基于物联网室内环境监控系统设计.docx
《基于物联网室内环境监控系统设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于物联网室内环境监控系统设计.docx(58页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、 题 目 基于物联网室内环境监控系统设计目录引言1方案设计1一方案选择1二方案确定8三理论分析与方案论证9总体设计9单元电路设计11一、温湿度传感器模块11二、光敏电阻模块11三、CO2传感器模块11四、键盘模块13五、继电器及补偿模块14六、24C16外接ROM模块14七、12864液晶模块14八、电源模块14单元电路测试15整体测试15结论17参考文献:17附录18附录一:整体电路图18附录二:程序清单19引言温室是设施农业的重要组成部分,温室大棚测控系统是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证。通过对监测数据的分析,结合作物生长规律,控制环境条件,使作物在不适宜生长的反季节中,可获得比
2、室外生长更优的环境条件,从而使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。本系统主要针对温室内温度、湿度,光照强度,以及二氧化碳浓度,设计了以单片机为核心的温室大棚测控系统的软硬件系统。综合考虑系统的精度、效率以及经济性要求这三个方面之后,最终确定下位机以STC89C516单片机为控制核心,选用性价比比较高的传感器,实现对温湿度、二氧化碳浓度的测量与控制。针对不同的参数,管理可以通过键盘人为设定作物所期望的上、下限值。当单片机检测到温湿度、二氧化碳浓度有任何一个参数越限时单片机通过控制固态继电器打开相应的执行机构进行补偿。为了便于系统的调试、移植、修改,软件设计以C语言为基础,采用模块化设计,主要包括
3、数据采集模块、键盘显示模块以及数据存储和转换处理等模块。在系统设计过程中,我们参考国内外温室测控系统的设计,它们主要是采用高精度的传感器测量温室环境参数,通过计算机进行远程控制,其主要问题在于价格较昂贵,一般的农民对于其价格是难以接受的,所以我们在设计系统时充分考虑到性价比,选用价格低、性能稳定的元器件,设计出价格低廉且实用的温室大棚环境测控系统。通过运行调试,试验结果与设计期望一致。该测控系统具有使用简单、成本较低和工作稳定可靠等特点,不仅可以应用在农业大棚,也可以应用在恒温湿的机械加工厂、室内环境监测等方面,所以具有一定的推广价值。方案设计一方案选择方案一:采用数码管实时显示各环境参量方式
4、整个系统通过核心单片机实时读取温度湿度传感器、CO2传感器、光敏电阻的测量参数值,并实时显示在LED数码管上,显示当前温室环境的各个参数情况,供温室管理人员作参考,以决定是否采取相应的补偿措施。该系统通过4*4矩阵键盘设定相关环境参量的上下限值,当测量参数超过所设定的上下限的值时,蜂鸣器响,发出警报,提示管理人员进行补偿。硬件框图:STC89C52单片机8位数据DS18b20温传感器ADC0832 模数转 换芯片光敏电阻CO2传感器4*4矩阵键盘数码管显示温度、湿度、CO2浓度以及光照的强弱74HC573锁存器蜂鸣器(报警)图1湿敏电阻软件流程图:设置定时测量时间10分钟,开定时器系统初始化定
5、时时间到?保持显示数值,等待定时时间到测量实时环境参量值,保存在相应的变量中数码管显示测量的环境参量值是否超过上下限蜂鸣器报警,并控制相关设备进行补偿YYNN图2方案二:采用1602液晶显示方式该方案采用1602液晶显示的方式显示环境参量值,同时定时测量的数据用外接ROM存储下来,大棚管理人员能通过键盘按键设置环境参量的上下限,设置温室大棚环境补偿模式(自动补偿,定时补偿,手动补偿),也可控制单片机读取外接ROM中存储的各个参量在某一时间内的数据,并显示在1602液晶上,便于管理人员统计该段时间各个环境参量的变化情况,绘制相应的曲线。硬件框图:图31602显示温度、湿度、CO2浓度以及光照的强
6、弱E2PROMSTC89C55片机通过单总线方式DHT21温湿度传感器ADC0832 模数转 换光敏电阻CO2传感器ADC0832 模数转 换继电器控制相关设备进行补偿4*4矩阵键盘DS1302实时时钟芯片软件流程图:系统初始化按键有无?设置环境参量补偿模式读取传感器数值1602显示界面是否超过上下限?控制继电器,使相关设备进行补偿YNYN图4方案三:采用无线模块传输数据,PC机接收数据显示动态曲线该方案突出特点是采用了无线方式传输所测参量值给PC机,PC机接收数据后,根据数据间对应关系,绘制出各个测量参量随时间变化的曲线图,便于大棚管理人员观察该段时间内各个参量的变化情况,总结经验,且根据曲
