蔬菜大棚的智慧控制系統

一、 要求和意義

1、 要求

蔬菜大棚的智慧控制系統的設計，使用51微控制器和無線通訊模組完成以下基本功能：

使用溫度感測器測量大棚溫度；

使用兩位數碼管進行動態顯示；

超過35度自動開啟風機（用led燈模擬），低於28度關閉風機。

擴充套件功能：

利用光敏感測器檢測，實現大棚外路燈的自動控制，白天關燈，晚上亮燈（節點模組）；

紅外遙控手動控制風機和路燈（上位機模組）。

可選用的器件與元件：（具體實物要根據學校給出的作為標準）

STC89C51微控制器、nRF24L01模組各兩塊，18B20、光敏電阻各一個，共陽兩位一體數碼管一塊，電阻、電容、三極體、LED

學生2人一組，獨立完成電路分析和設計，並完成系統調整和測試。每個人必須能完成不同的功能，最後組成一個總系統，並且做成電路實物系統。

2、 意義

根據需要選學參考書，查閱手冊，圖表和文獻資料的自學能力，通過獨立思考﹑深入鑽研有關問題，學會自己分析解決問題的方法。

利用所學過的最基本的MSC51微控制器和無線電通訊知識，通過設計計算﹑元件選取﹑電路板製作除錯等環節，初步掌握工程設計的技能。

掌握常用儀表的正確使用方法，學會簡單電路的實驗除錯和整機指標測試方法，使學生鞏固和加深對數字邏輯電路的理論知識，鍛鍊學生的動手能力。

瞭解與課程有關的電子電路以及元器件工程技術規範，能按課程設計任務書的技術要求，編寫設計說明，能正確反映設計和實驗成果，能正確繪製電路圖。

培養嚴謹的工作作風和科學態度，能夠逐步建立正確的生產觀點，經濟觀點和全域性觀點。

二、硬體電路設計

    1、仿電路設計

根據課程設計的要求，初步決定蔬菜大棚的智慧系統框圖，如圖一：

根據圖一的大概框架，使用Proteus模擬軟體進行系統的模擬，驗證電路的可靠性和可行性。

模擬電路如圖二所示：

模擬圖說明：

根據參考器件模擬電路MCU選用STC89C52微控制器，如上圖所示，查閱資料[1]可以知道該微控制器的最小系統，包括：時鐘電路（這次模擬電路使用11.0592M晶振）、復位電路等，其中P0八個I/O口要使用10k上拉電阻才能驅動數碼管的段位。外部電路有：數碼管電路（另一組員負責）、溫度感測器電路（本人負責）、抽風機電路（用LED

指導老師的檢驗：

我們這組的模擬電路已經成功了，但是這是理想狀態下的模擬，與實際電路還有一些出入，本人負責的電路中第一個問題是溫度感測器，在實際電路中需要使用上拉電阻，電阻阻值範圍是4.7k—20K；第二個問題是抽風機電路，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，根據這兩個問題在實際電路設計的時候要加上。

2、器件與元件補充說明

根據設計需要我們將使用的是STC89C52微控制器，但是在學校領取的是STC12C5A60S2微控制器。查詢資料STC官方資料[2]，可以比較出兩種微控制器的不同點和相同點，不同點：復位電路更加簡單，P0將不用上拉電阻，並且P1有AD轉換功能，這樣可以使用在光敏感測器檢測中擴充套件功能色設計。相同點是電源、地、Rx、Tx引腳位置相同，這樣可以使用51微控制器的開發板進行程式的焼寫。

3、電路設計

  1）、STC12C5A60S2微控制器最小系統如下圖所示：

說明：STC12C5A60S2微控制器的引腳封裝與STC89C52微控制器的引腳封裝一樣，所以使用STC89C52微控制器原理圖。所以上圖部分引腳的標註不正確，但是不影響其封裝的使用，兩種微控制器都是使用一樣的封裝。復位電路的設計是根據STC12C5A60S2微控制器技術文件[2]所描述的來設計，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）、溫度檢測模組，如下圖所示：

說明：溫度感測器使用的是DS18b20，其封裝是TO-92封裝，資料傳輸引腳使用一個4.7K的電阻作為上拉電阻，並且跟微控制器的P3^7介面相連線。DS18B20的數字溫度計提供9至12位（可程式設計裝置溫度讀數)。由於DS18B20是一條口線通訊，所以與DS18B20只有一個一條口線連線。為讀寫以及溫度轉換可以從資料線本身獲得能量，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可以同時存在於一條匯流排。

3）、抽風機模組和其他模組，如下圖所示：

說明：在抽風機模組中，使用一個LED燈代替抽風機，這樣就要使用一個470歐電阻個LED燈串聯使用，並且跟微控制器的P3^5引腳連線如上圖所示。燈與光敏感測器組成的電路時擴充套件部分設計，具體電路如上圖所示。

4）、電源模組，如下圖所示：

說明：電源模組在系統設計中是一個很重要的部分，在這個模組中，因為外接電源是5v電壓，所以在本系統設計中主要是加入濾波跟開關部分，濾波電路由一個104瓷片電容跟一個10uf電解電容組成。

5）、除錯電路模組，如下圖所示：

說明：系統的除錯是一個很重要的步驟，所以要加上除錯介面，這樣就不用經常拔插微控制器，方便以後的除錯系統使用。本介面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式做準備，其他引腳作為附加和固定作用。

