温室大棚温湿度检测系统设计.docx
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温室大棚温湿度检测系统设计
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毕业设计(论文)
温室大棚温湿度检测系统设计
GREENHOUSETEMPERATUREANDHUMIDITYDETECTIONSYSTEMDESIGN
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年 月 日
摘要
随着农业产业规模提高,对于数量较多的大棚而言,传统的温度控制方法已经不能满足要求,有一定的局限性。
为了适应生产的需要,现代化的大棚开始逐步使用温湿度的自动控制系统。
本文主要对基于P89LPC938的单片机温室大棚温湿度检测系统进行了详细阐述。
包括主要电路设计和软件设计。
控制器为P89LPC938单片机,温室度的采集用的是DHT11传感器。
主机和从机的通信是基于NRF24L01无线模块进行无线传输信号,实时显示采用I2C总线技术控制SRL_11280W_LCD液晶进行的。
通过这些用户就可以在控制室内观察到大棚内部温湿度的实时情况,方便了用户对大规模大棚的管理。
关键词单片机P89LPC938;传感器DHT11;液晶SRL_11280W_LCD;无线模块NRF24L01
Abstract
Modernagricultureistheincreasingscaleforthelargergreenhouses,conventionaltemperaturecontrolmethodscannotmeettherequirements,therearesomelimitations.Inordertomeettheproductionneedsofmoderngreenhousesbegantograduallyusetemperatureandhumiditycontrolsystem.Inthispaper,basedontheMCUP89LPC938greenhousetemperatureandhumiditydetectionsystemindetail.Includingthemaincircuitdesignandsoftwaredesign.P89LPC938single-chipcontroller,collectinggreenhousedegreesusingDHT11sensor.CommunicationmasterandslaveisawirelesstransmissionsignalbasedonNRF24L01wirelessmodule,real-timedisplayusingI2CbuscontrolSRL_11280W_LCDofliquidcrystals.Theseuserswillbeabletoobserveinrealtimeinthecontrolroomtothetemperatureandhumidityinsidethegreenhousetofacilitateusermanagementoflarge-scalegreenhouses.
窗体底端
KeywordsP89LPC938SensorsrDHT11LCDSRL_11280W_LCDWirelessModuleNRF24L01
第一章绪论
1.1课题研究的背景
现阶段,我国的农业正向着以高产量、高效率、优质为目标的新型农业转变。
大棚种植是现代化农业的产物,在全国各地运用广泛。
大棚种植能够给作物提供适合作物生长的最佳环境,避开一切外界的不良因素,是一种半封闭人工控制的生态环境。
因此作物的生长情况好坏取决于对大棚生态环境的控制,精准的控制才能提高作物的产量与质量。
大棚内部环境的检测系统由环境信息的采集模块、处理数据模块以及执行的模块。
影响作物生长的因素主要有:
湿度、温度、光照强度、CO2浓度、土壤湿度等。
根据大棚的规模还有所处的地域环境设定不一样确定合适的采集方式,这样才能确保采集数据的准确性。
此外,我们除了要考虑这些外界环境的影响还得考虑作物本身生长的过程,植物会进行蒸腾和光合等,我们可以通过测得蒸腾的数据来确定大棚内部水分和养料的供给情况;可以通过光合作用的情况来确定CO2的浓度。
1.2国内外研究概况
1.2.1国外研究概况
第一台计算机出现在美国,大棚检测与控制也与计算机完美地结合,技术较为先进。
可以根据不同作物的生长特点以及生长的各个阶段所需要不同的环境,然后自动调控大棚内的温度、光照、空气土壤的湿度、肥料等影响作物生长的因素。
还可以通过控制温差等因素实现作物开花与成熟期的控制。
日本的设施农业相当发达,塑料大棚在日本得到了普遍的应用,使用大棚的面积也排在世界前列。
在日本花果蔬菜等一系列农作物几乎都是通过大棚种植的。
为了应对种苗生长时的高温、湿度高等不良的环境,日本研制出各种装置。
2002年,计算机遥控技术被英国伦敦大学的研究人员运用到大棚温湿度检测中,可以检控大面积的大棚内部环境。
在英国的农业大棚里都安装了通风机,通过搅动空气从而使大棚内部的二氧化碳浓度一致,这样就保证了二氧化碳气体在大棚分布均匀。
荷兰注重园艺大棚,较早地把计算机控制运用于农业中。
荷兰的地理位置特殊处于高纬度地区,荷兰的日照短,平均气温低。
因此,荷兰主要种植的是经济价值较高的鲜花和蔬菜,运用的是玻璃大棚以及一系列的配套设施,全部通过计算机来进行控制。
研究方向主要针对遥控技术、网络技术以及控制局域网技术。
工业技术的发展也使得越来越多高精度低成本的传感器元件投入到温室大棚的使用中。
此外各国也对大棚温湿度的控制实行了标准化,这样能够更好地管理。
大棚种植正朝着大规模、网络化、无人操作化的方向发展。
1.2.2国内研究概况
国内从上个世纪的70年代才开始应用计算机。
一开始计算机只是用于数据的统计和运算。
直到70年代末我国才从国外引进各种各样的现代化大棚,我国的科研人员在引进国外技术的同时,也对大棚控制中主要的温度、湿度、肥料、光照、CO2的浓度等进行了一系列的综合研究,与国内具体环境地形相结合。
