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滨州学院-分布式温室环境监测与控制系统

专家
2014-03-11 20:10:21    评分


作者:滨州学院 苗海委 张立 张晓东

指导教师:李卫兵 张成亮


  作品简介

  开发背景:随着改革开放的的发展,中国的现代化程度不断提高,随着国民经济的飞速发展,农业研究和应用越来越受到重视特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。如何提高温室作物的产量成为急需解决的问题,科学监控温室内各项环境参数已成为现代农业发展的趋势。

  ● 结构说明:

  本系统采用的主要模块包括

  ☞ STC12LE5A60S2单片机

  ☞ 计算机编写的上位机动态显示

  ● 功能与使用说明:

  √ 用户自定义设定、监控、调节温度、湿度

  √ 连续采集、记录并存储至少1000000个采样点的数据

  √ SD卡储存数据

  √ 计算机、中央控制单元、监测点三方数据无线传输,无线控制

  √ 800*480分辨率LCD动态清晰显示

  √ 计算机实时监控、实时数据分析

  √ 发送手机短信紧急报警

  √ 太阳能可再生供电,24小时连续工作

  √ 门窗、风扇、喷灌、卷帘机构全自动无人力控制

  ● 作品特色

  ♤ 模块化设计、便于投入使用

  ♤ SD卡可以长时间、大容量的储存数据,以便进行统计及记录

  ♤ 用户通过手机短信对系统参数设置进行修改

  ♤ 通过短信反馈修改执行的命令

  ♤ 采样点数据能够上传网络邮箱,用户可以远程查看


  平台选型说明

  系统采用STC12LE5A60S2单片机作为中央控制显示单元的控制器,该单片机采用1T周期,比传统51单片快12倍,2路PWM,8路AD,并且该单片拥有全双工双串口,并且可以通过设置改变串口的位置,能够轻松完成系统要求,并且程序简单,处理速度也满足要求。


  设计说明

  本系统完成温室环境监测与控制,以STC12LE5A60S2单片机、 800*400分辨率触摸显示屏模块、GSM通信模块、nrf905无线通信模块、Zigbee无线模块、DS18B20温度传感器、DHT11湿度传感、SD卡模块、为支撑平台进行设计与控制。

  模块化框图:

  ● 监测系统(DS18B20温度传感器、DHT湿度传感器):

  ۩ DS18B20温度传感器设计方案

  DSl820数字温度计提供9位(二进制)温度读数,精度高。指示器件的温度信 息经过单线接口送入DSl820或从DSl820送出因此从主机CPU到DSl8B20仅需一条线(和地线),DSl820的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源,方便快捷。DSl8B20的测量范围从-55到+125增量值为0.5可在l s(典型值)内把温度变换成数字。

  ۩ SD18B20温度传感器设计原理

  DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。

  ۩ DS18B20温度传感器原理图

  ۩ DHT11湿度传感器设计方案

  DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,

  并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中,传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口,使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗,信号传输距离可达20米以上,使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

  ۩ DHT11湿度传感器设计原理

  数字式温湿度传感器DHT11通过单总线与单片机连接,既可以传输时钟信号又可以传输数据信号,与以往传感器跟单片机接口的设计相比,不需要信号变换,A/D转换等电路,使得该传感器节点的硬件设计简单。

  ۩ DHT11湿度传感器原理图

  ● 通信方式:(NRF905、GSM、zigbee)

  ۩ NRF905设计方案

  由于nrf905有以下几个优点,故采用nrf905为无线传输节点

  1. 433/868/915Mhz 开放ISM 频段免许可证使用;

  2. 最高工作速率50kbps,高效GFSK调制,抗干扰能力强,特别

  适合工业控制场合,传输距离: 开阔地传输500米,距离传输视具体

  环境而定 ;

  3.满足多点通信和跳频通信需要 ;

  4. 内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制;

