嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì) 溫室大棚溫度無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).doc

00000嵌入式系統(tǒng)原理課程設(shè)計(jì)-溫室大棚溫度無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)姓名專業(yè)電子信息工程指導(dǎo)教師成員1嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)-溫室大棚溫度無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)目錄1摘要.21.1需求分析.21.2課題研究?jī)?nèi)容.32系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(biāo).63硬件電路設(shè)計(jì).63.1單片機(jī)的選擇.63.2單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì).63.3溫度傳感器的選擇.73.4無(wú)線收發(fā)模塊.93.5串口通信.94軟件設(shè)計(jì).114.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì).114.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì).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(shè)計(jì).16參考文獻(xiàn).19附錄19心得體會(huì)（柳慶）202嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫室大棚溫度無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(duì)其溫度的控制就顯得非常重要，而利用科學(xué)技術(shù)改善大棚溫度監(jiān)測(cè)條件是符合社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的指導(dǎo)思想的，因此，開發(fā)一種能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地處理溫度信息的無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)就變得很有必要。本課題是基于單片機(jī)并采用1-wire總線技術(shù)和無(wú)線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于溫室大棚的溫度測(cè)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(jī)處理，最后再通過(guò)無(wú)線傳輸模塊、RS-232總線將采集的數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)，進(jìn)行溫度的顯示、處理和報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩部分。在硬件方面，對(duì)硬件的各個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行了仔細(xì)的分析、選取和設(shè)計(jì)。系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S51為控制核心，采用溫度傳感器DS18B20進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行無(wú)線傳輸。在無(wú)線接收端，利用LCD液晶顯示模塊進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，并且單片機(jī)可通過(guò)RS232接口與計(jì)算機(jī)通信，進(jìn)行溫度的檢測(cè)與控制。在軟件方面，分為下位機(jī)軟件與上位機(jī)軟件兩部分。下位機(jī)軟件采用了C51高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)軟件編程的模塊化和獨(dú)立性，具有良好的可測(cè)試性和可靠性。上位機(jī)軟件采用C+Builder作為開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)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(wú)線傳輸1.1需求分析名稱溫室大棚溫度無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)目的實(shí)現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動(dòng)化、科學(xué)化的基本保證。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,結(jié)合作物生長(zhǎng)規(guī)律,控制環(huán)境條件,使作物在不適宜生長(zhǎng)的反季節(jié)中,可獲得比室外生長(zhǎng)更優(yōu)的環(huán)境條件,從而使作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。輸入溫度感應(yīng)器、濕度感應(yīng)器、亮度感應(yīng)器輸出手機(jī)、中央控制中心功能管理人員不需要留在現(xiàn)場(chǎng)也能監(jiān)測(cè)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(cè)溫控系統(tǒng)1.2課題研究?jī)?nèi)容本課題的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)大棚溫度無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)，對(duì)溫室大棚的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。本文將詳細(xì)地介紹利用單片機(jī)制成的測(cè)溫模塊的軟硬件設(shè)計(jì)和無(wú)線傳輸模塊的具體應(yīng)用，并給出溫度傳感器接口的軟件設(shè)計(jì)方案以及上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)方案。圖1.2大棚溫度無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)的信息流圖2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)主要針對(duì)溫室內(nèi)溫度，設(shè)計(jì)了以PC機(jī)為上位機(jī),單片機(jī)為下位機(jī)的溫室大棚的溫度無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)。