基于51单片机的温室大棚控制系统.docx
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基于51单片机的温室大棚控制系统
目录
1绪论5
1.1问题的提出5
1.2课题的研究意义5
2系统概述6
2.1系统的功能要求6
2.2系统的组成6
3方案的比较和论证7
3.1所采集信号的传输方式的选择7
3.2模数转换的方案选择7
3.3控制电路的方案选择8
4单片机系统硬件设计8
4.1单片机最小系统8
4.2传感器信号采集电路10
4.3A/D转换电路14
4.4液晶显示电路15
4.5继电器控制电路17
4.6串口通信模块19
4.7nRF905无线传输模块21
4.83.3V电源设计22
4.9GSM手机模块22
5单片机系统软件设计23
5.1DS18B20温度采集子程序流程图24
5.1nRF905无线模块收发流程图24
6uPLC可编程逻辑控制器设计26
6.1uPLC可编程逻辑控制器简介26
6.2uPLC主要性能参数26
6.3uPLC的运算功能27
6.4uPLC梯形图语言27
7Fameview组态软件设计29
7.1Fameview组态软件简介29
7.2Fameview组态特点30
7.3Fameview组态性能指标30
7.4Fameview组态软件设计步骤31
8TeamViewer远程控件设计37
8.1TeamViewer简介37
8.2建立TeamViewer远程连接37
9系统调试41
9.1硬件电路调试41
9.2软件调试41
9.3软硬件结合调试41
结论42
参考文献43
附录43
西昌学院农业设施大棚远程控制系统
文俊指导教师：
施智雄
（2008级电子信息工程）
摘要：
随着电子技术及其应用需求的发展，单片机技术在高集成度、高速度、低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。
伴随着科学技术的发展和农业产业结构的调整，中国农业走上了现代化、设施化的道路。
现代化农业大棚智能控制系统以其环境可控、易于管理、生产效率高等特点得到了越来越广泛的应用。
本设计主要以STC51单片机为主控制芯片，结合传感器、uPLC可编程逻辑控制器、Fameview组态软件、nRF905无线传输模块、GSM手机模块以及网络资源设计的实现对大棚内空气温湿度、土壤温湿度、光照的采集、显示、自动控制和远程监控的智能控制系统。
通过控制大棚内各因素（空气温湿度、土壤温湿度、光照）使大棚作物处于一个最适合的生长的环境，达到提高作物产量的目的。
关键词：
单片机传感器组态无线传输大棚控制
Abstract：
Withthedevelopmentofelectronictechnologyanditsapplicationneeds,SCMtechnologyhasmadegreatprogressintermsofhighintegration,highspeed,lowpowerandhighperformance.Accompaniedbyscientificandtechnologicaldevelopmentandtheagriculturalstructureadjustment,China'sagriculturehasembarkedonamodernizationoffacilitiesoftheroad.Modernagriculturegreenhouseintelligentcontrolsystemwithitscontrolledenvironment,easeofmanagement,productionefficiencyhasbeenmorewidelyused.ThedesignofthemaintoSTC51SCM,combinedwithsensors,uPLCFameviewprogrammablelogiccontroller,NRF905wirelesstransmissionmodule,GSMmobilephonemodule,andnetworkresourcesonthegreenhouseairtemperature,humidity,soiltemperatureandhumiditylightcollection,display,intelligentcontrolsystemforautomaticcontrolandremotemonitoring.Variousfactorswithinthecontrolgreenhouse（airtemperatureandhumidity,soiltemperatureandhumidity,light）tothegreenhousecropisoneofthemostsuitablegrowthenvironmenttoachievethepurposeofcropproduction.
