基于GSM的温室环境检测与控制系统设计毕业设计论文.docx
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基于GSM的温室环境检测与控制系统设计毕业设计论文
基于GSM的环境温湿度采集系统设计
摘要:
温湿度是重要的环境条件,与人们的生产生活活动息息相关。
因此,对于环境温湿度的有效检测就显得尤为重要。
基于GSM远程温室环境监控系统充分利用GSM网络,配用相关的传感器,利用单片机进行多参数的数据采集和指令响应,在数据采集点与集中监测中心建立快捷的数据通信通道,把各数据采集终端的农业监测数据发送到监控中心,并进行相应的数据处理,决策结果可以利用短消息方式发送到用户手机上。
该系统实现了参数的自动采集与无线传输,降低了测量的工作量、节约成本、提高效率。
本设计重点介绍远温室环境监控系统的实现方法和软件设计,并且系统仿真运行稳定,达到了预期的设计目标。
关键词:
GSM单片机温室环境数据采集
ThedetectingSystemDesignoftheEnvironmentalTemperatureandHumiditybyUsingGSM
Abstract:
TheremotemonitoringsystemofgreenhouseenvironmentbasedonGSMfullyusesofGSMnetworkwiththerelevantsensors,andusessinglechipmicrocomputerstoacquiredataparametersandinstructionresponses.Itestablishesefficientdatacommu—nicationchannelbetweendatacollectionpointsandcentralizedmonitoringcenter,sentingagriculturalmonitoringdatatothecenterbythedataacquisitionterminalandprocessing,theresultscanbeusedtosendonthemobilephonebyshortmessages.Thesystemachievesautomaticcollectionandwirelesstransmissionofparameters,reducesthemeasurementworkload,savesthecostandimprovestheefficiency.Itfocusesonimplementationandsoftwaredesignoftheremotemonitoringsystemofgreenhouseenvironment,andsysternsimulationoperatesstably.Thedesignisexpectedtoachievethegoa1.
Keywords:
GSM;Singlechip;greenhouseenvironment;dataacquisition;
引言
温室环境的各项参数是否符合规定要求需进行检测得知,而科技的发展为温室环境的监测自动化、高效化提供了重要条件。
GSM短消息以其覆盖区域广、快捷、高效、准确、费用低廉、受环境影响小等特点,逐步应用于工业控制、移动作业环境、远程数据采集和监控集中,可随时随地通过GSM模块以短消息方式发送和接收现场采集到的数据。
具有实时性强、精度高的优点,便于数据信息的集中管理和远程控制。
采用AT89S52单片机和tc35i作为核心器件,系统实现了对环境中温度、湿度等参数的实时监测。
并将测得数据定时以GSM短消息的方式发送到手机、远程监控中心,也可设置标准环境参数。
当环境参数不符合环境要求时向手机发送警报。
因此,该系统是一种低成本体积小、可移动、方便操作的新型环境监测仪。
第一章方案论证
1.1课题的来源
温湿度是一种最基本的环境参数,人们生产生活与环境温湿度息息相关,在工农业生产过程中需要实时测量温湿度,在生产条件要求苛刻的实验室等场所更需要实时测量温湿度,因此,研究环境温湿度的测量方法和测量装置具有重要的意义。