綜合考慮系統(tǒng)的精度、效率以及經(jīng)濟(jì)性要求這三個(gè)方面之后,最終確定下位機(jī)以AT89S51單片機(jī)為控制核心,選用性價(jià)比比較高的傳感器DS18B20，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度精確測(cè)量與準(zhǔn)確控制。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí),則啟動(dòng)報(bào)警措施。下位機(jī)可以通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器中央控制中心路由器MA8-1手機(jī)InternetGRPSMA8-6RS-232亮度感應(yīng)器溫度感應(yīng)器濕度感應(yīng)器測(cè)量溫度溫度單片機(jī)數(shù)碼管顯示無(wú)線發(fā)射模塊通過(guò)串口把數(shù)據(jù)發(fā)送大棚的溫度信息顯示信息無(wú)線接收模塊RS232接口電平轉(zhuǎn)換電腦溫度電信號(hào)4RS-232實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的串行通訊。為了便于系統(tǒng)的調(diào)試、移植、修改,軟件設(shè)計(jì)以C語(yǔ)言為基礎(chǔ),采用模塊化設(shè)計(jì),主要包括單片機(jī)的最小系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊、液晶顯示模塊、無(wú)線收發(fā)模塊以及串行通訊模塊。上位機(jī)使用C+Builder編寫溫度監(jiān)控界面。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分為硬件和軟件設(shè)計(jì)兩方面，首先確定系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，然后對(duì)硬件、軟件分別進(jìn)行規(guī)劃，完成這些準(zhǔn)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(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)，針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)軟硬件進(jìn)行相應(yīng)的修改，直到調(diào)試成功為止。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖2.1系統(tǒng)工作原理單片機(jī)首先通過(guò)溫度傳感器DS18B20采集溫室大棚的溫度，再通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊，利用單片機(jī)的串口進(jìn)行編程，將測(cè)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(guò)RS232接口與電腦相連，把數(shù)據(jù)傳給電腦。在上位機(jī)中，利用C+Builder編程，讓電腦和單片機(jī)正常地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)上位機(jī)界面顯示大棚的溫度，并對(duì)異常的溫度變化進(jìn)行報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚溫度的無(wú)線測(cè)控，保證了農(nóng)作物在適宜的溫度下生長(zhǎng)。2.2系統(tǒng)組成整個(gè)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為三部分：即溫度檢測(cè)、無(wú)線傳輸和PC機(jī)對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)電路細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)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(yùn)行有問(wèn)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(cè)模塊的組成在溫度檢測(cè)中,由單片機(jī)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(wú)線發(fā)射模塊，各模塊連接如下圖所示。圖2.3單片機(jī)溫度檢測(cè)模塊（2）溫度無(wú)線傳輸模塊的組成無(wú)線傳輸系統(tǒng)主要有單片機(jī)AT89S51組成的最小系統(tǒng)以及無(wú)線接收模塊，液晶1602顯示和串口通訊模塊組成。在本設(shè)計(jì)中，在無(wú)線接收端采用1602液晶(16引腳帶背光接口)進(jìn)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(yīng)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(wú)線傳輸模塊（3）上位機(jī)對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)大棚溫度的顯示并且實(shí)時(shí)繪制出曲線，一旦溫度有異常變化馬上讓電腦發(fā)出報(bào)警提示。還加以整個(gè)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(wú)線發(fā)射模塊主控制器時(shí)鐘控制器復(fù)位單元電源溫度傳感器數(shù)碼管顯示液晶顯示單元無(wú)線接收模塊主控制器時(shí)鐘控制器復(fù)位單元電源溫室大棚無(wú)線傳輸模塊測(cè)溫裝置監(jiān)控室的電腦6圖2.5上位機(jī)的監(jiān)測(cè)模塊2.3系統(tǒng)性能指標(biāo)本系統(tǒng)具有良好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫室大棚溫度的準(zhǔn)確測(cè)量和控制，在實(shí)際應(yīng)用中有一定價(jià)值。具體性能指標(biāo)分述如下。測(cè)溫范圍：0+50；測(cè)溫分辨率：0.1；工作電壓：220V；功耗：600mW；監(jiān)測(cè)距離：200m左右；3硬件電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)的選擇在此次設(shè)計(jì)中，采用AT89S51作為系統(tǒng)的控制芯片。AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)單元。3.2單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中采用了AT89S51單片機(jī)作為核心處理器，因此在電路中首先設(shè)計(jì)的是AT89S51的最小系統(tǒng)。AT89S51單片機(jī)的最小系統(tǒng)包含以下幾部分。單片機(jī)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(luò)標(biāo)識(shí)符；振蕩電路：AT89S51需要一個(gè)穩(wěn)定的振蕩電路才能夠正常工作，單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)是用來(lái)提供單片機(jī)內(nèi)各種微操作的基準(zhǔn)。