二、 程式設計

1）、溫度感測器子程式

說明：程式的設計使用Keil uVision4軟體，本人負責的是DS18b20溫度感測器[3]對溫度的檢測和溫度的讀取部分。本人將關於溫度感測器有關的子程式做成一個頭檔案來使用，具體的程式流程，如下圖所示。在溫度讀取上，直接在標頭檔案裡就做資料的處理，轉換成十進位制兩位數，轉換語句如下：

a=ReadOneChar();

b=ReadOneChar();

temp=b;

temp<<=8;

temp=temp|a;//將讀取到的兩個八位二進位制資料合併

f_temp=temp*0.0625;  //計算出溫度，帶小數點，16位解析度是0.0625

temp=f_temp+0.5; //四捨五入 ，取整數如實際溫度是11.6°，將//顯示12°

上面的轉換過程能夠在模擬時正確使用。

2）、抽風機子程式流程圖

說明：首先是對溫度的處理一次，然後使用if語句進行對溫度的判斷，如果溫度大於35°就開啟抽風機；如果溫度小於28°就關閉抽風機。在這就有一個數據段是沒有處理的，就是溫度在28°到35°這一段，根據實際分析可以做出處理：當溫度是有35°以上開始下降的，下降到35°不用關閉抽風機，一直下降到28°才關閉抽風機，這樣有利於對溫度的下降。反之當溫度上升到35°才開始開啟抽風機。

3）、主程式流程圖

說明：主程式是一個大迴圈，使用的while語句處理，在主函式中，首先讀取溫度，然後是溫度的顯示，最後是抽風機子函式的處理。

四、除錯記錄

1、除錯前的準備

在除錯之前就是對硬體的處理，首先確保PCB電路板要設計正確，PCB板的製作要符合電磁相容性（EMC）原則；然後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；最後把程式下載到微控制器中，並接到電路板中。

2、上電除錯過程

在接電源之前，要確保電源的正負極接正確，開關是否在正確的位置。根據實際情況我們是使用分模組除錯的方法進行對電路的除錯。首先是數碼管顯示的除錯，這部分是另一位組員負責，在這裡不作詳細說明。

在除錯好數碼管，使之能夠正常顯示後，本人開始對溫溼度感測器模組進行除錯，下面是本人的詳細除錯過程：

本人將模擬使用過的程式把它焼寫進微控制器，觀察數碼管時能夠正常顯示出當前的溫度，發現數碼管不能正常顯示，顯示出兩個0。

首先，檢查是否是硬體的問題，因為這個模組使用的元件比較少，只有一個上拉電阻和一個感測器，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；然後檢查溫度感測器的引腳是否接正確，實際上沒問題；最後檢查溫度感測器是否不能工作，在這個過程本人編寫了一個串列埠溫度檢測程式，在上位機上測試發現PC機能夠正常顯示出溫度，說明溫度感測器沒有損壞，能夠正常工作；在這裡排除硬體的問題。

然後，檢查是否是微控制器的問題，因為對於溫度處理，全部是在溫度感測器這個標頭檔案中。程式是在STC12C5A60S2微控制器中執行的，而模擬時使用的微控制器是STC89c52微控制器，也許兩者有一些不同的地方，查閱STC12C5A60S2微控制器的技術文件發現，該微控制器的執行頻率比較高，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暫存器進行時鐘分頻，從而使微控制器在較低頻率下工作，設定如下：

sfr CLK_DIV = 0x97; //定義時鐘分頻控制暫存器地址

CLK_DIV = 0x03;//（外部晶振時鐘或內部ＲＣ振盪時鐘）/8

再次，焼寫改寫過的程式，依然不能正常顯示溫度。

接著，在排除微控制器的問題之後，開始對程式的檢查是否正確。主要是在標頭檔案中找問題，可能的問題就是在溫度的轉換過程中出現錯誤，仔細分析在處理溫度的程式，發現本人在主函式處理的溫度主要是整數部分，而小數點之後的資料是沒有讀取的，在這裡本人將在標頭檔案的子程式中轉換和讀取四位資料，包括兩位整數和兩位小數，在主程式中只顯示整數部分。在a和b讀取溫度之後，就讓程式的處理如下：

    //感測器返回值除16得實際溫度值

    //為了得到2位小數位，先乘100，再除16，考慮整型資料長度，

    //技巧處理後先乘25，再除4，除4用右移實現

    t = (b*256+a)*25;

    return( t >> 2  );

3）、最後再次焼寫改寫後的程式進微控制器，就可以得到正常的溫度了，並且能夠正常工作。

4）、我們這組準備做的擴充套件模組是光敏對電燈的控制，我們的計劃是使用該微控制器的P1  IO口進行八位的AD轉換，通過測量經過光敏電阻的不同電壓來控制電燈的亮跟滅。由於在電路設計上的缺陷，不能正常測量出經過光敏電阻的電壓，最後不能成功。因為在AD轉換引腳上的訊號輸入，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

。

五、課程設計體會

作為一名通訊工程的大三學生，微控制器課程設計是十分有意義的，而且是十分必要的。在已度過的大學時間裡，我們大多數接觸的是專業課。我們在課堂上掌握的僅僅是專業課的理論知識，如何去鍛鍊我們的實踐能力？如何把我們所學的專業基礎課理論知識運用到實踐中去呢？類似的課程設計就為我們提供了良好的實踐平臺。

在這次的微控制器課程實際過程中，我們這組從開始到除錯結束經過了5個星期的時間，而且擴充套件模組沒有完成，雖然一開始就計劃好要做光敏電阻那一部分，最後還是未能完成，這是一個小小的遺憾。主要問題是在硬體設計時就沒有好好考慮擴充套件部分電路問題，導致那一部分簡單電路不能正常工作。從這裡可以看出考慮問題的水平，以及後續問題處理能力還有待提高。

我們通過查閱大量有關資料，並在小組中互相討論，交流經驗和自學，若遇到實在搞不明白的問題就會及時請教同學和老師，使自己學到了不少知識，也經歷了不少艱辛，但收穫同樣巨大。