嵌入式系統(tǒng)設計 溫室大棚溫度無線測控系統(tǒng)的設計.doc

00000嵌入式系統(tǒng)原理課程設計-溫室大棚溫度無線測控系統(tǒng)姓名專業(yè)電子信息工程指導教師成員1嵌入式系統(tǒng)設計-溫室大棚溫度無線測控系統(tǒng)目錄1摘要.21.1需求分析.21.2課題研究內(nèi)容.32系統(tǒng)總體設計方案.32.1系統(tǒng)工作原理.42.2系統(tǒng)組成.42.3系統(tǒng)性能指標.63硬件電路設計.63.1單片機的選擇.63.2單片機的最小系統(tǒng)設計.63.3溫度傳感器的選擇.73.4無線收發(fā)模塊.93.5串口通信.94軟件設計.114.1下位機軟件設計.114.2上位機軟件設計.145系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析.155.1硬件電路的調(diào)試.155.2系統(tǒng)可靠性及抗干擾設計.16參考文獻.19附錄19心得體會（柳慶）202嵌入式系統(tǒng)設計溫室大棚溫度無線測控系統(tǒng)的設計摘要隨著大棚技術(shù)的普及，溫室大棚數(shù)量的不斷增多，對其溫度的控制就顯得非常重要，而利用科學技術(shù)改善大棚溫度監(jiān)測條件是符合社會主義新農(nóng)村建設的指導思想的，因此，開發(fā)一種能夠?qū)崟r、準確地處理溫度信息的無線測控系統(tǒng)就變得很有必要。本課題是基于單片機并采用1-wire總線技術(shù)和無線傳輸技術(shù)，設計一種應用于溫室大棚的溫度測控系統(tǒng)。它的原理是利用溫度傳感器將溫室大棚內(nèi)的溫度發(fā)給單片機處理，最后再通過無線傳輸模塊、RS-232總線將采集的數(shù)據(jù)傳送到計算機，進行溫度的顯示、處理和報警。整個系統(tǒng)設計分為硬件和軟件兩部分。在硬件方面，對硬件的各個環(huán)節(jié)都進行了仔細的分析、選取和設計。系統(tǒng)以單片機AT89S51為控制核心，采用溫度傳感器DS18B20進行數(shù)據(jù)采集，通過無線收發(fā)模塊進行無線傳輸。在無線接收端，利用LCD液晶顯示模塊進行相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，并且單片機可通過RS232接口與計算機通信，進行溫度的檢測與控制。在軟件方面，分為下位機軟件與上位機軟件兩部分。下位機軟件采用了C51高級語言進行程序設計，實現(xiàn)軟件編程的模塊化和獨立性，具有良好的可測試性和可靠性。上位機軟件采用C+Builder作為開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)與下位機通信、數(shù)據(jù)處理與顯示等功能。【關(guān)鍵詞】：溫室大棚；AT89S51；DS18B20；溫度監(jiān)控；無線傳輸1.1需求分析名稱溫室大棚溫度無線測控系統(tǒng)目的實現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動化、科學化的基本保證。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析,結(jié)合作物生長規(guī)律,控制環(huán)境條件,使作物在不適宜生長的反季節(jié)中,可獲得比室外生長更優(yōu)的環(huán)境條件,從而使作物達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。輸入溫度感應器、濕度感應器、亮度感應器輸出手機、中央控制中心功能管理人員不需要留在現(xiàn)場也能監(jiān)測到大棚的情況生產(chǎn)成本較低功耗低性能好物理尺寸和質(zhì)量適中3圖1.1環(huán)測溫控系統(tǒng)1.2課題研究內(nèi)容本課題的任務是設計一個大棚溫度無線測控系統(tǒng)，對溫室大棚的溫度進行監(jiān)測和控制。本文將詳細地介紹利用單片機制成的測溫模塊的軟硬件設計和無線傳輸模塊的具體應用，并給出溫度傳感器接口的軟件設計方案以及上位機界面的設計方案。圖1.2大棚溫度無線測控系統(tǒng)的信息流圖2系統(tǒng)總體設計方案本系統(tǒng)主要針對溫室內(nèi)溫度，設計了以PC機為上位機,單片機為下位機的溫室大棚的溫度無線測控系統(tǒng)。綜合考慮系統(tǒng)的精度、效率以及經(jīng)濟性要求這三個方面之后,最終確定下位機以AT89S51單片機為控制核心,選用性價比比較高的傳感器DS18B20，實現(xiàn)對溫度精確測量與準確控制。當單片機檢測到溫度超過設定值時,則啟動報警措施。下位機可以通過應用系統(tǒng)服務器中央控制中心路由器MA8-1手機InternetGRPSMA8-6RS-232亮度感應器溫度感應器濕度感應器測量溫度溫度單片機數(shù)碼管顯示無線發(fā)射模塊通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送大棚的溫度信息顯示信息無線接收模塊RS232接口電平轉(zhuǎn)換電腦溫度電信號4RS-232實現(xiàn)和上位機的串行通訊。