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1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是以AT89S52單片機(jī)為核心，包括數(shù)字式溫濕度傳感器的一套控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括單片機(jī)、復(fù)位電路、空氣溫度檢測、空氣濕度檢測、土壤溫度檢測、土壤水分檢測、鍵盤及顯示及控制電路等，對空氣中的溫濕度、土壤溫度以及土壤水分等的采集是通過數(shù)字式傳感器實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字傳感器監(jiān)測到的數(shù)值通過JM12864F顯示。同時(shí)，設(shè)置了4個(gè)按鍵控制卷簾電機(jī)，當(dāng)監(jiān)測到的數(shù)值超出了系統(tǒng)所設(shè)定數(shù)值的上下限范圍時(shí)，單片機(jī)開始對電路進(jìn)行控制。該系統(tǒng)支持節(jié)電模式設(shè)置。節(jié)電模式包括空閑模式和斷電保護(hù)模式:空閑模式啟動時(shí)，單片機(jī)停止工作，而RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷工作繼續(xù);掉電保護(hù)模式啟動時(shí)，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位方可恢復(fù)正常。在掉電模式下，單片機(jī)的片內(nèi)程序存儲器允許重復(fù)在線編程，允許通過SPI串行口改寫數(shù)據(jù)，并將8位CPU與可在線下載的Flash集成在一個(gè)芯片上。此時(shí)，單片機(jī)AT89S52便成為一個(gè)高效的微型計(jì)算機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是成本低、應(yīng)用范圍廣，并可以解決復(fù)雜的控制問題。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1個(gè)大棚內(nèi)布置了3個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)對大棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度以及CO2濃度進(jìn)行采集。大棚的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)是通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一組采集模塊，共有3組采集模塊，每組采集模塊由若干個(gè)傳感器組成。數(shù)據(jù)采集模塊的作用和功能是利用單片機(jī)對各個(gè)傳感器進(jìn)行不間斷的巡回監(jiān)測，并將模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;單片機(jī)會將大棚內(nèi)每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)全都傳輸?shù)綗o線網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)上;子節(jié)點(diǎn)再將接收到的信息傳給主節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)再根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)建立基于zigbee的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。可見，在這個(gè)傳輸?shù)倪^程中子節(jié)點(diǎn)起到了對大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集以及轉(zhuǎn)換的作用，主節(jié)點(diǎn)起到了一個(gè)調(diào)節(jié)器的作用。主節(jié)點(diǎn)把子節(jié)點(diǎn)傳輸給它的數(shù)據(jù)負(fù)責(zé)傳輸?shù)皆撓到y(tǒng)的控制核心部分單片機(jī)上，單片機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析進(jìn)而來控制卷簾電機(jī)、噴灌系統(tǒng)的開啟與閉合，合理地調(diào)控大棚內(nèi)作物生長的最適環(huán)境。系統(tǒng)流程圖。

2．1信息采集模塊信息采集模塊由單片機(jī)、數(shù)字溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、SM2802M土壤水分傳感器和A/D轉(zhuǎn)換5個(gè)模塊組成，可實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫度、土壤水份、光照度及CO2濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測和控制。

1)單片機(jī):AT89S52單片機(jī)的特點(diǎn)是功耗低，具有高性能的8位微控制器，采用其作為系統(tǒng)的核心部分。由于該單片機(jī)的芯片上具有8位的CPU和可編程Flash的性能，為系統(tǒng)提供了靈活有效的解決方案。此外，AT89S52單片機(jī)可降到0Hz靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種可選擇的節(jié)電模式軟件，即空閑模式和掉電保護(hù)模式。單片機(jī)還具有重復(fù)寫程序和記憶的功能，是一個(gè)高效的微型計(jì)算機(jī)，可解決一些復(fù)雜的控制問題。與其他單片機(jī)相比，需要的成本很低。

