基于单片机的串口LED汉字显示技术.docx
- 文档编号:11534765
- 上传时间:2023-06-01
- 格式:DOCX
- 页数:39
- 大小:648.85KB
基于单片机的串口LED汉字显示技术.docx
《基于单片机的串口LED汉字显示技术.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于单片机的串口LED汉字显示技术.docx(39页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
基于单片机的串口LED汉字显示技术
南京理工大学
毕业设计说明书(论文)
作者:
孔馨雨
学号:
0704210105
学院(系):
电子工程与光电技术学院
专业:
电子信息工程
题目:
基于虚拟仪器技术的果园生态环境
监测系统设计
教授
张重雄
指导者:
(姓名)(专业技术职务)
评阅者:
(姓名)(专业技术职务)
2011年5月
毕业设计说明书(论文)中文摘要
我国作为一个农业大国,果园果树的栽培已经有几百年的历史,传统方式的人工采集费时费力,因此基于虚拟仪器的果园生态环境的监测系统能很好的解决这个问题。
本设计软件部分主要采用虚拟仪器,,数据的采集是其软件的最基本功能。
硬件部分在这个课题中是用PROTEUS进行设计仿真,核心单片机为AT89C51。
本篇论文先是对于本课题的背景和意义进行简要介绍,然后对于硬件设计部分所用的AT89C51单片机的作用和功能,以及采集电路设计进行系统的阐述。
接着对于软件部分,介绍一下虚拟仪器技术的应用,远程监测的设计,以及它的发展趋势进行概述。
最后,通过软件硬件的调试,完成基于虚拟仪器的果园生态环境的监测系统的设计。
关键词:
虚拟仪器,果园生态环境,单片机,远程监测,AT89C51
毕业设计说明书(论文)外文摘要
TitleThedesignofdetectionsystemaboutecological
environmentoforchardbasedonVI
Abstract
Asalargeagriculturalcountry,Chinahasalonghistorywhichisnearlyseveralhundredsofyearsoncultivatingfruittreesinorchards.Thetraditionalmethodofacquisitionbyhumanistime-consumingandneedsefforts,sothedetectionsystemaboutecologicalenvironmentoforchardbasedonVIcanbeagoodsolutiontothisproblem.Thisdesignmainlyusevirtualinstrumentsinthispartofthedesignsoftware,andthemostbasicfeaturesofthesoftwarearedatacollection.AlsoitusesthePROTEUSsimulationdesign,andthecoreofMCUisAT89C51inthissubjectofhardware.
Firstly,thepaperintroducesthebackgroundandsignificanceofthissubjectgenerally.Besides,itillustratesthefunctionsofAT89C51microcontrollerwhichisusedinthedesignofhardwarepart,alsodescribesthesystemofacquisitioncircuit.Inaddition,thepaperexplainstheapplicationofvirtualinstrumenttechnology,andthedesignandoverviewtrendsofremotemonitoringinthesoftwarepart.Finally,tocompletethedesignofdetectionsystemaboutecologicalenvironmentoforchardbasedonVIthroughdebuggingsoftwareandhardware.
Keywords:
virtualinstrument,ecologicalenvironmentoforchard,SCM,remotemonitoring,AT89C51
目次
1绪论
1.1选题的背景
