簡單的課程設(shè)計報告-蔬菜大棚的智能控制系統(tǒng)

蔬菜大棚的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計，使用51單片機(jī)和無線通信模塊完成以下基本功能：

使用溫度傳感器測量大棚溫度；

使用兩位數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)顯示；

超過35度自動打開風(fēng)機(jī)（用led燈模擬），低于28度關(guān)閉風(fēng)機(jī)。

利用光敏傳感器檢測，實現(xiàn)大棚外路燈的自動控制，白天關(guān)燈，晚上亮燈（節(jié)點模塊）；

紅外遙控手動控制風(fēng)機(jī)和路燈（上位機(jī)模塊）。

可選用的器件與元件：（具體實物要根據(jù)學(xué)校給出的作為標(biāo)準(zhǔn)）

STC89C51單片機(jī)、nRF24L01模塊各兩塊，18B20、光敏電阻各一個，共陽兩位一體數(shù)碼管一塊，電阻、電容、三極管、LED燈、按鍵任選。

學(xué)生2人一組，獨立完成電路分析和設(shè)計，并完成系統(tǒng)調(diào)整和測試。每個人必須能完成不同的功能，最后組成一個總系統(tǒng)，并且做成電路實物系統(tǒng)。

根據(jù)需要選學(xué)參考書，查閱手冊，圖表和文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力，通過獨立思考﹑深入鉆研有關(guān)問題，學(xué)會自己分析解決問題的方法。

利用所學(xué)過的最基本的MSC51單片機(jī)和無線電通信知識，通過設(shè)計計算﹑元件選取﹑電路板制作調(diào)試等環(huán)節(jié)，初步掌握工程設(shè)計的技能。

掌握常用儀表的正確使用方法，學(xué)會簡單電路的實驗調(diào)試和整機(jī)指標(biāo)測試方法，使學(xué)生鞏固和加深對數(shù)字邏輯電路的理論知識，鍛煉學(xué)生的動手能力。

了解與課程有關(guān)的電子電路以及元器件工程技術(shù)規(guī)范，能按課程設(shè)計任務(wù)書的技術(shù)要求，編寫設(shè)計說明，能正確反映設(shè)計和實驗成果，能正確繪制電路圖。

培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和科學(xué)態(tài)度，能夠逐步建立正確的生產(chǎn)觀點，經(jīng)濟(jì)觀點和全局觀點。

   1、仿電路設(shè)計

根據(jù)課程設(shè)計的要求，初步?jīng)Q定蔬菜大棚的智能系統(tǒng)框圖，如圖一：

根據(jù)圖一的大概框架，使用Proteus仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，驗證電路的可靠性和可行性。

仿真電路如圖二所示：

仿真圖說明：

根據(jù)參考器件仿真電路MCU選用STC89C52單片機(jī)，如上圖所示，查閱資料[1]可以知道該單片機(jī)的最小系統(tǒng)，包括：時鐘電路（這次仿真電路使用11.0592M晶振）、復(fù)位電路等，其中P0八個I/O口要使用10k上拉電阻才能驅(qū)動數(shù)碼管的段位。外部電路有：數(shù)碼管電路（另一組員負(fù)責(zé)）、溫度傳感器電路（本人負(fù)責(zé)）、抽風(fēng)機(jī)電路（用LED燈代替）。所有程序?qū)⒃谙旅嬲f明。

指導(dǎo)老師的檢驗：

   我們這組的仿真電路已經(jīng)成功了，但是這是理想狀態(tài)下的仿真，與實際電路還有一些出入，本人負(fù)責(zé)的電路中第一個問題是溫度傳感器，在實際電路中需要使用上拉電阻，電阻阻值范圍是4.7k—20K；第二個問題是抽風(fēng)機(jī)電路，雖然是一個LED燈作為代替，但是在實際電路中要使用一個限流電阻，根據(jù)這兩個問題在實際電路設(shè)計的時候要加上。

   根據(jù)設(shè)計需要我們將使用的是STC89C52單片機(jī)，但是在學(xué)校領(lǐng)取的是STC12C5A60S2單片機(jī)。查詢資料STC官方資料[2]，可以比較出兩種單片機(jī)的不同點和相同點，不同點：復(fù)位電路更加簡單，P0將不用上拉電阻，并且P1有AD轉(zhuǎn)換功能，這樣可以使用在光敏傳感器檢測中擴(kuò)展功能色設(shè)計。相同點是電源、地、Rx、Tx引腳位置相同，這樣可以使用51單片機(jī)的開發(fā)板進(jìn)行程序的焼寫。

1）、STC12C5A60S2單片機(jī)最小系統(tǒng)如下圖所示：

說明：STC12C5A60S2單片機(jī)的引腳封裝與STC89C52單片機(jī)的引腳封裝一樣，所以使用STC89C52單片機(jī)原理圖。所以上圖部分引腳的標(biāo)注不正確，但是不影響其封裝的使用，兩種單片機(jī)都是使用一樣的封裝。復(fù)位電路的設(shè)計是根據(jù)STC12C5A60S2單片機(jī)技術(shù)文檔[2]所描述的來設(shè)計，使用一個10uF的電解電容和1k的電阻組成；晶振電路使用兩個33uf的瓷片電容和一個11.0592M頻率的晶振組成。