2)數(shù)字溫濕度傳感器:該傳感器采用的是DB420型智能傳感元件設(shè)計(jì)開發(fā)的，具有其他類似的傳感器不具備的特點(diǎn)，如測量準(zhǔn)確、工作穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。傳感器的探頭采用銅燒結(jié)開孔護(hù)管，這種結(jié)構(gòu)透氣功能和防塵功能比較好。傳感器內(nèi)置的數(shù)字溫濕度傳感器可以將數(shù)字信號通過變送器內(nèi)部的中央處理器和數(shù)模轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號輸出出來3)土壤溫度傳感器:數(shù)字傳感器采用的是DS18B20型數(shù)字傳感器，是由美國的DALLAS半導(dǎo)體公司推出的。這種傳感器與熱敏電阻相比具有直接讀出被測溫度和可以根據(jù)實(shí)際要求實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式的簡單編程方法的優(yōu)點(diǎn)，9位和12位的數(shù)字量分別是在93．75ms和750ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，且通過DS18B20讀出和寫入的信息只需一根單線接口完成。數(shù)據(jù)總線為溫度的變換提供一個(gè)功率，無需外接電源，總線也可以為DS18B20供電。因此，使用DS18B20型數(shù)字傳感器在簡潔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的可靠性。4)SM2802M土壤水分傳感器:SM2802M土壤水分傳感器采用世界上最新的FDR原理制作，如圖4所示。與TDR型和FD型土壤水分傳感器相比，SM2802M土壤水分傳感器不僅在性能和精度上具有可比性，可靠性與測量速度要比TDR型和FD型更具優(yōu)勢。光照度傳感器的探頭采用的型號是GZD－015)A/D轉(zhuǎn)換模塊:A/D轉(zhuǎn)換模塊采用的是8路的ADC0809，具有逐次漸近的特性。其供電方式是采用單一的+5V電壓，同時(shí)片內(nèi)具有8選1的鎖存功能模擬開關(guān)。單片機(jī)采用中斷方式的接口電路來控制ADC。信號的傳輸是通過光照傳感器和CO2傳感器把非電的物理量轉(zhuǎn)換成電信號，然后把轉(zhuǎn)換成的電信號送到模擬轉(zhuǎn)換模塊ADC0809中，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號送到單片機(jī)中進(jìn)行相應(yīng)的處理。單片機(jī)通過I/O口由經(jīng)MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片把TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)進(jìn)行存儲，并通過液晶顯示器將存儲的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的顯示出來，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的功能。為了提高單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，在單片機(jī)系統(tǒng)中加入了微處理器監(jiān)控器芯片，集成了看門狗電路和掉電保護(hù)電路。

2．2ZigBee無線傳輸模塊設(shè)計(jì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有以下9個(gè)優(yōu)點(diǎn):低功耗、低成本低速率、支持大量節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、低?fù)雜度、快速、可靠和安全。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自上而下分為很多個(gè)層，具有代表性的是:物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。ZigBee網(wǎng)絡(luò)3種角色的設(shè)備分別為:協(xié)調(diào)器、匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)。Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)與單片機(jī)是通過星型網(wǎng)絡(luò)連接的，向指定節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間是由單片機(jī)控制的;同時(shí)，單片機(jī)根據(jù)設(shè)置的溫度上下限值來給控制器發(fā)送消息，當(dāng)控制器接收到的消息之后立即傳給星型網(wǎng)絡(luò)，星型網(wǎng)絡(luò)再傳給單片機(jī)，然后由單片機(jī)做出相應(yīng)的處理。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先，將各種傳感器以及外部設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，對溫濕度的傳感器和光照傳感器進(jìn)行上下限數(shù)值的設(shè)置，將其他外部的設(shè)備初始化。初始化之后溫濕度傳感器和光照傳感器開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于采集到的數(shù)據(jù)是數(shù)字信號，可直接用單片機(jī)來監(jiān)測環(huán)境值的變化;單片機(jī)將監(jiān)測到的數(shù)值進(jìn)行分析，將分析的溫度和濕度以及光照強(qiáng)度的最終值傳給液晶顯示器進(jìn)行顯示;顯示的分屏可以通過按鍵進(jìn)行改變，也可以通過按鍵對溫度和濕度以及光照的上下限值進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)溫濕度以及關(guān)照強(qiáng)度值超過了上下限值的時(shí)候，單片機(jī)會送出一個(gè)控制繼電器動作的標(biāo)志信號，進(jìn)而達(dá)到控制效果。軟件主程序流程圖。

4結(jié)語

基于單片機(jī)的溫濕度控制器系統(tǒng)由單片機(jī)、液晶屏顯示器、空氣溫濕度傳感器，土壤溫度傳感器，土壤水分傳感器，以及其他電路共同組成。該系統(tǒng)不但可以對空氣溫濕度、土壤溫度以及土壤水分含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，而且還可以對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理。同時(shí)，能夠根據(jù)育苗溫度設(shè)置程序的上下限數(shù)值，通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)對溫室通風(fēng)和換氣等操作。通過ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)可查詢現(xiàn)場某采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，該點(diǎn)的信息可以通過無線傳輸模塊傳給終端。同時(shí)，各個(gè)采集點(diǎn)也可以向終端定時(shí)發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)溫室大棚現(xiàn)場與遠(yuǎn)程控制端的實(shí)時(shí)通信，使溫室大棚的管理更加趨于現(xiàn)代化。

作者：董淏鳴衣淑娟趙斌劉英楠秦雯魏曉暉單位：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院