1987年引进外国的FELIXC512系统,并通过这个系统建立了最初的计算机控制研究机构。
然后等到了90年代的初期我国才开始把计算机运用到大棚的管理和控制中。
2000年,金钰把工业控制机IPC运用在大棚的自动化控制中。
他所做的研究是以工业控制机为主来采集温室内信息,并控制执行的。
但是该系统复杂,布线繁琐,而且维护难度系数高成本也过高,并没有得到良好地推广。
2005年,首次把蓝牙技术运用到温室大棚的检控中。
该研究是把现场总线技术和蓝牙技术完美地结合,从而实现对大棚的检控,该系统提高了数据的准确性,抗干扰。
唯一缺陷是蓝牙技术还不够完善,真正地投入到使用当中还需要一定的时间。
2007年,研究人员把新型的AVR单片机应用到大棚的测控中。
每一个大棚都是智能自动的,从而实现一片大棚的规模化生产。
但是这个系统太依赖单片机,单片机出现了故障,系统就很难继续运行下去。
2008年,周茂雷和郭康全把ARM7微型处理器用在大棚的控制中。
这个系统相对来说比较成熟,是通过AD算法对大棚各种信息的采集,然后再将采集过来的信息处理保存并发送出控制量。
1.3选题的现实意义
传感器技术和单片机技术的日渐成熟也使得大棚的自动化控制向前迈进了一大步,温室环境的控制更加精确。
性能优异和成本低廉成了主要的方向,逐渐取代了传统的一些控制技术。
目前的控制措施主要是基于模拟温度传感器、A/D转换器及单片机、多路模拟开关等。
但温室内各项数据的采集还是需要在大棚内布置许多测温电缆,这样信号才能传达到处理器,导致系统的安装与维修较为复杂,成本也不低。
信息都是通过模拟信号传输的,这样就会导致信号受到干扰和损耗,所以有时候测量的误差也会较大。
为了解决这个问题,我们采用了数字化单总线技术。
对以上问题进行了改进。
解决问题的关键是运用了DHT11的温湿度传感器解决了误差大的问题,而且使用的是无线收发模块取代了以前的电缆,得到更好的经济效益以及更加实用。
本文设计的温湿度控制系统都是采用单总线的技术及器件组建而成的。
首先先利用温湿度的传感器把采集到大棚内温湿度的变化量转换成数字量,数字量再由单片机进行处理,单片机再控制屏幕,使得屏幕能显示实际的温度变化,与此同时运用无线模块把处理好的温湿度变化数据传输到控制室里,在控制室的显示器上呈现出来。
这个系统能使信号免除干扰,提高了数据的准确性,而且安装程序简单,经济性也较好,使用过程中的维护与维修也比较方便。
把这个系统运用到国内农业生产的温室大棚内,能够实现对温湿度变化的十四检测,具备智能、经济的特点,所以适合大力的推广。
这样就能够有效地促进作物的各个时期的生长,人工制造出适合生长的环境提高了作物的产量。
更高的效率带来了更好的经济效益。
1.4课题主要研究内容与目标
本文的主要的内容是如何制作一个能够运用于中小型的大棚的可达到对内部的温湿度变化实时检测。
主要的过程包括各项环境参数的采集、数据的处理、无线传输和实时显示。
具体的操作主要是选择合适的传感器、设计布置电路、编写单片机相应的程序等步骤来完成该课题。
课题的目标是对温室大棚内的温湿度参数的变化进行实时检测以及显示,而且将数据通过无线传输模块传送到控制室里并且显示出来。
第二章温室大棚温湿度检测系统设计方案论证
2.1设计思想
第六章结论与展望
6.1结论
通过三个月的设计实践,基本实现温室大棚温湿度检测系统。
本次设计主要的是数据采集的传感器模块,传感器我采用DHT11温湿度传感器,具有低能耗,低价格,使用方便等特点,且其测量范围能够满足温室内的严格要求等,同时它的数字信号输出功能也是我此次采用该型号的重要原因,它可以将采集到的温湿度转换成数字信号输出到单片机。
这为我们节省了A/D转换模块,简化了程序,同时增加了稳定性。
本次设计的系统是在对我国目前大棚控制研究现状及大棚控制系统的优缺点等方面进行了充分、科学的调研、分析的基础上,把单片技术、传感器技术结合。
结论:
(1)本文所设计的大棚温湿度检测系统运用了单片机技术和自动控制技术,并采用无线模块进行收发数据,使实时检测更加方便快捷。
(2)模块化设计的系统软硬件,包括数据采集模块、处理器模块、LCD显示模块、无线收发模块。
系统操作简单性价比高。
6.2展望
本研究虽取得了一定的成果,但以下几个方面仍需进一步研究和完善:
(1)环境多因素采集可扩展性,多方面的因素制约作物的生长,还需要发展如CO2浓度、光照强度、蒸腾作用等方面才能使大棚系统的各项功能得到完善,达到最理想的效果。
(2)对采集到的数据进行处理并显示运用不同的算法,才能使系统调节更加准确。
(3)本研究由于硬件条件受限,只做到了检测而没有进行进一步控制,应该在检测的基础上做一些加湿和加热等模块,以实现大棚的全面自动化。
(4)本研究所采用的无线收发模块在传输距离上受到一定的限制,后续可以尝试采用距离更远些的无线模块,从而减少大棚内的无线节点,达到节约成本的目的。
致谢
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附录一
各程序的初始化
传感器初始化程序如下:
#include
#include
#include"port.h"
#include"global.h"
unsignedchardata_byte,TemperatureHigh,TemperatureLow,HumidityHigh,HumidityLow;
voidstart(void)
{
p00=1;
Delay_10us();//delay_26us
(1);//总线拉高时少许延时
p00=0;
Delay(180);//delay_26us(5000);//总线拉低时至少大于18ms
p00=1;//总线拉高等待DIH11响应
Delay_10us();//delay_26us
(1);//等待延时20-40us
Delay_10us();
Delay_10us();
}
unsignedcharreceive_byte(void)
{
unsignedchari,receivebit,counter;
for(i=0;i<8;i++)
{
counter=2;
while((!
