基于单片机的温室大棚光照监控系统的设计文档格式.docx
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MonitoringSystem;
AT89S52；
ADC0809；
Monitor;
Lightsensor
第一章绪论
1.1研究背景
信息技术已成为当今全球性的战略技术，作为各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件——传感器，已经成为各个应用领域，特别是自动检测，自动控制系统中不可缺少的核心部件。
传感器一般有敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成[2]。
同时单片机的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。
以单片机为核心的智能化产品，计算机技术、信息处理技术和电子测量与控制技术结合在一起，将会对传感产品结构和应用方式产生根本性变革。
单片机是将微处理器、存储器、I/O接口电路等元器件集成在一个芯片上的大规模集成电路，本身即是一个小型化的微机系统。
由于应用目的不同，单片机系统和通用PC有较大差别单片机系统是以计算机技术为基础，针对具体应用，通过软硬件的裁减，组成对功耗、成本、体积、可靠性有严格要求的计算机应用系统。
随着国民经济的迅速发展，农业研究和应用技术越来越受到重视。
特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。
信息技术在农业生产中的运用也越来越广泛，对农业生产环境的一些重要参数进行检测与控制是现在农业生产中最重要的一环[3]。
此次毕业设计就是运用信息技术对温室大棚内光照强度进行监控的系统进行设计。
1.2本次设计的目的与意义
本次设计的目的是通过技术手段来实现对温室大棚内光照强度的监测和控制。
利用的传感器是光敏二极管，通过光敏二极管测得的光信号经过ADC0809转换后得到数字信号，数字信号被发送到AT89S52单片机。
单片机AT89S52将处理过的信号发送给HD7279，HD7279再通过LED直观的显示出来。
单片机会把测得的实时数据与存储器中的控制上下值进行实时比较，如果测量值超出控制上下值，单片机就会发出指令开启控制电路进行调节，使其回到控制范围内[4]。
而这次实验设计的控制系统不仅能够完成一个独立完整的监测光照强度、控制光照强度系统，也可以使之成为一个大的监控系统的一部分，所以本设计具有良好的设计前景和研究意义。
1.3国内外研究现状
国外的温室设备已经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件，不利于在我国广泛推广，而当今我国大多数地方对大棚光照强度的检测和推广都是采用人工管理，存在着测控精度低、劳动强度大以及控制不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预定的效果。
从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致分为三个阶段：
手动控制
这是温室技术发展初期所采取的控制手段，其实并没有真正意义的控制系统和执行机构。
生产一线的种植者即是传感器，又是执行机构。
他们是温室环境控制的核心，通过对温室内外的气候状况和对植物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动控制温室内的环境。
自动控制
这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境控制因子的控制过程，控制相应机构进行加热、通风以及增加光照等动作。
智能化控制
这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种实验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。
温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。
由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。
1.4主要研究内容
本次设计主要研究内容如下：
进行温室大棚光照控制系统的整体研究与设计。
利用键盘设置光照强度的上下限值。
利用光敏二极管来采集光照数据。
利用LED对光照强度值进行实时显示。
当大棚光照强度值超出设定范围值时，系统可自动输出驱动信号控制继电器，启动遮阳网或补光灯对大棚光照强度进行调节。
系统框图见图1.1。
图1.1系统框图
第二章系统方案设计
2.1设计要求
本次设计要求测光照强度范围在0Lx—10000Lx，采用LED数码管显示器方式显示。
我们采用单片机AT89S52作为主处理器，光照强度的采集使用的是光敏二极管，转换部分使用的是ADC0809。
光照强度通过光敏二极管采集并通过ADC0809转换成数字信号并传给单片机，然后由LED数码管直观的显示出来，且可以通过按键来设定光照强度的上下限值，当光照强度高于上限值或者低于下限值都可以通过控制电路进行调节使其恢复到正常范围内。
2.2传感器方案的选定
2.2.1光电式传感器简介
光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。
由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特点，使得光电式传感器在检测和控制领域获得了广泛应用。
市场出售的有光敏电阻器、光电二极管、光电三极管、光电耦合器和光电池等[5]。
2.2.2传感器的性能比较
方案一、光敏电阻
光敏电阻又称光导管，是内光电效应器件。
它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。
光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可以加直流电压，也可以加交流电压。
无光照时，光敏电阻值很大，电路中电流很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。
