基于单片机的日光温室远程监控系统设计.docx
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基于单片机的日光温室远程监控系统设计.docx
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基于单片机的日光温室远程监控系统设计
序号(学号):
长春大学
毕业设计(论文)
基于单片机的日光温室远程监控系统设计
姓名
学院
专业
班级
指导教师
2020
年
5
月
29
日
基于单片机的日光温室远程监控系统设计
摘要:
基于全球人口增长已经在世界经济发展的环境下出现了不可逆转的增长趋势,导致资源极度匮乏。
所以针对人口基数大土地资源相对稀少的现状,日光温室技术蓬勃发展,能够提升相应的农作物产量。
众所周知,温度,湿度,光照强度等因素是农作物生长的重要因素,本系统也是在此基础上建立起来的。
系统通过DHT11温湿度传感器进行对当前温湿度和光敏电阻对光照的采集,将其数据传输到STM32单片机进行数据处理和液晶显示,根据按键的设置阈限进行数据判断。
处于阈限范围,则说明当前环境适合农作物的生长;若不在设置阈限时,蜂鸣器报警,将启动加热片,加湿器,降温风扇及除湿风扇等设备对数据进行调整,使其处于设定阈限内。
以此实现对温湿度和光照强度的实时监测和控制,满足农作物生长的必要条件,提高相应的农作物产量。
关键词:
日光温室;温湿度控制;单片机;实时监控
Designofremotemonitoringsystemforsolargreenhousebasedonsinglechipmicrocomputer
Abstract:
Basedontheglobalpopulationgrowth,therehasbeenanirreversiblegrowthtrendintheenvironmentofworldeconomicdevelopment,whichleadstotheextremelackofresources.Therefore,inviewofthecurrentsituationoflargepopulationbaseandrelativelyscarcelandresources,solargreenhousetechnologyisdevelopingvigorously,whichcanimprovethecorrespondingcropproduction.Asweallknow,temperature,humidity,lightintensityandotherfactorsareimportantfactorsforcropgrowth.Thissystemisalsoestablishedonthisbasis.ThroughDHT11temperatureandhumiditysensor,thesystemcollectsthecurrenttemperatureandhumidityandphotosensitiveresistanceoflight,transmitsitsdatatoSTM32singlechipcomputerfordataprocessingandLCDdisplay,andjudgesthedataaccordingtothethresholdsetbythekey.Ifitiswithinthethresholdrange,itmeansthatthecurrentenvironmentissuitableforthegrowthofcrops;ifitisnotwithinthethresholdrange,thebuzzerwillgiveanalarm,andtheheater,humidifier,coolingfan,dehumidificationfanandotherequipmentwillbestartedtoadjustthedatasothatitiswithinthethreshold.Inordertorealizethereal-timemonitoringandcontroloftemperature,humidityandlightintensity,meetthenecessaryconditionsofcropgrowth,andimprovethecorrespondingcropyield.roomcanbereal-timeintelligencedatatoseefoodonthefoodsituationanalysisofthedatatoachievegranarymanagementautomation,intelligent.