為了便于系統(tǒng)的調(diào)試、移植、修改,軟件設計以C語言為基礎(chǔ),采用模塊化設計,主要包括單片機的最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊、液晶顯示模塊、無線收發(fā)模塊以及串行通訊模塊。上位機使用C+Builder編寫溫度監(jiān)控界面。系統(tǒng)的總體設計分為硬件和軟件設計兩方面，首先確定系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，然后對硬件、軟件分別進行規(guī)劃，完成這些準備工作之后，就可以開始制作硬件電路，編寫軟件程序，在模塊化調(diào)試結(jié)束后，進行軟硬件聯(lián)調(diào)，針對出現(xiàn)的問題對軟硬件進行相應的修改，直到調(diào)試成功為止。系統(tǒng)的總體設計流程圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)總體設計流程圖2.1系統(tǒng)工作原理單片機首先通過溫度傳感器DS18B20采集溫室大棚的溫度，再通過無線發(fā)射模塊，利用單片機的串口進行編程，將測得大棚的溫度一位一位地傳送到監(jiān)控室的接收模塊中；接收模塊通過RS232接口與電腦相連，把數(shù)據(jù)傳給電腦。在上位機中，利用C+Builder編程，讓電腦和單片機正常地進行數(shù)據(jù)傳輸，同時上位機界面顯示大棚的溫度，并對異常的溫度變化進行報警，實現(xiàn)對大棚溫度的無線測控，保證了農(nóng)作物在適宜的溫度下生長。2.2系統(tǒng)組成整個無線監(jiān)測系統(tǒng)主要分為三部分：即溫度檢測、無線傳輸和PC機對溫度的監(jiān)測環(huán)節(jié)。明確功能要求軟件及硬件的功能分配硬件電路設計電路細節(jié)設計軟件設計硬件調(diào)試軟件調(diào)試需要開發(fā)工具支持軟硬件聯(lián)調(diào)程序固化需要程序燒寫器支持運行有問題?結(jié)束軟硬件修改YN5圖2.2系統(tǒng)的整體連接圖（1）溫度檢測模塊的組成在溫度檢測中,由單片機AT89S51主控制器所組成的最小系統(tǒng)以及外部接口模塊主要有溫度傳感器(DS18B20)、LED八段碼顯示器,無線發(fā)射模塊，各模塊連接如下圖所示。圖2.3單片機溫度檢測模塊（2）溫度無線傳輸模塊的組成無線傳輸系統(tǒng)主要有單片機AT89S51組成的最小系統(tǒng)以及無線接收模塊，液晶1602顯示和串口通訊模塊組成。在本設計中，在無線接收端采用1602液晶(16引腳帶背光接口)進行顯示。液晶是一種極低功耗的顯示器件。在袖珍式儀表或低功耗應用系統(tǒng)中使用較多。各模塊的連接框圖如下圖所示。圖2.4無線傳輸模塊（3）上位機對溫度的監(jiān)測實現(xiàn)大棚溫度的顯示并且實時繪制出曲線，一旦溫度有異常變化馬上讓電腦發(fā)出報警提示。還加以整個系統(tǒng)的介紹和圖片，方便使用者了解系統(tǒng)的原理和功能。溫室大棚無線發(fā)射模塊主控制器時鐘控制器復位單元電源溫度傳感器數(shù)碼管顯示液晶顯示單元無線接收模塊主控制器時鐘控制器復位單元電源溫室大棚無線傳輸模塊測溫裝置監(jiān)控室的電腦6圖2.5上位機的監(jiān)測模塊2.3系統(tǒng)性能指標本系統(tǒng)具有良好的可靠性和經(jīng)濟性，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫室大棚溫度的準確測量和控制，在實際應用中有一定價值。具體性能指標分述如下。測溫范圍：0+50；測溫分辨率：0.1；工作電壓：220V；功耗：600mW；監(jiān)測距離：200m左右；3硬件電路設計3.1單片機的選擇在此次設計中，采用AT89S51作為系統(tǒng)的控制芯片。AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元。3.2單片機的最小系統(tǒng)設計在本設計中采用了AT89S51單片機作為核心處理器，因此在電路中首先設計的是AT89S51的最小系統(tǒng)。AT89S51單片機的最小系統(tǒng)包含以下幾部分。單片機供電電路：AT89S51需要可靠的5V供電，在電路圖中的VCC和GND為供電網(wǎng)絡標識符；振蕩電路：AT89S51需要一個穩(wěn)定的振蕩電路才能夠正常工作，單片機的時鐘信號是用來提供單片機內(nèi)各種微操作的基準。在該電路中采用了12MHz的晶振作為AT89S51的時鐘源；這里采用的是內(nèi)部振蕩方式，在引腳XTAL1和XTAL2外接晶振，通過內(nèi)部振蕩得到的時鐘信號比較穩(wěn)定，在電路中使用較多。在下面的電路圖中可以看到在晶振兩側(cè)連了兩個電容C2，C3，它們是起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，電容值一般為530pF。本設計中用的是30pF的電容。復位電路：復位電路是單片機正常運行的一個必要部分。復位操作一般有兩種基本形式：上電復位和開關(guān)復位。在本設計中采用的是第二種。復位電路應該保證單片機在上電的瞬間進行一次有效的復位，在單片機正常工作時將RST引腳置低。