随着科技的发展和自动化水平的提高,温度的自动监测已经成为各行各业进行安全生产和减少损失采取的重要措施之一。
特定场合下由于监测分站比较分散、偏远,采用传统的温度测量方式周期长、成本高,而且测量员必须到现场进行测量,因此工作效率非常低。
且不便于管理。
本文提出了基于GSM的远程温度监测系统,采用SHT10数字温湿度传感器,通过现有的GSM网络将监测结果以短信方式发送至相应的监控终端(如手机、PC机)。
系统具有结构简单、可靠性高、成本低等特点,可广泛应用于桥梁混凝土测温、油气井场、电力电缆火灾监测、粮仓及物资仓库温度监测。
在信号测量中,我们常采用温湿度传感器来检测温度、湿度。
在后续的信号处理中,多交由单片机进行信号的处理与分析。
采用单片机来处理温湿度传感器检测到的环境温湿度信号,不仅具有系统控制简单方便、可扩展性强、灵活性大等优点,而且,还可以大幅度地提高环境温湿度的检测精度与准确度。
因此,本次毕业设计选择以AT89S52单片和GSM模块为核心器件的环境温湿度检测系统作为研究课题。
1.2系统结构和工作原理
本次系统设计以AT89S52单片和GSM模块为核心部件,主要由温湿度信号采集电路、时钟电路、复位电路、电源电路、键盘控制电路、报警电路、LCD液晶显示电路、GSM模块电路组成。
系统通过温湿度传感器电路对环境中的温湿度信号进行准确的采集,并将采集到数据交于单片机进行处理与分析。
在单片机进行数据处理与分析的同时,LCD液晶显示电路对检测到数据进行显示。
若信号采集电路检测到的检测值超过人为的设定值时,则有单片机发送报警指令,此时,报警电路进行警示报警,以引起相关检测人员的注意,从而实现对环境温湿度状况的检测、显示、报警。
本系统设计具体可实现如下功能:
(1)检测环境的温湿度状况;
(2)通过LCD显示屏自动显示温湿度采集电路采集到的环境温湿度状况;(3)通过LCD显示屏实时显示时间;(4)使用键盘控制电路对温湿度的上下限进行设定及修正,对LCD显示的时间进行修正;(5)检测值与设定值比较,并通过报警电路进行警示。
1.3系统方案对比
在本次系统设计中,需要采用传感器作为信号采集器件。
所谓传感器,就是能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。
简单的说,就是能把被测的非电量转换成为电信号输出的器件或装置称为传感器。
信号检测效果的好坏是检测系统设计成败的关键,传感器的选择又决定了信号检测的效果。
为此,本次系统设计根据传感器的选用设计以下两种方案。
1.3.1系统设计方案一
在方案一中,采用温度传感器来测量环境温度,采用湿度传感器来测量环境湿度,然后分别将采集到的数据通过各自的模数转换电路进行信号转换,即将采集到的模拟信号转换为数字信号,然后送到单片机进行数据的分析与处理。
在方案一种,辅助电路主要由电源电路、复位电路、报警电路、液晶显示电路、键盘控制电路等组成。
方案结构如图1.1所示。
图1.1方案结构图一
1.3.2系统设计方案二
在信号采集检测系统中,传感器的选用尤为重要,往往决定着检测到的信号是否准确,决定着检测系统设计的成败;再者,众所周知,相对湿度是温度的函数,温度严重地影响着指定空间内的相对湿度,温度每变化0.1℃。
将产生0.5%RH的湿度变化。
使用场合如果难以做到恒温,提出过高的测湿精度是不合适的。
因为湿度随着温度的变化漂浮不定,所以,只谈测量湿度的精度将失去实际意义。
因此,在系统设计方案二中,采用集成化的温湿度传感器来检测环境的温湿度,然后送给51单片机进行分析与处理。
系统设计方案二的结构如图1.2所示。
图1.2方案结构图二
1.3.3方案对比与选择
在现代生产生活中,温度和湿度的监测被广泛应用于仓储管理、智能化建筑、气象、环保、生物制药、食品加工等众多领域。
相对于温度测量而言,湿度的测量是一个难点,目前的湿敏传感器多为电容式传感器,通过在不同湿度下介质的介电常数变化引起电容值的变化来测量湿度。
传统的湿度传感器需设计信号调理电路并要经过复杂的校准、标定过程,测量精度难以得到保证,而且在线性度、重复性、互换性等方面也往往不尽如人意。
