温室大棚卷帘机控制系统总体方案设计.docx
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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日黄昏,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,以到达控制卷帘机升降的目的,存在着很大的平安隐患。
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,一方面可以有效的防止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,以保证室内根本恒温,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,以系统的观点而进展整体方面的设计,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构造设计
〔图2-1总体框架构造图〕
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。
GSM模块中的短信内容由单片机进展判别,如读到升起的指令,卷帘机往上卷,假设为降指令,那么往下卷。
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构造体系设计进展了论述,并对该设计的功能通过流程图的形式进展了介绍,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展分析。
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局部,这里单片机主要进展计算,判断,进制转换等一系列工作,也是整个系统中最关键的局部,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〕根本是一样的,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引脚构造,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局部,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,同时承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,可以快速平安可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息效劳(ShortMessageService)和。
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、以及2.4k,4.8k,9.6k的非透明模式。
此外,该模块还具有簿功能、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引脚为电源局部,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手柄。
15、30、31和32引脚为控制局部,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,或者正在进展管理人员身份鉴定,或者网络注册正在进展中
【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良型智能温度传感器,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展通信;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XX太阳人电子XX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为液晶显示器比照度调整端,接正电源时比照度最弱,接地时比照度最高,比照度过高时会产生“鬼影〞,使用时可以通过一个10K的电位器调整比照度。
第4脚:
RS为存放器选择,高电平时选择数据存放器、低电平时选择指令存放器。
第5脚:
R/W为读写信号线,高电平时进展读操作,低电平时进展写操作。
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列图〔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,高电平时进展读操作,低电平时进展写操作。
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控制存放器的选择,高电平时选择数据存放器、低电平时选择指令存放器。
〔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穿插点上,设置一个按键。
这样键盘中按键的个数是4×4个。
这种行列式键盘构造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,从而到达准确定位的目的,同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而到达调速的目的。
步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。
现在比拟常用的步进电机包括反响式步进电机〔VR〕、永磁式步进电机〔PM〕、混合式步进电机〔HB〕和单相式步进电机等。