一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好。
此时光敏电阻的灵敏度高。
实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下。
光敏电阻灵敏度高、工作电流大、光谱响应范围与所测光强范围宽、无极性、使用方便；
但是光敏电阻响应时间长、频率特性差、强光线性差、受温度影响大。
方案二、光敏二极管
光敏二极管是一种将光能量变换为电能量的器件，它基于半导体的光生伏特效应的原理，光敏二极管装在透明玻璃外壳中，其中PN结装在装置的顶部，可以直接受到光照射。
光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。
在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流。
当光照射在PN结上时，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对。
它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成电流。
光的强度越大，光电流越大。
因此光敏二极管在不受光照射时，处于截止状态，受光照射时，处于导通状态。
光敏二极管的优点是线性好，响应速度快，噪声低，小型轻量以及耐振动与冲击等；
缺点是输出电流小。
2.2.3传感器的选定
此次毕业设计期望达到的效果是系统功能合理、电路板结构尽可能简单化、操作方便、节约成本。
所以根据设计的目标以及方案对比等因素考虑，传感器设计方案将围绕方案二展开。
2.3总体设计方案
本系统的设计的硬件主要包括：
单片机AT89S52，检测电路，显示电路，键盘电路，存储电路，调节电路、复位电路等。
利用传感器测量大棚内的光照强度经过ADC0809处理后，将数据送至AT89S52，与预设的农作物最适合生长的光照强度值的上下限进行对比，并通过显示电路将测得的光照强度值进行实时显示。
如果不同作物的适合生长的光照强度不一样，可以通过键盘电路修改预设值。
AT89S52根据比较的结果对调节系统发出相应的指令，启动相应的调节设备如遮阳网、补光灯等，调节大棚内的光照状态。
这样就实现了对大棚光照强度的自动控制。
2.4方案执行注意事项
由于本次设计传感器选用的是方案二，即选择光敏二极管传感器为主要元件，用于光照强度信号的采集，在使用光敏二极管传感器需要注意其工作电流。
以及后面的控制电路要考虑电路的驱动能力。
本次设计既要使电路板结构简洁，又要考虑如何达到预期效果，所以应尽量选择较少的元器件。
第三章系统硬件电路的设计
3.1硬件设计过程
在一个单片机应用系统的硬件电路设计中选定单片机型号后，开始下面两部分内容：
一是系统扩展，首先选择单片机内的功能单元，若片内RAM、ROM、I/O、定时/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。
二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、A/D转换器等，要设计合适的接口电路[6]。
系统的扩展和配置应遵循以下原则：
尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。
为硬件系统的标准化、模块化打下良好基础。
系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。
系统中的相关器件应尽可能的做到性能匹配。
如选用CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。
可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印制电路板布线、通道隔离等。
单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。
驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。
尽量朝“单片”方向设计硬件系统。
系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。
整个硬件系统保证电器信号的准确性，输出执行部件能按照输出电器信号正确运行。
工艺设计，包括机架、机箱、面板、配线、接插件等，必须考虑安装、调试、维护的方便。
参考以上原则，选择合适的芯片。
然后绘制原理图，在原理图的基础之上，对电路板的布局进行合理规划，从而达到即操作方便又便于观察，并且能达到设计的功用。
电路板整体布局如图3.1。
图3.1电路板整体布局图
3.2总体设计构成
本次设计总共可为七个部分。
分别为基本电路部分、存储电路部分、键盘电路部分、显示电路部分、检测电路部分、A/D电路部分和调节电路部分。
基本电路部分：
主要是由单片机、时钟振荡电路和复位电路组成。
主电路部分主要是为单片机提供复位电平信号和时钟信号保证单片机正常运行的作用。
存储电路部分：
主要是由单片机和X5045组成。
利用X5045的E2PROM来存储控制上下限值。
键盘部分：
由HD7279与四个按键组成。
目的是为了实现对系统控制量的设定功能。
显示部分：
由HD7279和LED显示器组成，主要功能是显示系统测得的光照强度数值和显示设置光照强度的上下限以及量程范围。
检测电路部分：
主要由光敏二极管和LM393组成，主要功能是对光照强度信号进行采集，并将光照强度信号传送给ADC0809进行进一步处理。
A/D电路部分：
主要由ADC0809组成，主要功能是对检测电路传送的信号进行处理，然后送给单片机。
调节电路部分：
该部分主要由三极管和继电器组成，主要功能是对监测的控制量进行调节。
3.3基本电路设计
3.3.1单片机简介
AT89S52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机[7]，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89S52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