随着信息科学与微电子技术,特别是微型计算机与通信技术的迅猛发展,传感器逐渐与微处理器、微型计算机相结合,产生了智能式传感器。
智能化传感器是借助于半导技术将传感器部分与信号调节电路、接口电路和微处理器制作在同一块芯片上,即构成大规模集成电路的智能化传感器。
方案一中分别采用温度传感器、湿度传感器进行温湿度采集,不仅需要各自配备相应的数模转换电路,使电路变得复杂,而且,在后续的系统调试过程中也容易出现许多不必要的麻烦。
而方案二中采用温湿度一体化的传感器,不仅简化了电路结构,而且,省去了方案一中由于电路调试所带来的不必要麻烦。
因此方案二电路简单,抗干扰能力强。
采用温湿度一体化的智能传感器,它不仅具有信号检测、转换和处理功能,同时还具有存贮、记忆、自补偿、自诊断等多种功能。
因而体积缩小、线路简化、结构更紧密,可靠性和抗干扰能力大大提高。
通过方案之间的比较,本课题选择第二种方案进行系统设计。
第二章远程温湿度监测系统硬件设计
2.1硬件系统设计概述
本系统设计主要有两大部分组成:
环境数据采集部分和数据监测终端部分。
环境数据采集部分主要由环境数据采集传感器、AT89S52单片机和GSM无线收发模块等部件组成,其中环境数据采集传感器采用SHT10温湿度一体化的数字传感器作为环境温湿度采集电路的主要部件,SHT10采集到的环境温湿度信号送给AT89S52单片机进行分析与处理。
单片机主要控制环境数据采集传感器和GSM无线收发模块两者的有序工作,一方面它用来进行用户权限鉴定,另一方面将得到的数据转换成GSM短信模式,同时控制tc35i收发模块发送数据。
GSM无线收发模块即tc35i负责发送和接收短信,它可以向用户监测终端发送检测到的实时环境数据,也可以接收送到用户监测终端发来的命令消息。
液晶显示电路采用LCD1602就可以完成显示需求。
报警电路由三极管和蜂鸣器等组成,当检测值超过设定值时,报警电路中的蜂鸣器响起,实现报警功能。
键盘控制电路由于所需按键较少,采用独立式键盘方式完成键盘扫描等功能。
整个电路采用AT89S52结合外同电路实现对温湿度的数据采集和监控。
系统循环监控环境,若出现问题,单机片立即通过AT命令RS232异步串行接口与GSM收发模块进行通信,并利用该模块向手机终端或计算机监控中心发送短信息。
监测者可用短信命令设置智能模块,或发送短消息查询命令查询其监控情况,从实现到无线监测。
该方式无需拨号,短信收发模块直接把传输的内容和终端号码传送给SMSC,再由SMSC发送给接收终端。
如果发送失败,网络保留消息重新发送。
2.2单片机最小系统设计
2.2.1单片机简要介绍
单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
在我国使用最多的是英特尔公司的MCS-51系列单片机。
它是一种8位的单片机,具有品种全、兼容性强、软硬件资源丰富以及性能价格比高等特点,非常适合我国的国情,已为我国广大工程技术人员所熟悉。
MCS-51系列单片机在硬件资源方面,片内数据存储器采用8位地址,寻址范围为256字节;4个双向的8位并行I/O接口,可用于地址和数据的传送;也可与8234、8155等连接,进行外部I/O接口的扩展;一个串行I/O接口,为全双工串行通信口,可用于数据的串行接收和发送,为构成串行通信网络提供了方便;两个(8052为三个)16位的定时器/计数器,具有4种工作方式;中断系统设置有2级中断优先权,具有5个中断源。
AT89S52系列单片机为MCS-51系列的新一代产品,其内部组织基本相同,除保留了MCS-51单片机的所有特性外,还增设了空闲和掉电两种可以用软件进行选择的低功耗工作方式,主要技术特点是向外部接口电路扩展,以实现微控制器完善的控制功能。
2.2.2单片机的工作方式
单片机共有复位,程序执行,低功耗和编程与加密四种工作方式,下面分别加以介绍。
1复位方式
1.1为什么要复位
单片机规定执行程序时总是从地址0000H开始的,所以在进入系统时必须对CPU进行复位也叫初始化。
另外由于程序运行中的错误或操作失误使系统处于死锁状态时,为了摆脱这种状态也需要进行复位,就象电脑死机了要重新启动一样。
1.2复位的原理