Keywords：
SCMSensorsConfigurationWirelesstransmissionGreenhousecontrol
1绪论
1.1问题的提出
随着温室大棚技术的普及，大棚数量不断增多，大棚内温度、湿度和光照等的控制便成为一个十分重要的研究课题。
传统的大棚控制是在大棚内部悬挂温度计、湿度计和照度计，通过读取温度值、湿度值、光照值以了解实际温度、湿度、光照，然后根据现有值与额定的值进行比较，看其是否过高或过低，然后进行相应的通风、洒水、遮光、补光等措施。
这些操作都是在人工情况下进行的，耗费了大量的人力物力。
现在，随着国家经济的快速发展，农业产业规模的不断提高，农产品在大棚中培育的品种越来越多，对于数量较多的大棚，传统的大棚控制措施就显现出很大的局限性。
温室大棚的建设对大棚内温度、湿度和光照等检测与控制技术也提出了越来越高的要求。
今天，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务。
单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。
时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化已成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其在日常生活中也发挥越来越大的作用。
以单片机为核心的控制问题是一个工农业生产中经常会遇到的问题。
本设计是采用单片机来对温室大棚进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度、湿度、光照值的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。
本课题则是围绕单片机而设计的温室大棚远程控制系统。
1.2课题的研究意义
我国人多地少，人均占有耕地面积少。
因此，要改变这种局面，只靠增加耕地面积是不可能的，要用新的方法来提高单位亩产量，温室大棚技术就是其中的一个好的方法。
温室大棚是植物栽培生产过程中必不可少的设施之一，而大棚内温度、湿度、光照强度以及土壤的温度和含水量等因素，对大棚作物的生长起着关键性作用。
本课题介绍的温室大棚远程控制系统是基于单片机技术设计的集监、控、管于一体的温室智能化远程监控系统，能够对大棚内温度、湿度、光照等因素进行实时检测和自动调节，创造植物生长的最佳环境，使温室内的环境接近人工设想的理想值，以满足温室作物生长发育的需求。
该系统抗干扰能力强，具有较高的测量精度，安装简单方便，性价比高，可维护性好，是一种智能化、节能化、网络化的方案，适于大力推广以促进农作物的生长，从而提高温室大棚的亩产量，带来更好的经济效益和社会效益。
2系统概述
2.1系统的功能要求
A、能将大棚内空气温湿度、土壤温湿度和大棚内光照值进行准确的数据采集并将数据
显示在LCD1602液晶屏上。
B、通过nRF905无线传输模块将采集的各参量数据无线传输至控制室的LCD12864液晶
屏和Fameview组态画面中显示。
C、通过单片机控制继电器与uPLC可编程逻辑控制器的结合，系统将自动控制大棚内温
湿度和光照的控制设备。
D、通过Fameview组态软件能够人工控制大棚内温湿度和光照的控制设备，并在组态中
实现对温湿度和光照的超值报警、历史报警信息查询和历史监测数据查询等。
E、通过GSM手机模块能在手机上显示大棚内温湿度和光照值，并能通过手机控制大棚
内温湿度和光照的控制设备。
F、能够在远程PC机上通过网络连接到控制计算机上对大棚内温湿度和光照进行远程监
视和控制。
2.2系统的组成
该系统的组成模块包括：
单片机最小系统模块、传感器信号采集模块、A/D转换模块、液晶显示模块、继电器控制模块、uPLC可编程逻辑控制器、nRF905无线传输模块、GSM手机模块和所需的网络资源等。
系统模块的组合框图（图1）如下：
图1系统的组合框图
3方案的比较和论证
3.1所采集信号的传输方式的选择
温室大棚环境信息的采集与传输技术以及在线远程监控需要运用适宜的现代通信手段来实现。
按通信技术传输介质的不同可分为有线和无线两种方式。
方案一：
有线通信方式具有设备互操作性强、系统可靠性高、抗干扰能力强等优点。
而温室环境湿度高、酸性大、光照强会导致线缆的老化,降低系统的可靠性。
此外传感器与执行机构数量多且分散,导致线缆纵横交错,作物变更时需重新布置,导致系统安装与维护成本增加。
方案二：
无线通信方式以组网灵活无需布线等优点在温室局域范围内采用,将各种检测装置、执行机构以及控制器连接起来,实现对温室环境等各项参数的自动检测和控制,应用在环境恶劣的条件下将是非常有意义的[1]。
经方案比较，本设计采用方案二。
3.2模数转换的方案选择
方案一：
采用8位AD转换芯片ADC0809实现模数转换。
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。
其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。
ADC0809有28条引脚。
方案二：
采用8位AD转换芯片PCF8591实现模数转换。
PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。
PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。
PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。
在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。
PCF8591有16条引脚。
考虑到STC单片机引脚有限的问题，经比较本设计采用方案二。
3.3控制电路的方案选择
方案一：
直接用继电器电路控制大棚内各增减设备。
本设计所采用的是5V电磁继电器，而控制设备所用电压可达到220V。
如果用5V继电器驱动220V的控制设备，设计简单，但如果在电路板上实现低电压控制高电压存在一定的危险性。
所以不采用此方案。
方案二：
用继电器结合uPLC的系统控制大棚内各增减设备。
由于本设计采用的是5V电磁继电器，uPLC可编程逻辑控制器的低电压控制是12V，uPLC可以实现12V低电压控制高电压的的控制。
所以通过继电器来控制UPLC，在通过uPLCD来控制大棚内高电压的增减设备。
此方案是比较适用且安全的方法。
从可行性和安全性考虑，本设计采用方案二。
4单片机系统硬件设计
4.1单片机最小系统
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
STC89C52引脚说明如下：
A、主电源引脚VSS（接地）和VCC（+5V）；
B、外接晶振引脚XTAL1和XTAL2；
C、控制或与其它电源复用引脚RST、ALE/PROG和EA/VPP；
D、输入/输出引脚P0.0-P0.7、P1.0-P1.7、P2.0-P2.7、P3.0-P3.7。
STC89C52单片机最小系统（图2）电路如下：
图2STC89C52单片机最小系统
4.1.1复位电路
为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。
一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。
由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。
本设计采用的是手动按钮复位，手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平（图1）。
一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。
当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。
手动按钮复位的电路如所示。
由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。
单片机复位电路图（图3）如下：
图3单片机复位电路
4.1.2晶振电路