Keywords:
Greenhouse,temperatureandhumiditycontrol,singlechipmicrocomputer,realtimemonitoring
第1章绪论
1.1课题研究目的及意义
1.1.1研究目的
全球人口增长趋势已经在世界经济发展的大环境下出现了不可逆转的增长趋势,在当今这个物欲横流的现代社会,城市化的确给人们带来很大的改变,但是不可否认的是城市化也带来了众多弊端,大气污染水污染光污染等一系列污染,资源极度匮乏,加之土地资源紧缺与水资源本身稀少,最终导致耕地面积相对来说就很少了。
所以针对中国人口基数大土地资源相对稀少的现状,人均土地面积数据会低也是不言而喻,为处理与解决这个问题,我们应该加强对农业技术的发展。
我国幅员辽阔,物产丰富土地面积均在世界前列,但是人口众多人口基数大导致人均水平不足,此外,由于土地资源也随之荒漠化污染等自然与社会污染问题而大为减少。
此外,我国面积辽阔,南北存在明显的季节差异,古有淮南为橘,淮北为枳,今有南方水稻,北方小麦之分,这些案例都说明农作物生长与气候有关,均受到南北季节的气候影响,比起南方,北方干燥寒冷,由于气候的劣势与大量闲置土地难以运用,革新技术是提高产量的前提。
周围环境对农作物也有不同程度的影响,比如二氧化碳含量与室温等。
对坏境因素的研究能尽快解决农业地域与气候变化等成因影响。
农业设施化通过监控农作物的生长环境来改善环境的一种新兴技术。
这样就可以有效的解决农作物在不同季节,不同地域成长的影响。
除外,农业设备化技术可以加强对土地与肥料运用,尤其提高水资源循环运用。
数据显示农业设施化技术运用日益增长,技术在土地上的使用也递增,设施化技术应用比例也增高,受到很多农业爱好者喜爱,农业设施化已经成为有效的解决资源短缺的有效途径。
1.1.2研究意义
温室气体监测系统是设施农业的一个重要组成部分,是温室气体核心技术。
第一个温室气体监测系统是使用模拟组合仪器建立的,这些仪器只能测量和控制一个环境参数。
随着科学和技术的不断提升,探测技术和单一技术也得到了现代化,温室气体环境的自动监测和控制技术也取得了重大进展。
1980年代,温室监测系统不断引进计算机技术,使温室控制自动化。
同时,通过将温室气体排放监测系统和专门系统技术结合起来,确保了对温室气体排放的明智管理。
技术落后的温室气体排放控制系统通常采用点对点办法作为连接控制点与控制器之间的一种手段。
当温度室中的监视因子增大、布线复杂而困难、干扰强度低、操作不稳定性和系统测试精度低时,单个监视也可以容易地反应。
随着无线通信技术的发展,无线技术已经开始应用于促进农业温室气体监测系统,并且已经在国外成功应用。
国家温室气体技术借鉴了其他拥有先进温室气体技术的国家的经验,也改善了本国温室气体的自动化。
温室技术仍处于发展阶段,因此其发展空间非常重要。
因此,对温室气体排放监测系统的研究有助于提高作物生产效率,合理分配有限的资源,并为今后利用智慧发展温室气体排放提供重要的指导意义。
1.2温室控制技术国内外研究现状
1.2.1国外温室技术的发展
温室气体技术研究在国外很早就开始了,并且多年来不断发展。
在过去几十年中,通过不断更新技术,开发了若干环境参数的取样工具,从而监测了温室气体作物的环境因素。
近年来信息技术的迅速发展进一步改善了温室气体系统的运行,随着现代自动化技术的不断一体化,逐步提高了排放控制自动化能力。
由于先进的自动化技术仍然存在于少数发达国家,因此温室气体的排放量仍然很高。
荷兰欣赏的两大艺术品是花卉和风车,面积为41543平方公里。
由于领土面积有限,合理分配和改善土地使用是需要解决的关键问题。
因此,荷兰作为世界上最重要的试验基地,正在努力使其农业生产现代化,提高其技术水平。
在荷兰,试验性耕地技术先进,智能技术得到充分应用,试验场监测系统也比其他国家先进。
美国经济发达,率先将信息技术应用于温室气体生产,并于1949年建造了世界上第一个温室供个人使用。
美国目前开发的称为农业专家管理系统的温室气体监测系统(温室气体监测系统)有80%的计算机控制,其温室气体综合环境控制技术处于世界前列。
许多其他国家也为温室气体灌溉作出了重要贡献,例如希腊,该国开发了一个现代温室监测系统,具有遥控功能。
联合王国在有关的国际会议上提出了温室遥控技术,将监视、灌溉、肥料和采集结合起来,并可控制到50公里以上的温室[7]。
1.2.2国内温室技术的发展
由于引进了先进的国外技术,我们的温室监测系统也得到了发展。
在二十世纪初,我国加强了农业发展,并在技术发展方面积累了许多研究经验。
