溫室中光照度的實時檢測及自動控制系統(tǒng)

2015屆畢業(yè)生

畢業(yè)論文題目:溫室中光照度的實時檢測及自動控制系統(tǒng) 院系名稱：電氣工程學院專業(yè)班級: 電氣F1101學生姓名： 學號： 指導教師： 教師職稱： 講師年月日摘要溫室大棚技術是近年來逐步發(fā)展起來的一種資源節(jié)約型高效設施農(nóng)業(yè)技術，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛的應用，對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的作用。它突破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植受地域、季節(jié)、氣候、自然環(huán)境等因素的限制，為農(nóng)作物提供了適宜的生長環(huán)境。而光照作為植物生長的三大要素之一，是農(nóng)作物制造養(yǎng)分的必要條件，也是形成溫室小氣候的主導因素。因此，使用光照度計對溫室大棚里的光照度進行測量是十分重要的。針對這一問題，本論文采用PWM調(diào)光技術，完成了溫室中光照度的實時檢測及控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序的設計，并用Proteus軟件進行了模擬仿真，并做出了實物模型。通過對本設計系統(tǒng)進行檢測，測試結果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測量精度高，不僅實現(xiàn)了溫室大棚中光照度的測量的需求，還能對溫室內(nèi)光照進行有效的監(jiān)控。關鍵詞：溫室光照度檢測光照度控制STC89C52PWMTitleTheilluminanceofthereal-timedetectionandautomaticControlsystemingreenhouseAbstractGreenhousestechnologyisakindofresourcesavingefficientfacilitiesagriculturetechnologydevelopedgraduallyinrecentyears,whichhasbeenwidelyusedinmodernagriculturalproductionandplaysanimportantroleinmodernagriculturalproduction.Itbreaksthroughthelimitoftraditionalfarminginregion,season,climate,naturalenvironmentandsoon,andprovidestheappropriategrowthenvironmentforcrops.Lightingasoneofthreemainfactorsforplantgrowth,isthenecessaryconditionforcropstoproducefood,andisthedominantfactorofformationofgreenhousemicroclimate.Therefore,theuseoflightmetertomeasurethelightinthegreenhousesisveryimportant.Inordertosolvethisproblem,thispapercompletedthedesignofthehardwarecircuitandsoftwareprogramaboutthelightreal-timedetectionandcontrolsystemingreenhousebyadoptingthePWMdimmingtechnology,hadrunthesimulationwithProteus,andmadeaphysicalmodel.Bytestingthissystem,thetestresultsshowthatthesystemrunsstablyandhighmeasuringaccuracy.Itnotonlyhasrealizedtherequirementsofmeasuringlightingreenhouses,butalsocanprocesstheeffectivemonitoringoflightinsidethegreenhouse.Keywordsgreenhouse；illuminancedetection；illuminancecontrol；STC89C52；PWM目錄摘要 ITOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1緒論 1\o"CurrentDocument"1.1課題研究的背景及意義 