简单的课程设计报告-蔬菜大棚的智…

蔬菜大棚的智能控制系统

一、       要求和意义

1、 要求

蔬菜大棚的智能控制系统的设计，使用51单片机和无线通信模块完成以下基本功能：

使用温度传感器测量大棚温度；

使用两位数码管进行动态显示；

超过35度自动打开风机（用led灯模拟），低于28度关闭风机。

扩展功能：

利用光敏传感器检测，实现大棚外路灯的自动控制，白天关灯，晚上亮灯（节点模块）；

红外遥控手动控制风机和路灯（上位机模块）。

可选用的器件与元件：（具体实物要根据学校给出的作为标准）

STC89C51单片机、nRF24L01模块各两块，18B20、光敏电阻各一个，共阳两位一体数码管一块，电阻、电容、三极管、LED灯、按键任选。

学生2人一组，独立完成电路分析和设计，并完成系统调整和测试。每个人必须能完成不同的功能，最后组成一个总系统，并且做成电路实物系统。

 

2、 意义

根据需要选学参考书，查阅手册，图表和文献资料的自学能力，通过独立思考﹑深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。

利用所学过的最基本的MSC51单片机和无线电通信知识，通过设计计算﹑元件选取﹑电路板制作调试等环节，初步掌握工程设计的技能。

掌握常用仪表的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，使学生巩固和加深对数字逻辑电路的理论知识，锻炼学生的动手能力。

了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范，能按课程设计任务书的技术要求，编写设计说明，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。

培养严谨的工作作风和科学态度，能够逐步建立正确的生产观点，经济观点和全局观点。

二、硬件电路设计

   1、仿电路设计

根据课程设计的要求，初步决定蔬菜大棚的智能系统框图，如图一：

根据图一的大概框架，使用Proteus仿真软件进行系统的仿真，验证电路的可靠性和可行性。

仿真电路如图二所示：

仿真图说明：

根据参考器件仿真电路MCU选用STC89C52单片机，如上图所示，查阅资料[1]可以知道该单片机的最小系统，包括：时钟电路（这次仿真电路使用11.0592M晶振）、复位电路等，其中P0八个I/O口要使用10k上拉电阻才能驱动数码管的段位。外部电路有：数码管电路（另一组员负责）、温度传感器电路（本人负责）、抽风机电路（用LED灯代替）。所有程序将在下面说明。

指导老师的检验：

   我们这组的仿真电路已经成功了，但是这是理想状态下的仿真，与实际电路还有一些出入，本人负责的电路中第一个问题是温度传感器，在实际电路中需要使用上拉电阻，电阻阻值范围是4.7k—20K；第二个问题是抽风机电路，虽然是一个LED灯作为代替，但是在实际电路中要使用一个限流电阻，根据这两个问题在实际电路设计的时候要加上。

2、器件与元件补充说明

   根据设计需要我们将使用的是STC89C52单片机，但是在学校领取的是STC12C5A60S2单片机。查询资料STC官方资料[2]，可以比较出两种单片机的不同点和相同点，不同点：复位电路更加简单，P0将不用上拉电阻，并且P1有AD转换功能，这样可以使用在光敏传感器检测中扩展功能色设计。相同点是电源、地、Rx、Tx引脚位置相同，这样可以使用51单片机的开发板进行程序的焼写。

3、电路设计

 1）、STC12C5A60S2单片机最小系统如下图所示：

说明：STC12C5A60S2单片机的引脚封装与STC89C52单片机的引脚封装一样，所以使用STC89C52单片机原理图。所以上图部分引脚的标注不正确，但是不影响其封装的使用，两种单片机都是使用一样的封装。复位电路的设计是根据STC12C5A60S2单片机技术文档[2]所描述的来设计，使用一个10uF的电解电容和1k的电阻组成；晶振电路使用两个33uf的瓷片电容和一个11.0592M频率的晶振组成。

 

2）、温度检测模块，如下图所示：

说明：温度传感器使用的是DS18b20，其封装是TO-92封装，数据传输引脚使用一个4.7K的电阻作为上拉电阻，并且跟单片机的P3^7接口相连接。DS18B20的数字温度计提供9至12位（可编程设备温度读数)。由于DS18B20是一条口线通信，所以与DS18B20只有一个一条口线连接。为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个ds18b20s可以同时存在于一条总线。

