分布式温室环境监测与控制系统.doc

电子系统设计大赛作品申报表作品名称 分布式温室环境监测与控制系统参赛项目“RIGOL杯”电子系统设计大赛申报单位名称 （此处加盖单位公章）参赛者姓名 王昊 赵恒 张朝丰指导教师姓名肖海红 柏杏丽联系方式联系人肖海红电话13733188092手机13733188092邮箱3933344作品简介分布式温室环境监测与控制系统一功能能够对温室中多点的空气温湿度、土壤温湿度进行监控和记录，并将记录结果发送给中央控制显示单元。并且可以按照用户的设置进行温室内环境温湿度的调节。二开发背景近年来，设施农业发展迅速，温室大棚作为新的农作物种植技术，已经突破了传统农作物种植受地域、自然环境、气候等诸多因素的限制。对农业生产有重大意义。分布式温室环境监测与控制系统，通过对温室大棚内空气、土壤温湿度的监测与智能控制，实现了生产自动化，使生产自动化、高效化。三结构说明本设计主要是用的模块有，上位机控制显示模块，中央控制显示模块，无线通信模块，GSM短信控制模块，继电器控制模块，控制单元演示模块以及电源模块等几个主要模块协同工作。四，使用方法将电脑的串口与控制板相连接，USB供电线路与电脑接通，开启上位机串口调试助手，开启平台选型说明单片机开发板（以STM32F103RBT6芯片为控制核心）设计说明（含原理图、设计原理、设计方案等，字数不超过3000字）一 设计原理1.显示原理由于人的眼睛有视觉暂留功能，这是旋转LED能够做成功的前提，每一个汉字都可以分解为16*16个点组成，所以可以使用用点的显示来显示汉字的方法，本设计用一排16*16的LED代替整块的LED，因为整块的LED显示也是逐行扫描的，并不是同时显示的，所以旋转LED根据这样的原理是用电机带动16个LED不停地旋转，从而在扫描的指定位置显示，这样就实现了旋转显示整个汉字（比如，16*16的点阵式有左向右逐列扫描，每次向右移动一个LED的距离，这时候他显示的时候，其他列不显示，这是可以用电机带动这16个LED机械的运动到这里从而实现了和整块点阵的同样的效果）。2.上位机修改字符原理通过上位机可以实现电脑的串口直接与单片机的串口实现通信，这样就省去了向以往那样向单片机中烧录hex文件的烦恼，这样就可以更加随意的让显示屏显示自己想要显示的汉字，由于在使用的过程中，与电脑直接相连的单片机要想吧数据传送到旋转板子上的单片机上面，最好的使用方法就是使用无线通信将数据传送给旋转板子的单片机，所以使用无线通信来传送数据。3.存储原理由于单片机的内存不够大，所以我们要扩大其内存容量，所以使用了大容量存储芯片来存储字符的代码。4.旋转部分电机驱动以及无线供电原理因为旋转部分是电机带动驱动的，电机转速过快将会浪费大量的电能，过慢就会使现实的字符不清晰，所以要对电机进行调速度，对电机调速我们现在使用的方式主要有PWM波进行调速，所以要产生一个信号，再用一个电压比较器来控制输出波形。从而使用了桥式振荡电路来产生一个比较平稳的正弦波，在用一个电压比较器对其电压进行比较，这样就可以实现输出不同占空比的方波，这样可以调节电机的转速。 但是在线圈输出的地方一定要加一个补偿电容，是电路形成谐振，使输出功率变大。 5.旋转部分的稳压显示部分 由于信号的频率比较高，所以选用告诉二极管对输出的电流进行整流，考虑到功率输出的问题，使用全桥整流是最好的方法，但是由于考虑到绿色环保，使用开关稳压管LM2596进行稳压，LM2596仅有几毫安的损耗，这样比较节省能源，也是系统的运行性能比较稳定，由于旋转板的质量直接影响到电机的功耗问题，所以选用贴片单片机是最佳的选择，而LED灯则选用贴片的更加直观好看6.软件设计原理转动显示部分软件设计：此显示屏设计的显示大小是16*128，即可以显示6个汉字的长度。因为显示的内容都是从AT24C64中读出来的，如果每转一圈都要从中读出64*128的内容出来显示，在电机的快速旋转下，一圈那么短的时间，单片机很难完成这个任务，这必然将因为时间冲突而导致显示混乱。所以定义了256字节的数组作为显存，这样暂用的是单片机的RAM，读写速度都比较高，当向左移动显示的时候，每圈只需从24C64中读取2列的字模数据即可，即4个字节，也可以读取1列数据，只不过是移动的速度比较慢。