  5. 低功耗1.9 - 3.6V 工作,一般情况下,请使用3.3V供电待

  机模式下状态仅为2.5uA ,收发模式切换时间 < 650us ;

  6. 模块可软件设地址,只有收到本机地址时才会输出数据(提

  供中断指示),可直接接各种单片机使用,软件编程非常方便;

  7. TX Mode: 在+10dBm情况下,电流为30mA; RX Mode: 12.2mA ;

  8. 标准DIP间距接口,便于嵌入式应用;

  ۩ NRF905设计原理

  MOSI/MISO是发射/接收数据的通道;TRX_CE,TX_EN是收/发通道的控制端;PWR_UP是工作模式控制端;CSN、SCK为串行接口控制端;CD是接收模式下载波监测信号输出端;AM是接收到正确的数据包地址后芯片指示信号的输出端;DR是发射完一个数据包后芯片指示信号的输出端;uPCLK是芯片提供的一个可设置的时钟源信号输出端;ANT1和ANT2用于天线部分;XC1和XC2外接电路构成了晶体振荡电路。nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器、通信协议控制等模块,曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成,无需用户对数据进行曼彻斯特编码,因此使用非常方便。可自动处理字头和CRC(循环冗余码校验),使用SPI接口与微控制器通信,配置非常方便。由于nRF905采用抗干扰能力强的高斯频移键控(GFSK)调制方式,抗干扰能力强,能很好的减少噪声环境对系统性能的干扰。

此文档的相关视频来自:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/13502




关键词: 显示屏     传感器     单片机     控制系统    

专家
2014-03-11 20:11:57    评分
2楼

  ۩ NRF905原理图

  ۩ GSM模块设计方案

  GSM系统有几项重要特点:防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。

  ۩ GSM模块设计原理

  1.频谱效率:由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技术,使系统具有高频谱效率。

  2.容量:由于每个信道传输带宽增加,使同频复用栽干比要求降低至9dB,故GSM系统的同频复用模式可以缩小到4/12或3/9甚至更小(模拟系统为7/21);加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数,使GSM系统的容量效率(每兆赫每小区的信道数)比TACS

  系统高3~5倍。

  3.话音质量:鉴于数字传输技术的特点以及GSM规范中有关空中接口和话音编码的定义,在门限值以上时,话音质量总是达到相同的水平而与无线传输质量无关。

  4.开放的接口:GSM标准所提供的开放性接口,不仅限于空中接口,而且报刊网络直接以及网络中个设备实体之间,例如A接口和Abis

  接口。

  5. 安全性:通过鉴权、加密和TMSI号码的使用,达到安全的目的。鉴权用来验证用户的入网权利。加密用于空中接口,由SIM卡和网络AUC

  的密钥决定。TMSI是一个由业务网络给用户指定的临时识别号,以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。

  6.与ISDN、PSTN等的互连。与其他网络的互连通常利用现有的接口,如ISUP或TUP等。

  7.在SIM卡基础上实现漫游。漫游是移动通信的重要特征,它标志着用户可以从一个网络自动进入另一个网络。GSM系统可以提供全球漫游,当然也需要网络运营者之间的某些协议。

  ۩ zigbee模块设计方案

  Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。简而言之,ZigBee就是一种便宜的,低功耗的近距离无线组网通讯技术。Zigbee正好适合温室大棚中中央处理器和上位机的通信。

  ۩ Zigbee模块设计原理

  ①低功耗。在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个节点工作6~24个月,甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee节点。该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的ZigBee提供电源。

  ②低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10),降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。

  ③低速率。ZigBee工作在20~250kbps的速率,分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。

  ④近距离。传输范围一般介于10~100m之间,在增加发射功率后,亦可增加到1~3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。

  ⑤短时延。ZigBee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30ms,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要3~10s、WiFi 需要3 s。

  ⑥高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000 个节点的大网。

  ⑦高安全。ZigBee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用访问控制清单(Access Control List, ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码,以灵活确定其安全属性。