在該電路中采用了12MHz的晶振作為AT89S51的時(shí)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(guò)內(nèi)部振蕩得到的時(shí)鐘信號(hào)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(gè)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(shè)計(jì)中用的是30pF的電容。復(fù)位電路：復(fù)位電路是單片機(jī)正常運(yùn)行的一個(gè)必要部分。復(fù)位操作一般有兩種基本形式：上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。在本設(shè)計(jì)中采用的是第二種。復(fù)位電路應(yīng)該保證單片機(jī)在上電的瞬間進(jìn)行一次有效的復(fù)位，在單片機(jī)正常工作時(shí)將RST引腳置低。此外通過(guò)一個(gè)按鍵進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，在單片機(jī)運(yùn)行不正常時(shí)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(wú)線接收模塊7電平時(shí)間。當(dāng)單片機(jī)已經(jīng)在運(yùn)行時(shí)，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電且開關(guān)復(fù)位的操作。通常我們選擇的復(fù)位電容為1050F，電阻為110k。在本設(shè)計(jì)中復(fù)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(shí)，應(yīng)考慮的主要因素有溫度的測(cè)量范圍、精度、測(cè)溫時(shí)間、穩(wěn)定性、靈敏度和經(jīng)濟(jì)性。（1）數(shù)字溫度傳感器簡(jiǎn)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(hào)處理器、存儲(chǔ)器(或寄存器)和接口電路。它能夠直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。這些芯片在檢測(cè)點(diǎn)已把被測(cè)信號(hào)數(shù)字化了，因此在單總線上傳送的是數(shù)字信號(hào)，這使得系統(tǒng)的抗干擾性好、可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)。由于AT89S51單片機(jī)內(nèi)沒(méi)有A/D轉(zhuǎn)換器，為了準(zhǔn)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(shè)計(jì)更加復(fù)雜化；還有一種更簡(jiǎn)單的方法就是使用數(shù)字溫度傳感器。所以，在本設(shè)計(jì)中，采用的是單總線數(shù)字溫度傳感器（DS18B20）。它能夠滿足本設(shè)計(jì)要求，而且它具有體積小、構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且成本低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用越來(lái)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(cè)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(qiáng)、易配處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于構(gòu)成多點(diǎn)溫度測(cè)控系統(tǒng)。DS18B20的ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的,共分為8個(gè)字節(jié)，字節(jié)0的內(nèi)容是該產(chǎn)品的廠家代號(hào)28H，字節(jié)16的內(nèi)容是48位器件序列號(hào)，字節(jié)7是ROM前56位校驗(yàn)碼。它可以看作是該DS18B20的地址序列碼,每個(gè)DS18B20的64位序列號(hào)均不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)1根總線上并接多個(gè)DS18B20溫度傳感器而互不影響。在單片機(jī)容量允許內(nèi)，最多可以掛接256個(gè)DS18B20（實(shí)際應(yīng)用中最多掛8個(gè)，超過(guò)8個(gè)就需EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1AT89S5112Y1XTALVCC30pFC230pFC3GND10KR1S1SW-PBVCCGNDRSTRST47uFC18要解決微處理器的總線驅(qū)動(dòng)問(wèn)題)。以下將簡(jiǎn)要地介紹它的使用。1）DS18B20的性能指標(biāo)DS18B20溫度傳感器的主要性能指標(biāo)如下：供電電壓：3.0V5.5V；測(cè)量溫度范圍：-55+125；測(cè)量溫度精度：在-10+85是0.5；測(cè)溫分辨率可達(dá)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(shuō)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(bào)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(chǔ)器的第5個(gè)字節(jié)。DS18B20在工作時(shí)按此寄存器的分辨率將溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)精度的數(shù)值。DS18B20對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換結(jié)果以16bit帶符號(hào)位擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式存放在寄存器中。DS18B20通過(guò)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(guò)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(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼十六進(jìn)制碼+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100010191H+10.125000000001010001000A2H+0.500000000000010000008H000000000000000000000H-0.51111111111111000FFF8H-10.1251111111101011110FF5EH-25.06251111111101101111FD6FH-55111111001001