然而,由于引进的技术不足以及研发能力与发达国家之间的差距,这些技术的使用受到限制。
1950年代初期,向国外引进了灌溉设备和技术,但由于设备设计和管理方面的问题,这些设备和技术只用于示范,没有大规模用于日常农业生产。
在随后的20年中,我国加强了研究工作,并在技术和业务应用方面取得了显著成果。
温度主要由塑料库和太阳能温室组成,由于成本较高,这些温室被广泛使用,但结果简单,环境控制能力不足。
这导致了温度内的行为,从生产和质量角度看,这是不理想的,与世界其他发达国家的行为截然不同。
1980年代至1990年代,随着国民经济的发展和科技的发展,温室气体水平也大幅度上升。
最后,我国不再从国外学习先进技术,但我国拥有一个技术系统,能够根据国外技术和现实情况开发新技术。
这一时期大大推动了农业自动化的发展,使我国成为现代农业发展的国家。
然而,与其他发达农业国家相比,温室气体排放控制系统的自动化、智慧和联网仍然不足。
对于目前的国家温室监测和监视计划,可以区分基于PLC和工业控制机器的单片程序。
基于单片的温室监测系统,主要在MCS-51的核心(“8位数据操作”、“L”数据采集和高温室内的算法控制)完成。
该系统允许温室环境参数的采样、处理和输出,如空气温度湿度、二氧化碳浓度和环境温度室的耐照明性。
数据通信和命令通过输出结果与上行链路传输。
包括PLC的温室监测系统的基本元件是:
上机器、PLC控制器、数据集管、控制器等。
不同模块之间的通信通过RS485总线传输,而唐丽威等则在自动化和控制方面作了相应的改进,从而使PLC系统与温室的自动控制更加一致。
它们将PCL用作控制系统的控制核心,并将单片作为传感器采样模块,从而通过模拟采样通道来降低温室自动控制系统的成本。
该研究所开发的温室智能控制系统结合了总线技术和控制技术,从而通过现场智能控制技术实现对日光温室环境的实时控制[5]。
1.2.3国内外温室技术发展总结
一般来说,我们目前的温室气体自动控制系统和灌溉技术都是从中国进口的。
外国人与其他国家不同的是,引进的大多数先进技术都适合国外的特殊环境条件,而且不适应国外的环境条件。
不包括气候条件、土壤组成、作物品种等各种外部因素,这些因素不适合我国国情,也不足以显示其好处,而且这些设备的高昂费用增加了生产成本。
因此,直接引导外国技术并将其推广到平民人口是不可取的。
虽然许多单位还开发了温室气体排放监测系统,但许多单位目前处于试验阶段或小规模生产阶段,无法大规模销售,也无法应用于社会的日常生产。
而且,技术性能还没有得到充分发展,以便在实践中加以测试和改进,而这些自动控制系统也没有满足我们温室农业的需要。
与外国同类产品相比,技术差距仍然存在,在某些领域,设计是不合理的,生产水平很低,不易使用,需要进一步改善。
这是因为,高效的温室气体排放监测系统需要大量的人力和物力投入,以及技术的跨部门一体化,这在某种程度上限制了对温室气体排放监测系统的开发。
有效和适应性强的温室气体。
第二,温室气体排放控制系统和灌溉控制系统费用高昂,许多农民虽然知道他们可以节省劳动力和水资源,同时提高产量,但却难以承受巨大的费用。
对农业温室气体排放监测系统的一次性投资和在某种程度上的有限准入的原因。
此外,我们大多数温室气体监测系统都使用传统的有线通信手段来传输数据。
由于传统的电缆通信受到周围环境的影响,由于传输距离和安装成本的限制,在温室气体时间表的维护和管理方面存在问题,而且不易广泛应用,因此,这一点很重要。
很难获得关于温室和不同繁殖期文化发展的信息。
今天,在二十一世纪,无线通信技术得到广泛利用,有线系统不再足以满足我们的需要。
这些系统很复杂,不易移动,不够灵活,而且由于日常维修费用高昂,在全国范围内无法便使用。
在温室监测系统中引进Zigbee将大大降低建立通信网络的费用,并通过在全国范围内提供接入、维护和传播便利,减少空间资源的浪费[2]。
1.3温室技术的发展趋势
随着科学和技术水平的提高,学科和学科相互重叠。
在温室气体领域使用了许多技术,如探测、通信、自动控制、计算机等。
它们是相辅相成的,大大改进了温室气体监测系统,并以综合和多样化的方式逐步发展。
温室气体环境监测技术将逐渐演变如下:
(1)网络云
随着互联网的发展,网络已进入成千上万个家庭。
以互联网为基础的温室监测系统也在发展之中,使农民能够容易和迅速地获得关于各种作物的商业信息,更新温室监测系统的功能,更新专家系统。
通过一个云雾数据库,他们可以从温室获得最大的利润。
此外,互联网上的先进技术确保了通过移动电话对温室进行监视,从而提高了温室管理和管理的效率,并根据温室的现代化和规模的发展最大限度地提高了温室的经济效率。