1\o"CurrentDocument"1.2國外研究現(xiàn)狀 2\o"CurrentDocument"1.3國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2\o"CurrentDocument"1.4本設計主要內(nèi)容 3\o"CurrentDocument"方案分析 5\o"CurrentDocument"2.1光照傳感器的方案分析 5\o"CurrentDocument"2.2調(diào)光方式的方案分析 5\o"CurrentDocument"硬件設計 7\o"CurrentDocument"3.1硬件選型及電路設計 7\o"CurrentDocument"3.2版圖設計 12\o"CurrentDocument"軟件設計 13\o"CurrentDocument"軟件流程圖 13\o"CurrentDocument"4.2程序調(diào)試 13\o"CurrentDocument"4.3仿真分析 15\o"CurrentDocument"結論 18\o"CurrentDocument"致謝 19\o"CurrentDocument"參考文獻 20\o"CurrentDocument"附錄：程序代碼 22緒論課題研究的背景及意義農(nóng)業(yè)是國家重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一，我國作為世界第一農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在我國經(jīng)濟建設和社會發(fā)展中占有舉足輕重的地位。良好的氣候與生態(tài)環(huán)境條件是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要保障，而我國幅員遼闊，氣候和生態(tài)環(huán)境條件相對惡劣，制約了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。溫室技術的出現(xiàn)為農(nóng)作物的生長提供了適宜的生長環(huán)境，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，促進了農(nóng)業(yè)的高效持續(xù)發(fā)展。溫室是一種可以為植物的生長創(chuàng)造最佳條件的場所，它可以改變植物的生長環(huán)境，使植物免受外界惡劣氣候的干擾。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結構材料可在冬季或其他不適宜農(nóng)作物生長的季節(jié)栽培作物。建造溫室的目的就是為了創(chuàng)造出一個人工氣象環(huán)境。在這個環(huán)境中，我們可以模擬出適于作物生長的氣候條件，消除那些對作物生長不利的影響。沒有了外界氣候的制約，作物便能快速生長，這樣就能縮短生長周期，提高產(chǎn)量，以此來獲得可觀的經(jīng)濟效益。溫室技術是利用溫度、濕度、光照度、CO2等傳感器來獲取各項環(huán)境信息，并通過微控制器對數(shù)據(jù)進行分析、處理，同時根據(jù)作物生長的規(guī)律和特點，對溫室的溫度管理系統(tǒng)、光照管理系統(tǒng)等設施實施控制，來改善作物生長的環(huán)境條件，創(chuàng)造出適合其生長的環(huán)境條件，從而達到提高產(chǎn)量和質量，進行大規(guī)模生產(chǎn)的目的。相比于國內(nèi)，國外的溫室生產(chǎn)要早很多，在作物產(chǎn)量、生產(chǎn)技術和管理水平上都比國內(nèi)要高很多。但國外的溫室構架和控制管理，適應當?shù)氐牡乩憝h(huán)境，不能完全適應我國的情況。我國地域廣闊，南北氣候差異大，導致各地溫室構架和控制也不一致。由于起步較晚，發(fā)展時間短的原因，我國溫室技術的現(xiàn)代化管理水平不高而且在溫室環(huán)境監(jiān)測和控制技術方面也急需改進。如何將先進的測控技術和溫室環(huán)境因子測控有機結合起來，是溫室研究的一個重要方面。本課題就是在這樣的大背景下提出來的。光照是農(nóng)作物生長發(fā)育的關鍵條件之一，也是溫室環(huán)境因子中的一個重要因素直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質。對溫室作物來講，光照主要有兩個方面的作用：一是利用光合作用為作物提供能量，二是為溫室的微型氣候環(huán)境來提供能量。但是如果光照過強，會促進水分的蒸發(fā)，嚴重的話將會灼傷葉面，而光照過弱的話，將不利于植物的光合作用，不能使作物有效的生長。因而，對光照進行實時的檢測和監(jiān)控就變得非常的重要。