3.5.2步进电机模拟卷帘机的设计
本设计步进电机及驱动器模块设计的电路如下图,VCC接12V电源,GND接地,A+、A-,B+、B-分别连接步进电机的四根接线,CP+、CP-、CW+、CW-分别连接单片机P10—P13口。
该电路实现的功能是:
通过AT89S51的P10、P11、P12、P13四个口输出四个信号,其中P10、P12口输出控制水平方向和垂直方向脉冲的个数,即两个方向上的位移量;P11、P13口控制步进电机的转动方向,即正反转。
控制过程为:
单片机承受键盘传来的信号,通过P1的四个口输出控制信号,通过硬件接线,发送到步进电机的驱动器,通过驱动器控制步进电机的转向和转角。
当然,其中还包括单片机的内部振荡电路,驱动器匹配的电路等的设计。
〔图3-5-2〕步进电机及驱动器模块设计电路图
引脚功能说明
P10、P12〔1、3脚〕:
接步进驱动器,传递脉冲个数;
P11、P13〔2、4脚〕:
控制电机的转动方向;
小节:
本章节对单片机主控制模块、GSM短信收发模块、温度显示模块、按键模块、步进电机仿卷帘机模块分别进展了介绍,里面对各模块的重点,难点及注意点进展了很仔细的分析与讲解。
第四章软件设计
温室大棚卷帘机控制系统软件设计主要由GSM短信模块程序设计,DS18B20程序设计,1602液晶程序设计,矩阵键盘程序设计及步进电机程序组成。
每一模块都是先单独调试,最后整体调试的。
下面分别介绍一下各模块的程序设计过程及注意点。
4.1程序设计总流程图
〔图4-1功能流程图〕
4.2GSM短信模块程序设计
GSM模块与手机之间的通信协议是一些AT指令集,AT指令是以AT作首,字符完毕的字符串,AT指令的响应数据包在中。
每个指令执行成功与否都有相应的返回。
所以本模块的程序设计主要以发送AT指令为着手点。
用AT命令设置TC35的参数时,必须先要将命令写入串口,然后通过读取串口的应答数据来判断是否成功。
一般AT命令发送成功时,会返回数据“OK",表示AT命令执行成功。
在短消息模块设计的过程中,对于TC35的相关参数要进展设置。
具体应用到的AT指令如下:
(1)设置发送模式
短消息收发时,必须要用AT命令设置TC35的发送和接收模式。
在收发短消息时,必须按照设置的模式对发送和接收的数据进展相应编码和解码。
其中,设置PDU模式的命令为“AT+CMGF=1回车“。
(2)设置效劳中心
根据前面介绍短消息收发技术原理,短消息的传输总是由处于GSM外部的短消息效劳中心进展中继。
每个消息有自己的目的地或起源地,但只与用户和SMSC有关,因此要根据SIM卡的营运商设置相应的效劳中心。
如设置XX联通公司效劳中心的命令是,“AT+CSCA=0500回车“。
(3)短消息发送
在短消息发送时,使用以下命令将短信发出去:
at+cmgf=1回车
at+csmp=17,167,0,0回车
at+cscs=gsm回车
at+cmgs=手机回车
输入短信内容text格式+
〔注:
“〞ASCII值为26,即1AH〕
发送短信子程序如下:
;========================
;发送短信程序
;========================
MAIN:
MOVSP,#53H;设置堆栈指针
MOV78H,#20H;设置要发送的数据块的首末地址
MOV77H,#00H
MOV76H,#20H
MOV75H,#40H
ACALLTRANS;调用发送子程序
SJMP$
TRANS:
MOVSBUF,78H;发送地址高8位
WAT1:
JNBTI,WAT1
CLRTI
MOVSBUF,77H;发送地址低8位
WAT2:
JNBTI,WAT2
CLRTI
MOVSBUF,76H;发送地址高8位
WAT3:
JNBTI,WAT3
CLRTI
MOVSBUF,75H;发送地址低8位
WAT4:
JNBTI,WAT4
CLRTI
MOVIE,#90H;翻开中断允许存放器,采用中断方式发送数据
MOVDPH,78H
MOVDPL,77H
MOVXA,DPTR
MOVSBUF,A;发送首个数据
WAIT:
JNBF0,WAIT
RET
_INT:
CLRTI;关发送中断标志位TI
INCDPTR;数据指针加1,准备发送下一个数据
MOVA,DPH;判断当前被发送的数据地址是不是末地址
CJNEA,76H,END1;不是末地址那么跳转
MOVA,DPL
CJNEA,75H,END1
SETEFO;数据发送完毕,置1标志位
CLRES;关串行口中断
CLREA;关中断
RETI;中断返回
END1:
MOVXA,DPTR;将要发送的数据送累加器,准备发送
MOVSBUF,A;发送数据
RETI;中断返回
4.3DS18B20程序设计
DS18B20温度传感器是DALLAS公司生产的单总线器件,在一根线上进展全部的信息传输,因为硬件简单,所以软件设计相对麻烦,对时序掌控精度要求较高。
4.3.1写18B20程序设计
主机要生存一个写时间隙,必须把数据线拉低到低电平然后释放,写时间间隙开场后的15us内允许数据线拉倒高电平。
主机要生成一个写0间隙,必须把数据线拉低电平并保持60us,如下图4.3.1。
〔图4-3-1DS18B20写时序图〕
写18b20子程序的汇编程序如下:
;========================================
;写DS18B20的子程序(有具体的时序要求)
;========================================
WRITE_1820:
MOVR2,#8;一共8位数据
CLRC
WR1:
CLRDQ
MOVR3,#6
DJNZR3,$
RRCA
MOVDQ,C
MOVR3,#23