这样每转一圈程序循环一次，通过外部中断检测板子是不是转到了一个特殊的位置（底座上发射红外线的位置），如果转到了这个位置就扫描显示128列数据，然后读取4个字节，然后剩下的时间可以用来读取24L01中的数据并存入24C64中（当外部中断检测到24L01已经收到数据的时候），同时判断是不是收到无线模块发来的命令，例如，暂停，字体宽度变宽，变窄，移动速度快慢，循环移动的开始和停止位置设置。不移动显示时的显示内容上下翻页等命令。如果收到这些命令则执行相应的动作。这样整个旋转显示的部分就可以正常工作了显示了。无线发射控制部分程序设计：此部分使用的是大赛指定的开发板，完成的任务是，接受电脑上位机发过来的串口数据，然后通过无线模块转发给转动显示部分。同时按键扫描，调节旋转显示字体的宽度，移动速度，暂停，继续，显示内容翻页等任务。上电后对24L01初始化和对串口工作方式设置然后就进入大循环不断的刷新1602的内容和按键扫描，收到电脑串口发来的数据时，把数据转发出去。二设计方案1.显示模块显示方案我们可以让字体直立起来显示，也可以让字体平着显示，由于考虑到所占体积的大小，我们选用了让字体平着显示，这样占用的空间更小，由于板子是一个平面，这样的话转动的过程中所收到的阻力很小，将会更加省电。更加绿色环保。所以对于显示部分的电路图以及PCB如下图所示 这样整块板子一气呵成，电路简便，但不简单，给予单片机，显示，大容量存储，无线模块，非接触整流稳压于一体。2.非接触供电和电机驱动方案非接触供电要以一个较高的频率，较高的电压来驱动线圈，这样才可以产生一个比较强的磁场，当然有好多新片可以产生频率较高的方波，例如MAX038，AD9851等等，但是这种芯片价格比较昂贵，考虑到成本的问题，我们使用比较简单的桥式振荡电路，只要设置好合适的电阻和电容的大小，那么就可以产生出比较高的频率，由于频率比较高，所以我们要选用高速运放，因此，选用了价格和性价比高的芯片NE5534高速运放，但是由于振荡电路输出的波形不是标准的方波，所以为了不影响前级和后级的干扰，在这之间我们加上一个电压比较器，这样既可以隔离前后级，也可以增加后级的驱动能力。对于电容选用1nf的电容和1k的电阻就可以实现较高的频率，但是我们在使用的过程中，由于外部静电的干扰刚开始的时候会引起得按路的不起振，所以我们应该是电路的放大被倍数大于三，这样就使频率比计算出来的小，但是同样可以满足电路的需求。由于非接触供电效率比较低，如果提高系统的性能，使输出功率变大，采用全桥推挽输出，这样比半桥提高一半的功率，具体电路如下图所示因为对于电机来说，所需要的功率不是很大，所以可以选择半桥的工作方式，也就是使用一个MOS管，在后级的电压比较器中调节参考值，可以调节输出波形的占空比，从而实现了电机的PWM调速具体电路如下图3.电源部分由于本设计的部分对电源的大小只要输入电压在12v到15v之间都可以实现，因此具有宽电源电压输入的功能。所以再输入端只要一个整流模块就可以实现了。具体电路图如下4.软件设计作品特色作品特色一 先进性我们不在采用以往的方式用整排的点阵来显示数据，汉字，而是使用简单的16个LED 完成以往的几百个甚至上千个LED所实现的功能，同时成本大大降低。非接触供电技术在全世界都是一个热门话题，我们这次采用的供电方式就是非接触供电，这样实现了静态给动态供电的先进技术，是电路更加的完美，非接触供电现在是世界上都是一个热门的研究课题，因为他具有一定的难度很使用和实用价值。二实用性众所周知，现在的LED显示屏都占很大的位置，并且看起来都那么的单调无味，LED显示的内容大都为广告或警示人的话语，若想引起人们的注意，一次必须要和其他的不一样，要有新意人们才愿意去都看两眼，这样才可以真正的达到了显示内容的最终目标（无非就是让人们记住上面写的字）。可以应用到广场的显示屏，可以做为观赏使用，可以放在车轮上显示汉字，可以作为广告牌三创新性使用24l01实行无线传送数据，非接触供电为LED提供电源，上位机控制显示的字符，手动按键调节显示的方式。声明本参赛队伍所有成员一致同意，在不涉及技术泄密的情况下，大赛主办方及相关技术支持单位，可以将该参赛作品用于大赛等有关活动使用。