单片机复位的方法其实很简单只要在RST引脚9脚上加一个持续时间为24个振荡周期即两个机器周期的高电平就可以了。
1.3如何进行复位
复位操作有上电自动复位、按键复位、外部脉冲复位3种方法。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的看图2.1
图2.1
当电源刚接通时电容C对下拉电阻开始充电,由于电容两边的电压不能突变,所以RTS端维持高电平只要这个充电时间不超过1ms一般都就可以实现对单片机的自动上电复位,即接通电源就完成了系统的初始化。
在实际的工程应用中如果没有特殊要求一般都采用这种复位方式。
按键复位的电路如图2.2所示
图2.2
它其实就是在上电复位的基础上加了R1和SA。
这种电路一般用在需要经常复位的系统中。
外部脉冲复位的电路如图2.3所示
图2.3
外部脉冲复位通常用于要求比较高的系统,比如希望系统死锁后能自动复位。
外部复位是由专门的集成电路来实现的也就是我们通常俗称的看门狗电路。
它们不但能完成对单片机的自动复位功能而且还有管理电源用作外部存储器等功能。
1.4复位后的状态
复位除对PC产生影响外,还会对其他一些寄存器产生影响,复位时这些特殊寄存器的状态如表一所示。
单片机的初始化状态
寄存器
复位时的内容
PC
0000H
ACC
00H
B
00H
PSW
00H
SP
07H
DPTR
0000H
P0-P3
FFH
TMOD
00000000B
TCON
0X000000B
TL0
00H
TH0
00H
TL1
00H
TH1
00H
SCON
00H
SBUF
不定
PCON
0XXX0000B
表一
2程序执行方式
程序执行是单片机的基本工作方式。
由于复位后PC=0000,所以程序就从地址0000H开始执行,此时单片机就根据指令的要求完成一系列的操作控制。
不过在实际使用中程序并不会从0000H开始执行而总是安排一条跳转指令比如ajmpSTART。
3低功耗操作方式
在以电池供电的系统中有时为了降低电池的功耗,在程序不运行时就要采用低功耗方式。
低功耗方式有两种:
待机方式和掉电方式。
低功耗方式是由电源控制寄存器PCON来控制的。
电源控制寄存器是一个逐位定义的8位寄存器,其格式如下:
MSB
SB
SMOD
----
----
----
GF1
GF0
PD
IDL
SMOD:
串行通信的波特率选择位。
----:
保留位,未定义。
GF1、GF0:
在串行通讯时用为通用标志位,供用户在程序设计时使用。
PD:
掉电保持模式控制位,PD=1进入掉电方式。
IDL:
空闲模式控制位,IDL=1进入待机方式。
3.1待机方式
进入待机方式
当使用指令使PCON寄存器的IDL=1则进入待机工作方式,此时CPU停止工作,但时钟信号仍提供给RAM定时器、中断系统和串行口。
同时堆栈指针SP、程序计数器PC程序状态字PSW、累加器ACC以及全部的通用寄存器都被冻结起来。
单片机的消耗电流从24mA降为3.7mA这样就可以节省电源的消耗。
退出待机方式
退出待机方式可以采用引入中断的方法。
在中断程序中安排一条RETI的指令就可以了。
3.2掉电方式
进入待机方式
当使用指令使PCON寄存器的PD=1则进入掉电工作方式此时单片机的一切工作都停止只有内部RAM的数据被保持下来掉电方式下电源可以降到2V耗电仅50uA此时就相当于把显示器和硬盘也关闭了。
退出待机方式
退出掉电工作方式的唯一方法是复位。
不过应在电源电压恢复到正常值后再进行复位。
复位时间要大于1mS,在进入掉电方式前电源电压是不能降下来的。
因此可靠的单片机电路最好要有电源检测电路。
显然掉电方式和待机方式是两种不同的低功耗工作方式,前者可以在无外部事件触发时降低电源的消耗而后者则在程序停止运行时才使用。
4编程和加密方式
单片机的编程与加密是由专门的设备来完成的。
这种设备称为编程器或烧录器。
单片机的加密是为了保护编程者的劳动成果而设计的一种工作方式。
2.2.3单片机最小系统,
单片机最小系统或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、晶振电路、复位电路。
图2.4给出51单片机的最小系统电路图.