3.3.2基本电路
单片机要正常工作，必须具备的硬件条件中最主要的三个基本条件是正常的电源、正常的时钟电路和复位电路。
工作电源:
电源是一切芯片正常工作的保障，对应的接线方法是：
单片机的40引脚（VCC）为电源引脚，工作时接+5V电源，单片机的20引脚为接地引脚。
时钟电路：
时钟电路为单片机提供时序脉冲，在时序脉冲的驱动下单片机进行运算和控制活动，一旦单片机的时序电路停止工作（晶振停振），那么单片机就会停止运行。
MCS-51内部有一个用于构成振荡器的可控高增益反向放大器。
两个引脚XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）分别是该放大器的输入端和输出端。
在片外跨接一晶振和两个匹配电容C1、C2如图所示。
就构成一个自激振荡器。
振荡频率根据实际要求的工作速度，从几百千赫至24MHz可适当选取某一频率。
匹配电容C1、C2要根据石英晶体振荡器的要求选取。
当晶振频率为12MHz时，C1、C2一般选30pF左右。
复位电路：
RST引脚是复位端，高电平有效。
在该引脚输入至少连续两个周期以上的高电平，单片机复位。
RST引脚内部有一个斯密特ST触发器以对输入信号整形，保证内部复位电路的可靠，所以外部输入信号不一定要求是数字波形。
使用时，一般在此引脚以Vss引脚之间接一个约8.2
的下拉电阻，与Vcc引脚之间接一个约10
的电解电容，即可保证上电自动复位。
如果在此基础上增加按键开关S和电阻R19又可实现按键复位功能。
R2的作用是在S按下时，防止电容放电电流过大烧坏开关S的触点，应保证
10。
一般取
。
复位电路接线方法如图3.2。
图3.2基本电路图
3.4储存单元
X5045是单片机系统电路的一个辅助芯片，它将复位、电压检测、看门狗定时器和快锁存保护的串行EEPROM功能集合一个芯片内；
采用SPI总线串行外设接口方式，降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求，提高了系统的可靠性；
适合于需要现场修改数据的场合，广泛应用于仪器仪表和工业自动控制等领域。
3.4.1X5045功能应用
在这次毕业设计中，主要利用X5045串行E2PROM存储量程上下限值和控制上下限值。
3.4.2储存单元电路
本次设计中X5045作为存储器使用，对X5045的操作是通过4根口线
、SCK、CI、SO进行同步串行通信来完成的。
X5045内有一个8位指令寄存器，对芯片的所有操作都需要通过对该寄存器的写命令来完成，该寄存器可以通过SI来访问。
AT89S52与X5045之间的接线如图3.3。
图3.3储存单元电路接线图
3.5键盘电路和显示电路部分
在本次设计中利用7279实现键盘和显示器的人机交互。
键盘和显示器由HD7279管理，实现4个按键的功能：
设定键、增键、左移键、确认键。
以及显示器的显示功能：
由8个LED数码管组成。
HD7279与LED、键盘的连接方式如图3.4。
图3.4键盘、LED与HD7279的接法
3.6检测电路部分
光照强度的检测电路所用传感器是光敏二极管，还有芯片LM393，它们的具体连接电路如图3.5（a）所示，传感器实物图如图3.5（b）。
LM393是高增益,宽频带器件，像大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。
这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的。
减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1.0~10mV）能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入IC（集成电路板缩写：
IC）并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要[8]。
图3.5（a）光照强度采集电路接线图图3.5（b）传感器实物图
由于传感器的输入输出是反相的，所以需要外接硬件电路来使输入输出呈现正相。
为了实现这一目的，我选用了LM324来搭接一个反相比例运算电路和一个同相求和电路来实现，电路图如图3.6所示。
图3.6反相比例与同相求和接线图
3.7A/D电路部分
ADC0809是典型的8位8通道逐次逼近式A/D转换器，可以和微型计算机直接接口。
ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量[9]。
ADC0809外接500kHz的时钟才能正常工作，只可以利用主机芯片中的ALE端口，此端口为主机时钟频率12MHz的6分频，即2MHz，再可利用D触发器4分频达到500kHz就可正常使用。
采用74HC74做双D触发器，对ALE信号四分频给ADC0809提供时钟信号。
接线图如图3.7所示。
图3.7分频电路
本次设计采用基准稳压源LM336进行参考电源的设计。
LM336-2.5/5.0属于三端精密基准电压源，可广泛用于数字电压表、稳压电源和运算放大器的电路中；
其基准电压的典型值为2.490V/5.0V，长期稳性是0.00002/
；
其基准电压值和电压温度系数均可由外部电路调整到最佳特性；
动态阻抗典型值为0.2
工作电流范围从300
到10
由于它采用并联调整电路，因此可作为正电压基准或负电压基准；
LM336与ADC0809的接线方式如图3.8所示。
图3.8ADC0809与LM336的接线图
3.8调节电路部分
为了实现对温室大棚内光照强度进行控制，从而设计了调节电路。
调节电路由三极管、继电器和小灯泡组成。
控制电路与单片机的P2.0口相接[10]，调节电路图如图3.9所示。
调节电路的工作原理是当测量值低于设定的控制量范围时，单片机会把P2.0口置成高电平使三极管导通[11]，然后继电器的常开触点闭合，从而使得小灯泡工作，使光照强度发生改变，回到设定的范围内，然后单片机把P2.0口置成低电平继电器断电，
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