(2)分布式
从大温室到小温室,个体温室串联,温室大小不断增加。
为了满足对多个温室进行集中管理的要求,温室分布监测系统已成为温室控制系统中不可避免的趋势。
温室气体分布式监测系统的结构非常特殊,其组成部分是模块化的,包括现场控制执行系统和网络通信机制、操作者控制机制和工程师控制机制。
每个单元都有不同的作用和联系。
操作者控制机制可以控制环境参数,系统网络通信机制作为连接部分之间的链接连接,工程师监视机构和系统的多个部分桶现场监测机构与若干温室集中管理之间的通信提高了业务效率。
(3)人工智能
人工智能技术已经进入了我们的生活,对于高深的围棋项目,智能机器人阿尔法狗也击败了围棋世界冠军李世石,这是人工智能技术更加成熟的一个新的里程碑。
目前,温室监测系统引入了许多新的控制算法,其中智能控制算法最为突出,从而提高了系统的精度。
在不久的将来,将人工智能技术与温室气体监测系统结合起来,可以将温室气体排放控制系统的智慧提高到新的高度。
通过积累的经验,人类多次学习如何提高作物的产量和质量。
人工智慧也是如此,它可以更准确地捕获和记录有关生产过程的某些关键信息,然后将这些信息纳入大规模数据技术,并根据温室作物的生长特性进行分析。
从科学的角度来看,开发符合农作物最佳生长的环境条件,对于农作物的产量有着直接关系,并且符合绿色发展的先进理念[9]。
1.4课题主要研究内容
本系统所要完成的任务是:
(1)可实时和准确地显示取样温度值湿度值与光照强度值。
(2)警报由起动警报装置(警报声音)及时启动,该装置提供温度和湿度值,准确地确定标准值和当前值之间的差异,并采用相应的模式。
(3)用户可以根据不同的环境温度和湿度要求,随机和人为地改变温度和湿度值,以满足用户的不同需要。
(4)当光照强度低时,能够采用相应的设备进行补光。
第2章系统总体设计
2.1系统总体设计方案
本设计将电路分成了五个模块:
1、中央处理器:
该系统以STM32单片机为核心,STM32的最小系统可以控制电路的整体操作,对数据进行处理。
如温湿度传感器采集当前数据指标、液晶屏上数据的显示情况、符合条件时蜂鸣器进行报警等功能都由STM32单片机利用软件来实现。
2、温湿度采集模块:
对于温湿度采集我们选用的是DHT11传感器,高电平时可以传送40bit的数据,使用时直接与STM32单片机相连即可。
3、光照采集:
光照采集模块的核心元件是光敏电阻,由于内光电效应,当光照越来越强时,光敏电阻的阻值会越来越低。
光敏电阻阻值最低可小于一千欧。
4、显示模块:
显示模块利用的核心元件为插针式的1602液晶屏。
使用时首先将1602液晶屏直接连接到STM32单片机上,采集的数据通过单片机处理最终输入液晶屏显示。
5、报警模块:
报警模块使用蜂鸣器来实现报警功能,程序中会设定各数据的界限值,当采集到的环境数据超过界定值时蜂鸣器开始工作进行报警。
整体功能实现后系统根据采集到的数据进行判定,若不符合界限值将启动升温器、加湿器、风扇降温及喷雾器等设备对环境温湿度等数据进行调整,光照强度低时需要进行LED补光,这样本系统就实现了简单的数据控制[1]。
图2.1总体设计框图
2.2方案选择
2.2.1传感器选择方案
1、第一种方案
第一种方案中温湿度检测模块分别用DS18B20温度传感器和HS1101湿度传感器进行检测。
DS18B20温度传感器是一个数字温度传感器,是独特的单线式传感器,并且接口方式为单线式接口。
DS18B20温度传感器的温度有效使用范围在-50℃~120℃之间,误差范围是0.5℃,它的精度很高,最高可达到0.0624℃。
而HS1101湿度传感器是一种电容式传感器,它的湿度使用范围在0%RH到100%RH之间,且它的误差上下不超过2%RH[3]。
2、第二种方案
第二种方案中采用DHT11温湿度传感器来实现温湿度检测模块,不同于第一种方案,DHT11温湿度传感器是一款集成型的特殊传感器,它不仅限于只检测一个维度,而是可以同时检测温湿度两个维度。
并且DHT11的稳定性和灵敏性在众多比较中脱颖而出。
它的响应速度极快,且拥有极强的抗干扰能力和卓越的品质。
DHT11温湿度传感器可在20%~90%RH的湿度环境下绰绰有余,并且在0℃~50℃之间也可以正常工作,因此符合本系统对于温湿度精度的需求[6]。
通过上述分析可以了解到方案一虽然数据测量的精度更加准确但运用起来在会使整体系统更为复杂;方案二的数据测量精准度虽然没有方案一那么高,但也能满足本设计的需求,且比方案一可行性更大,系统稳定性也更高,最重要的是方案二的性价比最高。
综合比较下本设计的传感器选择方案二中的DHT11传感器。
图2.2DHT11温湿度传感器