我国作为一个农业大国,果树栽培具有悠久的历史,早在400多年前,古代劳动人民就开始从事果树的种植。
经过历史的发展和长期的生产实践,我国果树的品种日趋丰富,由于果树具有良好的生态效益﹑经济效益和环境效益,果树的培养和种植也越来越受到人们的重视[1]。
对于现今科技的迅速发展,农业产业的科技化也成为了必然趋势,因此对于传统费时费力的人工方式进行果园数据的采集,将逐渐被科技化的方式所取代。
应用于农业生产的高科技信息技术主要是由计算机信息的存储和处理以及各种新型的软件系统﹑网络通信﹑多媒体技术﹑智能控制系统等方面的综合应用所组成的。
美国,荷兰等发达国家在80年代初期和中期就已经开始利用现代化进行农业生产,比如机械灌溉,温室种植蔬菜水果,试管培养新品种等[2]。
我国虽然农业科技的起步较之许多国家都比较晚,但是发展速度十分迅速,尤其是近些年来,科技已经逐步走进了我国的农业生产和人们的生活中。
因此,我所选择的基于虚拟仪器的果园生态环境的监测系统这个课题,也是对于果园环境监测系统完善的科技化创新项目。
在现代化发展迅猛的社会经济中,农业科技化,农业产业化已经成为人们对于农业发展的诉求。
而在果园的生态环境中,对于应用计算机虚拟仪器进行远程监测正是顺应了发展的趋势。
虚拟仪器是伴随着20世纪90年代,计算机技术发展越来越纯熟而逐步发展起来的较为新型的一门技术。
它是把计算机的硬件技术和网络技术,仪器以及通信技术结合起来的一个综合性产物。
虽然是新兴学科,可是它在测量,分析,计算,显示等方面操作的便捷和实用性上具有极大的优势,这些优点对农业产业的迅速发展,有极大的推动性作用,也因此同时被广泛的应用于各行各业。
我所研究的选题,选用虚拟仪器进行显示监测数据,也是基于对它这些优势的考量。
1.2选题的意义及发展现状
果树的栽培技术,在我国发展的越来越成熟,水果不仅种类越来越多,质量和产量也呈现直线增长的趋势。
作为农业中比例非常重要的果园果树业,在我国农业经济生产总值中,占据着不容小觑的比例,同时我国的果园数量和果树的年产量也居于世界的首位,相较于许多农业机械化水平远远高于我国的发达国家,我国的果树栽培在许多方面都有着先天性的优势,目前果园果树的培养已经成为我国种植业中,继粮食和蔬菜后的第三大产业。
因此,对于推进我国果树行业的发展,提高果树栽培的成功率,增加果树的产量等各个方面,我们都应该不遗余力。
在对于果树的培养过程中,温度﹑湿度﹑光照对于其生长具有非常重要的影响,尤其是在现在被广泛应用的温室和塑料大棚这两种环境中。
在过去,人们总是通过自己每天的采集以及工作经验,对于这些影响果园果树生长的因素进行分析﹑记载用于对于果园的管理。
这种管理方式虽然经历了漫长的历史不断进行完善,但对于现今这个高速发展的时代,依旧不是最佳的选择。
随着科技的发展和进步,人们越来越多的考虑应用科技的力量,去更完美的完成一些工作,而对于果园的生态环境,我们可以用计算机进行远程监测和管理,这样不仅节省了大量的人力资源,很大程度上降低了果园果树栽培的成本,而且也能尽量避免人为因素和主观因素对于环境因素监测造成的误差,从而达到更准确﹑更有实效性的完成对果园环境的科学化监测。
1.3论文的主要内容及章节安排
本文首先介绍了果树栽培在我国有着悠久的历史且存在着巨大的经济效益、环境效益,传统果园采用人工方式采集环境数据的方法费事费力,从而引出本课题基于虚拟仪器的果园生态环境监测系统的设计。
其次简要介绍虚拟仪器技术及其开发平台LabVIEW,详细阐述基于LabVIEW虚拟仪器技术对果园生态环境进行数据采集的系统设计原理和实现方法。
该系统中的硬件电路的设计采用AT89C51及传感器来实现,因此对于单片机、传感器及AT89C51也做出了必要的说明,之后通过串口进行数据传递,实现了果园生态环境信息的监测采集,为果园生产管理提供及时准确的园区信息。
文章的第2章介绍系统的总的设计方案和设计思想;第3章主要对前端采集装置电路各个部分进行详细的介绍,并最终得到前端采集装置的总设计图;第4章对前端采集装置电路中需要使用的软件部分进行分析;第5章就是PC终端基于虚拟仪器的软件设计;第6章则是对系统进行调试。
2系统的总设计方案
2.1系统总设计要求和设计思想
基于虚拟仪器的果园生态环境系统的监测这个课题中,温度的范围要求是-50℃~150℃,湿度的要求范围是0~100%,光照强度的要求范围是从0~200Klax,对于数据的采集系统本课题中以单片机AT89C51为主进行设计,终端程序采用LabVIEW进行图形化语言的编程,采集器和终端管理PC机采用的是串行接口进行连接,最终达到在LabVIEW上准确的显示出光照﹑温度﹑湿度等环境因素的实时采集数值。
2.2系统总设计方案