近幾年，隨著我國從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向高產(chǎn)、高效、優(yōu)質的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)不斷邁進，對溫室大棚中光照度的檢測要求也越來越高，其應用領域也在不斷擴大。但是，目前絕大多數(shù)用于溫室大棚的光照檢測儀器十分簡易，在使用時卻需要操作人員根據(jù)具體的光照情況手動操作。這不僅給檢測帶來了很多不便，而且不能很好地適應現(xiàn)代化、數(shù)字化測量控制系統(tǒng)對傳感器的需求。因此，將研究新型自動化光照檢測及控制技術作為現(xiàn)代溫室研究項目的核心之一，運用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中，具有其獨特的學術和實用意義。1.2國外研究現(xiàn)狀國外對溫室大棚光照測控技術研究較早，始于20世紀50年代。最早出現(xiàn)的是使用模擬式的組合儀表在現(xiàn)場進行環(huán)境信息的采集，然后進行指示、記錄和控制。到了80年代末，分布式控制系統(tǒng)開始出現(xiàn)?，F(xiàn)如今，利用計算機進行多線路多因子綜合采集和控制的系統(tǒng)也在進行開發(fā)和研制。如今，溫室測控技術在世界各國都在快速發(fā)展，并且一些國家已經(jīng)實現(xiàn)自動化，并朝著全自動化的方向邁進。以園藝著稱的荷蘭，依靠先進的鮮花生產(chǎn)技術聞名于世，安放在玻璃溫室中的測控系統(tǒng)全部交由計算機操作。由英國倫敦大學農(nóng)學院研制出的溫室計算機遙控技術，可檢測50km以外的溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照度和二氧化碳等環(huán)境狀況,并進行遙控。采用差溫管理技術的美國，對果蔬、花卉等作物的開花和成熟期進行控制，從而來滿足市場的需求。韓國在溫室內(nèi)設置了光照控制等自動化裝置，希望以此來擴大生產(chǎn)規(guī)模并降低生產(chǎn)成本，但由于部分自動化裝置依然需要工作人員根據(jù)經(jīng)驗進行手動控制，因而沒能充分地發(fā)揮出它們的作用。目前，走在現(xiàn)代溫室高產(chǎn)農(nóng)業(yè)發(fā)展前列的是以色列，其先進的一體化智能光照控制溫室、配套的監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺以及相關設備均處在世界先進水平，這在極大程度上彌補了他們在農(nóng)業(yè)資源、氣候環(huán)境方面的先天不足。1.3國內(nèi)研究現(xiàn)狀早在2000多年前，我國就已經(jīng)開始用恰當?shù)谋Ｗo措施（溫室的雛形）來栽培作物，可以說我國是溫室栽培起源最早的國家。但至20世紀60年代，我國的溫室生產(chǎn)一直徘徊在小規(guī)模、低水平、發(fā)展速度緩慢的狀態(tài)。1979年至1994年，我國引入了一系列國外現(xiàn)代化溫室系統(tǒng)來進行實驗研究，如灌溉系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)、監(jiān)測與集中控制系統(tǒng)等，揭開了國內(nèi)現(xiàn)代化溫室的生產(chǎn)、研究和普及的帷幕。但是由于在引入時僅僅注重了溫室設備的引進，卻忽略了溫室的栽培技術和管理技術。并且引入的溫室能耗過高，最終導致了企業(yè)的虧損和停產(chǎn)。到了90年代初，我國大型溫室跌入谷底?！熬盼濉逼陂g，北京中以示范農(nóng)場建立，它采用進口自以色列的溫室技術，這有力地推動了我國現(xiàn)代化溫室的快速發(fā)展。到了90年代后期，研究了國外溫室設備的配置和溫室栽培技術后，我國開始自主研發(fā)一些溫室環(huán)境控制系統(tǒng)。1995年，“WJG-1型實驗溫室環(huán)境監(jiān)控計算機管理系統(tǒng)”由北京農(nóng)業(yè)大學成功研制出。此系統(tǒng)屬于小型分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，包含了溫濕度、光照、灌溉等子系統(tǒng)。1996年，江蘇理工大學研制出了基于工控機的溫室自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以利用傳感器來對溫室中的溫度、濕度、光照度、和二氧化碳等進行測量，并分別進行控制，是一個多變量輸入輸出系統(tǒng)。2009年河北農(nóng)業(yè)大學閻昭、劉淑霞等設計了適用于溫室大棚的一種基于USB接口的光照度記錄儀，發(fā)表了相關論文并申請了專利。