  ⑧免执照频段。使用工业科学医疗(ISM)频段,915MHz(美国), 868MHz(欧洲), 2. 4GHz(全球)。

  ● 显示模块(TFT可触摸液晶显示屏、1602液晶显示屏)

  ۩ TFT可触摸液晶显示屏设计方案

  TFT液晶显示屏的特点是亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳,但也存在着比较耗电和成本过高的不足。支持65536色显示,有的甚至支持16万色显示,这时TFT的高对比度,色彩丰富的优势就非常重要。作为此系统的主要显示模块,更是将优点发挥的淋淋尽致。

  ۩ TFT可触摸液晶显示屏设计原理

  在上、下两层上都有沟槽,其中上层的沟槽是纵向排列,而下层是横向排列的。当不加电压液晶处于自然状态,从发光图2a扭曲向列TFT显示器工作原理图示意图层发散过来的光线通过夹层之后,会发生90度的扭曲,从而能在下层顺利透过。

  当两层之间加上电压之后,就会生成一个电场,这时液晶都会垂直排列,所以光线不会发生扭转——结果就是光线无法通过下层。

  ۩ TFT可触摸液晶显示屏原理图

  ۩ 1602液晶显示屏设计方案

  作为采样点,对显示要求并不是非常高,而1602则完全可以胜任此项工作,工业字符型液晶,能够同时显示16x02即32个字符。

  ۩ 1602液晶显示屏设计原理

  用LCD显示一个字符时比较简单,因为一个字符由6×8或8×8点阵组成,既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节,还要使每字节的不同位为“1”,其它的为“0”,为“1”的点亮,为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说,显示字符就比较简单了,可以让控制器工作在文本方式,根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址,设立光标,在此送上该字符对应的代码即可。

  ۩ 1602液晶显示屏原理图

  ● 控制单元(采样点、中央控制单元)

  ۩ 采样点设计方案

  STC89C51RC是采用8051核的ISP(In System Programming)在系统可编程芯片,最高工作时钟频率为80MHz,片内含8K Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,具有在系统可编程(ISP)特性,配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部,省去了购买通用编程器,而且速度更快。STC89C52RC系列单片机是单时钟/机器周期(1T)的兼容8051 内核单片机,是高速/ 低功耗的新一代8051 单片机,全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810 专用复位电路。

  ۩ 采样点设计原理

  1.增强型1T 流水线/精简指令集结构8051 CPU

  2.工作电压:3.4V-5.5V (5V单片机)/ 2.0V-3.8V (3V 单片机

  3.工作频率范围:0 -35 MHz,相当于普通8051 的0~420MHz.实际工作频率可达48MHz.

  4.用户应用程序空间12K / 10K / 8K / 6K / 4K / 2K字节

  5.片上集成512 字节RAM

  6.通用I/O 口(27/23个),复位后为:准双向口/ 弱上拉(普通8051 传统I/O 口)可设置成四种模式:准双向口/ 弱上拉,推挽/ 强上拉,仅为输入/高阻,开漏每个I/O 口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不得超过55mA

  7.ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片

  8.EEPROM 功能

  9.看门狗

  10.内部集成MAX810 专用复位电路(外部晶体20M 以下时,可省外部复位电路)

  11.时钟源:外部高精度晶体/ 时钟,内部R/C 振荡器。用户在下载用户程序时,可选择是使用内部R/C 振荡器还是外部晶体/ 时钟。常温下内部R/C 振荡器频率为:5.2MHz ~6.8MHz。精度要求不高时,可选择使用内部时钟,因为有温漂,请选4MHz ~8MHz

  12.有2个16 位定时器/ 计数器

  13.外部中断2 路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

  14.PWM( 4 路)/ P C A(可编程计数器阵列),也可用来再实现4个定时器或4个外部中断(上升沿中断/ 下降沿中断均可支持)

  15.STC89Cc516AD具有ADC功能。10 位精度ADC,共8 路

  16.通用异步串行口(UART)

