温室大棚卷帘机控制系统总体方案设计本科毕业论文.docx

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温室大棚卷帘机控制系统总体方案设计本科毕业论文

温室大棚卷帘机控制系统总体方案设计

第一章绪论

1.1背景介绍

2009年12月8日傍晚，福兴地某村一位中年妇女到自家大棚上放草帘，由于没有及时停住卷帘机，导致绳子在铁杆上反缠，该妇女去拉绳子时，不慎被绳子缠住围巾，最终被勒住颈部，当场死亡。

1.2相关技术的情况

目前使用的温室大棚卷帘机是靠人工送电，以达到控制卷帘机升降的目的，存在着很大的安全隐患。

卷帘机本是帮助人们干活的工具，可有时却成了杀人工具，而且不管温室中是否有劳动任务，管理人员必须亲自到温室按动按键实现卷帘机的升降，浪费了时间。

1.3设计的意义

本设计以发送短信的方式来控制卷帘机的升降，通过远程控制，就能实现卷帘机的自动升降，一方面可以有效的避免类似上述情况的发生，另一方面可减轻管理人员的劳动强度，在温室中没有劳动任务的时候不必亲自到温室，仅仅为实现大棚帘子的升降，节省了时间。

同时本设计外加其他功能，一方面能检测室内温度，将温度以短信的形式发给管理人员，使管理人员能够及时准确的了解温室内的温度情况，及时实现对温室大棚的通风，使作物获得适宜的生长温度，有利于作物的生长；另一功能就是当室内温度过低时，卷帘机能够自动放帘，以保证室内基本恒温，缩短蔬菜生长周期，使蔬菜提前上市，提高经济效益。

第二章总体设计方案

温室大棚卷帘机控制系统总体方案设计是根据其功能而设计的，从全局的角度，以系统的观点而进行整体方面的设计，主要由GSM短信收发模块、温度显示模块、矩阵键盘设置模块，步进电机模拟卷帘机模块等组成。

2.1结构设计

（图2-1总体框架结构图）

其中AT89S52单片机作为本系统的主控制模块。

按键设置模块可设置最低报警温度和管理人员手机号码。

GSM模块中的短信内容由单片机进行判别，如读到升起的指令，卷帘机往上卷，若为降指令，则往下卷。

同时18B20温度传感器将检测到的温度传输到LCD显示，温度一旦低于设置的值，单片机发短信给GSM，提示管理人员降下帘子。

2.2本设计主要功能流程图

（图2-2功能流程图）

小节：

本章对该设计的总体框架结构体系设计进行了论述，并对该设计的功能通过流程图的形式进行了介绍,硬件及软件模块的设计分别在第三章、第四章给以介绍。

第三章硬件设计模块

温室大棚卷帘机控制系统硬件模块主要由单片机主控制模块、GSM短信收发模块、温度显示模块、按键模块、步进电机仿卷帘机五大模块组成。

下面分别对五大模块进行分析。

3.1单片机主控制模块

本模块主要由单片机最小系统搭建而成，主要包括复位电路与时钟电路两大部分，这里单片机主要进行计算，判断，进制转换等一系列工作，也是整个系统中最关键的部分，下面具体介绍一下单片机主控制模块的各个组成。

3.1.1AT89S52功能简介

AT89S52和AT89S51（如图）基本是一样的，S52比S51多一个定时器，由于S52的定时器2不常用，故在此我们讨论S51，它是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，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ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

（图3-1-1AT89S51引脚图）

3.1.2复位电路

为确保单片机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的部分，复位电路有上电自动复位和按键复位两种，这里采用按键复位。

其工作电路图（3.1.2）。

3.1.3时钟电路

时钟电路是单片机工作的心脏，它控制着单片机的工作节奏，单片机就是通过复杂的时序电路完成不同指令功能的。

时钟的工作电路图如（3.1.3）。

（图3-1-2复位电路）（图3-1-3时钟电路）

3.2GSM短信收发模块

GSM短信收发的主要功能是收发短信，当温度低于设定的值时自动给管理人员发送短信，给以报警提示，同时接受管理人员回复的短信，通过单片机判断短信内容，控制卷帘机的升降。

3.2.1TC35模块简介

TC35是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务（ShortMessageService）和传真。