在該系統(tǒng)中，USB接口芯片與單片機相連，通過USB接口實現(xiàn)單片機與PC機之間的數(shù)據(jù)通訊。該光照度記錄儀不但能夠實時測量溫室內(nèi)光照度，而且能夠插入U盤記錄數(shù)據(jù)實現(xiàn)與PC機之間的數(shù)據(jù)通信。此外還有很多高等院校和科研院都在進行溫室測控系統(tǒng)的相關研究。這些都預示著溫室測控技術在我國的強勁發(fā)展勢頭。自上世紀70年代以來，我國加強了對溫室中光照、溫度、濕度等環(huán)境因子的測控技術進行了研究，提高了研究水平，取得了一定的成就。由于溫室是一個非線性多變量的動態(tài)系統(tǒng)，為了給作物提供適宜的環(huán)境，這就需要更高的溫室環(huán)境檢測和控制技術。國內(nèi)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平較低，溫室的一次性投資大，可使用的相關技術較少，以及對操作人員的技術要求比較高等因素，限制了溫室測控技術在我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中的發(fā)展。1.4本設計主要內(nèi)容本設計以溫室中光照度的實時檢測及控制為研究方向，分析了數(shù)據(jù)采集方式和調(diào)光方式的各項方案，最終確定了合適的方案，設計了一套以STC89C52單片機為基礎的控制電路，用光敏電阻進行光照度信息的采集，通過A/D轉換器進行數(shù)模轉換，將數(shù)字信號傳遞給單片機，經(jīng)由單片機處理后，使用數(shù)碼管進行實時顯示，并根據(jù)采集的光照度數(shù)據(jù)，采用PWM技術進行調(diào)光來控制燈的亮度，從而實現(xiàn)自動調(diào)光。此外，可利用按鍵進行手動設置光照度參考值來實現(xiàn)目標光照度。本文主要內(nèi)容如下：第1章主要介紹溫室中光照度檢測及控制技術的研究背景，其在國內(nèi)外的發(fā)展狀況等，為本設計的實現(xiàn)提供了理論依據(jù)。第2章主要介紹了光照度傳感器的選擇及調(diào)光方案的選擇，分析了各種方案的優(yōu)缺點，并最終確定了本設計所采用的方案。第3章主要介紹了本設計中系統(tǒng)的硬件電路設計，從元件選型到原理圖的繪制，完成了本系統(tǒng)的硬件電路圖。第4章主要介紹了程序的編寫編譯和系統(tǒng)仿真，并對仿真結果進行了詳細分析。方案分析光照傳感器的方案分析本系統(tǒng)要利用光照度傳感器來進行光照度信號的采集，只有在此信號的基礎上才能進行后續(xù)的進一步處理，因此有必要對光照度傳感器的選擇進行討論。方案一：光敏電阻器光敏電阻器由能透光的半導體光電晶體構成。當特定波長的光照射到其表面時晶體內(nèi)載流子增加，電導率增加。光敏電阻器即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。入射光強時，電阻減小，入射光弱時，電阻增大。光敏電阻器的優(yōu)點在于：其內(nèi)部的光電效應和電極無關，可以使用直流電源。光敏電阻器一般用于測光、光控和光電轉換。光敏電阻器廣泛應用于自動照明燈控制電路、LED亮度自動調(diào)節(jié)電路及各種測量儀器中。方案二：光敏二極管光敏二極管利用了半導體的光生伏特效應原理，將光能轉換為電能。光敏二極管的種類很多，不同種類的光敏二極管，其特性也不盡相同。光敏二極管的優(yōu)點是線性好，響應速度快，對寬范圍波長的光具有較高的靈敏度，噪聲低；缺點是單獨使用輸出電流（或電壓）很小，需要加放大電路。適用于通訊及光電控制等電路。方案三：光敏晶體管光敏晶體管的優(yōu)點是測光范圍最廣、響應特性良好、利用價值高。其缺點是輸出電壓較小，幾乎不單個使用，一般要與放大器組合使用。綜上所述，在滿足需求的情況下，方案一中的光敏電阻器將是合理的選擇。故本設計中采用光敏電阻器作為光照度傳感器。2.2調(diào)光方式的方案分析對于調(diào)光方案來說，目前流行的有模擬調(diào)光、可控硅（TRAIC）調(diào)光和脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)光三種方案。每種調(diào)光方案都有不同的應用場合及優(yōu)缺點，那么選擇一種合理的、高效的調(diào)光方式進行環(huán)境調(diào)光對于該系統(tǒng)來說是非常重要的。下面將對這三種調(diào)光方案進行展開討論：方案一：模擬調(diào)光模擬調(diào)光是通過改變流過燈的電流大小，從而改變燈的發(fā)光亮度。通常有兩種方法實現(xiàn)模擬調(diào)光：一種是通過改變與燈串聯(lián)的限流電阻Rs的大小，來達到改變電流的目的；還有一種方法是利用控制芯片自帶的模擬調(diào)光引腳。