p00)&&counter++);//等待50us低电平结束
receivebit=0;
//delay_26us
(2);
Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();
if(p00==1)
receivebit=1;
counter=2;
while(p00&&counter++);
if(counter==1)
break;
data_byte<<=1;
data_byte|=receivebit;
}
returndata_byte;
}
voidreceive(void)//接收数据
{
unsignedcharth,tl,hh,hl,Check,NumberCheck,counter;
start();
p00=1;
if(!
p00)//读取DH11响应信号
{
counter=2;
while((!
p00)&&counter++);//DHT11高电平80us是否结束
counter=2;
while(p00&&counter++);
hh=receive_byte();
hl=receive_byte();
th=receive_byte();
tl=receive_byte();
Check=receive_byte();
p00=0;//总线拉低50us
Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();//delay_26us
(2);
p00=1;//释放总线等待响应
NumberCheck=hh+hl+th+tl;
if(NumberCheck==Check)
{
TxBuf[0]=TemperatureHigh=th;
TxBuf[1]=TemperatureLow=tl;
TxBuf[2]=HumidityHigh=hh;
TxBuf[3]=HumidityLow=hl;
}
}
}
从机无线发送程序
#include
#include
#include"global.h"
sbitSCK=P2^5;
sbitCE=P2^7;
sbitCSN=P2^4;
sbitIRQ=P2^0;
ucharconstTX_ADDRESS[TX_ADR_WIDTH]={0x34,0x43,0x10,0x01,0x01};//本地地址
ucharconstRX_ADDRESS[RX_ADR_WIDTH]={0x34,0x43,0x10,0x01,0x01};//接收地址
ucharidataTxBuf[32]=
{0};//
ucharbdatasta;//状态标志
sbitRX_DR=sta^6;
sbitTX_DS=sta^5;
sbitMAX_RT=sta^4;
voidinit_NRF24L01(void)
{
Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();
//inerDelay_us(100);
CE=0;//chipenable
CSN=1;//Spidisable
SCK=0;//Spiclocklineinithigh
Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();Delay_10us();
SPI_Write_Buf(WRITE_REG+TX_ADDR,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH);//写本地地址
SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0,RX_ADDRESS,RX_ADR_WIDTH);//写接收端地址
SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x01);//频道0自动ACK应答允许
SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);//允许接收地址只有频道0,如果需要多频道可以参考Page21
SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_CH,0);//设置信道工作为2.4GHZ,收发必须一致
SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0,RX_PLOAD_WIDTH);//设置接收数据长度,本次设置为32字节
SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP,0x07);//设置发射速率为1MHZ,发射功率为最大值0dB
SPI_RW_Reg(WRITE_REG+CONFIG,0x0e);//IRQ收发完成中断响应,16位CRC,主发送
}
ucharSPI_RW(ucharcha)
{
ucharbit_ctr;
for(bit_ctr=0;bit_ctr<8;bit_ctr++)//output8-bit
{
MOSI=(cha&0x80);//output'uchar',MSBtoMOSI
cha=(cha<<1);//shiftnextbitintoMSB..
SCK=1;//SetSCKhigh..
cha|=MISO;//capturecurrentMISObit
SCK=0;//..thensetSCKlowagain
}
return(cha);//returnreaduchar
}
ucharSPI_Read(ucharreg)
{
ucharreg_val;
CSN=0;//CSNlow,initializeSPIcommunication...
SPI_RW(reg);//Selectregistertoreadfrom..
reg_val=SPI_RW(0);//..thenreadregistervalue
CSN=1;//CSNhigh,terminateSPIcommunication
return(reg_val);//returnregistervalue
}
ucharSPI_RW_Reg(ucharreg,ucharvalue)//
{
ucharstatus;
CSN=0;//CSNlow,initSPItransaction
status=SPI_RW(reg);//selectregister
SPI_RW(value);//..andwritevaluetoit..
CSN=1;//CSNhighagain
return
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