图2.4单片机最小系统
复位电路:
由电容串联电阻构成,由图并结合"电容电压不能突变"的性质,可以知道当系统一上电,RST脚将会出现高电平,并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。
典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位,所以适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。
一般推荐C取10u。
当然也有其他取法的,原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平复位电路。
单片机复位电路就好比电脑的重启部分,当电脑在使用中出现死机,按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。
单片机也一样,当单片机系统在运行中,受到环境干扰出现程序跑飞的时候,按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。
时钟电路用于产生AT89S52单片机工作时所必须的控制信号。
AT89S52单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准,有条不紊地工作的。
因此时钟频率直接影响单片机的速度,时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟电路有两种方式,一种是内部时钟方式,另一种为外部时钟方式,本系统采用内部时钟方式,将XTAL1与XTAL2两引脚跨接石英晶体和微调电容,构成一个稳定的自激振荡器。
2.3温湿度采集电路设计
在温湿度采集电路中,传感器的选用是关键。
在实际的应用电路中,对传感器的基本要求主要有:
反应灵敏、准确;工作可靠、稳定;能量转换效率要高;抗干扰能力要强等。
现代传感器在原理与结构上千差万别,如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器,是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。
当传感器确定之后,与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。
测量结果的成败,在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。
2.3.1传感器的选用原则
1)根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行—个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定。
因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:
量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法,有线或是非接触测量;传感器的来源,国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制。
在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器,然后再考虑传感器的具体性能指标。
2)灵敏度的选择
通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。
因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。
但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。
因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽量减少从外界引入的干扰信号。
传感器的灵敏度是有方向性的。
当被测量是单向量,而且对其方向性要求较高,则应选择其它方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
3)频率响应特性
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有—定延迟,希望延迟时间越短越好。
传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因有频率低的传感器可测信号的频率较低。
在动态测量中,应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性,以免产生过火的误差。
4)线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。
以理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值。
传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。
在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的。
当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的,这会给测量带来极大的方便。
5)稳定性
传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性。
影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。
因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。
传感器的稳定性有定量指标,在超过使用期后,在使用前应重新进行标定,以确定传感器的性能是否发生变化。
在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合,所选用的传感器稳定性要求更严格,要能够经受住长时间的考验。
6)精度
精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。
传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高。
这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。
如果测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器。
对某些特殊使用场合,无法选到合适的传感器,则需自行设计制造传感器。
自制传感器的性能应满足使用要求。
2.3.2温湿度传感器SHT10简介
SHTxx系列产品是一款高度集成的温湿度传感器芯片,提供全量程标定的数字输出。
它采用专利的CMOSens技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件,这两个敏感元件与一个14位的A/D转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。
该传感器品质卓越,响应超快,抗干扰能力强,极高的性价比。
每个传感器芯片都在极为精确的恒温室中进行标定,以镜面冷凝式露点仪为参照。
通过标定得到的校准系数以程序形式储存在芯片本身OTP内存中.通过两线制的串行接口与内部的电压调整,使外围系统集成变得快速而简单微小体积,极低功耗等优点使其成为各类应用中的首选。
SHTxx系列产品的特点:
露点测量、全标定输出,无需标定即可互换使用。
卓越的长期稳定性、两线制数字接口,无需额外电路,基于请求式测量,低能耗、4针引脚安装、超小尺寸、自动休眠、超快响应时
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