通過改變引腳上的電壓值，來改變輸出電流的大小，從而來調(diào)節(jié)燈的亮度。模擬調(diào)光的缺點是驅動器的轉換效率會隨著輸出電流的減小而降低，這將會導致整個系統(tǒng)功耗的增大。并且采用模擬調(diào)光時，色溫與電流有著一定的函數(shù)關系，會隨著電流的改變而改變。如果需要使燈的顏色不產(chǎn)生偏差的話，就不能采用模擬調(diào)光方式。方案二：可控硅調(diào)光按照目前業(yè)界的設計標準，三端雙向可控硅（TRIAC）調(diào)光器連接的都是電阻負載，如果利用傳統(tǒng)三端雙向可控硅調(diào)光器控制燈的亮度，調(diào)控效果將無法達到最佳狀態(tài)。而采用可控硅調(diào)光會主要產(chǎn)生問題有：燈會產(chǎn)生100Hz/120Hz的閃爍，無法達到0-100%調(diào)光，如果要去除閃爍需加額外的虛擬負載電路，這將使驅動器整體效率降低。方案三：PWM調(diào)光PWM調(diào)光是基于人眼對于亮度閃爍不夠敏感的特性，使燈時亮時暗。如果亮暗的頻率超過100Hz,則人眼看到的是平均亮度，而不再是燈的閃爍。PWM調(diào)光通過調(diào)整負載亮暗的時間比例來調(diào)整亮度，即通過改變PWM信號的占空比來實現(xiàn)調(diào)光。PWM調(diào)光原理是通過控制燈的工作與不工作，從而控制流過燈的電流，使電流在設定的最大直流電流I與零電流之間工作。當PWM信號的占空比為D時，流max過燈的平均電流為：Ild=DI。由此可知，當I一定時，流過燈的平均電流與PWMledmax max信號的占空比D成正比。同時，燈的亮度與流過燈的電流成比例，因此，調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，即可調(diào)節(jié)燈的亮度。從以上分析可以看出，最好的調(diào)光方案應該是PWM調(diào)光。選擇PWM調(diào)光的主要依據(jù)如下：（1）PWM調(diào)光的調(diào)光范圍能夠從零到最大亮度，并且不會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象；（2）PWM調(diào)光效率更高；（3）在整個調(diào)光范圍內(nèi)，LED的顏色能夠保持一致。硬件設計硬件選型及電路設計本設計采用光敏電阻來采集光照度信號，采集到的信號經(jīng)A/D轉換電路后送到STC89C52單片機中進行處理。經(jīng)過處理后的信號會送給數(shù)碼管顯示出來，此即為當前光照度信息。另外單片機會將該光照度信息與系統(tǒng)設定值進行比較，根據(jù)比較結果來控制LED燈進行補光或減光操作。硬件電路框圖如圖3.1所示。圖3.1系統(tǒng)硬件電路框圖單片機本設計采用STC89C52單片機作為主控芯片。它擁有8K可編程Flash存儲器，512Byte的RAM,4組8位的I/O接口和三個定時器，完全滿足本設計的需求。并且功耗低、價格便宜也是其作為產(chǎn)品的一大優(yōu)勢。P0口是八位雙向I/O口，可被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用端口。P1口是八位雙向I/O口，主要作為通用I/O使用。P2口是八位雙向I/O口，可被作為高8位地址端口來訪問外部數(shù)據(jù)存儲器。P3口是八位雙向I/O口，除了作為通用I/O口使用外，主要是使用其第二功能。圖3.2是該單片機硬件原理圖。圖3.2單片機硬件原理圖晶振電路晶振對系統(tǒng)的運行時不可或缺的，由它來提供時鐘信號來使單片機正常工作。由于石英晶振具有非常好的頻率穩(wěn)定性和抗干擾能力，所以常用其來產(chǎn)生基準頻率。通過基準頻率來控制電路中的頻率的準確性。同時，它還可以產(chǎn)生振蕩電流，向單片機發(fā)出時鐘信號。如圖3.3是單片機的晶振電路。片內(nèi)電路與片外器件構成一個時鐘產(chǎn)生電路，片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率非常接近晶振頻率，常在1.2MHz?24MHz之間選取。Cl、C2是反饋電容，其值在20pF?lOOpF之間選取，典型值為3OpF。本電路選用的電容為3OpF,晶振頻率為12MHz。圖3.3晶振電路硬件原理圖復位電路復位電路的主要功能是使單片機進行初始化。在復位引腳加上大于2個機器周期的高電平即可對單片機進行復位。復位按鍵按下后，需要經(jīng)一定的延時后才能撤銷復位信號。因此，為了防止在按鍵過程中產(chǎn)生抖動而影響復位，利用RC復位電路即可解決此問題。原理圖如圖3.4所示。