本课题通过传感器对果园进行生态环境参数的采集,将所采集到的模拟数据经AD转换器转换后传送到单片机,并通过单片机进行实时处理,接着经过串行接口把分析处理过的数据送给计算机,计算机终端使用LabVIEW设计出显示窗口,能够及时的显示出串行接口发送来的数据。
所以本课题是基于虚拟仪器技术、传感器技术、单片机技术这三大技术,主要以计算机作为核心对于果园生态环境中温度、湿度、光照这些因素实行数据采集和监测,从而来达到对于果园生态环境的智能化管理和监测。
如图2.1所示为系统的总体结构框图。
调理电路
果园环境
单片机C51
A/D转换
光照传感器
湿度传感器
温度传感器
图2.1系统总体结构框图
3前端采集装置设计
本课题中硬件电路的设计要求是要用AT89C51单片机为主要设计芯片,采集数据主要利用传感器完成。
传感器包括温度、湿度、光照传感器等,能够实时采集温湿度、光照等信号,并转换成电压或电流信号[3]。
对影响果园果树生长的环境因素采集范围的要求:
温度的范围是:
-50℃~150℃,根据此要求选用DS18B20温度传感器;湿度的范围是:
0~100%,因此选用湿度传感器HS1101;光照的范围:
0~200KLax,本设计中选择光敏电阻进行设计。
3.1前端采集装置各部分设计思想
对于整个系统来说,硬件设计是基础,因此需要考虑到很多方面的要求,用以达到实现这个设计的基本功能。
具体主要需要考虑的因素有如下几个:
①系统的稳定程度;②器件本身的通用性;③软件编程是否容易实现;④系统在其他方面的功能和性能指标。
由此可以看出,硬件电路设计用于对影响果树生长的光照﹑温度﹑湿度因素的数据采集,对于整个课题的顺利实现有着至关重要的作用,下面就开始从每个功能模块的设计和实现上来逐个的对其进行细致的分析和探讨。
3.2温度采集电路设计
在对于温度的采集电路中,本文主要采用DS18B20单总线数字式温度计进行设计,单总线指的就是将地址线﹑控制线和数据线合成为一根信号线,在这根信号线上可以连接多个器件,在适当的时间任何一个器件都可以驱动该根总线。
DS18B20是一种新型数字式集成温度传感器,它只有唯一的一个数据输入/输出口,使用起来非常方便,也正因为这个原因被广泛的应用于测量温度。
本课题选择DS18B20是因为它符合该选题中温度的采集范围从-55℃到+125℃且精度+0.5℃这个要求,因为任何一个DS18B20都有唯一的一个64位序列码,这就使它允许任何数量的DS18B20同时连接在同一个单线总线上,也可在一根总线上实现数据的双向传输。
此外,DS18B20不需要外部电源,可以直接从数据线上获取供电。
如图3.1所示为DS18B20引脚图,表3.1为DS18B20引脚功能表。
图3.1DS18B20引脚图
表3.1DS18B20引脚功能
8引脚SOIC封装
TO-9封装
符号
说明
5
1
GND
接地
4
2
DQ
数据输入/输出引脚。
对于单线操作:
漏极开路。
当工作在寄生电源模式的时候用来提供电源。
3
3
VDD
可选的VDD引脚。
工作于寄生电源模式时,VDD必须接地。
注释:
所有上表未提及的连接都无连接
电路中采用DS18B20测量温度,输出的为全数字化信号。
这种全数字化信号可以免去使用传统测量温度方法时的很多外围电路,因此更便于单片机对输入的信号进行处理和控制。
该芯片最大的优点就是用单总线进行数据的传输,所以它能直接与计算机连接,并且可以直接输出温度。
本系统是利用AT89C51单片机对其进行温度数据的实时采集,再与LCD一起实现对温度的显示,从而实现了温度的快速采集显示需求。
图3.2为DS18B20温度采集电路。
图3.2DS18B20温度采集电路
3.3湿度采集电路设计
湿度的采集电路选用湿度传感器HS1101进行电路的设计。
HS1101传感器在设计电路中的作用相当于一个电容器件,该电容器件的数值随着湿度的增大而增大。
它符合所需要的湿度范围:
0~100%的要求,具有快速的反映时间,HS1101湿度受温度影响变化非常的小,具有长时间的稳定和高度的可靠性,在标准环境下不需要进行任何校正,长时间的饱和情况下能快速的脱湿,因此对于选择它进行电路设计非常合适。
如图3.3为HS1101实物图,表3.2为HS1101常用参数表。
图3.3HS1101实物图
表3.2HS1101常用参数表
参数
符号
参数值
单位
工作温度
Ta
-40~100
°C
储存温度
Tstg
-40~125
°C
供电电压
Vs
10
Vac
湿度范围
RH
0~100
%RH
焊接时间
t
10
S
湿度采集电路设计的主导思想是将HS1101放在555振荡电路中,微波处理器直接采集电路中的电容值变换,并将其转换为电压的频率信号。