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。
有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。
单片机晶振电路图（图4）如下：
图4单片机晶振电路
4.2传感器信号采集电路
4.2.1.DHT11温湿采集电路
DHT11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。
它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。
产品为4针单排引脚封装。
测量分辨率分别为8bit（温度）、8bit（湿度）。
DHT11的供电电压为3－5.5V。
传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。
电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。
DHT11的应用电路和实物图（图5）如下：
图5DHT11的应用电路和实物图
DHT11采集数据方式：
用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。
DHT11通讯过程图（图6）如下：
图6DHT11通讯过程图
4.2.2.DS18B20温度采集电路
Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。
DS1822的精度较差为±2°C。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量，如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。
可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。
分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存[6]。
DS18B20的应用电路图和实物图（图7）如下图：
图7DS18B20的应用电路图和实物图
4.2.3.光照采集电路
本设计采集光照强度采用的是利用PCF8591实现光敏电阻的模数转换。
光敏电阻受光照后，其阻值会变小。
用来制作光敏电阻的典型材料有硫化镉（Cds）及硒化镉（CdSe）两种。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下，有阻值迅速减小的特性[5]。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻的电器阻抗R（图8）如下：
图8光敏电阻电气阻抗
光照强度采集电路图和光敏电阻实物图（图9）如下：
图9光照强度采集电路图和光敏电阻实物图
4.2.4.土壤湿度采集电路
本设计采集土壤湿度采用的是利用PCF8591实现HR31湿敏电阻的模数转换。
湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分导致电阻值发生变化这一原理制成的。
HR31温湿度计用新型湿敏电阻是采用有机高分子材料的一种新型湿度敏感元件，具有感湿范围宽，响应迅速，抗污染能力强，无需加热清洗及长期使用性能稳定可靠等诸多特点。
HR31湿敏电阻的电器阻抗R（KΩ）（图10）如下：
图10HR31湿敏电阻电气阻抗
土壤湿度采集电路图和HR31湿敏电阻电阻实物图（图11）如下：
图11土壤湿度采集电路图和HR31湿敏电阻电阻实物图
4.3A/D转换电路
PCF8591是单片、单电源低功耗8位CMOS数据采集器件，具有4个模拟输入、一个输出和一个串行I2C总线接口。
3个地址引脚A0、A1和A2用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件。
器件的地址、控制和数据通过两线双向I2C总线传输。
器件功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功能、8位模数转换和8位数模拟转换。
最大转换速率取决于I2C总线的最高速率[7]。
PCF8591引脚（图12）说明如下：
AIN0～AIN3：
模拟信号输入端。
A0～A3：
引脚地址端。
VDD、VSS：
电源端。
（2.5～6V）
VREF：
基准电源端。
AGND：
模拟信号地。
AOUT：
D/A转换输出端。
图12PCF8591引脚
SDA、SCL：
I2C总线的数据线、时钟线。
OSC：
外部时钟输入端，内部时钟输出端。
EXT：
内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时EXT接地。
PCF8591A/D转换电路（图13）如下：
图13PCF8591A/D转换电路
4.4液晶显示电路
4.4.1.LCD1602液晶显示电路
1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。
每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形。
1602的引脚介绍如下：
第1脚：
VSS为电源地
第2脚：
VDD接5V电源正极
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最
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1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
空脚或背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极。
本设计中LCD1602的电路原理图如下（图14）：
图14LCD1602显示电路
4.4.2.LCD12864液晶显示电路
LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
LCD12864的引脚功能（表1）如下表：
管脚号
管脚名称
电平
管脚功能描述
1
VSS
0V
电源地
2
VCC
3.0+5V
电源正
3
V0
-
对比度（亮度）调整
4
RS（CS）
H/L
RS=“H”,表示DB7——DB0为显示数据
RS=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据
5
R/W（SID）
H/L
R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0
R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR
6
E（SCLK）
H/L
使能信号
7-14
DB0
H/L
三态数据线
15
PSB
H/L
H：
8位或4位并口方式，L：
串口方式
16
NC
-
空脚
17
/RESET
H/L
复位端，低电平有效
18
VOUT
-
LCD驱动电压输出端
19
A
VDD
背光源正端（+5V）
20
K
VSS
背光源负端
表1LCD12864的引脚功能表
本设计中LCD12864的电路原理图如下（图15）：
图15LCD12864显示电路
4.5继电器控制电路
继电器是一种电控制器件。
它具有控制系统和被控制系统之间的互动关系，通常应用与自动化控制电路中。
它实际上是用小电流去控制大电流动作的一种“自动开关”，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
当输入量（如电压、电流、温度等）达到规定值时，继电器使被控制的输出电路导通或断开。
继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。
广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。
本设计运用的继电器为电磁继电器。
电磁继电器工作原理（图16）：
电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返
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