圖3.4復位電路硬件原理圖光照度傳感器電路光照度傳感器電路的功能是對外界的光照度進行感知，采集到當前環(huán)境中光照度值。該值為模擬量，可以經(jīng)A/D轉換電路處理成數(shù)字量后被單片機讀取，單片機將以此作為下一步動作的依據(jù)。其本質是光照度傳感器在接受不同光照度照射時，其電阻值會發(fā)生變化，，外圍電路可以把其電阻值的變化轉變?yōu)殡妷盒盘枺┖罄m(xù)電路來使用。如圖3.5所示，在此原理圖中，將用滑動變阻器代替光照度傳感器。圖3.5光照傳感器硬件原理圖A/D轉換電路A/D轉換電路是采用A/D轉換芯片將模擬信號轉換為數(shù)字信號。由光照度傳感器獲得的信號為模擬量，而單片機是采用布爾變量進行工作的，不能識別模擬量，因此，只能將模擬量轉換為單片機能夠識別的數(shù)字量，單片機才能處理，A/D轉換電路正是起著這一關鍵作用。在本設計中采用ADCO8O9芯片作為A/D轉換器。ADCO8O9是一個8位逐次逼近式模數(shù)轉換器，其原理圖如圖3.6所示。圖3.6A/D轉換電路硬件原理圖按鍵電路按鍵電路是人機交互中的輸入端，用戶可以通過按鍵設定所需參數(shù)。在本設計中，共有四個按鍵，分別為復位、設置、加、減。復位鍵使得在按鍵被按下后單片機可以進行復位。設置鍵可以讓用戶對光照度預設值進行設置，正常模式下，數(shù)碼管顯示當前環(huán)境的實時光照度，按下設置鍵后，則進入到設置預設值狀態(tài)，此時可以對預設值進行設置。加、減鍵可以在設置預設值狀態(tài)時增加或減少預設值的數(shù)值來設定參數(shù)。原理圖如圖3.7所示圖3.7按鍵電路硬件原理圖顯示電路顯示電路是人機交互中的輸出端，用戶可以從這里獲得所需參數(shù)。本設計采用的顯示電路為四個8段LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管相比于LCD液晶屏來說，其顯示效果更直觀，并且受反光的影響較小，在較強光下LCD可能看不清顯示內(nèi)容，而在這種情況下LED數(shù)碼管的顯示效果則好得多。在本設計中，LED數(shù)碼管負責顯示經(jīng)單片機處理后的環(huán)境實時光照度以及手動設置的預設值。原理圖如圖3.8所示圖3.8數(shù)碼管硬件原理圖調(diào)光電路調(diào)光電路是本系統(tǒng)中的被控部分。當單片機判斷當前環(huán)境光照度低于預設值時，增加調(diào)光電路中燈的亮度；當單片機判斷當前環(huán)境光照度高于預設值時，減小調(diào)光電路中燈的亮度。在這里用LED來模擬實際的調(diào)光燈，采用三極管來驅動LED。原理圖如圖3.9所示。圖3.9調(diào)光電路硬件原理圖3.2版圖設計本設計采用AltiumDesigner這款軟件來進行硬件原理圖的繪制。該軟件內(nèi)置大量元件模型，使用時只需找到所需元件即可進行調(diào)用。還可對元件各項參數(shù)進行更改，使其滿足所需。根據(jù)上述的電路設計思路，用Altiumdesigner繪制出了完整的電路圖?？傮w硬件原理圖如圖3.10所示。圖3.10總體硬件原理圖軟件設計4.1軟件流程圖系統(tǒng)軟件流程圖如圖4.1所示。程序進入主函數(shù)后，進行各項參數(shù)的初始化，其中會設定一個默認的光照度參考值，如果之后不用設置按鍵進行修改，則程序將會以此設定值進行比較。模數(shù)轉換器將不停的采集光照傳感器的數(shù)據(jù)，程序會將此采集的數(shù)據(jù)與設定值進行比較。如果該采集值大于系統(tǒng)設定的閾值，說明外界環(huán)境的光照強度過大，此時將直接關閉PWM輸出，使燈熄滅。如果采集值在閾值以下，則將其與設定值進行比較，如果大于設定值，說明外界光照強度大于所需，這時PWM將減小占空比輸出，使得燈的亮度變暗；如果小于設定值，說明外界光照強度小于所需，這時PWM將增大占空比輸出，使得燈的亮度變亮。圖4.1系統(tǒng)軟件流程圖4.2程序調(diào)試STC89C52單片機采用C語言作為編程語言，方便編寫。我使用Keil軟件來對程序進行編寫和編譯。Keil里面針對C語言具有對不同部分和關鍵詞用不同顏色來區(qū)分的功能，因此在視覺方面對代碼的編寫很方便。并且代碼編寫完成后，可以直接進行編譯，生成hex文件來下載到單片機中。如圖4.2，打開Keil程序后，需要新建工程，之后要選擇所使用的單片機型號。這里我們直接選擇STC89C52即可，確定后就新建了一個工程了。在左側的工程里添加C語言文件，并保存，之后就可以在這個文件中編寫源程序了。圖4.2Keil新建工程時選擇單片機型號程序編寫完成后，先及時保存，防止丟失。點擊編譯按鈕，Keil將對源程序進行編譯，并會在下邊顯示出編譯結果。如果程序有錯誤，下面就會顯示出錯誤類型和位置，雙擊報錯的那一行即可定位到源程序出現(xiàn)錯誤的位置。