此外通過一個按鍵進行手動復位，在單片機運行不正常時使用。上電后，由于電容充電，是RST持續(xù)一段高電腦顯示Max232電平轉(zhuǎn)換單元RS232接口無線接收模塊7電平時間。當單片機已經(jīng)在運行時，按下復位鍵也能使RST持續(xù)一段高電平，從而實現(xiàn)上電且開關(guān)復位的操作。通常我們選擇的復位電容為1050F，電阻為110k。在本設計中復位電容選的是47F的，電阻選的是10k的。AT89S51的最小系統(tǒng)電路如圖3.1所示。圖3.1AT89S51的最小系統(tǒng)電路3.3溫度傳感器的選擇在選擇溫度傳感器時，應考慮的主要因素有溫度的測量范圍、精度、測溫時間、穩(wěn)定性、靈敏度和經(jīng)濟性。（1）數(shù)字溫度傳感器簡介數(shù)字溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。這些芯片在檢測點已把被測信號數(shù)字化了，因此在單總線上傳送的是數(shù)字信號，這使得系統(tǒng)的抗干擾性好、可靠性高、傳輸距離遠。由于AT89S51單片機內(nèi)沒有A/D轉(zhuǎn)換器，為了準確地采集溫度，一種方法是在外圍電路中加A/D轉(zhuǎn)換器，但是這樣就使軟硬件設計更加復雜化；還有一種更簡單的方法就是使用數(shù)字溫度傳感器。所以，在本設計中，采用的是單總線數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）。它能夠滿足本設計要求，而且它具有體積小、構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單并且成本低等優(yōu)點，應用越來越廣泛。（2）DS18B20的功能介紹DS18B20是Maxim-Dallas公司生產(chǎn)的一款高性能、寬測溫范圍的串行數(shù)字接口溫度傳感器。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強、易配處理器等優(yōu)點，特別適用于構(gòu)成多點溫度測控系統(tǒng)。DS18B20的ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的,共分為8個字節(jié)，字節(jié)0的內(nèi)容是該產(chǎn)品的廠家代號28H，字節(jié)16的內(nèi)容是48位器件序列號，字節(jié)7是ROM前56位校驗碼。它可以看作是該DS18B20的地址序列碼,每個DS18B20的64位序列號均不相同，這樣就可以實現(xiàn)1根總線上并接多個DS18B20溫度傳感器而互不影響。在單片機容量允許內(nèi)，最多可以掛接256個DS18B20（實際應用中最多掛8個，超過8個就需EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1AT89S5112Y1XTALVCC30pFC230pFC3GND10KR1S1SW-PBVCCGNDRSTRST47uFC18要解決微處理器的總線驅(qū)動問題)。以下將簡要地介紹它的使用。1）DS18B20的性能指標DS18B20溫度傳感器的主要性能指標如下：供電電壓：3.0V5.5V；測量溫度范圍：-55+125；測量溫度精度：在-10+85是0.5；測溫分辨率可達0.0625；2）DS18B20的引腳定義及結(jié)構(gòu)DS18B20具有8-Pin的SOIC封裝和TO-92的封裝，其引腳分布如圖3.2所示。DS18B20的各引腳功能說明如下：DQ：數(shù)據(jù)端；VDD：供電電源；GND：電源供給地；DS18B20主要有64位ROM、溫度敏感元件、非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL及配置寄存器四部分組成。配置寄存器為高速暫存存儲器的第5個字節(jié)。DS18B20在工作時按此寄存器的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換成相應精度的數(shù)值。DS18B20對所測數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換結(jié)果以16bit帶符號位擴展的二進制補碼的形式存放在寄存器中。DS18B20通過其內(nèi)部的數(shù)字轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,通過顯示模塊直接以數(shù)字方式顯示溫度。其典型的溫度值數(shù)據(jù)如表3.1所示。表3.1DS18B20典型溫度數(shù)值溫度數(shù)字輸出對應的二進制碼十六進制碼+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100010191H+10.125000000001010001000A2H+0.500000000000010000008H000000000000000000000H-0.51111111111111000FFF8H-10.1251111111101011110FF5EH-25.06251111111101101111FD6FH-55111111001001