芯片555电路中,连接的R4﹑R5与HS1101一起,共同组成一个充电回路。
放电回路则由芯片内部的晶体管通过引脚7和地端相连短路来实现。
引脚2和引脚6相连,引入到片内,和片内比较器一起组成一个多谐波的振荡器,引脚3引出后连接的电阻R7是保护电阻,目的在于防止短路,之后连接到AT89C51的P34输入端。
电路中R5相对于R4来说一定要非常小,但是不能太小以至于不能起到该电阻在电路中的作用。
HS1101湿度传感器在整个电路中的作用类似于一个可以变化的电容器,与引脚2和引脚6连接在一起。
HS1101的等效电容,在R4和R5的作用下充电达到上限电压(此时的时间记作T1),达到上限电压时555芯片引脚3的电压由高电平转换为低电平,接着利用R4进行放电,因为引脚7由于R5内部短路接地,因此开始放电并放电到触发界线(此时时间记作T2)就停止,这个时候芯片555的引脚3电压又变为高电平。
利用此原理,通过两个不同的电阻对传感器进行不停的充放过程,并输出产生的方波波形。
图3.4为湿度采集电路。
图3.4湿度采集电路
对于充电﹑放电的时间,以及最终输出方波要通过什么样的方法转换为湿度,这都需要涉及一些计算函数,通过这些函数的计算之后,才能转换为我们读取的湿度数值。
充电﹑放电的时间计算公式分别为:
输出波形的频率和占空比的计算公式如下:
通过上面的公式进行分析可以看出,空气湿度相对于芯片555的输出频率大小之间存在着一定的线性关系,表格3.3中给出了典型的湿度和频率之间的关系,通过采集到555芯片的频率,然后按照下面的表格进行对照,这样就能够通过查表得出其相对湿度的数值。
表3.3为典型频率湿度关系表。
表3.3典型频率湿度关系
RH
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Frequency
6852
6734
6618
6503
6388
6271
6152
6029
5901
5766
5623
3.4光照采集电路设计
光照对于果树的成长和发育起着至关重要的作用。
果树的整个生命周期中,都必须在一定的光照下才能进行生长发育。
对于光照采集的电路设计中,选用的主要元件为对于光照强度变化具有非常灵敏的感应能力的光敏电阻,光敏电阻是一种随着光照强度的变化,其自身的阻值也会发生相应的变化的电阻器件。
本电路设计中采用的为GL3516光敏电阻,因为它的暗电阻往往超过1MΩ,而亮电阻则在5KΩ~10KΩ,因此R6阻值选择为10KΩ,当其为暗电阻时,电路中光敏电阻远远大于R6阻值,采集到的电压值基本为0可与光照强度0KLax对应,当其为亮电阻时,电阻值与R6大小基本相同,此时采集到电压与200KLax相对应。
这部分所设计的电路就是充分利用了光敏电阻的这种特性,当光照强度发生改变时,阻值随着光照而变化,从而电路中光敏电阻两端的电压也随之发生变化,这样就能通过对于电压变化的检测,将电压信号进行A/D转换,实现对于果园中光照强度的采集。
本电路的设计目的在于完成对于果园光照强度的采集,而实际情况中采集到的是电压值的变化,因此电路中还需要再设计一个A/D转换电路,选用的A/D转换器就是芯片ADC0832。
ADC0832是一种8位分辨率双通道的A/D转换芯片,其最高分辨率可达到256级,可以实现一般适量的模拟量转换要求,作为单通道模拟信号输入的时候,ADC0832的输入电压为0V到5V,由于本设计电路预想情况下输出的应该是检测到的光照强度,而实现的途径是通过电阻值的变化引起电压值发生变化,并对电压值进行记录,因此这个输出电压必须通过A/D转换器的转换作用,将输入的电压信号最终转换为本课题中要求的光照强度进行输出。
如图3.5为光照强度的采集电路。
图3.5光照强度的采集电路
3.5AT89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机[4]。
它是一种低功耗﹑高性能的CMOS8位微控制器,具有32个可编程的I/O口,2个16位定时/计数器以及256KBRAM单元,因此它可以不需要额外的扩展EEPROM或者静态RAM就可以实现所要求的功能[8]。
从众多单片机中选用AT89C51作为核心芯片的原因,也是因为它能够简化电路﹑提高整个系统的可靠性。
AT89C51单片机是整个硬件系统设计的核心,它除了是协调整个电路的控制器之外,还是整个系统的数据处理器。
AT89C51芯片中P0口是一个8位的漏极开路的双向I/O口,它可以用作输出口,如果它访问的是外部程序或者数据存储器时,P0口也可以用作低8位的地址/数据复用。
P1口是一个8位的内部有上拉电阻的双向I/O口,P1口输出的缓存器可以用来驱动4个TTL逻辑门电路。