對源程序進行修改后，再次編譯，直至編譯后不再報錯為止。當源程序沒有問題后，點擊目標工具選項按鈕，找到輸出選項卡，把“生成HEX文件”的前面勾上，確定后再次進行編譯，則在工程文件夾里就生成了一個以hex為后綴名的文件。單片機不能識別C語言程序本身，只能通過編譯器編譯成hex文件，把hex文件載入單片機才能使單片機正常運行。如圖4.3，程序編譯完成后顯示錯誤數(shù)為0。圖4.3編譯程序4.3仿真分析確定了方案、畫出了電路圖、寫出了程序之后，就需要來驗證本設計方案是否可行。因此，我用Proteus軟件來進行仿真。Proteus軟件是一個專業(yè)的電路設計仿真軟件。利用此軟件可以搭建電路系統(tǒng)，豐富的元件庫足夠滿足本設計所需，使用時只需要選定需要的元件，在繪圖區(qū)域點擊鼠標，元件便能出現(xiàn)在繪圖區(qū)域。在該軟件中，我們不僅可以對元件進行參數(shù)的調(diào)整，還可以更改其文字標識，方便我們識別。如圖4.4所示，根據(jù)硬件原理圖，搭建出本系統(tǒng)的電路仿真圖。其中光敏電阻用滑動變阻器代替。由于Proteus元件庫里沒有STC89C52芯片，在此選用和其功能一樣的另一公司生產(chǎn)的同類型單片機AT89C52,這并不會對仿真的結果造成任何影響。為了更直觀地顯示調(diào)光結果，在輸出端接上示波器，這樣就可以在仿真的時候能夠簡單明了地看到，當輸入改變時，輸出的PWM的波形也會隨之相應改變。圖4.4系統(tǒng)仿真圖要想使系統(tǒng)能夠正常運行，程序是必不可少的。雙擊單片機芯片，彈出對話框在“ProgramFile"這一項里打開文件瀏覽，選擇之前生成的hex文件，點擊確定，這樣就把程序載入到了單片機中。如圖4.5所示。圖4.5Proteus中向單片機載入程序成功載入程序文件后，點擊界面左下角的開始按鈕，即可開始進行仿真。開始仿真后，數(shù)碼管會顯示A/D轉換器采集到的數(shù)據(jù)。右鍵單擊示波器元件，選擇“DigitalOscilloscope"，即可打開示波器監(jiān)視界面。根據(jù)設計方案來分析，當數(shù)碼管顯示的數(shù)字較小的時候，代表著外界光照強度較小，這時就需要提高燈的亮度來進行補償，因此PWM的輸出波形的占空比就會比較大，即高電平圖像比較寬，低電平圖像比較窄；當數(shù)碼管顯示的數(shù)字較大的時候，代表著外界光照強度較大，這時就需要降低燈的亮度來進行削減，因此PWM的輸出波形的占空比就會比較小，即高電平圖像比較窄，低電平圖像比較寬；當數(shù)碼管顯示數(shù)值直接大于閾值200的時候，說明外界光強過強，需要直接熄滅燈，即關閉PWM輸出，這時的波形圖象將是一條低電平直線。圖4.6不同輸入值下的輸出波形按鍵功能也能在該仿真中體現(xiàn)出來。運行仿真后，用鼠標點擊按鍵即可模擬按鍵按下。如圖4.7所示，按下設置鍵，數(shù)碼管第一位顯示“F”字符，代表著進入了設置模式。這時按加鍵或減鍵即可更改設定值，再按下設置鍵則退出設置模式。按下復位按鍵后，系統(tǒng)則會復位重啟。圖4.7對設置模式進行仿真對系統(tǒng)進行仿真的意義在于能夠更直觀地了解系統(tǒng)的運行情況。硬件選取是否合適，程序編寫是否有漏洞，最終效果能不能符合設計要求，這些問題都通過仿真得到了答案。通過對仿真結果的一系列分析可知，該系統(tǒng)成功實現(xiàn)了設計目的，達到了設計要求。結論本設計以溫室中光照度的實時檢測及控制為研究方向，分析了數(shù)據(jù)采集方式和調(diào)光方式的各項方案，確定了合適的方案后，設計了一套以STC89C52單片機為基礎的控制電路，用光敏電阻進行光照度信息的采集，通過A/D轉換器進行數(shù)模轉換，將采集到的模擬信號轉換為數(shù)字信號傳遞給單片機，經(jīng)由單片機處理后，使用數(shù)碼管進行實時顯示，并根據(jù)采集的光照度數(shù)據(jù)，采用PWM技術進行調(diào)光來控制燈的亮度，從而實現(xiàn)自動調(diào)光。此外，還可利用按鍵進行手動設置光照度參考值來實現(xiàn)目標光照度。本設計可以實現(xiàn)如下功能：對外界光照度進行實時檢測，并用數(shù)碼管實時顯示當前照度值；外界光照度大于預設值時，系統(tǒng)自動減光；小于預設值時，系統(tǒng)自動補光；外界光照度大于閾值時自動熄滅燈；可以用按鍵手動設置所需預設值來達到所需光照度。本設計具有以下特點：在元件選擇方面，考慮到對數(shù)據(jù)準確性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，選用運行速度快、兼容性高、功耗低的元件，使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定；采用PWM調(diào)光技術，在人眼閃爍分辨的范圍內(nèi)，將調(diào)光等級細分為40級，實現(xiàn)更加精細的調(diào)光；在能成功實現(xiàn)所需功能的基礎上，整個系統(tǒng)盡量采用較少的元件，既能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，又能方便后期維護，性價比整體提高。