩壓電路如圖17所示。圖17 AMS1117穩壓電路5 系統軟件設計5.1 DS18B20溫度采集子程序流程圖 DBS18B20溫度采集子程序流程圖如圖18所示。設定端口為輸出設定端口為低電平寄存器右移1位設定端口為讀入方式，讀取DS18B20引腳，時間15us跳8位？跳出循環NOYES圖18 BS18B20溫度采集子程序流程圖5.2 nRF905無線模塊收發流程圖 nRF905無線模塊發送流程圖如圖19所示。圖19 nRF905無線模塊發送流程圖nRF905無線模塊接收流程圖如圖20所示。 圖20 nRF905無線模塊接收流程圖6 Fame

23、view組態軟件設計6.1 Fameview組態軟件簡介FameView組態軟件系統是北京杰控公司集多年PLC工程應用、開發和服務經驗,基于Windows NT 、Windows 2000/XP操作平臺,獨立研制開發的純32位、高檔次的軟件,其運行穩定、速度快、簡單易用、功能強大、擴展性好,能為用戶提供經濟完善的工業自動化監控解決方案;已經被成功應用于冶金、機場、化工、電力、配電、環保、筑路、核輻照、煙草、啤酒、鐵路、煤炭、樓宇、水處理、鍋爐、碼頭輸送等各個行業,經實踐證實適合所有的大中小型自動化項目應用;一直把可編程控制器(PLC)作為適用對象,定位于自動化應用的中高端,專門設計了設備數據表

24、,能對數據進行批量處理,多線程同時處理多個通訊設備,通訊速度和穩定性倍高。除提供通訊、運行數據庫、畫面、報警、歷史數據等功能外,還提供了實用的數據庫連接、數據配方、數據轉發服務、各種報表、雙機冗余、變量組、全局變量等增強功能,會發現許多棘手的問題,總能迎刃而解;串口轉以太網轉換器,具有以下功能：同時提供了RS232和RS485接口，有兩種工作模式： Modbus RTU到Modbus TCP模式，專門為此模式在此工作模式下，可以支持2臺 ModbusTCP主站同時訪問，即可以支持同時連接2臺上位機；透明通道數據傳輸模式， 應用在非Modbus協議的情況下；設置簡單，可通過超級終端使用串口或以太

25、網設置、 也可使用TELNET通過以太網設置；設置內容包括IP地址、串口參數、工作模式等； 支持24VDC電源冗余，可接入2路24VDC電源，實現電源冗余。6.2 Fameview組態特點 FameView軟件最適合工業PLC應用。 面向設備數據表的監控。 真正的VBScript編譯腳本（高級用戶自由編程）。 靈活簡單的數據存儲、報表和數據分析（制作報表方便）。 具有特色的畫面編程技術（漫游、透明位圖、靜態圖形轉位圖等）。 集成靈活的可擴展功能塊（CA塊、FB塊）。 集成GSM手機短信、GPRS、CDMA、寬帶、ADSL數據處理和報警。 網絡服務器、串口服務器、ADSL動態IP服務器、短信數據

26、服務。 通訊速度快、畫面刷新快（每幅畫面上百個位圖）。 靈活的用戶管理（級別可到按鈕）。 集成視頻監控、遠程調試、WEB功能。 OEM定制（為行業定制、VC二次開發）。6.3 Fameview組態性能指標設備通訊 畫面顯示變量報警 網絡服務器 串口服務器6.4 Fameview組態軟件設計步驟安裝驅動程序。定制系統選擇所需功能。設置系統啟動選項。選擇啟動系統任務。制定設備數據表。設定模擬只讀變量。設定模擬致只寫變量。7 系統調試7.1 硬件調試 液晶顯示的調試 焊接好硬件電路，燒寫LCD12864顯示程序，查看液晶顯示屏是否正常顯示。如果不能顯示，嘗試調節液晶顯示的對比度，查看顯示程序的接口是

27、否正確，檢查電路線路連接是否正確等。并依次解決問題。 AMS117的3.3V穩壓調試首先不忙接nrf905，先用萬用表測量AMS1117的輸出腳和接地腳之間的電壓是否為3.3V左右，以免燒壞nrf905。如果不是，檢查AMS1117的各腳線路是否連接正確。并依次解決問題。 無線模塊調試確定AMS1117的輸出電壓為3.3V后，接好nRF905無線模塊，燒入nRF905的測試程序，查看能否正常發送和接收。如果不能，檢查電路線路連接是否正確，nRF905無線模塊是否被燒壞等。并依次解決問題。ADC0831的轉換調試 插好ADC0831芯片，燒入程序，查看能否準確進行A/D轉換。如果不能，檢查電路線

28、路連接是否正確，芯片是否燒壞等。并依次解決問題。7.2 軟件調試 硬件調試成功之后，依次調試溫度、溫濕、光照和PH值的A/D轉換程序，nRF905無線模塊對采集量的傳輸程序，繼電器控制程序，串口程序等進行調試。7.3 軟硬件結合調試硬件調試和軟件調試成功之后，將各部分程序進行揉合處理，分別寫入相應的單片機，看看整個系統能否正常按預期目標工作。如果不能，還要從硬件和軟件部分找出相應的原因，并依次解決問題。8 總結通過半個學期地理論學習和動手實踐，終于完成了無土栽培智能測控系統的設計。在設計中我遇到了許多問題。在設計中出現了許多的錯誤，但無論怎樣，本次畢業設計對于我來說都是一次難得的鍛煉，使我積累

29、了許多實踐經驗。本文設計實現對無土栽培的空氣溫度、空氣濕度、環境光照、溶液PH值進行采集和控制并能通過組態實現控制，讓界面顯得更加直觀。由于我的理論和實踐還不足，設計存在缺陷，比如采集端應該返回一個信息顯示繼電器的確已打開，以應對控制失靈情況。當然還有許多問題，還望老師們給予指正。參考文獻:1 張琳娜.劉武發.傳感檢測技術及應用M.中國計量出版社,19992 李軍.檢測技術及儀表M. 中國輕工業出版社 2008.7 第二版3 胡漢才.單片機原理及接口技術M.清華大學出版社,19964 李志全等.智能儀表設計原理及應用M.國防工業出版社,1998.65 何立民.MCS-51 系列單片機應用系統設計M.北京航空航天大學出版社,19906