 

3）、抽风机模块和其他模块，如下图所示：

说明：在抽风机模块中，使用一个LED灯代替抽风机，这样就要使用一个470欧电阻个LED灯串联使用，并且跟单片机的P3^5引脚连接如上图所示。灯与光敏传感器组成的电路时扩展部分设计，具体电路如上图所示。

 

4）、电源模块，如下图所示：

说明：电源模块在系统设计中是一个很重要的部分，在这个模块中，因为外接电源是5v电压，所以在本系统设计中主要是加入滤波跟开关部分，滤波电路由一个104瓷片电容跟一个10uf电解电容组成。

 

5）、调试电路模块，如下图所示：

说明：系统的调试是一个很重要的步骤，所以要加上调试接口，这样就不用经常拔插单片机，方便以后的调试系统使用。本接口主要的部分是电源引脚和P3^0引脚、P3^1引脚，这四个引脚都是为了焼写程序做准备，其他引脚作为附加和固定作用。

 

 

二、       程序设计

1）、温度传感器子程序

说明：程序的设计使用KeiluVision4软件，本人负责的是DS18b20温度传感器[3]对温度的检测和温度的读取部分。本人将关于温度传感器有关的子程序做成一个头文件来使用，具体的程序流程，如下图所示。在温度读取上，直接在头文件里就做数据的处理，转换成十进制两位数，转换语句如下：

 

 

a=ReadOneChar();

b=ReadOneChar();

temp=b;

temp<<=8;

temp=temp|a;//将读取到的两个八位二进制数据合并

f_temp=temp*0.0625; //计算出温度，带小数点，16位分辨率是0.0625

temp=f_temp+0.5; //四舍五入，取整数如实际温度是11.6°，将//显示12°

 

上面的转换过程能够在仿真时正确使用。

 

 

 

 

 

2）、抽风机子程序流程图

说明：首先是对温度的处理一次，然后使用if语句进行对温度的判断，如果温度大于35°就打开抽风机；如果温度小于28°就关闭抽风机。在这就有一个数据段是没有处理的，就是温度在28°到35°这一段，根据实际分析可以做出处理：当温度是有35°以上开始下降的，下降到35°不用关闭抽风机，一直下降到28°才关闭抽风机，这样有利于对温度的下降。反之当温度上升到35°才开始打开抽风机。

 

 

 

 

3）、主程序流程图

   说明：主程序是一个大循环，使用的while语句处理，在主函数中，首先读取温度，然后是温度的显示，最后是抽风机子函数的处理。

 

 

四、调试记录

1、调试前的准备

   在调试之前就是对硬件的处理，首先确保PCB电路板要设计正确，PCB板的制作要符合电磁兼容性（EMC）原则；然后是电子元件必须正确焊接；接着使用万用表检查电路是否短路，焊接是否合格，检查是否有断路、虚焊的情况；最后把程序下载到单片机中，并接到电路板中。

2、上电调试过程

   在接电源之前，要确保电源的正负极接正确，开关是否在正确的位置。根据实际情况我们是使用分模块调试的方法进行对电路的调试。首先是数码管显示的调试，这部分是另一位组员负责，在这里不作详细说明。

   在调试好数码管，使之能够正常显示后，本人开始对温湿度传感器模块进行调试，下面是本人的详细调试过程：

   本人将仿真使用过的程序把它焼写进单片机，观察数码管时能够正常显示出当前的温度，发现数码管不能正常显示，显示出两个0。

   首先，检查是否是硬件的问题，因为这个模块使用的元件比较少，只有一个上拉电阻和一个传感器，首先检查上拉电阻是否使用正确，这个电阻的阻值是4.7k，正常使用时可以的；然后检查温度传感器的引脚是否接正确，实际上没问题；最后检查温度传感器是否不能工作，在这个过程本人编写了一个串口温度检测程序，在上位机上测试发现PC机能够正常显示出温度，说明温度传感器没有损坏，能够正常工作；在这里排除硬件的问题。