由于設計時間較短，本系統(tǒng)還存在一些遺憾。比如可以加入多路傳感器和控制電路，實現(xiàn)更多環(huán)境參數(shù)的實時檢測和控制；可以添加無線通信模塊，與上位機進行無線通信，實現(xiàn)無線遠程控制等。希望以后有機會能夠實現(xiàn)這些設想，使得該系統(tǒng)功能能夠更加完善。致謝光陰似箭，轉眼間四年的大學舞臺也要拉下帷幕，心中滿是無限留戀和不舍。在此，謹向那些在生活中、學習中給予我無私幫助、殷切鼓勵、無限支持的老師們同學們和親人朋友們致以誠摯的謝意。經(jīng)過這段時間的學習和緊張工作，本次畢業(yè)設計也已經(jīng)接近尾聲。對于自己在畢業(yè)設計中取得的這些許成果，實在應該歸功于張老師。沒有張老師的傳道授業(yè)解惑，就沒有我現(xiàn)在的畢業(yè)設計。最開始定題時，張老師就幫我詳細分析題目的大方向，討論一些可能實現(xiàn)的方案，給了我前進的目標；確定了設計方案后，對后續(xù)的工作細節(jié)方面，張老師提出了許多關鍵性建議，正是這些建議才能使我一步步順利完成系統(tǒng)設計，實現(xiàn)所需功能；在設計的整體細節(jié)方面，張老師也是嚴格要求，讓我知道了不僅是治學，就算平常的生活也要嚴于律己做人，規(guī)規(guī)矩矩做事。可以說沒有張老師的幫助就沒有本設計的順利實現(xiàn)，在此我謹向張老師致一聲誠摯的謝意：“老師，謝謝您！”我的室友和同學們在本設計中也提出了一些寶貴建議，并在生活中也給予了我很多幫助，讓我更加感受到我們這個朋友圈的溫暖。非常感謝他們的無私幫助，并祝愿大家事業(yè)有成，前程似錦。感謝電氣學院的各位領導和老師，在四年的學習生活中，老師們或在臺前傳授知識，或在背后默默幫助，讓我的大學生活更加充實多彩。祝愿老師們身體健康，萬事如意，桃李滿芬芳。特別要感謝的還有我的父母，他們在我的人生中就像燈塔一樣指引著我前進的方向。遇到困難鼓勵我，取得成績表揚我，把好東西都留給我，對我傾注了極大的心血和希望。父母之恩無以為報，唯有在學校好好學習，進入社會好好工作，以后讓他們過上舒適快樂的生活。祝愿我的父母永遠健康快樂。最后，對答辯委員會的各位老師道一聲您辛苦了！感謝各位老師對本論文的審閱及答辯工作。最后祝愿老師們工作順利，心想事成。參考文獻高智富.溫室環(huán)境控制技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國市場，2007(35):106-107.高鴻磊，諸定昌.植物生長與光照的關系[J].燈與照明，2005-12,29⑷:1-4.張峰，廖祥儒.補充光照對植物幼苗生長的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2008,36(8):3116-3117.張小林，羅來成.單片機在光度測試中的應用[J].江西科學，2004,22⑵:118-121.杜駿喜，趙若楠，徐江寧.一種基于Intel80C196KC單片機的自動光照檢測儀研究[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學學報，2004-02,35⑴:45-47.⑹楊曉東.日光溫室光照分布及調(diào)控技術[J].現(xiàn)代農(nóng)村科技，2013(5):68.杜尚豐.智能光照傳感器的研制[J].儀器儀表學報，2003-08,24⑷:298-299.鄒楊，儲健.農(nóng)田環(huán)境下溫度、濕度及光照度的檢測 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0-9+FucharData_[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x71,0x3f};sbitWei1=P2A0;//數(shù)碼管位接口sbitWei2=P2A4;sbitWei3=P2A2;sbitWei4=P2A6;//函數(shù)聲明externucharADC0809();//0809轉換程序voidDisplay(ucharX,ucharData);//顯示程序voiddelay(uintt);//延時函數(shù)//光照度數(shù)據(jù)變量uchartemp=0;//蜂鳴器變量ucharFF=125;//顯示模式ucharMode=0;//設置標志ucharp;uinta,b;uintnum=0;ui