模块的工作电压为3.3－5.5V，可以工作在900MHz和

1800MHz两个频段，所在频段功耗分别为2W（900M）和1W（1800M）。

模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。

此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。

通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。

通过ZIF连接器及50Ω天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。

3.2.2TC35引脚极其用法简介

TC35有40个引脚，1～14引脚为电源部分，其中l～5引脚为电源电压输入端VBATT+6～10引脚为电源地GND，ll～12引脚为充电端，13引脚为对外输出电压（供外部电路使用），24～29引脚为SIM卡连接端；33～40引脚为语音接口用来接电话手柄。

15、30、31和32引脚为控制部分，15引脚为启动线IGT（Ignition）。

当TC35通电后必须给IGT一个大于100mV的低电平，模块才能启动。

30引脚为RTCBACKup；31引脚为掉电控制；32引脚为SYNC，16～23引脚为数据输入／输出端。

启动电路由漏极开路三极管控制。

在这里，着重介绍下SYNC引脚，因为该引脚可以很好的反映TC35的工作状态。

SYNC引脚可以用来输出一个同步信号（synchronization signal），也可以在应用时来控制一个LED灯的输出状态。

SYNC端通过一个三极管或门电路来控制LED。

一个简单的电路接法是：

SYNC端通过一电阻接到NPN三极管（如9013）的基极，射极直接接地，集电极通过一个接限流电阻接到LED的负端，LED的正端接VCC。

LED的工作模式完全类同于同步信号，显示的是TC35的工作状态：

【1】LED灯灭，表示TC35电源关闭，处于休眠、报警或单纯的充电模式 

【2】600 ms 亮 / 600ms 灭，表示未插入SIM卡，或者个人身份未登记/已注销，或者网络正在搜寻中，或者正在进行管理人员身份鉴定，或者网络注册正在进行中 

【3】75ms 亮 / 3s 灭，表示网络注册成功（控制通道和管理人员交换信息完成），无来电 

【4】LED灯亮，依据不同的呼叫类型：

声音呼叫，数据呼叫，在建立或者完毕时的状态。

3.3温度显示模块

本模块主要通过DS18B20温度传感器采集室内温度，将实时温度显示在LCD液晶上，并且当温度低于设定温度时，将温度值发送给管理人员，让管理人员知道温室内温度变化。

3.3.1DS18B20温度传感器

（1）DS18B20温度传感器简介

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

独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；多个

DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能；无须外部器件；可通过数据线供电，电压范围为3.0～5.5V；零待机功耗。

零待机功耗；温度以９或１２位数字；管理人员可定义报警设置；报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件；负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

（2）温度检测电路

温度检测采用数字温度计DS18B20。

如图（3.3.1）

（图3-3-1）

3.3.21602字符型LCD液晶屏

（1）LCD简介

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。

本次设计选用的是长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器，下面介绍其用法。

一般1602字符型液晶显示器实物如图3-3-2-1：

（图3-3-2-1）

引脚功能说明

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如下：

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：

背光源正极。

第16脚：

背光源负极。

（2）LCD显示电路

本设计液晶显示模块的设计如下图（3-3-2-2）所示,该电路实现的功能是：

通过AT89S52的P00～P07八个口输出控制信号，控制液晶的8位双向数据线，通过单片机的P2.0、P2.1、P2.2向液晶模块发送命令，控制液晶执行各种命令，其中P2.2控制液晶的使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令，P2.1控制液晶模块的读写，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当P2.0和P2.1共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当P2.0为低电平P2.1为高电平时可以读忙信号，当P2.0为高电平P2.1为低电平时可以写入数据,P2.0控制寄存器的选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

（图3-3-2-2）

3.4矩阵键盘模块

矩阵键盘主要用来对最低温度和管理人员手机号码的设置，可以随时改变数值，更符合实际生产的要求。

3.4.14×4矩阵键盘的工作原理

矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。

在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。

这样键盘中按键的个数是4×4个。

这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。

3.4.2键盘电路设计

矩阵键盘引脚接法及其电路图3-4-2：

（图3-4-2）

3.5步进电机仿卷帘机模块

现实生活中本模块是卷帘机控制，卷帘机主要由直流电机和减速器组成。

本设计用二相四线步进电机模拟卷帘机的升降。

3.5.1步进电机的工作原理

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机