DJNZR3,$
SETBDQ
NOP
DJNZR2,WR1
SETBDQ
RET
4.3.2读18B20程序设计
主机生成读时间间隙,从ds18b20输出的数据在读间隙的下降沿出现的15us内有效,因此主机停顿I/O口的操作,以读取I/O口的值,如下图4.3.2。
(图4-3-2DS18B20读时序图)
读18b20子程序的汇编程序如下:
;===========================================
;读DS18B20的程序
;============================================
READ_18200:
MOVR4,#2;将温度高位和低位从DS18B20中读出
MOVR1,#TEMPER_L;低位存入TEMPER_L(TEMPER_L)
;高位存入(TEMPER_H)
RE00:
MOVR2,#8;数据一共有8位
RE01:
CLRC
SETBDQ
NOP
NOP
CLRDQ
NOP
NOP
NOP
SETBDQ
MOVR3,#9
RE10:
DJNZR3,RE10
MOVC,DQ
MOVR3,#23
RE20:
DJNZR3,RE20
RRCA
DJNZR2,RE01
MOVR1,A
DECR1
DJNZR4,RE00
RET
单线总线的空闲状态是高电平。
无论任何理由需要暂停某一执行过程时,如果还想恢复执行的话,总线必须停留在空闲状态。
在恢复期间,如果单线总线处于非活动〔高电平〕状态,位与位间的回复时间可以无限长。
如果总线停留在低电平超过480us,总线上所有的器件都将复位。
执行序列通过单线总线端口访问DS18B20的协议流程图如下:
〔图4-3-2协议流程图〕
4.41602液晶程序设计
液晶显示模块是一个慢显示器件,所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平,表示不忙,否那么此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址,也就是告诉模块在哪里显示字符,图4.4是1602的内部显示地址。
〔图4-41602LCD内部显示地址〕
例如第二行第一个字符的地址是40H,那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢?
这样不行,因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B〔40H〕+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。
4.4.11602初始化的程序设计
在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式,在液晶模块显示字符时光标是自动右移的,无需人工干预。
每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。
1602LCD的一般初始化〔复位〕过程
延时15mS
写指令38H〔不检测忙信号〕
延时5mS
写指令38H〔不检测忙信号〕
延时5mS
写指令38H〔不检测忙信号〕
以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号
写指令38H:
显示模式设置
写指令08H:
显示关闭
写指令01H:
显示清屏
写指令06H:
显示光标移动设置
写指令0CH:
显示开及光标设置
液晶初始化程序:
;===================================
;初始化
;====================================
INIT:
MOVA,#38H;#38H-->A
LCALLWIR;调写IR子程序
MOVA,#0EH;#0EH-->A(显示开,光标开,光标闪烁〕
LCALLWIR;调写IR子程序
MOVA,#06H;#06H-->A
LCALLR;调写IR子程序
RET;返回
4.4.21602写指令与数据的程序设计
因为本设计是显示温度值,所以不要读数据,只需写入指令与数据即可。
下面着重介绍一下1602写指令及数据的时序特点;
如图4-4-2是1602写操作时序
〔图4-4-2时序图〕
按照图4.4.2时序写指令及数据程序如下:
;==============================
;写指令
;===============================
WIR:
ACALLCKLCD;调查空闲子程序
CLRE;E清0
CLRRS;RS清0
CLRRW;RW清0
SETBE;E置1
MOVP0,A;A-->P0
CLRE;E清0
RET;返回
;=====================================
;写数据
;=====================================
WDR:
ACALLCKLCD;调查空闲子程序
CLRE;E清0
SETBRS;RS置1
CLRRW;RW清0
SETBE;E置1
MOVP0,A;A-->P0
CLRE;E清0
RET;返回
4.5矩阵键盘程序设计
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。
本模块设计是先读取键盘的状态,然后得到按键的特征编码,再而让液晶显示。
下面介绍一下键盘扫描的过程。
先从P2口的高四位输出低电平,低四位输出高电平,从P2口的低四位读取键盘状态。
再从P2口的低四位输出低电平,高四位输出高电
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