2.2.2显示器选择方案
1、第一种方案
在第一种方案中,选择12864液晶显示器,它是128×64点阵液晶模块点阵数的缩写。
12864液晶显示器有40个管脚,可以显示丰富多彩的图形,让人耳目一新。
12864液晶显示屏一次性可以显示16×16点阵的汉字共32个,占四行八列;也可以显示16×8点阵的ASCII码字符共2个。
该显示屏拥有模块控制芯片提供的两套控制命令,并且可以并行或串行地连接到微处理器。
并且此装置具有创新性的多种功能,可以进行光标呈现、图像移动和进入睡眠模式,或画面位移等操作,还可以进入睡眠模式[4]。
2、第二种方案
第二种方案选用HJ1602液晶显示屏,因为它的数字性的智能结构,可以和大量形形色色的字符兼容。
它拥有16个引脚,可以显示数字、字母、符号等信息。
LCD1602液晶显示屏和单片机的连接更加简单和稳定。
通过上述分析可以了解到两种方案的选择在某些方面十分相似:
编程需要的步骤为写指令、地址、数据等,而两种方案的编程步骤一样且命令行类似。
但12864液晶屏可以显示的字符内容更多且更全面,能够更好地实现数据显示的功能。
但在性价比方面LCD1602液晶显示屏更加优异,LCD1602显示屏市面价格只有六元左右,而12864液晶显示屏大约是LCD1602的8倍,且1602液晶屏完全可以实现本系统的需求,所以本系统选用第二种方案的LCD1602液晶显示屏为显示器模块的核心元件。
图2.3液晶屏正面
图2.4液晶屏背面
2.2.3单片机主芯片选择方案
1、第一种方案
第一种方案考虑选用的51系列单片机,因为它在使用方面很为广泛。
此单片机是四个八位并行口,可以进行输入或者输出。
51单片机拥有64KB的地址空间,还有四个外设接口,分别为三个定时器和一个串口。
51单片机简单易操作,控制方便[8]。
1、第二种方案
第二种方案选用STM32系列单片机,它是一种嵌入式单片机,且内核为ARMCortex-M。
STM32系列单片机最多拥有112个I/O口,并且对于大多数端口都可以低电压的输入,操作方便。
STM32系列单片机用有4GB的地址空间,还有拥有时器,ADC,DAC,SPI,IIC和UART等许多外设。
STM32系列单片机成本低,功耗小,功能更强大[10]。
通过上述分析可以了解到51单片机的地址空间比32单片机的小很多,且I/O口只有32个,而32单片机有112个,51单片机的外设接口也非常少。
相对来看51单片机操作简单学习容易,可实现的功能有限;32单片机的外设接口多,操作有一定难度,但运行速度比51快,数据处理速度也更快,功能更强大。
所以本设计选择性能更加优异的STM32单片机。
STM32有着很强大的通信功能和控制功能。
这一点是51单片机无法比拟的。
因为51单片机只有1个串口进行通信,而32单片机具有5个串口进行通信,所以对一些要求用串口进行通信的模块而且就不需要通过CD4052等双串口模块来转换,所以这一点被市场上广泛的运用,32单片机因为本身可以进行多种不同的时钟模数来进行工作,所以在功耗要求比较严格的产品中占有一席之地。
图2.5STM32单片机实物图
第3章硬件电路设计
3.1主控制器STM32的硬件设计
本次毕业设计的主控模块采用的是STM32芯片,此芯片起到控制整个系统的运行,通过其各个端口与其它的模块相互连接,使系统能够成为一个统一的整体。
报警模块是指,通过对温湿度和光照强度设置上下阈限,当检测到的指标不在设定阈限内,蜂鸣器进行报警提醒。
此系统用到DHT11温湿度传感器进行对温湿度的检测,因为其数字性能可以直接进行模数转换,即可以直接把他连入单片机即可。
光照强度通过ADC0832进行模数转换接入单片机,LCD液晶显示模块同样接入单片机,完成对单片机处理后的数据进行显示。
图3.1STM32单片机管脚图
STM32具有高性能,低成本,低消耗的明显优势,是同类产品中性价比最高的硬件产品。
,此硬件内置32K至128K的执行代码。
它的功耗为36毫安,是市场上功耗最低的产品,相当于每赫兹0.5毫安。
并且具有四个P口,更有利于数据传输。
STM32特点:
STM32C8T6单片机具有RTC低负载的功能,而没有传统比较便宜的晶振。
其引脚个数为48个;工作频率为72兆赫兹;单片机具有3个普通定时器和1个高级定时器;单片机具有2个2位16通道的ADC模数转换;使用了3.3V稳压芯片,可以保证最大输出300MA电流;支持JTAG调试下载;存储资源为64kbbyteFLASH和20byteSram[11]。
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