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防灾科技学院分布式温室环境监测与控制系统

专家
2014-03-11 21:37:55    评分

作者:防灾科技学院 江浩 赵旭伟 王伟男

指导教师:马洪蕊 施艳


  作品简介

  本设计包括4个位于不同采样点的监测从机和一个中央控制显示单元。四个从机工作原理相同,包括土壤和空气的温湿度传感器,无线发送模块,电源模块。我们将土壤温湿度传感器插入采样点的土壤中,将空气温湿度传感器放在采样点和空气接触,其他部分放在采样点。从机采回来的环境数据通过无线将这些数据发送给中央控制显示单元(主机),中央控制显示单元放在我们便于观察、方便操作并且在无线接受范围内的适当地方。

  我们可以通过分辨率为VGA的显示屏上查看当前环境情况、设置情况以及执行机构的执行情况。中央控制显示单元还包含SD卡模块和GSM模块,可以储存记录历史环境数据以及通过短信的方式设置环境条件、操作执行机构和了解当前环境情况。中央控制显示单元对接受到的数据进行处理,通过设置的条件去改变执行机构的工作状态从而自动调节当前的温室环境。执行机构有16台风扇、16个喷淋灌溉阀门和16个电动卷帘机构,这些执行机构由220v的指示灯代替。

  本系统具有低功耗、低成本、操作简单、数据精准、调节及时、能够人机交互等优点,适合推广并能够在温室种植等现实生活中使用。


  平台选型说明

  本次大赛我们选择的是A组RIGOL专项命题赛,参赛队伍可以自主选择技术与平台。

  我们选择STC12C5A60S2单片机作为本系统开发控制平台,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/超强干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统的8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,4个16位定时器,7个中断,8路高速10位A/D转换(250K/S,即25万次/秒),针对电机控制,强干扰场合。并且具有功耗低、体积小、成本低、运用广泛、市场上容易购买等优点。

  实践证明选用STC12C5A60S2单片机资源够用并不造成过渡浪费,实现了题目的要求。完全满足该系统的开发。


  设计说明

  本分布式温室环境监测与控制系统包括4个位于温室不同采样点的监测从机,并且从机数量可以扩展,和一个中央控制显示单元。

  本系统采用STC12C5A60S2单片机作为本系统的核心控制器,采用传感器SHT10和AM2301分别作为土壤温湿度和空气温湿度的检测传感器。本系统的四个不同位置的从机监测到的土壤温湿度和空气温湿度等环境数据通过无线nrf905将数据传输到中央控制显示单元进行处理。数据通过中央控制显示单元保存在SD卡上进行数据记录和监测,数据能在分辨率为640*480的显示屏上实时显示,并能在上位机上进行显示和分析。中央控制显示单元能够通过GSM用短信的方式或者是手动设置温室环境条件,并通过控制继电器去控制执行机构动作。本系统在完成大赛要求的基础上进行了创新设计,并具有低功耗、实用性等特点。

  一、最小系统

  本系统采用宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的51增强型单片机STC12C5A60S2。该单片机内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,4个16位定时器,7个中断,8路高速10位A/D转换(250K/S,即25万次/秒),执行速度快、功耗低、体积小、成本低、运用广泛。

  最小系统原理图:

  二、传感器

  1、空气温湿度传感器AM2301

  AM2301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,它包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件。AM2301与控制器之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间5ms左右 ,当前数据传输为40bit,高位先出。

  数据格式: 40bit数据=16bit湿度数据+16bit温度数据+8bit校验和

  注:单总线上要接5.1千的上拉电阻。

  2、土壤温湿度传感器

  SHT10温湿度传感器是一款含已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙试测温元件,并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。本系统所用的土壤温湿度传感器外面加油外壳,可以直接插入土壤中。

  三、系统电源设计

  由于时间和资金等问题,我们没有用太阳能等可再生能源做电源,我们采用的是12v直流适配器接220v交流市电给系统供电,该电源虽然称不上是可再生能源,但是能保证在无意外情况下24小时连续供电。

  系统需要电源有5v 、3.3v、4.2v这几种,其中单片机等常规5v电源采用lm2940-5v芯片,nrf905无线模块3.3v电源采用lm1117-3.3v芯片。

  GSM900模块需要4.2v电源,并且电流能达2A左右,所以选用最大输出电流为3A的可调稳压芯片MIC29302BT。显示屏为5v电源,但是电流要求也大所以不能和单片机共用5v,须多加一路5v供电。

  图2 5v、3.3v、4.2v电源原理图

  四 、功能实现原理

  1、SD卡

  SD卡与主机微控制器采用SPI通信。在SD卡新建txt文件,将4个采样点发回来的土壤和空气温湿度分别放在文件里,各采样点数据之前分别有A/B/C/D,方便我们拔出SD卡插在电脑上查看和分析各采样点的数据。

  2、VGA显示屏

  显示屏与主机微控制器采用串口通信。显示屏可以实时显示当前4个采样点的土壤和空气温湿度值、采样时间间隔、土壤和空气温湿度设定值、执行机构的状态、采样间隔和设定值的修改状态和当天的日期和时间。这些数据都是通过主机微控制器通过串口发送固定指令加数据完成的。

  3、短信控制模块GSM

  GSM模块与微控制器采用串口通信,本设计我们使用GSM的方法是将GSM与一块微控制器的串口连接构成一个新的模块,这块新的短信模块负责处理GSM接受到的用户的信息和处理主机微控制器发回来的数据并将这数据发给用户。新的模块与主机微控制器也采用串口通信。

  这也是我们方案创新的地方。

  本设计可以利用短信控制模块实现的功能:

  A:用户通过短信修改土壤和空气的温湿度上下限环境条件。

  B:用户可以通过短信查询当前各采样点的环境情况,短信返回当前各采样点的土壤和空气的温湿度环境值。

  C:用户可以通过短信操作执行机构。

  D:以上各功能实现成功后会有短信发到指定的用户手机上,提示设置成功。

  4、执行机构

  本设计的执行机构包括16台风扇、16个喷淋灌溉阀门、16个电动控

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关键词: 传感器     单片机     环境监测    

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