P2口﹑P3口和P1口的功能基本相同,P3口也具有一些特殊的功能也可称作其第二功能。
表3.4为P3口的特殊功能表。
表3.4P3口的特殊功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD串行输入端
P3.1
TXD串行输出端
P3.2
INT0外部中断0
P3.3
INT1外部中断1
P3.4
T0计时器0
P3.5
T1计时器1
P3.6
WR外部数据存储写选通
P3.7
RD外部数据存储读选通
由于AT89C51内部有一个有个高增益反相放大器,引脚XTAL1为该放大器的输入端,XTAL2为该放大器的输出端,这个反相放大器和作为反馈元件的石英晶体谐振器,可以构成一个自激振荡器,如图3.6为单片机C51电路。
图3.6单片机C51电路
3.6MAX232
在单片机中,只要谈到串行通信,必然要想到MAX232。
MAX232芯片是一个使用+5V单电源供电的标准串口设计的单电源电平转换芯片,是常用的一种电平转换芯片,一般被使用在串行通信中。
单片机输出的是TTL或者CMOS电平,而TTL电平或者CMOS电平中规定的逻辑0电平为0V,逻辑1的电平为+5V,在单片机与计算机的串行通信过程中,输出电压的数值往往高达12V,如果这样直接与单片机连接的话,非常容易造成芯片的烧毁,所以需要MAX232芯片进行电平的转换。
从MAX232的原理上来看,可以将其分为3部分。
第一部分是电荷泵,它的主要作用是可以将直流的5V电源转换为±10V的电源,用来满足TTL/CMOS电平转换成所需要的电平。
第二部分是将TTL或者CMOS电平转换成RS232电平,在本电路中,将引脚12与AT89C51单片机的串行发送的端TXD相连,将引脚7与RS232相连接,通过这种方式,实现了从单片机中输出TTL/CMOS电平,将这个输出的电平在MAX232内进行转换,从而成为所需要的电平。
第三部分就是把±10V的RS232电平转换为TTL/CMOS电平。
通过上述方法,来完成整个实验过程中对于电平转换的需求。
图3.7为RS232引脚图。
图3.7RS232引脚图
根据上述的介绍,AT89C51输出的信号通过MAX232的电平转换作用以达到最终本选题所需要的与计算机连接目的。
图3.8为MAX232电平转换电路。
图3.8MAX232电平转换电路
3.7LCD显示电路
对于前面电路中采集到的温度﹑湿度﹑光照这些数据,可以通过在电路中加入一个LCD来实现对于采集数据的显示功能。
在本电路的设计中选用的LCD是LCD1602,之所以没有选择传统的数码管,而是选用选择液晶显示器的原因就是它的体积非常的小,采用数字式的接口,功耗很低,能够显示的内容非常的丰富显示质量也很高,而且非常的轻巧。
在现在的日常生活中,其实对于液晶显示器并不陌生,在许多电子产品中,液晶显示模块频繁的被使用,如计算机﹑电视机﹑电子表等非常多的家用电器中也可以时常看到,而这些液晶显示器主要是显示图形﹑数字﹑专用符号等。
LCD1602液晶显示模块,它的显示原理是通过电压对它的显示区域进行控制,有电压就可以显示出波形或者数字字符,LCD1602是字符型液晶显示器的代表。
在本电路中LCD1602液晶显示模块是可以直接的和单片机AT89C51直接连接在一起,对于输入AT89C51的数据,经过编程执行,便可以在LCD1602上进行显示。
LCD1602液晶显示模块的内部控制器中一共有11条控制的指令,它本身也是一个慢显示的器件,因此在执行任何一条指令之前,都必须要确定模块忙的标志是低电平,即为不忙的状态,否则该条指令就无效。
要显示字符必须要编程输入显示字符的地址,这样才能准确的显示出所需要的数据。
LCD1602液晶显示模块在于AT89C51连接时,需要一个上拉电阻,上拉电阻的作用是用于增加LCD显示的亮度,来实现对于ATC89C51输出信号的显示功能。
图3.9为LCD1602液晶显示电路。
图3.9LCD1602液晶显示电路
3.8前端采集装置设计总电路
系统的硬件设计最核心的部分就是AT89C51单片机,对于温度的采集,采用的是传感器DS18B20,对于湿度的采集,选用的是HS1101湿度传感器加上一个555组成振荡电路;最后利用的是光敏电阻然后通过一个A/D转换器来实现对于光照的采集。
图3.10为前端采集装置总框图。
图3.10前端
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 单片机 串口 LED 汉字 显示 技术
![提示](https://static.bingdoc.com/images/bang_tan.gif)