2）、溫度檢測模塊，如下圖所示：

說明：溫度傳感器使用的是DS18b20，其封裝是TO-92封裝，數(shù)據(jù)傳輸引腳使用一個4.7K的電阻作為上拉電阻，并且跟單片機(jī)的P3^7接口相連接。DS18B20的數(shù)字溫度計提供9至12位（可編程設(shè)備溫度讀數(shù))。由于DS18B20是一條口線通信，所以與DS18B20只有一個一條口線連接。為讀寫以及溫度轉(zhuǎn)換可以從數(shù)據(jù)線本身獲得能量，不需要外接電源。因為每一個DS18B20的包含一個獨特的序號，多個ds18b20s可以同時存在于一條總線。

3）、抽風(fēng)機(jī)模塊和其他模塊，如下圖所示：

說明：在抽風(fēng)機(jī)模塊中，使用一個LED燈代替抽風(fēng)機(jī)，這樣就要使用一個470歐電阻個LED燈串聯(lián)使用，并且跟單片機(jī)的P3^5引腳連接如上圖所示。燈與光敏傳感器組成的電路時擴(kuò)展部分設(shè)計，具體電路如上圖所示。

4）、電源模塊，如下圖所示：

說明：電源模塊在系統(tǒng)設(shè)計中是一個很重要的部分，在這個模塊中，因為外接電源是5v電壓，所以在本系統(tǒng)設(shè)計中主要是加入濾波跟開關(guān)部分，濾波電路由一個104瓷片電容跟一個10uf電解電容組成。

5）、調(diào)試電路模塊，如下圖所示：

說明：系統(tǒng)的調(diào)試是一個很重要的步驟，所以要加上調(diào)試接口，這樣就不用經(jīng)常拔插單片機(jī)，方便以后的調(diào)試系統(tǒng)使用。本接口主要的部分是電源引腳和P3^0引腳、P3^1引腳，這四個引腳都是為了焼寫程序做準(zhǔn)備，其他引腳作為附加和固定作用。

1）、溫度傳感器子程序

說明：程序的設(shè)計使用KeiluVision4軟件，本人負(fù)責(zé)的是DS18b20溫度傳感器[3]對溫度的檢測和溫度的讀取部分。本人將關(guān)于溫度傳感器有關(guān)的子程序做成一個頭文件來使用，具體的程序流程，如下圖所示。在溫度讀取上，直接在頭文件里就做數(shù)據(jù)的處理，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制兩位數(shù)，轉(zhuǎn)換語句如下：

a=ReadOneChar();

b=ReadOneChar();

temp=b;

temp<<=8;

temp=temp|a;//將讀取到的兩個八位二進(jìn)制數(shù)據(jù)合并

f_temp=temp*0.0625; //計算出溫度，帶小數(shù)點，16位分辨率是0.0625

temp=f_temp+0.5; //四舍五入，取整數(shù)如實際溫度是11.6°，將//顯示12°

上面的轉(zhuǎn)換過程能夠在仿真時正確使用。

2）、抽風(fēng)機(jī)子程序流程圖

說明：首先是對溫度的處理一次，然后使用if語句進(jìn)行對溫度的判斷，如果溫度大于35°就打開抽風(fēng)機(jī)；如果溫度小于28°就關(guān)閉抽風(fēng)機(jī)。在這就有一個數(shù)據(jù)段是沒有處理的，就是溫度在28°到35°這一段，根據(jù)實際分析可以做出處理：當(dāng)溫度是有35°以上開始下降的，下降到35°不用關(guān)閉抽風(fēng)機(jī)，一直下降到28°才關(guān)閉抽風(fēng)機(jī)，這樣有利于對溫度的下降。反之當(dāng)溫度上升到35°才開始打開抽風(fēng)機(jī)。

3）、主程序流程圖

   說明：主程序是一個大循環(huán)，使用的while語句處理，在主函數(shù)中，首先讀取溫度，然后是溫度的顯示，最后是抽風(fēng)機(jī)子函數(shù)的處理。

1、調(diào)試前的準(zhǔn)備

   在調(diào)試之前就是對硬件的處理，首先確保PCB電路板要設(shè)計正確，PCB板的制作要符合電磁兼容性（EMC）原則；然后是電子元件必須正確焊接；接著使用萬用表檢查電路是否短路，焊接是否合格，檢查是否有斷路、虛焊的情況；最后把程序下載到單片機(jī)中，并接到電路板中。

2、上電調(diào)試過程

   在接電源之前，要確保電源的正負(fù)極接正確，開關(guān)是否在正確的位置。根據(jù)實際情況我們是使用分模塊調(diào)試的方法進(jìn)行對電路的調(diào)試。首先是數(shù)碼管顯示的調(diào)試，這部分是另一位組員負(fù)責(zé)，在這里不作詳細(xì)說明。