  17.SPI同步通信口,主模式/ 从模式

  18.工作温度范围:0 -75℃/ -40 -+85℃

  ۩ 采样点原理图

  ۩ 中央控制单元设计方案

  STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制,强干扰场合。

  ۩ 中央控制单元设计原理

  1.增强型8051 CPU,1T,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统8051

  2.工作电压:STC12C5A60S2系列工作电压:5.5V- 3.3V(5V单片机)STC12LE5A60S2系列工作电压:3.6V- 2.2V(3V单片机)

  3.工作频率范围:0 - 35MHz,相当于普通8051的 0~420MHz

  4.用户应用程序空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节......

  5.片上集成1280字节RAM

  6.通用I/O口(36/40/44个),复位后为:准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O口) 可设置成四种模式:准双向口/弱上拉,推挽/强上拉,仅为输入/高阻,开漏 每个I/O口驱动能力均可达到20mA,但整个芯片最大不要超过55mA

  7. ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器,无需专用仿真器 可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片

  8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)

  9. 看门狗

  10.内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体12M以下时,复位脚可直接1K电阻到地)

  11.外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器 5V单片机为1.32V,误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V,误差为+/-3%

  12.时钟源:外部高精度晶体/时钟,内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内) 1用户在下载用户程序时,可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟 常温下内部R/C振荡器频率为:5.0V单片机为:11MHz~15.5MHz 3.3V单片机为: 8MHz~12MHz 精度要求不高时,可选择使用内部时钟,但因为有制造误差和温漂,以实际测试为准

  13.共4个16位定时器 两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1,没有定时器2,但有独立波特率发生器 做串行通讯的波特率发生器 再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器

  14. 2个时钟输出口,可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟,可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟

  15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块, Power Down模式可由外部中断唤醒, INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0, CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3)

  16. PWM(2路)/PCA(可编程计数器阵列,2路)

  ---也可用来当2路D/A使用

  ---也可用来再实现2个定时器

  ---也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)

  17.A/D转换, 10位精度ADC,共8路,转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)

  18.通用全双工异步串行口(UART),由于STC12系列是高速的8051,可再用定时器或PCA软件实现多串口

  19. STC12C5A60S2系列有双串口,后缀有S2标志的才有双串口,RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2),TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)

  20.工作温度范围:-40 - +85℃(工业级) / 0 - 75℃(商业级)

  21.封装:PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O口不够时,可用2到3根普通I/O口线外接 74HC164/165/595(均可级联)来扩展I/O口, 还可用A/D做按键扫描来节省I/O口,或用双CPU,三线通信,还多了串口。

  ۩ 中央控制单元原理图

  ● 存储单元

  ۩ SD卡设计方案:

  本系统采用SD卡储存数据,长期以来,sd卡因其体积小、耗低、 容量大和非易失性等特点,在嵌入式存储领域的应用越来越广泛。当数据采集系统需要长时间地采集和记录海量数据时,应用 SD 卡作为存储介质是很好的选择。

  ۩ SD卡设计原理

  SD卡有 2 种可选的通信协议: SD 模式和 SPI 模式。SD模式是 SD 卡的标准读写方式,选用此模式需要选择带SD卡控制接口的 MCU 或者额外的 SD 卡控制单元; SPI模式通过 SPI 总线完成 SD 卡与主控制器的通信。STC12C560S2 没有集成 SD 卡控制器,为了不增加额外的 SD卡控制单元硬件成本,本设计方案采用 SD 卡的 SPI 通信模式。

  ۩ SD卡原理图

  ● 供电模块

  ۩ 太阳能电池板设计方案

  太阳能电池板是通过吸收太阳光,将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置,保护环境,实现资源的合理有效利用。

  ۩ 太阳能电池板设计原理

  光—电直接转换方式该方式是利用光电效应,将太阳辐射能直接转换成电能,光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,是一个半导体光电二极管,当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流。

  ۩ 太阳能电池板原理图




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