7、线规律来设置参量的补偿方式,如定时补偿,以实现温室大棚的环境始终处于最优的环境条件,使作物达到高产、高效的目的。硬件框图:无线发射模块RF4332STC89C52单片机(1)通过单总线方式DHT21温湿度传感器ADC0832 模数转 换光敏电阻CO2传感器ADC0832 模数转 换无线接收模块RF4332STC89C52单片机(2)串口PC机继电器控制相关设备进行补偿图5流程框图:定时读取各个传感器所测参量值系统初始化是否超出上下限收到单片机(2)请求?发送响应,并将各参量数据传输给单片机(2)控制相关设备进行补偿YNYN初始化单片机接收数据,通过串口发送给PC机接收到单片机(1)的响应?PC
8、机接收数据并绘制相应的曲线,同时将数据保存。单片机(2)接收PC机通过串口发送的数据,并控制无线模块向单片机(1)发送数据请求PC机发送数据请求?YNYN单片机(1)流程图单片机(2)流程图图6方案四:采用12864液晶显示,查看参量随时间变化曲线图本方案中采取了在12864液晶屏实时显示各个参量值,同时通过按键和现实模块设置相关参量的范围,补偿模式,读取记录,查看参量随时间的曲线图。而在按键过程中液晶为菜单显示模式,界面友好直观,交互性好,还可通过按键设置查看24C16中的记录的数据,来绘制某一参量随时间变化的曲线图。STC89C516单片机24C16串行E2PROM中断74LS21四输入与
9、门4个按钮的键盘继电器控制相关设备进行补偿12864液晶菜单模式显示DHT21温湿度传感器2组2个光敏电阻并联ADC0832模数转换ADC0832模数转换CO2传感器单总线数据传输DS1302实时时钟芯片图7流程框图:系统初始化读取实时环境参量值保存数据在外接ROM中超出上下限?控制相关设备进行补偿按键?显示环境参量值,通过菜单设置环境参量上下限,补偿模式,查看参量曲线图12864模块睡眠YNYN图8二方案确定综合前面四种方案,方案一采用数码管实时显示环境参量值,较直观,能远距离观察各个参量值,能进行自动补偿,廉价,但该方案对所测数据不具备保存功能,不能查看以前的参量值的数据记录,且补偿模式单
10、一。方案二则具备液晶显示参量值,保存数据和补偿模式设置功能,该方案通过1602液晶查看以往的参量数据,但参看方式只能是文字方式,不直观,同时不具备查看各个参量随时间变化曲线图的功能。方案三中单片机测量环境参量值,进行自动补偿,通过无线方式将数据传输给PC机,通过电脑绘制曲线图查看量某段时间的变化情况。该方案不足之处在于价格高,且无线方式传输的数据易出现错误,不能在大棚实地查看相关环境参量值。方案四则综合了方案二、三的优点并作了一些改进,在大棚处用12864液晶显示环境参量值,单片机通过记录时钟芯片提供的时间值,可在12864液晶上画出一定时间内的环境参量随时间的变化关系曲线图,同时还能设置补偿
11、模式,如定时补偿,自动补偿等,方便了大棚管理人员对大棚环境的管理。故我们选择方案四。三理论分析与方案论证理论分析:温室环境复杂多样影响的条件因素多,但是影响生产的主要因素是:温度、湿度、CO2浓度以及光照强度,其他的条件对温室作物的生长影响极小。因此,只要控制好这几个主要的环境条件就能有效提高温室的生产效率。控制的前提是有效的监测,因此,设计的主体是传感器,本系统采用“温湿传感器、CO2传感器、光强传感器”3个传感器模块能够有效测量“温度、湿度、CO2浓度以及光照强度”这几个主要环境参数。采用单片机作为核心处理器完全可以实现采集术、处理数据并做出调整。综合考虑,本系统完全具有可行性。方案论证:
12、温湿生产现在越来越来普遍,但是对于温湿环境的控制基本上处于凭经验判断的状态,对于温室内环境的主要参数:“温度、湿度、CO2浓度和光强”,除了温度外都没有一个具体的科学的定量分析。这大大降低了温室的生产效率,而且浪费人力。而市面上出现的一些专业的测量装置或者智能温室管理设计,不仅价格昂贵,而且操作复杂,无法推广。因此,非常有必要设计一款经济适用、操作简单且有效的测控设备。总体设计一、 硬件实现:本系统基于STC89C516单片机,采集4路信息并做出处理,整个系统具有一定的智能化。首先,采集数据:本系统采集“温度,湿度,CO2浓度,光照强度”4路信息;综合考虑采用3个传感器:温湿传感器、CO2传感
13、器、光强传感器。其次,良好的人机交互平台,这部分功能由“12864+键盘”实现;12864界面采用“汉字+图形”的菜单模式,键盘采用四个独立按钮,由中断模式读取按键,多层读取按键操作菜单。再次,实现数据清晰明了、一目了然,采用“字符+波形”的显示模式;温室环境瞬时变化极小,需要采用一定长的时间里持续观测数据,同时需要实现菜单设置掉电保存,系统使用一片E2PROM芯片记录菜单设置模式和测量数据;再次,为了使历史记录具有可读性,测量数据与测量时刻必须一一对应,系统采用一片DS1302时钟芯片,记录时间。最后,数据处理及实现自动调整功能:自动调整系统设置继电器,控制自动调整装置;数据处理参考下面的软
14、件支持。系统总的硬件框图:STC89C516单片机24C16串行E2PROM中断74LS21四输入与门4个按钮的键盘继电器控制相关设备进行补偿12864液晶菜单模式显示DHT21温湿度传感器2组2个光敏电阻并联ADC0832模数转换ADC0832模数转换CO2传感器单总线数据传输DS1302实时时钟芯片图9关键技术及创新点:1、为节省单片机的引脚资源,我们采用了DHT21基于单总线方式的温湿度传感器,该传感器将实时温度、湿度数据经过一条数据线传输给单片机。2、为可查看参量数据随时间的变化情况,我们采用了DS1302实时时钟芯片来产生时间数据,同时将所测实时参量数据保存在24C16中,单片机通过