   在調(diào)試好數(shù)碼管，使之能夠正常顯示后，本人開始對溫濕度傳感器模塊進(jìn)行調(diào)試，下面是本人的詳細(xì)調(diào)試過程：

   本人將仿真使用過的程序把它焼寫進(jìn)單片機(jī)，觀察數(shù)碼管時能夠正常顯示出當(dāng)前的溫度，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不能正常顯示，顯示出兩個0。

   首先，檢查是否是硬件的問題，因為這個模塊使用的元件比較少，只有一個上拉電阻和一個傳感器，首先檢查上拉電阻是否使用正確，這個電阻的阻值是4.7k，正常使用時可以的；然后檢查溫度傳感器的引腳是否接正確，實際上沒問題；最后檢查溫度傳感器是否不能工作，在這個過程本人編寫了一個串口溫度檢測程序，在上位機(jī)上測試發(fā)現(xiàn)PC機(jī)能夠正常顯示出溫度，說明溫度傳感器沒有損壞，能夠正常工作；在這里排除硬件的問題。

   然后，檢查是否是單片機(jī)的問題，因為對于溫度處理，全部是在溫度傳感器這個頭文件中。程序是在STC12C5A60S2單片機(jī)中運(yùn)行的，而仿真時使用的單片機(jī)是STC89c52單片機(jī)，也許兩者有一些不同的地方，查閱STC12C5A60S2單片機(jī)的技術(shù)文檔發(fā)現(xiàn)，該單片機(jī)的運(yùn)行頻率比較高，在讀取溫度上可能不能正常讀取，所以要利用時鐘分頻控制寄存器進(jìn)行時鐘分頻，從而使單片機(jī)在較低頻率下工作，設(shè)置如下：

sfr CLK_DIV = 0x97; //定義時鐘分頻控制寄存器地址

CLK_DIV = 0x03;//（外部晶振時鐘或內(nèi)部ＲＣ振蕩時鐘）/8

再次，焼寫改寫過的程序，依然不能正常顯示溫度。

   接著，在排除單片機(jī)的問題之后，開始對程序的檢查是否正確。主要是在頭文件中找問題，可能的問題就是在溫度的轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)錯誤，仔細(xì)分析在處理溫度的程序，發(fā)現(xiàn)本人在主函數(shù)處理的溫度主要是整數(shù)部分，而小數(shù)點之后的數(shù)據(jù)是沒有讀取的，在這里本人將在頭文件的子程序中轉(zhuǎn)換和讀取四位數(shù)據(jù)，包括兩位整數(shù)和兩位小數(shù)，在主程序中只顯示整數(shù)部分。在a和b讀取溫度之后，就讓程序的處理如下：

   //傳感器返回值除16得實際溫度值

   //為了得到2位小數(shù)位，先乘100，再除16，考慮整型數(shù)據(jù)長度，

   //技巧處理后先乘25，再除4，除4用右移實現(xiàn)

    t =(b*256+a)*25;

   return( t >> 2  );

3）、最后再次焼寫改寫后的程序進(jìn)單片機(jī)，就可以得到正常的溫度了，并且能夠正常工作。

4）、我們這組準(zhǔn)備做的擴(kuò)展模塊是光敏對電燈的控制，我們的計劃是使用該單片機(jī)的P1  IO口進(jìn)行八位的AD轉(zhuǎn)換，通過測量經(jīng)過光敏電阻的不同電壓來控制電燈的亮跟滅。由于在電路設(shè)計上的缺陷，不能正常測量出經(jīng)過光敏電阻的電壓，最后不能成功。因為在AD轉(zhuǎn)換引腳上的信號輸入，沒有加上濾波電容和一個分壓電阻，所以不能正常工作。這是我們感到遺憾的一個地方

。

      作為一名通信工程的大三學(xué)生，單片機(jī)課程設(shè)計是十分有意義的，而且是十分必要的。在已度過的大學(xué)時間里，我們大多數(shù)接觸的是專業(yè)課。我們在課堂上掌握的僅僅是專業(yè)課的理論知識，如何去鍛煉我們的實踐能力？如何把我們所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課理論知識運(yùn)用到實踐中去呢？類似的課程設(shè)計就為我們提供了良好的實踐平臺。

      在這次的單片機(jī)課程實際過程中，我們這組從開始到調(diào)試結(jié)束經(jīng)過了5個星期的時間，而且擴(kuò)展模塊沒有完成，雖然一開始就計劃好要做光敏電阻那一部分，最后還是未能完成，這是一個小小的遺憾。主要問題是在硬件設(shè)計時就沒有好好考慮擴(kuò)展部分電路問題，導(dǎo)致那一部分簡單電路不能正常工作。從這里可以看出考慮問題的水平，以及后續(xù)問題處理能力還有待提高。

      我們通過查閱大量有關(guān)資料，并在小組中互相討論，交流經(jīng)驗和自學(xué)，若遇到實在搞不明白的問題就會及時請教同學(xué)和老師，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。