   然后，检查是否是单片机的问题，因为对于温度处理，全部是在温度传感器这个头文件中。程序是在STC12C5A60S2单片机中运行的，而仿真时使用的单片机是STC89c52单片机，也许两者有一些不同的地方，查阅STC12C5A60S2单片机的技术文档发现，该单片机的运行频率比较高，在读取温度上可能不能正常读取，所以要利用时钟分频控制寄存器进行时钟分频，从而使单片机在较低频率下工作，设置如下：

 

sfr CLK_DIV = 0x97; //定义时钟分频控制寄存器地址

CLK_DIV = 0x03;//（外部晶振时钟或内部ＲＣ振荡时钟）/8

 

再次，焼写改写过的程序，依然不能正常显示温度。

   接着，在排除单片机的问题之后，开始对程序的检查是否正确。主要是在头文件中找问题，可能的问题就是在温度的转换过程中出现错误，仔细分析在处理温度的程序，发现本人在主函数处理的温度主要是整数部分，而小数点之后的数据是没有读取的，在这里本人将在头文件的子程序中转换和读取四位数据，包括两位整数和两位小数，在主程序中只显示整数部分。在a和b读取温度之后，就让程序的处理如下：

 

   //传感器返回值除16得实际温度值

   //为了得到2位小数位，先乘100，再除16，考虑整型数据长度，

   //技巧处理后先乘25，再除4，除4用右移实现

    t =(b*256+a)*25;

   return( t >> 2  );

 

3）、最后再次焼写改写后的程序进单片机，就可以得到正常的温度了，并且能够正常工作。

 

4）、我们这组准备做的扩展模块是光敏对电灯的控制，我们的计划是使用该单片机的P1  IO口进行八位的AD转换，通过测量经过光敏电阻的不同电压来控制电灯的亮跟灭。由于在电路设计上的缺陷，不能正常测量出经过光敏电阻的电压，最后不能成功。因为在AD转换引脚上的信号输入，没有加上滤波电容和一个分压电阻，所以不能正常工作。这是我们感到遗憾的一个地方

 

 

 

。

调试时间

调试步骤

调试结果

分析结果

解决方法

结论

2014年3月25日

调试前硬件电路检查

发现短路和断路的布线

造成电路板不能正常工作

认真检查原理图和用万用表检查电烙铁电焊位置

在电焊的时候要注意电路走线是否正确，焊盘之间是否短路

2014年3月25日

数码管模块调试（另一组员负责）

无

无

无

无

2014年3月25日

DS18b20模块调试

不能正常显示温度，只显示00

1、硬件电路问题

 

1、再次检查硬件电路和上拉电阻是否使用正确

在模块调试过程中，要一步步来调试排除问题，通过分析问题，找出最优的方案来得出实验的结果。

2、新单片机与仿真用的单片机有性能差别；

2、在程序中加上降低工作频率的代码

3、温度传感器损坏；

3、使用开发板测试温度传感器是否正常工作，可以正常使用

4、程序出现错误

4、修改DS18b20头文件，读取全部温度位数

2014年3月25日

抽风机模块（LED灯代替）

不能正常亮

1、硬件电路问题；

1、用万用表检查硬件电路

在用万用表检查电路是发现有断路的现象，最后检查是焊盘出现虚焊的原因，解决后再次用程序测试，LED灯可以正常显示

2、程序出问题

2、编写测试程序

 

 

五、课程设计体会

      作为一名通信工程的大三学生，单片机课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。

      在这次的单片机课程实际过程中，我们这组从开始到调试结束经过了5个星期的时间，而且扩展模块没有完成，虽然一开始就计划好要做光敏电阻那一部分，最后还是未能完成，这是一个小小的遗憾。主要问题是在硬件设计时就没有好好考虑扩展部分电路问题，导致那一部分简单电路不能正常工作。从这里可以看出考虑问题的水平，以及后续问题处理能力还有待提高。

      我们通过查阅大量有关资料，并在小组中互相讨论，交流经验和自学，若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教同学和老师，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。

通过这次课程设计发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了今后努力学习的兴趣，这将对我以后的学习产生积极的影响