15、读取时间24C16中的相关数据,在12864液晶上以时间数据为横轴,参量数据为纵轴,绘制出相应曲线。3、12864液晶的操作界面,采用“文字+图形”的方式,采用菜单模式界面,界面友好直观,十分适合用户操作。二、软件支持:首先,实现菜单功能:采用编码模式,每个单元对应一个编码,由按键改变编码实现菜单操作。其次,数据采集及处理:主程序调用模块函数采集信号并通过转换函数将信号电压转换成实际的参数,进而进行相应的调整处理。单元电路设计一、温湿度传感器模块选用DHT21数字温湿度传感器。DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温
16、元件,并与一个高性能8位单片机相连接。传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT21传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中,传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。测量精度达到:温度0.5,湿度0.5RH。单线制串行接口,使系统集成变得简易快捷,超小的体积、极低的功耗,信号传输距离可达20米以上,使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。由于DHT21数字温湿度传感器采用单总线输出,方便连线,但软件比较麻烦。串行数据读取由高电平的持续时间区分串行的“0”、“1”位,因此在程序中需要测试高电平的持续时间,
17、需严格的时间延时。二、光敏电阻模块温室环境对光强灵敏度要求不高,图10因此选择光敏二极管将光强信号,转换成电信号,然后用ADC0832 采集电信号。光敏二极管的电阻 随光强变化,光强越强电阻值越 低。因此,将光敏二极管与一定 值电阻串联就能得到随光强变化 的电信号。本模块采用4个光敏 二极管(增加采集面),采集两路 信号,每两个光敏二极管并联采 集一路信号,取强信号为光强信号。我们将所测光强数值自定义分为1-10级,分别表示不同强度的光照。模块电路图如右图10所示。三、CO2传感器模块 1.二氧化碳传感器原理:外电源(60.1V)加热元件,当其表面温度达到足够高时,元件相当一个电池,在其信号脚
18、两端输出电压(0.2-0.5V)信号(与能斯特方程符合较好)。连线如图11。图112.测量条件:二氧化碳传感器对测量条件要求较高,电源60.1V,信号采集电流控制在1PA以下.因此,要求测量阻抗达到200G-1000G.3.采集电路:实际应用如下图所示.采用高输入阻抗的运放OP07(输入阻抗达200G以上)做前级电压跟随器OP07的共模输入阻抗达到120G,因此两端各采用一个电压跟随器,从而使测量电阻达到200G的要求.电压跟随器后面接一个差分放大器INA128U,将信号电压放大10倍,然后用ADC0832进行A/D转换采集信号.4.电路说明:经过测试OP07与INA128U构成的前级电路完全
19、能满足要求,放大后的信号电压误差在1%以内.ADC0832为8位双通道串行A/D转换芯片,可以采集0-5V的信号,256级电压精度.直接测量显然精度不够,将信号放大10倍后,精度达到预期要求(面对温室环境测量,其对于CO2精度精度要求不高,而且传感器响应灵敏度足够高(1/10000). 电路连线图如图12:图12四、键盘模块本系统用到了4个按键,而每一次按键都产生一个中断,故我们选取了74LS21芯片4输入与门,4个按键连接输入信号,输出连接外部中断1的引脚,则每次按键,与门输出就会产生一个中断信号,再结合键值,就能准确判断出按键。硬件电路图如图:图13五、继电器及补偿模块继电器:继电器模块十
20、分简单,原理就不多介绍了.本系统使用了两个继电器,在电路设计上直接使用三极管提供驱动(继电器多的话可以使用74HC573或达林管UN2003等驱动)。在实际电路中要注意在继电器的电源端一定要反接一个二极管;同时;最好在靠近继电器的电源端接入1000uF以上的电容,以增强电路的稳定性。补偿模块:采用风扇和照明灯模拟,风扇提供通风使CO2浓度和湿度恢复正常值,照明灯提供光照和温度补偿。六、24C16外接ROM模块24C16串行E2PROM总容量为2K字节,内部分成8个2K比特的地址区域,通过改变“a、b、c”三个寻址位寻址不同的地址区间。每个区间内部的寻址由10位地址码寻址每一个地址,对其数据的写
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 联网 室内环境 监控 系统 设计
链接地址:https://www.31ppt.com/p-1906060.html